МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. М. П. ДРАГОМАНОВА

Фізико-математичний інститут

Кафедра методики викладання фізики та астроноиії

Дипломна робота

З методики викладання фізики

Техніка і технології у вивченні фізики

Студента 43 ФІА групи

Виконав: Савлик Олександр Петрович

Керівник:Цоколенко Олександр Анатолійович

Київ 2010

Зміст

Вступ

1 Техніка та її використання в навчальному процесі

2 Поняття технологій та їх виникнення

3 Використання педагогiчних програмних засобів математичної пiдтримки при вивченнi фізики у середнiй школі

4 Розв'язання дослідницьких задач з фізики із застосування нових інформаційних технологій

Висновок

Список літератури

Вступ

Для нас як для майбутніх вчителів ця тема має бути дуже актуальною. Томущо серед навчальних предметів середньої школи фізика займає одне з провідних місць. Це є відображенням того об'єктивного загальновідомого факту, що фізика - основа сучасної техніки і багатьох сучасних виробництв та технологій.

Механізація виробництва і електроенергетика, нові матеріали і речовини, надточні вимірювання і фізичний неруйнуючий аналіз, ядерна технологія і енергетика, надточні технології - це далеко не повний перелік галузей сучасного виробництва, корені яких закладені в фізиці. Фізика розкриває загальні закони і закономірності природи, встановлює зв'язки між явищами природи, а спеціальні науки доводять їх до конкретного технологічного втілення.

Знання законів природи, які вивчає фізика, вміння пояснювати явища природи, вільно орієнтуватися в яскравій і швидкій круговерті природних явищах - невід'ємна ознака і риса сучасної освіченої людини. Це визначає не лише її фахову підготовку, не лише забезпечує активну участь в суспільному виробництві, але і визначає інтелектуальний рівень людини в суспільстві. Тож не дивно, що усі економічно розвинуті країни світу надають великої уваги вдосконаленню системи фізичної освіти.

Значення фізики в суспільному виробництві і науці відображено в навчальному плані середньої школи. Вона серед природничих наук займає одне з провідних місць за кількістю годин, які відводяться на її вивчення.

На фізику як навчальний предмет середньої школи покладено такі завдання: вивчення основ науки фізики; розвиток пізнавальних і розумових здібностей учнів; формування сучасного наукового світогляду; підготовка учнів до свідомого вибору професії; виховання учнів.

Функції навчального предмету фізики реалізуються в навчальному процесі, який визначається чотирма компонентами: зміст навчання; викладання; навчання; матеріальні засоби навчання.

Учитель є центральною фігурою в навчальному процесі з фізики. Він організовує, спрямовує і коригує навчальну роботу учнів. Для реалізації на практиці своїх функцій, він повинен мати певну систему умінь і навичок різнопланового характеру.

А саме: досконало знати фізику як науку, володіти методами фізики і знати перспективи її розвитку; уміти озброїти учнів визначеними програмою знаннями і навичками з фізики; володіти прийомами і методами організації класного колективу, реалізації завдань, які поставлені перед ними програмою.

Усі перелічені задачі в теоретичному плані розв'язуються педагогікою (зокрема, дидактикою) та психологією. Вивчення загальної фізики забезпечує спеціальну підготовку вчителя фізики.

Перенесення психолого-педагогічної теорії навчання на навчальний процес з фізики здійснює методика навчання фізики. За влучним визначенням відомого фізика-методиста П.А.Знаменського "Предмет методики, викладання фізики - теорія і практика навчання основам фізики."

Останнім часом поступово входять у вжиток поняття дидактики фізики та технологій навчання фізики, що є наслідком суттєвих досягнень педагогічної науки.

Методика навчання фізики як педагогічна наука розв'язує задачі забезпечення високоефективного навчального процесу з фізики. Вона визначає: місце фізики в навчальному процесі середньої школи; зміст навчання фізики; структуру навчального процесу; шляхи, методи і засоби забезпечення високої ефективності навчального процесу з фізики.

Крім досягнень фізики, педагогіки, психології, які є теоретичною основою методики фізики, вона використовує і результати своїх власних досліджень, які в багатьох випадках збагачують теоретичну базу педагогіки і психології.

Структура методики навчання фізики: загальні питання - зміст і послідовність вивчення фізики, виховання на уроках фізики, методи навчання фізики, сучасні технології в змісті шкільної фізики, активізація навчального процесу, організація позаурочної роботи і нові інформаційні технології в навчальному процесі тощо; методика вивчення окремих тем - зміст тем, послідовність вивчення, демонстраційний і лабораторний експеримент, задачі, екскурсії, графічна наочність, виховний аспект теми.

1 Техніка та її використання в навчальному процесі

Поняття «техніка» є одним з найдавніших і широко поширене сьогодні. До недавнього часу воно застосовувалося для позначення деякої невизначеною діяльності або деякої сукупності матеріальних утворень.

Зміст поняття техніки історично трансформувалося, відбиваючи розвиток способів виробництва і засобів праці. Первинне значення слова мистецтво, майстерність - позначає саму діяльність, її якісний рівень. Потім поняття техніка відображає певний спосіб виготовлення або обробки. У ремісничому виробництві індивідуальну майстерність змінюється сукупністю прийомів і методів, що передаються від покоління до покоління. І, нарешті, поняття «техніка» переноситься на виготовлені матеріальні об'єкти. Це відбувається в період розвитку машинного виробництва, і технікою називаються різні пристосування, що обслуговують виробництво, а також деякі продукти такого виробництва.

Одним із основних принципів навчання є принцип наочності. Дотримання його під час навчання фізики в середній школі полегшує засвоєння учнями навчального матеріалу, сприяє формуванню в школярів наукових уявлень про фізичні явища та процеси, забезпечує міцні та глибокі знання. Але під час уроку не завжди можна демонструвати натуральні об'єкти і явища. Деякі явища чи речовини шкідливі для здоров'я (випаровування ртуті, радіоактивні речовини); деякі об'єкти мають занадто великі (космічний корабель, шлюзи) або дуже малі (кристалічна гратка, молекула) розміри. Інколи на натуральних об'єктах не видно складових частин та їх взаємодії (двигун внутрішнього згоряння, гідравлічний домкрат). Деякі демонстрації не можуть бути проведені через відсутність необхідного обладнання. У таких випадках з метою забезпечення наочності навчання фізики звертаються до образотворчої наочності. Такі посібники можна поділити на дві групи:

1)-об'ємні (моделі, макети, колекції);

2)-площинні (таблиці, плакати, монтажі, діаграми, малюнки, записи та замальовки на дошці).

До технічних засобів навчання належать як технічні пристрої(проекційна апаратура, магнітофони) так і засоби навчання(діа- та кінофільми, діапозитиви, кодограми, відеозаписи). Останні є носіями навчальної інформації. Основне завдання технічних засобів - підвищення ефективності навчально-виховного процесу.

За призначенням технічні засоби поділяються на інформаційні, контролюючі та навчаючі.

До інформаційних відносяться аудіовізуальні (навчальне кіно та телебачення, статична проекція). За допомогою цих засобів учням надається навчальна інформація, реалізується принцип наочності.

Контролюючі технічні засоби призначені для визначення рівня та якості засвоєння навчального матеріалу.

Навчаючі технічні засоби призначені для індивідуального процесу навчання. Дидактичні можливості навчаючих машин визначаються мірою досконалості закладених у них навчаючих програм.

Роль та можливості образотворчої наочності та ТЗН на уроках фізики такі:Вони підвищують наочність навчання, ілюструючи пояснення вчителя. Повідомляють учням нові знання. У багатьох випадках дають повнішу і точнішу інформацію про явища та об'єкти, ніж інші засоби.

Створюють можливість ознайомлення учнів із складними науковими дослідами, установками. Найповніше задовольняють інтереси учнів у галузі науки та розвивають їх природну допитливість. Застосування технічних засобів програмованого навчання звільняє вчителя від великого об'єму технічної роботи, дозволяючи більше уваги приділити творчій стороні його діяльності.

В основі використання образотворчої наочності та ТЗН на уроках фізики лежать цілком певні психічні процеси. Учитель використовує такі збудники, які сильно впливають на органи відчуттів учня, ґрунтовно перебудовуючи всі його психічні функції. Зорові і слухові аналізатори, які беруть участь у процесі сприйняття, забезпечують отримання міцніших і повніших знань про питання, що вивчаються.

Для сприйняття образотворчої наочності та ТЗН дуже важливо, що зорові аналізатори володіють значно вищою пропускною можливістю, ніж слухові. Але основну інформацію учні отримують за допомогою сигналів, які сприймаються слуховими аналізаторами. Таким чином, зоровий аналізатор як засіб одержання навчальної інформації має значні потенціальні резерви.

Для успішного навчання важливо, щоб у процесі сприйняття брало участь якомога більше видів цього процесу. На першому місці за значенням і ефективністю при застосуванні образотворчої наочності та ТЗН є комбіновані зорово-слухові види сприйняття, потім ідуть зорові і, нарешті, слухові. Тому під час використання таких засобів навчання організм учня знаходиться під впливом потужного потоку інформації, що створює емоційну основу, на базі якої полегшується перехід від чуттєвого образу до логічного мислення, до абстрагування.

Використання образотворчої наочності та ТЗН дозволяють ввести на урок фактичний матеріал, який відображає навколишній світ природи, науки, життя. Але цей матеріал служить моделлю, яка дає з певною мірою наближення уявлення про оригінал. Такий матеріал завжди подається з найбільшою простотою та доступністю для сприйняття, а знання забезпечують в подальшому перехід до вищого рівня пізнання - понять та теоретичних висновків.

Образотворча наочність та ТЗН може використовуватись на різних етапах уроку, але найчастіше - під час вивчення нового матеріалу.

При використанні об'ємної наочності необхідно вказувати ступінь її наближення до натуральних об'єктів як за відповідністю явищ і процесів, так і масштабами відповідності розмірів.

Використання діючих моделей (насоса, електродвигуна, підіймального крана, гідравлічного преса тощо) дозволяє продемонструвати роботу того чи іншого механізму. У діючих моделях використовується, як правило, фізичне явище, яке "працює" і в натуральному об'єкті.

При використанні макетів (атомної електростанції, космічного корабля, розрізу двигуна внутрішнього згоряння, парової машини та ін.) з'ясовується принцип дії відповідного механізму та взаємодія його окремих частин.

Колекції (види палива, синтетичні матеріали, лампи розжарювання, провідники та ізолятори тощо) покликані розширити світогляд учнів, ознайомити їх з різними видами матеріалів, приладів і т. д. їх доцільно використовувати як роздатковий матеріал для фронтального експерименту та спостережень при повторенні.

Важливу роль у навчанні фізики відіграють і площинні наочні посібники. Серед них важливе місце посідають таблиці, плакати та малюнки, діаграми. Особливістю цього виду наочності є широкі зображальні можливості, пов'язані з більшою свободою у виборі художником зображальних засобів, а також те, що вони завжди готові до використання в навчальному процесі.

На цьому виду наочності розміщують: довідковий матеріал, графіки залежності між фізичними величинами, схеми фундаментальних дослідів, будову приладів та установок, фізичні явища. Цей вид наочності доцільно використовувати при вивченні нового матеріалу, при закріпленні та узагальненні, при вступі в тему, при організації самостійної роботи учнів.

Найчастіше таблиці, плакати, малюнки, діаграми використовуються для супроводу розповіді чи пояснення вчителя. Вони вивішуються на дошці чи спеціальних стендах, розміщених у передній частині класу. Можлива також організація постійної експозиції цього виду наочності з теми матеріалу, що вивчається.

Записи та замальовки на дошці, які супроводжують пояснення вчителем навчального матеріалу, є досить ефективним засобом зосередження уваги учнів на основному в змісті уроку. Використання записів і замальовок на дошці під час пояснення нового матеріалу дозволяє розділити його на

невеликі частини, виділити основне, образно та чітко подати різні моменти викладу.

На дошці доцільно фіксувати:

план заняття;

малюнки, схеми, графіки;

формули та їх виведення;

числові дані, отримані в результаті класних дослідів;

приклади числових даних із наукових досліджень чи технічних застосувань;

розв'язки задач;

короткі відомості з історії фізики та техніки;

нові терміни та їх коротке пояснення;

план фронтальної лабораторної роботи;

завдання для домашньої роботи.

Готуючись до уроку, вчитель продумує записи та замальовки, які необхідно виконати на дошці, з точки зору їх змісту, форми, розташування. Записи на дошці повинні виконуватись таким чином, щоб їх було добре видно всім учням класу. Основні формули доцільно підкреслювати чи брати "в рамочку".

Малюнок виконується, як правило, від руки (інколи доцільно користуватися лінійкою та циркулем), з наближеним дотриманням пропорційності між його окремими частинами. Такий малюнок повинен бути зрозумілим для всіх учнів, тому він буває схематичним і простим, виконується легко і швидко, щоб не затримувати хід уроку. Малюнок виконується за правилами технічного креслення з використанням відповідних позначень.

При замальовках на уроках фізики частіше користуються одновидовою прямокутною проекцією в поєднанні з розрізом чи перерізом і просторовим малюнком.

Для ілюстрації динаміки дослідів користуються або серією малюнків, які фіксують хід досліду, або на одному і тому ж малюнку показують пунктиром нове положення стрілок приладів, індикаторів чи частин установок.

Малюнки слід супроводжувати короткими підписами та поясненнями, оскільки через деякий час учні не зможуть самостійно відновити в пам'яті все необхідне, і цінність замальовки буде втрачена.

Малюнок фіксується в робочому зошиті учня і є елементом його запису.

Статичні екранні засоби (діапозитиви, діафільми, кодограми) є проміжною ланкою між настінною таблицею та кінофільмом. Зберігаючи властиву таблицям статичність, ці засоби дозволяють розкрити динаміку явища, логіку розвитку фізичної ідеї, взаємодію вузлів установки. Вони розширюють можливості образного викладу навчального матеріалу

Статичні екранні засоби використовуються при поясненні навчального матеріалу, його закріпленні, повторенні, формуванні вмінь учнів, для керівництва їх самостійною роботою як у класі, так і вдома. Ці засоби покликані доповнювати та пояснювати експериментально добуті факти, але не підміняти експеримент.

Інколи окремі кадри діафільму можна використати для (постановки) запитань-завдань для учнів; їх використовують при створенні проблемних ситуацій, активізації пізнавальної діяльності школярів. Наявність на екрані запитань, пов'язаних із відповідним зображенням, допомагає учням зосередитись на основному в навчальному матеріалі.

Діафільм дає можливість вибрати оптимальний для даного складу учнів темп пояснення навчального матеріалу та забезпечує тісний зв'язок демонстрації зі словом учителя.

Епі- та графопроекції зручно використовувати для проектування дрібних деталей та приладів. Ці засоби можна використовувати також для виготовлення таблиць великих розмірів.

Динамічні екранні засоби (навчальні кіно- та відеофільми, телепередачі) широко використовуються при навчанні фізики. Методика їх використання на уроках фізики дуже різноманітна.

Перед використанням цих засобів на уроці вчитель повинен ознайомитися з їх змістом. Ці засоби не повинні заміняти демонстрації дослідів, самостійні роботи учнів та безпосередніх спостережень в природі та техніці.

Місце кінофільму на даному уроці визначається тими завданнями, які стоять перед ним. Найчастіше перегляд кінокадрів поєднуються з розповіддю вчителя, демонстрацією дослідів, самостійною роботою учнів.

Кінопосібники з фізики бувають:

Цілісні - своєрідна кінолекція, в якій розкривається весь зміст теми.

Фрагментарні - складається із декількох частин, кожна з яких поділена на фрагменти.

Кінофрагмент - короткий (4-5 хвилин) навчальний фільм, присвячений певному невеликому питанню та розрахований на органічне включення його в хід уроку.

Кінокільцівка - дуже короткий фрагмент, у якому знято лише одне явище чи циклічний процес, який автоматично повторюється.

Використання кінофільмів на уроці фізики доцільне в таких випадках:

-при вступі до нової теми;

-при викладі нового матеріалу;

-при організації повторення та систематизації знань

-при підготовці до екскурсії;

Навчальні телевізійні передачі за своїми дидактичними функціями мало чим відрізняються від кінофільмів, але вони мобільніші та сучасніші від кінофільмів, у них оперативніше використовуються останні досягнення науки та техніки. Основною складністю при використанні в навчальному процесі телепередач є узгодження в часі передачі з тієї чи іншої теми та уроку з неї. Цих труднощів можна уникнути, якщо скористатися відеомагнітофоном, записавши відповідну телепередачу, що дасть можливість демонструвати її в необхідний час.

Останнім часом дедалі ширшого використання на уроках фізики набуває комп'ютер. У багатьох випадках він дозволяє значно полегшити працю вчителя, скоротити час на одноманітну малопродуктивну роботу та підвищити якість знань учнів. Але успішне використання комп'ютера в навчальному процесі неможливе без відповідного програмного забезпечення. На сьогодні існує велика кількість педагогічних програмних засобів (ППЗ), які можуть бути з успіхом використані в процесі навчання фізики.

Серед ППЗ можна виділити такі: інформаційні, розрахункові, контролюючі, демонстраційно-моделюючі, експериментально-дослідницькі та комплексні.

Інформаційні ПЗ несуть певну теоретичну інформацію загального плану, що містить основні положення, поняття, означення, закони, математичний апарат, необхідний для опису характеристики фізичного явища чи об'єкта, які вивчаються.

Розрахункові ПЗ - програми, які дозволяють використовувати обчислювальні можливості комп'ютера і призначені для забезпечення потреб застосування математичного апарату, за допомогою якого описуються фізичні об'єкти і явища (програми для перетворення метричних мір, програма "калькулятор").

Для проведення математичної обробки результатів експериментів, виконання розрахунків, побудови графіків можуть використовуватись, наприклад, відповідні програми WINDOWS (наприклад, ППЗ на основі ЕХСЕL можна використовувати для обробки результатів лабораторних робіт).

Контролюючі ПЗ призначені для тестування, контролю, перевірки знань. Ці програми можуть передбачати вибір відповіді з кількох запрограмованих, введення числового значення одержаного результату чи введення аналітичного вигляду одержаного розв'язку.

Існують програми, які можуть бути використані для ілюстрації тих чи інших явищ і понять.

Інтерактивні програми-демонстрації дозволяють демонструвати певні явища і можуть використовуватися для комп'ютерної підтримки уроку фізики. Наприклад, програма "Open Physics" є повним Multimedia курсом загальної фізики. Курс містить понад 100 комп'ютерних моделей фізичних явищ та відеозаписів лабораторних експериментів. У ньому міститься також багато задач і запитань. Інтерактивний діалог та наочна візуалізація фізичних дослідів дозволяє учню поглиблено вивчати фізичні явища.

Інтерактивні програми дозволяють також проводити дослідження та конструювати різноманітні ситуації.

При використанні ППЗ на уроках фізики доцільним є використання електронних проекторів та рідкокристалічних проекційних панелей. Вони дозволяють проектувати на екран навчальні відеофільми, відеокліпи та використовувати ППЗ у процесі вивчення нового матеріалу, організації фронтальної роботи в класі.

2 Поняття технологій та їх виникнення

В кінці 18 ст. в загальному масиві знань про техніку стали розрізняти традиційний описовий розділ і новий, народжуваний, який отримав назву «технологія». Йоганн Бекман (1739-1811) ввів у науковий вжиток термін «технологія», яким він назвав наукову дисципліну, читаю їм в німецькому університеті в Геттінген з 1772 р. У 1777 р. він опублікував роботу «Введення в технологію», де писав: «Огляд винаходів, їх розвитку та успіхів в мистецтвах та ремеслах може називатися історією технічних мистецтв; технологія, яка пояснює в цілому, методично і безумовно всі види праці з їх наслідками і причинами, являють собою набагато більше ». Пізніше в п'ятитомному праці «Нариси з історії винаходів» (1780-1805 рр..) Він розвинув це поняття. [Саломон J. Що таке технологія? Випуск від його походження і визначення.

Технологія - в широкому сенсі - обсяг знань, які можна використовувати для виробництва товарів і послуг з економічних ресурсів. Технологія - у вузькому сенсі - спосіб перетворення речовини, енергії, інформації в процесі виготовлення продукції, обробки та переробки матеріалів, складання готових виробів, контролю якості, управління. Технологія містить у собі методи, прийоми, режим роботи, послідовність операцій і процедур, вона тісно пов'язана з застосовуваними засобами, обладнанням, інструментами, використовуваними матеріалами.

Сучасні технології засновані на досягненнях науково-технічного прогресу і орієнтовані на виробництво продукту: матеріальна технологія створює матеріальний продукт, інформаційна технологія (ІТ) - інформаційний продукт. Технологія це також наукова дисципліна, розробляються й удосконалюються способи та інструменти виробництва. У побуті технологією прийнято називати опис виробничих процесів, інструкції по їх виконанню, технологічні вимоги та ін Технологією або технологічним процесом часто називають також самі операції видобутку, транспортування й переробки, які є основою виробничого процесу. Технічний контроль на виробництві теж є частиною технології. Розробкою технологій займаються технологи, інженери, конструктори, програмісти та інші фахівці у відповідних областях.

Технологія за методологією ООН: або технологія в чистому вигляді, що охоплює методи і техніку виробництва товарів і послуг (погрішили технології); або втілена технологія, що охоплює машини, обладнання споруди, цілі виробничі системи та продукцію з високими техніко-економічними параметрами (втілення технології).

Якщо звернутися до самого визначення терміна технологія, до його споконвічного значенню (техно - майстерність, мистецтво; логос - наука), то ми прийдемо до висновку, що мета технології полягає в тому, щоб розкласти на складові елементи процес досягнення якого-небудь результату. Технологію можна застосовувати всюди, де є досягнення, прагнення до результату, але усвідомлене використання технологічного підходу було справжньою революцією. До появи технології панувало мистецтво - людина робила щось, але це щось виходило тільки у нього, це як дар - дано або не дано. За допомогою ж технології все те, що доступно тільки обраним, обдарованим (мистецтво), стає доступно всім. Наприклад, виготовлення кам'яної сокири можна представити як акт мистецтва, а можна - як технологію. У першому випадку ми маємо (можливо) незрівнянний сокиру, але зі смертю носія мистецтва діяння сокир, зазначених інструментів більше не буде. У другому випадку майстерність збережеться назавжди, але якість продукту (можливо) буде не таким високим.

Момент переходу від мистецтва до технології фактично створив сучасну людську цивілізацію, зробив можливим її подальший розвиток та вдосконалення. За великим рахунком, технологія присутня в усьому живому, оскільки все живе, так чи інакше, виробляє переробку продуктів харчування в продукти життєдіяльності (відходи).

Проте початком технології людини варто вважати перший досвід поліпшення властивостей перших інструментів, будь то лопати можуть або крем'яний ніж.

Торкаючись технології як процесу - однієї з перших (але до цих пір значущою!) Технологією є процес видобутку первісною людиною вогню за допомогою тертя.

З часом технології зазнали значних змін, і якщо коли-то технологія мала на увазі під собою простий навик, то в даний час технологія - це складний комплекс знань ноу-хау, отриманих іноді з допомогою дорогих досліджень.

Наприкінці XX століття наші знання про те, як виникли найдавніші кам'яні знаряддя, зазнали зміни. Процес появи знарядь раніше був визначений як процес поступовий. Виникнення нового представлялося як процес еволюційний, коли нове з'являлося по частинам, а не одразу: спочатку з'являлося примітивне, яке пізніше набувало сучасний вигляд. Проглядалася картина удосконалення, виходячи з попереднього етапу (поступове пріостреніе країв каменю).

Тепер для такої картини виникнення знарядь немає підстав. Тепер є інша картина, заснована на спостереженнях археологів. Суть картини полягає в тому, що відбувається винахід техніки розколювання каменя, а не запропонованого раніше винаходи знаряддя.

Саме це знання і повинен був передавати одна людина іншому. Це знання складалося з окремих операцій. Сума і потрібна послідовність операцій і є те, що ми зараз називаємо технологією.

Схема працює тільки тоді, коли всі операції розставлені в потрібному порядку. Випадання будь-якої операції робить схему безглуздою.

Одного разу ця послідовність була винайдена самим первісною людиною. Є дві можливості появи нового: відразу і поступово.

У першу можливість не вірить ніхто, а в другу вірять відразу все. Раніше археологи вважали, що розвиток гарматного набору йшло від одного універсального знаряддя до безлічі знарядь. Тепер з'ясовується, що стадії універсального знаряддя не було! Миттєво виникла сукупність кам'яних знарядь різної форми зажадало закріплення. Це закріплення повинно було відбуватися як у поведінці людини, так і в його свідомості. Закріплення у свідомості могло відбуватися найуспішніше в словесній формі. Якщо це припущення справедливе, то найдавніше викладання пов'язано з початком виробництва кам'яних знарядь. Це була підстава для передачі інформації від покоління до покоління.

3 Використання педагогiчних програмних засобів математичної пiдтримки при вивченнi фізики у середнiй школі

Засоби iнформацiйних технологiй все бiльше входять до нашого повсякдення. Але при цьому застосування цих засобiв в школi обмежується, як правило, кабiнетами iнформатики при вивченнi предмету "Основи iнформатики i обчислювальної технiки". Чому так повiльно йде впровадження нових iнформацiйних технологiй навчання у iншi навчальнi предмети середньої школи, зокрема, фiзики ?

На наш погляд, це пояснюється двома обставинами. Перша полягає в тому, що у курсi основ iнформатики найбiльша увага зверталась на вивчення основ програмування. Друга - це спроба використовувати комп'ютер як навчаючий засiб при вивченнi шкiльних предметiв. Останнє приводило до того, що з'явилась велика кiлькiсть навчаючих програм, бiльшiсть з яких

репродуктували iдеї програмованого навчання. Як показує практика, такий пiдхiд до використання комп'ютерiв у навчаннi не знайшов поширення.

З цього навчального року у школах України вивчення курсу "Основи iнформатики та обчислювальної технiки" проводиться за новим навчальним планом [1]. Основна iдея цього плану полягає у тому, що учень повинен вмiти використовувати комп'ютер не тiльки як засiб для програмування, а як помiчника у власнiй дiяльностi. Поява в останнi роки якiсних комп'ютерiв i прикладних програм дає змогу розглядати комп'ютер як засiб навчальної дiяльностi.

До таких програм вiдноситься педагогiчний програмний засiб математичної пiдтримки навчального процесу (ППЗ МП) GRAN1 [2].

Програми математичної пiдтримки як правило дають змогу унаочнювати процес розв'язування задачi завдяки автоматичнiй побудовi графiчних залежностей на екранi комп'ютера за математичною моделлю, яка, за думкою суб'єкту, описує ситуацiю, про яку йдеться у задачi.

Використання ППЗ МП GRAN1 на уроках фiзики показує, що цей програмний засiб дозволяє знаходити такi характеристики фiзичного явища, якi принципово неможливо знайти при вивченнi фiзики у середнiй школi на базi тих знань з математики, якими володiє учень на момент вивчення того чи iншого роздiлу фiзики. При цьому теоретичний матерiал не виходить за межi змiстовного наповнення шкiльного курсу фiзики.

Педагогiчнi спостереження, що були проведенi при застосуваннi ППЗ GRAN1 в процесi розв'язування задач з фiзики, 6показують деякi особливостi використання учнями графiчних 6образiв, побудованих ППЗ на пiдставi табличних значень або 6математичної моделi.

1. Результат iнтерпретацiї учнем графiчного образу математичної залежностi визначає прийняття рiшення про подальшу роботу у напрямку розв'язування задачi. Самостiйна робота учнiв по використанню графiчних уявлень складних фiзичних процесiв проходить у конвенцiально встановлених межах. Це каже про те, що iнтерпретацiя учнем графiчного уявлення детермiнована теоретичними уявленнями, якi склалися у учня в результатi попереднього аналiзу процесу, який вивчається.

2. Iснує деякий порiг розпiзнавання зорового образу (екранної подiї), який при роботi з графiчним виразом функцiональної залежностi визначається кiлькiстю альтернатив, що постають перед учнем. Це справедливо для випадкiв, коли учень попередньо готов 0ий 6до того, що усi елементи очiкуваного образу зображення рiвноiмовiрнi та взаємонезалежнi. У випадку взаємозалежних зображень процес розпiзнавання визначається контекстом умови задачi.

3. Дуже суттєвим є вибiр областi iснування функцiї при побудовi графiчної залежностi за математичною моделлю. Тут неабияку роль вiдiграє досвiд, набутий учнем при вивченнi вiдповiдних роздiлiв курсу математики (побудова графiкiв функцiй, вивчення властивостей функцiй i таке iнше). Для полегшення цiєї операцiї у ППЗ GRAN1 закладена можливiсть змiни областi визначення функцiї на будь-якому етапi розв'язування задачi.

4. Результати використання конкретного ППЗ математичної пiдтримки багато в чому визначаються досвiдом роботи учня з цим програмним засобом, знанням його можливостей, оволодiння навичками роботи у навчальному середовищi, провiдним елементом якого (рiвноправним партнером навчальної дiяльностi) є засiб iнформацiйної технологiї. Тут комп'ютер у повнiй мiрi набуває властивостей засобу навчальної дiяльностi, а не навчаючого засобу.

5. Результати формування навичок користувача засобами iнформацiйних технологiй у напрямку дослiдницької дiяльностi з використанням цих засобiв в предметнiй галузi, визначеної межами курсу елементарної фiзики, залежать вiд побудови структури курсу. Якщо використання засобiв НIТ є постiйно дiючим фактором навчальної дiяльностi, результати бiльш стабiльнi анiж при фрагментарому використаннi засобiв НIТ.

6. Застосування засобiв нових iнформацiйних технологiй, якi 6реалiзованi на базi комп'ютерних програм математичної пiдтримки 0надає змоги учню проводити самостiйне дослiдження навчальної задачi. При цьому формулювання стратегiї дiй учня залежить як вiд умови задачi, так i вiд властивостей тiєї програми математичної пiдтримки, яка є у розпорядженнi учня.

7. Використання можливостей математичного опрацювання, котрi надає зазначена програма, дає можливiсть розглядати традицiйнi задачi курсу шкiльної фiзики з точки зору подовження аналiзу фiзичного явища, що описується в задачi.

Застосування засобiв нових iнформацiйних технологiй у зазаначеному напрямку показує можливiсть поширення задачного пiдходу у викладаннi фiзики як реалiзацiї компоненти навчальної дослiдницької дiяльностi учня. При цьому учень навчається користуватися комп'ютером як засобом дiяльностi, який допомагає йому вирiшувати проблеми, що лежать за межами курсу iнформатики.

4 Розв'язування дослiдницьких задач з фiзики iз застосуванням нових iнформацiйних

Одним з основних напрямків реалізації поставлених завдань є забезпечення розвитку освіти на базі нових прогресивних концепцій, впровадження інформаційних технологій і науково-методичних досліджень у навчальний процес.

Науково-технічний прогрес призводить до все більшого ускладнення змісту і прийомів трудової діяльності людини. Ця діяльність характеризується рисами пошуку, вона вимагає від людини технічних і технологічних знань, оперативності при прийняті рішень, вміння користуватися сучасними засобами управління інформаційними потоками. Особливого значення набувають інтелектуальні задачі та їх розв'язання з використанням інформаційних технологій.

Одним з напрямків вдосконалення шкільного курсу "Фізика", розширення і поглиблення його теоретичних основ і підвищення практичної значущості результатів навчання є збільшення у шкільних програмах з фізики компонента творчо-дослідницької діяльності учня.

Особливо широкі перспективи тут відкриваються з впровадженням нових інформаційних технологій навчання (НІТН). Цей творчо-дослідницький компонент має формуватися, у першу чергу, з дослідницьких задач, добраних так, щоб їх розв'язок був якомога наочнішим при використанні комп'ютерних програмних засобів.

Специфічні інструментальні можливості ПЕОМ, спеціальні педагогічні програмні засоби (ППЗ) є важливою складовою сучасної методичної системи навчання фізики і визначають ефективність використання комп'ютерів у фізичній освіті. Зміни у змісті, методах та організаційних формах фізичної освіти мають базуватися на інструментальному використанні ПЕОМ на уроках з фізики та організації на цій основі нових видів навчальної діяльності, зокрема дослідницького спрямування.

При цьому особливо актуальним стає прищеплення учням навичків дослідницького підходу до вивчення оточуючого світу з активним використанням засобів нових інформаційних технологій (планування експерименту, створення теоретичної моделі явища, що вивчається, розробка математичної моделі явища чи процесу, проведення вимірювань з достатнім ступенем точності, визначення похибок вимірювань, використання у процесі пізнання мікропроцесорної техніки, тощо). Постають проблеми визначення напрямків змісту, методів, засобів, організаційних форм навчання фізики, управління навчальним процесом в умовах широкого використання засобів НІТ.

Дослідження проблеми підготовки у середній школі користувача, який має уявлення про засоби й методи розв'язування дослідницьких задач з допомогою комп'ютера є актуальним для вдосконалення методичної системи вивчення фізики у середній школі. Разом з тим особливості формування основних прийомів навчально-дослідницької діяльності учнів старших класів середньої школи при вивченні фізики в умовах НІТН до сьогодні залишалися поза увагою дослідників. Ще не достатньо розроблена методика використання засобів НІТ для цілеспрямованого розвитку творчо-дослідницької діяльності учнів.

Протиріччя між змістом сучасного шкільного курсу "Фізика" і розбіг у поглядах на його викладання на основі HIT, з одного боку, і вимоги сучасності, перспективи, що відкриваються у зв'язку з інформатизацією навчального процесу і впровадження нових інформаційних технологій навчання, з другого боку, визначають соціально важливу проблему. У зв'язку з цим розробка нових методів вивчення фізики у школі, з'ясування можливих напрямків модернізації змісту шкільної фізичної освіти, підвищення практичної значущості результатів навчання в умовах розвиненого інформаційного суспільства є актуальною проблемою.

У практиці шкільного навчального процесу робота із засобами HIT конкретизується, у першу чергу, в роботі з персональним комп'ютером (ПК) і програмним засобом (ПЗ), що управляє роботою ПК. Одна із задач ПК -- автоматизація інтелектуальної праці, підвищення ефективності діяльності людини. Головною особливістю ПК є робота з такими ПЗ, що орієнтовані на користувача, який не володіє мовами програмування. Такий підхід дозволяє подолати бар'єр, що відокремлює людину від комп'ютера.

Сьогодні існують у великій кількості та постійно з'являються все нові пакети прикладних програм (ППП), що є, по суті, математичними пакетами, основною перевагою яких є загальноприйнята математична мова, з допомогою якої здійснюється спілкування у системі "людина -- комп'ютер". Призначені, насамперед, для інженерних і наукових розрахунків, ці ППП використовуються для математичної підтримки навчального процесу тому, що не вимагають від користувача вміння програмувати та не руйнують обрану викладачем методику навчання., У світі широко поширені такі інструментальні ППП, як MATHCAD, МАТНЕМАТІСА, EUREKA, DERIVE, MATHLAB. Щодо використання в середній школі зазначених і подібних ППП, слід сказати, що вони мають збиток математичних можливостей, вимагають тривалої підготовки користувача через складні директорії доступу до необхідної для конкретного розрахунку частини системи, громіздкими правилами, якими необхідно користуватися при наборі функціональних залежностей, побудові графіків, чисельної обробки інформації.

На кафедрі інформатики НПУ ім. М. П. Драгоманова під керівництвом академіка АПН України М. І. Жалдака розроблено ППЗ GRAN1, що дає достатню математичну підтримку курсів "Математика" та "Фізика" . Досвід використання ППЗ GRAN1 при викладанні шкільного курсу "Фізика" показує, що простота й доступність введення інформації, вдало організований інтерфейс користувача, наявність контекстної інструкції допомагають учням досить швидко опанувати операційну компоненту діяльності з даним ППЗ.

Застосування засобів НІТ у тому ракурсі, що його вимагає використання ППЗ математичної підтримки (ППЗ МП), наприклад при розв'язуванні задачі, обов'язково включає у процес навчальної діяльності етап створення математичної моделі розв'язання задачі, тобто використання формального апарату математики. Наші педагогічні спостереження показують необхідність певного підготовчого періоду, що передує самостійному розв'язуванню учнями задачкурсу "Фізика” ередньої школи з використанням ППЗ МП. Цей період, у свою чергу, розпадається на два етапи, на кожному з яких розв'язуються свої методичні задачі. У результаті реалізації першого етапу підгоговчого періоду учень повинен:

· опанувати основними поняттями матеріалу, що вивчається;

· оволодіти навичками роботи з ПК;

оволодіти навичками використання конкретного ПЗ.

Протягом другого етапу учень повинен:

· розв'язати низку спеціально підібраних задач з теми, що вивчається, із зростанням ступеняскладності;

· розв'язати низку задач, де увага зосереджується саме на побудові математичної моделі фізичного процесу, що вивчається;

· провести докладний аналіз своєї діяльності при розв'язуванні задач, виконання яких передбачає використання засобів HIT.

Таким чином, початок самостійної навчальної діяльності з використанням засобів HIT розпочинається після проходження учнями стадії репродуктивної діяльності при розв'язуванні навчальних задач з проектування цієї діяльності на можливість застосування засобів НІТ. и цьому кожний елемент підготовчих етапів може бути розширений. Наприклад, при розв'язуванні задач теми необхідно звернути увагу на оволодіння учнями такими типами навчальних дій, як перетворення математичних виразів (формул), виведення формул, використання формул.

При аналізі власної діяльності учні повинні вміти скласти алгоритм діяльності, що допомагає їм свідомо вибирати етапи, на яких вони повинні використовувати засоби математичної підтримки процесу розв'язування задачі, надані HIT. Слід звернути увагу учнів на раціональну сторону їхньої діяльності під час управління процесом побудови графічного образу, тлумачення графічного уявлення функціональної залежності, тлумачення чисельних результатів ланцюжка результатів, розрахунків і т. ін.

Одним з експериментальних об'єктів наших досліджень виступає математичне моделювання як окремий вид діяльності моделювання, що дозволяє отримати графічне подання фізичних процесів, які моделюються, як проміжний етап розв'язування навчальної задачі. З появою таких програмних засобів, як MATHCAD, EUREKA, DERIVE, GRAN1 та інших, етап програмування із діяльності користувача можна виключити у тих випадках, коли розроблена (сконструйована) математична модель розв'язування задачі для явища або процесу, що розглядається, у звичній для учня знаковій формі. Це розширює сферу застосування засобів НІТ, тому що не вимагає від учнів високого рівня володіння методами математики та основами програмування, прискорює процес отримання кінцевого результату розв'язання фізичної задачі.

Використання ППЗ, здатних візуалізувати досліджувані моделі, є опосередкуванням предметно-маніпулятивного способу аналізу, оскільки дає можливість оперувати відповідними екранними образами. У випадку використання педагогічно орієнтованих програмних засобів типу GRAN1, предметами маніпулювання є графіки функцій, що реалізуються (візуалізуються на екрані ПЕОМ) конструктором образу на основі створеної ним математичної моделі розв'язування задачі.

При використанні графічного образу в процесі розв'язування навчальної задачі основним предметом діяльності виступає, вочевидь, сама задача. Проте, залежно від конкретного етапу діяльності, відбувається перенесення акценту цієї діяльності (локальне цілеспрямування). Так, при аналізі графічного образу основним предметом діяльності виступає сам графічний образ функціональної залежності, а навчальна задача (або її фрагмент) відходить на другий план.

Педагогічні спостереження показали, що при роботі із засобами обчислювальної техніки та конкретними педагогічними програмними засобами для комп'ютерного аналізу відповідних математичних моделей, що використовуються для розв'язування навчальної задачі, предметна галузь якої знаходиться за межами власне обчислювальної техніки, учень знаходиться в ситуації, коли має використовувати дві паралельно-послідовні перцептивні схеми. Одна схема (основна) дозволяє йому здійснювати діяльність у предметній галузі навчальної задачі, інша (додаткова) дозволяє йому здійснювати діяльність щодо управління засобами обчислювальної техніки (коли учень виступає як активний користувач ППЗ). При звертанні до тієї чи іншої перцептивної схеми одна з них відступає на другий план, тобто переходить в область "затемнення". Переведення уваги, перенесення акцентів діяльності визначає специфіку застосування обчислювальної техніки та ППЗ у навчальному процесі, впливає на процес прийняття рішення.

Визначено типи задач, при розв'язуванні яких застосування ППЗ найбільш доцільне:

а) задачі, які неможливо розв'язувати в середній школі без застосування обчислювальних засобів, наданих ППЗ (визначення площі криволінійної трапеції, довжини дуги кривої, значення визначеного інтегралу, апроксимації функціональної залежності та ін.);

б) задачі, що вимагають швидкого опрацювання результатів експерименту, виконання графічних побудов дуже складних функціональних залежностей;

в) задачі, для яких найбільш раціональним методом розв'язання є графічний;

г) задачі демонстраційно-аналітичного характеру (аналіз поведінки функції у різних областях її визначення.Наприклад: рівняння стану реальних газів, сили міжмолекулярної взаємодії та ін);

д) задачі демонстраційно-навчаючого характеру (демонстрації складних функціональних залежностей через їх графічне подання наприклад: фігури Ліссажу, потужність та енергія коливальних процесів, інтерференційні та дифракційні процеси та ін.).

Розглянуто характерні особливості процесу конструювання математичної моделі розв'язування навчально-дослідницької задачі, знаково-символічної діяльності учнів при використанні ППЗ, особливості використання графічних уявлень функціональних залежностей як візуалізації математичної моделі у вигляді екранного образу при розв'язуванні задач з фізики.

Пропонований підхід порівняно з описаними раніше експериментальними дослідженнями відносно використання моделювання як методу пізнання і засобу розв'язування задач характеризується тим, що

виділяється діяльність зі знаково-символічними образами, отриманими з використанням ППЗ і візуалізованими на екрані ПЕОМ;

розглядаються специфічні функції використовуваних засобів та операціональний склад діяльності, що диктується HIT;

формування знаково-символічної діяльності розглядається з урахуванням можливості математичного опрацювання знаково-символічних зображень засобами обчислювальної техніки.

Виділено найбільш характерні типи помилок і розглянуто причини їх виникнення при конструюванні навчальної математичної моделі розв'язування фізичної задачі та застосуванні засобів HIT:

а) ситуаційна помилка -- неправильне визначення ієрархії параметрів задачі, тобто їх взаємопідпорядкованості. При опануванні теорією подібна помилка, як правило, пов'язана з недостатнім досвідом розв'язування задач;

б) помилка систематизації -- помилкове віднесення явища фізичної події, що описане в умові задачі, до відомого фізичного закону, теорії;

в) помилка розпізнавання -- помилкова ідентифікація термінів, використаних у задачі. Помилки систематизації та розпізнавання вказують на прогалини в теоретичних знаннях;

г) операційні помилки -- виникають у процесі математичних перетворень (зміни форми математичного запису). Найчастіше ці помилки пов'язані з розсіюванням уваги, втратою зосередженості в діяльності. Більш ніж від власних особливостей учнів поява цих помилок залежить від обставин, в яких відбувається діяльність, тобто продуктом ергономіки;

д) операціональні помилки -- помилки при роботі з програмними та апаратними засобами HIT. Вони мало впливають на процес озв'язування задачі

є) апаратні помилки --- збої в роботі засобів НІТ. Такі помилки не залежать від учнів при достатній технічній якості програмного продукту. Частіше вони спостерігаються при занесенні комп'ютерних вірусів до програмно-апаратних засобів НІТ.

На основі результатів проведеного дослідження і педагогічного експерименту можна зробити висновки, що використання нових інформаційних технологій навчання (зокрема педагогічних програмних засобів типу GRAN для комп'ютерної підтримки аналізу математичних моделей) дозволяє значно розширити зміст курсу "Фізика" середньої школи без збільшення математичної підготовки школярів, істотно підвищити результативність навчальної діяльності безпосередньо на уроці, поглибити розуміння учнями навчального матеріалу, надати навчанню творчо-дослідницького характеру, в широких межах забезпечити диференціацію навчання, підсилити прикладну значущість результатів навчання фізики у школі за рахунок

· розширення компоненти навчально-дослідницької діяльності учнів безпосередньо на уроках;

· стимулювання розвитку образно-естетичного й абстрактно- логічного мислення завдяки використанню комп'ютерної графіки для візуалізації абстрактних математичних об'єктів;

· зміцнення міжпредметних зв'язків завдяки використанню математичних методів з відповідною комп'ютерною підтримкою, стосовно до об'єктів різних предметних галузей;

· формування навичків користувача засобами НІТ як необхідного елемента діяльності людини в умовах сучасного інформатизованого суспільства;

· застосування нових методичних підходів до вивчення матеріалу курсу "Фізика" в середній школі;

· розширення змісту шкільної фізичної освіти завдяки введенню нових розділів і тем, вивчення яких традиційно базувалося на знанні учнями елементів вищої математики.

Дослідження використання ПК як засобу навчання поставило ряд проблем, що вимагають подальшого вивчення:

а) детально розробити зміст, методи й організаційні форми вивчення окремих розділів курсу "Фізика" з використанням нових інформаційних технологій, зокрема використання засобів математичної підтримки навчальної діяльності;

б) вдосконалитиструктуру програмного забезпечення, для підтримки методик, що базуються на застосуванні засобів HIT;

в) визначити напрямки удосконалення змісту фізичної освіти в середній школі з урахуванням соціальних потреб суспільства при постійному зростанні використання засобів інформаційних технологій у різних галузях людської діяльності.

Висновок

У наш час відбувається найбільша науково-технічна революція (НТР), яка почалася близько чверті століття назад. Вона внесла глибокі якісні зміни в багатьох областях науки і техніки. Поява НТР пов'язана з великими відкриттями в області фундаментальної фізики.

Відкриття радіоактивності, електромагнітних хвиль, ультразвуку, реактивного руху і т. д. призвело до того, що людина, використовуючи ці знання пішла далеко в перед розвитку техніки. Людина навчилася передавати на відстані не тільки звук, але і зображення.

Відкриття транзистора привело до дійсної революції в області радіоелектроніки. На основі транзисторної технології з'явився новий напрямок у науці і техніці - мікроелектроніка. Що дозволило людині побудувати перші напівпровідникові ЕОМ.

Фізика робить вирішальний внесок у створення сучасної обчислювальної техніки, що представляє собою матеріальну основу інформатики. За короткий проміжок часу обчислювальна техніка просунулася далеко в перед.

Сучасні персональні комп'ютери мають величезну швидкість обробки інформації, великі обсяги пам'яті, що дозволяють здійснювати практично будь-які розрахунки. За допомогою периферійних пристроїв комп'ютер бачить, чує, малює, креслить, друкує, говорить, показує, грає в ігри, навчає, керує технологічними процесами на виробництві, стежить за космічними польотами і т.д.

Важко уявити собі сьогоднішній день без комп'ютера. За допомогою комп'ютера в наші дні здійснюється зв'язок через всесвітню мережу з будь-якою точкою земної кулі. У такий спосіб йде обмін відео, аудіо і текстової інформації між людьми в різних країнах.

Це дозволяє людям зрозуміти один одного краще, дізнаватися багато нового, одержувати необхідну інформацію. Електронна пошта в лічені секунди доставить ваше повідомлення величезного обсягу в будь-який куточок землі.

Розвиток комп'ютерної техніки, розробка найбільш нових мов програмування дають можливість ученим фізикам робити складні розрахунки, аналізувати найскладніші імовірнісні ситуації, будувати математичні моделі різних процесів.

Однак використання людського інтелекту, що винаходить нові товари або більш ефективні технології виробництва - найважливіше джерело економічного зростання.

За останні 250 років розвиток техніки майже докорінно змінив життя людей. Спочатку парова машина, потім - двигун внутрішнього згоряння, електрика і ядерний реактор замінили фізичну силу людини і тварин як основне джерело енергії. Автомобілі, автобуси, поїзди і літаки витіснили коня і віз як основні способи пересування. Технічний прогрес продовжує змінювати наше життя і сьогодні. Лазерні програвачі, мікрокомп'ютери, текстові редактори, мікрохвильове печення, відеокамери, магнітофони, автомобільні кондиціонери істотно змінили характер нашої роботи і дозвілля протягом останніх двадцяти років.