Вниманию учителей естественно–научных дисциплин предлагается электронный вариант книги "Информационные технологии и физическое образование" (смотри приложение). В ней проведен анализ методики применения современных компьютерных технологий при обучении физике, рассмотрены общие подходы к использованию компьютерной техники в учебном процессе, методы создания компьютерных моделей различных физических явлений, методика применения персональных компьютеров в реальном и вычислительном экспериментах. Остановимся на основных идеях, получивших свое отражение в книге.
1. Дальнейшее движение к информационному обществу требует формирования у учащихся и студентов информационной культуры, понимания сущности информационных процессов, умения работать с информацией, используя для ее получения, обработки и передачи компьютерную технологию, современные технические средства и методы.
2. Между физикой и информатикой существует тесная связь, состоящая в том, что: 1) вычислительная техника позволяет объяснить и показать использование физических принципов на практике; 2) компьютер может быть использован в качестве генератора сигналов или измерительного устройства в учебном эксперименте; 3) появилась возможность осуществления в рамках учебного процесса вычислительного эксперимента. Кроме того, ПК может быть использован для обработки файлов, полученных на других устройствах (сканерах, фото– и видеокамерах и т.д.), для математической обработки и графического представления результатов.
3. Формирование научной картины мира осуществляется следующими способами: 1) умозрительное изучение результатов исследований ученых, осуществляемое по книгам, изложению учителя и т.п.; 2) выполнение реальных учебных наблюдений и экспериментов; 3) вычислительный эксперимент, использование информационных технологий (ИТ) с целью создания виртуальной модели изучаемых явлений. Проведенный нами системный анализ процесса обучения позволил выделить следующие структурные элементы и связи между ними: учащийся, на которого оказывают влияние среда, учитель, учебные опыты и наблюдения, информационные технологии. Среда, то есть совокупность окружающих объектов и явлений, воздействует на учащегося и учителя, последний, учитывая ее влияние, выбирает такие методы обучения, при которых система научных знаний формируется оптимальным образом.
4. Для изучения учебной деятельности c помощью абстрактной модели ученика (АМУ) удобно использовать программный способ синтеза модели. На языке Pascal была создана компьютерная модель деятельности АМУ, состоящей в поочередном выполнении двух действий (операций). После каждой операции АМУ делает выбор: повторить выполненную или сделать другую операцию. В случае правильного выбора операции или ошибки происходит соответствующий пересчет матрицы вероятностей. Программа содержит цикл, в котором выбор каждой операции осуществляется с помощью генератора случайных чисел. Общее число выполненных операций 500–2000. При малом коэффициенте научения уровень знаний растет пропорционально времени (количеству выполненных операций), а при большом –– достигает насыщения и остается неизменным.
5. Анализ известных математических моделей процесса обучения позволяет сформулировать следующие принципы:
1) процесс обучения есть сумма научения, то есть
усвоения знаний, и забывания. Скорость изменения
количества знаний учащегося равна
алгебраической сумме скорости усвоения знаний и
скорости забывания;
2) скорость уменьшения знаний вследствие
забывания пропорциональна количеству знаний
учащихся;
3) мотивация к учебной деятельности зависит от
уровня требуемых и уровня имеющихся у учащегося
знаний.
4) скорость увеличения знаний пропорциональна
произведению уровня знаний учащегося и
мотивации.
Результаты моделирования представлены на рис.1.
6. Понятие информационной технологии в педагогике означает технологию обработки информации на электронных устройствах, связанную с сообщением учебного материала в текстовом, графическом, аудио– и видео– представлениях, программированием, выполнением измерений, тестированием учащихся и оценкой их знаний и умений. При этом применяются автоматизированные и экспертные обучающие системы, учебные базы знаний, тестирующие программы, электронные книги и энциклопедии, информационно--поисковые системы, мультимедийные системы, создающие эффект виртуальной реальности, образовательные телекоммуникационные сети.
7. Преподавание отдельных вопросов физики связано с изучением вычислительной техники и современных технологий сбора, хранения, обработки и передачи информации. Это обусловлено объективными причинами: развитие компьютерной техники и средств телекоммуникации стало возможным благодаря достижениям микроэлектроники, развитие которой опирается на физические законы. На примере этих устройств может быть показано значение физики для развития современной техники, ее роль в практической деятельности.
8. Важное направление применения ИТ в физическом образовании состоит в моделировании физических явлений на компьютере. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых затруднена или может дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяют выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемых объектов, исследовать отклик физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Компьютерное моделирование требует абстрагирования от конкретной природы явлений, построения сначала качественной, а затем и количественной моделей. За этим следует проведение вычислительных экспериментов на ЭВМ, интерпретация результатов, сопоставление результатов моделирования с поведением исследуемого объекта, последующее уточнение модели и т.д.
9. В книге рассмотрены компьютерные модели следующих физических систем:
1) механические и электрические системы с одной
степенью свободы;
2) материальная точка, движущаяся в силовом
(гравитационном, электрическом,
электромагнитном) поле;
3) совокупность взаимодействующих между собой
частиц во внешнем силовом поле;
4) совокупность осцилляторов, связанных между
собой упругими связями;
5) одномерная и двумерная упругая среда, в которой
распространяется волна;
6) теплопроводная среда, содержащая источники
тепла;
7) активная среда, в которой возникают автоволны.
Результат моделирования распространения волны в одномерной среде, ее отражение от незакрепленного конца и интерференции падающей и отраженной волн представлен на рис.2.
10. Персональный компьютер –– многофункциональный прибор, который может быть использован в экспериментах в качестве генератора сигналов и измерителя различных физических величин. В книге рассмотрены способы подключения различных видов датчиков (магнитоконтактный, резистивный, оптодатчик, термодатчик) к компьютеру и программы на языках QBasic и Pascal, обрабатывающие сигналы, поступающие в ПК.
11. Предложена методика экспериментального изучения следующих явлений: реактивного движения Cегнерова колеса, ускоренного вращения диска под действием момента силы; вращения тела в вязкой среде; затухающие колебания маятника. Рассмотрены резисторный цифро–аналоговый преобразователь и опыты с ним; эксперименты с аналого–цифровым преобразователем, со звуковой платой; исследование работы цифрового осциллографа.
12. Рассмотрен вопрос использования цифровой фото-- и видеокамеры с последующей обработкой получающихся файлов на компьютере. Приведены примеры экспериментального изучения дифракции света, движения тела, брошенного под углом к горизонту в вязкой среде, реактивного движения Cегнерова колеса (рис. 3).
13. На примере изучения кипения электролита при протекании через него электрического тока показаны возможности использования компьютера в натурном и вычислительном эксперименте. Рассмотрено моделирование физических явлений в системах MathCAD и Interactive Physics.
Электронный вариант рассматриваемой книги представлен в приложении. Файл также может быть скачан с сайта http://rmajer.narod.ru. Для чтения электронной книги в формате *.djvu необходима специальная программа, бесплатно распространяемая в Интернете.
Литература
- Майер Р.В. Информационные технологии и физическое образование. –– Глазов: ГГПИ, 2006. –– 64 с.
- Web–сайт: http://maier-rv.glazov.net.