Обучение будущих учителей физики использованию средств ИКТ в организации учебных занятий по решению физических задач

УДК 378 ББК 74.480.26

Оспенников Андрей Анатольевич

соискатель Пермь

Ospennikov Andrey Anatolievitch

Applicant for a Degree Perm

Обучение будущих учителей физики использованию средств ИКТ в организации учебных занятий по решению физических задач Training of To-be Teachers of Physics in Using Information Technologies for

Task Solving at the Lessons of Physics

В статье рассматривается одно из новых направлений профессиональной подготовки будущего учителя физики: методика проведения учебных занятий по решению физических задач в условиях применения информационных компьютерных технологий (ИКТ) обучения. Обсуждается влияние средств ИКТ на развитие системы методов решения задач, которыми должны овладеть учащиеся средней школы, и совершенствование средств и способов обучения школьников этой деятельности.

The article deals with new ways of task solving during the lessons of Physics by means of Information Technology. Conducting lessons in a classroom equipped by up-to-date computers is discussed. Different ways of using digital educational resources are also described.

Ключевые слова: учитель физики, ИТ - компетентность учителя, методика обучения решению задач, цифровые ресурсы и инструменты для решения задач.

Keywords: teacher of Physics, IT-competence of a teacher, methods of training in task solving, digital resources and instruments for task solving.

Проблема инновационного преобразования системы средств и методов обучения в условиях ИКТ-насыщенной среды относится в настоящее время к одной из самых актуальных в методике преподавания физики. Результатом ее

исследования является определение дидактического потенциала виртуальной образовательной среды и эффективных способов его реализации в обучении. Указанная проблема разрабатывается в нескольких направлениях. В данном исследовании обозначено новое для методической науки направление ее разработки: методика подготовки будущих учителей физики к обучению учащихся средней школы решению физических задач в условиях использования компьютерных технологий организации учебной деятельности. Теоретическая значимость и новизна исследования заключаются в определении состава специальных профессиональных компетенций учителя физики, выявлении методов и средств их формирования в период обучения в педагогическом вузе. В исследовании обозначены новые элементы содержания обучения студентов, которые могут составить основу для формирования ГОС третьего поколения для высшей педагогической школы.

В составе дисциплины «Теория и методика обучения физике» выделен учебный модуль «Использование ЦОР в обучении учащихся решению физических задач», к которому разработан комплект учебно-методических материалов.

Методы познания, в том числе и методы решения физических задач, находятся в постоянном развитии. В условиях внедрения в практику научных исследований компьютерных технологий организации научной деятельности технологический «инструментарий» познания существенно обновился. В настоящее время для объяснения и предсказания явлений природы (включая получение как качественных, так и количественных результатов) весьма эффективно используются стандартные и специальные компьютерные программы (Microsoft Excel, Mathcad, Maple, Grapher, MatLab, Mathematica и др.). Направления использования программного обеспечения (ПО) в решении задач разнообразны. Это: 1) выполнение расчетов и исследование результатов решения; 2) построения моделей физических объектов и изучение особенностей их поведения; 3) применение телеметрических методов анализа физических ситуаций; 4) использование экспертных компьютерных систем. Все это не Вестник ЧГПУ 7'2008 110

может не найти отражения в содержании школьного обучения. Наряду с классическими методами решения задач учащиеся средней школы должны осваивать новые методы и технологические приемы этой деятельности. Необходимо продемонстрировать школьникам эффективность названных выше способов решения, познакомить с содержанием данных способов и обучить простейшим правилам и приемам применения.

Новые информационные технологии видоизменяют не только методы решения задач, но и оказывают влияние на развитие системы средств обучения школьников этой деятельности. На образовательном рынке России появились разнообразные цифровые учебные материалы, ориентированные на формирование и отработку у учащихся умений и навыков решения физических задач. Новые средства обучения обладают по отношению к традиционным более высоким уровнем эффективности. Это обусловлено специфическими свойствами виртуальной среды, такими как: мультимедийность, моделинг, интерактивность, коммуникативность, интеллектуальность,

производительность. Указанные свойства позволяют: 1) повысить уровень наглядности и выразительности в демонстрации учащимся образцов выполнения основных действий по решению задач (постановка задачи, ее анализ, поиск решения, исследование и проверка результата); увеличить число и разнообразие конкретных примеров выполнения данных действий; 2) продемонстрировать образцы применения новых технологий в выполнении ряда действий, входящих в состав решения задачи (расчеты, построение графиков, исследование результата решения с помощью компьютерных моделей и др.) и наглядно показать эффективность применения этих технологий; 3) обеспечить необходимый уровень отработки действий и операций в решении задач благодаря использованию цифровых тренажеров и симуляторов; 4) создать необходимую для каждого учащегося содержательную базу для самостоятельной работы за счет формирования практически неограниченного банка задач различных видов и разного уровня сложности; 5) обеспечить высокий уровень интерактивности учебной среды в организации

самостоятельной работы учащихся по решению задач; 6) существенно повысить познавательную активность школьников за счет использования инновационных технологий организации их учебной работы и реализации деятельностного подхода к обучению в новой информационной среде; 7) создать необходимые условия для дифференциации обучения и обеспечить в итоге индивидуальную траекторию познавательной деятельности для каждого учащегося; 8) оптимизировать самостоятельную работу учащихся по решению физических задач (в том числе в домашних условиях) за счет использования дистанционных форм поддержки учебного процесса; 9) обеспечить систематический контроль обучения (текущий, итоговый), оперативность обработки и наглядность представления результатов контроля учителю и учащимся.

Электронные ресурсы по физике (на СБ и в Интернет), включающие банки задач, цифровые иллюстрации к их решению, интерактивные тренажеры и тесты, в настоящее время уже изобилуют на образовательном рынке. Можно выделить несколько типов таких учебных ресурсов, а именно: задачи для абитуриентов; электронные решебники; справочные материалы; задачи, подготовленные учащимися; простейшие инструментальные программы для решения зада; дистанционные школы (курсы) по решению задач; тесты; олимпиады; интеллектуальные клубы. Кроме того, имеются сайты для учителей по методике обучения решению задач.

Анализ содержания электронных учебных изданий и сетевых ресурсов по физике показал, что в них представлен весьма широкий спектр цифровых объектов, которые могут эффективно применяться при формировании у учащихся умения решать физические задачи. К таким объектам относятся: тексты задач и образцы их решения; графики функций; фотографии; рисунки; формулы; систематизирующие таблицы; таблицы физических величин; аудиоинформация (как сопровождение к видео, модели, рисунку); видеоресурсы (демонстрации натурных опытов, фрагменты документальных, художественных и мультипликационных фильмов); анимации; компьютерные

модели (разных уровней интерактивности); конструкторы; тренажеры; тесты; дидактические игры. Названные объекты могут успешно применяться для представления в виртуальной среде физических задач различных видов и отработки у учащихся умений и навыков их решения [1]. Следует отметить полифункциональные свойства этих объектов. Один и тот же объект может быть использован: 1) на различных этапах учебного занятия по решению задач; 2) на разных этапах решения конкретной физической задачи: 3) для отработки у учащихся одного или некоторой совокупности учебных действий и операций, входящих в состав деятельности по решению задач.

Виды задач по физике разнообразны. Тем не менее, при изучении физики в большей степени учащиеся упражняются в решении количественных задач на объяснение и предсказание явлений природы на основе изученных закономерностей. Можно указать общую логику познавательной деятельности при решении задач такого рода (обобщенное алгоритмическое предписание).

Обобщенный план решения физических задач

1. Сформулировать (прочитать) задачу.

2. Выполнить анализ условия задачи.

3. Кратко записать условие задачи.

4. Определить физические законы, с помощью которых можно объяснить (предсказать) описанное в задаче явление, значение величин, его характеризующих.

5. Доказать, что данное явление или искомое значение характеризующей его величины выступает следствием указанного закона (законов): а) записать математическое выражение законов; б) выполнить анализ математических выражений, т. е. установить, все ли физические величины, входящие в уравнения, представлены в условии задачи (если система уравнение оказывается неполной, ввести дополнительные уравнения); в) решить систему уравнений в общем виде и получить математическое выражение для искомой величины; г) провести вычисление в удобной метрической системе (или в СИ).

6. Проверить решение задачи одним из способов.

113 Вестник ЧГПУ72008

Применительно к отдельным учебным темам данный обобщенный план может быть частично конкретизирован. В этом случае мы получим план действий более низкого уровня обобщения (или частное алгоритмическое предписание). Предъявление учащимся обобщенных ориентиров деятельности - путь повышения ее результативности. Освоив общий метод на ограниченном числе случаев его применения, школьники более успешно справляются с решением проблем в сходных ситуациях, преуспевают и в решении нестандартных задач [2, 3].

Приведенный выше обобщенный план деятельности не только отражает последовательность действий учащегося при решении задач на объяснение и предсказание явлений природы, но и дает нам представление о совокупности основных умений, которыми должны овладеть учащиеся в решении задач этого вида. В методической науке исследуются способы и приемы формирования данных умений. С появлением новых средств обучения (средств ИКТ) область методического поиска существенно расширилась. Рассмотрим возможности новых информационных технологий в формировании умений учащихся в решении физических задач. Покажем эти возможности применительно к каждому учебному действию.

Формулировка задачи:

• предъявление учителем условия задачи с использованием цифровых иллюстраций (виртуальной модели, видеофрагмента, анимации, фотографии, рисунка и т.д.);

• постановка и формулировка учащимися новой задачи на основе цифровых иллюстраций;

• постановка и формулировка учащимися новой задачи на основе моделирования физического явления с помощью стандартных и специальных инструментальных программ или учебных моделирующих сред.

Анализ условия задачи

• предъявление учителем образца анализа условия задачи с использованием соответствующих содержанию действия объектов ЦОР;

• анализ задачи учащимися на основе работы с электронными учебными конструкторами (например, построение схемы электрической цепи, конструирование оптических систем и построение хода лучей в данных системах, изображение векторов сил, действующих на тела и т.п.);

• работа учащихся с электронными тренажерами с целью отработки отдельных операций анализа задачных ситуаций (для типичных случаев);

• анализ задачи учащимся на основе использования функциональных возможностей интерактивной доски (наложение графики и символьной записи на изображение задачной ситуации, манипуляция графическими объектами задачной ситуации).

Запись условия задачи

• использование учителем цифровых «решебников» для демонстрации образцов краткой записи условия задачи;

• подбор и применение учителем готовых рисунков и других объектов ЦОР (графики, схемы, виртуальные модели и др.) для визуального отображения задачной ситуации;

• применение (учителем, учащимися) инструментов MS Paint, MS PowerPoint и пр. для графического отображения задачной ситуации;

• использование (учителем, учащимися) учебных моделирующих сред для графического отображения задачной ситуации (предварительно создается коллекция «стандартных» объектов);

• реализации (учителем, учащимися) графического потенциала интерактивной доски для краткой записи условия задачи.

Поиск решения

• демонстрация учителем образца решения задачи на основе использования фрагментов ЦОР и инструментов учебной деятельности;

• решение задачи учащимися на основе обучающих сценариев ЦОР;

• решение задачи учащимися, включая этап моделирования физических ситуаций в виртуальных учебных средах и (или) исследования поведения созданных моделей;

• поиск учащимися через поисковые системы ЦОР на CD и в Интернет фактической информации (определений понятий, формулировок физических законов, математических формул, данных статистических таблиц и пр.), необходимой для решения задач;

• использование учащимися экспертных компьютерных систем для поиска решения задачи;

• использование учащимся инструментальных программ Excel, Maple, Mathcad и др. для выполнения отдельных операций по поиску решения задач (например, решение системы уравнений, перевод единиц измерения в другую метрическую систему, выполнение расчетов и пр.).

Проверка решения

• анализ образца решения задачи, представленного в ЦОР;

• обращение к экспертной компьютерной системе;

• просмотр видеофрагмента натурного опыта, документального или художественного фильма, иллюстрирующего реальный физический эффект, который необходимо было предсказать при решении задачи;

• выполнение модельного компьютерного эксперимента, который демонстрирует ожидаемый по результату решения задачи эффект;

• использование программ MS Excel Maple, Mathcad и др. для проверки точности расчетов, для моделирования решения обратной задачи и (или) частных случаев решения (проверка реальности следствия).

Как видно из приведенных примеров новые информационные технологии позволяют поднять процесс обучения учащихся решению физических задач на принципиально иной качественный уровень. В сложившихся условиях должны быть определены новые ориентиры подготовки будущих учителей физики. Является необходимым формирование у студентов педагогических вузов специальной профессиональной компетентности, характеризующей их готовность к обучению школьников современным ИКТ-методам решения физических задач и эффективному применению наряду с традиционными средствами обучения новых информационных средств и технологий

формирования у учащихся учебных умений и навыков. Важным является овладение будущими учителями и новых организационных форм построения учебного процесса.

Конечная цель подготовки специалистов нового поколения - обеспечение устойчивых изменений в профессиональной деятельности педагогов, выраженных в систематическом и эффективном использовании средств ИКТ в обучающей практике.

Библиографический список

1. Оспенникова, Е.В. Обновление системы учебных объектов среды обучения в условиях информатизации образования и проблема организации познавательной деятельности школьников в новой информационной среде [Текст] / Е.В. Оспенникова, А.В. Худякова // Вестник ПГПУ. Серия «ИКТ в образовании». - 2005. - Вып. 1. - С. 50 - 67.

2. Талызина Н.Ф. Педагогическая психология: Учеб. пособие для студ. сред. пед. учеб. заведений [Текст] / Н.Ф. Талызина. - М.: Издательский центр "Академия", 1998. - 288 с.

3. Усова А.В. Проблемы теории и практики обучения в современной школе: Избранное [Текст] / А.В. Усова. - Челябинск: Изд-во ЧГПУ, 2000.- 221 с.

Bibliography

1. Ospennikova E.V. Renewing the System of Teaching-Learning Environment Objects in Context of IT Educational Reform and the Problem of Pupils Cognitive Activity Managing in New Informational Environment. [Text] / E.V. Ospennikova, A.V. Khudyakova //Bulletin of PGPU. "IT in Education" Series. - 2005 - Vol. 1. - P. 50-67.

2. Talyzina N.F. Pedagogical Psychology: Textbook for Students of Teacher-Training Colleges [Text] / N.F. Talizina. - Moscow: "Academy" Publishing Center, 1998. -288 p.

3. Usova A.V. Education Theory and Practice of Education in Contemporary Schools. [Text] / A.V. Usova. - Chelyabinsk: ChSPU Publishing House, 2000. -221p.