Засоби нових інформаційних технологій (НІТ) у навчальному фізичному експерименті

Размещено на http://www.allbest.ru/

Засоби нових інформаційних технологій у навчальному фізичному експерименті

фізика експеримент НІТ

Навчальний експеримент є основою вивчення фізики. Без перебільшення можна стверджувати, що якість знань і практична підготовка учнів з фізики перебувають у прямій залежності від якості фізичного експерименту. Шкільний фізичний експеримент підводить учнів до розуміння сучасних фізичних методів дослідження, виробляє у них практичні вміння і навички.

Шкільний експеримент, пройшовши тривалий шлях розвитку, сформувався у чітку систему навчального експерименту, що охоплює демонстраційні досліди, фронтальні лабораторні роботи, роботи фізичного практикуму, експериментальні задачі та позакласні досліди. Всі ці види фізичного експерименту підпорядковані загальній меті навчання і виховання. Однак вони мають і більш вузьке призначення, крім того існують певні особливості в методиці і техніці їх проведення [6].

М. Касяненко відзначає, що виконання демонстрацій, лабораторних робіт і проведення фізичних практикумів дає змогу учням максимально наблизитися до виробничих умов, формує всі необхідні навички не лише для належного опанування теоретичного матеріалу, а й для розвитку творчих можливостей школярів [7, 19].

О. Мартинюк в роботі [8, 44] умовно розділяє розвиток навчального фізичного експерименту в трьох напрямках:

* Розробка й модернізація традиційного устаткування для демонстраційного і лабораторного фізичного експерименту. Цей напрямок передбачає дослідження фізичних явищ, процесів і законів за допомогою реального експерименту, який можна поставити у фізичних лабораторіях.

* Моделювання фізичних процесів за допомогою комп'ютера. Часто для виконання лабораторних робіт використовують моделі реальних об'єктів, у випадку ж використання ЕОМ виникає можливість створення моделей досить таки складних систем з багатьма параметрами, явищ та процесів, спостереження яких в реальному житті пов'язано з певними труднощами.

* Використання датчиків, призначених для вимірювання певних фізичних величин, що приєднані до ЕОМ, та спеціально розроблених програм. Таким чином, використання ЕОМ змінило, насамперед, постановку експерименту, проведення вимірювань та опрацювання результатів. Такі інформаційно-вимірювальні системи (ІВС) можна реалізувати на базі ЕОМ, у яких процесор керує процесом вимірювання в ході здійснення експерименту. При цьому дослідник має вільний доступ до інформації і може динамічно впливати на хід експерименту.

Для сприйняття комп'ютером експериментальних даних від тієї чи іншої установки можна використати порт для під'єднання зовнішніх систем управління і набір датчиків, або ж аналого-цифровий перетворювач (АЦП) звукової картки.

Інший підхід до використання комп'ютера у складі вимірювальної установки полягає в побудові інтерфейсу, апаратною частиною якого є контролер із зовнішнім або внутрішнім АЦП. Обмін інформацією експериментальної установки з ЕОМ здійснюється через паралельний принтерний порт.

Використання ЕОМ у фізичному експерименті дає можливість реєструвати, накопичувати та опрацьовувати величезну кількість інформації, що значно полегшує роботу дослідника.

Відомий фахівець з комп'ютерного моделювання О.А. Самарський зазначає: «Подібність заключних етапів експерименту обчислювального з натурним експериментом є надзвичайно сильною. На комп'ютері (експериментальному устаткуванні) проводяться обчислення (вимірювання), які далі аналізуються з метою постановки нових експериментів. Насправді ж зв'язок з натурним експериментом значно глибший. Вивчаючи на комп'ютері поведінку моделі, дослідник немовби випробовує саму природу (конструкцію, процес), ставлячи перед нею запитання і отримуючи повні й достовірні відповіді» [10, 38].

Справді, досвід розв'язування багатьох наукових і технічних задач переконує, що вдало складена модель об'єкта здатна певною мірою замінити його. Проте заміна фізичного об'єкта його математичною моделлю має виконуватись досвідченими фахівцями, з достатнім досвідом математичного моделювання [11, 49].

В залежності від дидактичних цілей навчання в результаті моделювання фізичного явища з допомогою комп'ютера можна отримати два типи моделей: власне модель фізичного явища і псевдомодель.

Псевдомодель - це репродукція явища на екрані комп'ютера, процес протікання якого чітко детермінований. В цьому випадку “нова інформація” відома і частково або повністю закладена в програмі. Псевдомоделі можна використовувати в якості демонстрації фізичних явищ, а також в якості “лабораторних установок”. Інформація, яка отримується в результаті роботи з псевдомоделлю, є новою для учня і відома автору цієї псевдомоделі [12,154].

Використання засобів нових інформаційних технологій (НІТ) сприяє не лише покращенню емоційного сприйняття, а й підвищенню інформативності навчального матеріалу, його наочності та доступності. Фізика за своєю основою є експериментальною наукою. Шкільний фізичний експеримент тісно пов'язаний з теоретичним навчанням [6].

Навчальний експеримент передбачає: висунення теоретичної гіпотези, яка вимагає практичного підтвердження, розробку методу дослідження, постановку експерименту, спостереження за його ходом, зняття фізичних параметрів, їх систематизацію, аналіз та узагальнення і формулювання висновків щодо проведеної роботи. Зважаючи на універсальність, комп'ютерну техніку можна використати на всіх етапах проведення експерименту. Це відкриває нові, перспективи щодо отримання експериментальних даних.

Ефективність застосування ЕОМ в експериментально-дослідній роботі зумовлюється такими чинниками: висока точність та достовірність результатів, оскільки програмні засоби передбачають застосування методів, що знижують нагромадження похибок під час округлення та обчислення проміжних величин; скорочення кількості складних, дорогих і унікальних приладів; підвищення якості та інформативності дослідження за рахунок ретельнішої обробки даних; збільшення кількості об'єктів, що контролюються; підвищення емоційного впливу; скорочення циклів дослідження на основі прискорення підготовки і проведення експерименту, оперативного використання результатів аналізу, зменшення часу обробки та систематизації даних.

Комп'ютеризація експерименту розширює обізнаність учнів з досліджуваним фізичним явищем, формує навички і надає їм впевненості під час використання сучасних експериментальних методів, ознайомлює з передовими засобами пізнання, видами контролю за технологічними процесами на виробництві, дає змогу по-новому розглядати методику постановки шкільного експерименту.

Сучасні персональні комп'ютери (ПК) уможливлюють використання ЕОМ у дослідницькій роботі з підключенням відповідних допоміжних пристроїв у ролі засобів контролю, реєструючих приладів, приладів візуального відображення та ін. На екрані дисплея можна формувати систему шкал вольт-, ампер- і ватметрів та багатьох інших вимірювальних приладів, що реєструють певні параметри досліджуваних об'єктів.

В експериментально-дослідній роботі датчики та перетворюючі пристрої є проміжною ланкою між ЕОМ і об'єктом дослідження. Як правило, датчики сприймають інформацію в аналоговому вигляді (температура, тиск, освітленість, вологість, напруга та ін.), яку перш ніж «подати» до комп'ютера, необхідно перетворити в цифрову форму. Під час роботи з групою датчиків програми забезпечують періодичне зчитування стану кожного з них. Після обробки експериментальних даних ЕОМ направляє результати в необхідному для аналізу вигляді на пристрої виводу.

Для використання апаратних засобів ЕОМ, опрацювання сигналів, що надходять, і виведення результатів у зручній для сприйняття формі створюють відповідні програмні засоби обробки та дослідження сигналів. Такі програми можуть бути спеціалізовані -- призначені для дослідження конкретного фізичного об'єкту, або універсальні -- для забезпечення певного виду експериментів. Програмні засоби, призначені для забезпечення сприйняття інформації про зміну параметрів фізичних величин та їх характеристик від датчиків та перетворюючих пристроїв для її наступної обробки в цифровому вигляді, збереження та реєстрації на засобах виводу, відносять до експериментально-дослідних.

Питання комп'ютеризації експериментально-дослідної роботи неодноразово порушувалися в наукових та навчально-методичних виданнях, але специфіка підходу щодо застосування та їх інформативність недостатні для використання в шкільній практиці. Виконання таких робіт у навчальному процесі забезпечують спеціально розроблені педагогічні програмні засоби (ППЗ), призначені для демонстрації та дослідження фізичних явищ та процесів.

Стрижнем навчального процесу стає комп'ютерний експеримент, який проводиться у спеціальних навчальних пакетах -- діяльнісних середовищах (ДС) або мікросвітах (англ. "microworld"). Значна частина вчителів прихильників такого навчання, як підтверджує міжнародна практика, бачить в мікросвітах можливість концентрувати увагу учнів на основній лінії (стратегії) розв'язування задач. Конструктивізм у навчанні, зокрема проведення комп'ютерних експериментів, не принижує ролі вчителя, а навпаки підіймає її на більш високий рівень - вчитель повинен так змоделювати пізнавальні процеси учнів, так організувати комп'ютерні експерименти і навчальний процес, щоб учні самостійно робили "відкриття" і будували свої власні когнітивні моделі.

ДС -- це інтерактивні програми, які дозволяють учням виконувати комп'ютерні експерименти у предметній області, причому від учня вимагається тільки обізнаність у самій предметній області, а не в програмуванні. Методологічний зміст такої роботи з ДС полягає у тому, що вона, по суті, перетворює навчальний процес у самоспрямоване навчання, при якому учень має найбільшу свободу у виборі самої стратегії навчання. З існуючих педагогічних програмних засобів до ДС можна віднести, наприклад, пакет GRAN, розроблений під керівництвом академіка М.І.Жалдака (Київський ДПУ) який набув широкого розповсюдження у навчальних закладах України.

Наочність та інформативність споглядання ходу демонстраційного експерименту забезпечується безпосереднім спостереженням використаного обладнання і засобів, а також результатів обробки експериментальних даних у графічному та цифрознаковому вигляді на дисплеї ЕОМ і копії, отриманої на друкуючому пристрої. Зазвичай, передбачено можливість збереження у памяті компютера експериментальних результатів та функціональних залежностей, отриманих під час досліджень.

Це дає можливість використовувати ці дані для актуалізації опорних знань, на уроках узагальнення набутих знань, умінь та навичок, а також під час повторения навчального матеріалу.

Такий комп'ютеризований підхід до проведення шкільного фізичного експерименту розширює обізнаність учнів з досліджуваними явищами, надає їм впевненості під час використання сучасних експериментальних засобів, ознайомлює з передовими способами пізнання, новими інформаційними, навчальними технологіями, сучасними методами контролю за технологічними процесами на виробництві, перспективними методами наукових досліджень, навчає розрізняти реальні та ідеальні об'єкти фізики, створює умови оновлення методики та техніки, постановки шкільиого демонстраційного експерименту з фізики.

Частина навчальних закладів України вже має певний досвід запровадження комп'ютерних лабораторних робіт. Наприклад, в Уманському державному педагогічному університеті розроблено ряд комп'ютерних моделей, що увійшли до лабораторного практикуму [12, 153].

Лабораторний практикум включає ряд дослідів з розділу “Атомна фізика” курсу загальної фізики, зокрема, досліди Резерфорда по вивченню структури атома, дослід Чедвіка по знаходженню заряду ядра, дослідження закономірностей зовнішнього фотоефекту, ефекту Комптона, досліди Франка і Герца, Девісона і Джермера та інші основоположні досліди атомної фізики.

Проведення лабораторного практикуму з використанням ПЕОМ дало змогу виробити певні вимоги, яким повинні відповідати комп'ютерні програми даного типу.

Ще одним прикладом впровадження комп'ютерних лабораторних робіт є спеціально розроблений і апробований протягом семестру кафедрою фізики новітніх технологій Івано-франківського національного технічного університету лабораторний практикум «Вивчення фізичних явищ і процесів з використанням комп'ютерного моделювання».

В склад практикуму увійшло 15 лабораторних робіт з різних розділів фізики, а саме: оптики, механіки, електрики і магнетизму, атомної і ядерної фізики.

На даний час лабораторний практикум доповнений роботами з молекулярної фізики та з фізики твердого тіла, зокрема: “Квантування електронних орбіт і виникнення хімічного зв'язку в твердих тілах”; “Поведінка мікрочастинок в потенціальній ямі”; “Дифракція електронів на одномірному кристалі”; “Комптонівське розсіяння рентгенівського випромінювання в твердому тілі”; “Мас-спектрометричне дослідження речовини” та іншими, які увійшли у віртуальний лабораторний практикум “Дослідження властивостей твердих тіл з використанням комп'ютерного моделювання” [19, 33-34].

Для виконання віртуальних лабораторних робіт були створені власні комп'ютерні програми та використані програми інших розробників, зокрема (http://www.college.ru/enportal/modelsPhys/).

Кожна з лабораторних робіт містить необхідні теоретичні відомості, опис користування програмою, практичні завдання та запитання для контролю та самоконтролю, посилання на літературні джерела. Їх виконання дозволить студентам набути практичних навичок пізнання структури, фізичних властивостей твердих тіл, їх взаємодії з різними полями і, головне, навчить визначати основні параметри матеріалів та фізичні константи.

Размещено на Allbest.ru