Современные компьютерные технологии в учебном эксперименте по физике

А.В. Ельцов, И.А. Захаркин

СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В УЧЕБНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПО ФИЗИКЕ

Уровень развития и использования современных технологий в разных странах тесно связан с уровнем развития образования и является сегодня показателем не только экономического потенциала, но и качества жизни населения этих стран. В настоящее время в большинстве государств информационные и коммуникационные технологии считаются основными в процессе повышения качества образования, прилагаются огромные усилия к модернизации системы образования на основе данных технологий. Это происходит путем внесения соответствующих изменений в учебные курсы, расширением содержания преподаваемых дисциплин и обучением новым практическим навыкам. Человек сегодня нуждается не только в новых практических навыках и теоретических знаниях, но и в способности постоянно совершенствовать эти знания и навыки, которые должны способствовать активизации интеллекта, формированию творческих и умственных способностей, развитию целостного мировоззрения личности, позволяющего ей занять прочное положение в информационном обществе. Ошибочно было бы считать, что применение новых информационных и коммуникационных технологий автоматически повысит качество образования само по себе. Для эффективного их использования педагогам-методистам необходимо исследовать и активно внедрять психологию, дидактику и этику компьютерного обучения. Новый уровень грамотности требует создания принципиально новой технологии приобретения научных знаний, новых педагогических подходов к преподаванию и усвоению знаний, модернизации методик преподавания.

Физика активно участвует в информатизации общества, закладывая основы в разработку современных устройств микроэлектроники, в использование цифровых принципов вычислений, создание новейших средств связи и пр. Проблема преподавания физики в школе состоит во многих случаях в том, что учителю не удается донести до ученика важность знания данного предмета в современном обществе. Возможно поэтому в мире и в России происходит снижение интереса молодежи к физике, что может привести к технологическому кризису. Для решения данной проблемы начиная с 2000 года Европейская организация ядерных исследований (CERN), Европейское космическое агентство (ESA), Европейская южная обсерватория (ESO) приступили к осуществлению совместного проекта по популяризации физики. Этот проект будет реализован в 22 странах под руководством созданных национальных комитетов этой программы. В рамках сотрудничества со средствами массовой информации будут выявляться наиболее эффективные методы популяризации физики [6].

Некоторые педагоги и психологи высказывают серьезное опасение, что в отличие от естественного процесса интериоризации знаний как источника развития личности широкое применение компьютеров в образовании вызовет обратную тенденцию, а именно: экстериоризацию знания, ставшего товаром для продажи, обмена, хранения и потребления, и в конечном счете приведет к глубокому кризису гуманистического характера обучения. Дегуманизацию образования вызывает и то обстоятельство, что внедрение компьютеров в учебный процесс происходит гораздо медленнее, чем в сферы бизнеса, маркетинга, технологий и пр. В силу этого увеличивается разрыв между технической культурой и гуманистической культурой образовательных учреждений [8. С. 239].

В связи с вышесказанным, стратегия развития физического образования в нашей стране должна быть ориентирована на усиление общеобразовательного значения школьного курса физики с учетом общенаучных, культурологических и гуманитарных аспек-

тов. На уроках необходимо проводить такие экспериментальные исследования, которые одновременно позволяли бы учащимся вникать в суть рассматриваемых физических явлений, процессов и законов и иллюстрировали бы возможность использования исследуемых зависимостей в процессе взаимодействия человека с окружающим миром.

В настоящее время существует тенденция повсеместного замещения печатных материалов высокоуровневыми электронными информационными технологиями, появляются такие средства и формы обучения, как электронные учебники и пособия, электронные энциклопедии и справочники, автоматизированные учебно-методические комплексы, обучающие и экспертные системы, компьютерные тестовые и экзаменационные материалы. В обучении активно используются различные сетевые ресурсы, электронная почта, Интернет, проводятся электронные семинары, интерактивные дискуссии, видеоконференции, форумы, чаты и пр.

Успех применения компьютерных средств в обучении прежде всего связан с тем, что они позволяют моделировать некоторые функции человеческого мозга благодаря чему осуществляется ввод информации, ее фильтрация, кодирование, запоминание, хранение в памяти, извлечение, обработка, передача и предъявление в удобном виде, что способствует расширению возможностей в преподавании отдельных дисциплин, и физики в частности.

Научно-методические проблемы использования персональных компьютеров в обучении физике разрабатывались Л.И. Анциферовым, Э.В. Бурсианом, И.Б. Горбуновой, Ю.И. Диком, В.А. Извозчиковым, С.Е. Каменецким, А.С. Кондратьевым, В.В. Лаптевым, А.В. Смирновым, Т.Н. Шамало и др.

Анализ форм и методов применения компьютерных технологий при обучении физике позволил выделить пять основных направлений их использования в школьном эксперименте.

Первое направление связано с проведением расчетов для обработки различных результатов, полученных в ходе эксперимента. Такой способ методически целесообразен в тех случаях, когда от учащегося требуется расчет величин с большой точностью по сложным математическим выражениям со многими переменными. Оправдан он также в тех случаях, когда необходимо многократное повторение расчетов по одним и тем же формулам. В этом случае учащиеся освобождаются от проведения рутинных операций, не требующих умственного напряжения, представляющих собой подстановку данных. Ввод данных производится либо вручную экспериментатором по запросу программы, либо при обращении компьютера к уже имеющимся базам данных, для чего требуется знание определенных языков программирования. Данное направление отражено в публикациях В.П. Дьяконова. Р.Б. Салихова, Ч.Х. Сагитовой, Е.А. Свириденко, Г.П. Стародубцевой и др.

Второе направление определяется применением тестовых и контролирующих программ при проведении различных учебных экспериментов. Это может быть выбор одного или нескольких правильных вариантов экспериментальных установок для демонстрации изучаемого явления, заполнение недостающих фрагментов записи исследуемой экспериментальной зависимости, установка соответствующих связей между измеряемыми величинами и единицами их измерения, конструирование электрических схем и опытных установок из имеющихся элементов, определение верной последовательности выполнения эксперимента, разделение физических лабораторных приборов на группы и пр. Данные технологии полезны при осуществлении самоконтроля, они делают процесс обучения более индивидуальным, знакомят учащихся с различными тестовыми оболочками, широко внедряющимися сегодня в образовании с целью осуществления мониторинга качества знаний. В этом направлении работают Ю.А. Гороховатский, Д.Э. Темнов, В.В. Касинский, В.С. Ким, С.К. Стафеев, О.Н. Фалалеева, Н.А. Яковенко и др.

В отдельную группу, составляющую третье направление, можно выделить программы-тренажеры, необходимые для формирования устойчивых экспериментальных навыков по правильному подключению измерительных приборов, выделению участков цепи с последовательным и параллельным соединением проводников, определению графика соответствующего газового закона, построению хода лучей в различных оптических приборах и т.д. Варьирование условий позволяет обучаемым выделять в рассматриваемых моделях существенные признаки, характеризующие изучаемый процесс, и абстрагироваться от несущественных, не влияющих на достижение верного результата. Это направление исследуют Д.В. Баяндин, С.В. Дубасов, А.Ф. Кавтрев, К.П. Колинько,

Н.Н. Медведева, К.Н. Нищев, Д.Ю. Соловьев и др.

В основу четвертого направления положено компьютерное моделирование учебного эксперимента. Компьютерное моделирование может быть численным, графическим и имитационным.

Для осуществления численного моделирования не требуется сходства физической природы изучаемых явлений и исследуемых моделей, необходима лишь возможность сходства их описания с помощью математических уравнений. Данная модель включает не только уравнения, описывающие поведение объекта, но и дополнительные условия, устанавливающие границы их применения, определяемые в зависимости от точности, предъявляемой к расчетам. Вначале проводится тщательное осмысление исследуемого явления, выделяются факторы, которые необходимо учитывать, определяются начальные и граничные условия. В дальнейшем изучаемая модель записывается в виде математических дифференциальных уравнений, составляется алгоритм решения поставленной задачи, по которому реализуется соответствующая компьютерная программа. Полученные результаты сравниваются при возможности с результатами натурного эксперимента, который позволяет оценить качество созданной математической модели и сделать выводы о ее уточнении или изменении. Например, при изучении падения тел классическая физика Ньютона не учитывает зависимость ускорения свободного падения от расстояния до центра Земли, форму тела, сопротивление воздуха и пр. В итоге реальный результат, полученный в ходе натурного эксперимента, отличается от расчетного по законам классической механики. Уточненная математическая компьютерная модель позволяет учесть вышеперечисленные факторы, вновь сравнить полученные результаты и сделать выводы. В последнее время появилось множество программных продуктов, представляющих собой готовые численные модели физических явлений и экспериментов (расчет силовых линий в различных электрических и магнитных полях, траектории движения тел, брошенных под углом к горизонту и т.д.). Учебным задачам численного моделирования посвящены исследования Э.В. Бурсиана, А.А. Богуславского, В.В. Глаз-кова, И.В. Локтионовой, С.В. Поршнева, С.Е. Попова, С.В. Трубникова и др.

Графическое моделирование предполагает наличие на экране монитора различных рисованных объектов, оно может быть статическим и анимационным. Статические компьютерные слайды используют для иллюстрации различных схем опытов, графиков экспериментальных зависимостей, демонстрации картин силовых линий полей, различных зон проводимости, результатов, оформленных в виде таблиц и диаграмм, экспериментальных установок, демонстрация которых не может быть осуществлена в ходе обучения по ряду причин. Таковыми причинами могут быть соображения техники безопасности, цена используемого оборудования, его размеры, сложность в эксплуатации и пр. Иногда постановка лабораторных работ с реальными приборами невозможна из-за их отсутствия и недоступности. Программный пакет Electronics Workbench (EWB) - лаборатория в компьютере позволяет, пользуясь только одной «мышью», составлять изучаемые схемы на экране монитора, подключая различные виртуальные приборы. При оперативном изменении параметров исследуемой схемы показания измерительных графи-

ческих приборов меняются, фиксируются обучаемыми и используются ими для проведения дополнительных исследований. Анимационное динамическое моделирование применяется чаще всего для раскрытия механизмов изучаемых процессов, позволяет проникнуть внутрь явлений, увидеть невидимые частицы и объекты, проследить за их движением и динамикой. Появилась возможность управлять скоростью предъявления демонстраций, использовать различные способы (звук, цвет, форма, пульсация) для усиления воздействия на обучаемого, варьировать начальные условия эксперимента и изменять их временной масштабл. Многоплановое представление информации, включая трехмерную графику высокого разрешения с реалистичной цветовой палитрой, «живое», анимированное изображение позволили поднять презентабельность данных компьютерных моделей на более высокий качественный уровень. Мультимедийные сборники «Гравитация: развитие взглядов от И. Ньютона до А. Эйнштейна» и «Электрические и магнитные поля: мир или физическая реальность?» содержат сотни оригинальных компьютерных экспериментов, иллюстрирующих ключевые для понимания темы явления природы, трудновоспроизводимых в реальных условиях, и ряд видеоклипов с записями натурных экспериментов и лабораторных работ. Рассматриваемые материалы разнообразны по форме и сложности, они могут заинтересовать различные категории учащихся, от наиболее успевающих до отстающих. С помощью них учащиеся могут приобщиться к проведению современных исследований или великих опытов прошлого. Использование техники анимации для своеобразного изображения реального мира развивает наблюдательность, способность выделять причинно-следственные связи развивающихся во времени событий. Эти аспекты моделирования отражены в работах М.В. Абу-тина, В.Н. Александрова, Н.Н. Гомулиной, В.В. Деревянкиной, Т.В. Ильясовой, А.И. Илющенко, В.Е. Коробова, Н.П. Калистратовой, В.В. Монахова, А.И. Назарова, В.В. Панченко, В.В. Ребро, Г.Н. Степановой, А.И. Скворцова, А.С. Чирцова, А.И. Фишман и др.

Имитационное моделирование основано на использовании статистического, вероятностного подхода к рассматриваемым объектам. Примером имитационного моделирования является диффузия молекул в газе, броуновское движение, рассеяние частиц в опыте Резерфорда, прохождение частиц через вещество и пр. [3]. Отличительной чертой данного вида является его недетерминированность, то есть при одних и тех же начальных условиях и значениях переменных моделируемая система может принимать различные значения. На невозможность детального и наглядного моделирования процессов, связанных с участием микрочастиц, указывал в своих лекциях Р. Фейнман: «...В конце концов мы приходим к следующему заключению: электроны приходят порциями, подобно частицам, а вероятность прибытия этих порций распределена так же, как и интенсивность волн. Именно в этом смысле электрон и ведет себя частично как частица, а частично как волна» [7. С. 207]. С позиции наглядности это позволяет показать лишь финальную картину физических явлений и отдельных особенностей их протекания. Этим вопросам уделяют внимание Н.П. Дымченко, А.В. Богатырев, А.М. Толстик и др.

Пятое направление связано с автоматизацией учебного физического эксперимента на основе использования аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования. Аналого-цифровые преобразователи необходимы для сбора данных в ходе эксперимента, на их входы подаются электрические аналоговые сигналы либо непосредственно с экспериментальной учебной установки, либо снятые со специальных датчиков, преобразующих различные измеряемые величины (давление, скорость, влажность, температура и пр.) в электрические. Цифроаналоговые преобразователи предназначены для управления экспериментом. Аналоговые электрические сигналы, снятые с их выходов, поступают на специальные устройства, следящие за ходом исследуемого процесса. В последние годы отечественная промышленность выпускает самые разнообразные датчики, что сущест-

венно облегчает проведение автоматизированного учебного эксперимента. Благодаря наличию определенных узлов и блоков компьютер может выполнять функции различных приборов, таких, как осциллограф, генератор, таймер, цифровой измеритель, что делает его использование экономически выгодным [6]. Автоматизация учебного эксперимента существенно изменяет методику формирования знаний и умений учащихся. Экономится время на проведение измерений, больше времени остается на анализ полученных результатов, сокращается путь от выдвижения гипотезы до ее проверки, шире учитываются индивидуальные особенности учащихся, наиболее подготовленные из которых могут участвовать в проведении подлинно научных творческих исследований. Применяя данные аппаратные средства на уроках физики, школьник научится пользоваться компьютерной техникой как необходимым инструментом учебной и практической деятельности, что позволит проводить в рамках программного материала эксперименты, принципиально неосуществимые в традиционных условиях. Высокая точность измерений, исследование быстропротекающих и медленнопротекающих процессов в реальном масштабе времени позволяет говорить о качественно новом этапе в развитии натурного эксперимента. Автоматизацией учебного физического эксперимента занимаются С.А. Богданов, Ю.А. Воронин, А.М. Коротков, О.А. Поваляев, С.В. Хоменко, А.В. Чарушин, Р.М. Чудинский, М.Л. Ярошевский и др.

Эффективность применения данных компьютерных технологий зависит от качества применяемых программных продуктов. Они должны содержать тщательно спроектированные указания и точно представлять набор действий и операций, которые должны выполнять учащиеся. Осуществляя диалоговый режим работы с компьютером, обучаемый при необходимости должен получить своевременную квалифицированную помощь, корректирующую его деятельность [4]. Наиболее распространенными продуктами, выпускаемыми отечественной промышленностью, являются «Физика в картинках» и «Открытая физика» (ООО «Физикон»), мультимедийное учебное пособие нового образца «Физика» и серия электронных учебных пособий «Электронные уроки и тесты» (ЗАО «Просвещение-МЕДИА»), «Физика в анимациях» (ООО «Силтек»), «Библиотека лабораторных работ по физике» 7-11 кл. и «Библиотека электронных наглядных пособий» («Дрофа»), «Школьный физический эксперимент. Сборник демонстрационных опытов» («СГУ ТВ»).

Широкие возможности поиска необходимой учебной информации имеются в сети Интернет, где можно найти новые интересные демонстрационные опыты, результаты экспериментальных исследований, полученные в современных научно-исследовательских лабораториях, данные с метрологических комплексов, дидактические материалы, разработанные в других учебных учреждениях, различную справочную информацию и пр. Благодаря наличию образовательных платформ и порталов имеется возможность совместного проведения экспериментов с использованием уникального лабораторного оборудования и обсуждения их результатов как на общероссийском, так и международном уровне.

Важно, чтобы обучаемый научился самостоятельно приобретать знания, пользуясь разнообразными источниками информации, умел с этой информацией работать, обращаясь к различным способам познавательной деятельности. Сама познавательная деятельность не должна ограничиваться приобретением знаний. Необходимо предусматривать их активное применение для решения разнообразных реальных проблем. Организация такой самостоятельной работы предполагает использование новейших педагогических технологий, адекватных специфике развивающего обучения, стимулирующих раскрытие внутренних резервов каждого ученика и одновременно способствующих формированию социально значимых качеств личности. В этом отношении обучение в условиях сотрудничества оказывается наиболее благоприятным.

Моделирующая активная обучающая среда «Виртуальная физика» охватывает основные разделы курса, содержит около 50 конструкторов, 300 виртуальных лабораторных работ, 500 двумерных и трехмерных анимированных образов, в основе практикума лежат манипуляции пользователя с имеющимися компьютерными моделями [1].

Компьютерная поддержка не должна заменять натурного эксперимента. В школе при изучении экспериментальных наук нужно иметь дело не только с моделями явлений, а прежде всего с самими явлениями и на этой основе обучать школьников моделированию как методу познания. По мнению В.Г. Разумовского, «преподавание физики, в котором эксперимент не составляет основы всего изложения, должно быть признано не только бесполезным, но и вредным» [5].

Оснащенность средствами обучения, на основе которых планируется осуществлять тот или иной курс, оказывает непосредственное влияние на содержание и структурирование материала. Если проектировщик курса предполагает, что обучение будет строиться только на основе компьютерных технологий, он никогда не добьется поставленных задач. Применение компьютерных технологий целесообразно только совместно с другими средствами обучения, не отрицая, а дополняя их. Не следует забывать, что ведущее место на занятии независимо от используемых технологий занимает преподаватель, управляющий процессом обучения.

Повышение квалификации учителей по использованию современных компьютерных технологий в практике школьного обучения является сегодня одной из важнейших задач. Без целенаправленной подготовки педагогов усилия и средства, вкладываемые в создание электронных учебных изданий и техническое оснащение школ, не принесут должной отдачи. Педагог должен обладать соответствующей квалификацией по использованию прикладных программ, иметь представление о содержании имеющихся электронных учебных изданий по предмету, владеть методикой организации учебной деятельности.

Стремительное развитие информационных и коммуникационных технологий, их проникновение в систему образования на всех существующих уровнях все в большей степени убеждают нас в том, что сами по себе эти технологии не в состоянии решить главной задачи образовательного процесса - повышения качества образования. Для этого необходимы новые методические и учебные материалы, широкий информационный обмен в сфере использования информационных и коммуникационных технологий в учебном процессе, масштабная подготовка и переподготовка преподавателей всех уровней системы образования. Необходима организация курсов, которые позволят работникам образования повысить свою информационную компетентность до уровня, соответствующего требованиям современной школы. Кроме того, использование компьютера в учебном эксперименте может быть успешным только при наличии у педагога мотивации применения компьютерных технологий в преподавании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баяндин, Д.В. Моделирующая активная обучающая среда «Виртуальная физика» // Проблемы учебного физического эксперимента : сб. науч. тр. / ИОСО РАО. - М., 2001. - Вып. 11. - С. 67-70.

2. Гулд, Х. Компьютерное моделирование в физике / Х. Гулд, Я. Тобочник : в 2 ч. : пер. с англ. -М. : Мир, 1990. - 400 с.

3. Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе : учеб. пособие для студентов высш. пед. учеб. заведений / С.Е. Каменецкий [и др.]. - М. : Академия, 2002. - 304 с.

4. Разумовский, В.Г. Проблемы общего образования школьников и качество обучения физике // Педагогика.- М., 2000. - № 8. - С. 12-15.

5. Современный учебный физический эксперимент : учебное пособие / под ред. Ю.А. Воронина. - Воронеж : Изд-во Воронеж. Гос. Пед. ун-та, 1999. - 295 с.

6. Федорова, А. Физики больше не шутят // Поиск : еженедельная газета научного сообщества. -2000. - № 12. - С. 16.

7. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике / Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. - Вып. 3 : Излучение. Волны. Кванты. - М. : Мир, 1967. - 238 с.

8. Физическое образование в XXI веке, Москва, 28-30 июня 2000 г. : тез. докл. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 2000. - 426 с.