Обучение учащихся решению физических задач в условиях ИКТ-насыщенной среды

ПОДГОТОВКА ПЕДАГОГИЧЕСКИХ КАДРОВ К ПРИМЕНЕНИЮ ИКТ В ОБРАЗОВАНИИ

А.А. Оспенников

ОБУЧЕНИЕ УЧАЩИХСЯ РЕШЕНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В УСЛОВИЯХ ИКТ-НАСЫЩЕННОЙ СРЕДЫ

В статье рассматривается одно из направлений подготовки учащихся средней школы по физике: формирование обобщенных умений и навыков в решении физических задач с использованием ресурсов и инструментов виртуальной образовательной среды. Обсуждается влияние средств ИКТ на развитие системы методов решения задач, которыми должны овладеть учащиеся средней школы, и совершенствование средств и технологий обучения школьников этой деятельности.

Последние два десятилетия развитие системы отечественного образования связано с непрерывным совершенствованием оснащения средних общеобразовательных школ современной компьютерной техникой, наполнением виртуальной информационной среды учебными ресурсами и инструментами, становлением и развитием системы образовательных телекоммуникаций. Сегодня практически нет барьеров на пути информатизации учебного процесса: компьютерные технологии "созрели" и "ждут" своего использования. Проблема состоит в том, что в этом направлении может предложить современному учителю физики педагогическая наука?

Информационные технологии видоизменяют и профессиональную деятельность педагога, и учебную деятельность школьника. Виды деятельности учителя и учащегося разнообразны, и каждый из этих видов несет в себе собственный потенциал "информатизации". Возникает вопрос: До какой степени это потенциал может и должен быть реализован? Это определяется: во-первых, целесообразностью "информатизации" каждого отдельного вида деятельности (ожидаемым эффектом роста ее качества); во-вторых, наличием поддерживающих

данный вид деятельности ресурсов и инструментов виртуальной среды; в-третьих, уровнем готовности учителя и учащихся к использованию информационных технологий в рамках данной деятельности. В связи с этим обсудим систему средств информационных и коммуникационных технологий обучения, обеспечивающих "информатизацию" учебной деятельности школьников, и оценим возможности ее использования на лабораторных занятиях по физике и при подготовке к ним.

Сегодня можно говорить о новой информационной инфраструктуре учебного процесса по физике, которая по мере технического прогресса будет продолжать совершенствоваться. Под ИКТ-инфра-структурой учебного процесса будем понимать систему аппаратных средств, учебных объектов и инструментов учебной деятельности виртуальной среды обучения. Рассмотрим содержание основных блоков ИКТ-инфраструктуры предметной учебной среды, которые могут и должны будут в ближайшей перспективе использоваться каждым учителем физики:

I) аппаратная техника и инструменты для ввода информации: цифровая

видеокамера, цифровой фотоаппарат, цифровой микроскоп, сканер, диктофон,

© Оспенников А.А., 2008

планшет, система цифровых измерителей (датчиков и ПО) для автоматизированного эксперимента, системы глобального позиционирования (GPS), инструменты распознавания устной речи;

2) устройства и инструменты представления, обработки и передачи информации: персональный компьютер, наладонный (карманный) компьютер, цифровой проектор; интерактивные доски; коммуникатор; “шлем” (и перчатки) виртуальной реальности; множительная техника (принтер, копир или ризограф); ПО для сетевых образовательных коммуникаций (оболочки ДО, конструкторы сайтов, системы почтовой связи);

3) информационные источники (цифровой образовательный контент):

- ЦОР - цифровые образовательные ресурсы к действующим учебнометодическим комплектам по предмету; ориентированы преимущественно на поддержку традиционного образовательного процесса средствами ИКТ;

- ИИСС - информационные источники сложной структуры (цифровые музеи, библиотеки, энциклопедии, коллекции и пр.); предназначены для поддержки традиционного образовательного процесса средствами ИКТ, при этом включают и инновационные технологии организации работы учащихся с учебной информацией;

- ИУМК - инновационные учебнометодические комплексы; обеспечивают организацию учебного процесса по образовательной области (предмету, курсу, теме) в полном объеме, ориентированы на обновление видов, методов и форм учебной деятельности школьников, определяют достижение на этой основе качественно новых образовательных результатов;

- образовательные ресурсы локальной школьной сети, ресурсы порталов и сайтов Интернета;

4) инструменты учебной деятельности: виртуальные лаборатории; моделирующие среды; определители и классификаторы; телеметрические системы; геоинформа-ционные системы; системы автоматизированного проектирования (САПР); ПО для

редактирования и обработки информации (числовых данных, текста, аудио, видео); ПО для подготовки презентаций; тренажеры; системы самоконтроля знаний и умений, включая системы тестирования;

5) системы и средства поддержки организации образовательного процесса: планирования учебного процесса, организации и поддержки образовательного процесса, управления образовательным учреждением, управления образованием для муниципальных органов.

Обучение при таком техническом и информационном обеспечении, безусловно, преобразуется. Школьники получают несравненно большие возможности для самостоятельной учебной работы. Они могут: использовать ИКТ-ресурсы и инструменты для различных способов работы с "готовой" учебной информацией; исследовать реальный мир; быстро собирать, пользуясь разнообразными способами фиксации данные, и качественно обрабатывать их с помощью компьютера; делать заключения на основе собранной информации; моделировать изучаемые явления, используя цифровые лаборатории и инструментальные среды; выдвигать и проверять учебные гипотезы; создавать, представлять и защищать разработки, демонстрирующие результаты их учебной деятельности. Работа с новой техникой и новой информацией, выходящей за рамки школьного учебника, вызывают у учащихся естественное любопытство и интерес, стимулируют их включение в самостоятельное исследование окружающей среды. Многообразие компьютерной техники и ПО, желание освоить новые технологии в учебной практике создают благоприятные условия для формирования у учащихся умения работать в команде, добиваться глубокого осмысления поставленных перед ними задач, стремиться к масштабной разработке соответствующих учебных проектов и поиску интересных форматов представления результатов коллективной деятельности.

Виртуальная образовательная среда в составе ее учебных объектов и инструментов

познания является эффективным обучающим ресурсом, дидактический потенциал которого еще не до конца изучен и освоен в массовой педагогической практике. Области исследования проблемы применения средств ИКТ в преподавании чрезвычайно разнообразны. Одна из них - методика обучения учащихся решению задач в условиях активного использования информационных и коммуникационных технологий организации учебной деятельности.

Освоение методов решения физических задач - важнейшее направление предметной подготовки учащихся средней общеобразовательной школы. Умения и навыки решения задач являются показателем полноты и глубины предметных знаний, их системности и прочности, демонстрируют уровень способностей учащихся к самостоятельному познанию и отражают степень их готовность к творческому поиску при изучении явлений природы.

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 к ЭВМ в решении задач разнообразны. Это:

1) программное обеспечение выполнения расчетов и исследования результатов решения физических задач;

2) использование инструментальных компьютерных сред для построения моделей физических объектов и изучения особенностей их поведения в различных условиях;

3) применение телеметрических методов анализа физических ситуаций при решении экспериментальных задач;

4) использование в решении задач экспертных компьютерных систем.

Все это не может не найти отражения в содержании школьного обучения. Очевидно, что наряду с классическими методами решения физических задач учащиеся средней школы должны осваивать новые технологические методы и приемы. 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 существенное влияние на совершенствование 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. Данные средства обучения имеют по отношению к традиционным более высокий уровень эффективности. Это обусловлено специфическими свойствами виртуальной среды, такими как мулътимедийностъ, 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 конкретных примеров выполнения данных действий и сделать их более разнообразными;

2) продемонстрировать образцы применения новых технологий при выполнении ряда действий, входящих в состав решения задачи {расчеты, построение графиков, исследование результата решения с помощью

компьютерных моделей) и наглядно продемонстрировать эффективность применения этих технологий;

3) обеспечить необходимый уровень отработки учебных действий и операций по решению физических задач благодаря использованию цифровых тренажеров, симуляторов, тестов;

4) создать необходимую для каждого учащегося содержательную базу для самостоятельной работы за счет формирования практически неограниченного банка учебных 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 и индивидуализации 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 СЭ), включающие банки задач, цифровые иллюстрации к их решению, интерактивные тренажеры и тесты, в настоящее время уже изобилуют на образовательном рынке. Широко представлены материалы по решению задач и в сети Интернет. Можно выделить несколько типов учебных ресурсов, размещенных на учебных СЭ и в сети, а именно: задачи для абитуриентов;

электронные решебники; справочные материалы; задачи, подготовленные учащимися; простейшие инструментальные программы для решения задач; 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 [I]. Следует отметить полифункци-ональные свойства этих объектов. Один и тот же объект может быть использован

1) на разных 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.

Виды задач по физике разнообразны. Тем не менее, при изучении физики чаще используются задачи вполне определенных видов. 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. Сделать 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 закона; 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.

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:

- на основе видеофрагмента натурного опыта (рис. I);

- на основе фильмов или мультфильмов;

- на основе виртуальной модели;

- на основе моделирования вариантов за-дачных ситуаций, представленных в задаче (с использованием инструментальных программ и моделирующих сред); (рис.2);

- использование виртуальной модели, видеофрагмента, анимации, фотографии, рисунка для иллюстрации условия формулируемой задачи;

- предъявление образцов анализа условия задачи, представленных в ЦОР (рис. 3);

- работа с электронными тренажерами для отработки отдельных действий анализа условия задачи (для типовых ситуаций);

- анализ задачи на основе работы с элект- (рис. 5); ронными конструкторами (например, - возможностей интерактивной доски для

построение схемы электрической цепи, хода краткой записи условия задачи. лучей в оптических приборах, векторов дейс-

Рис. 2

Рис. 4

твующих сил) (рис. 4);

- анализ задачи на основе использования функциональных возможностей интерактив-

Поиск решения  Самостоятельный поиск через поисковые

ной доски (наложение дополнительной системы ЦОР и в Интернете фактической

компьютерной графики, символьной записи информации (определений понятий, фор-

на задачную ситуацию, представленную в мулировок физических законов, математичес-

Ах

Рис. 3

различных медиаформатах).

Запись условия задачи

- Использование цифровых "решебников" для демонстрации образцов краткой записи;

- рисунков и других объектов ЦОР (графики, схемы, виртуальные модели и др.) для отображения задачной ситуации;

- MS Paint, MS Power Point и др. для графического отображения рисунка задачной ситуации (создается коллекция объектов);

N

тС V О Fa

V г - й{ /

а

— Fl 7Г f

Рис. 5

ких формул, данных таблиц), необходимой для решения задач (рис. 6);

- демонстрация образца решения задачи на основе фрагментов ЦОР;

- решение задачи с использованием моделей и обучающих сценариев (рис. 7);

- использование виртуальных экспертных систем для решения задачи;

- использование инструментальных программ Excel, Maple, Mathcad и других для выполнения отдельных операций по

UeiU-EETBG Удельная теплоемкость, С, Дис.'яг К 1 еилп ерагура плавлении при нори-даип., К Удепьнан теп NOT L! плавления, иДж/кг

Алиби нний SSG (гв| 10S0 (* ) 933 393

Веща 2100 ) -1200(:жцдк) 273.15 335

Графит 700 itb.j 4100-4200

Медь 380 ив ) 135В 213

Рис. 6

Рис. 8

решению задач и системы сложных уравнений;

- применение программ для перевода единиц измерения.

Проверка решения

- Просмотр видеофрагмента натурного опыта, документального или художествен-

- использование программ Maple, Mathcad, Excel и других для проверки точности расчетов, моделирования решения обратной задачи и частных случаев решения (проверка реальности следствия).

Как видно из приведенных примеров, новые информационные технологии позво-

Выбор соотношения длин головной и основной частей ракеты

Длина основной части ракеты: 2М

И

Принять

изменения

Рис. 7

ного фильма, иллюстрирующего реальный физический эффект, который необходимо было предсказать при решении задачи (рис.

8);

- проведение модельного эксперимента, который демонстрирует ожидаемый по результату решения задачи эффект (рис. 9);

- анализ образца решения задачи, представленного в ЦОР;

- обращение к экспертной системе;

Рис. 9

ляют поднять процесс обучения учащихся решению физических задач на новый качественный уровень. В сложившихся условиях должны быть определены новые ориентиры подготовки будущих учителей физики. Необходимо формировать у студентов педагогических вузов специальную профессиональную компетентность, характеризующую 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. и др. Обновление системы учебных объектов среды обучения в условиях информатизации образования и проблема организации познавательной деятельности школьников в новой информационной среде / Е.В. Оспенникова // Вестник ПГПУ. Сер. ИКТ в образовании. 2005. Вып. I. С. 50 - 67.

2. Талызина Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний / Н.Ф.Талызина. М.: Изд-во МГУ, 1975. 342 с.

3. Усова А.В. Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики / А.В. Усова, А.А. Бобров. М.: Просвещение, 1988. 112 с.

Статья подготовлена в рамках проекта "Информатизация системы образования”, реализуемого Национальным фондом подготовки кадров по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации. Проект финансируется из средств Международного банка реконструкции и развития.