Использование компьютерных моделей на уроках физики при изучении темы "Законы термодинамики" в средней школе

В настоящее время существует множество методологических и организационных моделей информатизации учебного процесса, которые позволяют реализовать различные формы проведения занятий. Возможна индивидуальная и групповая форма работы учащихся с информационными и коммуникационными технологиями, а также общеклассная форма проведения занятий с применением иллюстративно-демонстрационных приложений, проецируемых на экран или интерактивную доску с помощью мультимедийного проектора.

Организация работы с программированными электронными учебниками, контролирующими программами и программами-практикумами возможна только в режиме обеспечения каждого участника группы персональным компьютером. Именно в этом случае достигается максимальная эффективность использования электронных ресурсов для целей интенсификации обучения и приобщения учащихся к информационным технологиям в ходе обучения физике.

При использовании локальной компьютерной сети открываются совсем новые пути индивидуализации обучения. Учитель может сочетать групповой и индивидуальный режимы работы. Так на уроке, посвященном закреплению материала, одна часть учащихся может выполнять тест по теме прямо на компьютере. Вторая часть при этом самостоятельно меняет режимы компьютерной симуляции и готовится к демонстрации этой компьютерной модели с рассказом о наблюдаемых явлениях и их закономерностях. В ходе их рассказа этот фрагмент уже демонстрируется на все мониторы в режиме отсутствия звукового сопровождения. Третья группа учащихся может собирать таблицу с объектами, в которой представлено использование данного физического явления на практике, и затем выступить перед учащимися, когда уже на все мониторы будет подаваться одно и то же изображение с собранной ими таблицей. Четвертая группа – несколько раз просмотрит видеофрагмент лабораторного эксперимента и попытается реализовать его на демонстрационном столе из блоков, приготовленных учителем.

В случае выбора общеклассной формы проведения занятий полезно использовать различные библиотеки электронных наглядных пособий и созданные на их основе презентации по теме урока. Информационные объекты, входящие в эти библиотеки можно классифицировать по следующим типам.

· Видеофрагменты, представляющие собой снятые в школьной лаборатории физические эксперименты, занимательные опыты, современные игрушки (сувениры), в которых наблюдаются эффектные физические явления, и современные технические устройства, используемые в медицине. Видеофрагменты имеют звуковое сопровождение, в котором объясняются принципы действия устройства, излагается элементы содержания курса физики, связанные с происходящим на экране явлением. Возможна остановка фрагмента в ходе просмотра и повторный его просмотр.

Видеофрагменты полезно использовать при недостаточной укомплектованности кабинета физики средствами, позволяющими проводить демонстрационные опыты и эксперименты. Видеофрагменты по месту съемки могут быть разбиты на натурные и лабораторные.

Натурные видеосъемки демонстрируют использование физических принципов в работе современной техники. Такие видеофрагменты без сомнения украсят урок с передачей новой информации учащимся. Достаточно традиционно на уроках сначала рассматриваются теоретические принципы, в основе которых лежат лабораторные эксперименты, а затем применение этих принципов в технике. Такой ход изложения повторяет последовательность этапов реального познания мира физикой. Однако не следует забывать, что цель учителя поставить перед учеником интересную задачу, заинтересовать проблемой. Именно в этом случае урок оказывается эмоционально окрашенным, появляется мотивация к изучению нового материала и он лучше усваивается. Поэтому, интересный эпизод, снятый в реальной практике, можно поставить в начале урока, чтобы в течение урока ответить на вопрос, как же это происходит.

Лабораторные видеосъемки, в свою очередь, можно разделить по критериям отбора на классические, новые и занимательные.

Классические опыты описаны в методической литературе (свойства электромагнитных волн СВЧ-диапазона, притяжение свинцовых цилиндров, волны на пружине и т.д.), которые требуют высокой квалификации учителя, наличия соответствующего исправного оборудования. Ряд известных экспериментов требуют затемненного кабинета, длительной подготовки или проекционного оборудования (отражение свечи, поляризация света, полное внутреннее отражение), поэтому их также сложно показать в реальных условиях.

Среди новых экспериментов можно отметить опыты с использованием фотодатчиков, соединенных с компьютером (равноускоренное движение тележек на магнитной подушке по наклонной плоскости, период колебаний маятника). Кроме того, в современных программных продуктах имеются видеосъемки различных занимательных игрушек, которые особенно интересны для школьников. Среди них – классические демонстрации (китайский гусь, артезианский водолаз) и современная сувенирная продукция (тлеющий разряд).

Конечно, если имеется возможность показать реальный эксперимент, то это следует сделать. В этом случае видеофрагменты хороши для аттестационных целей, повторения, самостоятельной работы учащихся.

· Звуковые фрагменты, являющиеся записанными в файл дикторскими комментариями к рассматриваемому физическому процессу или явлению. Их можно проиграть, остановить, перемотать вперед, перемотать назад, поставить на паузу.

· Анимации, представляющие собой динамичные иллюстрации теоретических представлений, работы технических устройств или природных явлений. Некоторые из них является короткими фрагментами без звука, которые могут сопровождать рассказ учителя, другие анимации имеют звуковое сопровождение, согласованное с визуальными смысловыми акцентами, и может использоваться для самостоятельного просмотра учащимися с последующим обсуждением.

С помощью компьютерных анимаций можно показывать схемы процессов, объяснение протекания которых связано со знанием структуры вещества на атомно-молекулярном (давление газов, протекание тока, ядерные реакции) или планетарном уровне (образование ветров, магнитное поле Земли, солнечное затмение). Кроме того, их удобно использовать для демонстрации в динамике принципов действия технических устройств (насос, множительный аппарат, двигатель и т.д.), в которых невозможно увидеть процесс в ходе работы механизма. Третий тип анимаций призван облегчить введение абстрактных понятий, физических величин, которые связаны с изменением какого-либо параметра во времени (движение относительно разных систем отсчета, ускорение как изменение вектора скорости, правило буравчика и т.д.).

Например, анимация, включенная в состав библиотеки электронных наглядных пособий фирмы “1C” (рисунок 1), показывает аналогию между соединениями труб и электрических проводников, что позволяет наглядно продемонстрировать учащимся принципы распределения токов в электрических цепях с параллельным и последовательным соединениями проводников. Такая же гидродинамическая аналогия рассматривается в учебнике физики Касьянова В.А., что позволяет повысить степень информативности моделей учебника.

· Компьютерные интерактивные модели, представляющие собой схемы, графики, имитации процессов и экспериментов, задания, игры, исходные параметры которых задаются пользователем, протекание процессов рассчитывается с использованием физических законов. Результат расчетов представляется в виде статичной или динамичной картины. На основе моделей можно вести изложение материала, составлять задания для тренинга по усвоению понятий и физических законов.

Например, в модели, разработанной фирмой “1С” и показанной на рисунке 2, визуально выделены цветом источники поля (два положительных заряда) и пробный заряд меньшего размера и меньший по модулю (можно изменять исходные параметры с помощью панели управления справа). Поле присутствует в виде стрелок постоянно, независимо от того, чему равен и где находится пробный заряд. Сила, действующая на заряд, проявляется, только если навести на него указатель мыши, что психологически подчеркивает, что это заряд, вносимый для обследования поля. При перетаскивании пробного заряда мышью вектор силы отслеживает направление и модуль напряженности поля. Можно снизить до нуля заряд одного источника поля и исследовать поле точечного заряда. Можно снизить до нуля и заряд второго источника, исчезнет поле, и независимо от модуля пробного заряда сила, действующая на него, останется равной нулю в любой точке пространства.

Такая модель помогает учителю уже во время ее описания правильно расставить психологические акценты при работе, в то же время имеется большой простор для дальнейшей самостоятельной работы учащихся с этой компьютерной моделью.

· Фотографии природных явлений, бытовых приборов и приспособлений, экспериментальных установок, технических объектов, портреты ученых. Они призваны проиллюстрировать экспериментальную базу, на которой строятся физические представления и многочисленные технические применения физических явлений, открытых в лаборатории.

· Рисунки, которые являются статичными иллюстрациями к текстам сопровождаемых учебников и представляют собой схемы приборов, экспериментальных установок, электрических цепей, образное представление физических величин, символьное изображение протекающих процессов, модельных представлений об их протекании, а также графики зависимостей физических величин от времени, расстояния и т.п., диаграммы, иллюстрирующие взаимосвязь различных физических параметров объектов.

Например, на рисунке 3 представлены схема работы домкрата и фотография гидравлический подъемника. Такое совмещение крайне важно для выработки навыков условного обозначения устройства приборов на чертежах и наоборот чтения чертежей и сопоставления их с реальными устройствами.

· Текстовые фрагменты, представляющие собой определения физических понятий, величин, явлений, формулировки законов и границ их применимости, описания важнейших технических устройств, упоминающихся в школьных учебниках.

· Обобщающие таблицы, являющиеся сводом основных понятий и законов, изученных в данной теме. Обобщающие таблицы могут содержать разнообразную информацию: текстовую, графическую, символьную и т.д.

Кроме программной составляющей информатизации учебного процесса при обучении физике немаловажной является роль компьютерного оборудования, которое может быть использовано при проведении таких занятий. При этом спектр современных технических средств, поддерживающих информационные и коммуникационные технологии, достаточно обширен и может быть определен следующими основными компонентами.

· Компьютер – универсальное устройство обработки информации; основная конфигурация современного компьютера обеспечивает учащемуся широкие мультимедийные возможности.

· Ноутбук – компьютер, легко переносимый в портфеле, который, вместе с легким мультимедийным проектором может обеспечить аудиовизуальную поддержку выступления учителя, использоваться для подготовки учителем занятия в любом помещении школы или дома.

· Принтер – позволяет фиксировать на бумаге информацию, найденную и созданную учащимися или учителем.

· Мультимедийный проектор, подсоединяемый к компьютеру, видеомагнитофону или телевизору – технологический элемент новой грамотности, радикально повышает уровень наглядности в работе учителя, дает возможность для учащихся представлять результаты своей работы всему классу.

· Интерактивная доска – сенсорный экран, подсоединенный к компьютеру, изображение с которого передает на доску проектор. Достаточно только прикоснуться к поверхности доски, чтобы начать работу на компьютере. Специальное программное обеспечение позволяет работать с текстами и объектами, аудио- и видеоматериалами, Internet-ресурсами, делать записи от руки прямо поверх открытых документов и сохранять информацию. Интерактивная доска предоставляет уникальные возможности для работы и творчества учителя и ученика.

· Устройства для записи или ввода визуальной и звуковой информации (сканер, цифровой фотоаппарат, цифровая видеокамера) – дают возможность непосредственно включать в учебный процесс информационные образы окружающего мира.

· Устройства вывода звуковой информации – наушники для индивидуальной работы со звуковой информацией и громкоговорители с оконечным усилителем для озвучивания всего класса. В комплект с наушниками часто входит индивидуальный микрофон для ввода речи учащегося.

· Устройства регистрации данных (датчики с интерфейсами) – существенно расширяют область физических экспериментов, предоставляют возможность для компьютерной обработки данных.

· Устройства, обеспечивающие создание локальной компьютерной сети (концентратор, сетевые платы, сервер) – позволяют более эффективно использовать имеющиеся информационные и технические ресурсы, обеспечивают общий доступ к сети Internet.

· Телекоммуникационный блок (модем) – дает доступ к российским и мировым информационным ресурсам, позволяет вести дистанционное обучение, вести переписку с другими школами.

· Мультимедийный лингафонный комплект – предоставляет целый ряд преимуществ и новых возможностей по сравнению с обычным компьютерным классом, оснащенным локальной сетью. Основной возможностью такого компьютерного класса является звуковая и видеосвязь учителя с каждым учащимся в отдельности или группой учащихся, а также речевая и видеосвязь учащихся, объединенных в группу между собой.

В зависимости от целей, возлагаемых учителем для проведения урока, и от формы самого занятия возможно использование различных конфигураций перечисленного оборудования. Ниже представлены некоторые варианты использования технических средств информационных и коммуникационных технологий при различной оснащенности учебного процесса.

· Автономный компьютерный класс и принтер – такая конфигурация оборудования может быть использована учителем при индивидуальной работе с учениками (демонстрация того или иного информационного объекта, показ презентации, проектная деятельность, проведение тренингов, тестов, игровых упражнений на закрепление приобретенных знаний), использование принтера будет полезно при подготовке раздаточного иллюстративного материала и распечатке домашнего задания.

· Компьютер и мультимедийный проектор (для усиления учебного эффекта возможно использование интерактивной доски) – учитель может демонстрировать на экране информационные объекты, обеспечивая тем самым предоставление развернутой комбинированной информации с помощью средств мультимедиа. Удобным является использование такой конфигурации при объяснении новой темы или обсуждении пройденного материала, а также при организации устного опроса учащихся или при проведении коллективного тестирования класса по созданным учителем материалам теста.

· Компьютерный класс, оснащенный локальной сетью и сканером, имеющий общий доступ в Internet – в процессе работы учитель может предоставлять доступ ученикам к файлам презентаций, информационным ресурсам школьного сервера и сети Internet по изучаемой теме. Использование сканера и различных информационных ресурсов незаменимо при проведении проектной деятельности учащихся. Кроме того, при такой конфигурации оборудования появляются практически неограниченные возможности для информатизации и интенсификации учебного процесса, а именно, учащиеся могут самостоятельно и под руководством учителя проводить исследования, закреплять полученные знания, решать задачи и выполнять упражнения.

· Автономный компьютерный класс, оснащенный мультимедийным лингафонным комплектом – такая конфигурация оборудования значительно расширяет мультимедийные ресурсы обычного компьютерного класса. Возможны следующее варианты работы.

Вариант 1. Учитель делает объявление в классе или что-либо рассказывает и его речь транслируется на головные телефоны всех учащихся, а также по громкоговорящей связи. При этом возможна передача изображения экрана преподавателя на мониторы учащихся. Применение такого варианта полезно при изложении нового материала с использованием компьютера или демонстрации работы различных обучающих программ.

Вариант 2. Учитель, работая с учащимся, ведет речевую связь с ним и видит содержимое его экрана на своем мониторе, а также может управлять его клавиатурой и манипулятором, используя свою клавиатуру и манипулятор. Данная возможность позволяет учителю индивидуально работать с учащимся, не покидая своего рабочего места.

Вариант 3. Учитель работает с группой учащихся. Отличается от варианта 1 тем, что не происходит трансляция по громкоговорящей связи и работа ведется не со всеми учащимися, а с определенной группой. Такая схема построения учебного процесса позволяет реализовать дифференцированный подход к обучению.

Вариант 4. Учащийся что-либо рассказывает группе учащихся с демонстрацией содержимого своего экрана на мониторы рабочей группы, что создает эффект разбиения класса на несколько виртуальных аудиторий. Преподаватель может подключаться к каждой из виртуальных аудиторий и контролировать ход работы учащихся.

Вариант 5. Проведение компьютерного тестирования знаний. При этом учитель имеет возможность непосредственно контролировать ход работы всего класса или отдельных групп, переключаясь последовательно на мониторы различных учащихся.

• Новые информационные технологии в обучении
• Реализация информационных технологий на уроках физики
• Структура учебной деятельности при компьютерном обучении
• Дидактические принципы в условиях компьютерного обучения
• Обучающие программы в школьном курсе физики
• Методические особенности темы «Законы термодинамики. Тепловые двигатели» с применением компьютерных технологий

Подробно о педагогике:

Тревожность как проявление эмоциональной сферы младшего школьника
Среди наиболее актуальных проблем, возникающих в практической деятельности человека, особое место занимают проблемы, связанные с психическими состояниями. В ряду различных психических состояний наибольшее внимание уделяется состоянию беспокойства, или тревоги. Эмоции и чувства представляют собой от ...

Психолого-педагогическая сущность и структура умения решать проблемы во взаимоотношениях людей
Общение имеет огромное значение в формировании человеческой психики, её развитии и становлении разумного, культурного поведения. Через общение с психологически развитыми людьми, благодаря широким возможностям к научению, человек приобретает все свои высшие производительные способности и качества. Ч ...

Влияние иллюстрации на понимание детьми художественного текста книги
Для того чтобы правильно осуществлять педагогическую работу по ознакомлению детей с книжной графикой как произведением искусства, педагогу следует иметь некоторое представление о том, как иллюстрация влияет на понимание детьми художественного текста книги и об особенностях восприятия детьми разных ...