Диссертация на соискание ученой степени
| Вид материала | Диссертация |
СодержаниеГлава II. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ АСТРОНОМИИ и физики НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНО-ПЕДАГОГИЧЕ II.1. Анализ существующих компьютерных мультимедийных курсов и методика их применения в курсах астрономии и физики в средней шко Перечень программно-педагогических средств Краткая характеристика Encyclopedia of science Interactive physics Discover astronomy Astronomy lab Перечень программно-педагогических средств Краткая характеристика Перечень интерактивных программно-педагогических средств Современные ППС и телекоммуникационные средства обучения должны удовлетворять дидактическим требованиям Рис. 1. Компьютерная модель «Изобарный процесс». Рис.2. Компьютерная модель «Вынужденные колебания». Рис. 3. Интерактивная модель «Взаимодействие параллельных токов». Рис. 4. Формирование теста по физике в системе дистанционного обучения образовательного портала «Открытый Колледж». Ознакомительное задание Компьютерные эксперименты. Экспериментальные задачи Исследовательские задания. ... 4 5 6 7 8 9 ... 14 Глава II. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ АСТРОНОМИИ и физики НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИХ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СРЕДСТВВ настоящей главе рассматриваются предпосылки комплексного использования программно-педагогических и телекоммуникационных средств в целях развития познавательной самостоятельности учащихся. В настоящее время особенность стратегии развития образования основывается на необходимости перехода к личностно-ориентированной педагогике с учетом тенденций компьютеризации. В главе рассматриваются вопросы определения дидактических требований на основе современных технических изменений к программно-педагогическим средствам, учебным сайтам по физике и астрономии, образовательным порталам, телекоммуникационным средствам обучения. II.1. Анализ существующих компьютерных мультимедийных курсов и методика их применения в курсах астрономии и физики в средней школеВопрос использования новых информационных технологий в обучении астрономии и физике в средней школе является очень важным и актуальным. Современные программно-педагогические средства и телекоммуникационные средства развиваются с калейдоскопической быстротой. Поэтому необходимо определить дидактические требования к современному понятию «электронный учебник», к комплексу программно-педагогических и телекоммуникационных средств обучения астрономии и физике, рассмотреть вопросы методики применения программно-педагогических и телекоммуникационных технологий в преподавании астрономии и физики. В настоящее время в обучении физике широко применяются различные ППС – программно-педагогические средства обучающие компьютерные программы и программные среды. С появлением компьютеров в классах стала меняться методика преподавания астрономии и физики, все больше используются проектная и исследовательская формы учебной деятельности, индивидуализация обучения []. Применение компьютера на уроке физики эффективное средство познавательной деятельности учащихся, которое открывает для учителя широкие возможности по совершенствованию урока. Используя учебные имитационные компьютерные программы, учитель может представить изучаемый материал более наглядно, показать модели физических экспериментов, для которых нет оборудования в школе. Например, «Задачник по физике. Оптика. Волны» позволяет учащимся наблюдать имитационные эксперименты по интерференции и дифракции, «Физика в картинках» позволяет показывать «Зоны Френеля», «Опыт Майкельсона», опыты по поляризации света. С помощью астрономической программы «PcSpace v. 2.2» возможно путешествие на космическом корабле по нашей Галактике. Можно «долететь» до любой звезды и посмотреть, как с нее выглядит звездное небо. Программа RedShift 4 является универсальным планетарием. Компьютерная программа по физике может смоделировать работу ядерного реактора или эволюцию звезд. Кроме того, компьютерное моделирование существенно экономит время на самих уроках, упрощает процесс подготовки учителя к уроку, экономит время учителя. Для учителя физики и астрономии важно ориентироваться в основных ППС, а также знать, для каких дидактических целей они могут использоваться. Кратко невозможно проанализировать особенности всех современных компьютерных дидактических средств по физике и астрономии, такое разнообразие имеется на сегодняшний день. В настоящее время внимание специалистов и фирм, занимающихся разработкой различных обучающих компьютерных программ, сосредоточено на разработке компьютерных дисков, содержащих анимационные модели, интерактивные модели, обучающие компьютерные среды. Мы понимаем под анимацией модель, в которой возможно отражение физического явления, процесса, движение объектов без влияния пользователя на это движение, процесс, явление. Под интерактивной моделью мы понимаем такую анимацию, на параметры которой можно влиять в процессе изучения. С методической точки зрения с помощью интерактивных моделей можно сконструировать компьютерную лабораторную работу. Под обучающей компьютерной моделирующей средой мы понимаем интерактивную среду, в которой можно создавать самостоятельные интерактивные эксперименты, моделировать процессы и явления. Важными могут быть ответы на следующие первоочередные вопросы.
Ответы на данные вопросы мы постарались привести в таблицах 3–6. Таблица 3. Перечень программно-педагогических средств по физике и астрономии (обучающие программы, демонстрационные программы для операционной системы DOS)
Таблица 4. Перечень программно-педагогических средств по физике и астрономии (для операционной системы WINDOWS)
Таблица 5. Перечень программно-педагогических средств по физике (для компьютеров Macintosh)
Таблица 6. Перечень интерактивных программно-педагогических средств по физике с элементами дистанционного обучения через Интернет (для IBM-совместимых компьютеров)
Анализ имеющихся ППС по астрономии позволяет сделать вывод, что не создан современный мультимедийный курс астрономии, содержащий интерактивные модели, тренирующе-тестирующий блок, интегрированный с базой задач и тестов, поисковый блок, содержащий предметный и именной указатели, глоссарий. Мультимедийный курс должен быть ориентирован на работу не только на локальном компьютере, но и в локальных сетях и Интернет. Анализ имеющихся ППС по физике позволяет сделать вывод, что в настоящее время созданы различные современные мультимедийные курсы по физике. В дальнейшем надо создать мультимедийный курс, в котором кроме интерактивных моделей, учебно-справочного блока, тестирующего комплекса, имеется виртуальная лаборатория, в моделирующей среде которой учитель и учащиеся смогут самостоятельно создавать интерактивные модели. По своему дидактическому назначению ППС можно разделить на следующие группы:
С другой стороны принято выделять:
Программно-педагогические средства позволяют:
Термин «учебная компьютерная среда» употребляют многие исследователи. Сметанников А.Л. считает, что «учебная компьютерная среда» применяется «… для изучения отдельных тем и разделов дисциплин, усвоение которых направлено на формирование функциональных навыков умственных действий. Суть их заключается в том, что учащемуся предоставляется математическая, информационная или структурная модель обучаемого объекта, явления или процесса (среда)» [, С.22 ]. Под термином обучающая компьютерная моделирующая среда мы понимаем интерактивную среду, в которой можно изучать поведение среды (объекта, явления или процесса), самостоятельно создавать интерактивные эксперименты. Так в компьютерной среде «Живая Физика» учащиеся могут изучать движение тел в любых полях, например гравитационном или электромагнитном []. Современные ППС и телекоммуникационные средства обучения должны удовлетворять дидактическим требованиям:
В последнее время, в связи с развитием технических возможностей современных компьютеров, стало реальным соединение всех вышеперечисленных свойств ППС в одном мультимедийном учебном компьютерном диске. Именно к таким поколениям ППС относятся «Открытая Физика» []. Несмотря на то, что новый компьютерный курс «Открытая Физика» ориентирован на индивидуальную, самостоятельную работу школьников, он может с успехом использоваться и на уроках физики. В данном компьютерном мультимедийном курсе имеются более 100 анимационных и интерактивных моделей, позволяющих в динамике проиллюстрировать изучаемое физическое явление, лабораторные работы, задачи, тесты, в том числе снабженных подробными решениями. Сначала учащийся должен дать ответ на поставленный вопрос, а затем проверить правильность полученного результата, выполнив компьютерный эксперимент. Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. До компьютерного эксперимента целесообразно проводить реальный физический эксперимент []. Модели дают возможность в широких пределах изменять условия физических экспериментов (массы, скорости, ускорения, жесткости пружин, температуры, характер протекающих процессов и т.д.). Например, в компьютерной модели «Изобарный процесс» в компьютерном курсе «Открытая физика 2.0» моделируется изобарный процесс, т.е. процесс квазистатического расширения или сжатия идеального газа при постоянном давлении. Давление газа можно выбирать. Приводится график зависимости для изобарного процесса, выводится энергетическая диаграмма, на которой указываются количество теплоты Q, полученной газом, произведенная работа A и изменение его внутренней энергии U (рис.1).  Рис. 1. Компьютерная модель «Изобарный процесс». В компьютерной модели «Вынужденные колебания» демонстрируются вынужденные колебания груза на пружине. Изменяющаяся по гармоническому закону внешняя сила приложена к свободному концу пружины. Внешняя сила начинает действовать на колебательную систему при нажатии кнопки «Старт»; поэтому компьютерная модель позволяет продемонстрировать не только установившиеся вынужденные колебания, но и процесс установления (переходный процесс). В модели можно изменять массу груза m, жесткость пружины k и коэффициент вязкого трения b. Выводятся графики зависимости от времени координаты и скорости груза и другие параметры колебаний, при этом одновременно показывается резонансная кривая. Можно обратить внимание учащихся на то, что установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте вынуждающей силы и показать, что резонанс наступает, когда эта частота приближается к собственной частоте колебательной системы (рис.2).  Рис.2. Компьютерная модель «Вынужденные колебания». Такая интерактивность перед учащимися открывает огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Следует отметить, что в компьютерных моделях воссоздаются реальные количественные условия физических экспериментов. Это в значительной степени способствует выработке у учащихся ощущения реальных масштабов физических явлений и процессов. В ходе исследования предложены две модели учебной деятельности, которые реализуются с помощью ППС: 1) интерактивное моделирование и 2) компьютерная лабораторная работа. Первая из этих моделей раскрыта в главе III (стр. 131 – 144). Модель «Компьютерная лабораторная работа» конкретизирована для мультимедийного курса «Открытая Физика 2.5» часть 2 в виде 14 компьютерных лабораторных работ, тестов и заданий. (К части 1 разработаны Кавтревым А.Ф.). К главе «Электродинамика»:
К главе «Электромагнитные колебания и волны»:
К главе «Оптика»:
К главе «Основы специальной теории относительности»:
К главе «Квантовая физика»:
К главе «Физика атома и атомного ядра»:
Безусловно, компьютерные лабораторные работы рекомендуется проводить только после реальных физических экспериментов. Методику проведения компьютерной лабораторной работы приведем на примере компьютерной лабораторной работы «Взаимодействие параллельных токов». После простых по подготовке к демонстрации опытов «Взаимодействие двух параллельных токов» с лентами из алюминиевой фольги, подробно разобранных в книге «Демонстрационный эксперимент по физике. Том 2» [, С.76 – 78], акцентирования внимания учащихся на то, что силовые линии магнитного поля вокруг проводника с током являются концентрическими окружностями и лежат в плоскости, перпендикулярной этому проводнику и проведения фронтального эксперимента по взаимодействию двух круговых токов, используя проволочные мотки, ключ, штатив, цветные соединительные провода и источник постоянного тока на 4 В, рекомендуется ознакомиться с соответствующей интерактивной моделью (рис. 3).  Рис. 3. Интерактивная модель «Взаимодействие параллельных токов». После ответов на контрольные вопросы в тестовой форме выполняются задания. Например, задание № 1 «По двум бесконечным параллельным проводникам протекают токи 1 А и 2 А в разных направлениях. Расстояние между проводниками 0,8 м. Определить величину и направление индукции магнитного поля на расстоянии 0,8 м от каждого проводника. Провести компьютерный эксперимент и проверить Ваш ответ». Предполагается, что учащиеся могут данное задание выполнить, решая задачу, а затем проводят компьютерный интерактивный эксперимент и проверяют свое решение. Учащимся рекомендуется объяснять, что данный компьютерный интерактивный эксперимент – учебный. В науке компьютерное моделирование применяют для решения сложных задач, например, для анализа эволюции звезд различной массы и химического состава. Методика проведения компьютерной лабораторной работы «Взаимодействие параллельных токов» приведена в Приложении № 1. Нами была разработана методика самостоятельного составления компьютерных лабораторных работ, используя интерактивные модели из мультимедийного курса «Открытая Физика 2.5». Для этого рекомендуется использовать тот же алгоритм для создания лабораторных работ, который применен в данном мультимедийном курсе. В качестве примера была взята сложная тема для усвоения учащихся из термодинамики – «Работа газа». Именно по данной теме в мультимедийном курсе имеется интерактивная модель, используя которую и можно разработать компьютерную лабораторную работу, в ходе решения задач которой необходимо делать компьютерные эксперименты. Сначала рекомендуется разобрать теорию вопроса, затем ответить на контрольные вопросы, потом выполнить задачи, при решении которых необходимо провести компьютерный эксперимент и проверить полученный результат. Методика проведения компьютерной лабораторной работы «Работа газа» приведена в Приложении № 2. Таким образом, разработана структура тестов и заданий, проверяемых компьютерным экспериментом. Разработаны методические рекомендации по самостоятельному конструированию компьютерных лабораторных работ с помощью интерактивных моделей по физике, рекомендации включены в мультимедийный курс «Открытая Физика 2.5». В курсе «Открытая Физика» компанией ФИЗИКОН использована Интернет технологии (Java, HTML, Internet Explorer в качестве броузера и т.д.), что позволяет использовать этот учебный диск для проектов дистанционного образования в сети Интернет по паролю доступа в образовательный портал «Открытый Колледж» (ссылка скрыта). Именно это делает компьютерный курс исключительно интересным для методической работы учителя [, ]. Каждый учащийся может получить индивидуальный контрольный тест из базы данных, созданный в трех вариантах сложности, получить электронную консультацию по решению теста, при этом задания формируются индивидуально, в зависимости от возраста и уровня знаний ученика, ведется журнал достижений [, ]. На рис.4 показана структура формирования тестов (количество вопросов, тема, уровень сложности может варьироваться).  Рис. 4. Формирование теста по физике в системе дистанционного обучения образовательного портала «Открытый Колледж». Если учащийся не смог ответить на тест, он после консультации с виртуальным учителем и возврата в текст электронного учебника вторично получает уже принципиально другой набор тестовых заданий. А поскольку база данных задач на сервере значительна, то решение всех тестовых задач каждым учащийся носит объективный характер и может быть оценено учителем на каждом занятии с выставлением соответствующей отметки уже в журнал класса. Кроме этого, учитель может и сам воспользоваться огромным количеством тестов из базы данных, это намного превышает количество тестов, опубликованных лабораторией аттестационного тестирования Московского института открытого образования (МИОО). Кроме этого, многие тесты достаточно сложны и интересны. При использовании на уроке данных курсов для учителя открываются широкие возможности для учителя по совершенствованию структурирования урока. Учитель в зависимости от уровня подготовки учащихся и изучаемого материала может подобрать из курса иллюстрации физических процессов и явлений, задачи, тесты, лабораторные работы. Наблюдения при различных условиях опыта «живых» моделей физических явлений с последующим обсуждением и теоретическими оценками вызывает у учащихся повышенный интерес и создает в классе атмосферу коллективного творчества. Обобщая выше сказанное, можно сделать вывод о том, что учитель на уроке может использовать учебные компьютерные курсы для:
Практика использования указанных программно-педагогических средств на уроках физики показывает, что, если учащимся предлагать интерактивные модели для самостоятельного изучения, то учебный эффект оказывается чрезвычайно низким. Для эффективного вовлечения учащихся в учебную деятельность с использованием интерактивных компьютерных моделей необходимы индивидуальные раздаточные материалы с заданиями и вопросами различного уровня сложности. Кавтрев А.Ф. перечислил основные виды заданий, которые можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями []: Ознакомительное задание. Это задание предназначено для того, чтобы помочь учащемуся осознать назначение модели и освоить её регулировки. Задание содержит инструкции по управлению моделью и контрольные вопросы. Компьютерные эксперименты. В рамках этого задания учащемуся предлагается провести несколько простых экспериментов с использованием данной модели и ответить на контрольные вопросы. Экспериментальные задачи. Это задачи, для решения которых учащемуся необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов. Тестовые задания. Это задания с выбором ответа, в ходе выполнения которых учащийся может воспользоваться компьютерной моделью. Исследовательские задания. Учащемуся предлагается самому спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые подтверждают или опровергают некоторую закономерность. Наиболее способным учащимся предлагается самостоятельно сформулировать ряд закономерностей и подтвердить их экспериментом. Творческие задания. В рамках таких заданий учащиеся сами придумывают задачи, формулируют их, решают, а затем ставят компьютерные эксперименты для проверки полученных ответов. Перечисленные задания помогают учащимся быстро овладеть управлением компьютерной моделью, способствуют осознанному усвоению учебного материала и пробуждению творческой фантазии. Особенно важно то, что учащиеся получают знания в процессе самостоятельной работы, так как эти знания необходимы им для получения конкретного наблюдаемого на экране компьютера результата. Учитель на таком уроке выполняет лишь роль помощника и консультанта. Мультимедийных курсов по астрономии, содержащих интерактивные модели, нет. Разработка такого мультимедийного курса по астрономии, соответствующего школьному астрономическому образованию, имеющему методическую поддержку через Интернет, и явилась частью данного исследования. Таким образом, можно предложить использование компьютера в кабинете физики различными способами:
В параграфе дана характеристика программно-педагогических средств для различных операционных систем (DOS, WINDOS, MAC) по физике и астрономии, рассмотрены основные способы применения ППС на уроках, основные виды заданий и способы их использования на уроках, а также рассмотрены различные возможности применения компьютеров в учебных целях. Показано, что не существует мультимедийного курса по астрономии, отвечающего современным дидактическим требованиям. |