Компьютерное моделирование на уроках физики

Скажи мне - и я забуду,
Покажи мне - и я запомню,
Дай сделать мне самому - и я пойму.
Восточная мудрость

Целью этой публикации является желание поделиться своим небольшим опытом в применении компьютерных технологий на уроках физики. После того, как мы научились широко применять компьютерные технологии в качестве демонстраций; поняли, что применение презентаций помогает повысить интерес учеников к предмету, удерживать их внимание гораздо дольше, чем классическими методами и даёт возможность оторвать учителя от доски и повернуть его лицом к ученикам на весь урок, мы естественно пошли дальше. Мы решили ещё активнее включить учеников в процесс изучения физики с помощью виртуального моделирования, тем более что в нашей школе, кроме двух стационарных кабинетов информатики есть передвижной. Он представляет собой передвижную тележку, в которой находятся 15 ноутбуков для учеников и один для учителя – сервер. На компьютеры заранее установлено всё необходимое программное обеспечение и за перемену компьютерный класс раскрывается в любом кабинете.
На данный момент нами разработаны и проведены по 4 урока по темам: «Электростатика», «Магнитное поле» и «Явление электромагнитной индукции».
На этих уроках использованы: презентации на всех уроках; анимации, видеофрагменты и модели из электронных пособий:

1. «1С: Школа. Физика. Библиотека наглядных пособий» под редакцией Н.К.Ханнанова.
2. «Физика 7 – 11 классы» Компания ФИЗИКОН.
3. Электронные уроки и тесты «Физика в школе» ЗАО «Просвещение-МЕДИА»

 А также тестирование в программе My Test (Приложение 5), которая даёт возможность задать ученикам вопросы с различными формами ответов и выставить каждому ученику оценку сразу после завершения ответов.
Модели можно использовать как лабораторный компьютерный эксперимент, который не только позволит более глубоко и полно рассмотреть те явления, которые изучаются в основном курсе физике, но и изучить процессы не доступные к наблюдению в нашей жизни. Например: движение частиц в электрическом и магнитном полях. В процессе выполнения компьютерных лабораторных работ учащиеся приобретают необходимые умения и отрабатывают навыки использования научно-информационной технологии, которые, в частности, предполагают и умение применять готовые программные средства для решения конкретных задач.
Практический опыт показывает, что при выполнении компьютерных лабораторных работ учащиеся зачастую с большим интересом, в течение 3 - 5 минут, "возятся" с предложенными моделями, пробуют все регулировки, к сожалению, не особенно вникая в физическое содержание происходящего на экране, а затем у них неизбежно возникает вопрос: "А что делать дальше?". Оказывается, что обычному школьнику компьютерная модель может быть интересна некоторое время, в зависимости от её красочности и сложности, как игрушка, затем интерес пропадает. В результате чего учебный эффект от такой "самостоятельной работы", незначителен, так как учащиеся такую деятельность воспринимают не более чем развлечение.
Для того, чтобы урок в компьютерном классе был не только интересен по форме, но и дал максимальный учебный эффект учителю необходимо заранее подготовить план работы с выбранной для изучения компьютерной моделью, сформулировать вопросы и задачи, согласованные с ее функциональными возможностями. Учащихся необходимо заранее предупредить, что в конце урока им необходимо ответить на вопросы (подготовленные заранее) или написать небольшой отчёт о проделанной работе.
Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока раздаёт учащимся индивидуальные задания и контрольные вопросы в виде напечатанной инструкции, которая должна быть составлена так, чтобы обеспечить максимально самостоятельное выполнение работы. В ней необходимо указать название, цель работы, изложить краткую теорию вопроса, порядок проведения работы и требования к ее оформлению. Содержание лабораторной работы следует подобрать с таким расчетом, чтобы в процессе ее выполнения у учащихся развивались исследовательские наклонности, умение анализировать результаты и осуществлять экспериментальную проверку. Оформление работ должно быть максимально упрощено. Все вычисления выполняются на черновике, результаты заносятся в отчет по работе. Дополнительно вместе с инструкциями лучше выдать и бланк отчета.
С учётом всего выше сказанного, в каждой теме спланированы уроки с постепенным вовлечением компьютерных технологий. На первом уроке ученики просто просматривают видеофрагменты и участвуют в их обсуждении, устно делают выводы. На втором уроке вместе с учителем (каждый на своём компьютере, а изображение учительского компьютера проектируется на экран) проводят первый виртуальный эксперимент по полной программе, только оформление результатов выполняет учитель на большом экране. На третьем уроке ученики выполняют полностью виртуальную лабораторную работу на оценку. А на четвёртом уроке им даётся возможность изучить модель и составить инструкцию виртуального эксперимента.
В каждой теме предлагаются по 2 тренировочных теста (My Test (Приложение 5). Это значит, что тренировочный тест ученики в электронном виде выполняют вдвоём, обязательно обсуждая варианты ответов. Если они получают «5», то каждый получает в журнал 3 плюса, если «4» - то 2 плюса, если «3» - то 1 плюс, если «2» - то по минусу (по однобальной системе оценки знаний, разработанной Г.А.Чумаченко). Итоговые тесты по этим темам составлены на два варианта из самых важных вопросов тренировочных тестов, и в самом обычном бумажном виде ученики выполняют его в конце темы с обычной оценкой, рассчитанной из 5-ти баллов.
Покажем нашу работу на примере двух уроков, для того чтобы публикация была, возможно, меньшего объёма, мы не описываем все классические методы и приёмы (они лишь названы), а максимально подробно излагаем применение компьютерных технологий.

Урок на тему: Сила Лоренца.
Цели урока: Образовательная: Ввести понятие силы Лоренца и создать условия для понимания учащимися её физической сущности.
Развивающая: Показать ученикам и научить их проводить виртуальный эксперимент и делать из него выводы.
Оборудование: Презентация: «Сила Лоренца» (Приложение 2). «1С: Школа. Физика. Библиотека наглядных пособий» под редакцией Н. К. Ханнанова; «Физика 7 – 11 классы» Компания ФИЗИКОН «Электронные уроки и тесты «Физика в школе» ЗАО «Просвещение-МЕДИА»;
План урока:
После подробного повторения по теме: Сила Ампера (Приложение 2, кадры 1-5), ставится задача: если проводники с током в магнитном поле отклоняются, то
1.1. Изменится ли движение заряженных частиц в магнитном поле?
1.2. Как изменится это движение?
Демонстрируется на экран «1С: Школа. Физика. Библиотека наглядных пособий» / Электродинамика/ Видеофрагмент 1: Движение пучка электронов в магнитном поле. В этом видеофрагменте демонстрируется опыт на таком оборудовании, какого нет в школе. Опыт очень наглядный, ученики наблюдают затаив дыхание. А в классе, как будто появился другой учитель, он рассказывает суть эксперимента и делает вывод из него.
Демонстрация закончилась, анализируем то, что видели методом беседы: Почему частицы движутся по окружности? От чего зависит радиус окружности? И т.д.
Учитель методом беседы выводит формулы на доске, ученики – в тетрадях, и поясняет причины таких траекторий частиц. Рассказывает о правиле определения направления силы Лоренца. (Приложение 2, кадры 6-7),
2. Под руководством учителя ученики открывают на своих ноутбуках модель из «Физика 7 – 11 классы» Компания ФИЗИКОН: «Движение заряда в магнитном поле». Она открывается и на большом экране. (Приложение 1, кадр 1,2.)
Компьютерная модель иллюстрирует движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Можно изменять значения составляющих скорости частицы и индукцию магнитного поля. Программа позволяет вычислить радиус траектории и время одного цикла.
План эксперимента:

1.  Запустите модель кнопкой старт и наблюдайте траекторию частицы при заданных параметрах, остановите кнопкой стоп.
2. Анализ: какую траекторию описывает частица, чему равен радиус траектории, как направлен вектор магнитной индукции, на какую составляющую скорости влияет магнитное поле, как эта скорость изменяется и почему. (Приложение 2, кадры 8-9),
3. Значение Vx не изменяйте, а Vz установите = 0; наблюдайте и анализируем по тем же вопросам.
4. Установите значения Vx =0, Vz = 5 *107 м/с, наблюдайте и анализируйте точно так же.
5. Изменяйте значения Vx , Vz на ваше усмотрение несколько раз, наблюдайте и делайте выводы.
6. При неизменных значениях скорости несколько раз измените модуль вектора магнитной индукции, и сделайте окончательный вывод: по какой траектории движется частица, при каких условиях она превращается в окружность, в прямую; от чего зависит радиус окружности, от чего зависит шаг винта.

 Эксперимент проводится фронтально, вопросы и ответы на них звучат устно в форме беседы. За особо хорошее участие в работе учитель поощряет учеников оценками по однобальной системе. На экран учитель демонстрирует поочерёдно: инструкцию для анализа или, если в этом есть необходимость, действующую модель.
Окончательный вывод формулируется, когда учитель обращает внимание учеников на формулы, записанные на доске и в тетрадях, и устанавливается полное соответствие практики и теории.
3. Закрепление нового материала:
Учитель демонстрирует: 1С/ Электродинамика/ Анимации 13: Магнитное поле Земли. Фрагменты 3-6. ( Приложение 1, кадр 3) Вначале все подряд. Затем каждый фрагмент по отдельности и по каждому из них задаёт вопросы:

1. Каково значение силы Лоренца в жизни землян?
2. По каким траекториям движутся частицы в магнитном поле Земли?
3. Чем отличается движение протонов от электронов?
4. Где накапливаются частицы, прилетающие к нам из космоса?
5. Как они влияют на земную атмосферу?
6. Как должна влететь частица в магнитное поле, чтобы на неё начала действовать сила Лоренца?
7. Отчего зависит радиус окружности, по которой движется частица в магнитном поле?

 Демонстрация: «Электронные уроки и тесты «Физика в школе» ЗАО «Просвещение-МЕДИА»; /Магнитные поля/ Полярное сияние.
Решаются задачи на применение правила левой руки для определения направления силы Лоренца из презентации. (Приложение 2, кадры 10-11), Подводится итог урока, задаётся домашнее задание.
Урок на тему: Применение силы Лоренца .
Цели урока: Образовательная: Повторить и закрепить изученный материал о силе Лоренца проведением виртуального эксперимента «Движение частиц в магнитном поле».
Развивающая: Самостоятельное проведение виртуального эксперимента.
Оборудование: «1С: Школа. Физика. Библиотека наглядных пособий» под редакцией Н.К.Ханнанова. Модель 4: Движение частицы в магнитном поле. ( Приложение 1, кадр 4). Презентация: «Повторение». (Приложение 3). Тест: «Сила Лоренца» Инструкции для учащихся, бланки отчёта на каждый стол. (Приложение 4) Таблица: Электронно-лучевая трубка.
План урока:

1. Повторение пройденного материала (фронтально). (Приложение 3, кадр 1-2)
2. Объяснение задачи виртуального эксперимента. (Приложение 3, кадр 3-7) На экране учитель постоянно демонстрирует этот эксперимент со своего компьютера, чтобы разъяснять любые технические проблемы. Ученикам раздаются инструкции и бланки отчётов.

Отчёт по выполнению виртуального эксперимента с помощью модели №4. (Отчёт от учеников ожидается таким)

Ученики получают бланк отчёта с заполненным 1-ым столбцом, остальное заполняют самостоятельно. (Приложение 4)
 3. После сдачи отчётов – анализ проделанной работы.
 4. Новый материал: Применение силы Лоренца:
 Циклический ускоритель и масс-спектрограф – в презентации, (Приложение 3, кадр8-9) электронно-вакуумная трубка – таблица.
Решение задач: на определение направления и величины силы Лоренца из презентации. (Приложение 3, кадр 10-11)
 5. Тренировочный тест: «Сила Лоренца» в программе My Test.
 6. Подведение итогов выполнения теста, ответы на вопросы, подведение итогов урока, запись Д.З.

 На следующем уроке ученикам будет предложена модель №3: «Вращение в магнитном поле» (Приложение 1, кадр 5). Ученики должны будут сами изучить модель, предложить план работы с ней и вопросы для анализа.
 Мы продолжаем разработки уроков с применением компьютерного моделирования, потому что ученики воспринимают такие уроки с большим интересом, им нравится экспериментировать, сравнивать, анализировать. Такие уроки дают возможность показать ученикам такие физические явления, о которых мы до сих пор рассказывали только словами. Подбирая модели из разных источников можно одно и тоже явление рассмотреть с разных точек зрения. Всё это помогает развивать интерес к изучению физики и развитию творческих способностей учеников. При этом вполне понятно, что количество уроков с компьютерным моделированием должно быть вполне реальным, так же как и вообще применение компьютерных технологий не должно заменить физический эксперимент.

Литература:
1. Электронные пособия:
1.1. «1С: Школа. Физика. Библиотека наглядных пособий» под редакцией Н.К.Ханнанова.
1.2. «Физика 7 – 11 классы» Компания ФИЗИКОН.
1.3. Электронные уроки и тесты «Физика в школе» ЗАО «Просвещение-МЕДИА»
2. Презентации из ЦОР по физике:
2.1. «Напряжённость и силовые линии электрического поля» г. Нязепетровска Евсеева А.А. ЦОР по физике. Южно-Уральский центр мониторинга системы образования.
2.2. Котлов Ю. Ф. Государственный социально-промышленный колледж.
2.3. Ефимовских А.В. учитель физики МОУ «СОШ №48»
2.4. Комарова Л. Н.
2.5. Шипкина Е.А.школа №108 .
2.6. Соколовская Е. В. МОУ "Беломорская СОШ №3"
3. Тестовая оболочка MyTest (свободно распространяемое ПО) www.klyaksa.net
4. «Однобальная система оценки знаний учащихся на уроке» Г.Ш.Чумаченко. Сайт «1 сентября. Открытый урок»
5. Методика преподавания физики в средней школе. Под ред. Яворского Б.М., том 3.
6. А. П. Рымкевич «Физика. Задачник 10 – 11 классы.
7. ЕГЭ 2005 – 2009г (демонстрационные варианты).