Використання комп"ютерного моделювання в шкільному курсі фізики

ВСТУП Впровадження у практику особистісно-орієнтованого навчання, при якому вчитель орієнтується не на «середнього» учня, а на кожного конкретного учня, враховуючи його особистість, здібності, риси, схильності й інтереси, вимагає розробки нових методів, засобів і організаційних форм навчання. Зокрема одним з можливих шляхів із вдосконалення навчального процесу в цьому напрямку є застосування до викладання навчального матеріалу нових досягнень науки і техніки, насамперед комп’ютерної техніки.

Найбільш вагомим застосуванням комп’ютера у фізиці є комп’ютерне моделювання фізичних явищ і робота комп’ютера у поєднанні з експериментальною установкою, де він виконує дві ролі - фіксує експериментальні дані зі швидкістю й в обсягах, зовсім недосяжних при роботі на некомп’ютеризованій установці, та автоматизує керування експериментом. Окрім того, комп’ютер використовується для обробки експериментальних даних, зберігання й швидкого пошуку величезних масивів інформації і як засіб комунікації. Використання персонального комп’ютера на уроках фізики дозволяє познайомити учнів з усіма цими напрямками його застосування.

Існує також ще й дидактична роль використання комп’ютерної техніки, залученої до навчального процесу. Насамперед, це — візуалізація навчального матеріалу. До того ж розширюються можливості залучення до навчального процесу міжпредметних зв’язків. Так, шкільний курс інформатики потребує підтримки з боку курсу фізики, коли мова заходить про будову комп’ютера, принципи функціонування його окремих елементів, і, у свою чергу, інформатика забезпечує курс фізики матеріалом, який викликає великий інтерес учнів.

Комп’ютерне моделювання, яке є сучасним засобом розв’язування прикладних науково-технічних задач у фізиці-науці, має водночас не менш важливе застосування у навчальному процесі разом з потужними у пізнавальному аспекті інформаційними технологіями. Вивчення комп’ютерного моделювання майбутніми вчителями фізики відкриває широкі можливості щодо використання сучасних технологій у їх науковій та навчальній діяльності для реалізації міжпредметних зв’язків інформатики, математики, фізики та інших предметів.

Не зважаючи на очевидну актуальність застосування комп’ютерного моделювання в шкільному курсі фізики аналіз літератури та досвід, отриманий автором під час педагогічної практики у харківських школах, свідчить, що питання його ефективного впровадження у шкільну практику ще недостатньо досліджені і потребують подальшої розробки при викладанні певних тем курсу. Тому мета даної дипломної роботи полягає в розробці питання використання комп’ютерного моделювання в шкільному курсі фізики на прикладі викладання окремих його тем у старших класах середньої школи.

РОЗДІЛ 1. ДИДАКТИЧНІ АСПЕКТИ ТЕХНОЛОГІЗАЦІЇ НАВЧАЛЬНОГО ПРОЦЕСУ В СЕРЕДНІЙ ШКОЛІ

1.1 Проблема наочності при викладанні шкільного курсу фізики Постійне вдосконалення навчально-виховного процесу разом з розвитком і перебудовою суспільства, а також зі створенням єдиної системи безперервного навчання, є характерною рисою народної освіти в Україні. Здійснювана в країні реформа школи спрямована на те, щоб привести зміст освіти у відповідність із сучасним рівнем наукового знання, підвищити ефективність всієї навчально-виховної роботи й підготувати учнів до праці в умовах прискорення науково-технічного прогресу (НТП), авангардні рубежі якого визначені як електронізація народного господарства, комплексна автоматизація. Досягнення НТП — це результат фундаментальних фізичних досліджень.

Тому електроніка й обчислювальна техніка стають компонентами змісту навчання в фізиці й математиці, засобами оптимізації й підвищення ефективності навчального процесу, а також сприяють реалізації багатьох принципів розвиваючого навчання.

Обчислювальна техніка, фундаментом якої служить фізика, знаходить широке застосування у викладанні останньої не тільки як засіб, який математичними методами моделює фізичні процеси і явища, але і як сучасний засіб наочності, як засіб математичної обробки результатів демонстраційного експерименту й лабораторних робіт, контролю й самоконтролю знань учнів. Досвід використання обчислювальної техніки на уроках фізики показав, що комп’ютер допомагає готовити завдання для відповідного рівня, темпу засвоєння й стилю кожного учня. Комп’ютер відкриває нові шляхи в розвитку мислення, надаючи нові можливості для активного навчання. Проведення уроків, вправ, контрольних і лабораторних робіт, а також облік успішності за допомогою комп’ютера стає більше ефективним, а величезний потік інформації легкодоступним. Використання комп’ютера на уроках фізики також допомагає реалізувати принцип особистої зацікавленості учня в засвоєнні матеріалу й багато інших принципів розвиваючого навчання.

Звісно, комп’ютер не може повністю замінити вчителя. Вчитель має можливість зацікавити учнів, розбудити в них допитливість, завоювати їхню довіру, він може направити їх увагу на ті або інші аспекти досліджуваного предмета, винагородити їхні зусилля й заохотити вчитися. Комп’ютер ніколи не зможе взяти на себе таку роль учителя.

Необхідно відзначити важливість використання програм моделювання, які залучають учня до світа науки й техніки, недоступного йому особисто; наприклад, дозволяють унаочнити процеси всередині атома й атомного ядра, посадки космічного корабля на Місяць або Марс, хід променів у лінзах, наочно у вигляді імітаційних моделей провести ті або інші навчальні досліди на екрані дисплея, якщо їхнє матеріально-інструментальне втілення за якимись причинами недоступно школі.

Так, використання таких програм, як, наприклад, програмний пакет Microsoft Office (зокрема MS Excel) та середовище flash-програмування (Macromedia Flash), відкривають широкі можливості для творчості учнів, для навчання їх елементам дослідницької діяльності шляхом:

анімації: об'єкти на екрані можуть рухатися з різними швидкостями й взаємодіяти один з одним, що дає можливість вивчати закони руху й взаємодії тіл;

можливості конструювати об'єкти всіх видів: від будинків і техніки до експериментальних установок і моделей — тобто відкривають можливість моделювати процеси, робити спостереження й виміри, робити висновки й виявляти закономірності;

застосування графічного методу — побудови графіків залежностей фізичних величин (наприклад, за допомогою Microsoft Office Excel): зміна параметрів, що вводять, дозволяє краще зрозуміти фізичну природу, сутність досліджуваного явища;

роботи з векторними величинами: знаходження їхніх проекцій, розкладання сумарного вектора на складові вектори тощо; все це розвиває в учнів більш усвідомлене розуміння векторів.

Усі ці методи використання комп’ютера є традиційними й спрямованими на підвищення ефективності навчання фізиці всіх учнів класу. Широкий діапазон використання комп’ютера й у позакласній роботі: він сприяє розвитку пізнавального інтересу до предмета, розширює можливість самостійного творчого пошуку найбільш захопленою фізикою учнів. Однією з форм використання комп’ютера в позакласній роботі є складання навчальних програм самими учнями. При цьому учні не тільки поглиблюють і розширюють знання з теми, але й активно мислять, залучають для вирішення проблеми раніше отримані знання, проводять синтез, аналіз, узагальнення й висновки, що сприяє всебічному самостійному розгляду поставленого завдання. Складання програми стимулює розумову активність, розвиває творчі здібності учнів, сприяє емоційному задоволенню й самоствердженню.

Ще одна форма нових інформаційних технологій — модливість створювати єдиний інформаційний освітній простір шляхом використання електронних підручників та реалізації міжпредметних зв’язків у вигляді інтернет-посилань, що звісно дозволить більш ефективно формувати суцільний світогляд учня, значно розширити кругозір, розвитку комунікативних здатностей.

Таким чином, всебічне використання можливостей обчислювальної техніки на уроках фізики дозволяє підвищити ефективність навчання, поліпшити контроль і оцінку знань учнів, звільнити більше часу для надання допомоги учням. Комп’ютер дав можливість зробити уроки більш цікавими, захоплюючими й сучасними.

Інформаційна технологія в навчально-виховному процесі - це поєднання традиційних технологій навчання і технології інформатики. За проведеними дослідженнями й оцінками експертів у області комп’ютерного навчання, використання інформаційних технологій у навчально-виховному процесі фізики може підвищити ефективність практичних і лабораторних робіт до 30%, а об'єктивність контролю знань учнів — на 20 — 25%.

За характером використання на уроках різних типів педагогічних програмних засобів (ППЗ) розрізняють такі: адаптивні, демонстраційні програми; комп’ютерні моделі; лабораторні роботи; тренажери для розв’язування задач; контролюючі програми.

Адаптивні навчальні програми — це ППЗ, за допомогою яких можна змінювати способи викладу навчального матеріалу залежно від пізнавальних можливостей учнів.

Структура, форма викладу матеріалу, кількість і зміст завдань, крок програми, способи контролю, тип тестових завдань в адаптивній навчальній програмі змінюються залежно від результатів поточного тестування знань і умінь учнів (адаптація за пізнавальними можливостями учня), від часу, затраченого на виконання контрольних завдань (адаптація за часом), від змісту і характеру помилок, припущених учнем (адаптація за помилками).

Реалізація адаптивних навчальних програм з курсу фізики забезпечує вищий ступінь індивідуалізації порівняно з традиційною груповою формою навчання, повне використання пізнавальних можливостей кожного учня. Програми цього виду можуть застосовуватися для додаткового ознайомлення учнів з навчальним матеріалом, для формування основних понять, первинного і підсумкового закріплення й повторення навчального матеріалу, відпрацювання основних умінь і навичок, а також для самоконтролю та контролю знань. Крім того, вони мають кілька режимів роботи, наприклад навчання, тренування, закріплення, контроль знань, тематичний залік.

Демонстраційні програми це ППЗ, призначені для відтворення відеозапису фізичних явищ і дослідів або їх імітації. Вони використовуються для повторення навчального матеріалу у випадках, коли дослід не можна відтворити через недостачу приладів або з якихось інших причин, а також для демонстрування явищ, тривалість яких значно перевищує відведений на це час. Демонстраційні програми відтворюють реальні процеси, цифрова форма їх запису дає змогу акцентувати увагу учнів на найактуальніших її елементах.

Комп’ютерні моделі - це ППЗ, призначені для імітації фізичних дослідів, явищ, процесів шляхом побудови (засобами математичного моделювання) їх ідеалізованих моделей. Комп’ютерні моделі легко вписуються в традиційний урок, дають змогу вчителю моделювати явища, створювати абстрактні моделі, які в процесі вивчення курсу фізики описувалися словесно. Комп’ютерні моделі є ефективним засобом пізнавальної діяльності учнів, що відкриває перед учителем фізики широкі можливості з удосконалення навчально-виховного процесу. Комп’ютерні моделі використовуються на уроках фізики під час вивчення властивостей ідеальних моделей (ідеальний газ, електричне поле, електронний газ тощо), моделювання класичних дослідів з фізики (досліди Йоффе — Міллікена, Перрена, Кулона, Мандельштама, Папалексі); моделювання явищ, які не можна відтворити засобами шкільного фізичного кабінету (ядерний магнітний резонанс, стан критичної маси речовини); демонстрування принципу дії машин, приладів і установок (водяний насос, шлюз, парові машина і турбіна, коливальний контур, маятник, електровакуумні та напівпровідникові прилади, плазмотрон, циклотрон, ядерний реактор тощо), закріплення навичок фізичних вимірювань (визначення ціни поділки приладів, маси мікрочастинок тощо).

Лабораторні роботи це ППЗ, які є імітаційними моделями дослідження певних фізичних явищ засобами комп’ютерного моделювання.

Лабораторні роботи відрізняються від комп’ютерних моделей явищ тим, що крім моделі демонстраційної установки вони містять додаткові блоки, а саме: блок зберігання результатів експериментальних досліджень, підпрограми побудови графіків залежності фізичних величин, блок обробки результатів експериментальних досліджень, а також електронний журнал, до якого автоматично заносяться результати діяльності учня.

Тренажери для розв’язування задач сприяють формуванню в учнів умінь і навичок розв’язувати фізичні задачі. Зміст цих програмних засобів становлять задачі, згруповані відповідно до рівня складності. Вони містять також підказки системи (радники), довідкові матеріали. Відповіді до задач можуть вводитись як у числовому, так і в загальному вигляді, причому в останньому випадку учень вводить формули в комп’ютер за допомогою клавіатури, а програма розпізнає відповіді незалежно від способу їх написання.

Контролюючі ППЗ виконують функції поточного і підсумкового контролю знань, умінь учнів, набутих у процесі навчання. Часто це тестові завдання з вибором відповіді. Ці програми дають змогу оперативно оцінити й проаналізувати знання великих груп учнів. Деякі програми ведуть статистичну обробку відповідей учнів, що дає вчителю підстави зробити висновок про якість вивчення того чи іншого розділу програми. Значної актуальності набувають програми тематичного контролю знань.

В Україні відомі й поширені педагогічні програмні продукти фірми «Физикон» під загальною назвою «Открытая физика» та іллюстративно-демонстраційний комплекс «Физика в картинках», розроблені Білоруським державним університетом «Активная физика». Програмні продукти відповідно сертифіковані Міністерствами освіти Росії та Білорусії.

В Україні процес розробки ППЗ перебуває ще на стадії становлення.

Досвід використання комп’ютерної техніки в навчальних закладах за кордоном показує доцільність такого шляху розвитку. Так, у школах США, Великобританії ефективно використовуються на уроках природничо-математичного циклу лабораторні пристрої типу «Веlа», що з'єднуються з комп’ютером і дають змогу проводити комплексну обробку результатів експерименту.

Впровадження технологій інформатики в навчально-виховний процес фізики дає змогу модернізувати зміст і спосіб запису інформації фонду і традиційних дидактичних засобів (плакати, слайди, кінофільми). Мається на увазі перезапис інформації, яку несуть ці дидактичні засоби, на сучасні носії інформації - відеокасети, лазерні диски з внесенням відповідних змін до змісту цих засобів, що уможливлює використання методичних досягнень попередніх років.

Досвід упровадження електронно-обчислювальної техніки у навчальний процес показав доцільність такого підходу, коли разом з комплектами навчально-обчислювальної техніки, розміщеними в кабінеті інформатики, використовуються автономні ЕОМ, що розміщені безпосередньо в навчальному кабінеті. Такий підхід сприяє раціональнішому використанню ресурсів електронно-обчислювальної техніки.

Комплекти навчально-обчислювальної техніки використовуються для підтримки індивідуальних форм навчання: розв’язування задач, виконання лабораторних робіт, тематичного контролю знань, позакласної роботи. Поряд з цим автономні ЕОМ використовуються для підтримки групових форм діяльності в кабінеті фізики. Так, у кабінеті фізики автономний комп’ютер виконує функції інформаційного технічного засобу навчання, вимірювального інструменту, допоміжного пристрою обробки результатів експерименту, джерела поточного контролю засвоєння знань.

Дійсно ефективним можна вважати лише таке комп’ютерне навчання, при якому забезпечуються можливості для формування мислення студентів або учнів. При цьому потрібно ще досліджувати закономірності самого комп’ютерного мислення. Ясно тільки те, що мислення, яке формується і діє за допомогою такого засобу, як комп’ютер, дещо відрізняється від мислення за допомогою, наприклад, звичного друкованого тексту або просто технічного засобу.

1.2 Комп’ютеризація навчального процесу В наш час у сфері освіти спостерігається швидкий перехід до використання нових технологій — комп’ютерів, мультимедійних компакт-дисків та інформаційних мереж, що спричиняє зміну методів і форм організації навчання. Комп’ютери стають звичним атрибутом кожної школи, і вчителі намагаються віднайти такі способи їх застосування, які дозволяють істотно підвищити якість засвоєння матеріалу і розвиток мислення учнів.

Ідея застосування комп’ютера в навчальному процесі виникла у зв’язку з реалізацією програмованого навчання. Спочатку комп’ютер розглядався як більш досконалий порівняно з іншими навчальними машинами засіб програмованого навчання. Згодом стало очевидним, що його застосування приводить до якісних змін у змісті, методах і формах навчання, дозволяє створювати нове навчальне середовище. Окремі методисти стверджували навіть, що комп’ютер зможе замінити вчителя. Сьогодні питання ставиться інакше: коли, де і як доцільніше використовувати комп’ютер? На зміну альтернативі «що краще — вчитель чи комп’ютер», прийшла інша: «вчитель або вчитель і комп’ютер» .

Ще недавно вважали, що сфера застосування комп’ютера обмежена переважно предметами фізико-математичного та природничо-наукових циклів. При вивченні гуманітарних дисциплін його використовували лише як засіб унаочнення і як довідник. У міру зростання можливостей комп’ютера, розробки нових навчаючих програм сфера його застосування значно розширилася. Доведено, що комп’ютер — це універсальний засіб навчання, який з успіхом можна використати при вивченні будь-яких навчальних предметів, у тому числі й гуманітарних. З його допомогою можна не лише формувати в учнів репродуктивні знання і уміння, але й розвивати їхню креативність, винахідливість, творчі здібності. За допомогою комп’ютера учні можуть складати і редагувати власні твори, малювати, писати музику.

Нові можливості для навчання відкривають мультимедійні технології, які дозволяють створювати електронні книги, енциклопедії, фільми, бази даних тощо. Їх особливістю є об'єднання текстової, графічної, аудіо — та відеоінформації, анімації. З використанням мультимедійних компакт-дисків поняття, що раніше здавалися абстрактними, стають конкретними або, принаймні, достатньо наочними. Програмне забезпечення мультимедійних комп’ютерів дозволяє дітям бачити текст, чути стереофонічне звучання і переглядати картинки та відеосюжети. Один компакт-диск, наприклад, може містити цілу енциклопедію, в якій є не тільки текст про динозаврів із відповідними ілюстраціями, а й показано, як вони рухалися, імітується їхній голос. Дітям, що не вміють читати, комп’ютер може розповісти про динозаврів людським голосом. Література, історія і мистецтво оживають на екрані монітора.

Технології мультимедіа дають можливість учням, не виходячи з класу, бути присутніми на лекціях видатних вчених, педагогів, стати свідками історичних подій минулого і сучасності, відвідати знамениті музеї та культурні центри світу, віддалені та дивовижні місця планети. Комп’ютерні навчальні програми дозволяють істотно підвищити рівень наочності викладання складного матеріалу. За допомогою комп’ютерного моделювання можна вивчати процеси і явища у мікро — та макросвіті, всередині складних технічних і біологічних систем, розглядати у зручному темпі різноманітні фізичні, хімічні, біологічні та соціальні процеси, що реально відбуваються з дуже великою або дуже малою швидкістю. Наприклад, комп’ютерне моделювання дає можливість наочно зобразити сутність таких явищ, як тиск газу чи скорочення серцевого м’яза.

Навчальні програми інтерактивні - вони підтримують діалог учня з комп’ютером. Учень задає вихідні параметри експерименту, контролює перебіг процесу, змінює параметри, робить висновки щодо результатів, звіряє їх із правильними, шукає помилки. Загалом, моделюється хід реального наукового експерименту. Така організація навчання спонукає школяра до роздумів і формулювання самостійних висновків, розвиває уяву і мислення.

Загалом комп’ютер має значні резерви підвищення ефективності навчання; його плюси:

· новизна роботи з комп’ютером викликає в учнів інтерес, посилює мотивацію навчання;

· колір, графіка, мультиплікація, музика, відео значно розширюють можливості викладання навчального матеріалу;

· контакт з комп’ютером стимулює рефлексію, аналіз учнями своєї діяльності завдяки тому, що вони одержують наочне зображення її наслідків;

· з’являється можливість залучати учнів до дослідницької роботи;

· учні звільняються від рутинної роботи (наприклад, обчислень), полегшується внесення виправлень до складених текстів;

· відкривається доступ до баз даних та інформаційних фондів, що дозволяє швидко одержувати потрібну інформацію;

· забезпечується індивідуалізація навчання (комп'ютери можуть успішно виконувати функцію особистих репетиторів для учнів, що прискорює і робить ефективнішим навчання);

· комп’ютери розширюють можливості програмованого навчання: дозволяють викладати матеріал у певній послідовності, регулювати його обсяг і складність відповідно до індивідуальних можливостей учня, забезпечують поточний зворотний зв’язок;

· розвиток комп’ютерної техніки та мережі Інтернет розширює можливості дистанційного навчання;

· використання комп’ютера дозволяє підвищити об'єктивність оцінювання знань учнів.

Серцевиною комп’ютерної системи навчання є навчаюча програма, яка керує пізнавальною діяльністю учня, виконуючи певні функції вчителя. У ній розрізняють навчальний матеріал (тексти, малюнки, схеми, задачі, запитання, підказування, репліки тощо) і спеціальну програму, що визначає, як і в якій послідовності подається матеріал учневі.

Розрізняють такі основні види комп’ютерних навчаючих програм:

Комп’ютерний підручник — програмно-методичний комплекс, який дозволяє самостійно засвоїти навчальний курс або його розділ (як правило, поєднує в собі якості підручника, довідника, задачника та лабораторного практикуму);

контролюючі програми — програмні засоби, призначені для перевірки та оцінювання знань, умінь і навичок;

тренажери — слугують для формування та закріплення різного роду навичок (як правило, містять засоби для перевірки досягнутих результатів і можливості для регулювання вправ, їх швидкості, інтенсивності, складності тощо);

ігрові програми — стимулюють пізнавальну активність учнів, сприяють розвитку їхньої уваги, кмітливості, пам’яті;

предметно-орієнтовані середовища — програми, які моделюють мікро — та макросвіти, об'єкти певного середовища, зв’язки між ними, їхні властивості. Завдяки таким програмам учні можуть проводити експерименти, дослідження. Наприклад, програма «Лабораторія Архімед»: на екрані комп’ютера видно стіл, предмети, з яких можна зібрати хімічну установку для проведення дослідів. Учень за допомогою миші вибирає потрібні реактиви, і, якщо вибір зроблений правильно, з’являється ролик, який демонструє хід реакції. Таке моделювання підвищує наочність навчання, а вивчення процесів у їх динаміці сприяє глибшому засвоєнню матеріалу.

Як свідчить досвід, використання комп’ютера у навчанні не зменшує, а збільшує необхідність допомоги учням з боку вчителя. Однак зміст його діяльності при цьому змінюється. Основним стає не передача знань учням, а організація їх самостійної пізнавальної активності. У зв’язку з цим діяльність вчителя в умовах комп’ютеризованого навчання набуває нових функцій: здійснення оперативного керування індивідуальною діяльністю всіх учнів класу; своєчасна оцінка труднощів кожного учня при розв’язанні пізнавальних задач і надання їм необхідної допомоги; врахування специфічного характеру помилок, що їх допускають учні.

Комп’ютер не може замінити вчителя, більше того, він стає ефективним засобом навчання лише тоді, коли вчитель вміло керує взаємодією учня з ним. Водночас деякі методисти висловлюють припущення, що в школі майбутнього вчителі й підручники будуть відігравати далеко не головну роль. Замість них звичними стануть мультимедійні монітори, широка комп’ютерна мережа і багатоканальні системи зв’язку. Завдяки розвитку інформаційних мереж учні зможуть стати свідками або навіть у міру можливостей учасниками розв’язання актуальних природничих і соціальних проблем.

Варто відзначити, що фізика вносить вирішальний вклад у створення сучасної обчислювальної техніки, вона є матеріальною основою інформатики. Сучасна фізика відкриває нові перспективи для подальшої мініатюризації, збільшення швидкодії і надійності обчислювальних машин. Застосування комп’ютерів дає також можливість більш ефективно викладати навчальний матеріал, допомагає в проведенні дослідів тощо. Наступність у фізиці з інформатикою проявляється, зокрема, в тому, що учні в 9-му класі ще не в повній мірі володіють навиками користування комп’ютером і їм надається можливість на прикладі фізичних задач здобути навички як з фізики, так і з інформатики. В 11-му класі діти вже вміють користуватись комп’ютером і за допомогою комп’ютерних моделей фізичних явищ тощо, вони здатні самостійно здобувати знання з фізики.

Комп’ютерне моделювання вже давно стало предметом досліджень як фундаментальної науки, так і вищої школи. Воно передбачає детальний аналіз фізичного явища чи процесу, побудову фізичної моделі (абстрагування від несуттєвих впливів, вибір законів, які описують відповідні процеси), створення математичної моделі, реалізацію її засобами інформаційних технологій, проведення відповідних розрахунків на ПК та аналіз отриманих результатів.

Важливим аспектом реалізації комп’ютерних моделей є отримання вихідної інформації у графічній формі. Особливості людської психіки і фізіології дозволяють її швидко аналізувати, миттєво асоціювати з накопиченим досвідом і розпізнавати графічні образи на відміну від сухого набору формул і цифр. До того ж вміння аналізувати графічні залежності між різними величинами — це не лише необхідний елемент фізичної освіти, а й важливий чинник загального розвитку школяра та професійного становлення у будь-якій галузі.

Перша проблема, яку потрібно вирішити, впроваджуючи елементи комп’ютерного моделювання при вивченні фізики — вибір інструментальних засобів його реалізації. У час зародження сучасних інформаційних технологій єдиним способом було використання мов програмування високого рівня. За останні десятиріччя опубліковано немало книг та статей, де розглядається розв’язання фізичних задач таким способом. Поява спеціалізованих програмних продуктів для автоматизації математичних обчислень суттєво змінює стан справ у галузі комп’ютерного моделювання. Використання комп’ютера на уроці фізики, яку вивчають усі без винятку школярі, не повинно вимагати від них спеціальних знань з програмування, а давати можливість працювати у простому, інтуїтивно зрозумілому для них середовищі. Це дає змогу не витрачати зайвий час на непродуктивну діяльність по створенню та налагодженню програми (з таким самим успіхом можна будувати графіки на міліметровому папері, виконуючи обчислення за допомогою калькулятора), а зосереджуватися на аналізі фізичної суті тих процесів, які ховаються за побудованими комп’ютером графіками.

Впровадження нових технологій у навчальний процес сприяє всебічному розвитку й формуванню світогляду особистості. З розвитком інформаційних технологій стає можливим застосування їх не лише в дисциплінах, що традиційно базуються на застосування комп’ютерів, інформатиці, комп’ютерному моделюванні, числових методах тощо, а й у класичних навчальних курсах. Наприклад, застосування персонального комп’ютера під час проведення занять з фізики можливе в таких випадках:

· супровід демонстраційного експерименту на лекційних заняттях;

· застосування комп’ютера в лабораторних роботах і комп’ютерному практикумі;

· самостійна робота з використанням комп’ютера.

Досліджуючи переваги чи недоліки впровадження інформаційно-освітніх технологій, специфічним «барометром» їх застосування виявляється учнівська і студентська молодь. Педагогічний досвід засвідчує, що повноцінну освіту можна здобути лише в діалозі учня з учителем, студента з викладачем. Відтак і думка учня має багато важити в оцінці новітніх інформаційно-освітніх технологій. Комп’ютеризовані лабораторні заняття мають порівняну із звичайними заняттями ефективність лише за умови вивчення загальних розділів певної навчальної дисципліни. А ось під час вивчення специфічної часткової інформації ефективність комп’ютеризованих занять помітно знижується і одночасно підвищується навчальне значення лекцій. Отже, застосування сучасних методів не завжди поліпшує ефективність навчання при розподілі навчального часу між практичними комп’ютеризованими заняттями.

Та хоч би які неоднозначні оцінки давалися процесу впровадження інформаційно-освітніх технологій, позитивний вплив їх на стан сучасної освіти загальновизнаний. Багатьма сучасними дослідженнями обгрунтовано, що застосування інформаційних технологій в освіті сприяє підвищенню ефективності навчального процесу, оволодінню загальними методами знання і стратегією засвоєння навчального матеріалу, самостійному вибору режиму навчальної діяльності, організаційних форм і методів навчання. «Усе це, в свою чергу, сприяє формуванню умінь формалізувати знання про предметний світ, самостійно здобувати знання, прогнозувати закономірності, що вивчаються, робити „мікро-відкриття“ закономірностей аналізованої предметної ділянки. Це дає змогу замінити ілюстративно-пояснювальні методи навчання широким спектром різних видів навчальної діяльності, орієнтованих на активне використання засобів інформаційних та комунікаційних технологій як інструментів пізнання і самопізнання, інструментів дослідження, конструювання, вимірювання і формалізації знань про предметний світ». Водночас застосування різних засобів інформаційно-освітніх технологій не тільки привчає користувачів до сучасних методів вивчення основ наук, а й готує їх до інтелектуальної діяльності в інформаційному суспільстві.

Загалом традиційні та інформаційні технології мають бути застосовані залежно від навчальних цілей і навчальних ситуацій, «коли в одних випадках необхідно глибше зрозуміти потреби того, хто навчається; в других — важливий аналіз знань у предметній галузі; у третіх — основну роль може відігравати врахування психологічних принципів навчання» .

РОЗДІЛ 2. НАВЧАЛЬНИЙ ФІЗИЧНИЙ ЕКСПЕРИМЕНТ І КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В СЕРЕДНІЙ ШКОЛІ

2.1 Дидактична роль фізичного експерименту в сучасному навчальному процесі

Дати вичерпне і однозначне визначення навчального фізичного експерименту (НФЕ) важко, але, вважаючи його деяким специфічним і обов’язковим елементом навчально-виховного процесу з фізики, можна констатувати: — навчальний фізичний експеримент — це специфічна, певним чином організована невід'ємна складова навчального процесу з фізики, реалізація якої включає в себе одночасне поєднання як теоретичного осмислення змісту тих об'єктивних фізичних явищ, які є в структурі навчального матеріалу, що вивчається, так і практичного їх здійснення в умовах, найбільш зручних для їх чуттєвого сприйняття, для здійснення різнопланових спостережень, для вимірювання притаманних їм фізичних величин та встановлення зв’язків з іншими, вже відомими учням фізичними явищами. В. Ф. Шилов пропонує, що: НФЕ — це відтворення, а далі спостереження та проведення вимірювань об'єктивних процесів і явищ природи в навчальних цілях, що пред’являють експерименту низку додаткових вимог, основні з яких: — простота (у порівнянні з науковими дослідженнями), наочність, врахування інших психологічних законів сприйняття, а також методики навчання курсу фізики. НФЕ — це також такий організований учителем фізики різновид навчальної діяльності, який запроваджується з метою забезпечення для учнів наукового пізнання, для організації «відкриття» ними об'єктивних закономірностей природи; він полягає у певному впливі на об'єкт, процес або явище, що саме вивчаються, за допомогою деяких спеціальних інструментів і приладів, завдяки чому вдасться: ізолювати його від різноманітних побічних, небажаних впливів, тобто вивчати його в «чистому» вигляді; багаторазово відтворювати хід явища в строго фіксованих, контрольованих умовах; планомірно змінювати, варіювати, комбінувати ці умови з метою отримання шуканого результату". Надалі під НФЕ будемо розуміти чуттєво-предметну діяльність учителя фізики й учнів із натуральними, модельованими або вимишленими об'єктами в умовах, які дозволяють надійно слідкувати за протіканням фізичних явищ та процесів і багатократно їх відтворювати з метою вирішення деяких навчально-виховних задач. Враховуючи роль фізичного експерименту в науковому пізнанні реалій матеріального світу логічно запропонувати новий концептуальний підхід як до процесу емпіричного пізнання у навчанні фізики, так і до формування тематики НФЕ. В цьому підході передбачається, що кожне поняття, яке вводиться в шкільний курс фізики, набуває конкретного, образного змісту лише за умови, що з ним буде пов’язаний деякий певний прийом, спосіб, метод спостереження, експериментування, виконання практичних дій для отримання якісної оцінки, а то й проведення кількісного вимірювання; без цього введене поняття не зможе віднайти повнокровного використання у вивченні фізичних явищ або процесів, встановленні притаманних їм закономірностей і адекватного розуміння їх учнями. Спираючись на зазначений підхід можна для процесу навчання фізики акцентувати таку переважну його орієнтацію:

а) відокремлення тих фізичних об'єктів та процесів, які будуть вивчатися протягом певного (нетривалого) інтервалу часу, та забезпечення відносної їх ізоляції від великого масиву зв’язків із різноманітними іншими реальними об'єктами і процесами, що вже були вивчені або ще мають вивчатись;

б) проведення учителем чи учнями фізичних демонстрацій, спостережень, дослідів, експериментальних досліджень та виконання завчасно спланованих вимірювань на цих уособлених об'єктах або процесах із тим, щоб через відчуття і сприйняття надати учням можливість здійснити адекватні уявлення (створити уявний образ) про найбільш характерні й вагомі особливості, основні властивості кожного з них;

в) ідеалізація (створення моделі) безпосередньо того фізичного об'єкта або процесу, який саме в даний час вивчається (наприклад, введення поняття «ідеальний газ», «коливальний контур», «планетарна модель атома» тощо), ототожнення ідеального і реального для конкретних, реально існуючих фізичних об'єктів чи процесів;

г) відображення фізичних властивостей і взаємозв'язків ідеальних об'єктів (моделей) в символах і позначеннях, тотожностях і рівняннях, діаграмах і графіках тощо (саме на даному етапі відбувається активний розвиток думки: — рух її від конкретного до абстрактного, — тобто розумова діяльність учня спрямована на узагальнення, на висунення гіпотез і спробу побудови теорій, на розуміння закономірностей, на формулювання законів і принципів);

д) виконання різноманітних математичних операцій, встановлення співвідношень, запис, аналіз та розв’язок рівнянь, побудова діаграм, графіків та їх інтерпретація тощо з метою отримання певних висновків, що власне і є отримання нових знань (наприклад, з рівняння стану ідеального газу отримують газові закони; з теоретичних уявлень Резерфорда-Бора про будову атома пояснюються лінійчаті спектри атома водню);

е) здійснення на основі тієї чи іншої фізичної теорії інтерпретації результатів, отриманих з проведеного НФЕ;

є) встановлення діапазону (меж) дії формул і розкриття тих змістовних зв’язків, що існують поміж фізичними величинами, які входять до них;

ж) виконання експериментальної перевірки цих нових, «виведених учнями або вчителем разом з учнями» знань на реально існуючих об'єктах.

НФЕ володіє своїми, тільки йому притаманними особливостями, оскільки завдяки йому вирішуються виключно навчальні проблеми та й проводиться він, переважно, в середовищі навчальної лабораторії, в зоні функціональних дій учителя фізики та учнів, в умовах навчально-виховного процесу. Оскільки НФЕ органічно вплітається в навчальний процес, безпосередньо випливає із його задач, то з позицій дидактики доцільною і методично виправданою буде така організація процесу навчання, коли всі важливі специфічні сторони експерименту будуть поєднані та узгоджені зі структурою і змістом процесу навчання. НФЕ повинен так бути організованим, щоб в максимальній мірі звільнити від різних побічних впливів саме те фізичне явище чи процес, що вивчається, щоб його суттєві ознаки проявлялись найбільш переконливо і очевидно, щоб допускав багатократне його відтворення, щоб всі учні могли чітко усвідомити ці найбільш важливі ознаки, тобто хід експерименту повинен дозволяти планомірно змінювати, варіювати, комбінувати умови з метою отримання потрібного для навчання результату. Кожний вид НФЕ може бути розглянутий з різноманітних позицій, а саме:

1) як джерело фізичних фактів, нових знань про оточуючий, реально існуючий світ;

2) як один з методів пізнання і вивчення реалій дозвілля;

3) як дидактичний засіб, що забезпечує єдність абстрактного і конкретного у навчанні, завдяки якому навчальний матеріал стає більш наочним та доступним розумінню і усвідомленню учнями;

4) як спосіб організації самостійної експериментально-навчальної діяльності або конструкторської діяльності учнів;

5) як завершальний етап пізнання оточуючого, що встановлює зв’язок між теоретичними та практичними аспектами у навчанні;

6) як спосіб діяльності, що розкриває цілі вивчення фізики і проведення фізичних досліджень;

7) як можливість надійно забезпечити формування наукового, діалектико-матеріалістичного світогляду школярів.

Глибина засвоєння учнями основ фізичної науки перебуває в прямій залежності від їх пізнавальної активності в навчанні, від того, наскільки свідомо і міцно вони оволодівають методами наукового пізнання, про роль і значимість яких вони ознайомлюються на прикладі з’ясування значення і місця того чи іншого експериментального методу в фізичних дослідженнях. Важливо те, щоб учні не тільки знали експериментальний метод, але й оволоділи характерною для нього певною сукупністю умінь. Це передбачає організацію і розгортання навчальної експериментальної діяльності учнів, якій притаманними є наступні етапи:

1) формулювання пізнавальної задачі або мети у зв’язку із впровадженим у навчальне середовище даним експериментальним методом;

2) відбір необхідного обладнання та конструювання чи монтаж деякої експериментальної установки з’ясування фізичних принципів, на основі яких забезпечується використання даного експериментального методу;

4) виконання спостереження за реальним об'єктом, фізичним явищем, процесом;

5) проведення вимірювань, зняття необхідних показів з приладів, визначення деяких експериментальних даних);

6) словесний опис, інтерпретація отриманих експериментальних даних та їх аналіз;

7) формулювання висновків, з’ясування практичної значимості отриманих результатів.

При залученні до виконання НФЕ, учні переконуються як в значенні експерименту для якісного дослідження фізичних явищ і процесів, для спостереження особливостей і суттєвих ознак цих явищ, так і в тому, що фізичний експеримент становить основу розкриття кількісних сторін цих явищ, встановлення їх характеристик і закономірних зв’язків поміж ними. При цьому особливу цінність у навчанні набувають ті окремі досліди із всієї їх сукупності, які дають можливість здійснювати вимірювання, встановлювати кількісні співвідношення у вигляді доступних розумінню учнів функцій, рівнянь, графіків тощо поміж тими фізичними величинами, що в даний час вивчаються. При цьому в наш час в більшій мірі намагаються використовувати прямі вимірювання фізичних величин, що дозволяє швидко, без зайвих ускладнень і рутинних розрахунків знаходити значення конкретних фізичних величин. НФЕ у навчально-виховному процесі взагалі та у навчанні фізики, зокрема, виконує ряд важливих функцій.

2.2 Різноманітні функції навчального фізичного експерименту у навчально-виховному процесі

1. Світоглядна функція. Завдяки наявності у навчальному процесі фізичного експерименту в різних його проявах вдається надійно забезпечити наукове, діалектико-матеріалістичне бачення учнями реалій оточуючого світу. Проведення фізичних дослідів з натуральними об'єктами, спостереження за реальними фізичними явищами і процесами, вимірювання, розрахунки та оцінка параметрів фізичних величин поряд з вивченням теоретичного матеріалу забезпечує надійне формування діалектико-матеріалістичний світогляд кожного учня. Причому, при проведенні НФЕ чітко віддзеркалюються всі основні закони діалектики. Учителі предметів суспільно-політичного циклу, при роз’ясненні основних законів розвитку, часто для прикладів самі використовують відомі учням зі шкільного курсу результати фізичних дослідів, спонукають учнів у відповідях спиратись на вивчені або проведені ними фізичні досліди і спостереження. І це закономірно, адже науковий світогляд не можна сформувати лише на підставі словесних описів і тлумачень, а навпаки, для його формування необхідно скористатись експериментальною діяльністю учнів з реальними об'єктами, розумінням об'єктивних закономірностей і законів оточуючого світу на основі вивчення їх з використанням наукових методів пізнання, проникненням в реальність існуючого і, що зовсім не маловажно, вільного оперування для пояснення об'єктивних подій сучасним науковим термінологічним апаратом.

2. Методологічна функція. Як неодноразово вже зазначалось, проведення в шкільних умовах різних видів НФЕ дозволяє чітко розмежувати основні етапи наукового пізнання. В ході проведення учителем або учнями фізичних дослідів акцентується їх увага на наявності реальних вихідних наукових фактів як первинного елементу, необхідного і достатнього для планування та розгортання фізичного експерименту; на необхідності висунення моделі-гіпотези; на створенні адекватної ідеям гіпотези експериментальної установки і вивченні поведінки цієї, але вже матеріалізованої, моделі-гіпотези в різноманітних режимах функціонування та в змінюваних умовах зовнішнього впливу — як основного елементу експериментального пізнання. На тому, що тільки проведений експеримент може дати вичерпну відповідь про достовірність логічних наслідків, які витікають із запропонованої гіпотези — завершального етапу пізнання. Поряд з цим у НФЕ в достатній мірі віддзеркалюються структура, матеріальні засоби і основні методи, притаманні науковому фізичному експерименту. Учитель фізики, який в своїй професійній діяльності відводить належну роль різним видам навчального експерименту, постійно має можливість актуалізувати увагу учнів на узагальнених планах дій вченого-експериментатора і здійснювати їх перенос на учнів-дослідників, показувати спільне в їх експериментально-дослідній роботі.

3. Навчаюча функція. Проведення на уроках фізики різних видів навчального експерименту, особливо з використанням в його організації евристичного і дослідницького прийомів, дозволяє стверджувати, що в такому разі НФЕ виступає як один з практичних методів навчання. Він не тільки ілюструє вивчений матеріал, а й дозволяє створити ефективний супровід для оволодіння навчальним матеріалом, оптимально впроваджувати у навчання пошуково-дослідницьку діяльність учнів. Крім того, як це видно з сучасних навчальних програм та нових підручників фізики, часто сам зміст навчального фізичного експерименту стає предметом вивчення.

4. Контрольно-корегуюча функція. Все частіше НФЕ знаходить дещо нове використання. Завдяки проведенню на вимогу учителя його учнями вдається об'єктивно встановити і оцінити глибину розуміння ними навчального матеріалу з фізики, а якщо це необхідно — виконати корегуючи дії. Це можуть бути короткотривалі фрагменти демонстраційного експерименту, фронтальний дослід чи деякий фрагмент лабораторної роботи. Учням чи окремому учню пропонується ретельно підготувати і провести короткотривалий дослід, а також пояснити отримані результати. В тому випадку, коли у фронтальній лабораторній роботі чи роботі фізичного практикуму чітко виокремленні окремі експериментальні операції, то може бути організований взаємоконтроль між ланками учнів чи їх самоконтроль.

5. Політехнічна функція. Завдяки систематичному використанню різних видів навчального експерименту учитель фізики має ефективну і дієву можливість проілюструвати учням загальнонаукові принципи і підходи щодо організації сучасного промислового чи сільськогосподарського виробництва. Гарантовано можна прищепити основні, найбільш потрібні у повсякденному житті, навички і прийоми виконання різноманітних вимірювань, використання сучасних вимірювальних приладів тощо. Демонструючи деякі фізичні досліди, учитель має спроможність акцентувати увагу учнів саме на можливості практичного використання вивчаємих фізичних явищ і процесів, а демонструючи принципи дії моделей чи конкретних машин і технічних пристроїв має можливість знайомити учнів із загальнотехнічними принципами автоматизації виробничих процесів. Крім того, учні під час виконання лабораторних робіт і фронтальних дослідів самі мають можливість досліджувати будову і принцип дії ряду важливих для сучасного виробництва приладів і пристроїв, а саме таких як: електромагнітні реле, електродвигуни, електрогенератори, підсилювачі, логічні елементи і багато іншого. На уроках фізики, саме завдяки використанню учителем чи учнями того чи іншого виду навчального фізичного експерименту, в учнів формується ряд надзвичайно важливих практичних умінь і навичок, зокрема, таких як: виконання різноманітних вимірюваннь за допомогою як найбільш поширених, так і специфічних фізичних приладів; здійснення обробки матеріалів; вплив на властивості цих матеріалів за допомогою силових і енергетичних збурень тощо. В процесі проведення спостережень фізичних явищ, виконання фронтальних дослідів і лабораторних робіт в учнів активізується технічна думка, в цей час учитель найбільш ефективно може впливати на розвиток їх науково-технічного мислення.

6. Профорієнтаційна функція. Вона полягає в тому, що сучасні засоби, притаманні НФЕ, дають можливість успішно реалізовувати задачі підготовки учнівської молоді до свідомого вибору майбутньої професійної діяльності, здійснювати поєднання навчання фізики з елементами продуктивної праці. Ефективне засвоєння загальнонаукових принципів сучасного виробництва, узагальнених поглядів на конкретні дії виробника неможливе без спостереження за проявом, використанням фізичних явищ і закономірностей у виробництві, без виконання різноманітних дослідів на технічному обладнанні, на спеціальних моделях, завдяки яким учні набувають найпростіших первинних навичок правильного поводження із сучасними засобами високопродуктивної праці, різноманітними механізмами, машинами, технологічними лініями. Все це створює надійну, науково обґрунтовану основу професійної орієнтації учнів на професії, пов’язані, насамперед, із фізичною наукою, із новітніми технологіями, із впровадженням автоматизації і комп’ютеризації у виробничу діяльність тощо.

7. Раціональна функція. Проведення демонстраційних дослідів учителем, самостійне виконання учнями різних видів фронтального експерименту дають великі потенційні можливості активно впливати на розвиток мислення учнів, дієво використовувати ними різноманітні поєднання мислительних операцій при з’ясуванні суті фізичних явищ, що безпосередньо експериментально досліджуються. Первинну інформацію з експерименту учні отримують внаслідок дії подразників на органи відчуття, але цього зовсім не достатньо для отримання знань про фізичну сутність того чи іншого досліджуваного ними фізичного явища. Наступний крок — перехід від конкретного до абстрактного, а точніше до їх єдності: все це необхідні елементи раціонального у всіляких їх проявах. Саме НФЕ у своїй повноті чудово забезпечує широкі можливості для застосування учнями комплексу мислительних операцій з метою встановлення фізичної суті явища або процесу, які спостереджується, у зрозумінні ролі і значення того чи іншого фізичного досліду, у формулюванні учнями висновків у формі усного чи письмового звіту про виконану експериментальну роботу. Постійна необхідність активного включення мислення учнів на всіх етапах виконання НФЕ ефективно сприяє його розвитку, забезпечує надійний і в той же час контрольований учителем спосіб переходу від простої, репродуктивної діяльності учнів у навчанні до діяльності більш високого рівня — продуктивної, творчої. Перехід від сприйняття простих демонстрацій, самостійне виконання нескладних за змістом та обладнанням фронтальних дослідів і спостережень до все більш складних навчальних експериментів сприяє розвитку в учнів творчості і самостійності. Використання у демонстраціях і лабораторних роботах типового навчального обладнання з досить об'ємистого переліку, використання саморобного обладнання, безпосередня робота з ним спонукають учнів робити пропозиції стосовно удосконалення, модернізації, а то й конструювання чи виготовлення нових приладів і навчальних установок. У такий спосіб здійснюється розвиток конструкторських умінь та навичок, формуються і розвиваються елементи науково-технічної творчості.

8. Пізнавальна функція. НФЕ притаманна здатність відчутно активізувати пізнавальну діяльність учнів у навчанні. Відомо, що саме на цій основі - тобто на включенні учнів у активну експериментальну діяльність, учитель фізики може формувати практично у кожного учня стійкий пізнавальний інтерес як до фізичної науки, так і до інших природничо-математичних наук, основи яких вивчаються в школі, а також на високому, посильному даному учневі, рівні підтримувати інтерес до самого процесу пізнання. Для цього достатньо забезпечити надійне протікання фізичного явища або процесу в демонстраційному досліді чи у фронтальній лабораторній роботі, досягти переконливого фізичного ефекту, чітко сформулювати учням навчальні завдання. Досвід учителів фізики свідчить, що вміла організація і проведення будь-якого виду фізичного експерименту гарантує активізацію навчальної діяльності всіх учнів у класі, не полишає жодного учня байдужим до продемонстрованого досліду чи самостійно виконаної ним лабораторної роботи, фронтального досліду, експериментального дослідження. А при систематичному проведенні різноманітних видів НФЕ в учнів поступово наростає пізнавальний інтерес не тільки до самого експерименту, а й до фізичної науки, формуються позитивні мотиви до її розуміння і засвоєння.

З вище наведеного випливає, що навчальний фізичний експеримент є поліфункціональною системою, а тому за умови його широкого і систематичного використання у навчанні фізики можна у комплексі вирішувати різноманітні навчально-виховні задачі.

2.3 Аналіз методу комп’ютерного моделювання