Электронные образовательные ресурсы в обучении физике. Учебно-методическое пособие

Убедительность научного знания должна достигаться только сочетанием реального эксперимента и виртуальной модели изучаемого процесса, явления или прибора. Без наблюдений за природными явлениями, без опытов с натурными моделями и без реального эксперимента с настоящими приборами изучение физики невозможно.

СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Вопросы для обсуждения:

1.Выделите характерные особенности понятий «модель», «виртуальная модель», «компьютерная модель», «физическая модель», «математическая модель», «интерактивная модель», «апплет», «конструктор моделей».

2.Какие виды моделей физических явлений и процессов существуют? В чем достоинства и недостатки компьютерных моделей?

3.Найдите в Интернете статью: Оспенников Н.А., Оспеннико-

ва Е.В. Виды компьютерных моделей и направления использования в обучении физике // Вестник ТГПУ. 2010. Выпуск 4 (94). С. 118-121.

Какие виды виртуальных учебных моделей авторы выделяют по объекту моделирования? Какова их роль в обучении физике?

4.Что общего и в чем различия методик проведения реального и компьютерного демонстрационного эксперимента? Какому виду демонстрационного эксперимента (реальному или компьютерному) Вы отдаете предпочтение? Почему?

Практические задания для аудиторной работы:

1. Изучите модели одного физического явления или процесса (по выбору), представленные в разных источниках – в Интернете и

вучебных пособиях по физике на CD и DVD (2-3 источника):

исследуйте интерфейс модели, найдите интерактивные элементы (активные «окна», «клавиши» и «зоны»; блоки ввода данных, обработки данных, вывода результата на экран и др.) и дополнительные инструменты (калькулятор, табличный процессор, графическийредактор, справочники пр.);

определите параметры модели, которые могут быть изменены пользователем (выбор и/или перемещение элемен-

31

тов, ввод начальных граничных условий, изменение временных и/или пространственных масштабов и пр.);

проанализируйте возможность выбора способов представления данных на экране монитора – протокол, таблицы, графики функций, рисунок, динамическая модель;

запустите модель, пронаблюдаете особенности ее работы, произвольно изменяя состав элементов модели и значения параметров, определите, требуется ли использование дополнительных средств наглядности;

проанализируйте достоинства и недостатки модели по

следующим критериям: научная достоверность, методическая целесообразность, эргономика.

2.Проведите экспертную оценку качества изученных моделей (предложите 7-10 критериев оценки).

3.Разработайте методические указания к применению виртуальной модели на уроках разных типов.

Задания для самостоятельной внеаудиторной работы:

Проектное задание: Разработать конспект внеклассного мероприятия по физике с использованием виртуальных физических моделей (форма организации и тема по выбору).

Темы рефератов:

1.Моделирование как метод обучения физике.

2.Моделирование в современной физике.

3.Достоинства и недостатки применения виртуальных моделей в процессе обучения учащихся физике.

ТЕМА №5 ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ ПО ФИЗИКЕ

Цель: формирование компетентности в области методики применения виртуальных лабораторных работ для организации активной познавательной деятельности учащихся на уроках физики.

32

ТЕОРИЯ

Виртуальная лаборатория представляет собой программноаппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой8. В первом случае это – дистанционные лабораторные комплексы или лабораторные установки с удаленным доступом. Во втором – виртуальные лабораторные комплексы.

Дистанционный лабораторный комплекс - лабораторный комплекс, позволяющий осуществлять удаленный доступ к лабораторному оборудованию в реальном масштабе времени. В его состав входят: реальная лаборатория, программно-аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства коммуникации.

Виртуальный лабораторный комплекс – электронный ре-

сурс, имитирующий реальные физические процессы и лабораторное оборудование. Виртуальные лабораторные комплексы могут быть двух типов – виртуальные лабораторные работы и виртуальные конструкторы. В виртуальной лабораторной работе реализуется сценарий традиционной лабораторной работы. Пользователю предоставляется возможность собрать установку для проведения эксперимента из графических образов лабораторного оборудования; пронаблюдать виртуальную модель исследуемого явления, процесса, закономерности или принципа действия какого-то устройства; снять и зафиксировать показания с виртуальных приборов; определить погрешности измерений; проанализировать полученные результаты. Виртуальные конструкторы позволяют создавать интерактивные компьютерные модели физических явлений и процессов, собирать на экране компьютера экспериментальные установки, проводить эксперименты и исследования.

Работа учащихся с виртуальными лабораториями формирует навыки, необходимые для проведения реальных экспериментов – выбор условий проведения эксперимента, установка параметров опыта, сборка экспериментальных установок, определение показаний измерительных приборов, представление результатов экспе-

8 А.В. Трухин. «Об использовании виртуальных лабораторий в образовании» // Открытое и дистанционное образование. – 2002. – № 4 (8).

33

римента в различных формах, поиск причин погрешностей измерений и т.д.

Примеры виртуальных лабораторных комплексов:

«Виртуальные лабораторные работы по физике. 7-9 класс» и «Конструктор виртуальных экспериментов. Физика» (компания «Новый диск»);

«Виртуальная физическая лаборатория» (издательство «Дрофа»);

«Лаборатория. Тайны времени и пространства» (компания

«1С»);

«Online лаборатория по физике»

(URL: http://www.college.ru/laboratory/MainMenu.php3);

Виртуальныйконструкторцепейпостоянноготока«Сборка»

(URL: http://shadrinsk.zaural.ru/~sda/project1/index.html);

Виртуальный конструктор «Начала электроники»

(URL: http://www.elektronika.newmail.ru/);

Дистанционный лабораторный практикумпо курсуфизики средней школы (URL: http://phdep.ifmo.ru/labor/common/);

«Виртуальная физическая лаборатория»

(URL: http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/index.html).

Методика работы с виртуальными лабораториями во мно-

гом сходна с методикой проведения традиционных (реальных) лабораторных работ:

1.Актуализация и повторение знаний и способов деятельности, необходимых для выполнения работы. Виртуальные лаборатории, прежде чем допустить ученика к выполнению лабораторной работы, предлагают ему прочитать теоретическую часть и пройти тест по теме лабораторной работы.

2.Инструктаж: определение цели работы, теоретическое обоснование задания и правил его выполнения (включая ТБ), образец выполнения работы. При выполнении виртуальной лабораторной работы необходимо добавить инструктаж о правилах работы с интерфейсом ЭОР.

3.Проведение опыта или эксперимента, измерение, фиксация и обработка результатов. Правильность выполнения

34

виртуальной лабораторной работы контролирует программа, и вмешательства учителя не требуется.

4.Подведение итогов и заключительная беседа. После выполнения виртуальной лабораторной работы программа предлагает ученику пройти тест, а при возникновении затруднений – еще раз прочитать теорию и выполнить лабораторную работу.

5.Домашнее задание.

Самый важный недостаток работы с виртуальными лабораториями состоит в том, что обучаемый теряет связь с реальным объектом обучения, подменяемым виртуальной моделью. Виртуальные лабораторные работы и конструкторы обладают высокой степенью реалистичности и убедительности. От их научной достоверности и методической корректности во многом зависит формирование у учащихся правильного понимания механизма течения физических явлений и процессов. Малейшая ошибка в алгоритме создания виртуальных моделей может привести к нарушению у учащихся научного восприятия реальности. В.С. Ким описал следующий случай: «На компьютерной модели весов видно, что коромысло имеет «неправильную» конфигурацию. Иными словами, в реальности подобные весы работать не должны. Мы столкнулись со случаем, когда «неправильная» виртуальная модель реальных весов успешно работает. Учащийся, сидя за монитором компьютера и, манипулируя мышью, может выполнить все взвешивания. Программный алгоритм будет заставлять двигаться «неправильное» коромысло виртуальных весов в нужном направлении9». К сожалению, такие искажения реальной действительности встречаются в электронных образовательных ресурсах достаточно часто. Решить эту проблему возможно только одним способом – реальным экспериментом. Без наблюдений за природными явлениями, без опытов с натурными моделями и без реального эксперимента с настоящими приборами изучение физики невозможно.

Методические приемы сочетания реальной и виртуальной лабораторной работы:

9 Ким В.С. Виртуальные эксперименты в обучении физике. Монография. – Уссурийск, 2012.С 146.

35

1.Виртуальная лабораторная работа предлагается учащимся для домашнего выполнения как способ подготовиться к реальной лабораторной работе.

2.На уроке при выполнении реальной лабораторной работы ее виртуальная версия демонстрируется учащимся для актуализации знаний и способов деятельности.

3.Виртуальная лабораторная работа предлагается для домашнего выполнения тем учащимся, кто не справился с реальной лабораторной работой.

4.На уроке при выполнении виртуальной лабораторной работы реальный эксперимент демонстрируется учителем на этапе инструктажа или на этапе подведения итогов с целью анализа достоверности результатов, полученных при работе с виртуальной моделью.

СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Вопросы для обсуждения:

1.Выделите характерные особенности понятий «лабораторная работа», «научное исследование», «эксперимент», «фронтальная лабораторная работа», «лабораторный практикум», «экспериментальная задача», «виртуальная лаборатория», «дистанционный лабораторный комплекс», «виртуальный лабораторный комплекс», «виртуальная лабораторная работа», «виртуальный конструктор».

2.Какие инструментальные программы, применяемые для создания виртуальных лабораторий, существуют? В чем их достоинства и недостатки?

3.Какие требования предъявляются к виртуальным лабораторным работам по физике? Какому виду лабораторных работ (реальных или виртуальных) Вы отдаете предпочтение? Почему?

4.Что общего и в чем различия методик проведения реальной

ивиртуальной лабораторной работы по физике? Проведите анализ на примере конкретной лабораторной работы по курсу физики средней школы.

5.Какие методические приемы организации познавательной деятельности (репродуктивной, продуктивной и исследовательской) при выполнении учащимися виртуальных лабораторных работ Вы можете предложить?

36

Практические задания для аудиторной работы:

1.Изучите 2-3 виртуальные лаборатории по физике, представленныевсетиИнтернетивучебныхпособияхпофизикенаCD иDVD.

2.Проведите экспертную оценку качества одной виртуальной лаборатории.

3.Опишите методическую основу применения этой лаборатории (соответствие конкретной программе по физике; качество физических моделей; наличие разных уровней сложности; интерактивность; система контроля и оценки; методические указания для учителя и др.).

Задания для самостоятельной внеаудиторной работы:

Проектное задание: Разработать конспект урока – лабораторной работы с применением виртуальной физической лаборатории 3-х уровней сложности: репродуктивного, частично-поискового и исследовательского (тема урока и виртуальная физическая лаборатория по выбору).

Темы рефератов:

1.Содержание комплекта дидактических материалов для организации самостоятельной деятельности учащихся при выполнении виртуальных лабораторных работ по физике.

2.Лаборатории по физике удаленного доступа.

3.Особенности формирования экспериментальных умений учащихсяпри выполнении виртуальныхлабораторных работ по физике.

ТЕМА №6 ТРЕНАЖЕРЫ РЕШЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Цель: формирование компетентности по эффективному использованию тренажеров решения физических задач на уроках разных типов.

ТЕОРИЯ

Электронные тренажеры решения задач – вид электронных образовательных ресурсов, предназначенных для формирования у

37

учащихся компетентности в решении физических задач в процессе самостоятельной и/или аудиторной работы. Это новое дидактическое средство, помогающее ученику не только сформировать устойчивые навыки решения физических задач разных типов (качественных, расчетных, графических, экспериментальных), но и освоить фактический материал, методы физической науки, а также развить познавательный интерес и творческие способности. Эффективность электронных тренажеров в обучении учащихся решению физических задач обеспечивается следующими специфическими свойствами виртуальной среды: мультимедийность, моделинг, интерактивность, коммуникативность, интеллектуальность, производительность.

Тренажеры базируются на обучающем алгоритме, позволяющем провести решение физических задач самостоятельно под контролем компьютера. Базовая схема обучающего алгоритма

содержит следующие шаги, которые могут быть уточнены в соответствии с логикой решения конкретной задачи:

1.Представление содержания задачи. Могут использоваться как традиционные (текст, рисунок, фотография, график, схема), так и мультимедийные (виртуальная модель, видеофрагмент, анимация, интерактивная схема) формы представления информации, как по отдельности, так и в разных сочетаниях.

2.Анализ условия задачи. При возникновении затруднений учащийся может получить помощь от системы – обратиться к тексту лекции, краткой справке, примеру анализа типовой задачи.

3.Запись условия задачи в символьной и графической формах.

4.Поиск решения задачи. Выбор физических законов (из нескольких предлагаемых), описывающих явление или процесс; свободный ввод основных формул и/или результатов собственных аналитических выкладок. Численные расчеты с помощью встроенного математического редактора или калькулятора.

5.Проверка решения. Система не только констатирует правильно или нет решена задача, но может предложить видеофрагмент или компьютерную модель опыта, подтвер-

38

ждающего или опровергающего достоверность результата, полученного при решении задачи.

Неоспоримое достоинство электронных тренажеров в том, что система на каждом шаге решения задачи может отследить правильность решений, принимаемых учеником, и скорректировать его действия. Важнейший недостаток в том, что они позволяют решать учащемуся задачу только в соответствии с теми сценариями, которые заложены в тренажере. Нетрадиционные подходы определяются как неправильные.

На рынке электронных образовательных ресурсов представлено достаточно много тренажеров решения задач по физике, например:

«Физика. Сдаем ЕГЭ» (компания «1С»);

«Репетитор по Физике Кирилла и Мефодия» (компания «Кирилл и Мефодий»);

«Решебник по физике 7-11» (компания «Мультимедиа Технологии и Дистанционное Обучение»);

«Видеозадачник по физике» (авторы: А.И. Фишман, А. И. Скворцов, Р.В. Даминов, Казанский Государственный Университет) и др.

Особый интерес для физического образования представляет такой тип тренажеров как компьютерная обучающая игра.

Компьютерная обучающая игра – электронный образова-

тельный ресурс, в основе которого – моделирование тематических ситуационных задач, анализ и решение которых способствует закреплению у учащихся предметных знаний, формированию предметных умений на продуктивном и исследовательском уровнях и развитию навыка принятия решений в нестандартных условиях. Ситуационные задачи существенно отличаются от учебных задачупражнений: если в последних всегда сформулировано условие (что дано) и требование (что надо найти), то в ситуационной задаче, как правило, таких параметров нет. Обучающемуся в ходе решения подобных задач необходимо разобраться в реальной ситуации, определить, существует ли проблема и в чем она состоит, т.е. самостоятельно установить, что ему известно и что надо определить для принятия решения. Примеры компьютерных обучающих игр по физике:

39

Игра «Капитан» (ФГБОУ «ВГСПУ»). Цель игры – закрепление теоретических знаний и формирование умений решать задачи по теме «Сложение скоростей» (9-11 классы). Сюжет игры: Игрок выполняет роль капитана корабля, задача которого доставить гуманитарную помощь соседним островам, пострадавшим от урагана. Для этого ему необходимо на основе принципа сложения скоростей проложить курс, рассчитать скоростной режим движения. Игра состоит из четырех задач, сложность которых увеличивается по мере прохождения. Сначала каждая из задач решается качественно, затем проводятся вычисления. Правильное решение отображается в виде картинки с изображением корабля, прибывшего в порт, а неправильное – с изображением корабля, терпящего неудачу. Если капитан несколько раз не справляется с заданием, то на экране выводятся способы его решения. После этого ученик вновь возвращается к невыполненному заданию и не перейдет к следующему, пока не даст верный ответ.

Игра «Операция «Гений. Спецотряд физики»» (компания «Но-

вый диск»). Это экономическая 3D-стратегия. Цель игры – построить комплекс заводов, производящих различный транспорт. Игра начинается в середине XIX века и заканчивается в конце XX века. Сначала можно производить только велосипеды, но затем, с началом на- учно-технической революции, выбор производимой продукции увеличится вплоть до производства космических кораблей. В игре есть более 100 различных заданий по физике, которые можно выполнить, если прочесть научный журнал или написать письмо ученому того времени.

Игровой учебник физики «Дракоша и занимательная Физика»

(компания «Новый диск»). Простые познавательные игры для детей в возрасте от 3 до 10 лет.

Игра «Уравновесь рычажные весы» (URL: http://sh-fizika.ru/ 2406-igra-uravnoves-rychazhnye-vesy.html). В игре необходимо со-

брать на рычажных весах как можно более сложную уравновешенную систему, используя различные предметы, которые появляются каждый раз, после того, как весы будут уравновешены. При этом у разных предметов есть свои свойства, например, из ведра можно вылить воду, а из скворечника вылетают птицы, которые садятся на разные плечи весов и меняют баланс.

40