Використання комп’ютерного моделювання в шкільному курсі фізики

Під моделлю розуміють систему, що перебуває у певній відповідності з оригіналом і містить суттєві для даного дослідження його властивості, якою можна заміщувати оригінал та здобувати в процесі її вивчення нові дані про об'єкт або відтворювати певні його властивості. Проаналізувавши різні варіанти класифікацій моделей, в роботі запропоновано узагальнену класифікацію моделей за такими критеріями: за способом подання, за призначенням і за станом (рис. 2.1).

Під моделюванням розуміють опосередкований метод наукового дослідження об'єктів шляхом вивчення їх аналогів - моделей.

Метод моделювання характеризується такими гносеологічними функціями: демонстраційною або ілюстративною, евристичною, трансляційною, апроксимуючою, екстраполяційно-прогностичною та функцією відображення дійсності. Ці функції у своїй діалектичній єдності представляють узагальнену гносеологічну систематизацію ролі методу моделювання в науковому пізнанні.

Під комп'ютерним моделюванням розуміють моделювання об'єкту, процесу або явища комп'ютерними засобами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1. Узагальнена класифікація моделей.

Проведений аналіз психолого-педагогічних особливостей формування в учнів умінь комп'ютерного моделювання показує, що розробка комп'ютерних моделей є складним процесом, який передбачає сформованість у них на певному рівні умінь виконувати розумові операції: аналізувати, абстрагувати, порівнювати, виділяти головне, суттєве, класифікувати, узагальнювати тощо, сприяє активізації їхньої розумової діяльності і подальшому розвитку таких умінь, а отже, загальному інтелектуальному розвитку учнів.

Використання комп'ютерного моделювання стимулює науково-пізнавальну та навчально-пізнавальну діяльність учнів під час вивчення профілюючих дисциплін. Створюючи комп'ютерні моделі засобами різних програмних середовищ, учні поглиблюють знання про використання таких засобів, розвивають навички роботи з ними. При математичному моделюванні та розв'язуванні задач з фізики учням необхідно вміти використовувати традиційні засоби програмування, системи комп'ютерної математики (СКМ), такі як MathCad, Maple, Maxima, GRAN, електронні таблиці Microsoft Excel тощо.

Є ряд концептуальних положень методики навчання комп'ютерного моделювання у відношенні викладання фізики [7]:

1) Впровадження в освітній процес методичної системи навчання комп'ютерного моделювання сприяє формуванню інформативних компетентностей учнів з фізики та інформатики, підвищує рівень їхньої підготовки.

2) Для набуття відповідного рівня викладання фізики використання комп'ютерних моделей у навчальному процесі має бути наскрізним.

3) Головною метою комп'ютерного моделювання при викладанні фізики є вміння створювати комп'ютерні моделі фізичних явищ та процесів засобами різних програмних середовищ.

Однією з основних форм навчальної діяльності є лабораторні роботи. Особливістю проведення лабораторних робіт із застосуванням комп'ютерної техніки є те, що учні при цьому можуть використовувати різні програмні засоби електронних таблиць MS Excel, тощо.

Одним з ефективних засобів дистанційної підтримки навчальної діяльності за допомогою комп'ютера є використання сайту “Комп'ютерне моделювання” (http://cmodel.in.ua), де розміщено комплекс відповідних навчально-методичних матеріалів, рекомендацій, публікацій і корисних посилань.

2.4 Аналіз існуючих програмно-педагогічних засобів з комп'ютерними моделями для шкільного курсу фізики

Національною доктриною розвитку освіти в Україні у XXI столітті визначено, що пріоритетом розвитку освіти є впровадження сучасних інформаційних технологій, які забезпечують подальше вдосконалення навчально-виховного процесу, доступність та ефективність освіти, підготовку молодого покоління до життєдіяльності в сучасному комп'ютеризованому суспільстві [1].

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" (рис. 2.2) [12].



Рис. 2.2.

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" (рис. 2.3). 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.



Рис. 2.3.

Що стосується геометричної оптики, то тут розглянуто лише деякі питання: 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" (рис. 2.4) 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 ВНЗ). У ньому, наприклад, є такі корисні та цікаві складові, як словник, біографії вчених, технічний калькулятор тощо.



Рис. 2.4

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 сьогодні.

РОЗДІЛ 3. ПОЄДНАННЯ ТРАДИЦІЙНИХ ТА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ ШКІЛЬНОГО КУРСУ ФІЗИКИ

3.1 Розробка дидактичного матеріалу для вивчення розділу "Кінематика" в 10 класі загальноосвітньої школи

Вивчення систематичного курсу фізики починається темою "Кінематика", що входить до розділу "Механіка". Засвоєні з цієї теми кінематичні поняття, величини, рівняння різних видів поступального руху учні будуть використовувати не лише у процесі вивчення інших тем з розділу "Механіка", а й усього курсу фізики. Отже, значення знань з кінематики важко переоцінити.

Проте, як свідчить практика, учні сприймають цю тему із значними труднощами, що зумовлено низкою причин. Серед них є такі, що не залежать від учителя фізики. Зокрема, недостатня математична підготовленість учнів, яка виявляється не стільки в тому, що учні не знають відповідних математичних правил і операцій, скільки в тому, що вони ще слабо володіють уміннями їх застосовувати до встановлення фізичних закономірностей, до розв'язування фізичних задач. У міру виконання тренувальних вправ і зростання математичної культури становище виправляється.

Деякі питання кінематики складні для учнів за своєю фізичною суттю, тому учні засвоюють їх не в повному обсязі. Так, поняття відносності (відносність траєкторії, переміщення, швидкості) на рівні вміння застосовувати його до розв'язування конкретних фізичних задач для випадку, коли тіла рухаються паралельно, засвоюють усі учні, а для випадку, коли вектори переміщення чи швидкості напрямлені перпендикулярно або під гострим кутом один до одного - лише сильні учні.

Основними освітніми цілями, що повинні бути реалізовані, є забезпечення учнів знаннями про:

- механічні явища - поступальний рух тіла, рівномірний та рівноприскорений прямолінійні рухи, вільне падіння тіл, криволінійний рух та його окремий випадок - рух по колу. Учні повинні знати характерні ознаки кожного явища, основні величини, що його характеризують, умови його перебігу, зв'язок з іншими явищами, а також досліди, які його відтворюють, приклади його використання на практиці;

- основні поняття кінематики - матеріальна точка, система відліку, відносність механічного руху, траєкторія руху. Учні мають знати явища чи об'єкти, які характеризуються даним поняттям, ознаки чи умови, за якими його можна (або не можна) застосувати, давати його означення;

- кінематичні величини - шлях, переміщення, час, швидкість (миттєва, середня, кутова, лінійна), прискорення доцентрове. При цьому від учня вимагається означення величини, яке включає родові й видові ознаки: векторна величина чи скалярна, мірою яких властивостей є; знання способу та методу її вимірювання, формул, що розкривають зв'язок величини з іншими, одиниць вимірювання, приладу (якщо він є) для вимірювання.

Переважна більшість зазначених знань у міру навчання повинна переходити у відповідні вміння:

- спостерігати механічні явища в природі й техніці, відтворювати їх у досліді;

- вимірювати та підраховувати за формулами фізичні величини;

- будувати і пояснювати графіки залежності кінематичних величин для рівномірного та рівноприскореного рухів;

- зображати схематично і в певному масштабі напрям і довжину векторів переміщення, швидкості, прискорення та їх проекції на вибрані осі координат;

- виконувати схематичні малюнки до фізичних задач;

- розв'язувати нескладні фізичні задачі з кінематики.

Матеріал теми "Кінематика" пронизує ідея відносності: відносність руху, його траєкторії, відносність величин, що характеризують рух. Друга ідея, яка коротко формулюється як основна задача механіки, є своєрідним стрижнем, що обумовлює певну логічну послідовність введення нових понять, сприяє систематизації й узагальненню знань.

Очевидно, що треба передбачити формування знань і вмінь учнів, пов'язаних з усвідомленням названих ідей. Сформулюємо найбільш важливі з них:

- переконати учнів у відносному характері механічного руху, зокрема в тому, що значення координат, переміщення, швидкість, вид траєкторії залежать від вибору системи відліку;

- навчити переходити від опису руху в одній системі відліку до опису того самого руху в іншій системі відліку;

- забезпечити знання ланцюжка понять, що веде до розв'язання основної задачі механіки і вміння ним користуватися.

У навчальному матеріалі з кінематики закладені певні елементи діалектико-матеріалістичного світогляду. Відповідно до них у навчальному процесі слід передбачити формування в учнів переконаності в матеріальності світу, у безперервному русі матерії, нерозривності матерії і руху, у причинно-наслідковому характері перебігу явищ. Певна логічна послідовність вивчення кожного з видів механічного руху - від спостереження даного виду руху в природі, техніці через моделювання його у фізичному досліді, встановлення якісних і кількісних співвідношень між основними характеристиками цього руху до практичної їх перевірки і застосування - дає можливість вчителеві розкрити учням шлях пізнання дійсності, показати роль моделей і дослідів у фізиці. Навчальний матеріал з кінематики матеріальної точки містить значні можливості для здійснення політехнічного навчання. Для цього потрібно поєднати вивчення теоретичного матеріалу з розглядом видів руху у навколишній дійсності, продемонструвати застосування встановлених залежностей між кінематичними величинами в найрізноманітніших галузях промисловості і сільського господарства, на транспорті, ознайомити учнів з елементами механізації як одного з основних напрямів науково-технічного прогресу, запропонувати учням розв'язати практичні задачі, які сприяють розвитку конструкторських і винахідницьких здібностей.

Керуючись сформульованими цілями, потрібно визначити завдання кожного уроку. Наприклад, на уроці з теми "Положення тіла в просторі. Система відліку" доцільно розв'язати такі завдання:

- формування знань про поступальний рух, матеріальну точку, систему відліку та вмінь правильно застосовувати ці поняття до опису руху небесних тіл, транспортних засобів, окремих деталей машин і механізмів тощо;

- формування знань та вмінь визначати положення матеріальної точки, користуючись поняттям системи відліку;

- переконати учнів у відносності значень координат.

Для уроку, на якому виконується лабораторна робота "Визначення прискорення тіла при рівноприскореному русі", ставляться такі завдання:

- удосконалити знання про рівноприскорений рух та вміння практично визначати його параметри, складати установку для одержання рівноприскореного руху;

- формувати експериментальні вміння користуватися відповідними вимірювальними приладами;

- переконувати учнів в істинності здобутих ними знань з даного питання;

- формувати вміння планувати дослід, обробляти експериментальні дані для підрахунку прискорення руху.

3.2 Розробка структурно-логічної схеми предмету "Фізика" у 10 класі

Для унаочнення представлення змісту учбового матеріалу та для кращого розуміння взаємозв'язків основоположних фактів і явищ, законів та теорій, проведена розробка структурно-логічної схеми "Фізика" у 10 класі.

Забезпечуючи дисципліни			Забезпечувані дисципліни
		Урок №1. Вступ.
		Розділ 1. Кінематика
5 клас Природознавство. Зміна положення тіла відносно інших тіл		Урок №1. Механічний рух та його види
		Урок №2. Основна задача механіки та способи її розв'язання в кінематиці
		Урок №3 Фізичне тіло та матеріальна точка.
Математика. Довжина траєкторії		Урок №4.. Система відліку. Відносність механічного руху. Траєкторія руху		Балістика. Траєкторія польоту
8 клас. Фізика. Види рухів.		Урок №5 Рівномірний прямолінійний рух. Шлях і переміщення		Математика. Довжина траєкторії
8клас.Фізика.Швидкість руху та одиниці швидкості.		Урок №6 Швидкість руху. Закон додавання швидкостей.		Математика. Прискорення
		Урок №7 Вільне падіння тіл.		Астрономія. Тема Прискорення вільного падіння
Географія. Сонячна система		Урок №8 Рівномірний рух матеріальної точки по колу. Період обертання та обертова частота. Кутова швидкість		Геометрія. Рівномірний рух матеріальної точки
		ЛР
		1. Вимірювання середньої швидкості руху тіла.
		2. Визначення прискорення тіла під час рівноприскореного руху.
		3. Дослідження руху тіла по колу.
		Розділ 2. Динаміка
8 клас. Фізика. Розділ 2. Взаємодія тіл		Урок №1 Механічна взаємодія тіл. Сила. Види сил в механіці. Вимірювання сил.
Математика. Швидкість руху тіл		Урок №2 Закони динаміки. Перший закон Ньютона. Інерція та інертність		Географія. Швидкість руху різних видів транспорту
Математика. Розрахунок маси		Урок №3 Другий закон Ньютона. Третій закон Ньютона. Межі застосування законів Ньютона		Хімія. Маса атомів та молекул
8 клас. Фізика. Земне тяжіння		Урок №4 Гравітаційна взаємодія Закон всесвітнього тяжіння.		Астрономія. Гравітація Землі
8 клас. Фізика. Вага тіла.		Урок №5 Вага й невагомість.		Астрономія. Невагомість у космосі
Географія. Сонячна система		Урок №6 Штучні супутники Землі. Розвиток космонавтики		Астрономія. Штучні супутники Землі
Математика. Вектор		Урок №7 Рівновага тіл. Момент сили		Біологія. Рівновага тіла
		ЛР
		4. Вимірювання сил
		5. Дослідження руху тіла, кинутого горизонтально.
		6. Вимірювання жорсткості пружного тіла.
		7. (Вимірювання коефіцієнта тертя.)
		8. Дослідження рівноваги тіл під дією кількох сил
		9. Визначення центра мас плоских фігур
		Розділ 3. Закони збереження в механіці
8клас.Математика. Зміни та збереження імпульсу системи		Урок №1 Імпульс тіла		Географія. Тектонічні плити
8 клас. Фізика. Коефіцієнт корисної дії (ККД) механізмів		Урок №2 Закон збереження імпульсу. Реактивний рух		Математика. Розміри та характеристики механізмів
Природознавство. Види механізмів: прості і складні		Урок №3 Механічна робота та потужність
		Урок №4 Механічна енергія. Кінетична й потенціальна енергія		Хімія. Кінетична й потенціальна енергія
Природознавство. Енергія світла		Урок №5 Закон збереження енергії.		Математика. Розрахунок формули енергії
		ЛР
		10. (Дослідження пружного удару двох тіл)
		11. Вивчення закону збереження механічної енергії
		Розділ 4. Механічні коливання й хвилі
Математика. Рівняння руху у(х)		Урок №1 Коливальний рух. Вільні коливання. Гармонічні коливання.		11 клас. Фізика. Електромагнітні коливання і хвилі
Математика. Синусоїди, косинусоїди		Урок №2 Математичний маятник. Період коливань математичного маятника.		Біологія. Інтерференція хвиль
Математика. Рух радіус-вектора		Урок №3 Вимушені коливання. Резонанс		Географія. Землетруси
		Урок №4 Поширення механічних коливань у пружному середовищі.
		ЛР
		12. Виготовлення маятника і визначення періоду його коливань
		13.Дослідження коливань тіла на пружині
		Розділ 5. Властивості газів, рідин, твердих тіл
Хімія. Атоми та молекулі речовини		Урок №1 Основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини та її дослідні обґрунтування. Маса та розміри атомів і молекул. Кількість речовини.		Географія. Кругообіг речовин у природі
Математика. Рівняння молекулярно-кінетичної теорії		Урок № 2 Модель ідеального газу. Газові закони. Тиск газу		Природознавство. Кисень та водорід
Географія. Конденсація водяної пари в атмосфері		Урок №3 Пароутворення та конденсація. Насичена й ненасичена пара.		Математика. Конденсація Доджсона
		Урок №4 Вологість повітря. Точка роси. Методи вимірювання вологості повітря.		Природознавство. Методи вимірювання вологості повітря.
		Урок №5 Будова й властивості рідин. Капілярні явища
Хімія. Кристалічні та аморфні тіла		Урок №6 Будова й властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла.
Хімія. Полімери та їх застосування		Урок №7 Рідкі кристали та їх властивості. Полімери: їх властивості та застосування.		Біологія. Білки, біологічні полімери
		ЛР
		1. (Оцінювання розмірів молекул)
		2. Дослідження одного з ізопроцесів
		3. Вимірювання відносної вологості повітря
		4. Вимірювання поверхневого натягу рідин
		Розділ 6. Основи термодинаміки
8 клас. Фізика. Тепловий стан тіл		Урок №1 Внутрішня енергія тіл. Два способи зміни внутрішньої енергії тіла
		Урок №2 Робота термодинамічного процесу.
Географія. Необоротність процесів у природі		Урок №3 Перший та другий закон термодинаміки		Природознавство. Процеси обміну тіл теплом
Математика. Розрахунок ККД за допомогою формул		Урок №4 Теплові машини		Біологія. Екологія навколишнього середовища
		Урок №5 Холодильна машина		Основи Здоров'я. Охорона навколишнього середовища
		ЛР
		1. Калориметричний метод вимірювання
		2. Визначення теплоємності тіла
		3. Вимірювання питомої теплоти плавлення тіла

3.3 Розробка структурно-смислової моделі формування знань з фізики в 10 класі

Відбір навчального матеріалу для електронного підручника, та побудова структурно-смислової моделі

У відповідності з робочою навчальною програмою дисципліни, вважається за доцільне вибрати таку основну навчальну літературу:

1) Фізика. 10 клас. Академічний рівень. Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів (В. Г. Бар'яхтар, Ф. Я. Божинова);

2) Физика. 10 класс. Учебник. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.

Два підручника мають ідентичні глави вивчання фізики

Після проведення дослідження порівняння представлених підручників, можна зробити висновок, що слова повторюються, і тому при роботі я їх буду використовувати у якості ключових слів. Занесемо їх у таблицю 3.1.

Таблиця 3.1. Аналіз ключових слів дослідження підручників.

№	Джерело	Ключові слова
1,2	Фізика. 10 клас. (В. Г. Бар'яхтар, ін. Физика.10 класс. Учебник. Мякишев Г.Я., ін.	Кінематика точки, тверде тіло, Ньютон, сила, механіка, імпульс, енергія, рівновага, температура, молекули, гази, електростатика, рідина, струм, швидкість, прискорення, гравітація, вага, невагомість, потужність, коливання, резонанс, довжина хвилі, швидкість світла, атоми, молекули, Вологість повітря, кристали, полімери.

Аналіз всіх ключових слів дозволив побудувати структурно-змістовну модель навчального матеріалу для курсу "Фізика" 10 клас (рис. 3.1, табл. 3.2).



Рис. 3.1 Структурно-змістовна модель навчального матеріалу для курсу "Фізика" 10 клас

Таблиця 3.2. Експлікація до рисунку 3.1.

№ п/п	Скорочення	Поняття
1	Пв	Повітря
2	Тт	тверде тіло
3	Нь	Ньютон
4	Сл	сила
5	Мх	механіка
6	Ім	імпульс
7	Ен	енергія
8	Рн	Рівновага
9	Тм	температура
10	Зк	закон
11	Гз	гази
12	Пт	Потужність
13	Ес	електростатика
14	Рд	рідина
15	Ст	струм
16	Шв	швидкість
17	Пр	прискорення
18	Гр	гравітація
19	Кл	коливання
20	Рз	резонанс
21	Дх	довжина хвилі
22	Шс	швидкість світла
23	Ат	атоми
24	Мл	молекули
25	Вл	Вологість
26	Кр	кристали
27	Пл	полімери

РОЗДІЛ 4. КОМП'ЮТЕРНЕ АНІМАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРИ ВИКЛАДАННІ ШКІЛЬНОГО КУРСУ ФІЗИКИ

4.1 Застосування комп'ютерного анімаціонного моделювання для підвищення наочності уроку за допомогою графічного редактора Paint.Net

Для створення анімаційного роліку доцільно використати програмне забезпечення Paint.Net. Paint.net, який передбачався як заміна графічного редактора Microsoft Paint, що входить у комплект поставки Windows, перетворився у потужний і простий інструмент для роботи із зображеннями й фотографіями. На відміну від стандартного редактора paint, в paint.net є такі інструменти, як "волшебная палочка", "градиент", "клонирование" або "штамп". Значно ширші можливості дають інструменти "выделение" і "перемещение" paint.net. На додаток до широких можливостей програми paint.net та одним з істотних її переваг є те, що paint.net є те, що вона безкоштовна.

Порядок роботи:

1) Підготовляємо зображення й створюємо фон для майбутньої анімації:

Виділяємо майбутні об'єкти, що рухаються, і створюємо їх на нових прошарках.

2) Створення дублікатів картинки зі зміненою траєкторією польоту м'яча:

Зміна формули й і стрілок покажчиків сили.

3)За допомогою команд Копіювати, Вставити - перетворюємо дублікати в прошарки:

Вибудовуємо зображння в потрібному для нас порядку.

4) За допомогою функції Анімація, Створюємо кадри із прошарків:

5)Настроювання часу затримки кадрів

Виставляємо потрібний нам час затримки.

6) Перетворення у формат gif і збереження на комп'ютері:

Вибираємо потрібні для нас параметри анімації:

Вибираємо місце збереження.

4.2 Розробка анімаціонної моделі засобами програми для створення й редагування анімаційних об'єктів Macromedia Flash

Обзор можливостей комп'ютерної анімації був би не повний без професійних засобів розробки анімаційних роликів. Тож, треба розробити комп'ютерну анімацію, для наочної демонстрації результату дії на предмет декількох векторів сил.

Для рішення поставленого завдання було вирішено створити анімацію обертання Місяця навколо Землі в спрощеному вигляді.

Відомо, що у дійсності Місяць обертається не навколо Землі, а навколо спільного центра маси його і Землі, що Земля теж обертається навколо цьго центра. При цьому орбіти центра Місяця і центра Землі являють собою еліпси, а не кола. Однак, у зв'язку з тим, що Земля має масу у 81 раз більшу за масу Місяця, можна приблизно вважати, що Місяць обертається навколо Землі по круговій орбіті з постійною за величиною лінійною швидкістю. Відомо також, що умовою рівномірного руху тіла по колу є доцентрова сила, роль якої для Місяця виконує сила всесвітнього тяжіння між Землею і Місяцем.

Таким чином, розроблювальна анімація задовольняє вимогам завдання, і крім наочності буде виконувати функцію мотивування, надаючи більший інтерес предмету вивчення.

Розробка анімації проводиться в програмі Macromedia Flash 8.0 на серії прошарків. Вибір даної програми обумовлений простотою обігу, зрозумілим інтерфейсом і високим рівнем функціональності, необхідним для рішення завдання.

Розроблювальна 2d-модель складається з наступних об'єктів:

- Система "Земля-Місяць"

- Умовні позначки й формули

Запускаємо програму й у привітальному меню вибираємо "Створити новий проект". Після цього з'явиться вікно, у якому вводимо необхідні передустановки:

- Дозвіл 600х600

- Кадрів у секунду 24

- Кольори тла білий

Після цього переходимо безпосередньо до створення об'єктів.

Система «Земля-Місяць» складається з 3-х об'єктів:

- Коло радіусом 30 пікс. залитий синіми кольорами, що імітує Землю

- Коло радіусом 15 пікс. залитий сірими кольорами, що імітує Місяць

- Коло білих кольорів без заливання 250 пікс., що поєднує в собі основні об'єкти.

Коло об'єднувач необхідний для того, що б при об'єднанні центр нового об'єкта збігався із центром «Землі»

Кола рисуються на полотні за допомогою інструмента малювання «Коло», але задаються різні параметри.

«Земля»:

Положення - х:270; у:270

Радіус - 30

Кольори контуру - немає

Кольори заливання - «Синій»

«Місяць»:

Положення - х:285; у:50

Радіус - 15

Кольори контуру - немає

Кольори заливання - «Сірий»

«Об'єднувач»:

Положення - х:50; у:50

Радіус - 250

Кольори контуру - Білий (що б зливався із тлом)

Кольори заливання - Немає

Після створення всіх об'єктів, виділяємо їхньою мишею, заходимо в меню Модифікація й вибираємо Об'єднати. У такий спосіб ми одержуємо необхідний нам об'єкт із центром у центрі полотна, що збігає із центром "Землі".

Досі все це ми робили на одному прошарку. Для створення умовних позначок і формул нам необхідний новий прошарок. Для його створення потрібно у вікні керування шарами нажати кнопку Створити новий прошарок

Вибираємо новий прошарок, кликнувши на його назві мишею й переходимо до створення умовних позначок.

Спочатку наносимо необхідні вектори. У панелі малювання вибираємо інструмент Лінія й малюємо два вектори сили всесвітнього тяжіння, прикладеної до Місяця і його швидкості, спрямованої по дотичній до траєкторії.

Трикутники, що утворять стрілки створюються за допомогою інструмента малювання Багатокутник. У настойках виставляється кількість кутів рівне 3-м, розмір установлювався довільно за допомогою миші. Розташування також установлювалося мишею.

Для створення покажчика відстані від Землі до Місяця рисуються три лінії: 2 винесення й 1 обозначитель. У властивостях всіх ліній установлюємо тип лінії Пунктирний.

Тепер створюємо текстові позначення за допомогою інструменту малювання Текст.

Для позначення векторів розмір тексту вибираємо 24 пт., а для формул 36 пт. Після написання всіх формул і позначень, поєднуємо їх в один об'єкт, як ми робили раніше.

Переходимо до створення анімації руху Місяця навколо Землі. Для цього в контекстному меню об'єкту "Земля-Місяць" вибираємо "Додати анімацію". У меню анімації вибираємо підміню "Поворот" і встановлюємо наступні параметри:

- Кількість поворотів = 5

- Напрямок повороту - проти часової стрілки

Створена основна анімація й тепер необхідно відредагувати тимчасову шкалу анімації.

Вибираємо прошарок з анімацією об'єкта «Земля-Місяць». Покажчиком миші розтягуємо тимчасову шкалу анімації на 240 кадрів (10 сек.) і всі тим же покажчиком зрушуємо її вперед, що б початок анімації перебувало на 120-ом кадрі.

Тепер вибираємо прошарок з позначеннями й у такий же спосіб розтягуємо тимчасову шкалу анімації на 120 кадрів. У даного прошарку немає анімаційних ефектів, тому анімаційна шкала вказує час у плині якого об'єкт буде видний. Таким чином, у глядача буде 5 секунд на початку анімації, що б прочитати формули перед початком руху об'єктів, після цього вони зникнуть.

Тому що анімація об'єкта «Земля-Місяць» починається з 120-го кадру, то до цього моменту він не буде видимим. Тому створюємо прошарок, на якому об'єкт "Земля-Місяць" буде дублюватися своєю копією без анімації протягом з 1-го по 120-й кадр.

Для цього потрібно перейти до прошарку з потрібним об'єктом, виділити й копіювати його, створити новий прошарок і вставити на нього скопійований об'єкт у координати х:50; у:50 (як в оригінального об'єкта). При цьому в копійованого об'єкта не буде анімації.

Для даного прошарку редагуємо тимчасову шкалу аналогічно тому, як ми це робили для прошарку умовних позначок. Тепер тимчасова шкала одержала наступний вигляд:

Зберігаємо анімацію через меню Файл-Експортувати, де вибираємо формат анімації *GIF.

В результаті була створена навчальна анімація, що демонструє рух Місяця навколо Землі. Дана анімація може бути використана як при вивченні "Фізики", так й в астрономії.

4.3 Розробка лабораторної роботи "Вимірювання прискорення вільного падіння"

Мета роботи: переконатися в рівноприскореному характері руху вільно падаючого тіла й визначити його прискорення й миттєву швидкість.

Устаткування: лінійка (можна намалювати на дошці), кульки, відеокамера (бажано високої якості).

Короткі відомості з теорії.

Відомо, що вектор прискорення вільного падіння на поверхні Землі спрямовано майже до її центра, а його величина дещо змінюється у залежності від кута широти точки виміру: від на екваторі до на полюсах. Як нормальне (стандартне) значення прискорення вільного падінняприйнято величину .

У кожній точці на поверхні Землі величина сили тяжіння, яка прикладена до тіла у його вільному падінні і дорівнює добутку його маси на прискорення вільного падіння , є сталою. Тому вільне падіння є рівноприскореним рухом, який у разі відсутності початкової швидкості описується формулами:

, ,

Звідки маємо:

і ,

де - миттєва швидкість тіла; - час падіння; - висота, з якої падає тіло.

Вказівки до роботи:

1. Зробити відеозапис падіння стальної й тенісної кульок. Перенести відеозапис у комп'ютер.

2. Відкрити перший відеозапис безкоштовною програмою Windows Movie Maker (стандартна програма Windows XP не відкриває файл формату mp4).

2.1. Скористайтеся кнопкою Імпорт відео.

2.2. Перетягнете кліп на розкадрування, розташовану нижче.

2.3. Натисніть кнопку сфотографувати.

2.4 Зберегти малюнок (за замовчуванням файл попадає в папку Мої малюнки).

2.5. Перейти до наступного кадру.



2.6 Зберегти в такий же спосіб інші кадри

По фотокадрам скласти таблицю у програмі Excel (потрібні знання з курсу інформатики 8-9 класів):

Падіння стальної кульки
Час	Координата	Прискорення	Скорость
0	0	0	0
0,11	0,05	8,3	0,9
0,19	0,15	8,3	1,6
0,27	0,38	10,4	2,8
0,35	0,61	10,0	3,5
0,43	0,88	9,5	4,1

Таблиця в режимі відображення формул:



Значення часу 0,11 можна підібрати вручну, тому що ми не можемо зафіксувати момент початку польоту кульки.

2.7 Побудувати графіки використовуючи Мастер диаграмм.

2.8 Додати лінію тренда на графіку швидкості.

Для цього потрібно встати покажчиком мишки на лінію графіка, нажати праву кнопку миші й вибрати Добавить линию тренда.

Обрати закладку Параметры й поставити флажки (три галочки), далі ОК.



Коефіцієнт рівняння лінії тренда і є прискорення вільного падіння, отриманого графічним способом.

3. Виконати пункти 2.1 - 2.8 для тенісної кульки

gсталь=9.7 м/с2

gтеніс=9.3 м/с2

ВИСНОВКИ

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

На основі цього розглянуто психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп'ютерного моделювання при викладанні фізики. Дослідження шкільного курсу "Фізика" 10 класу на основі використання структурно-змістовного аналізу дозволило краще зрозуміти взаємозв'язки основних явищ, законів та теорій, що вивчаються в рамках цього курсу.

Застосування в навчальному процесі навчальних комп'ютерних моделей надасть змогу підвищити інтерес учнів до вивчаємого матеріалу, стимулювати розвиток пізнавальної активності і творчого мислення, сформувати в учнів уявлення про комп'ютер як ефективний засіб пізнання закономірностей і явищ світу.

Також розроблено комп'ютерні моделі фізичних явищ для застосування в навчальному процесі обраної теми.

Розроблено методичні рекомендації лабораторної роботи для вивчення теми "Вимірювання прискорення вільного падіння" із застосуванням розроблених комп'ютерних моделей в якості наочного матеріалу.

Використання розроблених демонстрацій сприятиме інтенсифікації навчального процесу, підвищенню зацікавленості учнів до вивчення фізики та урізноманітненню уроку, що сприятиме кращому засвоєнню знань з вивчаємого розділу. Вони допоможуть учням зрозуміти суть фізичних явищ і процесів, оволодіти способами і технікою вимірювань, а також дадуть їм можливість ознайомитися з практичним використанням фізичних закономірностей.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

фізика інформаційний шкільний

1. Галузевий стандарт вищої освіти. Освітньо-кваліфікаційний рівень - бакалавр. Напрям підготовки - 0701 Фізика. Освітньо-кваліфікаційна характеристика. Освітньо-професійна програма / Л.А. Булавін, Ю.В. Александров, В.М. Андронов, Г.П. Грищенко, В.П. Лебедєв та ін. - Міністерство освіти і науки України. Видання офіційне. - К. - 2004. - 99 с.

2. Іваницький О. І. Теоретичні і методичні основи підготовки майбутнього вчителя фізики до впровадження інноваційних технологій навчання: Автореф. дис. На здобуття наук. ступеня д-ра пед. наук : 13.00.02 / О. І. Іваницький. - К., 2005. - 43 с.

3. Савченко В.Ф., Коршак Е.В., Ляшенко О.І. Уроки фізики у 7-8 класах. - Київ: Перун. - 2002. - 320 с.

4. Компетентнісний підхід у сучасній освіті: світовий досвід та українські перспективи : Бібліотека з освітньої політики / Під заг. ред. О. В. Овчарук. - К. : “К.І.С.”, 2004. - 112 с.

5. Шевандрин Н.И. Психодиагностика, коррекция и развитие личности. М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС. - 1998. - 512 с.

6. Буров В.А. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. - М.: Просвещение. - 1979. - 147 - 179 с.

7. Данилюк Р. Використання комп'ютерних моделей у шкільному курсі фізики // Фізика. - 2004. - Жовт. (№30). - с. 1-2.

8. Роберт И.В. Распределенное изучение информационных и коммуникационных технологии в образовательных предметах // Информатика и образование. - М. - 2001. - №5.

9. Шилов В.Ф. Демонстрационный экеперимент по молекулярной физике и термодинамике. В сб.: Учебный экеперимент по молекулярной физике и теплоте. Библ. ж-ла «Физика в шк.». Вып. 6 / Ред.-сост. В.Ф. Гудкова. - М.: Школа-Пресс, 1995. - С. 4-17.

10. Шилов В.Ф. Демонстрационный экеперимент по электродинамике. В сб.: Учебный экеперимент по злектродинамике. Библ. ж-ла «Физика в шк.». Вып. 7 / Ред.-сост. А.В. Чеботарёва. - М.: Школа-Пресс, 1996. - С. 4-27.

11. Тищук В.І. Педагогічні основи розвитку навчального фізичного експерименту. В зб.: Оновлення змісту, форм та методів навчання фізики / Наукові записки РДПІ. Вип. 2. - Рівне: РДПІ, 1997. - с. 18-34.

12. Бігун М.І. Використання елементів комп'ютерного моделювання при вивченні фізики // Освіта. - 2003. - 23-30 липн. (№34). - с. 5.

13. Рамський Ю.С., Хазіна С.А. Комп'ютерне моделювання фізичного процесу у різних програмних середовищах / Ю.C. Рамський, С.А. Хазіна // Науковий часопис НПУ імені М.П. Драгоманова. Серія № 2. Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання : зб. наукових праць / Редрада. - К. : НПУ імені М.П. Драгоманова, 2008. - № 6 (13). - С. 93-97.

Размещено на Allbest.ru