Вариативное изучение фундаментальных физических опытов на основе материальных и виртуальных моделей

УДК 53

ББК 74.262.23

Никитин Григорий Романович

аспирант

кафедра теории и методики обучения физике Челябинский государственный педагогический университет

г. Челябинск Nikitin Grigory Romanovich Post-graduate Chair of Theory and Teaching Methods of Physics Chelyabinsk State Pedagogical University Chelyabinsk

Вариативное изучение фундаментальных физических опытов на основе материальных и виртуальных моделей Variation Studying of Fundamental Physical Experiments on the Basis of the Material and Virtual Models

Фундаментальные опыты составляют базис фундаментальных физических теорий. Установки для демонстрации этих опытов, как правило, сложны, и воспроизвести их в кабинете физики непросто. Виртуальные и материальные модели этих опытов позволяют обеспечить вариативность методов и средств их изучения. Такой подход позволяет глубже понять суть фундаментальных экспериментов, их назначение, характерные особенности.

Fundamental experiments form the basis of the fundamental physical theories. Equipment for the demonstration of these experiments, as a rule, is complicated and it’s not easy to recreate it in a physics study room. Virtual and material models of these experiments allow to provide variability of methods and means of their studying. Such approach allows to understand deeply the essence of fundamental experiments, their purpose and characteristic features.

Ключевые слова: вариативный подход, фундаментальные опыты, виртуальные модели, материальные модели, научный метод познания.

Key words: variational approach, fundamental experiments, virtual models, material models, scientific method of cognition.

Основная задача современного обучения - создать каждому ученику условия для максимального развития его способностей, склонностей, удовлетворения познавательных интересов, потребностей в процессе освоения содержания физического образования. Решить эту задачу может вариативность подходов в использовании дифференцированных образовательных маршрутов, позволяющих на едином базовом содержании знаний индивидуализировать процесс обучения. Проблема вариативного подхода в обучении физики анализируется в работах И.Л. Беленок, Ю.И. Дика, М.Д. Даммер, В.И. Земцовой, А.Н. Мансурова, А.Е. Марона, Ю.А. Саурова, Е.В. Оспенниковой, А.В. Усовой и др. Вариативность может проявляться как в содержательной, так и в процессуальной сторо-

не обучения. Вариативность содержания обучения отражается в государственном образовательном стандарте, согласно которому ученик выбирает профиль обучения, а также элективные курсы. Под вариативностью методов и средств обучения понимают их разнообразие, позволяющее изучать явления и закономерности на занятиях согласно поставленной цели. Ведущим методом учебного познания при изучении физики является экспериментальный. Учебный эксперимент может быть представлен в различных видах: демонстрационный, лабораторный (фронтальный, домашние опыты, физический практикум). По характеру используемого оборудования различают натурный (традиционный и компьютеризированный), и компьютерный эксперименты. Для реализации вариативности в изучении фундаментальных опытов по физике необходимо обеспечить разнообразие видов учебного физического эксперимента для достижения целей обучения.

На сегодняшний день нет единой точки зрения на то, какие опыты необходимо считать фундаментальными. Большинство авторов выделяют обширную группу таких опытов, однако стоит согласиться с мнением, что число фундаментальных опытов не должно быть велико. Необходимо сформулировать критерий фундаментальности научного опыта. Все научные опыты, зафиксированные в истории развития науки, внёсшие вклад в её развитие можно считать историческими. Среди исторических опытов можно выделить фундаментальные, основополагающие и опорные, критерием приведённой классификации служит роль исторического опыта в становлении фундаментальной физической теории. Поясним приведённую классификацию. Любая фундаментальная физическая теория имеет в своей структуре основание, ядро и следствия. Эксперименты, вступившие в противоречие с ранее утвердившейся теорией и её опытными фактами, подрывающими её фундамент, базис, составляют группу фундаментальных опытов. В то же время эти опыты образуют фундамент новой теории. Как правило, таких опытов немного. Экспериментальная проверка новой концепции (физической теории), становится её основой, позволяет создать ядро теории. Такие опыты можно отнести к основополагающим. Совокупность экс-

периментальных фактов, раскрывающих дополнительные свойства, признаки, характеристики нового явления, объекта можно назвать опорными, поскольку они «опираются» на ядро новой теории и позволяют создать следствия новой теории (её практическое применение).

Таким образом, фундаментальные опыты - это опыты, вступившие в противоречие с утвердившимися теоретическими знаниями и потребовавшие нового осмысления фактов, закономерностей, их концептуального и теоретического обоснования. К таким опытам можно отнести мысленные эксперименты Г. Галилея (механика), опыты Г. Эрстеда и М. Фарадея (электродинамика), опыт О. Люммера и Э. Принсгейма по исследованию излучения абсолютно чёрного тела (квантовая физика) и др. Все они определили эмпирический базис фундаментальных физических теорий, таких как классическая механика, электронная теория вещества, теория электромагнитного поля, нерелятивистская квантовая механика.

Не все фундаментальные опыты можно продемонстрировать в школьном кабинете физики, между тем создание виртуальных моделей этих опытов не потребует больших материальных затрат. Для создания таких моделей потребуется компьютер. Творческая деятельность учащихся способствует включению школьников в технологию получения не только нового научного факта, но и исследовательской деятельности по моделированию виртуального опыта. Мысленно представляемая и материально реализованная модель эксперимента, отображает или воспроизводит объект исследования, замещая его так, что её изучение даёт нам новую информацию об объекте [6].

Моделирование с самого начала возникновения физики как науки выступало в качестве важного и весьма эффективного метода построения теории, способа выдвижения гипотезы, а также своеобразной формой знания, позволяющей изучать свойства объекта, абстрагируясь от него самого. Например, в механике Г. Галилея и И. Ньютона модель выполняет главную свою функцию, она применяется для описания идеализированной абстракции — материальной точки. В электродинамике М. Фарадея и Д.К. Максвелла модель, имитирующая

непрерывное электромагнитное поле, успешно описывается с помощью наглядных геометрических образов (магнитных силовых линий). Искусными изобретателями механических моделей для объяснения электромагнитных процессов были В. Томсон, Г. Лоренц и многие другие физики. Использованию моделей в обучении физике в настоящее время уделяется большое внимание об этом свидетельствуют диссертационные исследования, публикации по теории и методике обучения физике (Д. А. Исаев, С.Е. Каменецкий, В.В. Майер, В.В. Лаптев, А.С. Кондратьев, А.В. Смирнов, М.И. Старовиков, Н.А Оспенников и др.).

С развитием вычислительной техники компьютерное моделирование становится универсальной методологией исследования физических явлений и закономерностей, что для самой физики обернулось созданием новой ветви науки — вычислительной физики, которая наряду с теоретической и экспериментальной физикой определяет в настоящее время современную структуру физической науки. В связи с этим, изменились и расширились функции самой физики в обучении и развитии учащихся, она стала выполнять не только образовательные функции, связанные с изучением окружающего мира, но и методологические — умения и навыки компьютерного моделирования [1].

Особое место среди многочисленных моделей занимают учебные, которые сходны с научными по своим основным характеристикам [2]. Так же, как и в научной модели, учебная модель представляет собой заместитель объекта изучения. Работая с моделью, учащиеся получают новые знания, которыми они не владели раньше, хотя объективно эти знания не являются новыми в науке.

Учитывая изложенное, с моделированием процессов, закономерностей учащихся в средней школе необходимо знакомить с самого начала обучения физике. В литературе выделяют следующие виды учебных моделей: предметные (физически подобные, аналогии), рисуночно-фотографические (рисунки, учебные фильмы, фотографии), образные (идеализированные объекты, чувственные образы), символические (графические, математические, описательные) [2], виртуальные (анимации, вычислительные модели и др.) [5]. Особого внимания заслуживают виртуальные модели, их роль велика в образовательном

процессе по физике. Вместе с тем, методика обучения моделированию нуждается в дальнейшей разработке и конкретизации.

Виртуальная модель - это любая модель, реализация и исследование которой осуществляется с помощью компьютера. Учебная виртуальная модель предназначена для предъявления учащимся предмета учения и формирования у них соответствующих познавательных умений, в том числе умений выполнения компьютерного эксперимента [5]. В литературе выделены следующие способы применения виртуальных моделей в учебном процессе: качественное изучение готовых моделей; моделирование явлений и закономерностей; моделирование эксперимента. Последние два направления в использовании виртуальных моделей называют виртуальным экспериментом. В первом случае учащийся пользуется готовой моделью, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, процесс, явление замещает сущность объекта таким образом, что учащийся, получает полную, хотя и обобщенную, информацию о самом объекте. Однако, чтобы научиться читать, понимать структуру, содержание модели, необходимо научиться их строить [2]. Поэтому учащимся старших классов, имеющим хорошие знания по информатике, следует предлагать задания не только на анализ готовых моделей, но и на самостоятельное их конструирование. Такой подход позволит учителю реализовать преемственную связь физики с информатикой показать, что компьютер может служить эффективным средством познания физических явлений и процессов.

Создавать виртуальные модели можно с помощью разных программных средств: стандартными инструментальными программами (Excel, Mathcad, Delphi, Macromedia Flash, 3D-Max и др.); специальными инструментами учебной деятельности - моделирующими средами, виртуальными лабораториями и др. (Живая физика, Model Vision Studium, Lab VIEW и др.). Использование виртуальных моделей позволяет визуализировать невидимые объекты и явления, абстрактные теоретические понятия. По мнению Е.В. Оспенниковой [5], элементы основных методов применения информационно-коммуникационных технологий, как в проведении эксперимента, так и в познании в целом, должны

стать в школьном курсе физики предметом целенаправленного изучения, поскольку это важнейшая часть подготовки современного школьника в области современной методологии научного познания.

Таким образом, виртуальный эксперимент (т.е. эксперимент с виртуальной моделью) является современным средством изучения фундаментальных опытов. Однако виртуальный эксперимент не может полностью заменить эксперимент с натурным оборудованием, поэтому важным является комплексное использование виртуального и натурного экспериментов для изучения фундаментальных опытов по физике.

Под натурным экспериментом методисты понимают эксперимент, проводимый на реальном оборудовании в условиях школьного кабинета физики [4]. Отдельные фундаментальные опыты можно воспроизвести на имеющемся в школе оборудовании (модели опытов Х. Эрстеда, М. Фарадея и др.). Модели некоторых опытов можно изготовить с учащимися и демонстрировать их в теневой проекции [2]. Ряд опытов можно реализовать на современном оборудовании Ь-микро (модель опыта Г. Галилея, механическая модель опыта О. Штерна и др.). Особенность этого оборудования заключается в том, что в качестве средства измерения выступает компьютер, данные на который поступают от цифровых датчиков. Оборудование Ь-микро вызывает интерес у школьников, поскольку соответствует тому миру техники, в котором они живут. Модели, воспроизводимые в условиях кабинета физики можно отнести к материальным моделям, (т.е. это некоторые макеты, муляжи, эталоны и др., уменьшенные или увеличенные копии, воспроизводящие внешний вид моделируемого объекта, его структуры или поведения) [1].

Анализ научно-методической литературы убедил в том, что в настоящее время проблеме моделирования всех видов физического эксперимента уделяется большое внимание. Вместе с тем, в известных нам работах не рассматривается методика обучения учащихся старшей профильной школы моделированию фундаментальных физических опытов по физике на основе компьютерного (виртуального) и компьютеризированного (с использованием цифровых датчиков) экспери-

мента. Такой подход при изучении фундаментальных опытов учащимися старшей профильной школы позволяет использовать моделирование (материальное и виртуальное) для реализации вариативного подхода в обучении, который трактуется как организация процесса обучения, позволяющая предложить учащимся индивидуальные варианты учебных планов (маршрутов), которые соответствуют индивидуальным особенностям школьников и их интересам [3]. Выбор учебных маршрутов определяется индивидуальными особенностями личности каждого ученика познавательными интересами, успехами в учебной деятельности, увлечениями и др. Такое обучение направлено не только на формирование знаний, но и на совершенствование механизмов познания учащихся, поскольку учитываются их интересы, возможности и потребности.

Библиографический список

1. Бешенков, С. А. Моделирование и формализация. Методическое пособие [Текст]/ С. А. Бешенков, Е.А. Ракитина. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. - 336 с.

2. Каменецкий, С.Е. Модели и аналогии в курсе физики средней школы: Пособие для учителей [Текст]/ С.Е. Каменецкий, Н.А. Солодухин. - М.: Просвещение, 1982. - 96с.

3. Кулюткин, Ю.Н. Моделирование педагогических ситуаций [Текст]:/Ю.Н. Кулюткин Г.С. Сухобская. - М., 1981. - 185с.

4. Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе: чеб. Пособие для студ. Высш. Пед. Учеб. Заведений [Текст]/ С.Е. Каменецкий, С.В. Степанов, Е.Б. Петрова и др./Под ред. С.Е. Каменецкого, С.В. Степанова. - М.6 Издательский центр «Академия», 2002. - 304с.

5. Цифровые образовательные ресурсы в школе: методика использования. Естествознание: сборник учебно-методических материалов для педагогических вузов [Текст]/ сост. Н.П. Безрукова, А.С. Звягина, Е.В. Оспенникова; под общ. ред. Е.В. Оспенниковой. — М.: Университетская книга, 2008. — 480 с.

6. Штофф, В. А. Модел^ование и философия [Текст]/В.А. Штофф - М.: Наука, 1966. -

304с.

Bibliography

1. Beshenkov, S.A. Modelling and Formalization: Teacher Edition [Text] / S.A.Beshenkov, E.A.Rakitina. - М: Laboratoria Basovih Znaniy, 2002. - 336 p.

2. Digital Educational Resources at School: Methods of Application. Natural Sciences: Collection of Educational-and-Methodical Materials for Pedagogical Higher Schools [Text] / N.P. Bezrukov, A.S. Zvyagin, E.V. Ospennikova / Edit. by E.V. Ospennikova. - М: University Book, 2008. - 480 p.

3. Kamenetsky, S.E. Models and Analogies in the Course of Physics at High School: Supplementary Book for Teachers [Text] / S.E.Kamenetsky, N.A.Solodukhin. - М: Education, 1982. -96 p.

4. Kulyutkin, Yu.N. Modeling of Pedagogical Situations [Text]:/ Yu.N. Kulyutkin, G.S. Sukhobskaya. - М, 1981. - 185 p.

5. Laboratory Practical Workbook in the Theory and Methods of Teaching Physics at School: Students’ Supplementary Book [Text] / S.E.Kamenetsky, S.V.Stepanov, E.B.Petrov, et al. / Edited by S.E.Kamenetsky, S.V.Stepanov. - M.: "Academy" Publishing Centre, 2002. - 304 p.

6. Shtoff, V.A. Modeling and Philosophy [Text] / V.A. Shtoff. - М: Science, 1966. - 304 p.