Педагогічні аспекти використання комп’ютерного моделювання при вивченні розділу "Хвильової оптики"

- керовані потоки, які можна розглядати як послідовність керованих дій щодо обліку, аналізу, нормування, планування, розподілу, контролю, звітності, організації та інформування відносно кадрового, фінансового, матеріально-технічного, енергетичного, інформаційного та іншого ресурсного забезпечення навчального процесу.

Якщо вказані компоненти структуровані й пов'язані з деталізованими цільовими функціями, то морфологію навчального процесу можна розглядати як його інфологічну модель. Запровадження в навчальний процес обчислювальної техніки може вплинути на зміст моделі і залишити її у первісному вигляді.

Саме процес набуття знань, умінь і навичок, спираючись на теорію поетапного формування знань як на теоретичну основу його побудови, за своїм характером може бути індуктивним чи дедуктивним. Відповідно до обраного методу викладання матеріалу формується й технологічний цикл заняття, де головним регулюючим ресурсом є інформація, що відображає у той чи інший спосіб поняття курсу.

Процедура інформування, яка у традиційній технології навчання має форму лекційного викладання, як правило, через машинну форму навчання носить тривіальний характер, набуває вигляду послідовного пробігу (тобто листання) матеріалу курсу за допомогою екрана комп'ютера. Теоретичні та практичні проблеми у цьому випадку належать сфері дидактики і психології й пов'язані з визначенням оптимального обсягу однієї навчальної дози, послідовності таких доз, формою зображення (текстова, графічна, звукова). Частково процедури оптимізації структури навчального курсу можуть бути автоматизовані. Так, враховуючи прагматичну вагу поданої студентові інформації, а також ергономічні та психологічні характеристики, що відображають індивідуальні можливості того, кого навчають, сприймати і запам'ятовувати інформацію, є можливість встановити межі й обсяг окремих навчальних доз, обсяг конкретного заняття, розробити індивідуальний план засвоєння студентом дисциплін [202; 208].

Проте інформування студентів як базова процедура навчального процесу все-таки потребує участі людини (викладача) і певною мірою не формалізується, як не формалізується і процес відтворення знань. Розвиток пакетів прикладних програм загального призначення дозволив дещо ширше розглядати можливості діалогу тих, кого навчають, із системою, що супроводжує машинний навчальний курс.

Інші процедури навчального процесу (консультація, контроль тощо), які за логікою застосування підпорядковані базовій навчальній процедурі - інформуванню, можуть бути формалізовані більшою мірою.

Підсумовуючи викладені міркування, можна констатувати, що успішність впровадження обчислювальної техніки з метою безпосередньої реалізації навчальних процедур передусім пов'язана з рівнем та якістю інформаційно-методичного забезпечення.

Контроль знань є складовою частиною практично всіх видів і форм занять, а його результати використовують як основу для корекції роботи тих, кого навчають, а також для зміни методики викладання і змісту навчальних курсів, оптимізації структури навчальних процедур. Тому, автоматизуючи контрольні процедури, необхідно не тільки намагатися позбутися недоліків, які має традиційний контроль знань (тривалість процесу, локальність результату, суб'єктивність при оцінці знань тощо), але й докласти зусиль щодо побудови умов, за яких можливі реалізація в ході машинного навчання творчих операцій викладача, розширення можливостей діагностики знань великих груп тих, кого навчають, зменшення часу контролю із збереженням чи навіть розширенням його обсягу і підвищенням точності результатів.

Виключне значення для машинного навчання має консультація, тому що на цю процедуру покладається завдання не тільки корекції неправильно засвоєних знань, але й побудова інформаційних повідомлень, які є реакцією на запити студентів до системи. Розвиток машинного навчання пов'язаний з ростом можливостей системи, інтерпретації базового інформаційно-методичного забезпечення, що потребує, на наш погляд, розробки засобів, які автоматизують процес формування пояснень і консультативних повідомлень. Таким чином, у режимі машинної консультації на автоматизовану навчальну систему покладено функцію генерації повідомлень інформації. Процедуру консультації можна розглянути як базову функцію навчальної довідкової системи, яку дозволяється використовувати як самостійний компонент машинного навчального середовища, значення якого для навчальної роботи постійно зростає. Дійсно, саме довідники з різних напрямків знань, що містять у стислому вигляді основні поняття, їх характеристики й особливості об'єктів спостереження завжди користуються попитом, бо вони є одним з найважливіших засобів для забезпечення постійної творчої діяльності, а щодо навчального процесу - необхідні, перш за все, в курсовому та дипломному проектуванні.

Найбільш ефективно консультація може бути реалізована на розширеній базі навчальної інформації за рахунок розподілу навчального курсу на дози чи структурування його якимось іншим чином, також побудови моделі відношень між поняттями курсу й апарату утворення посилань на фрагменти базового навчального посібника.

Перейдемо до розгляду і обговорення конкретних форм організації навчання і спробуємо оцінити роль ЕОМ в кожному з них.

Найбільш стійкою формою організації навчання, що виправдала себе з точки зору ефективності і економічності в застосуванні до масового навчання, є лекція. В основі лекційного навчання лежить спосіб передачі знань у готовому вигляді чи так званий інформаційно-рецептивний метод, згідно з яким викладач проводить попередній відбір інформації, організовує її сприйняття, демонструє зразки діяльності із застосування отриманих знань на практиці.

Об'єднання аудиторної лекції з лабораторним експериментом дозволяє значно підвищити ефективність навчання, органічно сумістити теорію з практикою, а машинна графіка дозволяє студентам наочно "побачити" абстрактне явище і тим самим швидко виробити інтуїтивне уявлення про нього. На звичайній лекції студенти ведуть себе в більшості пасивно. В результаті студенти практично не вникають у матеріал, що вивчається, до того часу, поки не приступають до виконання домашнього завдання. Тим самим роль лекції знецінюється. Викладач же, який має наділену засобами машинної графіки АНС, може вводити новий матеріал, пояснюючи його за допомогою серії мультиплікаційних зображень, після він може запропонувати кожному із студентів самостійно попрацювати з одним і тим же "інтерактивним фільмом". В розвинутих АНС з машинною графікою користувачі можуть вирішувати, які ілюстративні матеріали з даної теми показати, керувати швидкістю кадрів мультиплікаційного фільму, створюючи різноманітні відеоефекти - накладання зображень, стоп-кадр, зворотня зйомка тощо. Можливість спостерігати багаточисленні динамічні зображення складних процесів становить значний інтерес не тільки для студентів, але й для викладачів.

Доповнені комп'ютерною мультиплікацією, подібні демонстрації повинні суттєво скоротити затрати часу в роботі лектора на громіздкі малюнки і пояснення, покращити розуміння фізичних принципів роботи технічних пристроїв студентами за рахунок покращення наочності матеріалу, що викладається. По-друге, дуже важливим застосування комп'ютерних демонстрацій є ілюстрація ключових для розуміння логіки розвитку фізики експериментів, натурна постановка яких в рамках лекції неможлива.

Моделювання на ЕОМ фізичних процесів, що недоступні для масового спостереження, робить їх наочними і дає можливість демонструвати широкій аудиторії

Застосування класу ПЕОМ, дозволяє в аудиторії розв'язувати фізичні задачі, які практично неможливо запропонувати студентам в межах звичайних практичних занять (наприклад, задачі, що потребують великої кількості складних розрахунків, або задачі, які не мають аналітичного розв'язку і потребують для розв'язання застосування числових методів).

Комп'ютерні роботи, що не так давно офіційно увійшли до програми курсу фізики, демонструють хороші можливості для створення проблемних ситуацій на практичних заняттях.

Використання ЕОМ на практичних заняттях з фізики поряд з традиційними методиками може дати певні наслідки і буде ефективним з точки зору дидактики.

Розв'язавши задачу, студент набирає за допомогою клавіатури відповідь, перевіряє її на екрані дисплея і, переконавшись, що помилок немає, відправляє її в оперативну пам'ять ЕОМ, яка аналізує відповідь. Якщо задача розв'язана вірно, то студенту видається чергове контрольне завдання або чергова доза навчального матеріалу.

У випадку, якщо у відповіді виявлена помилка, то ЕОМ видає студентові (учневі) на екран пояснення: яка допущена помилка і що потрібно зробити. Цей процес повторюється до того часу, поки студент самостійно не закінчить розв'язок контрольного завдання. Студент може запросити допомогу у ЕОМ або у викладача. Всі дії студента (учня) (кількість зроблених спроб розв'язку, затрачений час тощо) фіксується ЕОМ. Всі статистичні дані про хід навчання передаються викладачеві.

Застосування персональних комп'ютерів у навчальному процесі дозволяє:

1) інтенсифікувати процес навчання і підвищити його ефективність за рахунок можливості опрацювання великого об'єму навчальної інформації;

2) розвивати пізнавальну активність,самостійність, підвищувати інтерес до дисципліни, яка вивчається;

3) встановлювати зворотній зв'язок, необхідний для керування навчальним процесом, систематично контролювати знання і вміння та підвищувати якість перевірки знань;

4) удосконалювати форми і методи організації самостійної роботи студентів;

5) індивідуалізувати процес навчання у масовій аудиторії зі збереженням цілісності, що дозволяє враховувати індивідуальні особливості студента, розвивати їх здібності;

6) здійснювати принцип алгоритмізації навчальної діяльності.

Крім того, застосування ЕОМ у навчальному процесі є не тільки як засіб навчання, але і як предмет вивчення. Засвоюючи за допомогою ЕОМ певний навчальний курс, студент одночасно оволодіває навичками роботи з електронно-обчислювальною технікою, яка відіграє все зростаючу роль у всіх сферах народного господарства. Проте це не значить, що всі завдання удосконалення навчального процесу можна вирішити за допомогою ЕОМ. Основним критерієм тут повинен бути принцип педагогічної доцільності. Форми і методи навчання, які стимулюють пізнавальну активність студентів, повинні вибиратися залежно від конкретного змісту навчального матеріалу і від конкретної дидактичної мети, що ставиться і може бути найбільш ефективно досягнута за допомогою саме таких форм і методів.

Педагогічні задачі комп'ютерізації семінарських занять з методики фізики можна класифікувати, відзначає Гуревич Ю.Л. [84], за трьома основними напрямками:

- формування операційного стилю мислення у всіх студентів;

- підвищення ефективності навчального процесу при вивченні методики викладання фізики із застосуванням ЕОМ;

суттєва активізація розумової діяльності студентів за допомогою програм, що оперативно збирають інформацію з робочих студентських місць і аналізують її.

Важливо не забувати, що незалежно від насичення комп'ютерами кабінету методики і техніки фізичного експерименту, все ж основною ланкою на семінарському занятті, яка регулює взаємодію в системі "Студент - ЕОМ", залишається викладач, який володіє методологією і методикою навчального процесу в умовах широкого застосування ЕОМ і загальної комп'ютерної грамотності.

У даному розділі найбільш повна відповідність специфіці ЕОМ має місце у випадках тренування і контролю, що, як правило, є окремими елементами методичної підструктури практичного, лекційного чи семінарського заняття, але час від часу кожному з них (або обом одночасно) присвячуються повні заняття тренувально-контролюючого типу. Ці заняття можуть бути як аудиторними, так і позааудиторними, виконуваними в рамках самостійної роботи.

В застосуванні до автоматизованого навчання поняття "самостійна робота" може практикуватися скоріше як режим чи як компонент дидактичних умов навчання.

В процесі передлабораторного заняття студенти попередньо моделюють лабораторні умови: "збирають" апаратуру, знімають покази приладів, проводять обчислення і інтерпретують результати. На постлабораторних заняттях частина часу витрачається студентами на введення результатів (отриманих в лабораторіях) в ЕОМ для перевірки їх достовірності, а час, що залишився, використовується для обговорення специфічних індивідуальних проблем з викладачем. Заняття, які розширюють рамки лабораторних, присвячуються моделюванню експериментів, які вже виконувались в лабораторних умовах, якщо їх важко повторити з причини тривалості в часі, а також складного чи дорогого обладнання .

Останній тип занять - заняття в режимі "тренажер" - дозволяють відтворювати реальну обстановку, що виникла, наприклад, в кабіні пілота, в космічному кораблі тощо. Цей режим вимагає використання особливих терміналів, які імітують специфічне обладнання. Крім того, заняття в цьому режимі багато в чому перегукуються з лабораторними і тому спеціальний розгляд їх не доцільний.

Закінчуючи розгляд різних форм заняття, потрібно зауважити щодо неповноти їх представлення. Зокрема, ми спеціально не надавали уваги екскурсіям, конференціям, заняттям-дискусіям і багатьом іншим організаційним формам, що входять до навчального процесу. Будь-яка з цих форм потенційно може бути автоматизована. Однак їх автоматизація не завжди доречна. Краще зберегти ці форми як колективні для активізації навчального процесу. Тому їх аналіз не такий важливий в рамках даного дослідження.

Аналіз знань учнів з фізики показує, що вони -- поверхові і неміцні. Старшокласники недостатньо ознайомлені із сучасними науковими досягненнями, методами дослідження та обладнанням, яке при цьому використовується. Особливо це стосується питань теоретико-пізнавального характеру з оптики, які відображають найважливіші ідеї сучасної науки.

Сказане свідчить про необхідність підвищення наукового рівня ознайомлення учнів з природою світла, з процесом його випромінювання, поширення, поглинання, а також хвильовими властивостями.

Шляхи підвищення ефективності експериментального вивчення курсу оптики в середній школі та спеціалізованих школах, гімназіях, ліцеях знайшли втілення в програмно-методичному комплексі (ПМК) "Хвильова оптика", до структури якого входить програмоване педагогічне забезпечення (ППЗ):

Засоби спостереження інтерференції світла.

Дифракція.

Типи задач з оптики, що розв'язуються за допомогою ЕОМ.

Лабораторний експеримент з хвильової оптики на основі імітаційних моделей оптичних явищ.

Зокрема, в систему демонстрацій і лабораторних робіт для вивчення явищ інтерференції й дифракції світла були включені нові та вдосконалені навчальні комп'ютерні досліди, такі як:

1) дифракція Френеля:

а) дифракція на одній щілині;

б) дифракція на перешкоді;

в) дифракція на напівплощині;

2) дифракція Фраунгофера:

а) дифракція на щілині;

б) дослід Юнга;

в) дифракційні ґратки;

3) дифракційні ґратки:

а) роздільна здатність дифракційних ґраток;

б) дифракція білого світла;

в) застосування дифракційних ґраток;

дослід з дзеркалами Френеля;

дослід з біпризмою Френеля;

дослід з дзеркалом Ллойда;

спостереження інтерференції світла від двох когерентних джерел.

ПМК моделює оптичні явища, які безпосередньо не спостерігаються, що дає змогу зробити їх наочними, а учням зрозуміти взаємозв'язок різних оптичних параметрів, що характеризують дане явище. Кожного разу інтерференційна картина, яка спостерігається, виводиться на екран монітора. В процесі зміни початкових умов аналізуються умови інтерференційного максимуму і мінімуму. Розрахунок дифракційної картини базується на використанні методу зон Френеля.

Зупинимося на вивченні теми "Дифракція світлових хвиль".

Звернення до даної теми не випадкове. Вивчення цього явища, з одного боку, сприяє поглибленому розумінню властивостей хвильового процесу, а з іншого -- дає змогу встановити межу використання законів геометричної оптики.

Відомо, що відхилення від законів геометричної оптики, і, зокрема, від законів прямолінійного поширення світла, залежить від співвідношення трьох величин: розмірів перешкоди, довжини хвилі, відстані від перешкоди до місця спостереження дифракційної картини. Це легко проілюструвати на імітаційних комп'ютерних моделях. Розглянемо приклад "Дифракція Френеля на щілині". Розроблена нами підпрограма моделює дифракцію плоских хвиль на нескінченно довгій щілині. Дифракційна картина, що спостерігається, залежить від довжини падаючої хвилі, відстані до точки спостереження, розмірів щілини. Усі ці величини є вхідними параметрами і можуть змінюватися в процесі роботи. Одиниці вимірювання усіх параметрів відносні. В результаті виконання програми на екрані дисплея з'являються інтерференційна картина і графік розподілу інтенсивності світла в площині спостереження.

Верхнє горизонтальне меню містить такі пункти: довжина хвилі L, розмір щілини S, масштаб М. Нижнє меню містить розділи: назву демонстрації, значення інтенсивності хвилі в даній точці поля з покажчиком координат.

Після натиснення клавіші "1" починає працювати програма. На щілину падає плоска хвиля з обраною довжиною L (мал. 2.1). У середній частині хвильової картини (за щілиною) фронт хвилі має вигляд концентричних кіл, створюючи враження кругових хвиль, що виходять від країв щілини. Це означає, що після проходження крізь щілину хвилі поширюються не лише в початковому напрямі. Це явище називається дифракцією.

За допомогою запропонованої програми можна досліджувати дифракцію хвиль різної довжини і таким чином показати перехід від хвильової оптики до геометричної.

Розглянемо картину проходження періодичних хвиль різної довжини крізь одну й ту саму щілину. Перший дослід: довжина хвилі L = 0,5S (мал. 2.2). У цьому випадку прямолінійні хвилі, що проходять крізь щілину, практично повністю перетворюються на кругові. Тобто щілина діє як джерело кругових хвиль, хоча на неї падає плоска хвиля. Дослід другий -- L= 0,24S (мал. 2.3). Фронт хвилі, яка пройшла крізь щілину, менш викривлений, ніж у першому досліді. Є прямолінійні відрізки фронту, але бокові частини всеод'" но загинаються. У третьому досліді L = 0,12S (мал. 2.4). Тепер відхилення від прямолінійності практично зникає. Таким чином, тут утворюються майже чіткі краї тіней.

Можна зробити навпаки: змінювати ширину щілини S при сталій довжині хвилі. Тоді ступінь заломлення фронту хвиль залежить не від S або L поодинці, а від відношення L/S. Таким чином, хвилі "сильно дифрагують", проходячи крізь щілини, розміри яких сумірні з довжиною хвилі.

Якщо

Мал.2.1. Дифракційна картина поширення Мал.2.2. Дифракційна картина поширення

світла при параметрах L=50, S=50 світла при параметрах L=12, S=50

(відносних одиниць) (відносних одиниць)

Мал.2.3. Дифракційна картина поширення Мал.2.4. Дифракційна картина поширення

світла при параметрах L=25, S=50 світла при параметрах L=6, S=50

(відносних одиниць) (відносних одиниць)

довжина хвилі мала порівняно з розмірами щілини, дифракція дуже слабка.

Після демонстрування учням необхідно пояснити сутність явища, яке спостерігається. Це можна зробити, використовуючи метод Гюйген-са -- Френеля або метод Юнга.

Розглянемо приклади використання комп'ютерного моделювання під час вивчення дифракції паралельного пучка світла на періодичних структурах і, зокрема, на дифракційних ґратках.

Розподіл інтенсивності світла при дифракції Фраунгофера на дифракційних ґратках описується формулою:

N -- кількість щілин, d -- період ґраток, а -- ширина щілини, L -- довжина хвилі, I₀ -- інтенсивність у нульовому максимумі, u -- кут падіння, ц -- кут дифракції. Ця формула є основною в теорії дифракційних ґраток. Наочно подати розподіл інтенсивності світла на екрані після проходження ним дифракційних ґраток дає змогу написана нами мовою Паскаль програма лекційного демонстраційного експерименту. Ця програма дає змогу продемонструвати за допомогою ЕОМ фізичні закономірності явищ дифракції і характер розподілу інтенсивності при різних параметрах експерименту (мал. 2.5).

Програма дає змогу визначити оптимальні характеристики дифракційних ґраток (розділювальна здатність) при розділенні дуплетів спектральних ліній; довести, що розділювальна сила дифракційних ґраток пропорційна порядку спектра т і кількості щілин N (R=mN) (мал. 2.6, 2.7, 2.8).

Запропонований в дипломній роботі ПМК відрізняється від уже створених засобів тим, що має ряд принципово важливих методичних особливостей. У ньому здійснено:

1) єдиний підхід до вивчення хвильових процесів, програму можна використати для демонстрування хвильових процесів різної природи (механічних, електромагнітні хвилі);

Мал..2.5. Дифракція світла на дифракційних Мал..2.6. Розділення дуплетів спектральних

гратках при параметрах d=65, K=89 ліній за допомогою дифракційних ґраток

(відносних одиниць) при параметрах d =17, =73

(відносних одиниць)

Мал.. 2.7. Розділення дуплетів спектральних ліній Мал.. 2.8. Розділення дуплетів спектральних ліній за допомогою дифракційних ґраток за допомогою дифракційних ґраток при параметрах при параметрах

d=17, K=13

(відносних одиниць)

d=31, K=100

(відносних одиниць)

глибокий і ґрунтовний аналіз явища, яке вивчається, зокрема, візуалізацію картини хвильового поля в усій області поширення хвиль;

можливість зміни параметрів поширення хвиль у широких межах, що дало змогумоделювати явища дифракції Френеля, Фраунгофера, прямолінійного поширення світла.

Важливою перевагою розробленої системи нового фізичного експерименту є її внутрішня логічна система, достатня повнота, певна закінченість. Система фізичного експерименту дає змогу на якісно новому рівні з єдиних позицій експериментальне досліджувати дуже широке коло основних явищ загальної теорії хвиль.

Доцільність використання комп'ютерного моделювання зумовлена тим, що на основі комплексного експериментального дослідження фізичних явищ різної природи виникає можливість проводити досконалі порівняння й аналогії, які мають важливе значення не лише в методиці викладання фізики, а й у науці і техніці

Основна мета зводилася до оцінки ефективності нових рекомендацій для забезпечення якісного засвоєння учнями питань з оптики. Перевірялася також можливість і педагогічна доцільність ознайомлення учнів з основами експериментальних методів дослідження в процесі постановки навчального експерименту на уроках, факультативах і гурткових заняттях з фізики.

З діаграми видно, що середній бал контрольної групи дорівнює 3, 4, а експериментальної -- 4; похибка середнього бала складає 0,2 і 0,21 відповідно.

Порівнюючи результати тестування контрольної й експериментальної груп, можна бачити, що різниця між їх середніми балами значно перевищує похибку середнього, що свідчить про її статистичну значущість.

Висока ефективність рекомендованого фізичного експерименту виявлена під час вивчення тих питань з оптики, котрі традиційно засвоюються на низькому рівні. Аналіз тестування учнів показав, що понад ²/з учнів експериментальних класів виявили міцні й глибокі знання з тем шкільного курсу фізики.

Це підтверджує доцільність посилення ролі експериментального методу вивчення питань з оптики, а також свідчить про ефективність рекомендованих дослідів.

2.3 Організація та проведення педагогічного експерименту. МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО РОЗРОБЛЕНОЇ ПРОГРАМИ

Педагогічний експеримент, як правило, складається із чотирьох етапів: що констатуючий, пошуковий, навчальний (формуючий) і контрольний.

Констатуючий експеримент - проводиться звичайно в експериментальних класах, він носить константний характер, при якому не потрібне порівняння отриманих даних з якимись іншими, і припускає досить великий охват випробуваних. Пошуковий експеримент також є константним. У ньому беруть участь невеликі групи учнів, іноді він проводиться як лабораторний. На навчальних і контрольному етапах проводиться найчастіше порівняльний експеримент. У цьому випадку вибираються експериментальні класи, навчання в яких проводиться по розробленій у ході дослідження методиці, і контрольні класи, які навчаються за традиційною методикою. Вибір експериментальної й контрольної груп здійснюється за результатами або попереднім навчанням, або спеціального тесту чи контрольної роботи. При цьому успішність учнів експериментального класу на початку дослідження повинна бути не вище, ніж контрольних класів.

Порівняння експериментальної й традиційної методик навчання проводиться за певними критеріями, які залежать від перевіряючих і навчальних властивостей, за допомогою яких ця властивість досить чітко описується й виявляється.

У педагогічних дослідженнях часто виявляється ефективність тієї або іншої знову розробленої методики навчання. Критеріями ефективності служать обсяг знань, засвоєних учнями, системність знань, їхня свідомість, дієвість і міцність.

Комп'ютеризація експерименту розширює обізнаність учнів з досліджуваним фізичним явищем, формує навички і надає їм упевненості у використанні сучасних експериментальних методів, ознайомлює з передовими способами пізнання, видами контролю за технологічними процесами на виробництві, дає змогу по-новому підійти до методики постановки шкільного фізичного експерименту.

Підвищення ефективності і якості навчання фізики тісно пов'язане з удосконаленням існуючих і пошуком нових методів та засобів навчання, що забезпечували б високий рівень її вивчення.

Використання ЕОМ особливо ефективне під час вивчення питань квантової фізики, оскільки вчитель за їх допомогою може звертатися до тих аспектів, які раніше були недоступні учням через складність, недостатню наочність, громіздкість математичного апарату, обмеженість проведення шкільного фізичного експерименту тощо. З метою усунення недоліків, що мають місце під час вивчення розділу "Хвильової оптики", в дипломній роботі розроблені навчальні комп'ютерні моделі (НКМ): "Кільця Ньютона", "Інтерференційний дослід Юнга", "Дифракція світла", " Зони Френеля", "Дифракційна межа дозволення", "Дифракційна решітка", "Поляризація світла", "Закон Малюса" їх використання, на мою думку, дає змогу вчителю зробити матеріал більш наочним, організувати самостійну роботу учнів на уроці, активізувати їхню розумову діяльність.

Перевагою цих моделей є те, що вони написані для графічного середовища Windows. Тому в процесі використання, можна швидко засвоїти правила керування програмою, сконцентруватися на явищі або процесі що розглядається, якомога менше думати про способи спілкування з ЕОМ.

Насамперед, надзвичайно зручно використовувати комп'ютерні моделі в демонстраційному варіанті при поясненні нового матеріалу або при рішенні задач. Погодьтеся, що набагато простіше і наочніше показати, як промінь рухається на границі повітря-середовище и середовище-повітря, використовуючи модель " Відбивання і заломлення світла." (Модель 1, в додатках ком пакт-диск), ніж пояснювати це за допомогою дошки, крейди та незавжди справних приладів, чи наявності потрібних умов для демонстрації.



Модель 1. Кільця Ньютона.

Комп'ютерний експеримент (Модель 1), дозволяє змінювати довжину хвилі л світла і радіус кривизни R поверхні лінзи. На екрані виникає в збільшеному масштабі картина кілець Ньютона і висвічується значення радіуса r₁ першого темного кільця.

Модель 2. Інтерференційний дослід Юнга.

Комп'ютерна модель є аналогом інтерференційного досвіду Юнга. Можна змінювати довжину світлової хвилі л і відстань між щілинами d. На дисплеї виникає в збільшеному масштабі інтерференційна картина і розподіл інтенсивності на екрані.

У нижньому вікні висвічуються значення кута ш збіжності променів на екрані і ширина інтерференційних смуг.

Модель 3 - є комп'ютерним експериментом, що дозволяє продемонструвати якісний характер дифракційних картин, що виникають на вилученому екрані при дифракції світла на круглих (кулька, круглий отвір у непрозорому екрані), а так само на лінійних перешкодах (щілина, довга нитка). Можна змінювати довжину хвилі л падаючого світла і розмір перешкоди - радіус R кульки або круглого отвору, ширину d щілини або товщину нитки.

Модель 3. Дифракція світла.

У даній комп'ютерній моделі (4) в нижнім лівому вікні зображені границі зон Френеля, певні для точки спостереження, що перебуває на осі симетрії. Програма дозволяє залишати відкритими або закривати непрозорим екраном цілі зони Френеля. Для кожного випадку комп'ютер розраховує дифракційну картину у всій площині спостереження. Таким шляхом можуть бути отримані дифракційні картини при дифракції на зонних пластинках і продемонстрована їх фокусуюча дія.

Модель 4 дозволяє змінювати довжину хвилі л. На екрані дисплея висвічується відношення інтенсивностей I / I₀ у центрі дифракційної картини, де I₀ - інтенсивність коливань у точці спостереження під час відсутності перешкоди.

Зверніть увагу, що якщо відкрити тільки дві сусідні зони, то в центрі дифракційної картини виникає темна пляма. Якщо відкрито тільки одну будь-яку зону, то інтенсивність коливань у центрі дифракційної картини в 4 рази перевершує I₀.

Модель 4. Зони Френеля.

Комп'ютерна програма (Модель 5) призначена для вивчення впливу дифракції на межу дозволу об'єктива зорової труби (телескопа). Модель є комп'ютерним аналогом досвіду за спостереженням двох близьких крапкових джерел за допомогою невеликої зорової труби.

Можна змінювати довжину хвилі л, діаметр D відкритої частини об'єктива (діафрагментування) і кутова відстань ш між двома джерелами світла. Комп'ютер відтворює на екрані дифракційні зображення джерел, що спостерігаються, і розподіл інтенсивності світла в дифракційних зображеннях.

Зверніть увагу, що розмиття дифракційних зображень підсилюється при збільшенні довжини хвилі л і зменшенні діаметра об'єктива D.

Можна виконати якісний комп'ютерний експеримент по визначенню дифракційної межі дозволу для заданих значень D і л.

Модель 5. Дифракційна межа дозволення.

У комп'ютерній моделі 6 можна змінювати період решіток d і довжину світлової хвилі л. Можна вибирати номер m за допомогою натиснення кнопки миші на обраному головному максимумі. На дисплеї висвічується координата y_m обраного максимуму на екрані, розташованому у фокальній площині лінзи. Зверніть увагу на те, що масштаби по горизонталі і вертикалі відрізняються приблизно в 5 разів. Тому зображувані на екрані кути и_m сильно перебільшені.



Модель 6. Дифракційна решітка.

Комп'ютерна модель 7 являється кінематичним аналогом еліптично поляризованого світла. На екрані дисплея відтворюється додавання двох взаємно перпендикулярних поляризованих хвиль E_x і E_y однієї і тієї ж довжини хвилі й утворення еліптично поляризованої хвилі. Можна змінювати співвідношення амплітуд E_x / E_y, довжину хвилі л і фазове зміщення дц між коливаннями E_x і E_y. Зверніть увагу, що хвилі на екрані поширюються в напрямку, протилежному позитивному напрямкові осі z.

Модель 7. Поляризація світла.

Звичайно, такі демонстрації будуть мати успіх, якщо вчитель працює з невеликою групою учнів, яких можна розсадити поблизу монітора комп'ютера або, якщо в кабінеті мається проекційна техніка, що дозволяє відобразити екран комп'ютера на стінний екран великого розміру. У противному випадку вчитель може запропонувати учнем самостійно попрацювати з моделями в комп'ютерному класі або в домашніх умовах, що іноді буває більш реально.

Модель 8. Закон Малюса.

Слід зазначити, що при індивідуальній роботі учні з великим інтересом повозяться з запропонованими моделями, пробують усі регулювання, як правило, не особливо вникаючи у фізичний зміст демонстрації на екрані. Як показує практичний досвід, звичайному школяреві конкретна модель може бути цікава в плині 3 - 5 хвилин, а потім неминуче виникає питання: А що робити далі?

Опитування, що проводив автор після такої самостійної роботи, показали, що навчальний ефект незначний, тому що діти при такій роботі мало що розуміють.

Що ж потрібно зробити, щоб урок у комп'ютерному класі був не тільки цікавий за формою, але і дав максимальний навчальний ефект?

Учителеві необхідно заздалегідь підготувати план роботи з обраної для вивчення комп'ютерною моделлю, сформулювати питання і задачі, погоджені з функціональними можливостями моделі, також бажано попередити учнів, що їм наприкінці уроку буде необхідно відповісти на питання або написати невеликий звіт про пророблену роботу. Ідеальним є варіант, при якому вчитель на початку уроку роздає учнем індивідуальні завдання в роздрукованому виді.

ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз літературних джерел, наукових праць, статей з питання використання комп'ютерних моделей при викладанні фізики.

2. Розглянуто психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп'ютерного моделювання при викладанні фізики. Вивчення хвильової оптики на основі використання навчальних комп'ютерних моделей дає змогу підвищити інтерес учнів до цього матеріалу, стимулювати розвиток пізнавальної активності і творчого мислення, формувати в учнів уявлення про комп'ютер як ефективний засіб пізнання закономірностей і явищ мікросвіту.

3. Розроблено методичні рекомендацій, щодо використання комп'ютерного моделювання. При поясненні багатьох явищ не можливо на дошці показати динамічну зміну процесів, і тут комп'ютерна модель зіграє для вчителя велику допоміжну роль.

4. Запропоновано навчальний посібник в електронному вигляді по темі “Хвильова оптика”.

ЛІТЕРАТУРА

1. Машбиц Е. И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. М.: Педагогика.-1988.-191 с.;

2. М. Корнієнко, «ІТ в освіті»., - Фізика та астрономія в школі, - 1999р., №3;

3. О. Желюк, «Засоби НІТ у навчальному фізичному експерименті», - Фізика, - 2001р., №9;

4. О. Сергєєв, Н. Сосницька - «Шкільні підручники з фізики для основної школи: досягнення, проблеми, перспективи розвитку»;

5. А. Сільвейстр «Актуалізація пізнавальної діяльності учнів на уроках з застосуванням НІТН»;

6. Ю. Дорошенко, «Педагогічні програмні засоби»., - Фізика та астрономія в школі, - 1997р., №7;

7. М. Палтішев., «Психолого-педагогічні основи навчання фізики»., Освіта, - №6, 2002р.;

8. І.Р.Крилов, «Методическое пособие по курсу оптики», - М.1993р., с.53-86;

9. Коршак Е.В., Миргородський Б.Ю. Методика і техніка шкільного експерименту. Практикум: Київ: Вища школа. 1981.-280 с.

10. Гончаренко С. У. Методика навчання фізики в середній школі. -К. Радянська школа, 1974. -с. 95-114.

11. Викладання фізики в школі. За ред. Коршака Є. В. - К. Радянська школа, 1986. -с. 68 - 84.

12. Савченко В.Ф., Коршак Е.В., Ляшенко О.І. Уроки фізики у 7-8 класах. - Київ: Перун. - 2002. - 320 с.

13. Буров В. А. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. - М.: Просвещение. - 1979. - 147-179с.

14. Андреев В.И. Эвристическое программирование учебно-исследовательской деятельности: Метод. пособие. -М.: Высшая школа, 1981. с. 167-182;

15. О.М. Желюк., «Компютерна техніка в навчальному курсі фізики»., Метод. рекомендації., - Рівне, РДПУ, 1994р.;

16. В. Савченко, «Деякі міркування, щодо повного відбивання світла», - Освіта., 2000р.. №5;

17. Коршак Е.В., Миргородський Б.Ю. Методика і техніка шкільного експерименту. Практикум: Київ: Вища школа. - 1981. - 280 с.

18. «Комп'ютер - інформаційні і комунікативні технології у навчальному процесі середніх та вищих шкіл » // Міжнародна наукова конференція, - Освіта, - №34 - 2003р.;

19. Александров Г.Н. Программированное обучение и новые информационные технологии обучения // Информатика и образование. -1993. - №5. - с.7-19.

20. Шевандрин Н. И. Психодиагностика, коррекция и развитие личности. М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС. - 1998. - 512 с.

21. Пидкасистый И.П. Самостоятельная познавательная деятельность школьников в обучении. М.: Педагогика. - 1980 - 240с.

22. Лемберг Р.Г. О самостоятельной работе учащихся.// Советская педагогика. - 1962. - №2.

23. Буров В. А. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. - М.: Просвещение. - 1979.-179с

24. Викладання фізики в школі. За ред. Коршака Є. В. - К.: Радянська школа, 1986. -с. 168 - 184.

25. Машбиц Е. И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. М.: Педагогика.- 1988. - 191 с.

26. Миргородський Б. Ю., Шабель В. К.Демонстраційний експеримент з фізики: Механіка. К.: Радянська школа. - 1980. - 144 с.

27. Сумський В.І. ЕОМ при вивченні фізики: Навч. Посібник / За ред. М.І.Шута. -К.:ІЗМН. - 1997.- 184с.