Информационно-коммуникационные технологии как инструмент повышения познавательной активности обучающихся на уроках физики
методическая разработка по физике по теме

Тема: Информационные-коммуникационные технологии как инструмент повышения познавательной активности обучающихся на уроках физики

Теоретический аспект

        По мнению российских экспертов, новые компьютерные технологии обучения позволяют повысить эффективность занятий по естественнонаучным дисциплинам в среднем на 30 %. Использование компьютерных программ на уроках физики способствует развитию интереса учащихся к предмету, повышает эффективность их самостоятельной работы и учебного процесса в целом, позволяет решить задачи индивидуализации и дифференциации процесса обучения.

        Сегодня современному учителю предлагается очень большой выбор интерактивных ресурсов для успешной организации учебного процесса. Многообразие цифровых ресурсов заставляет задуматься об эффективности их использования. Правильное структурирование урока с применением ИКТ является залогом успешности современного учителя. Использование ИКТ на уроках физики в первую очередь следует рассматривать в рамках развивающего обучения. Развивающее обучение сегодня рассматривается как историческая перспектива которая заложит основания не только для развития системы образования но и общества.  Теория развивающего обучения сделала огромный прорыв в педагогике, позволив соединить в единый процесс получения знаний, предметное и психологическое развитием самопознание ребенка.        

Педагогическая идея        

        Развитие у обучающихся навыков самостоятельной работы, творческого мышления, направленной познавательной деятельности, умения анализировать, практической реализации теоретических знаний и многое другое является первоочередной задачей современного учителя.

        В рамках преподавания физики использование ИКТ может быть представлено в различных формах:

1. мультимедийные презентации;
2. видеофильмы;
3. компьютерное тестировании;
4. виртуализация физического эксперимента;
5. моделирование физических процессов.

        Рассматривая каждую из форм применения ИКТ можно отметить, что наиболее сложным в освоении для учителя является виртуализация физического эксперимента и моделирование физических процессов. Отказ от традиционного эксперимента является противоречивым процессом. Существует множество реплик за и против массового применения ИКТ в качестве  замещения реального физического эксперимента. В процессе изучения классической физики не возникает вопросов в проведение наглядных экспериментов, но следует отметить, что в большинстве случаев они скучны и не интересны учащимся. Дети требуют, чтобы все «двигалось и сверкало». Современная молодежь глубоко застряла в интерактиве компьютерных игр. А ведь компьютерная игра и есть моделирование физических процессов. Поэтому современный учитель физики, зная это, можно сказать, вооружён до зубов и всегда может быть актуален как личность среди обучающихся. Это одна из составляющих успешности учителя. «Бери элементы современных компьютерных игр и показывай их с точки зрения физики» — таким может быть напутствие современному учителю. С другой стороны, рассматривая разделы физики, где «руками не пощупать» и «глазом не увидеть»,  «временем не охватить» снова приходится прибегнуть к моделированию процессов. К примеру:

1. модель идеального газа;
2. модель быстропротекающих изопроцессов (адиабатный процесс)
3. модель термодинамических систем;
4. модель электрических и магнитных полей;
5. модель атома;
6. модель лазера и многое другое.

В данном случае компьютерное моделирование позволяет учителю не прятаться за аксиоматическими фразами, а реально доказывать свою точку зрения,  побуждая интерес у учащихся к предмету, развивая собственную точку зрения. Моделирование физических процессов  - это шаг, который делает учитель в сторону ученика!

        Учебное моделирование отличается от других видов моделирования тем, что связано с познавательными процессами, направлено на раскрытие способов познания или на фиксацию раскрытых путем исследования отношений, связей между объектами и внутри объекта. Компьютерные технологии позволяют внести разнообразие в формы организации учебной деятельности детей, сочетать проектные и исследовательские методы обучения.
        Первый опыт использования компьютерного моделирования, мультимедийных материалов показывает то, насколько раздвигается образовательное пространство. Компьютер позволяет вносить новые элементы в содержание обучения, углублять и обогащать содержание тематических разделов, изменять формы представления учебного материала, разнообразить виды учебных заданий и способов работы с ними. Благодаря компьютерным технологиям, может быть увеличен объем изучаемого материала. Это может быть осуществлено не за счет расширения предметного материала, а за счет уложения его в компактные формы - модельные схемы, рисунки, творчески т.д. Опираясь на компьютерные технологии, ребенок получает возможность сам дополнительные сведения из информации, которую предоставляет компьютер.

        «Вживление» информационно-коммуникативных технологии в образовательный процесс заставляет нас пересмотреть многие представления об учебной деятельности в развивающем обучении. Уточнения должны коснуться понимания особенностей протекания процессов познания и развития мыслительной деятельности ребенка. Для развития мышления, считал В.В. Давыдов, необходимо создание учебно-проблемной ситуации и открытие способов решения учебной задачи. Именно эти точки учебного процесса дают толчки пониманию и развитию мышления ребенка.

        Исследуя некоторые природные явления, законы развития физической картины мира, мы можем представить огромное количество их проявлений и создать необходимые условия. Давайте, вообразим, что нам нужно погрузить детей в учебную проблему, связанную с законом земного притяжения. Что может нам продемонстрировать компьютер? Беспредельно многое. Главное все это за короткий промежуток времени. Полеты и падения предметов, взлеты и посадка (а иногда и падение) самолетов, полеты космических кораблей, спутников и др. Имеющийся опыт подсказывает детям, что предметы, брошенные вверх, снова возвращаются на землю. Но если предоставить для наблюдения другие картины мира, то окажется самолет может держаться в воздухе, планеты не сходят со своих орбит. Однако, еще важнее то, - что все это выведет ребенка на вопрос: «Почему некоторые предметы, поднимаясь в воздух, обязательно падают? А другие - нет?». Подспудно они понимают, что существует какая-то сила, которая не позволяет предметам без дополнительных усилий подниматься вверх и за тем возвращает их на землю. Уже в этом моменте они улавливают нечто противоречивое. Они найдут этому свои объяснения. Выстроят собственные концепты, не прибегая к помощи учителя. Личный опыт и наблюдения подскажут им способ объяснения. Наблюдаемая противоречивость состояния объектов актуализирует мышление. Все оказывается «так и не так».

        Во время объяснения учебного материала учителю часто приходится рассказывать об устройстве различных физических приборов, делать графические иллюстрации зависимостей одних физических величин от других и.д. Если использовать только «тряпочную» технологию, то уже спустя несколько минут можно заметить, что у части ребят в классе глазки становятся тусклыми, интерес к изучению темы пропадает, а некоторых начинает тянуть на «подвиги. И вот тут учителя может выручить всем известная восточная мудрость: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». И действительно, как только на уроке начинаешь демонстрировать опыты, видеофильмы, компьютерные презентации и т. д., мотивация учащихся к изучению предмета резко усиливается. Большую помощь при этом могут оказать компьютерные программы, позволяющие оперативно продемонстрировать необходимый эксперимент на компьютере, смоделировать изучаемый процесс, построить графики имеющихся величин во время компьютерного эксперимента.

        Такие программы можно разделить на следующие типы:

• Демонстрационный виртуальный эксперимент (демонстрация физических явлений, устройство приборов, машин, различных устройств) — предоставляет учащимся возможность зрительно познакомиться с изучаемым явлением.
• Моделирующий виртуальный эксперимент (замена натурального эксперимента компьютерным экспериментом) — предоставляет учащимся большие возможности для стимулирования умственных способностей, делает усваиваемые знания глубже и прочнее. На мой взгляд, моделировать в физике можно практически всё.
• Графический виртуальный эксперимент  (создание и исследование графиков зависимости физических величин) — позволяет превратить учащегося в хорошего графического исследователя.
• Вычислительный виртуальный эксперимент (создание математических моделей реальных физических процессов) — позволяет учащимся планировать эксперимент, создавать экспериментальные установки, проводить испытания,  серийные опыты, обрабатывать полученные данные. Следует отметить, что роль экспериментальной установки выполняет оснащенный специальной программой компьютер.

Как правило, в рамках преподавания физики учитель на уроке в большей степени прибегает к помощи демонстрационных и моделирующих виртуальных экспериментах. При проведении поисково-исследовательской работы целесообразнее использовать графический и вычислительный виртуальные эксперименты.

Методология опыта        

        История моего опыта по использованию ИКТ в процессе преподавания физики идёт ещё с институтской скамьи. Основной задачей тогда было создание условий для внедрения виртуального эксперимента. Работа велась в области моделирования электростатических полей,  термоэлектричества  (эффект Пельтье), принципа робототехники, туннельного эффекта. Всё это области скрытые от глаза наблюдателя. Моделирование же позволило реально увидеть физику протекающих процессов. Безусловно, всё приходилось делать буквально вручную: изготовление установки, управляющей и моделирующей компьютерной программы. Сегодня современному учителю достаточно легко, так как существует множество интерактивных программ, которые он может в полном объёме использовать на уроках, разработка же  компьютерных программ совместно с учащимися позволяет  организовать  творческий,  поисково-исследовательский процесс. Использование в учебном процессе школьной лаборатории L-мicro в значительно мере повышает мотивацию учащихся, но ограничивает их творчество.         

        Демонстрационный виртуальный эксперимент впервые предоставляет ученику реальную возможность зрительно познакомиться с изучаемым физическим явлением и выяснить устройство и принцип действия приборов, машин и различных устройств.

        В любом эксперименте требуется измерять физические величины. От точности измерения зависит результат эксперимента. Как правило проведение эксперимента ограничено по времени структурой урока. Поэтому важно не допустить ошибку в измерениях. В этом нам поможет компьютерная программа.

        Примером использования компьютерных демонстрационных программ может служить урок в 7 классе: «Определение цены деления прибора». На диске «Уроки Кирилла и Мефодия. Физика 8 класс» есть демонстрационная программа, которая поможет учащимся определить цену деления и объём жидкости в мензурке. Также изучение принципа работы с Рычажными весами можно найти в мультимедийном пособии «Вся физика» от компании «Руссобит». Сегодня существуют демонстрационные модели по всем разделам физики. Учитель на уроках может демонстрировать превращение механической энергии,  принцип возникновения механических волн, гидростатическое давление в жидкости, конвекцию, плоский конденсатор, опыты Эрстеда, принцип Гюйгенса и многое другое.

        В помощь учителю физики можно предложить некоторые  Internet-ресурсы:

1. Сайт Пигалицина Л.В.  http://www.physics-computer.by.ru/virt-fe.html
2. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов www.school-collection.edu.ru 
3. Java Applets on Physics. Walter Fendt  http://www.walter-fendt.de 
4. Animation zu Motoren. Interactive Animatijnen zur Physics  http://www.k-wz.de 
5. Виртуальная образовательная лаборатория VirtuLab  http://www.virtulab.net 

        Использование моделей в учебном процессе обусловлено задачей наглядности и научно-теоретического уровня изложения материала. Моделирующий виртуальный эксперимент является ценным инструментом, поскольку компьютерные модели могут быть написаны на любом языке программирования самими учащимися.

        Примером использования моделей может служит цифровой ресурс моделирования Газовых законов в 10 классе от немецких производителей (компьютерная программа программа Special Process of an Ideal), моделирование цикла Карно (интерактивный курс «Физика 7-11 классы»,  Движение заряда в электрическом поле (Физический конструктор «Живая физика». Множество ресурсов по моделированию движения заряда в магнитном поле, электромагнитной индукции, свободных электромагнитных колебаний, электрических цепей, системы линз, дифракции и интерференции света, опыта Резерфорда, ядерного реактора и др.

        В помощь учителю физики можно предложить некоторые  Internet-ресурсы:

1. Единая колллекция цифровых образовательных ресурсов www.school-collection.edu.ru 
2. Java Applets on Physics. Walter Fendt  http://www.walter-fendt.de 
3. PhysicsLab: программа по физике  http://www.physicslab.org 
4. Бутиков Е.И. Движение космических тел: виртуальная лаборатория http://www.ifmo.ru/butikov 
5. Опыт Резерфорда: программа http://www.physics-computer.by.ru/programm 

        Очень важную роль при исследовании физических явлений может сыграть графический компьютерный эксперимент. В механике можно исследовать графики скорости, координаты и пути равномерного движения, движения тела по наклонной плоскости, превращение  потенциальной и кинетической энергии при гармонических колебаниях. В молекулярной физике можно исследовать распределение Максвелла по скоростям молекул, изотермы реального пара. В электростатике, к примеру, можно с помощью графика исследовать зависимость напряженности или потенциала  электрического поля точечного заряда, зависимость емкости плоского конденсатора от его параметров (геометрии). В темах «Постоянный ток» и «Ток в средах» можно исследовать вольт-амперные характеристики (ВАХ) металлов, полупроводников, вакуума, жидкостей и газов. Хорошие графические исследования учащиеся могут провести с использованием компьютерной энциклопедии «Открытая физика», интерактивный курс «Физика 7-11 класс» и др.

        В помощь учителю физики можно предложить некоторые  Internet-ресурсы:

1. Сайт Пигалицина Л.В.  http://www.physics-computer.by.ru/virt-fe.html
2. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов www.school-collection.edu.ru 
3. Сайт ФЦИОР http://fcior.edu.ru 

        Вычислительный виртуальный эксперимент во многом аналогичен обычному (натуральному) — это и планирование эксперимента, и создание экспериментальной установки, и выполнение экспериментальных испытаний. Достоинства вычислительного эксперимента очевидны. Он, как правило, дешевле физического. В него можно легко и безопасно вмешиваться. Его можно проверить и прервать в любой момент. Можно моделировать условия, которые не получаются в лаборатории. Но все-таки,  виртуальный вычислительный эксперимент не может  полностью заменить натуральный, он отражает главные изучаемые стороны реальных процессов, что является убедительным и достаточным в рамках школьной физики.

        Эффективность урока с применением ИКТ во многом зависит от совокупной возможности использования всех типов виртуальных экспериментов, к которым можно ещё добавить и виртуальные видео-задачи.

        Одним из примеров применения виртуальных экспериментов могут быть уроки при изучении молекулярно-кинетической теории газов в 10 классе. В рамках этого урока учащимся предлагается воспользоваться цифровым образовательным ресурсами, наглядно демонстрирующие поведение молекул газа (столкновение, расчёт импульса, энергии), статистическое распределение Максвелла по скоростям молекул термодинамической системы:

         Учащимся предлагается проделать опыт по столкновению двух шаров (моделей молекул): есть выбор соотношения масс шаров, выбор угла столкновения:

Пример 1. Столкновение двух молекул разных масс: угол столкновения равен нулю.

Пример 2. Столкновение  молекул равной массы под углом 900 

Пример 3. Столкновение молекул разных масс под углом  ≈1370

Статистическое распределение Максвелла по скоростям во времени для термодинамических систем с различным количеством молекул рассматриваются в следующем цифровом модуле:

Пример 4. Наблюдение распределения Максвелла по скоростям во времени  для термодинамической системы из 3 молекул

Пример 5. Наблюдение распределения Максвелла по скоростям во времени для термодинамической системы из 8 молекул

Пример 6. Наблюдение распределения Максвелла по скоростям во времени для термодинамической системы из 64 молекул.

Итак. Многообразие интерактивных ресурсов сегодня определяет структуру современного урока. Основными источниками интерактивных ресурсов являются:

• Internet (коллекции цифровых образовательных ресурсов).
• Официальные мультимедийные библиотеки, энциклопедии (CD, DVD-продукция)
• Собственные разработки учителей.

В заключение хочу сказать, что основной целью применения ИКТ на уроке физики является усиление мотивации ученика, путем вовлечения его образовательный процесс. В связи с этим к компьютерным программам предъявляются серьёзные требования: они должны быть педагогически целесообразными, выразительными, интересными и доступными как для слабых, так и для сильных учащихся.