84

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КАЛУЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

Разработка интерактивных моделей микромира и методика их использования при изучении школьного курса химии

Калуга, 2007

• Содержание
• Введение
• Глава 1 Использование интерактивных компьютерных моделей микромира в химии (литературный обзор)
• 1.1 Компьютер в образовании
• 1.1.1 Компьютерные технологии в обучении
• 1.1.2 Дидактические свойства информации
• 1.2 Учебные компьютерные программы
• 1.2.1 Достоинства и недостатки учебных компьютерных программ
• 1.2.2 Классификация и требования к учебным компьютерным программам
• 1.2.3 Рекомендации по структуре и содержанию основных элементов компьютерной обучающей программы
• 1.3 Дидактические особенности интерактивных компьютерных моделей
• 1.3.1 Состав и структура учебных компьютерных моделей
• 1.3.2 Различия между натурным экспериментом и экспериментом с ИКМ
• 1.3.3 Развитие теоретического мышления с помощью ИКМ
• 1.2.4 Реализация структурных элементов урока при использовании компьютерных моделей
• 1.4 Компьютерные модели в обучении химии
• 1.4.1 Химические модели
• 1.4.2 Классификация компьютерных моделей
• 1.4.3 Компьютерные модели микромира
• 1.4.4 Структура и содержание компьютерных моделей в ЭИ
• Глава 2 Структура и компоненты интерактивного задания с использованием компьютерных моделей для изучения темы «Химическая связь и метод ВС»
• 2.1. Формулировка интерактивного задания
• 2.2 Подсказка как способ активации мыслительной деятельности
• 2.3 Техническая помощь
• 2.4 Визуализации
• 2.5 Ответ
• 2.6 Взаимодействие учащихся с интерактивным заданием
• Глава 3 Возможности использования интерактивных компьютерных моделей микромира на уроках химии
• 3.1 Методика использования интерактивной компьютерной модели при изучении темы «Химическая связь и метод ВС»
• 3.2 Особенности методики проведения уроков с использованием программ «Химия(8-11 класс). Виртуальная лаборатория» и « Химия для всех XXI: 9 класс»
• 3.3 Варианты уроков с применением компьютерных моделей программ «Химия(8-11класс). Виртуальная лаборатория» и «Химия для всех XXI: 9 класс»
• 3.3.1 Урок: Алканы. Строение, изомерия
• 3.3.2 Урок: Алкены. Строение, изомерия и номенклатура
• 3.3.3 Урок: Фосфор и его соединения
• 3.3.3 Урок. Оксиды азота
• 3.4 Результаты апробации
• Выводы
• Литература

Введение

Перед российской школой стоит важнейшая задача подготовки грамотных и высококвалифицированных специалистов, поэтому одним из направлений модернизации российского педагогического образования является создание системы открытого образования, основанного на использовании информационных образовательных технологий дистанционного обучения и формирование единой информационной образовательной среды на базе использования новых информационных технологий и, в частности, разработка современных электронных средств обучения[19].

Одним из элементов электронных средств обучения являются интерактивные учебные компьютерные модели. Метод моделирования в настоящее время является одним из ведущих в процессе познания, а использование компьютерных моделей в процессе обучения позволяет познакомить учащихся с этим методом познания, расширить возможности предъявления учебной информации.

В настоящее время имеется большое число программных средств обучения, содержащих в своем составе различные типы учебных компьютерных моделей, однако даже ввиду такого большого разнообразия учебных компьютерных моделей, их использование в некотором роде затруднительно из-за недостаточно разработанной методической базы, недостаточности исследования функциональных возможностей УКМ, однако, в последнее время, создан ряд моделирующих программ, и разработаны рекомендации к содержанию, функциональным возможностям учебных компьютерных моделей и методам их использования в процессе обучения.

Целью работы является разработка сценария интерактивной компьютерной модели микромира для школьного курса химии[21].

Объектом исследования является деятельность учащихся при обучении химии в условиях использования интерактивных компьютерных моделей в учебном процессе.

Предмет исследования - учебные компьютерные модели и методы их использования при изучении школьного курса химии.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ учебно-методической литературы и электронных изданий на предмет использования интерактивных компьютерных моделей при обучении химии.

2. Разработать сценарий интерактивной компьютерной модели для изучения темы «Химическая связь и метод Валентных Систем».

3. Разработать сценарии уроков и методические рекомендации по использованию компьютерных моделей в школе.

4. Провести апробацию элементов данной методики.

Методы исследования:

1. Анализ учебно-методической литературы и электронных изданий.

2. Разработка сценария интерактивной компьютерной модели для изучения темы «Химическая связь и метод Валентных Систем».

3. Разработка уроков и методических рекомендаций по использованию компьютерных моделей.

Практическая значимость данной работы определяется возможностью использования данной учебной компьютерной модели в образовательном процесс

Выпускная работа состоит из трех глав. Первая глава - литературный обзор по проблеме использования интерактивных компьютерных моделей микромира в школьном курсе химии. Во второй главе представлена структура и состав интерактивной компьютерной модели для изучения темы «Химическая связь и метод Валентных Систем». В третьей главе описаны методика использования данной интерактивной компьютерной модели на уроках химии и методика проведения уроков с использованием интерактивных компьютерных моделей микромира программ «Химия (8 - 11 класс) Виртуальная лаборатория» и «Химия для всех XXI: 9 класс».

Глава 1 Использование интерактивных компьютерных моделей микромира в химии (литературный обзор)

1.1 Компьютер в образовании

1.1.1 Компьютерные технологии в обучении

Нынешний век - век информационных технологий. Информация становится приоритетной ценностью во всех областях знания, политики, экономики, культуры. Отсутствие информации, ее недостаток ведут к печальным последствиям как для специалиста в его профессиональной деятельности, так и для нации, для народа в целом. Те, кто владеет информацией, получают мощный рычаг для дальнейшего продвижения в своей области знания, профессии. Важно уметь искать нужную в данный момент информацию, уметь анализировать ее, уметь искать и находить достойные внимания достоверные факты и оперировать с ними. Все это входит в понятие критического мышления. Поэтому в наш информационный век нет ничего более важного, чем формирование самостоятельного критического мышления, что в свою очередь предполагает интеллектуальное и нравственное развитие личности[6].

Очевидно, что традиционное обучение не в состоянии решить многие проблемы не только высшего, но и среднего образования. Современный человек должен иметь возможность выбора различных форм, способов обучения в разные периоды жизни. Дистанционная форма обучения должна органично влиться в систему непрерывного образования. Под дистанционным обучением понимают процесс обучения, в котором учитель и ученик или учащиеся географически разделены и потому опираются на электронные средства и печатные пособия для организации учебного процесса[29].

Множество знаний, по сути специфичных, становятся обиходными для современного человека, усиливается принадлежность этих знаний к общекультурным. Они находятся в динамичном состоянии, постоянно развиваются, видоизменяются, совершенствуются, их приобретение человеком - каждодневная необходимость.

Конец двадцатого столетия характеризуется созданием мировой информационной структуры, превращением информации в экономическую категорию, развитием различных информационных технологий, в том числе и в сфере образования. Все большее число людей занимаются обработкой и передачей информации.

Для целей образования компьютер предоставляет ряд инструментов, с помощью которых осуществляется процесс обучения:

ь Интерактивность

ь Производительность

ь Мультимедиа

ь Моделирование

1. Понятие интерактивность имеет разные формулировки. Горалик Л. А. пишет: «интерактивный - это такой, в котором получаемая информация зависит в той или иной мере от вашей реакции на информацию, полученную ранее…»[33].

В концепции ЭИРОЗ написано: «Интерактивность в переводе с английского означает всего лишь взаимодействие». Интерактив от английского interaktiv, т.е., взаимодействие. И действительно именно взаимодействие человека с окружающей и социальной средами составляет сущность его существования. Здесь компьютер дает революционные возможности даже при использовании достаточно скудного его оснащения, т.е., используя только мышь и клавиатуру. Однако, этого бывает вполне достаточно для взаимодействия человека с машиной. Поэтому чаще всего говорят о интерактивном режиме работы. По существу это означает поочередные «высказывания» (в широком смысле - от выдачи информации до произведенного действия) каждой из сторон. Причем каждое высказывание производится с учетом как предыдущих собственных, так и высказываний другой стороны[34].

Сам процесс взаимодействия человека с компьютером можно разложить на элементы и представить как некий сигнал от человека к машине (или обратно) и ответ на него, который непосредственно влияет на дальнейшие действия запрашивающей стороны. Т.е., присутствует некий «запрос» со стороны пользователя и «реакция» на этот вопрос со стороны машины. Поэтому важно, используя простейшие элементы, составлять более сложные цепочки, в которых реакции на предыдущие запросы определяют содержание последующих. Например, системы - тренажеры, в которых сложность задания определяется правильностью и скоростью ответов на предыдущие задания.

В настоящее время главным способом организации интерактива является использование экранного меню[34]. Однако, это не единственный способ; также распространены способ создания символьной строки с клавиатуры и способ перемещения объектов на экране, последний обеспечивает легкость и простоту в работе. В данном случае происходит совмещение курсора мыши с виртуальным телом, тем самым, обеспечивая движение этого тела. Таким образом, можно сопоставлять свойства объектов.

Элементы, в которых компьютер задает вопросы пользователю, характерны для обучающих программ. Даже электронные издания первого поколения, в которых использовались вопросы с выбором ответа или его вводом виде текста или цифр, уже имели одну очень важную черту, отличающую их от печатных задачников: возможность проверить правильность своего решения, не узнавая самого ответа.

К инструментальным интерактивным программам относят также виртуальные конструкторы и лаборатории - это открывает очень большие возможности, т.к., именно здесь в наибольшей степени реализуется способность компьютера к моделированию процессов и сред.

2. Коммуникативность очень важна, ведь это возможность непосредственного общения на расстоянии, мобильного предоставления информации. Основополагающим здесь является создание виртуальных сетей, с помощью которых происходит обмен информацией в реальном времени[33].

3. Мультимедиа - это технические системы, обеспечивающие работу пользователя со статичными и динамичными видоизображениями, анимационной, компьютерной графикой, текстом и звуком. Этот инструмент имеет два основных преимущества: качественное и количественное. Мультимедиа предоставляет качественно новые возможности восприятия человеком действительности, особенно наглядно это продемонстрировать в сравнении словесных способов описания какого - либо явления с непосредственным аудиовизуальным представлением. Количественные преимущества в том, что имеет большую информационную плотность. Сопоставим: одна страница текста содержит около 2 Кбайт информации. Прочитать этот текст можно за 2-3 минуты. За это же время просмотренное видео приносит порядка 2000000Кбайт. Поэтому лучше один раз увидеть, чем много раз услышать[34][33].

4. Моделирование объектов, процессов и явлений - одно из первых применений компьютера. Моделирование - это бесконечное множество возможностей - от формирования простых моделей до создания виртуальной реальности. Сегодня можно моделировать не только изучаемые предметы, процессы, но и естественную среду и действия пользователя в ней. Поэтому внедрение элементов моделирования в учебный процесс необходимо для модернизации образовательных программ[34].

1.1.2 Дидактические свойства информации

Компьютер - это инструмент для обработки информации. Информация не является физическим объектом, она не имеет массы, протяженности. Информация может возникать из пустоты и исчезать бесследно. Это совершенно непривычное поведение для объекта, но такова информация.

Информацией можно обмениваться, ничего при этом не теряя, однако у информации есть и более привычные свойства. Выделяется несколько особо важных свойств[29].

Достоверность - наиболее важное свойство информации, ведь недостоверность информации может привести к непониманию или принятию неверных решений. Достоверность информации может зависеть от времени, так что достоверность тесно связана со свойством динамичности информации. Искажение достоверности информации может происходить на разных этапах ее получения:

1. может оказаться недостоверной сама исходная информация;

2. искажения могут возникнуть при передаче;

3. информация может быть неправильно воспроизведена на носителе.

Достоверная информация может оказаться неясной или неполной.

Ясность информации означает, что язык, на котором представлена информация, понятен живому существу или устройству, обрабатывающему эту информацию. Это свойство информации имеет первостепенное значение при ее передаче в рамках Интернета, ведь при этом используется значительное число различных языков, как человеческих, так и формальных (предназначенных для обработки компьютерными программами и устройствами)[32].

О полноте информации можно говорить, если ее не хватает для понимания или принятия решения. Из - за неполноты информации может быть принято неверное решение.

Ценность зависит от значимости задач, решаемых с ее помощью. Важно учитывать, что чем более ценной является информация, тем большей оказывается ее цена.

Актуальность информации имеет большое значение при работе в быстро меняющихся условиях. В педагогическом плане актуальность соотносится с задачами мотивации.

Статичность/динамичность информации характеризует, насколько часто изменяется информация. Это свойство тесно связано с другими свойствами, такими, как достоверность, актуальность.

Статичная информация долго сохраняет как достоверность, так и актуальность. Динамичная информация недолго сохраняет достоверность и актуальность.

Стабильность источника характеризует устойчивость, постоянство доступности источника информации в сети по конкретному адресу. Нестабильность может быть вызвана как техническими проблемами.

Структурность информации означает, информация неоднородна, разные участки передаваемой информации могут иметь разный смысл. Это значит, что при описании информации могут использоваться языки разного уровня и разных типов. Одним из аспектов структурности информации является подразделение информации на виды:текст, программы, аудио- и видеоинформация.

Количество информации - наиболее распространенное ее свойство. Психологически показателем количества информации может служить объем носителя, т.е. определение объема информации на глаз. Однако судить об этом сложно, т.к., количество информации, содержащийся в фотографии, уменьшающейся на части страницы книги, может оказаться большим, чем в книге среднего объема без иллюстраций.

Педагогическая готовность представляет целый подкласс свойств. Педагогически пригодный текст может оказаться неготовым, требующим доработки, изменения либо самого текста, либо сопровождающих его материалов, пояснений, вводных и заключительных замечаний и т.п.

Этим конечно не исчерпывается список свойств информации, а были перечислены только самые важные с точки зрения педагогики[32] [29].

1.2 Учебные компьютерные программы

1.2.1Достоинства и недостатки учебных компьютерных программ

Компьютерные технологии позволяют индивидуализировать учебный процесс, они позволяют увеличить скорость и качество усвоения материала, позволяют совершенствовать знания и умения в процессе обучения, в целом - повышают качество образования[18].

В настоящее время количество выпускаемых на рынок учебных программ настолько велико, что компьютерное обучение считать новой образовательной отраслью, и школа обязана считаться с этим. Компьютер становится совершенно естественным средством познания окружающего мира, как для предыдущих поколений была книга.

Компьютер можно использовать с большой пользой, а можно и во вред. Какое же место может занять компьютерная программа в обучении ребенка?

Во - первых, самая естественная форма работы учителя - урок, и вряд ли в ближайшем будущем она изменится. Значит нужно научится вести уроки с компьютерной поддержкой. Во - вторых, применение компьютера в обучении не ограничивается уроками. Большую роль здесь играет самостоятельная работа с обучающей программой[26].

И наконец, в - третьих, взаимодействие учителя с учащимися через компьютерные сети - дистанционное обучение - очень важно, ведь для ребенка-инвалида - это чуть ли не единственная возможность получить полноценное образование.

Выделим достоинства работы с учебными программами:

· сокращается время выработки необходимых технических навыков учащихся;

· естественным образом достигается оптимизация темпа работы ученика;

· увеличивается количество тренировочных заданий;

· учащийся становится субъектом обучения, ибо программа требует о него активного управления;

· появляется возможность моделировать такие процессы, как движение объектов, с помощью компьютерной анимации создавать на уроке игровую познавательную ситуацию;

· легко достигается уровневая дифференциация обучения;

· урок можно обеспечить материалами из удаленных источников, пользуясь средствами телекоммуникации;

· диалог с программой приобретает характер учебной игры, и у большинства детей повышается мотивация учебной деятельности.

Однако учебные компьютерные программы имеют и недостатки:

· диалог с программой лишен эмоциональности и,как правило, однообразен;

· не обеспечивается развитие речевой, графической и письменной культуры учащихся;

· помимо ошибок в изучении учебного предмета, которые ученик делает и на традиционных уроках, появляются еще и технологические ошибки - ошибки работы с программой;

· как правило, материал подается в условной форме, сильно сжатой и однообразной;

· контроль знаний ограничен несколькими формами - тестами или программированными опросами;

· от учителя требуются специальные знания;

· среди имеющегося программного обеспечения много некачественного, не учитывающего специфику работы со школьниками, имеющего много фактических или методических ошибок.

Как видим недостатков у компьютерного обучения не меньше, чем достоинств, поэтому важно выработать критерии полезности применения компьютеров на уроке для каждой возрастной группы, нужно определить критерии оценки учебных программных средств, готовить учителей и методистов учебных предметов к проведению качественных уроков с компьютерной поддержкой[6].

1.2.2 Классификация и требования к учебным компьютерным программам

Создание компьютерной программы учебного назначения или ППС - задача многофункциональная и не формализуемая.

Что же такое ППС?

ППС - педагогические программные средства, нужные не только и не сколько для технической поддержки учебного процесса, но несущие в себе педагогическую функцию как таковую, выступающие как носители чистого знания [24]. Выделим некоторые общие критерии качества и требования к рассматриваемому типу программных продуктов.

Компьютерный учебник (КУ) - это программно - методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел. КУ сочетает в себе свойства обычного учебника, справочника, задачника и лабораторного практикума. При этом КУ имеет следующие преимущества по сравнению с указанными видами учебных пособий:

· обеспечивает оптимальную для каждого конкретного пользователя последовательность, состоящую в чередовании изучения теории, разбора примеров, методов решения типовых задач, проведении самостоятельных исследований;

· обеспечивает возможность самоконтроля качества приобретенных знаний и навыков;

· прививает навыки исследовательской деятельности;

· экономит время учащегося, необходимое для изучения курса

Требования к КУ:

· КУ должен позволять изучить курс, пользуясь только книгой и входящим в КУ программным обеспечением;

· КУ должен предоставлять учащемуся оптимальное сочетание различных способов изучения курса;

· Каждый элемент программного обеспечения КУ должен удовлетворять всем требованиям, предъявленным к программам соответствующего типа[15];

Лабораторный практикум (ЛП). Программы этого типа служат для проведения наблюдений над объектами, их взаимосвязями или некоторыми их свойствами, для обработки результатов наблюдений, для их численного и графического представления.

Требования к ЛП:

· Должны быть четко определены цели эксперимента, описаны средства и методики проведения эксперимента, методы обработки и анализа экспериментальных данных;

· В документации необходимо привести образец формы отчета и примеры, в полном объеме реализующие методические требования.

Тренажеры служат для отработки и закрепления технических навыков решения задач. Они обеспечивают получение информации по теории и приемам решения задач, тренировку на различных уровнях самостоятельности, контроль и самоконтроль. Как правило, включают режимы: теория, демонстрация примеров, работа с репетитором, самостоятельная работа, самоконтроль.

Требования к тренажерам:

· Должны быть четко определены виды навыков, для освоения которых предназначен тренажер;

· Необходимые теоретические сведения должны быть сформулированы максимально кратко;

· Доступ к теоретическим сведениям должен быть обеспечен из любого режима, кроме контрольного;

· В режиме репетитора желательно предусмотреть все возможные пути решения;

· Темп продвижения должен определяться самим учащимся;

· Должны быть предотвращены утомление и утрата интереса;

· Порядок и форма записи решения задачи на экране должны быть максимально приближены к общепринятым;

· При самостоятельной работе должна быть предусмотрена отмена учащимися ошибочных действий[9];

Контролирующие программы (КП) - это программные средства, предназначенные для проверки качества знаний.

Требования к КП:

· КП должны предоставлять возможность ввода ответа в форме, максимально приближенной к общепринятой;

· КП должен обеспечить адекватный анализ ответа, отличающий опечатку от ошибки и распознающий правильный ответ в любой из эквивалентных форм его представления;

· КП не должны предлагать учащемуся выбрать ответ из списка, содержащего заведомо неверные утверждения;

· Должны быть обеспечены фиксация результатов контроля, их сбор, распечатка и статистический анализ[9].

Предметно- ориентированные среды (микромиры, моделирующие программы, учебные пакеты)

Предметно - ориентированная среда (ПОС)- это учебный пакет программ, позволяющий оперировать с объектами определенного класса. Среда реализует отношения между объектами, операции над объектами и отношениями, соответствующие их определению, а также обеспечивает наглядное представление объектов и свойств.

Учащиеся оперируют объектами, руководствуясь методическими указаниями, либо производят исследование, цели и задачи которого поставлены учащимися самостоятельно.

Требования К ПОС:

· Программа должна иметь справочный режим, содержащий определение всех используемых объектов и отношений;

· Программа должна иметь справочный режим, описывающий правила работы;

· При моделировании объектов и отношений должны сохраняться общепринятые обозначения и терминология[9].

1.2.3 Рекомендации по структуре и содержанию основных элементов компьютерной обучающей программы

«Большинство компьютерных программ и интерфейсов, - пишут Элиот и Брзезинский, - мало учитывают человеческие способности и интересы, оставляя большие области человеко - машинного взаимодействия неисследованными».

«Содержание даже очень хорошего курса может оказаться неусвоенным, - конкретизирует предыдущую мысль Верней, - потому что, обучающийся большую часть времени вынужден разбираться с неудобной программой» [36].

Поэтому необходимо очень тщательно разрабатывать интерфейс, схему взаимодействия обучающегося и программы.

Можно выделить следующие требования к структуре и содержанию основных элементов компьютерной обучающей программы:

· Сжатость и краткость изложения, максимальная информативность текста;

· Отсутствие нагроможденности, четкий порядок во всем; тщательная сгруппированность информации; объединение отдельных информационных элементов в целостно воспринимащиеся группы (принцип структурности);

· Вся наиболее важная информация должна помещаться в левом верхнем углу экрана и быть доступной без скроллирования;

· Использование табличного формата предъявления информации. Таблицы позволяют предоставить материал в компактной форме и наглядно показывают связи между различными понятиями[35];

· Графика должна органично дополнять текст. Динамика взаимоотношения визуальных и вербальных элементов и их количество определяется функциональной направленностью учебного материала;

· Во многих случаях наиболее эффективным является использование мнемонических моделей; при представлении знаний в виде моделей необходимо помнить, что пространственные знания, полученные через модели, приводят к тому, что обучаемые занимают позиции персонажей, находящихся внутри ситуации;

· При проектировании характера и последовательности предъявления материала должен соблюдаться принцип стадийности;

· При предъявлении материала должны быть соблюдены принципы совместности: пояснения к графическим иллюстрациям должны быть расположены как можно ближе к ним, текст и соответствующее ему изображение должны предъявляться одновременно, это создает целостность восприятия;

· Иллюстрации, предъявляющие сложные модели и устройства, должны быть снабжены системой мгновенной подсказки;

· Инструкции по выполнению заданий необходимо тщательно продумывать на предмет ясности, четкости, лаконичности;

· Производительность обучения значительно повышается, если одновременно задействованы зрительный и слуховой каналы восприятия информации;

· В программу обязательно должны быть включены необходимые пользователю функции поиска;

· Электронная учебная единица должна иметь ключевой экран, на котором должна быть графически представлена схема, отображающая основные этапы обучения. Обучаемый должен иметь возможность распознавать стадию собственного обучения;

· Следует всегда использовать пояснение к картинкам, которые бы могли избавить пользователя от ненужного ожидания в случае, если страничка не содержит необходимого материала;

· Необходимо помнить, что обучаемые отдают предпочтение более структурированным методам обучения, при которых они могут последовательно проходить по всему учебному материалу или осуществлять поиск в иерархической системе меню[14].

Необходимо помнить, что с помощью компьютера можно получить не просто статистические выкладки, а наглядные динамические модели. Обеспечить возможность более ясного, наглядного и всестороннего видения мира, поэтому данное преимущество компьютеров нужно использовать как можно шире[36].

Можно сделать вывод, что все приведенные педагогические программные средства имеют множество преимуществ в сравнении с традиционными средствами, однако и много разного рода ограничений при создании их создании, однако использование системного подхода при проектировании и построении учебных компьютерных программ позволяет повысить производительность учебного процесса, избежать временных потерь, создать комфортную обстановку для работы, кроме того это позволяет наиболее полно свой творческий потенциал.

1.3Дидактические особенности интерактивных компьютерных моделей

1.3.1 Состав и структура учебных компьютерных моделей

Понятно, что особенности дистанционной формы обучения наиболее значимо сказываются в области обучения естественнонаучным дисциплинам. Это проявляется в том, что в этих дисциплинах традиционно предусматривается лабораторный практикум, но в условиях дистанционного обучения нет доступа к лабораториям учебных заведений. Следовательно, решать педагогические задачи (развитие интеллектуального, творческого потенциал, аналитического мышления и самостоятельности) посредством экспериментальных работ становится затруднительно. Таким образом, возникает необходимость использования средств обучения, которые позволяют без потерь качества обучения перейти от традиционного обучения к дистанционному. Такими средствами могут выступать компьютерные модели[4].

Компьютерное моделирование способствует развитию у школьника формально - логической и операционной формы мышления и позволяет творчески переосмыслить современные методы научного познания[28].

Так что же такое «компьютерная модель»? Слово «модель» имеет франко - итальянские корни и переводится на русский как «образец» [8].

Одно из наиболее полных определений «модели» дал В. А. Штоф: «Под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализуемая система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте» [23].

Интересное определение понятия «компьютерная модель» предложено Т.В. Миньковичем и определено им как модель, реализованная с помощью компьютера, которая представляет совокупность данных и программ для их обработки[21].

В.В. Лаптев и А.А. Немцев предложили для компьютерных моделей, используемых в обучении, употреблять термин «учебные компьютерные модели». Они выделили специфику учебных компьютерных моделей, заключающуюся в необходимости применения средств наглядного отображения информации при их реализации. Поэтому с учетом современного уровня развития аппаратно - программных средств компьютерного моделирования, под учебной компьютерной моделью можно понимать аппаратно - программную учебную среду, моделирующую изучаемый процесс или объект, предоставляющую средства наглядного отображения информации и, при необходимости, позволяющую осуществлять интерактивное управление моделью[21].

М. И. Хоютанова считает, что компьютерная модель - это созданный за счет ресурсов компьютера виртуальный образ, качественно и количественно отражающий свойства и внутренние связи моделируемого объекта, а в лучшем случае передающий и его внешние характеристики[31].

Таким образом, моделирование - это изучение некоторого явления с помощью моделей, т.е., заменителей, аналогов.

По мнению Э. Е. Нифантьева, А.К. Ахлебинина и В.Н. Лихачева, под учебной компьютерной моделью следует понимать программный модуль, моделирующий изучаемый объект или явление и объединяющий в себе средства отображения и представления информации. Такое определение учебных компьютерных моделей позволяет рассматривать их как индивидуальные объекты, входящие в состав педагогических программных средств различного назначения, а включение их в состав программного какого - либо продукта - как вариант дидактического использования модели в процессе обучения[23].

Важно отметить, что учебная компьютерная модель в составе программного продукта обычно существует не сама по себе, а дополняются различной информацией. Такое объединение УКМ и дополнительной информации можно назвать информационно - моделирующим модулем. Под моделирующей программой можно понимать самостоятельный программный продукт, предназначенный для изучения объектов и явлений, в котором для этого интенсивно используются информационно - моделирующие модули соответствующих объектов и явлений.

В.Н. Лихачев отмечает, что информационно - моделирующим модулем предложено называть совокупность учебных компьютерных моделей и информационных блоков различного типа, объединенных на основе содержательного критерия. Информационными блоками, входящими в состав информационно - моделирующего модуля (ИММ), может быть описание моделируемого явления или объекта, представленное в текстовом, звуковом или схематическом виде; инструкции по организации работы с ИММ; задания для работы с ИММ; справочная информация; видеозапись моделируемого объекта; информация об отличие модели от моделируемого объекта, но центральным элементом ИММ является учебная компьютерная модель[21].

Структуру информационно - моделирующего модуля можно представить в виде схемы:

84

Большое значение для эффективного восприятия информации имеет расположение элементов, входящих в состав информационно - моделирующего модуля, на экране. Наиболее рациональное использование визуального пространства достигается при отображении элементов ИММ в трех окнах, содержащих учебную компьютерную модель; текстовую информацию (описание модели); краткую информацию о моделируемом объекте или явлении. А если в состав ИММ входит несколько моделей, то у учащегося должна быть возможность выбора текущей. Содержание текстовой информации может быть различным в зависимости от действий, выполняемых учащимися. По мнению В. Н. Лихачева расположение элементов ИММ на экране должно быть основано на теории зрительного восприятия:

84

УКМ в составе ИММ в зависимости от содержания и структуры ИММ может находить различное методическое применение, поэтому функционирование УКМ в составе ИММ является вариантом ее дидактического использования в процессе обучения. Это позволяет рассматривать с единых дидактических позиций использование в процессе обучения различных типов УКМ[21].

Перспективность использования компьютерных моделей отмечается в работе научно - методического симпозиума «Компьютерное моделирование в обучении точным наукам», в котором были обозначены направления, связанные с необходимостью разработки компьютерных моделей для обучения, такие, как:

§ применение виртуальных лабораторных практикумов по различным дисциплинам и курсам в области точных наук;

§ формирование у школьников и студентов системного естественнонаучного мировоззрения на основе создания опорных образовательных образов в этой области;

§ изучение природы микро- и макромиров, окружающих человечество, что с помощью физического лабораторного оборудования современной школы и вуза практически невозможно;

§ более глубокий анализ физических, химических, биологических и других процессов и явлений за счет имитации и учета существенно большего количества параметров и факторов по сравнению с возможностями физического лабораторного оборудования[28] [19].

Для организации компьютерного лабораторного практикума необходимо использовать компьютерные модели,предусматривающие активное взаимодействие с учащимися и разработанные для использования в сети и не зависящие от операционной платформы.

В ходе разработки интерактивных компьютерных моделей(ИКМ) педагог должен найти разумное дидактически обоснованное соответствие между логикой работы вычислительной машины и логикой развертывания живой человеческой деятельности учения. Важно предусмотреть специальные меры по стимулированию учебной деятельности, поддержанию положительной мотивации к учению, созданию благоприятного режима работы. Необходимо вовлечь обучаемых в самостоятельную деятельность учения, имитируя практику, усиливая возможности анализа и синтеза изучаемых явлений и процессов[19].

1.3.2 Различия между натурным экспериментом и экспериментом с ИКМ

Натурные эксперименты в обучении применяются для достижения различных целей, в соответствии с которыми можно дать их классификацию:

1) эксперимент - наблюдение. Предназначен для наблюдения учащимися явления, сбора качественных и количественных характеристик, поиска взаимосвязей, описания явлений[19];

2) исследовательский эксперимент. Предназначен для проверки выводов, сделанных на основе наблюдений;

3) прикладной эксперимент. Предназначен для применения концепции, проверенной в ходе исследования, чаще всего предусматривает разработку и использование лабораторной установки.

Работа с ИКМ не может быть однозначно вписана в данную классификацию. По своей сути ИКМ не является полноценной заменой реальных объектов и явлений, поскольку она является формализованным описанием, которое, в свою очередь формируется на основе эксперимента. Данная особенность ставит под сомнение возможность использования ИКМ для формирования эмпирического мышления и требует рассмотрения целей применения ИКМ в обучении[28].

1.3.3 Развитие теоретического мышления с помощью ИКМ

Традиционно эксперимент в лабораторном практикуме формирует эмпирическое мышление. Учащиеся исследуют явление, выявляют в нем структурные элементы, классифицируют их, описывают связи, но все это разделено в сознании.

Однако работа с ИКМ позволяет развивать мышление теоретического типа, поскольку ее можно изготовить таким образом, чтобы она сочетала в себе внешние особенности изучаемого объекта и его внутреннюю структуру и связи, причем во взаимодействии. Тем самым форма знаний об объектах оказывается носителем содержания знаний.

Поэтому при разработке ИКМ необходимо учитывать следующие положения:

1) Работа с ИКМ должна предусматривать построение знания, а не его усвоение. ИКМ не иллюстрация теоретического материала, а орудие его формирования.

2) ИКМ должна сочетать наглядность, описание и понятие, логику. То есть она должна быть не внешним отображением изучаемого явления, а его образным представлением. Причем она должна быть простроена таким образом, чтобы учащиеся овладевали знаниями о взаимосвязи явлений, составляющих целостную систему; давать знание о внутренних, существенных зависимостях, которые непосредственно наблюдать невозможно. Добиться этого можно отображением невидимых (векторов сил, скоростей, поля, энергия и.т.п) и скрытых (внутренние части механизмов например) элементов во взаимосвязи.

3) Работа с ИКМ должна предусматривать активную работу учащихся, поскольку она в обучении позволяет быстрее и успешнее осваивать опыт, формирующий отношение к исследуемой деятельности.

4) В работе с ИКМ предусматривается работа над развитием базовых мыслительных операций: обобщения, ограничения, определения, и сравнения понятий, логических отношений между ними, выделения существенных признаков предметов[19].

1.3.4 Реализация структурных элементов урока при использовании компьютерных моделей

Включение компьютера в учебный процесс не только не сняло имеющиеся противоречия (например, между педагогическим руководством и активной деятельностью учащихся, их индивидуальной и коллективной работой, обучением и самообразованием, контролем и самоконтролем), но и высветило их особенно ярко[18].

С одной стороны, компьютер является средством повышения эффективности процесса обучения в школе. Он дает возможность учащимся самостоятельно извлекать знания, работая в интерактивном режиме, способствует развитию интеллекта школьника, расширяет предъявление учебной информации, позволяет изменить качество контроля за деятельностью учащихся.

С другой стороны, использование компьютера без учета особенностей дидактических процессов, несоблюдение режима работы учащихся оказывает негативное влияние на учебно-воспитательный процесс[27].

Современная дидактика знает множество подходов к организации обучения. И число их постоянно множится. Работа со знанием как таковым в эпоху плюрализма знаний, умение работы с информацией и поиск новых образовательных технологий, множественность подходов к одним и тем же объектам ставят вопрос о легитимности знаний[29].

Недопустимой является фронтальная работа с учащихся, сидящими за компьютерами, на протяжении всего урока. Это не способствует развитию индивидуальных способностей школьников, так как происходит ориентация на «среднего» ученика.

Одновременная работа учащихся под руководством учителя целесообразна только в течении короткого промежутка времени с целью адаптации к обучающей программе, снятия психологического барьера, проверки понимания изучаемого материала и первичного его закрепления[4].

Одним из способов подготовки учащихся к осознанной и рациональной работе является использование учителем демонстрационного компьютера и использование программ учебного назначения, содержащих в своем составе компьютерные модели. Это позволяет свести работу учащихся за компьютерами к разумному минимуму, эффективно провести объяснение нового материала, сформировать верные представления об изучаемом объекте.

Рассмотрим подробно взаимодействие структурных элементов урока, на котором могут быть использованы программы учебного назначения, содержащие в своем составе компьютерные модели. В реальном педагогическом процессе структурные элементы урока выступают как этапы процесса обучения.

Визуальная адаптация к обучающей программе

Задачи этапа:

· Подготовить учащихся к усвоению нового материала;

· Придать формированию учебной деятельности учащихся целенаправленный характер;

· Организовать познавательную деятельность учащихся;

· Научить детей понимать интерфейс программы.

Содержание этапа.

Сообщение названия обучающей программы. Формирование у школьников эмоционального отношения к программе. Постановка познавательной задачи.

Объяснение алгоритма работы

Задачи этапа:

· Дать учащимся конкретное представление об изучаемой программе;

· Добиться усвоения учащимися способов и средств достижения результата;

· Сформировать нравственное отношение учащихся к данной программе.

Содержание этапа.

Организация внимания учащихся, процесса восприятия, осознания, осмысления и демонстрация учителем системы команд и последовательности их выполнения для достижения результата. Указание на местонахождение программы и способа завершения работы с ней. Уяснение вначале того, что надо сделать, а затем уже как сделать.

Условия достижения положительных результатов обучения:

· Актуализация чувственного опыта и опорных знаний учащихся;

· Успешная адаптация учащихся к программе;

· Широкое использование различных способов активации мыслительной деятельности учащихся;

· Включение в работу всех учащихся.

Показатели выполнения задач этапа:

· Качество ответов учащихся на последующих этапах урока;

· Пополнение терминологического запаса;

· Активная и рациональная самостоятельная работа учащихся с программой.

Закрепление алгоритма работы

Задачи этапа:

· Закрепить знания учащихся, необходимые для самостоятельной работы с компьютерной программой;

· Добиться глубины понимания материала;

· Провести работу по развитию речи учащихся.

Содержание этапа.

Закрепить знания учащимися способов и средств достижения результата. Учитель, задавая вопросы учащимся, добивается от них правильных и полных ответов, демонстрирует пошаговое выполнение задания и анализирует ошибочные варианты выполнения действий.

Условия достижения положительных результатов обучения:

· Использование вопросов, требующих мыслительной активности учащихся;

· Демонстрация учителем формального выполнения команд;

· Привлечение всего класса к ответу учащегося для дополнения, уточнения и исправления;

· Определение глубины и пробелов в понимании материала.

Показатели выполнения задач этапа:

· Демонстрация учащимися прочных и осознанных знаний;

· Умение узнавать и соотносить конкретные действия с правилами и идеями;

· Умение четко формулировать свои мысли;

· Умение выделять основные этапы выполнения задания.

Разъяснение задач для самостоятельной работы

Задачи этапа: Организовать и сделать целесообразной самостоятельную познавательную деятельность учащихся за компьютерами.

Содержание этапа.

Формулировка и комментирование задания для самостоятельной работы учащихся, постановка перед ними проблемы. Мотивирование учащихся на быструю и качественную работу. Сообщение критериев, по которым будет оцениваться самостоятельная работа учащихся. Указание на дополнительные возможности работы с данной программой.

Условия достижения положительных результатов обучения:

· Систематическое проведение инструктажа по выполнению самостоятельных заданий;

· Обеспечение внимания всего класса;

· Задания для самостоятельной работы должно быть понятно каждому;

Показатели выполнения задач этапа:

· Активность и самостоятельность учащихся при выполнении работы с программой;

· Рациональная организация учащимися своей познавательной деятельности.

Прежде чем перейти к самостоятельной работе учащихся с программой, целесообразно организовать их синхронную работу.

Синхронная работа учащихся на компьютере

Задачи этапа:

· Закрепить знания учащихся;

· Проверить усвоение операционных операциональных умений;

· Подготовить учащихся к самостоятельной работе на компьютере.

Содержание этапа.

Закрепить знания учащимися способов и средств достижения результата. Выполнение серии заданий. Контроль и корректировка выполнение действий различными способами.

Условия достижения положительных результатов обучения:

· Использование серии однотипных заданий, выполнение которых непродолжительно во времени и направлено на выявление особо значимых знаний и умений для последующей самостоятельной деятельности учащихся;

· Рациональное местонахождение учителя для того, чтобы одновременно видеть и контролировать действия всех учеников;

· Обеспечение синхронности действий учащихся;

Показатели выполнения задач этапа:

· Достаточно высокий темп работы учащихся на компьютерах;

· Выполнение каждым учащимся хотя бы одного из последовательно предложенных однотипных заданий;

· Активная работа всех учащихся класса[20].

В.Н. Лихачев отмечает, что создание интерактивных компьютерных моделей - процесс очень сложный и трудоемкий, т.к., необходимо соблюдать ряд правил и делать опору на определенные принципы. Он также отмечает, что качество созданных на сегодняшний день моделирующих программ невысокое, в связи со слабо изученной структурой и плохо разработанной методической базой.

Выделенные нами элементы урока, на котором используются программы учебного назначения, содержащие в своем составе компьютерные модели, могут иметь различную длительность, разнообразное сочетание и взаимодействие между собой. Не следует ограничиваться только одной последовательностью структурных элементов на уроке. Постоянная схема урока сдерживает творчество учителя. Поэтому необходимо уходить от шаблонности в проведении уроков. Например, урок можно начать с самостоятельной работы на компьютерах, которая будет направлена на разрешение проблемной ситуации, а затем уже проводить фронтальную работу с использованием демонстрационного компьютера.

1.4 Компьютерные модели в обучении химии

1.4.1 Химические модели

Кроме наблюдения и эксперимента в познании естественного мира и химии большую роль играет моделирование. Одна из главных целей наблюдения - поиск закономерностей в результатах экспериментов. Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях с помощью особых приборов, установок, предметов, т.е., моделей. В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаются несущественные для изучения. Так в химии модели условно можно разделить на две группы: материальные и знаковые[4].

84

Материальные модели атомов, молекул, кристаллов, химических производств химики используют для большей наглядности.

Наиболее распространенным изображением атома является модель, напоминающая строение Солнечной системы.

Для моделирования молекул веществ часто используют шаростержневые модели. Модели этого типа собирают из цветных шариков, обозначающих входящие в состав молекулы атомы. Шарики содиняют стержнями, символизирующие химические связи. С помощью шаростержневых моделей довольно точно воспроизводятся валентные углы в молекуле, но межъядерные расстояния отражаются лишь приблизительно, поскольку длины стержней, соединяющих шарики, не пропорциональны длинам связей.

Модели Дрединга достаточно точно передают валентные углы и соотношение длин связей в молекулах. Ядра атомов в них, в отличие от шаростержневых моделей, обозначаются не шариками, а точками соединения стержней.

Полусферические модели, называемые также моделями Стюарта - Бриглеба, собирают из шаров со срезанными сегментами. Модели атомов соединяют между собой плоскостями срезов с помощью кнопок. Полусферические модели точно передают как соотношение длин связей и валентных углов, так и заполненность межъядерного пространства в молекулах. Однако эта заполненность не всегда позволяет получить наглядное представление о взаимном расположении ядер[25].

Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии.

Однако чаще химики пользуются не материальными, а знаковыми моделями - это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций. С помощью символов химических элементов и индексов записываются формулы веществ. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы вещества. Он записывается справа от знака химического элемента.

Химическая формула - основная знаковая модель в химии. Она показывает: конкретное вещество; одну частицу этого вещества; качественный состав вещества, т.е., атомы каких элементов входят в состав данного вещества; количественный состав, т.е., сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества[4].

Все вышеприведенные модели широко используются при создании интерактивных компьютерных моделей.

1.4.2 Классификация компьютерных моделей

Среди различных типов педагогических программных средств особо выделяют те, в которых используются компьютерные модели. Применение компьютерных моделей позволяет не только повысить наглядность процесса обучения и интенсифицировать его, но и кардинально изменить этот процесс. В последние годы совершенствование компьютеров проходит бурными темпами, и их возможности для моделирования стали практически безграничными, поэтому значение компьютерных моделей при изучении школьных дисциплин может существенно возрасти. Э.Е. Нифантьев, А.К. Ахлебинин, В.Н. Лихачев отмечают, что основное преимущество компьютерных моделей - возможность моделирования практически любых процессов и явлений, интерактивного взаимодействия пользователя с моделью, а также осуществления проблемного, исследовательского подходов в процессе обучения[23].