Переход на профильное обучение в 10 классах, осуществленный в нашей школе в 2004 году потребовал введения новых способов обучения, имеющих дело с индивидуальным развитием личности, творческой инициацией, учетом потребностей учащихся класса информационно-технологического профиля. Один из них – это введение элективного курса “Физика на компьютерах”.
Идея курса возникла несколько лет назад. К тому моменту в школе был накоплен значительный опыт по применению ИТ в преподавании различных предметов и в первую очередь физики и астрономии: уроки с применением презентаций, анимация, фронтальные демонстрации моделей и т.д. Было замечено, что наиболее эффективно применять информационные технологии в сочетании с обычными уроками физики, дополняя реальные исследования виртуальными. Некоторые физические задачи, решаемые на таких занятиях, выходили за рамки традиционных уроков, что и позволило выделить их в отдельный курс для классов информационно-технологического профиля. Таким образом, курс предназначен тем учащимся, которые интересуется исследовательской деятельностью в естественнонаучной области и собирается продолжить обучение в ВУЗе информационно-технологического направления. Он призван познакомить учащихся с возможностью применения компьютерной техники для проведения простейших исследований в области физики и носит деятельностный, личностноориентированный характер, что помогает ученикам оценить свой потенциал с точки зрения образовательной перспективы дальнейшего обучения в классе выбранного профиля. Содержание курса непосредственно опирается на знания, полученные учащимися при изучении физики и информатики в основной школе, на их жизненный опыт. Основными целями курса являются:
- создание условия для существенной дифференциации содержания обучения;
- обеспечение углубленного изучения программы “Физика”;
- создание внутрипрофильной специализации обучения.
Курс по выбору для 9-го класса и элективный курс для 10 класса разработаны в 2005 году и в ноябре 2005 года прошли экспертизу РЭС.
В ходе работы над заданиями учащимся предлагаются различные виды деятельности с использованием информационных технологий:
1. Работа с готовыми моделями (представленными на дисках “Открытая физика” или им подобными). Такой вид деятельности позволяет:
- формировать зрительный образ явления;
- устанавливать качественные зависимости;
- устанавливать количественные зависимости, “открывать” законы.
2. Обсчет реального эксперимента, включающий в себя:
- анализ данных лабораторных работ;
- графическое представление процессов;
3. Введение элементов программирования в среде MSExcel:
- использование численных методов при решении физических задач
4. Создание собственной модели физического процесса или явления в среде “Живая физика”
По типу уроки могут быть изучение нового, применения знаний, обобщения. Однако, применение ИТ накладывает определенные требования к ходу урока, можно предложить обобщенную модель урока. (см. Приложение 1).
Работа над готовыми моделями предполагает:
1. Обсуждение модели изучаемого явления:
- рассмотрение допущений, принятых авторами программы,
- определение границ применимости.
2. Анализ предлагаемой установки:
- назначение элементов,
- способы изменения параметров системы и т.д.
3. Постановка конкретной задачи,
4. Самостоятельная работа по проведению виртуального исследования с применением компьютерных программ;
5. Обсуждение и оценка полученных результатов, формулировка вывода;
6. Подготовка отчета о выполнении задания.
Примерами заданий по формированию зрительного образа и установлению качественных зависимостей явления могут служить работы по изучению линз и волновых свойств света, такие как: “Изучение прохождения света через толстые линзы” (проводится после урока “Преломление света. Линзы” и выполнения лабораторной работы “Определение фокуса собирающей линзы”), “Изучение интерференции волн” Примеры экранов обучающих программ изображены на рисунке 1.
Рис. 1. Примеры программ, использующихся для формирования зрительного образа физического явления по разделу “Оптика”
Учащиеся получают листы с описанием меню и переводом физических терминов, в случае, если используются модели с интерфейсом на иностранном языке, а также рабочие листы с заданиями. Последние выдаются после знакомства с программой, обсуждения ее возможностей, формулирования цели и задач урока. На этих же листах предусматривается возможность фиксировать результаты исследований и записывать выводы после коллективного обсуждения. Использование данного вида хорошо себя зарекомендовало при изучении звуковых и световых волн.
Работа с готовыми моделями по установке количественных взаимодействий позволяет провести значительное число виртуальных опытов после проведения демонстрационного эксперимента на уроке (реальный эксперимент обязателен, компьютерная модель лишь его дополняет). Такого типа занятия целесообразно проводить в том случае, когда эксперимент невозможно провести в силу отсутствия необходимого оборудования, специфики темы (ядерная и т.п.) или проведение большого количества опытов требует длительного времени.
Учащиеся получают возможность самостоятельно “открыть” зависимость или закон, что значительно повышает качество их знаний.
Например, после изучения понятий импульс тела, упругий и неупругий удар, учащиеся могут установить закономерности соударений и самостоятельно подойти к формулированию закона сохранения импульса тела (рис.2), используя модель, представленную на первом компакт-диске “Открытая физика. 2.5.” ООО “Физикон”.
Рис.2. Установление количественной зависимости явления
Установление количественных закономерностей требует подключения инструмента для обсчета – программы MSEхcеl, позволяющей получить графическое описание многих процессов.
Проведение виртуального эксперимента и получение результатов проводится учащимися самостоятельно по одному или в парах с применением компьютерных моделей, анализ результатов предполагает коллективное обсуждение в группе.
Другой вид деятельности – работа по анализу данных лабораторных работ проходит также с применением программы MSExcel. Такая работа проводится после выполнения фронтальных лабораторных работ, в которых учащиеся за время урока получают данные только для одного образца, после чего можно обрабатывать и анализировать результаты экспериментов всего класса.
При изучении темы “Силы в природе. Сила трения.” в 9 классе можно вернуться к лабораторной работе “Измерение коэффициента трения скольжения”, несмотря на то, что ее выполняли еще в 7 классе. При ее проведении учащиеся исследуют только одну пару образцов и проводят 3–5 опытов. В большинстве случаев они не успевают выполнить большее число опытов за время урока. К концу урока, зависимости от поставленных задач, учащиеся приходят к выводу о величине коэффициента трения, зависимости (или не зависимости) его от площади поверхности. Обработка же данных, полученных разными учащимися от разных образцов с применением графических возможностей MSExcel позволяет анализировать зависимость силы трения от силы нормального давления для разных пар тел (рис. 3) и устанавливать более общие закономерности. Ведь на примере только одной закономерности, приведенной на рисунке 3 синим или зеленым цветом учащийся может прийти к неверному выводу – коэффициент трения либо растет, либо падает.
Рис. 3. Обсчет данных реального эксперимента
Аналогичная проходит работа по обсуждения о выполнения закона Гука для 10–15 различных образцов.
Вариантом подобного задания является фронтальная лабораторная работа “Определение зависимости периода колебания маятника от его параметров”, в которой учащиеся проводят измерения для одного образца. В этом случае накапливаются данные от разных исследователей об одном процессе, что позволяет получить более точные средние значения.
Такой вид работ дает богатый материал для рассуждений о погрешностях измерений, классе точности прибора, точности вычислений, что важно для формирования адекватной картины мира.
Графическое представление процессов. На уроке физики со всем классом проходит обсуждение и решение конкретной задачи в общем виде, разбираются физические основы процесса, выводится итоговая формула. Затем на занятии элективного курса учащиеся выполняют построение графиков зависимостей с применением Microsoft Excel, позволяющей не только получит вид зависимости, но и изменять параметры задачи в широких пределах. Здесь же проводится обсуждение полученных результатов, выводов, сделанных учащимися. При выполнении заданий данного типа используются средства программирования программы Excel, что подготавливает учащихся к выполнению заданий по программированию на уроках информатики. Простым примером может служить определение формы траектории тела, брошенного под углом к горизонту без учета трения (рис. 4). Первая иллюстрация показывает бросок без использования ограничений высоты полета (тело “провалилось” после достижения нулевого уровня), вторая – с использованием условия прекращения расчета по достижении телом нулевого уровня.
Рис. 4. Использование элементов программирования
Развитием этого типа работ является применение численного метода решения задач, не имеющих аналитического решения – расчет дальности и высоты полета тела с учетом сопротивления среды или определение времени заряда конденсатора в цепи постоянного тока (рис. 5). Для учащихся довольно сложным является освоение численного метода, такие задачи требуют серьезного теоретического анализа алгоритма действия.
Рис. 5. Применение численных методов при решении задачи по определению времени зарядки конденсатора
Постановку и решение задачи см. Приложение 2.
В 10–11-х классах информационно-технологического профиля эти задачи решаются с применением различных технологий: построение таблицы данных и графика процесса в Excel, написание программы подсчета времени разрядки с заданной точностью и построение графика процесса на любом языке программирования (в нашей школе учащиеся писали программы на языке Паскаль).
В дальнейшем планируется более широкое использование среды “Живая физика” для создания собственных моделей процессов силами учащихся.
Для работы по курсу необходимы:
- Компьютеры, системные требования: Windows 98SE/Me/2000/XP, Pentium 333, 200 Mб свободного дискового пространства, 64 Mб оперативной памяти, CD-ROM, SVGA 800х600.
- Компьютерные программы:
- Internet Explorer 5.0 или выше;
- MSOffice 97/2000/XP.
- Обучающие компьютерные программы:
- “Открытая физика. 2.5.” ООО “Физикон”;
- “1С: Физика”, 1С, 2003
- “Физика 9 – 11”, Новая школа, 2005;
- “Живая физика”.
- Инструкции по работе с программой перед каждым компьютером или в электронном формате в виде документа Word или Excel.
- Желательно наличие сетевого класса для работы с сетевыми версиями программ, а также для общего доступа к заданиям в электронном виде и хранения отчетов.
По итогам работы в течение двух с половиной лет по применению курса, можно утверждать, что в результате реализации данной программы учащиеся приобретают следующие дополнительные знания и умения:
- навык самостоятельной работы с учебным материалом с использованием новых информационных технологий;
- умение поставить задачу и ее решить,
- умение строить план работы с элементами исследования;
- умение ориентироваться в выборе способов и средств для решения конкретной задачи;
- умение анализировать полученные данные и делать выводы, оценить полученный результат;
- умение грамотно отобрать текстовый, графический материал, отвечающий целям исследования при создании отчетов.
В целом, у школьников повышается уровень самоконтроля, мотивации к учению в целом и к данному курсу в частности, расширяется кругозор, развивается творческий потенциал. Группы учащихся, посещающих курс, становятся более активными, самостоятельными и успешными на уроках физики.