1.3. Виртуальный эксперимент в системе преподавания физике
Уникальные особенности виртуальной информационной среды определяют бесспорную эффективность ее применения в любой сфере познавательной деятельности, в том числе и в проведении лабораторных физических экспериментов[9] .
Отметим достоинства виртуального физического эксперимента и его содержание. Такой эксперимент позволяет:
изучать сложные физические явления на уровне, доступном пониманию, исключая обращение к их нередко громоздкому математическому описанию;
«исследовать» явление даже в тех случаях, когда проведение реального эксперимента затруднено или нецелесообразно (например, движение космических объектов, изучение поведения тел при больших давлениях, исследование микроскопических объектов, работа ядерного реактора и т.д.);
останавливать и возобновлять эксперимент с целью анализа промежуточных результатов и возможного изменения его хода;
·изучать явление в динамике (т.е. наблюдать его развитие в пространстве и времени);
осуществить операцию, невозможную в натурном эксперименте – изменять пространственно-временные масштабы протекания явления;
задавать необходимые условия проведения эксперимента и параметры исследуемой системы объектов, не опасаясь за ее состояние, а также безопасность и сохранность компонентов экспериментальной установки;
сопровождать модельный эксперимент визуальной интерпретацией закономерных связей между параметрами исследуемой системы (в форме динамичных графиков, диаграмм, схем и пр.) [10];
исследовать явление в «чистом» виде, точно воспроизводя требуемые условия его протекания;
акцентировать, благодаря эффектам мультимедиа, внимание учащихся на главном в изучаемом явлении и способствовать тем самым более глубокому пониманию его сущности.
Выделяют следующие виды виртуального физического эксперимента:
Виртуальный эксперимент, который проводит учитель
Фронтальные лабораторные работы, выполняемые учащимися на компьютере
Внеклассные физические опыты (на кружках, конференциях) и домашние экспериментальные виртуальные работы
Компьютерные эксперименты. После того как компьютерная модель освоена, имеет смысл предложить учащимся 1-2 эксперимента. Такие эксперименты позволяют учащимся глубже вникнуть в смысл происходящего на экране
Экспериментальные задачи. Можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи, для решения которых необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило, учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Несмотря на кажущуюся простоту, такие задачи очень полезны, так как позволяют учащимся увидеть живую связь компьютерного эксперимента и физики изучаемых явлений
Требования применения компьютерной модели на уроке:
Компьютерный эксперимент должен помогать разбираться в деталях изучаемого явления или служить иллюстрацией условия решаемой задачи [9] .
В результате работы с моделью ученики должны выявлять как качественные, так и количественные зависимости между величинами, характеризующими явление.
Модель явления должна быть использована лишь в том случае, когда невозможно провести эксперимент или когда это явление протекает очень быстро и за ним невозможно проследить детально.
Приведем примеры использования виртуальных лабораторий
Рис. 2. Модель: цилиндр на рельсе
Содержание: изучаемое тело (тележка, брусок или металлический цилиндр) можно установить на наклонный рельс, при этом оно обладает нулевой начальной скоростью. Если тело поставить вблизи края рельса, оно автоматически закрепляется электромагнитом. Щелчок мыши по красной кнопке включает или выключает электромагнит, при выключении электромагнита индикаторы сбрасываются в ноль [6].
Распределение массы внутри цилиндра радиально симметрично, но неизвестно. Тележка скатывается по рельсу без трения.
Если закрепить цилиндр в верхней части рельса и отключить электромагнит, цилиндр скатывается вниз по рельсу, при этом проскальзывание и потери энергии из-за трения качения отсутствуют.
Задание: определите путь S, который пройдёт центр цилиндра за первые 0.89 секунд, и полную кинетическую энергию Т (поступательного и вращательного движения) цилиндра в этот момент времени. Отошлите результаты на сервер.
Величины необходимо вводить с точностью до сотых. В промежуточных вычислениях сохраняйте не менее 4 значащих цифр.
Оптические датчики срабатывают при пересечении тележкой их светового луча - в момент прохождения координаты оптических ворот маркером-стрелочкой [6] . Положение оптических ворот можно изменять при помощи мыши, оно отмечается красным маркером. Линейку можно вращать, взявшись за помеченный цветом край. Массы гирь указаны в граммах. Ускорение свободного падения считайте равным 9.8 м/с2