Система дидактического обеспечения лабораторных занятий по физике в условиях применения средств ИКТ

УДК 53

Д.А. Антонова, Е.В. Оспенникова, Н.А. Оспенников

СИСТЕМА ДИДАКТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ПО ФИЗИКЕ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ИКТ

Ключевые слова: учебный лабораторный эксперимент, применение ИКТ в лабораторном физическом эксперименте, коллекция цифровых образовательных ресурсов к лабораторному эксперименту.

В статье рассматривается обновленная практика обучения школьников на лабораторных занятиях по физике, базирующаяся на комплексном использовании компонентов ИКТ-инфраструктуры предметной среды. Предложен комплект дидактических и учебно-методических материалов, поддерживающих данную практику обучения. Приведены примеры материалов, входящих в данных комплект.

Анализ уроков информатизации системы общего среднего образования показал, что нельзя просто учителю-предметнику, имеющему базовую ИКТ-подготовку, предлагать использовать компьютерную технику и цифровые учебные ресурсы и с уверенностью ожидать от него активной работы по использованию этих средств в качественном преобразовании учебного процесса. Важно на начальном этапе информатизации профессиональной деятельности педагога продемонстрировать и предоставить ему «готовую» методику использования в учебной практике ИКТ-арсенала современной среды обучения. Необходимо показать, что новые информационные технологии могут быть органично встроены в учебный процесс, что при этом существенно возрастет эффективность этого процесса и качественно преобразуются его результаты. Такой подход к продвижению процессов информатизации является общим для любой социальной сферы. Об этом пишет Н. Карр в книге «Блеск и нищета информационных технологий» (М., 2005). Автор отмечает, что для фирм, обеспечивших некоторый «приличный» уровень информатизации, дополнительные вложения в ^ часто оказываются неэффективными, поскольку фирмы не знают, как адаптировать к ним свои бизнес-процессы и как получить в связи с этим конкурентные преимущества.

Учитель, ясно осознавший значимость и эффективность новой модели обучения, готов к следующему этапу своего профессионального роста: освоению опыта само-

40

© Антонова Д.А., Оспенникова Е.В., Оспенников Н.А.., 2012

стоятельного проектирования учебного процесса с использованием новых информационных технологий.

Анализ ИКТ-инфраструктуры учебной предметной среды, современных тенденций развития экспериментального метода изучения явлений природы, требований к уровню предметной ИКТ-компетентности учащихся средней общеобразовательной школы позволяет предложить новую практику организации учебного процесса на лабораторных занятиях.

Новая практика построения обучения на лабораторных занятиях по физике базируется на комплексном использовании компонентов ИКТ-инфраструктуры предметной учебной среды и ориентирована на решение следующих задач:

1) совершенствование системы знаний учащихся по предмету;

2) методологическая подготовка учащихся в области постановки современного физического эксперимента, а именно формирование умений:

а) в подготовке и проведении автоматизированного натурного физического эксперимента;

б) применении специальных и стандартных инструментов виртуальной среды с целью обработки данных лабораторного эксперимента;

в) проектировании и проведении компьютерного физического эксперимента (в ряде случаев моделирование физических ситуаций с помощью стандартных инструментальных программ);

4) формирование предметных ИКТ-компетенций учащихся в работе с ресурсами и инструментами виртуальной предметной среды обучения, необходимыми для подготовки к лабораторному занятию;

5) формирование обобщенных познавательных умений в работе с ресурсами и инструментами виртуальной предметной среды [1].

Реализация новой практики обучения поддерживается комплектом дидактических и учебно-методических материалов, которые ориентируют и учителя и учащихся на использование в учебном физическом эксперименте всех составляющих ИКТ-инфраструктуры школьной лаборатории. Ниже приведен перечень материалов, входящих в данный комплект.

Материалы для учащихся

1. Инструкция к натурному лабораторному эксперименту, в том числе к его автоматизированному варианту (полиграфический и цифровой форматы в MS Word).

2. Инструкция-презентация (например, в MS PP) к натурному лабораторному эксперименту (со звуковым сопровождением).

3. Видеоинструкция к натурному лабораторному эксперименту (с титрами, звуковым сопровождением и графическими иллюстрациями).

4. Компьютерная интерактивная модель лабораторного эксперимента:

• компьютерный эксперимент (в MS Ехсе1);

• компьютерный эксперимент из предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС (численный, имитационный);

• симуляции натурного физического эксперимента из предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС (или/и в авторской разработке).

5. Инструктивные указания к проведению компьютерного эксперимента (на основе обобщенного плана работы с компьютерной моделью).

6. Лист самоподготовки учащихся к лабораторному занятию (в MS Word), включающий задания по работе с компонентами предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС, а именно:

• задания на полноту усвоения учебной темы лабораторного занятия,

• задания на глубину усвоения материала занятия (задачи-упражнения, типовые задачи, нестандартные задачи),

• упражнения на отработку экспериментальных действий и операций,

• дополнительные задания для учащихся, закончивших эксперимент раньше времени и желающих выполнить работу на закрепление/расширение знаний и умений, а также работу творческого характера.

7. Тест вводного контроля знаний (в MS Word, MS РР, автономной тестовой оболочке или оболочке ДО, например в Moodk).

8. Тест итогового контроля знаний (в MS Word, MS РР, автономной тестовой оболочке или оболочке ДО, например в Moodk).

9. Цифровые версии справочных таблиц по теме лабораторной работы.

10. Образец отчета о выполнении натурного эксперимента (в MS Word и MS Ехсе1).

11. Образец отчета о выполнении компьютерного эксперимента (в MS Word и MS Ехсе1).

Материалы для учителя

12. Каталог медиа объектов по теме лабораторного занятия, сформированный на основе анализа ЦОР, ИУМК, ИИСС и интернет-ресурсов.

13. Презентация к вступительной беседе учителя с учащимися на лабораторном занятии.

14. Тренажеры (симуляторы) (для отработки отдельных действий и операций) для интерактивной доски (подбор из компонентов ЦОР, ИУМК, ИИСС или/и авторские разработки, в частности подготовка простейших вариантов тренажеров средствами MS PP).

15. Историческая справка об исследовании физического явления, изучаемого в лабораторном эксперименте (в MS Word или в MS PP с иллюстрациями).

16. УМК лабораторного занятия.

Состав комплекта и содержание его отдельных элементов обеспечивают реализацию ключевых функций виртуальной информационной среды (мультимедийность, мо-делинг, интерактив, производительность, интеллектуальность, коммуникативность). Избыточность дидактических материалов в комплекте по отношению к конкретному лабораторному занятию, обеспечивает:

а) широту охвата видов учебной деятельности школьников на лабораторном занятии;

б) возможность разработки вариативных моделей построения занятия с использованием в его структуре разных «композиций» элементов комплекта в зависимости от уровня и профиля подготовки учащихся;

в) достаточные условия для реализации индивидуального и дифференцированного подхода к обучению школьников;

г) учет и реализацию индивидуального стиля профессиональной деятельности педагога.

При разработке материалов комплекта необходимо ориентироваться на реализацию современных технологий обучения, в частности технологий формирования у учащихся обобщенных умений: в выполнении натурного физического эксперимента; проектировании и проведении компьютерного эксперимента; работе с другими учебными объектами предметной виртуальной среды [2].

Следует отметить «открытость» предложенного состава учебных и учебнометодических материалов в данном комплекте. Каждый учитель может включить в этот комплект новые материалы, реализующие эффективные педагогические и технологические решения организации учебного процесса на лабораторных занятиях.

Отметим, что в условиях непрерывного развития стандартного и специализированного программного обеспечения системы образования, а также с ростом уровня базовой ИКТ-компетентности учителей инструментарий для разработки материалов комплекта может меняться.

Ниже приведены примеры отдельных составляющих комплекта дидактических и методических материалов к лабораторному занятию, подготовленных студентами физического факультета Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета в рамках учебного курса «Педагогическое проектирование» [1].

I. Инструкция к натурному лабораторному эксперименту

Лабораторная работа

Явление резонанса в цепи переменного тока

Цель: исследование зависимости силы тока от циклической частоты незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре, нахождение резонансной частоты.

Оборудование: генератор звуковой; вольтметр; миллиамперметр; катушка индуктивности; магазин сопротивлений; конденсатор; провода соединительные.

Теоретическое обоснование:

Рассмотрим электрическую схему на рис. 1, в которой последовательно соединенные конденсатор, резистор и катушка индуктивности подключены к генератору переменного напряжения.

С L

Рис. 1

В цепи возникают вынужденные колебания силы тока и напряжения. На амплитуду колебаний силы тока и напряжения на участке LRC оказывает влияние частота ю колебаний напряжения генератора. Это объясняется зависимостью сопротивлений таких элементов цепи, как конденсатор и катушка индуктивности от частоты вынужденных колебаний. При низкой частоте вынужденных колебаний емкостное сопротивление

х = будет очень большим, поэтому сила тока в цепи будет мала. В обратном пре' шC

дельном случае большой частоты колебаний значительно возрастает индуктивное сопротивление катушки Кь = а>Ь, и сила тока в цепи опять будет мала.

Полное сопротивление Z цепи, изображенной на рис. 1, определяется формулой:

г =„Ш2 +| ——

соС

Ясно, что максимальная сила тока в цепи будет соответствовать такой частоте а0 приложенного переменного напряжения, при которой индуктивное и ёмкостное сопротивления будут одинаковы:

1

о С

При равенстве реактивных сопротивлений катушки и конденсатора амплитуды напряжений на этих элементах также будут одинаковыми ис = и^ Колебания напряжения на катушке и конденсаторе противоположны по фазе, поэтому их сумма при выполнении условия (2) будет равна нулю. В результате напряжение иЯ на активном сопротивлении Я будет равно напряжению генератора и, а сила тока в цепи достигнет максимального значения:

/ = и.

т Я

Частота колебаний в этом случае определятся по формуле:

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока и напряжения в колебательном контуре при приближении циклической частоты ю внешней переменной ЭДС к частоте т0 свободных незатухающих колебаний в контуре называется резонансом в электрической цепи переменного тока. Частота а = а0 называется резонансной циклической частотой. Резонансная частота не зависит от активного сопротивления Я.

График зависимости 1т от ю называется резонансной кривой. Резонансные кривые имеют тем более острый максимум, чем меньше активное сопротивление Я (рис. 2).

Рис. 2

Порядок выполнения:

1. Соберите схему, показанную на рис. 1 (С = 0,22 мкФ; катушка: L = 40 Гн, Я= 1000 Ом).

2

2. Изменяя частоту генератора от 200 Гц до 500 Гц через 20 Гц, с помощью амперметра измерьте силу тока в цепи и занесите полученные данные в табл. 1. Повторите эксперимент для других значений активного сопротивления: 500, 200 и 10 Ом. Целесообразно для фиксации и обработки результатов эксперимента использовать табличный процессор MS Excel.

3. Постройте графики зависимости на одной координатной плоскости силы тока в цепи от частоты генератора для различных значений сопротивления. По графикам определите резонансную частоту для каждого из значений сопротивления и найдите её среднее значение. Используйте для построения графиков миллиметровую бумагу. Графики можно построить с помощью MS Excel (рис. 3).

4. Рассчитайте по формуле (3) резонансную частоту и сравните полученное значение с экспериментальным значением.

Результаты эксперимента:

1. Построение резонансной кривой.

Таблица 1

Зависимость силы тока от частоты колебаний и активного сопротивления

Частота v, Гц Сопротивление R, Ом

1000 500 200 10

Сила тока I, мА

Гоафик зависимости силы тока от частоты колебаний

\  -000

£ 500 200 Ж -0

о?

&

°оо оооо оо

O-frOOCNCDO-frOO

(NMINnn'f'if'f

Рис. 3. Г рафик зависимости силы тока от частоты

2. Экспериментальное значение:

^Оэксп

3. Теоретическое значение резонансной частоты при С = 0,22 мкФ и L = 40 Гн:

4. Расчет ошибки метода определения резонансной частоты:

= |_0----0^ >100% =

0

5. Измерение силы тока. Оценка точности измерения силы тока.

Измеренное значение силы тока: 1изм =

Класс точности прибора: £ = 2.

Предел измерения силы тока: 1тах = дт = _^. т =

А А тах ^ инстр 1 до 1 тах

Цена деления амперметра: с = М0тсЧ = с /2 = Мсист = ^1иистр + ^1отсч =

Сила тока: 1 = (^м ± Мсист ) =  1 00% =

изм

Анализ результатов. Вывод

Сформулируйте вывод. Для этого проанализируйте цель эксперимента и ответьте на вопросы:

• Какова зависимость силы тока в контуре от частоты вынужденных колебаний в электрическом контуре?

• Какова резонансная частота?

• Как зависит величина силы тока при резонансной частоте от активного сопротивления?

Оцените точность измерения силы тока. Проанализируйте ошибку метода измерения резонансной частоты. Укажите пути повышения точности эксперимента.

Дополнительные задания:

I. Исследуйте поведение компьютерной модели «Вынужденные колебания в ЯЪС-контуре» (Физика, 10-11 классы. Подготовка к ЕГЭ / (М-во образования Российской Федерации; ГУ ФЦ ЭМТО. 1С. М., 2004).

Инструкция к работе с моделью

Анализ модели

1. Рассмотрите составляющие модели «Вынужденные колебания в КЪС-контуре» (рис. 4). Модель состоит из четырех интерактивных окон (векторной диаграммы, графика зависимости напряжения от частоты и окон ввода и вывода результатов). Модель сопровождается изображением схемы цепи колебательного контура.

2. Можно изменять следующие параметры модели экспериментальной установки:

• активное сопротивление (от 1,5 до 10 Ом);

• индуктивность (от 1 до 3 мГ н);

• электроемкость (от 50 до 100 мкФ);

• частоту колебаний (от 1000 до 6000 Гц).

3. Результаты виртуального эксперимента демонстрируются в виде изменений:

• направления и длины векторов напряжений на отдельных участках колебательного контура в векторной диаграмме;

• графика зависимости напряжения от частоты;

• значения резонансной частоты, индуктивного и емкостного сопротивлений.

Запустите модель. Произвольно изменяя параметры модели, обратите внимание на изменения векторной диаграммы и графика зависимости напряжения колебательного контура от частоты колебаний, а также изменения резонансной частоты, индуктивного и емкостного сопротивлений.

Рис. 4. Модель. Вынужденные колебания в RLC-контуре

Планирование и выполнение работы

Цели работы:

• исследование поведения модели при изменении циклической частоты свободных незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре и значений параметров цепи (активного, индуктивного и емкостного сопротивления);

• определение резонансной частоты.

Ход работы:

• пронаблюдать изменения резонансной кривой, векторной диаграммы и значений ХЬ ХС и значения а0 при изменении параметров контура: С, L, Я и ю;

• выяснить, при каких изменениях параметров контура меняется (увеличивается/ уменьшается) резонансная частота;

• выяснить, какие параметры контура влияют на величину напряжения в цепи при резонансе;

• зафиксируйте в тетради (или в электронном отчете с помощью клавиши Рг! Sc) несколько показательных графиков и диаграмм, характеризующих особенности поведения модели, запишите для каждого случая значение резонансной частоты и параметров контура.

Представление результатов работы

1. Сделайте выводы: об условии наступления резонанса, о зависимости вида резонансной кривой от параметров контура.

2. Объясните результаты работы модели, используя векторную диаграмму.

3. Подготовьте письменный отчет о работе с моделью (в тетради, в цифровом формате). В отчете укажите:

• цель работы,

• схему модели,

• выводы по работе с моделью и иллюстрации к выводам.

II. Исследуйте поведение модели «Резонанс в цепи переменного тока» (1С: Школа. Физика, 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий (CD) / М-во образования РФ: ГУРЦ ЭМТО: Дрофа: 1С: Формоза-Альтаир: РЦИ Перм. ГТУ. М., 2004

(www.repetitor.1c.ru) (рис. 5).

Рис. 5. Резонанс в цепи переменного тока

Инструктивные указания

Для выполнения работы используйте обобщенный план анализа виртуальной модели. На основе ОП самостоятельно исследуйте поведение модели. Представьте отчет о работе (традиционный или цифровой варианты). Подготовьте презентацию MS РР по результатам работы (по выбору).

II. Инструкция-презентация

Рис. 6

Оборудование

реохорд

гальванометр (мА -50 мА) ^ і

набор резисторов (И

источник электропитания

переключатель однополюсный

комплект проводов соединительных

в)

Сборка экспериментальной установки

д)

Рис. 6

Дополнительные задания

Дополнительные задания

Виртуальный эксперимент

1. Работа с конструктором:

Поиск:Конструктор «Начала электроники». Разработчик: КазГНУ им. Аль-Фараби.

ж)

2. Работа с конструктором:

Поиск: Открытая физика часть 2. / Электродинамика / Модели / Цепи постоянного тока

Конструктор «Цепи постоянного тока». Открытая физика. В 2 ч. / Под ред. СМ. Козела. - М.: ООО «Физикон», 2002

Рис. 6

ЛиШ

з)

III. Лист самоподготовки учащихся к лабораторному занятию (в MS РР),

включающий задания по работе с компонентами предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС (фрагменты проекта студентов 5-го курса Е.М. Кузнецовой, Т.С. Поповой) (рис. 7).

в)

г)

Рис. 7

д)

е)

Рис. 7

1У.Тест вводного контроля знаний (в MS РР) (фрагменты проектов студентов 5го курса Л.В. Андрухович, И.П. Рюминой, Е.М. Кузнецовой, Т.С. Поповой., рис. 8).

в) г)

Рис. 8

V. Компьютерная модель лабораторного эксперимента в М8 Ехсеї (проект студентов 5-го курса А.Е. Нельзина, А.П. Печеного) (рис. 9).

А в С о Е Р є н і

Мощность цепи постоянного

1 тока

2

3 измерить мощность и работу в цепи постоянного тока;

4 исследовать зависимость:

5 - полезной мощности от сопротивления нагрузки,

6 - мощности потерь от сопротивления нагрузки.

7 - полной мощности от сопротивления нагрузки

8

9 Оборудование:

10 источник электропитания

11 низковольтная лампа

12 вольтметр лабораторный на

13 амперметр лабораторный

14 переключатель однополюсный

15 провода соединительные

16 І I

17

18 \7V-i

19

20 + /Оч

21 —1 п

22 1 1

23 \

24 \

25 ґл>1 ]

26

27

28 Сзсема установки

29 І І І І І I

Рис. 9

А В С О Е Г е Н I

131

132 Зеодимиге лэрзляелгрйг:

133

134 Л = 3 Ом г = 3 Он

135

136 1 = 20 с £• 10 Ом

137

138 Яе-зу/гатат:

139

140 Рн = Вт Рт = Вт

141

142 I = А Рп = Вт

143

144 и = В А = Д*

146

146

147

143

в)

Рис. 9

VI. Каталог учебных объектов ЦОР к лабораторной работе

ИИСС «История научного эксперимента. Физика»

(ООО «Физикон», Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов

http:// school-collection. edu.ru/)

Поиск: Систематический каталог \ Физика \ модуль «Опыт Р.Бойля»\ модель опыта Р. Бойля (рис. 10).

Рис. 10

Содержание учебной работы:

• изучение содержания постановки опыта в его историческом контексте;

• выполнение компьютерного эксперимента (историческая версия) «Зависимость давления данной массы газа Р от его объема V (выполнение о эксперимента, построение графика функциональной зависимости, формулировка вывода).

Применение указанного комплекта дидактических материалов на лабораторных занятиях способствует совершенствованию знаний и учебных умений школьников, развитию их познавательной самостоятельности, обеспечивает рост эффективности учебного процесса.

Список литературы

1. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: метод. пособие. - М.: Бином: Лаборатория знаний, 2011. - 655 с.

2. Оспенникова Е.В. Использование коллекций ЦОР в проектировании учебных материалов / Оспенникова Е.В.и др. - М.: НФПК, 2008. - URL: (http://www.sсhool-collection.edu.ru).