Психолого-педагогічні аспекти комп’ютерного моделювання при вивченні розділу "Геометричної оптики"

83

Дипломна робота

на тему:

"Психолого-педагогічні аспекти комп'ютерного моделювання при вивченні розділу "Геометричної оптики"

Зміст

Вступ

1. Історико-методологічні аспекти дослідження

1.1 Технології комп'ютерного моделювання як різновид НІТ

1.2 Сучасний підхід для розв'язання проблеми наочності при вивченні фізики

1.3 Психолого-педагогічні умови впровадження в навчальний процес комп'ютерного моделювання

2. Методологічні аспекти поєднання традиційних та НІТН при формуванні понять геометричної оптики

2.1 Проблеми вивчення геометричної оптики в сучасному шкільному курсі фізики

2.2 Організація навчального процесу при поєднанні традиційних та НІТН

2.3 Організація та проведення педагогічного експерименту (Методика викладання геометричної оптики за допомогою комп'ютера)

Висновки

Література

Вступ

Впровадження в практику особистісно-орієнтованого навчання, при якому вчитель орієнтується не на «середнього» учня, а на кожного конкретного учня, що є для нього особистістю з його здатностями, рисами, схильностями й інтересами, вимагає розробки нових методів, засобів і організаційних форм навчання. У наявності протиріччя між новими цілями навчання й традиційних технологій навчання фізиці, звідки випливає проблема створення нових технологій навчання фізиці, що дозволяють реалізувати ідею особистісно-орієнтованої освіти.

Останнім часом у процес навчання фізиці активно входить персональний комп'ютер. Відбувається це принаймні по трьох причинах. По-перше, загальний процес комп'ютеризації всіх сфер діяльності торкнулося й навчання, і комп'ютер стає помічником учителя й учнів на уроках майже будь-якого предмета. По-друге, комп'ютер став настільки розповсюдженим інструментом фізика-дослідника, що поряд з фізикою теоретичною і експериментальною виділяють новий розділ - комп'ютерну фізику. Нарешті, шкільний курс інформатики потребує підтримки з боку курсу фізики, коли мова заходить про будову комп'ютера, принципах функціонування окремих його елементів, і, у свою чергу, забезпечує курс фізики матеріалом, що викликає великий інтерес учнів.

У результаті комп'ютер виявляється в курсі фізики в ролі й засобу навчання, і предмета вивчення.

Як засіб навчання комп'ютер може виступати помічником і вчителя, і учня. Для вчителя він - автоматизований класний журнал, засіб проведення опитувань і обробки результатів навчання, інструмент для підготовки до уроків і для проведення демонстрацій. Для учня - засіб виконання завдань, для обох - інструмент моделювання реального світу.

Як предмет вивчення комп'ютер використовується у двох напрямках: у зв'язку з вивченням методів дослідження в сучасному природознавстві й у зв'язку з вивченням фізичних законів і явищ.

Зокрема, в учнів варто створити уявлення про те, що основними напрямками використання комп'ютера у фізиці-науці є комп'ютерне моделювання фізичних явищ і робота комп'ютера в поєднанні з експериментальними установками, де він виконує два завдання - служить для фіксації експериментальних даних, які він може робити зі швидкістю й в обсягах, зовсім недоступних при роботі на некомп'ютеризованій установці, автоматизує керування експериментом. Крім того, комп'ютер використається для обробки експериментальних даних, зберігання й швидкого пошуку величезних масивів інформації, як засіб комунікації. Використання персонального комп'ютера на уроках і в позаурочний час дозволяє познайомити учнів з усіма цими напрямками.

Основними педагогічними цілями використання комп'ютерних технологій у навчанні фізиці є наступні:

Розвиток творчого потенціалу учня, його здыбностей до комунікативних дій, умінь експериментально-дослідницької діяльності, культури навчальної діяльності; підвищення мотивації навчання.

Інтенсифікація всіх рівнів навчально-виховного процесу, підвищення його ефективності і якості.

Реалізація соціального замовлення, обумовленого інформатизацією сучасного суспільства (підготовка користувача засобами комп'ютерних технологій).

Соціально-психологічною характеристикою стилю навчання в умовах функціонування комп'ютерних технологій є розвиток і саморозвиток потенційних можливостей учня, і його творчої ініціативи. Це забезпечується наданням можливості для самостійного здобування знань і інформації; самостійного вибору режиму навчальної діяльності.

Використання дозволяє організувати самостійну пізнавальну роботу учнів по вивченню явищ навколишнього середовища. Можливі різні варіанти організації роботи учнів: виконання дослідження під керівництвом і по інструкції вчителя; можна запропонувати учням самостійно висувати гіпотези, а дослідження проводити за планом, запропонованому учителем. Можливий варіант, при якому учны самі складають план дослідження, виконують його й роблять висновки. У цьому випадку репродуктивний метод навчання заміняється самостійним придбанням знань на основі здійснення експериментально-дослідницької діяльності, що приводить учня, (при відповідній методиці) до самостійного відкриття досліджуваної закономірності.

Таким чином, процес повідомлення готових знань і їхня експериментальна перевірка (розвиток компонентів репродуктивного й продуктивного типів мислення) у традиційній методиці заміняються експериментально-дослідницькою діяльністю, що забезпечує самостійне відкриття тим, яких навчають, закономірності або властивості досліджуваних об'єктів (розвиток компонентів теоретичного типу мислення).

При виконанні дослідження може бути організована індивідуальна, групова, колективна експериментально-дослідницька діяльність.

Використання досягнень нових інформаційних технологій для формування знань, умінь та навичок при вивченні квантової фізики засобами комп'ютерного моделювання з урахуванням психолого-педагогічних особливостей учня, його темпера метру та базової підготовки, є актуальним питанням методики викладання фізики.

Метою даної дипломної роботи є розробка системи уроків вивчення геометричної оптики використовуючи засоби комп'ютерного моделювання, обґрунтування необхідності використання комп'ютерних моделей при вивченні фізики.

Об'єкт дослідження: Впровадження в навчальний процес фізики уроків з використанням засобів комп'ютерного моделювання.

Предмет дослідження: Форми, методи і засоби реалізації вивчення геометричної оптики за допомогою комп'ютерного моделювання.

Гіпотеза дослідження

Використання комп'ютерного моделювання при викладанні геометричної оптики повинно підвищити ефективність і якість засвоєння знань (понять, законів, величин, тощо), формування відповідних умінь та навичок.

Відповідно до предмету і гіпотези дослідження були визначенні його конкретні завдання:

1. Провести аналіз літературних джерел, наукових праць, статей з питання використання комп'ютерних моделей при викладанні фізики.

2. Розглянути психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп'ютерного моделювання при викладанні фізики.

3. розробка методичних рекомендацій, щодо використання комп'ютерного моделювання.

4. Розробка системи уроків з використанням комп'ютерного моделювання під час вивчення геометричної оптики в школі.

1. Історико-методологічні аспекти дослідження

1.1 Технології комп'ютерного моделювання як різновид НІТ

Оскільки нові інформаційні технології навчання (НІТН) включають універсальні засоби опрацювання інформації, то відкриваються перспективи широкої диференціації навчання, розкриття творчого потенціалу, пізнавальних здібностей кожного окремого учасника навчального процесу. За рахунок наявності в складі НІТН наперед розроблених засобів автоматизації рутинних, технічних операцій, виконання яких необхідне під час дослідження різноманітних процесів і явиш, можна значно зменшити навчальне навантаження, надати навчальній діяльності творчого, дослідного характеру, що природно приваблює учня, результати якої приносять задоволення, стимулюють пізнавальну активність.

Аналіз застосовності педагогічного програмного забезпечення (ППЗ) або програмного засобу загального призначення в навчальному процесі потребує аналізу ППЗ як з погляду дидактичних, психолого-педагогічних вимог, так і реалізованості даного ППЗ на наявному апаратному забезпеченні. У більшості випадків постає проблема встановлення програмного засобу на наявному апаратному забезпеченні та його конфігурування для ефективного вирішення навчальної задачі [6].

Сформульовані раніше для шкільних фізичних демонстрацій вимоги з певним застереженням можуть бути перенесені на засоби НІТ, що використовуються для підтримки навчання фізики. Характерними відмінностями, які притаманні засобам НІТ, є:

а) інтерактивність, під якою для навчального процесу розуміють доступність моделі фізичного явища для безпосередньої корекції вхідних даних та параметрів моделі;

б) адаптивність, тобто можливість зміни (у певних межах) темпу навчання, способів подання навчального матеріалу, реакції ППЗ на відповіді учня тощо, причому здійснювану без участі вчителя або за мінімальної особистої участі вчителя;

в) можливість гіпертекстової побудови структури навчального матеріалу (текстового і графічного, включаючи засоби мультиплікації, когнітивної графіки).

На лабораторних роботах з фізики зручно використовувати програми, які дають змогу автоматизувати проведення фізичного експерименту: інформація від фізичних приладів надходить не до людини, яка її обробляє (можливо із застосуванням ЕОМ), а відразу до комп'ютера, який практично миттєво обчислює, будує графіки і т. ін.

Використання датчиків і пристроїв для вимірювання фізичних величин і пристроїв, що забезпечують введення і виведення аналогових і дискретних сигналів (приладового інтерфейсу), лає змогу візуалізувати на екрані ЕОМ різні фізичні закономірності у вигляді моделей, графіків, діаграм, які динамічно змінюються залежно від зміни вхідних параметрів.

При цьому НІТН дають змогу провести десятки експериментів за порівняно невеликий проміжок часу при швидкому зворотному зв'язку і візуалізації результатів експериментів.

Більшість авторів ще 5- 6 років тому передбачали, що зростання «дружності» засобів інформатики суттєво зменшить вимоги до підготовленості користувача для предметного, галузевого використання програмних засобів як спеціалізованих, так і загального призначення.

Нині уже стає зрозумілим, що дана проблема у ряді випадків не розв'язується так, як передбачалося, а саме шляхом ускладнення програмно-апаратного забезпечення і спрощення доступу користувача до нього і використання його можливостей.

Протиріччя, яке виникло між зростаючими можливостями засобів опрацювання інформації і психофізіологічними обмеженнями каналу взаємодії людини з програмно-апаратними засобами, спричинило появу та поширення засобів Multimedia, поняття «віртуальна реальність». Водночас виникло протиріччя між доступністю результатів опрацювання інформації та все зростаючою прихованістю самого процесу опрацювання інформації. При створенні НІТН фізики прихованість опрацювання інформації, на нашу думку, не завжди бажана, оскільки на певних етапах одним з обов'язкових результатів навчання є формування умінь і навичок проведення фізичних вимірювань, а не лише опрацювання їх результатів [2].

Необхідно зазначити, що учні середніх шкіл, а особливо учні шкіл гуманітарних, не володіють необхідними навичками мислення для глибокого розуміння явищ, процесів, які описано в цих розділах. У таких випадках на допомогу приходять сучасні засоби навчання, і в першу чергу - ПК. Такі уроки викликають в учнів справжній інтерес, змушують працювати всіх, навіть слабко підготовлених дітей. Якість знань при цьому відчутно зростає.

Багато явищ в умовах шкільного фізичного кабінету не можна продемонструвати. Це наприклад, явища мікросвіту, або процеси, що швидко відбуваються, досліди з приладами, яких немає в фізичному кабінеті. Діти відчувають труднощі, бо не в змозі уявити ці явища, а комп'ютер може створити моделі явищ; які допоможуть подолати цю проблему.

Комп'ютерне моделювання дає змогу створити на екрані комп'ютера живу, наочну й динамічну картинку фізичного досліду або явища, яке важко пояснити «на пальцях», і відкриває для вчителя широкі можливості для удосконалення уроків.

Слід зазначити, що під комп'ютерними моделями розуміємо комп'ютерні програми, які імітують фізичні досліди, явища або ідеалізовані модельні ситуації, що трапляються у фізичних задачах. Вони легко вписуються у традиційний урок.

Комп'ютер також підвищує і стимулює інтерес до навчання, активізує мислительну діяльність і ефективність засвоєння нового матеріалу, допомагає учням, які пропускають заняття через хворобу, сприяє розвитку самостійності учнів.

Комп'ютерні уроки потребують особливої підготовки. Потрібно чітко визначити мету, якої ми хочемо досягти. До таких уроків треба писати сценарії, продумано «вплітати» справжній і віртуальний експерименти.

Варто пам'ятати, що моделювання різних явищ у жодному разі не замінить справжніх дослідів, а в сукупності з ними дасть змогу на вищому рівні пояснити фізичні закономірності [4].

Немає сумніву, що введення ПК у практику навчання фізики в школі сприятиме вдосконаленню навчального процесу та інтелектуальному розвитку учнів відповідно до потреб часу.

удосконалення навчальної роботи з учнями, які лише починають вивчати фізику, передбачає формування їхньої внутрішньої готовності до сприйняття якісно нового змісту науки про природу. З перших уроків фізики діти повинні сприймати інформацію, на перший погляд легку і просту для розуміння.

Подібну інформацію вони осмислювали і до вивчення предмета, але тепер їм треба свій досвід коригувати, переосмислювати відповідно до нових знань. Це вимагає певних вольових зусиль і розвинутої уваги.

Перші уроки фізики якісно відрізняються від уроків з предметів, уже знайомих учням. Ця відмінність полягає в тому, що уроки фізики насичені не лише звичайною інформацією, а й експериментами, розв'язуванням розрахункових і якісних задач, лабораторними і практичними роботами, висуненням гіпотез та їх доведенням, спостереженнями явищ природи з наступним формуванням висновків. Крім того, учні повинні запам'ятати символи і вміти записувати за їх допомогою формули фізичних величин, розуміти функціональну залежність величин, вивчити Серед засобів, що сприяють формуванню в учнів абстрактного мислення й підвищення теоретичного рівня, виділимо моделювання. Воно може бути опорою для виконання розумових операцій та систематизувати одиниці вимірювання величин, розуміти фізичний зміст явиш, знаходити табличні значення фізичних величин, вміти аналізувати їх та ін.

Це далеко неповний перелік видів роботи учня на уроці фізики. пізнавальних завдань. Зміст фізики наповнений об'єктами, які можна моделювати. Система такої роботи дасть змогу використати процес моделювання як дидактичний прийом розкриття внутрішніх зв'язків і відношень в явищах природи і виявлення на цій основі законів та закономірностей, що стимулюватиме виховання довільної уваги учнів на уроці. У процесі виготовлення моделей учні привчаються відповідальніше ставитися до праці, а сам процес праці виховує вольові якості учня, такі необхідні для виховання довільної уваги. Особливо важливе значення має моделювання під час вивчення складного теоретичного матеріалу, коли сам процес моделювання включає пізнавальні завдання, стимулюючи пізнавальну діяльність учня. На уроці необхідно забезпечити органічне поєднання використання моделей та інших наочних посібників зі словом учителя.

Отже, використовуючи досвід учнів, набутий у результаті виготовлення моделі, і поєднуючи його з інформацією, одержаною на уроці за допомогою зору, слуху та інших органів чуття, ми створили сприятливі умови для уважнішого вивчення явиш природи в майбутньому. Спостереження показують, що без використання наочності учні погано засвоюють подібні залежності. Разом з тим, концентруючи увагу учнів на одних і тих самих явищах протягом кількох уроків (під час вивчення матеріалу, перевірки знань та їх закріплення), ми домагаємося об'єднання в одну систему старих зв'язків, які утворилися в одних учнів під час виготовлення моделей, а в інших - під час використання їх у процесі вивчення теми, з тими новими зв'язками, що утворюються в учнів при подальшому осмисленні ними здобутих знань.

Частина учнів пасивно ставиться до сприйняття навчального матеріалу на уроці, оскільки у них немає звички завжди працювати уважно. Моделювання сприяє якомога частішому використанню довільної уваги учня, бо він сам себе змушує систематично й уважно ставитися до результатів своєї праці, розвиває самостійність і творчість мислення, створює емоційну обстановку на уроці [9].

Учень, який вирішив виготовляти модель, повинен уважно вивчити теоретичний матеріал, виділити суттєві моменти теорії, що покладені в основу конструкції, розробити власну теоретичну схему виготовлення моделі. Залежно від цих чинників одні учні приходять до незадовільних результатів, інші, спрямовуючи свою волю і використовуючи знання та вміння, перемагають труднощі і впевнено завершують розпочату роботу.

На прикладах конкретних проблем розглянуто весь основний цикл моделювання: аналіз досліджуваної проблеми з метою виявлення суттєвих властивостей об'єкту (перебігу процесу, явища), постановка задачі (формалізація на основі прийняття певних спрощуючих припущень), побудова моделі, складання алгоритму, обчислювальний експеримент, включаючи перевірку моделі на адекватність, інтерпретація результатів, вдосконалення моделі. З погляду природи досліджуваних нами явищ виділяються детерміновані й стохастичні моделі; особливості побудови моделей кожного типу розглядаються та відпрацьовуються на конкретних прикладах.

У процесі вивчення розділу обговорюються такі специфічні питання моделювання, як вибір придатного типу моделі, дискретизація процесів, що моделюються, використання чисельних методів, походження похибок обчислень та шляхи їх зменшення. Реалізовано можливість побудови моделей різних типів для вивчення одного й того ж явища та однотипних моделей для вивчення різних явищ. Спрощений спочатку опис виучуваного явища в подальшому поглиблюється. Майже кожна модель має не менше трьох версій. При цьому поступово нарощується понятійний апарат і триває опанування нових методів роботи (проте кількість спеціальних понять та термінів зведено до мінімуму).

Початкові версії усіх моделей, що пропонуються учням, е украй спрощеними. У процесі перевірки на адекватність результатів роботи виявляється їхня майже повна якісна та кількісна невідповідність дослідним фактам. Далі здійснюється поступове ускладнення моделі шляхом уведення до розгляду нових суттєвих факторів, які в попередній версії моделі не бралися до уваги, тобто впливом яких нехтували. У результаті таких дій модель стає дедалі все більш достовірною, що й позначається на результатах моделювання. При такій роботі суттєво важливим є дотримання принципу відповідності: кожна наступна вдосконалена версія моделі повинна містити у собі всі попередні версії як окремі випадки.

Практична робота з комп'ютерними моделями і зокрема, обчислювальний експеримент із подальшою графічною інтерпретацією результатів потребують вирішення принципового питання про вибір середовища для моделювання.

Традиційно таке питання вирішується на користь мов програмування високого рівня, що вимагає з боку учнів значних зусиль, спрямованих на створення зручного користувального інтерфейсу, і тим самим помітно відволікає від безпосередньої роботи з моделлю. На основі докладного аналізу зазначеної методичної трудності нами була висунута гіпотеза про те, що на початковому етапі (під час роботи з детермінованими моделями) цілком достатньо, щоб середовище для моделювання задовольняло таким вимогам:

- результати дослідження мають виводитися на екран у вигляді таблиць із довільною кількістю доступних для перегляду рядків і, зокрема, з такою, що може перебільшувати один екран;

- користувач повинен мати можливість за цими результатами швидко будувати графіки залежності між величинами, що характеризують досліджуване явище.

1.2 Сучасний підхід до розв'язання проблеми наочності при вивченні фізики

«Для вирішення завдання розвитку творчих здібностей школярів при навчанні фізиці необхідно насамперед знати особливості творчого процесу в розвитку цієї науки і її технічного застосування (В.Г. Разумовський)»

Постійне вдосконалення навчально-виховного процесу разом з розвитком і перебудовою суспільства, а також зі створенням єдиної системи безперервного навчання, є характерною рисою народної освіти в Україні. Здійснювана в країні реформа школи спрямована на те, щоб привести зміст утворення у відповідність із сучасним рівнем наукового знання, підвищити ефективність всієї навчально-виховної роботи й підготувати учнів до праці в умовах прискорення науково-технічного прогресу (НТП), авангардні рубежі якого визначені як електронізація народного господарства, комплексна автоматизація, прискорений розвиток атомної енергетики, безвідхідної технології. Досягнення НТП - це результат фундаментальних фізичних досліджень [7].

Тому електроніка й обчислювальна техніка стають компонентами змісту навчання в фізиці й математиці, засобами оптимізації й підвищення ефективності навчального процесу, а також сприяють реалізації багатьох принципів розвиваючого навчання.

Обчислювальна техніка, фундаментом якої служить фізика, знаходить широке застосування у викладанні останньої не тільки як засіб, що моделює математичними методами фізичні процеси і явища, але і як сучасний засіб наочності в сполученні з її абстрактно - логічної сторони із предметно-образної, як засіб математичної обробки результатів демонстраційного експерименту й лабораторних робіт, контролю й самоконтролю знань учнів. Досвід використання обчислювальної техніки на уроках фізики показав, що комп'ютер допомагає готовити завдання для відповідного рівня, темпу навчання й стилю кожного учня. Комп'ютер відкриває нові шляхи в розвитку мислення, надаючи нові можливості для активного навчання. За допомогою комп'ютера проведення уроків, вправ, контрольних і лабораторних робіт, а також облік успішності стає більше ефективним, а величезний потік інформації легкодоступними. Використання комп'ютера на уроках фізики також допомагає реалізувати принцип особистої зацікавленості учня в засвоєнні матеріалу й багато інших принципів розвиваючого навчання.

Однак, на мій погляд, комп'ютер не може повністю замінити вчителя. Вчитель має можливість зацікавити учнів, розбудити в них допитливість, завоювати їхню довіру, вона може направити їхню увагу на ті або інші аспекти досліджуваного предмета, винагородити їхнє зусилля й змусити вчитися. Комп'ютер ніколи не зможе взяти на себе таку роль учителя.

Необхідно відзначити важливість використання програм моделювання, які включають учня в світ науки й техніки, недоступний йому на шкільній лаві; наприклад, дозволяють «побачити» процеси всередині атома й атомного ядра, посадки космічний кораблів на Місяць або Венеру, хід променів в лінзах, наочно у вигляді імітаційних моделей провести ті або інші навчальні досліди на екрані дисплея, якщо їхнє матеріально-інструментальне втілення за якимись причинами недоступно школі.

Так, наприклад, використання найпростіших програм Windows dait (робота в графічному редакторі) - побудова зображень і маніпулювання ними за допомогою машини, відкриває широкі можливості для творчості учнів, для навчання їхньої дослідницької діяльності:

об'єкти на екрані можуть рухатися з різними швидкостями й взаємодіяти один з одним, це дає можливість вивчати закони руху й взаємодії тіл;

дозволяє конструювати об'єкти всіх видів: від будинків і техніки до експериментальних установок і моделей - значить відкривається можливість моделювати процес, робити спостереження й виміри, робити виводи й виявляти закономірності;

інше застосування графічного методу - побудова графіків залежностей фізичних величин: зміна параметрів, що вводять, дозволяє краще зрозуміти фізичну природу, сутність досліджуваного явища;

графіка відіграє важливу роль і при вивченні дії над векторами: побудова векторів, знаходження їхніх проекцій, розкладання сумарного вектора на складові вектора й т.д., все це розвиває в учнів більш усвідомлене розуміння вектора.

Всі ці методи використання комп'ютера є традиційними й спрямованими на підвищення ефективності навчання фізиці всіх учнів класу. Широкий діапазон використання комп'ютера й у позакласній роботі: він сприяє розвитку пізнавального інтересу до предмета, розширює можливість самостійного творчого пошуку найбільш захопленою фізикою учнів. Однієї з форм використання комп'ютера в позакласній роботі є складання навчальних програм самими тими, кого навчають[14]. При цьому учні не тільки поглиблюють і розширюють знання по темі, але й активно мислять, залучають для вирішення проблеми раніше отримані знання, проводять синтез, аналіз, узагальнення й висновки, що сприяють всебічному самостійному розгляду поставленого завдання. Складання програми стимулює розумову активність, розвиває творчі здатності учнів, сприяє емоційному задоволенню й самоствердженню.

Розвиток нових інформаційних технологій і підключення школи до електронної мережі відкрило велике поле діяльності вчителю й учням. Робота в цьому напрямку так само здійснюється різними способами й всі вони спрямовані на одне: розкриття й розвиток творчого потенціалу тих, яких навчають.

В останні роки користується популярністю комп'ютерна телекомунікаційна вікторина. Вона являє собою змагально-групову питально-відповідну гру з використанням електронної пошти для зв'язку між групами учнів з різних шкіл і міст. Використання такої вікторини у викладанні фізики сприяє:

розвитку інтересу до досліджуваного предмета за допомогою комп'ютерної електронної пошти;

стимулюванню активності й самостійності учнів при підготовці питань, у роботі з літературою, позакласній роботі;

формуванню навичок колективної роботи під час обговорення відповідей на питання суперників, удосконалюванню етики спілкування й правописання учнів;

забезпечує об'єктивний контроль глибини й широти знань, якість засвоєння матеріалу учнями.

Учасники турніру мають гарну можливість виявити свої творчі здібності, тому що завдання, пропоновані їм, носять дослідницький характер. І ми цю можливість використаємо: для участі у вікторині створюємо команду, підготовка якої є цікавим процесом у житті не тільки класу, але й школи. Роботу команди ми наближаємо до діяльності науково-дослідної групи; їй надається вибір засобів рішення теоретичних і експериментальних завдань. Рішення останніх проходить звичайно колективно. Робота в цьому напрямку в нашій школі охоплює всі щаблі вивчення фізики. Деякі команди грають уже не перший рік. Необхідно підкреслити, що змагальна сторона телекомунікаційної вікторини має другорядне, допоміжне значення, лише як засіб мотивації учнів.

Ще одна форма нових інформаційних технологій - відкриття дистанційного консультаційного пункту по фізиці дає можливість учням всіх віків і всіх рівнів освіченості одержати відповіді на будь-які їхні питання, що цікавлять. Використання можливостей цього пункту значно розширює кругозір, допомагає позбутися від скутості в спілкуванні, замкнутості, розвиває комунікативні здатності.

З усією інформацією більш докладно хлопці знайомлять у кабінеті фізики (у друкованому вигляді) і інформатики (в електронному вигляді).

Таким чином, всебічне використання можливостей обчислювальної техніки на уроках фізики дозволяє підвищити ефективність навчання, поліпшити контроль і оцінку знань учнів, звільнити більше часу для надання допомоги учням. Комп'ютер дав можливість зробити уроки більш цікавими, захоплюючим й сучасним.

Інформаційна технологія в навчально-виховному процесі це поєднання традиційних технологій навчання і технології інформатики. За проведеними дослідженнями й оцінками експертів у області комп'ютерного навчання, використання інформаційних технологій у навчально-виховному процесі фізики може підвищити ефективність практичних і лабораторних робіт до 30%, а об'єктивність контролю знань учнів - на 20-25% [18, 19].

Впроваджувати НІТ у навчально-виховний процес слід поступово, оскільки потрібні значні кошти на оснащення навчальних закладів апаратними засобами і на розробку й адаптацію педагогічних програмних засобів (ППЗ). Процес такого впровадження вимагає невідкладного розв'язування низки завдань, без чого ефективність використання НІТ буде дуже низькою. У першу чергу треба:

відібрати існуючі і створити нові ППЗ, які відповідали б вимогам шкільної програми з фізики, а також загальним технологічним, ергономічним, психолого-педагогічним вимогам до програмного забезпечення навчального призначення;

розробити апаратний комплекс технічних засобів навчання, які задовольняли б дидактико-психологічні вимоги комплексного використання ППЗ, відеозасобів дидактичного призначення;

3) розробити цілісну методику комплексного використання комп'ютерної та відеотехніки в навчально-виховному процесі, яка включала б різні типи ППЗ - комп'ютерні моделі явищ, задачі, тести, лабораторні роботи;

4) розробити відеоматеріали (відеофільми) з використанням технологій інформатики.

Розглянемо докладніше ці завдання. Є різні підходи до класифікації ППЗ, наприклад за основною дидактичною метою, за характером їх використання на уроках різних типів. Зауважимо, що реальні ППЗ часто поєднують різні навчальні функції (інформаційну, контролюючу, демонстраційну тощо).

За характером використання на уроках різних типів розрізняють такі ППЗ: адаптивні, демонстраційні програми; комп'ютерні моделі; лабораторні роботи; тренажери для розв'язування задач; контролюючі програми.

Коротко проаналізуємо ППЗ, зазначені у цій класифікації.

Адаптивні навчальні програми - - це ППЗ, за допомогою яких можна змінювати способи викладу навчального матеріалу залежно від пізнавальних можливостей учнів.

Структура, форма викладу матеріалу, кількість і зміст завдань, крок програми, способи контролю, тип тестових завдань в адаптивній навчальній програмі змінюються залежно від результатів поточного тестування знань і умінь учнів (адаптація за пізнавальними можливостями учня), від часу, затраченого на виконання контрольних завдань (адаптація за часом), від змісту і характеру помилок, припущених учнем (адаптація за помилками).

Реалізація адаптивних навчальних програм з курсу фізики забезпечує вищий ступінь індивідуалізації порівняно з традиційною груповою формою навчання, повне використання пізнавальних можливостей кожного учня [13]. Програми цього виду можуть застосовуватися для додаткового ознайомлення учнів з навчальним матеріалом, для формування основних понять, первинного і підсумкового закріплення й повторення навчального матеріалу, відпрацювання основних умінь і навичок, а також для самоконтролю та контролю знань. Крім того, вони мають кілька режимів роботи, наприклад навчання, тренування, закріплення, контроль знань, тематичний залік.

Демонстраційні програми це ППЗ, призначені для відтворення відеозапису фізичних явищ і дослідів або їх імітації. Вони використовуються для повторення навчального матеріалу у випадках, коли дослід не можна відтворити через недостачу приладів або з якихось інших причин, а також для демонстрування явищ, тривалість яких значно перевищує відведений на це час. Демонстраційні програми відтворюють реальні процеси, цифрова форма їх запису дає змогу акцентувати увагу учнів на найактуальніших її елементах.

Комп'ютерні моделі - це ППЗ, призначені для імітації фізичних дослідів, явищ, процесів шляхом побудови (засобами математичного моделювання) їх ідеалізованих моделей. Комп'ютерні моделі легко вписуються в традиційний урок, дають змогу вчителю моделювати явища, створювати абстрактні моделі, які в процесі вивчення курсу фізики описувалися словесно. Комп'ютерні моделі є ефективним засобом пізнавальної діяльності учнів, що відкриває перед учителем фізики широкі можливості з удосконалення навчально-виховного процесу. Комп'ютерні моделі використовуються на уроках фізики під час вивчення властивостей ідеальних моделей (ідеальний газ, електричне поле, електронний газ тощо), моделювання класичних дослідів з фізики (досліди Йоффе - Міллікена, Перрена, Кулона, Мандельштама - Папалексі); моделювання явищ, які не можна відтворити засобами шкільного фізичного кабінету (ядерний магнітний резонанс, стан критичної маси речовини); демонстрування принципу дії машин, приладів і установок (водяний насос, шлюз, парові машина і турбіна, коливальний контур, маятник, електровакуумні та напівпровідникові прилади, плазмотрон, циклотрон, ядерний реактор тощо), закріплення навичок фізичних вимірювань (визначення ціни поділки приладів, маси мікрочастинок тощо).

Лабораторні роботи це ППЗ, які є імітаційними моделями дослідження певних фізичних явищ засобами комп'ютерного моделювання [21].

Лабораторні роботи відрізняються від комп'ютерних моделей явищ тим, що крім моделі демонстраційної установки вони містять додаткові блоки, а саме: блок зберігання результатів експериментальних досліджень, підпрограми побудови графіків залежності фізичних величин, блок обробки результатів експериментальних досліджень, а також електронний журнал, до якого автоматично заносяться результати діяльності учня.

Тренажери для розв'язування задач сприяють формуванню в учнів умінь і навичок розв'язувати фізичні задачі. Зміст цих програмних засобів становлять задачі, згруповані відповідно до рівня складності. Вони містять також підказки системи (радники), довідкові матеріали. Відповіді до задач можуть вводитись як у числовому, так і в загальному вигляді, причому в останньому випадку учень вводить формули в комп'ютер за допомогою клавіатури, а програма розпізнає відповіді незалежно від способу їх написання.

Контролюючі ППЗ виконують функції поточного і підсумкового контролю знань, умінь учнів, набутих у процесі навчання. Часто це тестові завдання з вибором відповіді. Ці програми дають змогу оперативно оцінити й проаналізувати знання великих груп учнів. Деякі програми ведуть статистичну обробку відповідей учнів, що дає вчителю підстави зробити висновок про якість вивчення того чи іншого розділу програми. Значної актуальності набувають програми тематичного контролю знань.

В Україні відомі й поширені педагогічні програмні продукти фірми «Физикон» під загальною назвою «Открытая физика» та іллюстративно-демонстраційний комплекс «Физика в картинках», розроблені Білоруським державним університетом «Активная физика». Програмні продукти відповідно сертифіковані Міністерствами освіти Росії та Білорусії.

В Україні процес розробки ППЗ перебуває на стадії становлення. На мою думку, інтенсифікувати процес можна залученням бюджетних асигнувань на розробку ППЗ; розробкою і затвердженням державного стандарту України на ППЗ; створенням центру сертифікації ППЗ для доведення існуючих ППЗ до рівня вимог державного стандарту, організацією фонду ППЗ для їх популяризації, тиражування й розповсюдження.

Ефективність використання засобів мікропроцесорної техніки в демонстраційному експерименті пов'язана з автоматизацією процесу вимірювань та обробки результатів експерименту. Ці властивості мають вимірювально-обчислювальні комплекси, розроблені на базі персональних ЕОМ. Вимірювально-обчислювальні комплекси - це програмно-керована сукупність вимірювальних (датчики), обчислювальних (аналого-цифровий перетворювач, пристрій спряження, інтерфейс) засобів, призначених для вимірювання характеристик певної фізичної системи. Блок-схема з'єднання вимірювально-обчислювальних комплексів зображена на мал. 1.

Такі комплекси, оснащені мультиплексорним пристроєм (пристрій, що дає змогу одному цифровому перетворювачу обслуговувати кілька датчиків), звільняють учителя і учнів від необхідності обробляти результати вимірювань і автоматизують процес фізичних вимірювань. Це сприяє тому, що учні можуть більшу увагу приділити вузловим моментам проведення дослідження. Крім того, полегшується визначення похибок вимірювань і обчислень.

Досвід використання комп'ютерної техніки в навчальних закладах за рубежем показує доцільність такого підходу. Так, у школах США, Великобританії ефективно використовуються на уроках природничо-математичного циклу лабораторні пристрої типу «Вела», що з'єднуються з комп'ютером і дають змогу проводити комплексну обробку результатів експерименту.

Такі системи знайшли широке використання в промисловості, наукових дослідженнях. Використання ВОК у школі сприяє формуванню в учнів уявлень про використання НІТ у галузі управління процесами в промисловості.

Впровадження технологій інформатики в навчально-виховний процес фізики дає змогу модернізувати зміст і спосіб запису інформації фонду і традиційних дидактичних засобів (плакати, слайди, кінофільми). Мається на увазі перезапис інформації, яку несуть ці дидактичні засоби, на сучасні носії інформації - відеокасети, лазерні диски з внесенням відповідних змін до змісту цих засобів, що уможливлює використання методичних досягнень попередніх років.

Досвід упровадження електронно-обчислювальної техніки у навчальний процес показав доцільність такого підходу, коли разом з комплектами навчально-обчислювальної техніки, розміщеними в кабінеті інформатики, використовуються автономні ЕОМ, що розміщені безпосередньо в навчальному кабінеті. Такий підхід сприяє раціональнішому використанню ресурсів електронно-обчислювальної техніки [15].

Комплекти навчально-обчислювальної техніки використовуються для підтримки індивідуальних форм навчання: розв'язування задач, виконання лабораторних робіт, тематичного контролю знань, позакласної роботи. Поряд з цим автономні ЕОМ використовуються для підтримки групових форм діяльності в кабінеті фізики. Так, у кабінеті фізики автономний комп'ютер виконує функції інформаційного технічного засобу навчання, вимірювального інструменту, допоміжного пристрою обробки результатів експерименту, джерела поточного контролю засвоєння знань. Дослідження в області використання технічних засобів навчання нового покоління, проведені В. Прудським (Слов'янський педагогічний університет), А.М. Сільвейстром (Вінницький педагогічний університет), довели доцільність використання в кабінеті фізики комп'ютерно-телевізійних комплексів.

Не менш ефективною в дидактичному плані є компоновка таких комплексів з використанням комп'ютерних відеоплат, що конструктивно містять гнізда відеовходу і виходу. В цьому разі джерелами відображення інформації є демонстраційні телевізори. Аналіз розглянутих питань методичної організації комп'ютерної підтримки процесу навчання фізики має стати лише початком широкого обговорення учителями, методистами фізики цієї важливої проблеми методики навчання фізики.

Один із американських дослідників П. Нортон [22] відзначає, що природа засобів передачі інформації (усна мова, книги, кіно, радіо, телебачення, ЕОМ) цілком певним чином впливає на формування і розвиток психічних структур людини, в тому числі мислення. Так, друкований текст, який був протягом віків основним джерелом інформації, будується на принципах абстрагування змісту від дійсності і в більшості мов організується фраза за фразою в порядку читання зліва направо, що формує способи мислення за структурою, дещо схожі до структури друкованого тексту, якій притаманні такі особливості, як лінійність, послідовність, аналітичність, предметність, ієрархічність, раціональність.

Інші засоби комунікації - фотографія, кіно, радіо, телебачення - мають структуру, яка значно відрізняється від структури друкованого тексту. Букви і звуки не направляють хід думок слухача від А до Б і далі до В з проміжними висновками, як при сприйнятті друкованої інформації. Замість цього вони створюють моделі розпізнавання, орієнтують на образність, емоційність, нераціональність.

Електронне середовище ще в більшій мірі спроможне формувати такі характеристики, як схильність до експериментування, гнучкість, зв'язність, структурність. Ці характеристики сприяють створенню умов творчого навчального пізнання. Створюються можливості сприймати по-новому факти, які здаються очевидними, знаходити засоби поєднання далеких, на перший погляд, речей, встановлювати оригінальні зв'язки між новою і старою інформацією.

Умови, які створюються за допомогою комп'ютера, повинні сприяти формуванню мислення тих, хто навчається, орієнтувати їх на пошук системних зв'язків і закономірностей. Комп'ютер, як підкреслює П. Нортон, є потужним засобом надання допомоги в розумінні багатьох явищ і закономірностей, проте потрібно пам'ятати, що він неминуче поневолює розум, який розпоряджається лише набором завчених фактів і навичок.

Дійсно ефективним можна вважати лише таке комп'ютерне навчання, при якому забезпечуються можливості для формування мислення студентів або учнів. При цьому потрібно ще досліджувати закономірності самого комп'ютерного мислення. Ясно тільки те, що мислення, яке формується і діє за допомогою такого засобу, як комп'ютер, дещо відрізняється від мислення за допомогою, наприклад, звичного друкованого тексту або просто технічного засобу.

1.3 Психолого-педагогічні умови впровадження в навчальний процес комп'ютерного моделювання

З появою персональних комп'ютерів у загальноосвітніх навчальних закладах учителі фізики отримали потужний інструмент підвищення ефективності навчального процесу зі своєї дисципліни. Попри велику розмаїтість напрямків застосування комп'ютерної техніки при вивченні фізики детальніше розглянемо можливості моделювання фізичних процесів.

Комп'ютерне моделювання уже давно стало предметом досліджень як фундаментальної науки, так і вищої школи. Воно передбачає детальний аналіз фізичного явища чи процесу, побудову фізичної моделі (абстрагування від несуттєвих впливів, вибір законів, які описують відповідні процеси), створення математичної моделі, реалізації її засобами інформаційних технологій, проведення відповідних розрахунків на ПК та аналіз отриманих результатів.

Важливим аспектом реалізації комп'ютерних моделей є отримання вихідної інформації у графічній формі. Особливості людської психіки і фізіології дозволяють швидко аналізувати, миттєво асоціювати з накопиченим досвідом і розпізнавати графічні образи на відміну від сухого набору формул і цифр. До того ж вміння аналізувати графічні залежності між різними величинами - це не лише необхідний елемент фізичної освіти, а й важливий чинник загального розвитку школяра та професійного становлення у будь-якій галузі.

Перша проблема, яку потрібно вирішити, упроваджую чи елементи комп'ютерного моделювання при вивченні фізики - вибір інструментальних засобів його реалізації. У час зародження сучасних інформаційних технологій єдиним способом було використання мов програмування високого рівня.

За останні десятиріччя опубліковано немало книг та статей, де
розглядається розв'язання фізичних задач таким способом. Поява спеціалізованих програмних продуктів для автоматизації математичних обчислень суттєво змінює стан справ у галузі комп'ютерного моделювання. Використання комп'ютера на уроці фізики, яку вивчають усі без винятку школярі, не повинно вимагати від них спеціальних знань з програмування, а давати можливість працювати у простому, інтуїтивно зрозумілому для них середовищі. Це дасть змогу не витрачати зайвий час на непродуктивну діяльність по створенню та налагодженню програми (з таким самим успіхом можна будувати графіки на міліметровому папері, виконуючи обчислення за допомогою калькулятора), а зосереджуватися на аналізі фізичної суті тих процесів, які ховаються за побудованими комп'ютером графіками.

Автори публікацій, що з'являються останнім часом у фахових періодичних виданнях пропонують використовувати для цього електронні таблиці, зокрема табличний процесор Microsoft Exel. Вивчення цієї програми як складової частини пакета Microsoft Office передбачено програмою шкільного курсу інформатики, у неї досить простий інтерфейс, великі обчислювальні можливості та засоби графічного відображення інформації.

У той же час специфіка електронних таблиць така, що робить їх незамінним інструментом для обробки результатів лабораторного експерименту та побудови, графіків на їх основі, але не зовсім зручним для власне комп'ютерного моделювання.

Mathcad 2000 - потужна і гнучка універсальна система комп'ютерної математики. Для неї характерні великі обчислювальні можливості, не тільки числові, а й аналітичні, багатий арсенал графічних засобів та інструментів форматування електронних документів[19]. У той же час - простий. Інтуїтивно зрозумілий інтерфейс, звична і зручна форма завдання вихідних даних - констант, змінних, функцій, виразів (майже повністю відтворюється стандартна математична символіка), Хоч ознайомлення із зазначеним програмним пакетом не є обов'язковим елементом навчальної програми з інформатики для загальноосвітніх шкіл, найпростіші прийоми роботи з Mathcad 2000, необхідні для розв'язання задач комп'ютерного моделювання нескладних фізичних процесів, можуть бути засвоєні учнями впродовж одного додаткового заняття.

Наступне завдання, яке повинен вирішувати вчитель фізики, впроваджуючи елементи комп'ютерного моделювання у навчальний процес з предмета, - визначення кола задач, для розв'язання яких доцільно застосовувати електронно-обчислювальну техніку. Типи задач, які можна доручити комп'ютеру, уже визначено у методичній літературі. У шкільному курсі фізики дуже часто виникають чотири класи графічних задач, які потребують комп'ютерної підтримки:

- побудова графіків складних функціональних залежностей між фізичними величинами;

- побудова траєкторій складних рухів;

- дослідження зміни вигляду графіка функціональної, залежності при зміні одного з параметрів;

- побудова групи характеристик одного явища чи процесу на одному графіку.

Комп'ютерне моделювання у фізиці розгортається у двох напрямках:

- чисельне моделювання фізичних явищ та процесів;

- розробка та створення демонстраційних програм з фізики.

Загальновизнано, що чисельне моделювання - невід'ємна складова сучасної фундаментальної та прикладної науки, яка не поступається за важливістю традиційним експериментальним і теоретичним методам. У багатьох випадках тільки чисельне моделювання, що замінює дорогий експеримент. Уміння «обчислювати» є обов'язковим для майбутніх науковців та викладачів.

Побудова фізичної моделі вимагає більш детального та поглибленого розуміння фізичних процесів, що розглядаються, аби обґрунтовано зробити потрібні припущення, виділити першорядні та відкинути другорядні фактори. Задачі, що пропонуються, оригінальні, їх розв'язання потребує опрацювання додаткової літератури, вдумливої та копіткої самостійної роботи. Закінчується етап затвердженням робочої моделі, яка у подальшому може коригуватись.

Математична модель - це система рівнянь, яка відображає прийняту фізичну модель на відповідному рівні знань.

Для фізичного опису явища добирають кілька простих демонстрацій, які найбільш наочно та повно відображають суть явища. Демонстрації не повинні бути складними для програмної реалізації на комп'ютері [17]. Крім того, вони мають добре «виглядати» на екрані дисплею.

Для кількісного зв'язку величин у фізичному явищі наводяться математичні співвідношення, які виражають фізичні закони. Для більшої наочності ці співвідношення підтверджуються доведенням та графіками. Однак виведення співвідношень та інший допоміжний матеріал не повинні захаращувати екран дисплею та відволікати від демонстрації.

Компоновка матеріалу на екрані дисплею, послідовність його подачі, кольорова гама малюнків тощо обговорюються при створенні сценарію демонстраційної програми. Сценарій - це набір ілюстрацій з фрагментами малюнків, пояснюючих написів, математичних формул, розміщених у певному порядку.

Реалізація демонстраційної програми передбачає хорошу комп'ютерну підготовку учня: знання алгоритмічної мови з відповідними графічними можливостями та графічного редактора. Крім того, демонстраційна програма повинна мати дружній та зручний для користувача інтерфейс. У перспективі демонстраційна програма може бути модернізована у навчальну.

Педагогічні спостереження показали, що в роботі з засобами НІТ та конкретними ППЗ, що використовуються для розв'язання навчальної задачі, предметна галузь якої знаходиться за межами власне інформаційних технологій, учень перебуває в ситуації, коли повинен використовувати дві паралельно-послідовні перцептивні схеми. Одна схема - основна - дає йому можливість здійснювати діяльність у предметній галузі навчальної задачі, інша - додаткова - здійснювати діяльність щодо управління засобами НІТ (виступати в ролі активного користувача). Під час використання тієї чи іншої перцептивної схеми, одна з них відступає на другий план, тобто переходить в область «затемнення». Переведення уваги, перенесення акцентів діяльності визначає специфіку застосування засобу НІТ та відповідного ППЗ у навчальному процесі, впливає на процес прийняття рішення [5].

Важливим також є питання про те, в якому співвідношенні повинні формуватися теоретичні уявлення, що пов'язані з використанням засобів НІТ, й операційно-технічні навички використання цих засобів у дітей молодшого віку. Тут треба враховувати той факт, що засоби НІТ не можуть знайти в дитини діяльнісної опори в повсякденній практиці, не виступають як знаряддя праці дитини. Не можна також забувати про те, що штучне розширення сфери використання засобів НІТ дитиною обмежується медико-біологічними проблемами [6, 7].

Особливу увагу слід звернути на дослідження операціонально-технічного компонента специфічно-перцептивних видів навчальної діяльності дитини з використанням засобів НІТ. Актуальним може бути дослідження динаміки формування смислових відношень, що пов'язують перцептивні дії дитини під час використання засобів НІТ з діяльністю, в контексті якої вони здійснюються, враховуючи обмежену множину цієї діяльності, що пов'язано з розумовим віком дитини.

За будь-якої організації навчального середовища, тобто середовища, в якому відбувається навчальна діяльність дитини, використання в ньому програмно-апаратних засобів потребує формування в дитини специфічних структур діяльності, котрі «нав'язуються» цими засобами. Мова йде не про змістовне наповнення навчального курсу, що подається з використанням засобів НІТ, а про діяльнісну складову на рівні управління цим засобом.

Будь-яка операція з засобом НІТ пов'язана з прийняттям рішення про подальшу діяльність [8], тобто, як у нашому випадку, з плануванням дій, спрямованих на використання засобу НІТ, на підставі аналізу ситуації, що сформована низкою попередніх дій, та того представлення щодо результату наступних дій, яке виступає як поведінка, що спрямована на реалізацію мети як «образу майбутнього» в самому матеріалі діяльності дитини [9]. У процесі використання в навчальній діяльності засобу НІТ ця діяльність багато в чому обумовлена специфікою апаратно-програмного комплексу, активне використання якого може здійснюватися тільки у діалоговому режимі. Тут важливим є питання про необхідну і достатню «глибину» аналізу дитиною низки попередніх дій, що привели навчальне середовище «дитина-комп'ютер» до того стану, який повинна аналізувати дитина, та визначення кількості «кроків», яку вона повинна «пройти» до реалізації «образу майбутнього» на екрані комп'ютера. Ці питання пов'язані, з одного боку, з цілепокладанням проектантів та організаторів навчального процесу, а з другого-з рівнем розумового розвитку дитини, тобто потребують комплексного психолого-педагогічного дослідження.