Применение ИКТ в организации самостоятельной учебной деятельности студентов по физике

^--- МЕТОДИКА И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ РЕСУРСОВ

и ИНСТРУМЕНТОВ В ОБУЧЕНИИ

УДК 378. 147

М.Е.Белобородова

ПРИМЕНЕНИЕ ИКТ В ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ ПО ФИЗИКЕ

Ключевые слова: высшее профессиональное образование, методика

обучения физике, самостоятельная работа студентов, информационнокоммуникационные технологии обучения.

Обсуждаются новые подходы к организации самостоятельной учебной деятельности студентов во время аудиторных и внеаудиторных занятий. Рассматривается применение ИКТ-технологий обучения на двух уровнях образования: в средней школе -с помощью электронного учебника, в вузе - на основе создания электронного учебнометодического комплекса по дисциплине.

Образование является процессом информационным, так как овладение знаниями, развитие умений и навыков в значительной степени определяется процедурами поиска, передачи, накопления, преобразования и отображения информации.

В современных условиях образование рассматривается не только как овладение учащимися необходимым объемом знаний, но и как развитие у них в процессе обучения потребностей и способностей к самостоятельному получению все новых общих и профессиональных знаний и умений, пользуясь при этом различными источниками информации. Использование компьютера для поиска информации учебного назначения, ее обработки, трансформации позволяет сделать этот процесс оптимальным и эффективным.

Рассмотрим применение информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в организации учебного процесса по физике на двух уровнях образования: общее среднее образование и высшее профессиональное.

При рассмотрении вопроса использования ИКТ-технологий при изучении физики в средней школе будем опираться на материалы пособия «Информатизация общего среднего образования», подготовленного под общей редакцией Д.Ш. Матроса [3]. Многие идеи, предложенные авторами данного пособия, могут быть перенесены в образовательный процесс высшей школы.

В монографии представлена структурно-целевая модель содержания образования, представляющая собой совокупность взаимосвязанных структурных единиц.

© Белобородова М.Е., 2010

Рассмотрим применение этой модели к электронному учебнику как средству для организации самостоятельной учебной деятельности обучаемых.

Электронная модель учебника должна: 1) содержать все основные базисные

предложения учебника (рабочей программы); 2) служить основанием для автоматического расчета основных параметров учебника; 3) содержать такое количество информации, чтобы можно было достаточно технологично построить полную и валидную систему контроля по каждой единице процесса обучения и содержания образования.

В соответствии с этими требованиями учебник, предложенный авторами, представлен в компьютере в виде структурных формул, которые строятся следующим образом. В тексте учебника выделены структурные единицы, например понятия, задачи, вопросы, гипотезы, теоремы и т.д. Каждая структурная единица обозначается некоторой фигурой. Внутри указывается ее название (рис 1).

Главы и параграфы электронного учебника полностью совпадают с традиционным учебником, но в отличие от него: 1) с помощью электронного учебника возможно не только получение информации, выполнение практических и лабораторных заданий, но и контроль учебных достижений; 2) интерактивность, с помощью которой обеспечивается резкое расширение сектора самостоятельной работы за счет использования активно-деятельностных форм обучения; 3) возможность удаленного (дистанционного) полноценного обучения. [4].

Каждая структурная единица учебного материала получает свой номер, состоящий из трех чисел, разделенных точками. Первое число - номер главы, второе число - номер параграфа, третье - порядковый номер структурной единицы внутри параграфа. Например, структурная единица - тепловое движение - 1.1.3. - находится в первой главе, в первом параграфе, третьей по счету за структурными единицами - температурой (1.1.1) и зависимостью скорости движения частиц тела от температуры (1.1.2.) (рис.2).

Затем устанавливаются связи между структурными единицами. Если связь имеет место в пределах одного параграфа, то она указывается линией, состоящей из горизонтальных и вертикальных отрезков, от ранее вводимой структурной единицы к более поздней.

Электронные учебники

Файл Правка Закладка Параметры Справка

Содержание / Назад Печать

Типы структурных единиц

._________и 1. Основные понятия

/--------7

2. Прибор, его применение

3. Задача, эксперимент, опыт

4. Упражнения, вопросы, лабораторные работы

5. Модель

7. Алгоритм

8. Пример

ш

ПуСК И Информатизац... £Г Сервер прилож... Г Щ Электронные у... ^ Электронные у...

Рис. 1

Если связь имеет место между структурными единицами из различных параграфов, то она указывается в виде ссылок. Например, рядом со структурной единицей 1.1.3. (первая

глава, первый параграф, третья структурная единица - тепловое движение), стоит ссылка 1.2.2. (рис 3), что указывает на вторую структурную единицу - превращение одного вида энергии в другой, находящуюся в первой главе, во втором параграфе. Соответственно, легко перейти от одной структурной единицы к другой, увидеть связь между ними.

||У Электронные учебники - Физика 8 пата

Учебники Структурные единицы ? | %| Мониторинг по параграфу [ %| Мониторинг по учебнику

1. Тепловое движение. Температура.

а т) Глава I. Тепловые явления.

Д §2. Внутренняя энергия.

Д §3. Способы изменения внутренней энергии тела.

Д §4. Теплопроводность.

Д §5. Конвекция.

Д §6. Излучение.

Д §7. Количество теплоты. Единицы количества теплоты.

Д §8. Удельная теплоемкость.

Д §9. Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при нагревании. Л §10. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания.

§11. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Д Обобщение главы "Тепловые явления."

ТЙ Глава II. Изменение агрегатных состояний вещества.

Т) Глава III. Электрические явления.

ТО Глава IV. Электромагнитные явления.

ТЙ Глава V. Световые явления.

і і пуск И информатизац... Сервер прилож..,, [К| Электронные у...

Ш- 15:44

Рис. 2

3 Электронные учебники - Физика 8

Учебники Структурные единицы Г%1 Мониторинг по параграфу

ПИИ

ПСвернуть В ОКНОІ

| %| Мониторинг по учебнику

в т) Глава I. Тепловые явления.

Л § 1. Тепловое движение. Температура.

-внв

Д §3. Способы изменения внутренней энергии тела.

Д §4. Теплопроводность.

Д §5. Конвекция.

§6. Излучение.

Д §7. Количество теплоты. Единицы количества теплоты.

Д §8. Удельная теплоемкость.

Д §9. Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при нагревании. §10. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания.

§11. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Д Обобщение главы "Тепловые явления."

Ф ТЙ Глава И. Изменение агрегатных состояний вещества, а Т) Г лава III. Электрические явления, в Т) Глава IV. Электромагнитные явления, а ТЙ Г лава V. Световые явления.

'• ПУСК Информатизац... 2)С Сервер прилож... [К]Электронные у...

Рис. 3

Для того чтобы посмотреть, какие структурные единицы составляют каждый параграф, достаточно нажать кнопку - структурные единицы, и набор их для каждого параграфа может быть определен. Например, структурные единицы параграфа «Способы изменения внутренней энергии тела» появились на экране (рис. 4, 5).

Структурные единицы делятся на входящие, на основе которых строится изложение данной структурной единицы, и выходящие, которые необходимы для введения последующих структурных единиц.

Структурные единицы, введенные в параграфе, являются содержательными, чем существенно отличаются от структурных единиц предыдущих параграфов, которые были целевыми.

Электронный учебник, предложенный автором и его коллегами, позволяет учащимся работать самостоятельно с текстом, отвечать на вопросы, наблюдать за демонстрациями, выполнять примеры и лабораторные работы. Значит, учащийся может работать с электронным учебником автономно и развивать свою образовательную траекторию при изучении данной дисциплины.

Такое структурирование учебного материала, зафиксированного в электронном учебнике, могло бы помочь и первокурсникам при изучении учебных дисциплин в вузе. Большой объем информации, который предъявляется для изучения начинающим студентам, необходимо разбить на подобные структурные единицы, выделив основные понятия, законы, теоремы, теории и т.д. Тем самым мы сможем сосредоточить внимание студентов на главном. К тому же при изучении той или иной темы можно указать не только входящие и выходящие связи в пределах темы, а также связи с другими темами в рамках учебной дисциплины и междисциплинарные связи.

I

£| Электронные учебники - Физика 8

Структурные единицы

Г%1

Т)Г;

I..А

!..А

I..А

\..А

!..А

1. Изменение внутренней энергии тела с изменением температуры.

2. Изменение внутренней энергии тела в процессе механической работы.

3. Изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи.

4. Теплопередача.

5. Условия протекания процесса теплопередачи.

6. Способы изменения внутренней энергии тела.

7. Способы теплопередачи.

8. Вопросы после параграфа.

9. Экспериментальное задание №1.

Л §7. Количество теплоты. Единицы количества теплоты.

Д §8. Удельная теплоемкость.

Д §9. Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемс Л) §10. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания.

§11. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процесс Д Обобщение главы "Тепловые явления."

Ф ТЙ Глава II. Изменение агрегатных состояний вещества, а т| Глава III. Электрические явления, а Глава IV. Электромагнитные явления, а 'Ц Глава V. Световые явления.

Информатизац... £1 Сервер прилож... [ЙТ| Электронные у...

Рис. 4

Реализовать эту задачу можно путем создания электронных учебно-методических комплексов (ЭУМК). ЭУМК активно внедряются в системах открытого и дистанционного обучения, а также в традиционных очных формах. Цели применения ЭУМК различны: для обеспечения самостоятельной работы обучаемых по овладению новым материалом, реализации дифференцированного подхода к организации учебной деятельности, контроля качества обучения.

Электронный учебный комплекс представляет собой сложную дидактическую систему и включает в себя следующие функциональные блоки: информационносодержательный, контрольно-коммуникативный, коррекционно-обобщающий.

Электронные учебники

Файл Правка Закладка Содержание|

Параметры Справка

Назад

Печать

Структура учебника

На рисунке дан параграф «Закон электромагнитной индукции» первой главы «Электромагнитная индукция» из учебника Б.Б. Буховцева «Физика -11». Структурная единица «Закон электромагнитной индукции» имеет порядковый номер 4, а полный 1.4.4.

При изложении закона электромагнитной индукции (структурная единица 4) необходимо использовать ЭДС индукции и закон Ома для замкнутой цели из этого параграфа (структурные единицы 2 и 3 соответственно). Поэтому на рисунке 1 в структурную единицу 4 входят линии из структурных единиц 2 и 3. Далее, при изложении закона электромагнитной индукции используются структурные единицы 1.1.1,1.1.3,1.2.1,1.3.5, а этот закон используется при изложении структурных единиц 1.5.1,1.6.3,1.8.5,3.24.3,3.24.5.

§4. Закон электромагнитной индукции

Входящие |

Выходящие)

пуск Информатизац...

I Сервер прилож... I щЭлектронные у... ^ Электронные у...

Рис. 5

Информационно-содержательный блок включает в себя два подблока.

Информационный:

• общие сведения об изучаемом курсе или конкретной теме;

• сроки изучения данного курса (темы);

• график прохождения тем и разделов по данной учебной дисциплине;

• формы и время отчетности;

• график проведения практических и семинарских занятий с использованием современных средств коммуникации;

• график консультаций.

Содержательный:

• учебные планы, учебные и рабочие программы;

• учебники, сборники задач, учебные пособия, методические рекомендации, справочники, энциклопедии, хрестоматии;

• развернутые планы семинаров;

• список основной и дополнительной литературы, включающий также гиперссылки на ресурсы электронной библиотеки и образовательного \¥еЪ - сервера учебного заведения, материалы Мете!;

• список тем творческих работ по дисциплине;

• методические рекомендации по работе с электронными материалами.

Информация, относящаяся к информационно-содержательному блоку, может быть

представлена как на компакт-дисках, так и на сервере сети учебного заведения.

Контрольно-коммуникативный блок включает в себя:

• системы тестирования с реализацией обратной связи для определения уровня начальной подготовки обучаемого, промежуточного и итогового контроля;

• вопросы для текущего самоконтроля;

• вопросы к зачетам и экзаменам;

• критерии оценивания.

Для самоконтроля и текущего контроля могут быть использованы контролирующие программы с обратной связью, интегрированные в основной теоретический и практический материал и доступные обучаемому в любое удобное для него время. В этом случае интеграция будет обеспечивать реализацию индивидуальной образовательной траектории в зависимости от результатов текущего контроля качества обучения.

В коррекционно-обобщающий блок (результаты

педагогического мониторинга образовательного процесса) входят: итоговые результаты учебной работы обучающихся, диагностика учебно-познавательной деятельности; анализ результатов различных видов контроля. Из этих данных в образовательном учреждении может быть сформирована база данных, включающая информацию о каждом обучаемом [1, 2].

Рассмотрим этапы самостоятельной учебной деятельности студентов с помощью материалов, представленных в электронном виде. Самостоятельная работа всегда начинается с проработки теоретического материала (рис. 6).

І& Документі - Microsoft Word

: Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Таблица Окно Справка

; Л Л А ^ д|У&1 .. а./1-0-  ч & Д 4) I юо%

Введите вопрос

- Л чтение 11 ю г ж к 1

їв'

1.1.

Колебания и их основные типы

Колебания - движения или процессы, характеризующиеся определенной повторяемостью во времени.

По характеру физических процессов различают механические, электромагнитные, электромеханические и другие колебания.

По характеру зависимости от времени, колебания подразделяют на периодические и непериодические. Периодические колебания (рис. 1.1, а - в) характеризуются функциями/©, обладающими теми свойствами, что при любом С

1(1+1) =т

где£- период колебаний.

Частный случай периодических колебаний - гармонические колебания (рис. 1.1, в).

Период колебаний - наименьший промежуток времени, через который повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебательное движение.

Частота периодических колебаний - число полных колебаний, совершаемых в единицу времени:

£=4- О1)

т

Единица частоты - герц

По способу возбуждения различают:

свободные (или собственные) колебания - колебания, происходящие за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему;

вынужденные колебания - колебания, происходящие при периодическом внешнем воздействии;

параметрические колебания - колебания, происходящие при периодическом изменении за счет внешнего воздействия какого-то параметра колебательной системы;

автоколебания - незатухающие колебания, возникающие и поддерживаемые в диссипативной системе за счет постоянного внешнего источника энергии.

| = а [в] -,ът< >

Стр. 1 Разд 1 1/1 На 9,5см Ст 18 Кол 34 ЗАП ИСГР ВДЛ 5 М русский (Ро ©

| 'і пуск Информатизац... б| колебания и во... | Документі - Мі... Э Adobe Reader С... MARINA (Е:) Rl*j3 13:03 |

Рис. 6

Затем обучающемуся предлагается ответить на вопросы. По результатам ответов осуществляется проверка того, насколько он хорошо разобрался в учебном материале (рис.

7).

Теоретический материал, изучаемый в физике, необходим для последующего решения задач. Если обучаемый испытывает в этом затруднения, то он всегда может обратиться к примерам решения задач с полным объяснением (рис. 8).

После просмотра примеров решения задач учащийся может приступать к выполнению контрольных работ и тестов (рис. 10).

Результаты тестирования сообщаются обучающемуся сразу. Для исправления результата по тестированию можно еще раз подумать и ответить на вопросы, на которые были даны неправильные ответы (рис. 11).

: Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Таблица Окно Справка Введите вопрос » х

: ЕЗШа-іЗіаШУЗАІ ЗУ1-0- - £ JlG34>J,ioo% ч[ж]* |[Щи і •= д т і

И • 1 1 • Щ • 1 • 1 • 1 • 2 • 1 • з • ' • 4 • 1 • 5 • 1 • 6 • 1  7  1 ~8 • 1 • 9 • 1 • 10 • і  11   • 12 •   13 •  • 14 •   15 • і • 16 • Д  17 •  • т1

Вопросы для самопроверки

- 1. По каким признакам различают колебания?

2. Возможен ли единый подход при изучении колебаний различной физической природы?

3. Являются ли периодические колебания - гармониче скими? Гармонические - периодическими?

:

( 5. Точка совершает гармоническое колебание, описываемое уравнением* = 2 С08 8я2Ч . Чему период,

(Y) V У циклическая частота и амплитуда колебаний?

б. Запишете формулы, прокомментировав их, для кине тической, потенциальной и полной энергии гармонического

колебания.

гг 7. Что такое гармонический осциллятор? Каковы его характеристики?

8. Что такое пружинный, математический и физический маятники? Каковы периоды их колебаний?

7 9. Как относятся длины двух математических маятников, если за одно и то же время второй маятник совершил вдвое

ю больше колебаний, чем первый?

10. Выв едите дифференциальное уравнение для пружинного, математического и физического маятника.

7 11. Что такое приведенная длина физического маятника?

12. Как изменится частота, максимальная скорость и ускорение, полная механическая энергия гармонического

осциллятора, если удвоить амплитуду его колебаний?

7 13. Поясните суть метода векторных диаграмм.

rs 14. Какой вид имеет уравнение колебания, полученного в результате сложения двух одинаково направленных

гармонических колебаний с одинаковой частотой (вывод)? Как выражаются амплитуда и начальная фаза такого колебания (вывод с

- помощью векторной диаграммы)? При какой разности фаз амплитуда результирующего колебания будет иметь значение

максимальное? Минимальное?

15. Как получается биение? Чему равна частота биений? Период биений?

- 16. Какой вид имеет уравнение траектории точки, участвующей одновременно в двух взаимно перпендикулярных

гармонических колебаниях одинаковой частоты? При каких условиях эта траектория является окружностью? прямой?

17. Что называвтся фигурами Д|

- 18. Какие колебания называются собств енными? Затухающими?

0 19. Выведите дифференциальное уравнение затухающих колебаний?

20. Что называется коэффициентом затуханий?

- 21. Запишите закон изменения амплитуды затухающих колебаний. Являются ли затухающие колебания периодическими?

22. Запишите формулы для характеристик затухающих колебаний: время релаксации, декремент затухания, добротность

Г-І колебательной системы. у

23. Какие колебания называются вынужденными? Отчего зависит амплитуда установившихся вынужденных колебаний?

Чему равна частота таких колебаний? 1

їн 24. Выведите дифференциальное уравнение вынужденных колебаний. о

- 25. При каких условиях наступает и в чем состоит явление резонанса? *

= a IsJ з т < >

Стр. 1 Разд 1 1/1 На 1,9см Ст 1 Кол 25 ЗАЛ HCriF м русский (Ро Ш

іі ПУСК Информатизац,,, колебания и во,,, Документі-Mi,,, В Adobe Reader С.., ^ MARINA (Е;) 13:08

Рис. 7

ЦІ колебания и волны (неправленое  Microsoft Word

: Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Таблица Окно Справка

;  •*>!«»% ч ^чтение |i 12

Введите вопрос

Ш "'ZzAi_______________

10  I -11  1 '12' I '13' I '14' 1 '15'

•16 • ди

Задача 4. Материальная точка массой т = 10 г совершает гармонические колебания с амплитудой^ = .10 см. Определите частоту V колебаний, если максимальная сила Р^, действующая на точку, равна 10 мН.

Дано: т =10 г = 10‘2кг А = 10 см = 0,1 см Ртх = 10 мН = 10'2 Н Решение: Уравнение гармонических колебаний х = A cos(г»0ґ + <%). Скорость и ускорение колеблющейся точки

V =?

do

Согласно второму закон)' Ньютона сила, действующая на точку,

Р = та = -тАа£ + <|>)

[учли формулу (1)]. Огла максимальна (Р = при со5(аьґ+ (р) = + 1, т.е.

а)

Учитывая, «по циклическая частота = 2пу , выражение (2) можно 'записать в

виде

Кж =4п2тЛи2,

откуда искомая частота

І- і /£Г

V 4п2 Am In V Ат Вычисляя, получаем V = 0,503 Гц.

Ответ: V = 0,503 Гц

Кол

русский (Ро

'я пуск Информатизац... ^ колебания и во... Документі - и

Рис. 9

Компьютер при повторном тестировании усредняет результаты и выставляет общую оценку.

Важным аспектом применения ЭУМК является резкое расширение сектора самостоятельной учебной работы, которое будет сопровождаться переносом многих традиционно аудиторных видов занятий во внеаудиторную (самостоятельную) часть учебной работы.

Применение средств ИКТ в обучении изначально базируется на традиционных подходах в методике преподавания предмета в школе или дисциплины в высшем учебном заведении, но в то же время современные средства обучения оказывают обновляющее

влияние на учебно-познавательные процессы, изменяя общий подход к образованию, как образованию через всю жизнь.

1S Документї - Microsoft Word шт

: Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Таблица Окно Справка ^Дввёдйте вопрос Д х

! ijd a а У 1-0 - ЧЛ -2  4>І[Ї00% - I ЕЙЧтение 1

IE 3 ' 1 ' 2 •  • 1 • і   1  і • ' • 3  ' • 4 • ' • 5  і  6 • і • 7  і • 8 • ' • 9 •  • 10 • '  11  1 '12  1 -ІЗ- 1 • 14 ' 1  15 • 1 '16 • ЯШ 1 • I Щ

1

I. Колебания собственные (механические)!

1. Определите максимальные значения скорости и ускорения точки, совершающей гармонические колебания с амплитудой 3 см и циклической частотой 1,57 с _1.

2. На концах тонкого стержня длиной 30 см укреплены одинаковые грузики по одному на каждом конце. Стержень с грузиками совершает гармонические колебания около горизонтальной оси, проходящей через точку на стержне, удаленную на 10 см от одного из концов стержня. Определите приведенную длину и период колебаний такого физического маятника. Массой стержня следует пренебреги..

3. Грузик массой 250 г, подвешенный к пружине, совершает гармонические колебания по вертикали с периодом 1 с. Определите жесткость пружины.

i/i

На 1,9см Ст 1 Кол 40 ' ЗАМ русский (Ро

' я пуск 'И Информатизац... колебания и во... EJ документ2 - Mi... * MARINA

Рис. 10

IS Документ! - Microsoft Word

: Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Таблица Окно Справка

; и ьЗяа д|У &1 - а/I -о- —

Введите вопрос

- I Ю чтение ЩІЇ ^[ж] X Ж Я \ ;Е | чг * А. .

11  і  12  і  13  ' • 14 •

'15' і '16  WSM

Гармонические колебания!

Задание 1.

Складываются два гармонических колебания одного направления с одинаковыми частотами и равными амплитудами Дд. При разности фаз А<р = я амплитуда результирующего колебания равна:

1)24); 2) 4,-Я; 3)4л/3;

Задание 2.

На рисунках изображены зависимости — от времени координаты и скорости материапьнон точки, колеблющейся по гармоническому закону.

\

\

\ ч /

N

4) 0.

О Зс-1 О 4 с-1 О 2 с-1 О 1с-1

Определить циклическую частоту со колебаний.

1/1 На 1,9см Ст 1 Кол 24 ВДЛ ЗАМ русский (Ро

Информатизац... колебания и во... Документ 1 - Мі... тесты по дида...

Рис. 11

Библиографический список

1. Захарова, И.Г. Информационные технологии в образовании: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений [Текст] / И. Г.Захарова. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 192 с.

2. Информатизация образования: направления, средства, технологии: пособие для повышения квалификации [Текст] / под общ. ред.С.И. Маслова. - М.: Издательство МЭИ, 2004. - 868 с.

3. Информатизация общего среднего образования: Научно-методическое пособие [Текст] / под ред. Д.Ш. Матроса. - М.: Педагогическое общество России, 2004. - 384 с.

4. Осин, А.В. Технология и критерии оценки образовательных электронных изданий

[Электронный ресурс] // Материалы конференции ИТО-2001. - 1Л1Ь:

www.ito.edu.ru/200Шо/р.1Ит1 (Дата обращения: 23.11.2010).