Інноваційна природа навчання або нетрадиційним підхід до опрацювання традиційної теми

У статті розглянуто феномен «інноватика» в контексті процесу творення, запровадження та поширення в освітній практиці нових ідей, засобів, педагогічних та управлінських технологій, у результаті яких підвищуються показники (рівні) досягнень структурних компонентів освіти, відбувається перехід системи до якісно іншого стану.

Акцентовано увагу на використанні інноваційних технологій під час викладання теми «Гармонічні коливання», що стосується додавання взаємно перпендикулярних коливань.

Ключові слова: інноваційна педагогічна діяльність, процес навчання, гармонічні коливання, віртуальний експеримент, електрон.

Постановка проблеми. Продукування нових знань, створення нових технологій, способів та систем комунікацій, глобалізація соціальних зв’язків постійно оновлюють вимоги до процесу і результату взаємодії між вчителем і учнями (між викладачем і студентами), за яким останні оволодівають всіма компонентами змісту навчання, розвиваються і виховуються.

Оскільки «нове» в педагогічній теорії та практиці поняття відносне, то доцільно говорити про ознаки новизни у структурі і змісті. За В. В. Химинцем, це:

• — нові освітні ідеї та дії, що раніше не були відомі (абсолютно нових оригінальних ідей надзвичайно мало);
• — адаптивні, чи переоформлені новації під впливом нових ідей та дій, що набувають особливої популярності у відповідному середовищі (за відповідних умов) та у відповідний період часу;
• — трансформовані педагогічні новації, що виникають у зв’язку з повторною постановкою мети за змінених умов.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У працях українських та зарубіжних педагогів (К. Ангеловські, І. Богданова, Л. Даниленко, І. Дичківська, О. Козлова, І. Коновальчук, О. Попова, Е. Роджерс, В. Сластьонін та ін.) розглянуто теоретико-методологічні й практичні засади педагогічної інноватики, сутність та структуру інноваційної педагогічної діяльності. Особливості розвитку інноваційних процесів в освіті, умови впровадження інноваційних технологій, процеси підвищення ефективності інноваційної діяльності набули розгляду в працях О. Дубасенюк, М. Кларіна, Л. Машкіної та ін. Закономірності функціонування інноваційних процесів та розвиток педагогічних систем висвітлено В. Паламарчуком, І. Підласим, А. Хуторським та іншими вченими.

Метою статті є розгляд освітньої інноватики в контексті діяльності вчителя (викладача) фізики та висвітлення нетрадиційних підходів до процесу навчання.

Виклад основного матеріалу. Процес творення, запровадження та поширення в освітній практиці нових ідей, засобів, педагогічних та управлінських технологій, у результаті яких підвищуються показники (рівні) досягнень структурних компонентів освіти, відбувається перехід системи до якісно іншого стану, тлумачимо як інноватику в освіті.

Результати наших попередніх досліджень дали змогу теоретично обгрунтувати та втілювати засади вдосконалення курсу загальної фізики [1, 2]. У них, зокрема, наголошують на тому, що навчальний експеримент має стати невіддільним компонентом інноваційних комплексних тем, які повинні охоплювати ключові поняття, закони, теорії фізики і взаємозв'язки між ними та є результатом системного врахування вимог дидактики і діалектики.

Стає очевидним, що вдосконалення курсу загальної фізики навряд чи можливе без активної праці над його модернізацією та оновленням, в т. ч. над пошуком нових способів та методів подання фізичних явищ та процесів, що в свою чергу пов’язане розробкою і виготовленням засобів для їх реалізації як реальних, так і віртуальних.

У цій статті ми спочатку зупинимось на окремих усталених підходах до навчання цієї теми, зміст матеріалу якої пов’язаний з коливальними процесами, зокрема додання взаємно перпендикулярних коливань з однаковими частотами. Про них можна судити по змісту навчального матеріалу висвітленому у низці посібників, наприклад [3,4].

Нижче опишемо як наші теоретичні міркування щодо засад удосконалення курсу загальної фізики можна враховувати під час модернізації навчання теми, яка пов’язана з додаванням коливань.

У контексті поданого зміст статті розкривається в наступних пунктах:

• 1. Недоліки у традиційному висвітленні теми «Додання взаємно перпендикулярних коливань» .
• 2. Від коливань матеріальної точки (тіла) до коливань електрона в електричному полі.
• 3. Як активізувати навчання?
• 4. Опис віртуальної модельної установки та експерименту.
• 1. Недоліки у традиційному висвітленні теми «Додання взаємно перпендикулярних коливань».

Традиційно, тему «Додавання взаємно перпендикулярних гармонічних коливань», у посібниках і підручниках курсу загальної фізики, починають описувати з наступного виразу: «Нехай матеріальна точка C одночасно бере участь у двох гармонічних коливаннях з однаковими періодами T у двох взаємно перпендикулярних напрямках…» [3], або «Розглянемо випадок, коли тіло одночасно бере участь у двох взаємно перпендикулярних коливаннях.» [4].

Далі, отримують математичну модель досліджуваного явища та застосовують її для аналізу окремих простих випадків коливальних рухів. А у лабораторному практикумі, достовірність отриманих результатів унаочнюють отримуючи «фігури Ліссажу» .

Виникають запитання: «Чи не занадто абстрактним та й консервативним є навчання, побудоване на дослідженні поведінки «матеріальної точки» ?

Все ж таки у більшості пересічних студентів та школярів старших класів переважаючим є предметне мислення, а не абстрактне. А навчальний матеріал, потрібно формувати так, щоб у ньому демонструвався взаємозв'язок між поняттями різних розділів курсу фізики. Тільки такий підхід стане запорукою застосування принципу фундаменталізації та інтеграції знань, без реалізації якого неможливий перехід на засади сучасної гуманістичної парадигми.

Крім того, результати наших досліджень свідчать, що якісного навчання теми легше досягнути застосовуючи можливості нових інформаційних технологій, звичних для сучасного студента та школяра старших класів.

У контексті поданого, пропонуємо розпочати вивчення теми «Додавання взаємно перпендикулярних гармонічних коливань» не з аналізу уявних рухів матеріальної точки, а розглянувши в ролі коливального тіла «електрон». На нашу думку навчання побудоване на аналізі коливальних рухів електрона, матиме низку переваг. Це випливає з наступного:

• — по-перше, електрон наближено можна вважати матеріальною точкою (його розміри порядку 1−10~15 м);
• — по-друге, є реальна можливість продемонструвати результат дії на нього електричних сил і таким чином підкреслити на єдності цього типу коливань з електромагнетизмом;
• — по-третє, електрон — це одна з фундаментальних «цеглинок» Всесвіту;
• — по-четверте, дає змогу акцентувати на аналогії між рухом тіла масою m у гравітаційному полі біля поверхні Землі та рухом електрона e в однорідному електричному полі створеному між плоско паралельними горизонтально розташованими пластинами (мал. 1);
• — по-п'яте, дає змогу продемонструвати, що додавання взаємно перпендикулярних коливань може бути спричинено дією на електрон двох взаємно перпендикулярних гармонічних електричних сил однакової частоти.

Зважаючи на подане зміст теми доцільно почати розгортати з висвітлення руху електрона у змінному електричному полі.

інноваційний навчання освіта.

2. Від коливань матеріальної точки (тіла) до коливань електрона в електричному полі Уявіть собі, що електрон зі швидкістю швидкість v влітає паралельно осі симетрії системи вертикально та горизонтально відхиляючими пластинами двох плоских конденсаторів (мал. 2, б) (Зауважимо, що ця вісь є перпендикулярною до площини малюнка).

У разі прикладання напруги до пластин конденсатора, (мал. 2) електрон почне рухатися в горизонтальному та вертикальному напрямках. З цими напрямками можна пов’язати прямокутну систему координат xOy, розташувавши початок координат в центрі симетрії системи відхилення.

Нехай, в момент часу t = 0 електрон попадає в центр симетрії цієї системи пластин, а напруга на них змінюється за гармонічним законом:

Отже, з поданого випливає:

— по-перше — якщо електрон одночасно бере участь у двох взаємно перпендикулярних коливаннях з однаковими періодами T, а зміщення вздовж осей Ox і Oy дорівнює відповідно x і у, то щоб знайти положення електрона в будь-який момент часу t, треба для цього моменту часу знайти його зміщення x та у і побудувати на них прямокутник. Кінець діагоналі прямокутника визначить положення електрона в момент часу t, а відрізок ОС — результуюче зміщення;

— по-друге — зважаючи на періодичність коливань, зрозуміло, що змінюючи час t від 0 до T, отримаємо ряд точок, та з'єднавши їх лінією, отримаємо траєкторію руху електрона, яка в залежності від початкової фази ф0 (ф0 = t0, де t0 — час, що задає початкову фазу), описуватиме певні геометричні фігури. У певних випадках це може бути пряма, коло та еліпс.

Вочевидь, описаний вище спосіб отримання результату додавання коливань не є надто рутинним та складним.

Тоді, як доступно наочно і науково подати це?

Нагадаємо, що традиційно, спочатку отримують математичну модель досліджуваного явища та обговорюють кілька простих випадків, що описують пряму, коло та еліпс, осі якого співпадають з осями координат) А зараз ми перейдемо до нашого бачення розгортання процесу навчання теми.

3. Як активізувати навчання теми До цього моменту роль студента в навчанні цієї теми обмежується пасивним спогляданням за інформацією, яку подає викладач, або самостійним читанням матеріалів, що стосуються теми у підручниках і посібниках.

Ми пропонуємо активізувати процес навчання, зробити студента активним учасником цього процесу. Ми вважаємо, що для реалізації цього потрібно математичний формалізм унаочнити у віртуальному модельному числовому експерименті. Студент має мати змогу задавати коливальні рухи та «бачити» на екрані дисплею не тільки їх загальний вигляд, отримати конкретні числові залежності зміщення електрона x та у від часу t, але наочний результат додавання, тобто траєкторію руху електрона.

Для цього було розроблено навчальну комп’ютерну програму: «Гармонічні коливання» .

Вона дає змогу реалізувати два завдання, одне з яких стосується додавання взаємно перпендикулярних коливань. Студенти виконують завдання на віртуальних модельних установках, в основі яких лежить числовий експеримент. Про окремі елементи навчальної програми, зокрема, протікання експерименту, можна судити по скріншоту екрану, який подано на мал. 3. Розглянемо її окремі елементи.

4. Опис віртуальної модельної установки та експерименту Нехай потік електронів рухається вздовж осі симетрії.

Висновки. Запропонована нами побудова змісту навчання теми та його унаочнення у модельному комп’ютерному експерименті, сприяє засвоєнню навичок розуміння суті досліджуваних фізичних процесів.

У цьому аспекті слід виділити два чинники: з одного боку, через те, що запропонований нами числовий віртуальний експеримент організовується з допомогою математичних моделей процесу додавання коливань, тому він дає змогу прогнозувати характер їх протікання цього процесу за тих або інших початкових умов. З іншого — важливо й те, що керування модельною установкою з клавіатури комп’ютера під час проведення модельного комп’ютерного експерименту, створює відчуття реальності.

Використані джерела

• 1. Орищин Ю. М. Інновації в методиці навчання курсу загальної фізики як засадничий чинник її вдосконалення / Ю. М. Орищин // Зб. наук. праць Кам’янець-Поділ. держ. ун-ту. Сер. педагогічна. Проблеми дидактики фізики та шкільного підручника в контексті сучасної освітньої парадигми. — 2006. — Вип. 12. — С. 150−152.
• 2. Орищин Ю. М. До питання про особливості розв’язання окремих проблем освіти з погляду сучасної гуманістичної парадигми / Ю. М. Орищин // Зб. наук. праць Кам’янець-Поділ. держ. ун-ту. Сер. педагогічна. — 2007. — Вип. 13. — С. 96−99.
• 3. Яворський Б. М. Курс фізики. Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка / Б. М. Яворський, А. А. Детлаф, Л. Б. Милковська, Г. П. Сергеєв. Навчальний посібник. — Київ: Вища школа. 1970. — С. 149−151.
• 4. Кучерук І.М. Загальний курс фізики. Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. Навчальний посібник для студентів вищих техн. і пед. закладів освіти / І.М. Кучерук, І.Т. Горбачук, П. П. Луцик; за ред. І. М. Кучерука. — К: Техніка, 1999. — С 217−219.5. Орищин Ю. М. Теорія і практика вдосконалення курсу загальної фізики (сучасний навчальний експеримент) / Ю. М. Орищин / Монографія. — Львів: Видавничий дім «Панорама», 2003. — 264 с.
• 6. Савельев И. В. Курс общей физики. — Т. 1. Механика. Молекулярная физика / И. В. Савельев. — М.: Наука, 1970. — 511 с.
• 7. Химинець В. В. Інноваційна освітня діяльність / В. В. Химинець. — Ужгород: Інформаційновидавничий центр ЗІППО, 2007. — 364 с.