Підвищення ефективності формування понять з геометричної оптики засобами сучасних інформаційних технологій навчання

3. Навчаюча функція. Проведення на уроках фізики різних видів навчального експерименту, особливо з використанням в його організації евристичного і дослідницького прийомів, дозволяє стверджувати, що в такому разі НФЕ виступає як один з практичних методів навчання. Він не тільки ілюструє вивчений матеріал, а й дозволяє створити ефективний супровід для оволодіння навчальним матеріалом, оптимально впроваджувати у навчання пошуково-дослідницьку діяльність учнів. Крім того, як це видно з сучасних навчальних програм та нових підручників фізики, часто сам зміст навчального фізичного експерименту стає предметом вивчення.

4. Контрольно-корегуюча функція. Все частіше НФЕ знаходить дещо нове використання. Завдяки проведенню на вимогу учителя його учнями вдається об'єктивно встановити і оцінити глибину розуміння ними навчального матеріалу з фізики, а якщо це необхідно - виконати корегуючи дію. Це можуть бути короткотривалі фрагменти демонстраційного експерименту, фронтальний дослід чи деякий фрагмент лабораторної роботи. Учням чи окремому учневі пропонується ретельно підготувати і провести короткотривалий дослід, а також пояснити одержані результати. В тому випадку, коли у фронтальній лабораторній роботі чи роботі фізичного практикуму чітко виокремленні окремі експериментальні операції, то може бути організований взаємоконтроль між ланками учнів чи їх самоконтроль.

5. Політехнічна функція. Завдяки систематичному використанню різних видів навчального експерименту учитель фізики має ефективну і дієву можливість проілюструвати учням загальнонаукові принципи і підходи щодо організації сучасного промислового чи сільськогосподарського виробництва. Гарантовано може прищепити основні, найбільш потрібні у повсякденному житті, навички і прийоми виконання різноманітних вимірювань, використання сучасних вимірювальних приладів тощо. Демонструючи деякі фізичні досліди, учитель має спроможність акцентувати увагу учнів саме на можливості практичного використання виучуваних фізичних явищ і процесів, а демонструючи принципи дії моделей чи конкретних машин і технічних пристроїв має можливість знайомити учнів із загальнотехнічними принципами автоматизації виробничих процесів. Крім того, учні під час виконання лабораторних робіт і фронтальних дослідів самі мають можливість досліджувати будову і принцип дії ряду важливих для сучасного виробництва приладів і пристроїв, а саме таких як: електромагнітні реле, електродвигуни, електрогенератори, підсилювачі, логічні елементи і багато іншого. На уроках фізики, саме завдяки використанню учителем чи учнями того чи іншого виду навчального фізичного експерименту, в учнів формується ряд надзвичайно важливих практичних умінь і навичок, зокрема, таких як: виконувати різноманітні вимірювання за допомогою як найбільш поширених, так і специфічних фізичних приладів, здійснювати обробку матеріалів, впливати на властивості цих матеріалів за допомогою силових і енергетичних діянь тощо. В процесі проведення спостережень фізичних явищ, виконання фронтальних дослідів і лабораторних робіт в учнів активізується технічна думка, в цей час учитель найбільш ефективно може впливати на розвиток їх науково-технічного мислення.

6. Профорієнтаційна функція. Вона полягає в тому, що сучасними засобами, притаманними НФЕ є можливість успішно реалізовувати задачі підготовки учнівської молоді до свідомого вибору майбутньої професійної діяльності, здійснювати поєднання навчання фізики з елементами продуктивної праці. Ефективне засвоєння загальнонаукових принципів сучасного виробництва, узагальнених поглядів на конкретні дії виробника неможливе без спостереження за проявом, використанням фізичних явищ і закономірностей у виробництві, без виконання різноманітних дослідів на технічному обладнанні, на спеціальних моделях, завдяки яким учні набувають найпростіших первинних навичок правильного поводження із сучасними засобами високопродуктивної праці, різноманітними механізмами, машинами, технологічними лініями. Все це створює надійну, науково обґрунтовану основу професійної орієнтації учнів на професії, пов'язані, насамперед, із фізичною наукою, із новітніми технологіями, із впровадженням автоматизації і комп'ютеризації у виробничу діяльність тощо.

7. Раціональна функція. Проведення демонстраційних дослідів учителем, самостійне виконання учнями різних видів фронтального експерименту володіють великими потенційними можливостями активно впливати на розвиток мислення учнів, дієво використовувати ними різноманітні поєднання мислительних операцій при з'ясуванні суті фізичних явищ, що безпосередньо експериментально досліджуються. Первинну інформацію з експерименту учні отримують внаслідок дії подразників на органи відчуття, але цього зовсім не достатньо для отримання знань про фізичну сутність того чи іншого досліджуваного ними фізичного явища. Наступний крок - перехід від конкретного до абстрактного, а точніше до їх єдності: все це необхідні елементи раціонального у всіляких їх проявах. Саме НФЕ у своїй повноті чудово забезпечує широкі можливості для застосування учнями комплексу мислительних операцій з метою встановлення фізичної суті спостережуваного явища або процесу, у зрозумінні ролі і значення того чи іншого фізичного досліду, у формулюванні учнями умовиводів у формі усного чи письмового звіту про виконану експериментальну роботу. Постійна необхідність активного включення мислення учнів на всіх етапах виконання НФЕ ефективно сприяє його розвитку, забезпечує надійний і в той же час контрольований учителем спосіб переходу від простої, репродуктивної діяльності учнів у навчанні до діяльності більш високого рівня - продуктивної, творчої. Перехід від сприйняття простих демонстрацій, самостійне виконання не складних за змістом та обладнанням фронтальних дослідів і спостережень до все більш складних навчальних експериментів сприяє розвитку в учнів творчості і самостійності. Використання у демонстраціях і лабораторних роботах типового навчального обладнання з досить об'ємистого переліку, використання саморобного обладнання, безпосередня робота з ним спонукають учнів робити пропозиції стосовно удосконалення, модернізації, а то й конструювання чи виготовлення нових приладів і навчальних установок. У такий спосіб здійснюється розвиток конструкторських умінь та навичок, формуються і розвиваються елементи науково-технічної творчості.

8. Пізнавальна функція. НФЕ притаманна здатність відчутно активізувати пізнавальну діяльність учнів у навчанні. Відомо, що саме на цій основі - тобто на включенні учнів у активну експериментальну діяльність, учитель фізики може формувати практично у кожного учня стійкий пізнавальний інтерес як до фізичної науки, так і до інших природничо-математичних наук, основи яких вивчаються в школі, а також на високому, посильному даному учневі, рівні підтримувати інтерес до самого процесу пізнання. Для цього достатньо забезпечити надійне протікання фізичного явища або процесу в демонстраційному досліді чи у фронтальній лабораторній роботі, досягти переконливого фізичного ефекту, чітко сформулювати учням навчальні завдання. Досвід учителів фізики свідчить, що вміла організація і проведення будь-якого виду фізичного експерименту гарантує активізацію навчальної діяльності всіх учнів у класі, не полишає жодного учня байдужим до продемонстрованого досліду чи самостійно виконуваної ним лабораторної роботи, фронтального досліду, експериментального дослідження. А при систематичному проведенні різноманітних видів НФЕ в учнів поступово наростає пізнавальний інтерес не тільки до самого експерименту, а й до фізичної науки, формуються позитивні мотиви до її розуміння і засвоєння.

З вище наведеного випливає, що навчальний фізичний експеримент є поліфункціональною системою, а тому за умови його широкого і систематичного використання у навчанні фізики можна у комплексі вирішувати різноманітні навчально-виховні задачі.

1.4 Аналіз існуючих програмно-педагогічних засобів з теми дослідження

Національною доктриною розвитку освіти в Україні у XXI столітті визначено, що пріоритетом розвитку освіти є впровадження сучасних інформаційних технологій, що забезпечують подальше вдосконалення навчально-виховного процесу, доступність та ефективність освіти, підготовку молодого покоління до життєдіяльності в сучасному комп'ютеризованому суспільстві [41].

Упровадження сучасних інформаційних технологій навчання розкриває широкі можливості щодо суттєвого зменшення навчального навантаження і, водночас, інтенсифікації навчального процесу, надання навчально-пізнавальній діяльності творчого, дослідницького спрямування.

Хоча на сьогоднішній день створено значну кількість навчальних програм, але вони мають певні недоліки. Це стосується і програм з курсу фізики.

Ми проаналізували деякі існуючі програми з фізики. Більшість програм російського видавництва («Открытая физика», «Физикус», «Репетитор по физике»), отже, зорієнтовані на російські стандарти фізичної освіти, зрозуміло, що і текстовий матеріал подається російською мовою. В багатьох програмах спостерігаються помилки, невірно подаються означення понять, помилки в позначеннях фізичних величин на графіках і малюнках, синтаксичні і граматичні помилки. Наявні комп'ютерні програми і програмно-методичні комплекси не забезпечують на належному рівні навчально-виховний процес з фізики. Тому проблема розробки комп'ютерних програм навчального призначення залишається відкритою.

Серед програм вітчизняного виробництва слід відзначити програмно-методичні комплекси «Фізика-7» «Фізика-8» «Фізика-9», створені групою спеціалістів Інституту педагогіки АПН України й корпорацією «Квазар Мікро» [2, 3].

Більш детальніше проаналізуємо деякі із вище згаданих програмних комплексів щодо того, як в них подається матеріал з теми нашого дослідження.

«Физикус» - це російськомовна навчальна програма, розроблена фірмою «Медиахауз». Складається вона із двох дисків і розроблена у вигляді гри, під час якої користувач заходить у будиночок, де повинен набути певних знань. У цій програмі приділена увага п'яти основним розділам фізики: оптиці, механіці, акустиці, електриці, термодинаміці. По кожному із них створена певна кількість керованих динамічних моделей дослідів, експериментів та будови і принципу дії деяких приладів. Позитивною стороною даної програми є її простота у використанні, доступність для розуміння, хороша графіка та динамічність моделей. Але вона має і певні недоліки. В першу чергу це те, що вона охоплює далеко не весь матеріал шкільної програми, а лише деякі його окремі аспекти.

Що стосується геометричної оптики, то тут розглянуто лише наступні моменти: тінь, сонячне та місячне затемнення, відбивання та поглинання променів світла, плоске дзеркало, заломлення, повне відбивання, збиральна та розсіювальна лінза, будова ока та дефекти зору, лупа, мікроскоп та телескоп. Звичайно ж для вивчення геометричної оптики цього недостатньо, хоча при вивченні деяких тем ця програма може дуже допомогти.

«1С: Репетитор по физике» Що стосується цього програмного комплексу, то він охоплює значно більший обсяг матеріалу, ніж «Физикус». За своїм основним призначання він є помічником при самостійному вивченні чи повторенні навчального матеріалу (наприклад, при підготовці до вступу у вуз). У ньому, наприклад, є такі корисні та цікаві складові, як словник, біографії вчених, технічний калькулятор тощо. Також важливою особливістю програми є те, що вона автоматично реєструє, скільки часу і по якій темі працював учень, а також кількість правильно та неправильно розв'язаних задач. Також дана програма містить цікаві пізнавальні відеофрагменти та динамічні моделі, які, на нашу думку, значно підвищують рівень засвоєних знань. Однак, ця програма охоплює далеко не весь шкільний курс фізики.

Отже, враховуючи вище згадане, можна зробити висновок, що питання створення програмних навчальних комплексів залишається відкритим та актуальним і на сьогоднішній день.

2. Методичні аспекти поєднання традиційних та інформаційних технологій при вивченні геометричної оптики

2.1 Аналіз методичної системи вивчення геометричної оптики в загальноосвітній школі

Серед основних властивостей світла найбільш наочною, підтвердженою широким життєвим досвідом є властивість прямолінійно поширюватися в однорідному ізотропному середовищі. Лінія, вздовж якої поширюється енергія світла, називається світловим променем. Отже, промінь - суто геометричний образ. Саме тому, що промінь відображає тільки одну властивість світла, це поняття можна використовувати лише в певних межах. Здавалося б, що промінь можна утворити на досліді, якщо на шляху світла поставити діафрагму з невеликим отвором. Але насправді це не зовсім так. Якщо отвір діафрагми широкий, на екрані утворюється розмита пляма, за формою подібна до діафрагми. Зменшуючи отвір діафрагми, побачимо, що тіньове зображення отвору переходить у чітке зображення джерела світла. Чіткість зображення зростає із зменшенням отвору. Проте це відбувається лише до певної межі, після чого дальше зменшення отвору діафрагми призводить до розмивання зображення. Нарешті, коли отвір дуже малий, весь екран буде повністю освітлений.

Пучок світла від джерела, що обмежується отвором діафрагми, можна вважати наближеною моделлю променя. Зменшуючи розмір отвору діафрагми, утворюємо все вужчий пучок. Проте ми не матимемо змоги створити нескінченно вузький світловий пучок - промінь. Справді, дослід показує, що дальше зменшення розміру діафрагми не тільки не приводить до зменшення перерізу пучка, а, навпаки, веде до його розширення. Тут уже проявляються хвильові властивості світла. Тому обмежимося виділенням вузьких світлових пучків і замінимо їх потім осьовими лініями, які й називатимемо променями світла.

Поняття про промінь світла дає змогу вивчити й осмислити цілий ряд оптичних явищ і законів, пояснити будову і призначення багатьох оптичних приладів. Розділ оптики, що ґрунтується на понятті про промінь, називається променевою або геометричною оптикою. Основне завдання променевої оптики - вивчення будови та дії оптичних приладів.

Оптичні прилади призначені для створення зображення предмета. Кожний світний предмет або, що те саме, джерело світла, можна уявити собі як сукупність окремих світних точок. Зрозуміло, що зображення в цілому складається із зображень окремих точок. Тому спочатку розглянемо, як утворюється зображення окремої світної точки.

а) б) в)

Мал. 1

Із світної точки S, як із спільного центра промені розходяться в усіх напрямах (мал. 1, а). Такий пучок променів називають розбіжним гомоцентричним пучком (тобто розбіжним пучком, що має спільний центр). Якщо примусити хоча б частину променів розбіжного гомоцентричного пучка знову перетнутися в одній точці S? (мал. 1, б), то вона й буде зображенням світної точки S.

Отже, щоб утворити зображення світної точки, треба перетворити розбіжний гомоцентричний пучок променів у збіжний,

Звідси випливає важливий висновок, який має значення для подальшого вивчення променевої оптики: незважаючи на те, що основним поняттям променевої оптики є поняття про промінь, у променевій оптиці цікавляться поведінкою не стільки одного променя, скільки сукупності променів Із спільним центром розбігу або збігу - гомоцентричними пучками променів світла. Отже, променева оптика є оптикою гомоцентричних пучків світла.

Логічно виникає питання, а яким чином, за допомогою чого можна розбіжні гомоцентричні пучки світла перетворювати в збіжні? Досвід підказує, що це можна зробити або за допомогою відбивання їх, або за допомогою заломлення на межі поділу двох середовищ. У такому разі необхідно вивчити закони відбивання і заломлення гомоцентричних пучків світла. Ці закони зручно вивчати на найпростішому гомоцентричному пучкові - пучку паралельних променів світла. Він має центр збігу у нескінченності (мал. 1, в). Досить простежити лише за одним променем світла у такому пучку, вивчити закономірності, яким він підлягає, оскільки всі промені пучка мають однакові властивості.

Вивчаючи закони відбивання, розглядають ідеальну дзеркальну плоску поверхню, яка повністю відбиває світло без поглинання. Певним наближенням до неї е плоске шліфоване та поліроване металеве дзеркало. (Бажано нагадати учням, що в цьому разі нерівності на плоскій поверхні будуть менші за розміри довжини хвилі).

У розробленій нами програмі спочатку подаємо учням основні поняття, потрібні для вивчення закону відбивання світла, а саме:

а) про кут падіння променя ?, як кут між променем, що падає, і перпендикуляром, установленим до площини в точці падіння;

б) про кут відбивання ?. що визначається аналогічно (мал. 2);

в) про площину падіння, що проходить через падаючий промінь та перпендикуляр;

г) про площину відбивання, що визначається аналогічно до площини падіння.



Мал. 2

Нехай на ідеальну дзеркальну плоску поверхню падає під якимось кутом паралельний пучок світла (мал. 3, а). Простежимо за ходом одного з променів.

а) б)

Мал. 3

Закон відбивання складається з двох частин або правил:

1) падаючий промінь, перпендикуляр в точці падіння і відбитий промінь лежать в одній плішини (або площина падіння збігається, з площиною відбивання);

2) кут падіння променя світла дорівнює куту відбивання.

Отже, ідеальна плоска поверхня - дзеркало - не змінює вигляду або, як кажуть, структури паралельного пучка світла - він лишається і після відбивання паралельним і змінює лише напрям свого поширення. Таке підбивання називається дзеркальним.

Металеві поверхні, лише шліфовані, але не поліровані, можуть мати окремі нерівності, розміри яких перевищують довжину хвилі. І тоді падаючий паралельний пучок після відбивання розсіюється (мал. 3, б), хоч переважна частина енергії світла все-таки поширюється в напрямі дзеркального відбивання. Коли нерівності нагромаджені хаотично (матові поверхні), паралельний пучок повністю розсіюється і напрям поширення енергії не залежить від напряму падіння (дифузне відбивання світла). Цей вид відбивання світла має дуже важливе значення в житті людей і тварин, бо дає змогу бачити не лише світні тіла, а й несвітні, що опромінюються джерелами світла.

Бажано підкреслити, що закон відбивання світла однаковий для променів усіх довжин хвиль.

Установивши закон відбивання для паралельного пучка променів, перейдемо до розгляду відбивання від плоскої дзеркальної поверхні розбіжного гомоцентричного пучка променів світла. Основне питання, яке треба при цьому розв'язати: «чи можна за допомогою плоского дзеркала утворити зображення точкового джерела світла?» Користуючись законом відбивання світла, показуємо, що плоске дзеркало не має дійсного зображення точкового джерела (мал. 4). Розбіжний гомоцентричний пучок променів лишається розбіжним. Кут розхилу також не змінюється. Змінюється лише напрям поширення пучка. Отже, за допомогою плоского дзеркала не можна утворити дійсне зображення точкового джерела, а отже, і світного тіла в цілому. Проте учні з досвіду знають, що дзеркало утворює уявне зображення (мал. 4).

Мал. 4

Як можна ввести поняття про уявне зображення? Тут є два способи. Перший спосіб - зауважити, що уявне зображення утворюється лише при спостереженні оком і про нього мова буде пізніше, а другий - ввести це поняття уже на даному етапі. Це можна зробити так. Насамперед розповідають учням, не вдаючись до розгляду будови ока (вона вивчається пізніше), що спостерігач бачить зображення світної точки в тому місці, де перетинається обернене продовження світлових променів, які входять в око. Це зображення буде дійсним, якщо в тому місці розташоване реальне джерело світла або його реальне зображення, створене попередньою оптичною системою, або уявним, якщо в тому місці ні джерела, його дійсного зображення немає. Після такого попереднього зауваження можна розглянути уявне зображення точки або предмета, що його дає плоске дзеркало.

Щоб утворити дійсне зображення при відбиванні світла, очевидно, треба скористатися криволінійними поверхнями. Найважливіші з них - сферичні: такі поверхні порівняно легко шліфувати й полірувати, і вони дають потрібний ефект.

Якщо на сферичне дзеркало малої кривизни спрямувати паралельно головній оптичній осі не дуже великого перерізу паралельний пучок променів світла, то вони (з достатнім наближенням) перетнуться в одній точці на осі. Цю точку називають головним фокусом дзеркала. Ввівши поняття фокуса і променів побудови, можна перейти до побудови зображень у сферичних дзеркалах. На закінчення варто розповісти про використання сферичних дзеркал у науці й техніці.

Інша можливість, утворити зображення світної точки (або предмета) пов'язана з використанням закону заломлення світла. Щоб вивчити цей закон, розглянемо монохроматичний пучок паралельних променів світла, який падає на плоску межу поділу двох прозорих діелектриків.

На відміну від відбивання, промені різної довжини хвилі заломлюються по-різному, тому надалі, якщо не буде якихось додаткових умов, користуватимемося монохроматичним світлом.

Простежимо за ходом заломлених променів (мал. 5).

Мал. 5

Закон заломлення світла, як і закон відбивання, також складається з двох частин:

1) падаючий і відбитий промені лежать в одній площині з перпендикуляром, проведеним у точці падіння;

2) відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення - величина стала для даних двох речовин, що межують, і є лише функцією довжини хвилі, а саме:.Стала n називається показником заломлення другою середовища відносно першого або просто відносним показником заломлення.

З хроматичності заломлення випливає обмеженість поняття променя. Ввівши поняття монохроматичного пучка променів, ми наближаємо променеву оптику до хвильової. Це доповнення дасть змогу і в хвильовій оптиці широко використовувати поняття променя.

З означення відносного показника заломлення випливає, що для кожної речовини він залежить від речовини, з якою вона межує. Щоб усунути цю неоднозначність, вводять поняття про абсолютний показник заломлення, коли межуючим середовищем є вакуум. Очевидно, для самого вакууму абсолютний показник заломлення дорівнює одиниці.

Пояснимо зв'язок між абсолютним і відносним показником заломлення світла. Розглянемо хід променів на межі води і скла. Якщо промінь з води потрапляє в скло під кутом ? і заломлюється в склі під кутом ?, то відносний показник заломлення скла відносно води буде . Припустимо тепер, що з вакууму промінь світла падає на скло під якимось кутом і (мал. 6, а), для якого кут заломлення дорівнює ?. Тоді абсолютний показник заломлення для скла буде. Якщо з вакууму промінь світла падає на воду під тим самим кутом і (мал. 6, б), то кут заломлення ?, як показує дослід, буде трохи більший за кут ? для скла. А абсолютний показник заломлення для води буде меншим за n_c. Це дає підставу ввести поняття оптичної густини речовини.

Мал. 6

Ту з двох речовин називають оптично густішою, абсолютний показник заломлення світла в якої більший. Це поняття полегшує вивчення явища повного відбивання світла та ряду інших явищ. Як правило, оптично густіші речовини мають також більшу густину речовини. Однак є й винятки. Наприклад, скипидар має абсолютний показник заломлення 1,47, а густину 0,87 г./см³, у той час як абсолютний показник заломлення льоду 1,31, а густина 0,92 г./см³.

Обчислюючи відношення абсолютних показників заломлення води і скла дістаємо вираз, що дорівнює відносному показнику. Отже, і звідси випливає, що відносний показник дорівнює відношенню абсолютних показників заломлення світла і є показником заломлення другої речовини (в яку поширюється заломлене світло) відносно першої (в якій падає світло).

Коли світло падає на межу поділу двох прозорих середовищ, то, крім заломлення, завжди відбувається також відбивання світла, закон якого ми вивчали раніше. Бажано, вивчаючи це питання, проаналізувати розподіл падаючої енергії між відбитою та заломленою. Нагадуємо учням, що частка відбитої (а отже, і заломленої) енергії світла залежить як від оптичних властивостей межуючих середовищ, так і від значення кута падіння. Якщо, наприклад, світло падає з повітря на скляну пластинку перпендикулярно до її поверхні (?=0), то відбивається всього близько 5% енергії, а 95% енергії проходить через межу поділу. При збільшенні кута падіння частка відбитої енергії зростає і при ковзному падінні (?=90°) світло відбивається майже повністю.

Доцільно звернути увагу учнів на те, що відбивання світла все ж ніколи не буває повним. Навіть для кутів падіння, близьких до 90°, частина енергії все-таки переходить у друге середовище. Проте у випадку падіння світла з оптично густішого в оптично менш густе середовище за певних умов можливе повне відбивання світла. І в цьому разі частка відбитої енергії зростає із збільшенням кута падіння, проте за іншим законом: починаючи з якогось кута падіння, що називається граничним, світло повністю відбивається від межі поділу. Це явище називають повним відбиванням (мал. 7). Часто його називають також явищем повного внутрішнього відбивання. Останнє твердження не суперечить попередньому, бо повне відбивання може бути тільки внутрішнім.

Мал. 7

Як і при заломленні на плоских поверхнях, тут доцільно розглянути практично важливий випадок - заломлення гомоцентричних пучків променів світла на прозорій речовині, обмеженій сферичними поверхнями. Такий пристрій називають лінзою (мал. 8). Пряма, що проходить через центри кривизни заломлюючих поверхонь О і О₁, називається оптичною віссю. Оптична вісь перетинає заломлюючі поверхні в точках А і В. Для дуже тонких лінз, які ми розглядатимемо, ці дві точки зливаються в одну, яку називають оптичним центром лінзи.

Мал. 8

Потім вводимо поняття про фокус і фокальну площину. Можна почати з демонстрації, спрямувавши на просту лінзу, прикриту непрозорим екраном з невеликим отвором у центрі, паралельний пучок світла. Промені, що проходять через відкриту Чистину лінзи, після заломлення проходять через деяку точку F осі. Якщо в цій точці поставити екран, то в місці перетину променів побачимо невеличку яскраву пляму. Прийнявши діафрагму, помітимо, що пляма розширюється. Звідси робимо важливий висновок, що проста лінза збирає паралельний пучок променів у точку лише за умови, коли переріз його невеликий. Визначаємо поняття фокуса як точки, в якій перетинається паралельний пучок променів, що падає паралельно оптичній осі, і фокальної площини, що проходить через фокус перпендикулярно до оптичної осі. У фокальній площині перетинаються вузькі паралельні пучки Променів, які падають під невеликим кутом до оптичної осі. Точка перетину лежить там, де зустрічає фокальну площину промінь, що проходить без заломлення через оптичний центр лінзи. Зазначаємо, що довільний промінь, паралельний до оптичної осі, після заломлення проходить через фокус, а промінь, що проходить через оптичний центр лінзи, не заломлюється.

Проробимо такий дослід. Помістимо лампу розжарювання з прозорим скляним балоном за фокальною площиною задіафрагмованої лінзи, неподалік від її оптичної осі. У певній площині за лінзою легко відшукати чітке і яскраве зображення розжареної нитки лампи. Утворення зображення можна пояснити так. Кожна світна точка S нитки має зображення S₁ у пивній площині поза лінзою. Оскільки світний предмет можна розглядати як сукупність окремих світних точок, то в тій самій площині дістанемо зображення нитки лампи. Площина предмета і площина зображення називаються спряженими площинами. Отже, лінза перетворює розбіжний пучок променів, що падає на неї від кожної точки предмета, в збіжний пучок у спряженій площині. Щоб знайти положення точки S₁, можна простежити за ходом через лінзу будь-яких двох променів гомоцентричного пучка, оскільки точка визначиться перетином двох прямих. У загальному випадку для цього треба було б виміряти кути падіння на першу й другу поверхні лінзи кожного з цих двох променів і, знаючи показник заломлення скла, визначити їх напрями після проходження через лінзу. Можна зробити інакше: знаючи положення фокуса, скористатись для знаходження зображення не довільними променями, а тими, хід яких нам наперед відомий, наприклад, променем, що йде паралельно оптичній осі, та променем, що проходить через оптичний центр. Перший промінь після заломлення пройде через фокус лінзи, а другий взагалі не змінює свого напряму. Перетин цих двох променів дає змогу побудувати зображення точки S₁, якщо відоме положення лінзи, оптичної осі та її фокусів. Тому ці промені називають променями побудови. Отже, завжди, коли треба побудувати зображення, користуватимемося променями побудови. Щоб підкреслити практичне значення променів побудови, надалі зображатимемо їх пунктиром.

Якщо, виконуючи другий дослід, розширити задіафрагмовану частину лінзи і тим самим збільшити переріз гомоцентричних пучків, зображення розмивається і забарвлюється. Робимо висновок, що звичайна товста лінза не дає чіткого зображення предмета, бо вона не може збирати в одну точку широкі гомоцентричні пучки світла. Виникнення таких спотворень (аберацій) стане зрозумілим, якщо пригадати проходження широкого пучка променів через плоскопаралельну пластину, а також проходження пучка променів білого кольору через призму.

Отже, для лінз із значним отвором характерні аберації. В оптичних приладах отвори, як правило, великі, бо від них залежить кількість світлової енергії, що доходить до зображення. Користуючись лінзою, ми, з одного боку, зацікавлені в збільшенні її розміру, а з другого - вимушені його зменшувати. Виникає суперечлива ситуація. Який вихід з цього становища, розповімо нижче, а зараз, щоб вивчити побудову зображень залежно від того, як розміщено предмет відносно лінзи, доцільно ввести поняття про ідеальну лінзу. Під ідеальною лінзою розуміють нескінченно тонку лінзу, не обмежену за розмірами, яка паралельний пучок світла збирає в точку, незалежно від розмірів його перерізу і нахилу до оптичної осі. Така лінза перетворює розбіжний гомоцентричний пучок довільного перерізу, що виходить з точки поза фокусом, в ідеально збіжний.

Користуючись ідеальною збиральною лінзою, розглядаємо п'ять випадків положення предмета відносно лінзи та її фокусів (мал. 8):

1) за подвійною фокусною відстанню;

2) на подвійній фокусній відстані;

3) між фокусом і подвійним фокусом;

4) на фокусній відстані;

5) між фокусом і лінзою.

Мал. 8

В останньому випадку лінза дійсного зображення не дає: розбіжні гомоцентричні пучки, заломившись на лінзі, лишаються розбіжними. І лише в сукупності з оком можна дістати уявне зображення.

Тепер можна розповісти учням, що положення і розмір зображення відносно лінзи можна розрахувати також аналітично за допомогою формули лінзи. Є два варіанти пояснення цього питання. Перший раціонально застосувати тоді, коли учні добре підготовлені, а також коли є достатньо часу для розгляду питань променевої оптики або на факультативних заняттях. Подати цей матеріал можна в такому порядку, як він розглядається в посібнику з фізики. В цьому разі розкривається суть наближення при введенні тонкої лінзи, а також зазначається, як залежить фокусна відстань під показника речовини лінзи та від радіусів кривизни поверхонь, що її обмежують.

Другий підхід дещо формальний, але він веде безпосередньо до мети - встановлення формули лінзи. При ньому відразу розглядають тонку ідеальну лінзу і з суто геометричних міркувань виводять формулу лінзи, як це зроблено в підручнику.

Потім бажано знову повернутися до реальних лінз і пригадати, які їм властиві аберації. Доцільно навіть навести помилкове твердження Ньютона про те, що хроматичну аберацію подолати не можна і тому ніколи не вдасться утворити з лінзами якісного зображення. З цих міркувань Ньютон запропонував використовувати для астрономічних приладів відбивні дзеркала, які не мають хроматичної аберації.

Пізніше вчені спростували твердження Ньютона. Вони навчилися значною мірою долати всі аберації. Спеціальною комбінацією збиральної та розсіювальної лінз можна усунути хроматичну аберацію принаймні для двох довжин хвиль (мал. 8), а також сферичну аберацію. Ми розглянули лише принципову можливість усунення аберації, оскільки справа ця дуже складна. Потрібний великий асортимент оптичного скла з різноманітними показниками заломлення, крім того, треба провести попередні складні розрахунки.

Мал. 8

Часто для усунення хроматичної аберації на значному спектральному інтервалі або занадто великої сферичної аберації, що виникає при заломленні ширококутних пучків променів, потрібні не дві, а кілька (3-10) лінз. Сукупність кількох лінз, з яких одна або дві основні, а решта - корегуючі, скріплених жорстокою оправою, називається об'єктивом.

2.2 Характеристика та структура розробленої демонстраційної комп'ютерної програми

Провівши аналіз існуючих комп'ютерних навчальних комплексів, ми зробили висновок, що наявні комп'ютерні програми і програмно-методичні комплекси не забезпечують на належному рівні навчально-виховний процес з фізики. Тому проблема розробки комп'ютерних програм навчального призначення залишається відкритою.

Також суттєвою проблемою є те, що, що всі вище зазначені програми (див. п. 1.4) призначені для учнів, які вже в певній мірі ознайомлені з тим чи іншим навчальним матеріалом з фізики.

Ми пропонуємо програму, яка дозволяє поступово вводити, формулювати і розвивати поняття з розділу «Геометрична оптика», починаючи від початкових (базових) понять і закінчуючи найдрібнішими аспектами, які є досить важливими для розуміння фізичних явищ та принципів роботи оптичних приладів.

Розроблена нами програма охоплює фактично всі нюанси теми дослідження, а деякі з них навіть, в певній мірі, розглянуто дещо глибше ніж цього вимагає шкільна програма.

Програмний комплекс створено в середовищі Microsoft Office PowerPoint 2003 і являє собою ряд динамічних презентацій із системою гіперпосилань. Даний комплекс є простим у використанні й, на нашу думку, може бути використаним як вчителем при проведенні уроку, так і учнем під час самостійної підготовки.

Розглянемо детальніше структурну будову програми. У головному меню весь матеріал розбито на 6 частин: промені, призми, дзеркала, лінзи, досліди та прилади, кожна із яких, у свою чергу, поділяється ще.

Схематично стриктуру програми можна зобразити наступним чином.

Геометрична оптика:

Промені:

основні поняття про промінь

граничний кут повного відбивання

застосування повного відбивання світла

Призми

хід променів у призмі

хід променів у двоїстій призмі

хід променів у системі призм

Дзеркала

дифузне та дзеркальне відбивання

основні лінії та точки сферичного дзеркала

промені в увігнутому сферичному дзеркалі, хід яких відомий

промені в опуклому сферичному дзеркалі, хід яких відомий

зображення світної точки в увігнутому сферичному дзеркалі

зображення світної точки в опуклих сферичних дзеркалах

побудова зображень в опуклих сферичних дзеркалах

побудова зображень в увігнутих сферичних дзеркалах

зміна зображення в плоскому дзеркалі

Лінзи

двоопукла лінза

двоввігнута лінза

різноманітність лінз

основні точки та лінії двоопуклої лінзи

основні точки та лінії двоввігнутої лінзи

промені в двоопуклій лінзі, хід яких відомий

промені в двоввігнутій лінзі, хід яких відомий

зображення світної точки в двоввігнутих лінзах

зображення світної точки в двоопуклих лінзах

побудова зображень у двоввігнутих (розсіювальних) лінзах

побудова зображень в двоопуклих (збиральних) лінзах

Прилади

лупа

фотоапарат

будова ока

перископ

бінокль

телескопи

мікроскоп

діаскоп

кінопроектор

Досліди

утворення тіні та напівтіні

заломлення в оптичному дискові

принцип Гюйгенса (для заломлення світла)

принцип Гюйгенса (для відбивання світла)

Переваги розробленої програми:

простота у використанні;

забезпечення свідомості й активності дій користувача при роботі з програмою;

відповідність тематики програми навчальним програмам шкільного курсу фізики.

динамічність моделей експериментів та приладів.

На основі вище зазначеного можна зробити висновок, що розроблена нами навчальна програма є досить таки детальною, об'ємною і послідовною з методичної точки зору, а, отже, може бути корисною в навчальному процесі.

2.3 Організація і проведення педагогічного експерименту

Для визначення ефективності навчання шляхом моделювання фізичних явищ нами був проведений експеримент в 8А і 8Б Вінницької ЗОШ №26 спільно зі вчителем фізики Булигою Світланою Іванівною.

Експеримент характеризують наступні ознаки:

1. Експеримент проводився з одного предмету - фізики.

2. Експериментальний об'єкт, в якому розкриваються переваги запропонованого методу, був обраний для вивчення нового матеріалу.

3. Експеримент проводився в 8А і 8Б класах.

Ці класи обрані з таких причин:

- учні достатньо володіють фізикою;

- обидва класи знаходяться на одному рівні по знаннях та всебічному розвитку;

- в обох класах викладає фізику один і той же вчитель;

4. Результати експерименту порівнювались з результатами звичайної роботи, яка проводилась тим самим вчителем в контрольному класі (8Б).

5. Ми проводили експеримент на протязі часу, який був запланований на вивчення розділу «Геометрична оптика».

В експериментальному навчанні нами була висунута така гіпотеза: навчання за допомогою комп'ютера дозволяє покращити рівень вмінь, знань навичок, а також сприяє формуванню логічного мислення.

Для визначення рівня успішності з фізики перед початком експерименту в 8А, 8Б і 8В були проведені перевірочні роботи та тести. За результатами тестування, письмової роботи та бесіди з учителем ми зробили висновок про те, що 8А і 8Б класи знаходяться на однаковому рівні засвоєння знань, вмінь та навичок з фізики. Тоді на основі цього для експерименту був обраний клас 8А, а клас 8Б виступив у ролі контрольного класу.

Учні експериментального класу вивчали розділ «Геометрична оптика» за допомогою комп'ютерного моделювання, а учні експериментального - за традиційною схемою.

Після вивчення розділу показники успішності контрольної групи залишились практично незмінними, а ось результати експериментального класу значно покращились.

Навчання з використанням навчальних комп'ютерних програм, як показав експеримент, викликало в учнів інтерес, стимулюючи працювати всіх, навіть слабо підготовлених. Якість знань при цьому відчутно зросла: поняття засвоюються краще, учні чітко визначають суттєві ознаки явищ.

Результати експерименту повністю підтвердили всі гіпотези та положення, що були висунуті перед його проведенням. Використання комп'ютерного моделювання інтенсифікує вивчення теоретичного матеріалу, за рахунок чого залишається певний вільний час, який можна використати для набуття ряду практичних умінь та навичок. А головне, що якість знань і успішність при цьому відчутно зростають.

2.4 Вимоги техніки безпеки щодо роботи з персональним комп'ютером

Розміщення робочих місць з ЕОМ у підвальних приміщеннях, на цокольних поверхах заборонено.

Площа на одне робоче місце має становити не менше ніж 6,0 м².

Приміщення для роботи з комп'ютерами повинні мати природне та штучне освітлення у відповідності до СНіП 11-4-79.

Природне освітлення має здійснюватись через світлові прорізи, орієнтовані переважно на північ чи північний схід і забезпечувати коефіцієнт природної освітленості (КПО) не нижче ніж 1.5%.

Виробничі приміщення для роботи з комп'ютерами (операторські, диспетчерські) не повинні межувати з приміщеннями, в яких рівні шуму і вібрації перевищують допустимі значення (виробничі цехи майстерні тощо) за СН 3223-85, СН 3044-84, ГР 2-І 11-81, ГОСТ 12.1.003-83.

Звукоізоляція огороджувальних конструкцій приміщень має забезпечувати параметри шуму, що відповідають вимогам СН 3223-85, ГОСТ 12 І 003-83, ГОСТ 12 І 012-90.

Приміщення для роботи з комп'ютерами мають бути обладнані системами опалення, кондиціонування повітря, або припливно-витяжною вентиляцією відповідно до СНіП 2.04.05-9: Нормовані параметри мікроклімату, іонного складу повітря, вмісту шкідливих речовин мають відповідати вимогам СН 4088-86, СН 2152-80, ГОСТ 12. 1. 005-88.

Віконні прорізи приміщень для роботи з комп'ютерами мають бути обладнані регульованими пристроями (жалюзі, зовнішні козирки)

Для внутрішнього оздоблення приміщень з комп'ютерами слід використовувати дифузно-відбивні матеріали з коефіцієнтами відбиття для стелі 0,7-0,8, для стін 0.5-0,6.

Покриття підлоги повинне бути матовим з коефіцієнтом відбиття 0,3-0,5. Поверхня підлоги має бути рівною, неслизькою, з антистатичними властивостями

Забороняється для оздоблення інтер'єру приміщень застосовувати полімерні матеріали, що виділяють у повітря шкідливі хімічні речовини. (дерев'яно-стружкові плити, шпалери, що миються, рулонні синтетичні матеріали, шаруватий паперовий пластик тощо)

Полімерні матеріали для внутрішнього оздоблення приміщень можуть бути використані при наявності дозволу органів та установ державної санітарно-епідеміологічної служби.

Виробничі приміщення можуть обладнуватись шафами для зберігання документів, магнітних дисків, полицями, стелажами, тумбами тощо з урахуванням вимог до площі приміщень.

У приміщеннях слід щоденно робити вологе прибирання

Приміщення мають бути оснащені аптечками першої медичної допомоги.

Мікроклімат.

У виробничих приміщеннях на робочих місцях мають забезпечуватись оптимальні значення параметрів мікроклімату: температури, відносної вологості й рухливості повітря (ГОСТ 12.1. 005-88, СН 4088-86).

Рівні позитивних і негативних іонів у повітрі мають відповідати санітарно-гігієнічним нормам

Освітлення

Вимоги до природного освітлення викладено вище. Штучне освітлення в приміщеннях з робочими місцями, обладнаними ЕОМ, має здійснюватись системою загального рівномірного освітлення. У виробничих та адміністративно-громадських приміщеннях, у разі переважної роботи з документами, допускається застосування системи комбінованого освітлення (крім системи загального, освітлення додатково встановлюються світильники місцевого освітлення).

Значення освітленості на поверхні робочого столу в зоні розміщення документів має становити 300 - 500 лк. Якщо ці значення освітленості неможливо забезпечити системою загального освітлення, допускається використовувати місцеве освітлення. При цьому світильники місцевого освітлення слід встановлювати таким чином, щоб не створювати відблисків на поверхні екрана, а освітленість екрана має не перевищувати 300 лк.

Як джерела світла в разі штучного освітлення мають застосовуватись переважно люмінесцентні лампи. Допускається застосування ламп розжарювання у світильниках місцевого освітлення.

Світильники місцевого освітлення повинні мати просвічуючий відбивач із захисним кутом, не меншим ніж 40°

Слід передбачити обмеження прямої блискості від джерел природного та штучного освітлення.

Необхідно обмежувати відбиту блискість на робочих поверхнях відносно джерел природного і штучного освітлення. При цьому яскравість бліків на екрані має не перевищувати 40 кд/м², а яскравість стелі в разі застосування системи відбитого освітлення 200 кд/м².

Показник освітленості у разі використання джерел загального штучного освітлення у виробничих приміщеннях має не перевищувати 20, а показних дискомфорту в адміністративно-громадських приміщеннях має бути не більше за 40.

Необхідно обмежувати нерівномірність розподілу яскравості в полі зору працюючих. При цьому співвідношення яскравостей робочих поверхонь має бути не більшим ніж 3:1, а співвідношення яскравостей робочих поверхонь та поверхонь стін обладнання тощо - 5:1.

Шум і вібрація

Рівні звукового тиску в октавних смугах частот, рівні звуку та еквівалентні рівні звуку на робочих місцях, обладнаних ЕОМ, мають відповідати вимогам СН 3223-85, ГОСТ12.1.003-83, ГР 2411-81.

Устаткування, що становить джерело шуму (принтери тощо), слід розташовувати поза приміщеннями для роботи.

Для забезпечення допустимих рівнів шуму на робочих місцях слід застосовувати засоби звукопоглинання, вибір яких має обґрунтовуватись спеціальними інженерно-акустичними розрахунками.

Під час виконання робіт з ЕОМ у виробничих приміщеннях значення характеристик вібрації на робочих місцях мають не перевищувати допустимі відповідно до СН 3044-84, ГОСТ 12.1.012-90.

Електромагнітні випромінювання

Значення напруженості електростатичного поля на робочих місцях (як у зоні екрана дисплея, так і на поверхнях обладнання, клавіатури, друкувального пристрою) мають не перевищувати гранично допустимих за ГОСТ 12.1. 045-84, СН 175 -77.

Значення напруженості електромагнітних полів на робочих місцях мають відповідати нормативним значенням.

Інтенсивність потоків інфрачервоного випромінювання має не перевищувати допустимих значень відповідно до (СН 4088-86, ГОСТ 2.1.005-88).

Інтенсивність потоків ультрафіолетового випромінювання має не перевищувати допустимих значень відповідно до СН 4557-88.

Обладнання і організація робочого місця

Обладнання і організація робочого місця працюючих з ЕОМ мають забезпечувати відповідність конструкцій всіх елементів робочого місця та їх взаємного розташування вимогам з урахуванням характеру і особливостей трудової діяльності (ГОСТ 12 2 032-78, ГОСТ 22 269-76, ГОСТ 21 839-76).

Робочі місця слід так розташовувати відносно світових прорізів, щоб природне світло падало збоку переважно зліва.

При розміщенні робочих столів слід дотримувати такі відстані: між бічними поверхнями комп'ютерів - 1,2 м, відстань від тильної поверхні одного до екрана іншого комп'ютера - 2,5 м.

Конструкція робочого столу має забезпечувати оптимальне розміщення на робочій поверхні використовуваного обладнання (дисплея, клавіатури, принтера) і документів.

Висота робочої поверхні робочого столу має регулюватися в межах 680-800 мм, а ширина і глибина - забезпечувати можливість виконання операцій у зоні досяжності моторного поля (рекомендовані розміри 600-400 мм, глибина - 800-1000 мм).

Робочий стіл повинен мати простір для ніг заввишки не менше ніж 600 мм, завширшки не менше ніж 500 мм, завглибшки (на рівні колін) не менше ніж 450 мм.

Висота поверхні сидіння має регулюватися в межах 400-500 мм, а ширина і глибина становити не менше ніж 400 мм. Кут нахилу сидіння - до 15° вперед і до 5° назад. Відстань від спинки до переднього краю сидіння має регулюватися в межах 260 - 400 мм.

Для зниження статичного напруження м'язів верхніх кінцівок слід використовувати стаціонарні або змінні підлокітники завдовжки не менше ніж 250 мм, завширшки 50-70 мм, що регулюються за висотою над сидінням у межах 230-260 мм і відстанню між підлокітниками в межах 350-500 мм.

Порушення санітарно-гігієнічних і санітарно-протиепідемічних правил і норм тягне дисциплінарну, адміністративну, кримінальну відповідальність відповідно до Закону України «Про забезпечення санітарного та епідеміологічного благополуччя населення»

Висновки

У даній роботі проведено аналіз літературних джерел, наукових праць, статей з питання використання комп'ютерних моделей при викладанні фізики.

На основі цього розглянуто психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп'ютерного моделювання при викладанні фізики. Вивчення геометричної оптики на основі використання навчальних комп'ютерних моделей дає змогу підвищити інтерес учнів до цього матеріалу, стимулювати розвиток пізнавальної активності і творчого мислення, формувати в учнів уявлення про комп'ютер як ефективний засіб пізнання закономірностей і явищ мікросвіту.

Також розроблено методичні рекомендацій, щодо використання комп'ютерного моделювання. Адже при поясненні багатьох явищ не можливо на дошці показати динамічну зміну процесів, і в цьому випадку комп'ютерна модель зіграє для вчителя важливу допоміжну роль.

Аналіз показує, що комп'ютеризація уроків фізики виразилася в покращенні світоглядної спрямованості, підвищенні наукового рівня викладання, активізації пізнавальної діяльності учнів.

Слід підкреслити, що всі три напрямки тісно взаємозалежні. Так, посилення світоглядної спрямованості змісту одночасно підвищує науковий рівень. Вплив на світогляд школярів не може бути забезпечений без науково обґрунтованої системи завдань, які активізують інтелектуальні, емоційні, практичні напрямки навчальної діяльності. Проте слід врахувати, що навчальну діяльність учнів активізує лише та система завдань, яка охоплює всі етапи пізнання (спостереження, аналіз зібраних фактів, побудова гіпотез, їх перевірка і переведення в теорію, усвідомлення форм і прийомів мислення), тобто система, створена на чітких науково-методичних принципах.

1. Впровадження комп'ютеризації навчання в процес навчання фізики має сприяти оновленню змісту фізичної освіти, залучення педагогів до розроблення варіативних навчальних підручників, пошуку програм, створенню різнорівневих методів і прийомів навчання.

2. Аналіз методологічної, психолого-педагогічної, методичної літератури дозволив визначити, що позитивний ефект в процесі впровадження дистанційного навчання фізики досягається за умов:

* поваги до учня як до особистості;

* врахування емоційного впливу навчального матеріалу на особистість учня;

* такої організації навчального процесу, за якої учневі надається можливість вибрати форму виконання завдань, спосіб навчальної роботи, а обдарованим учням ще й обсяг матеріалу;

* такої оцінки учня, що випливає з суб'єктної діяльності, на що й спрямовано нині весь навчальний процес.

3. З'ясувавши мотиви впровадження комп'ютерних технологій в процес навчання фізики, можна зробити висновки, що вони:

- значно розширили можливості подання навчальної інформації;

- дозволяють підсилити мотивацію навчання;

- активно зацікавлюють учнів до навчання;

- дозволяють якісно змінити контроль за діяльністю учнів;

- сприяють формуванню в учнів рефлексії своєї діяльності

4 Запропоновано навчальну демонстраційну комп'ютерну програму з розділу «Геометрична оптика».

На нашу думку, використання розроблених демонстрацій сприятиме інтенсифікації навчального процесу, підвищенню зацікавленості учнів до вивчення фізики та урізноманітненню уроку, що призведе до кращого засвоєння знань з даного розділу.

Вони допоможуть учням зрозуміти суть оптичних явищ і процесів, оволодіти способами і технікою найпростіших вимірювань, а також дають змогу ознайомитися з практичним використанням фізичних закономірностей.