"Моделирование в физике"
статья по физике (11 класс) по теме

1. Условия возникновения опыта         

Мои школьники, сталкиваясь с непривычными по форме заданиями, либо пытаются реализовать их привычными методами (как учил учитель), либо просто отказываются от попыток их решить. Это ставит под сомнение уровень компетентности моих школьников, способность их результативно действовать, в том числе и в новых ситуациях. Я, прекрасно осознаю, что деятельность без знания или без инструментария, позволяющего добывать или создавать знания, невозможна и бессмысленна, поэтому знания должны быть фундаментальными. Используя фундаментальные знания можно развивать современного школьника, а моделирование является одним  из таких методов учебного познания.

2.Актуальность.

 В настоящее время общество уже изменило свои приоритеты, возникло понятие постиндустриального общества (общества информационного), оно в большей степени заинтересовано в том, чтобы его граждане были способны самостоятельно, активно действовать, принимать решения, гибко адаптироваться к изменяющимся условиям жизни. Современное информационное общество ставит перед всеми типами учебных заведений и, прежде всего, перед школой задачу подготовки выпускников, способных:

 ориентироваться в меняющихся жизненных ситуациях, самостоятельно приобретая необходимые знания, применяя их на практике для решения разнообразных возникающих проблем, чтобы на протяжении всей жизни иметь возможность найти в ней свое место;

 самостоятельно критически мыслить, видеть возникающие проблемы и искать пути рационального их решения, используя современные технологии; четко осознавать, где и каким образом приобретаемые ими знания могут быть применены; быть способными генерировать новые идеи, творчески мыслить;

 грамотно работать с информацией (собирать необходимые для решения определенной проблемы факты, анализировать их , делать необходимые обобщения, сопоставления с аналогичными или альтернативными вариантами решения, устанавливать статистические и логические закономерности, делать аргументированные выводы, применять полученный опыт для выявления и решения новых проблем);

 быть коммуникабельными, контактными в различных социальных группах , уметь работать сообща в различных областях, в различных ситуациях , предотвращая или умело выходя из любых конфликтных ситуаций;

 самостоятельно работать над развитием собственной нравственности, интеллекта, культурного уровня.

При традиционном подходе к образованию весьма затруднительно воспитать личность, удовлетворяющую этим требованиям.

Социальный заказ государства заключается в создании  адаптированной, реализованной личности, вооруженной необходимыми ключевыми компетентностями. Моделирование позволяет формировать такие компетентности. Моделирование способствует развитию представлений современной научной картины мира, способствует формированию научного мировоззрения и творческого мышления. Кроме этого, моделирование позволяет исключить формализм знаний, является связующим звеном между теорией и практикой

3.Цель моделирования

 Развитие личности, способной самостоятельно ставить и находить решения новых, нестандартных задач и проблем, создавать в ходе деятельности новые продукты (модели).

4.Задачи моделирования

-научить организовывать свою деятельность - определять её цели  и задачи, выбирать средства реализации и применять их на практике, взаимодействовать с другими людьми в достижении общих целей, оценивать достигнутые результаты.

-сформировать ключевые компетентности, имеющие универсальное значение для различных видов деятельности, навыки решения проблем, принятия решений, поиска, анализа и обработки информации, коммуникативные навыки, навыки измерений, навыки сотрудничества.

-повышения интереса к физике, формирование физического мировоззрения.

-воспитание гармонично развитой личности.

5. Теоретическая база

Слова ,, модельный,, и ,,наглядный,, тождественны по смыслу. В последние годы слово ,,модель,, стало применяться в более широком смысле, а именно- всякое идеальное построение как адекватное отражение объекта. Моделированием в физике называют исследование на моделях физических явлений, процессов, объектов. В соответствии с таким расширенным пониманием ,, моделирование,,  метод модельных гипотез следует понимать как метод, связанный с построением образных механических моделей, а методы принципов и математических гипотез -как методы, связанные  с построением логико-математических знаковых моделей. Существует два основных вида моделей:

  идеальная (мысленная)                                                               материальная

образная модель       знаковая модель                                 овеществленная образная модель

пространственно  физически    математически       пространственно               физически                                                    подобная                  подобная           подобная           подобная                             подобная                                                                                                                                                

Знаковая модель выражается словесно, аналитически, графически, таблично.

Образная модель выражается материей, объектом.

                                           Классификация моделей

1. По области использования:

-учебные -наглядные пособия, тренажеры, обучающие программы

-опытные- уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта

-научно-технические- модели для исследования процессов и явлений

-игровые- спортивные, экономические, деловые игры

-имитационные- модели имитирующие и отражающие реальность

2.По временному фактору:

-статистические- модель, описывающая объект в определенный момент времени

-динамические- модели, позволяющие увидеть изменения объекта во времени

3.По способу представления:

-материальные- модели воспроизводящие геометрические и физические свойства оригинала, имеющие реальное воплощение

-информационные (текстовые, формально-логические, графические)-модель, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром

4.По типу данных:

-иерархичные- модели представляющие собой совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам

-сетевые- модели для отражения систем, в которых связь между элементами имеет сложную структуру

-реляционные- модели представленные в виде списка, а значение размещается в ячейках прямоугольной таблицы

В процессе моделирования задействованы как бы четыре ,,участника”:

1.субъект-инициатор моделирования или пользователь его результатов

2.объект –оригинал-предмет моделирования, т.е. та педагогическая образовательная система,

которую хочет создать или пользоваться в дальнейшем субъект.

3.модель-образ,отображение объекта

4.среда, в которой находятся и с которой взаимодействуют все участники

                              Требования, предъявляемые к моделям:

1.Ингерентность характеризует степень согласованности создаваемой модели со средой, чтобы создаваемая модель балы согласована с культурной средой, в которой ей предстоит функционировать , входила бы в эту среду не как чужеродный предмет. А как естественная составная часть. То есть не только модель должна приспосабливаться к среде, но исреду необходимо приспосабливать к модели будущей системы.

2.Простота модели характеризует упрощения модели, для более удобного её использования и понимания её действия.

3.Адекватность модели означает возможность с её помощью достичь поставленной цели в соответствии с формулированными критериями.

                                    Моделирование включает три этапа:

Выбор модели-  

     принятие  

       решений

Построение модели-

создание модели

   Оптимизация  

         модели-

     нахождение    

    оптимальных  

     альтернатив

Рассмотрим процесс  моделирования на данной схеме.

Расшифровка обозначений: Ф-факты,  

З-задание,  

Т-теория,  

П-специфические приемы умственной деятельности,  

М-модель,  

Пр-проверка найденного решения

ФЗ

ТП

вход  

ТП

Ф'З'

                                                                                                                 формулировка  проблемы

ТП

Т''

                                                                                                                      решение проблемы

М

                                                                                                           проверка решения  проблемы                  

                                                                                                                           обратная связь                                                                                                                          

ПрНР

              выходПроектно-исследовательская

деятельность

  Особую роль в моделировании играет теория Т, которая вооружает ученика и делает его готовым для модельного представления изучаемого явления, процесса, объекта.. К началу анализируемого познавательного процесса ученик должен располагать знанием факторов, теории и специфическими приемами умственной деятельности (ТП). Ученику предлагается новый факт и задание объяснить этот факт (ФЗ). Постигая проблемную ситуацию, ученик включает новые данные в переработанном виде (Ф'З') в имеющуюся у него структуру знаний. Этим завершается первая фаза - формулировка проблемы. Начинается вторая фаза - решение проблемы путем применения  к  элементу Т мыслительных приемов П, адекватных заданию. В результате ученик приходит к новым элементам Т'' и построению модели М, т.е. находит решение. Завершающий этап - проверка найденного решения. Весь этот цикл проходит несколько стадий:

-осознание потребности ( проблема, когда новые факты не находят подходящей модели внешнего мира в области)                                                                                                                    

-решение основной проблемы (создание новой модели в области)

-получение продукта своей деятельности (модели)

-оценка деятельности, рефлексия.      

-объяснение свойств, характеристик физических явлений, объектов, процессов, основанных на выводах, результатах моделирования (обратная связь).

Таким образом, в первом случае требуется объяснить явление, требуется ответить на вопрос почему?  Во втором случае – осуществить реальное явление, отвечающее заданным требованием, т. е. ответить на вопрос как сделать? Моделирование делится на две основные задачи: исследовательскую (почему?) и конструкторскую (как сделать?). Правда, такое деление условно, поскольку исследование часто сопряжены с конструированием, а изобретения - с исследованиями.

Исследовательскую задачу можно осуществить по примерному плану:

-наблюдение

-выявление характерных особенностей

-установление связей данного явления с другими, ранее изученными

-установление определенных закономерностей

-практическое применение

При конструировании модели можно обратить внимание на внешнее сходство, на принцип действия, или на тот положительный эффект, который достигается в действительности и т.д.

Соответственно, модели можно разделить на три группы по методу конструированию:

-воспроизводящие только основные  структурные элементы объекта

-воспроизводящие принцип действия  объекта

-воспроизводящие в той или иной степени реальные механические, электрические, химические или другие процессы.

Конструкция модели должна быть освобождена от множества мелких подробностей, которые не имеют существенного значения для понимания основного принципа действия явления, процесса,  объекта.                                           

                                              Методы моделирования:

Моделирование (элементы моделирования) можно проводить :

-на уроках, при объяснении нового материала, при повторении пройденного материала

-при проведении лабораторных работ, практикумов

-на факультативных, на элективных занятиях

- во внеурочное время

 Не все разделы и темы позволяют выполнять моделирование, следовательно, стоит вопрос об отборе  содержания учебного материала, о его структуре и о методах изложения в зависимости от целей обучения. Метод обучения должен сводится к проблемному:

-проблемное изложение

 -поисковый

-исследовательский  

 -рефлексивный    

-эвристический

Если мы хотим просто познакомить школьников с новыми положениями, законами, то достаточно сообщить им готовые теоретические выводы. Если же ставится задача не только информировать, но и развивать школьников в процессе обучения, то начинать изложение учебного материала с готовых теоретических построений нельзя!

 Необходимо придерживаться определенной формулы обучения:

                      проблемная деятельность+рефлексия=знания.

 Не ждите сразу положительного результата, работа должна проводиться в системе  и в содружестве с самим учеником. Диалогичность, демократичность и открытость в общении являются  самими эффективными стилями взаимодействия с учеником. Нужно дать ученику высказать все свои идеи, мысли и умело их направить по правильному пути решения проблемы. Роль учителя – консультант, организатор сотрудничества, управляющий поисковой работой учащихся. Создание групп, коллективов позволяет при моделировании добиваться правильного и более быстрого решения проблемы.

Моделирование может существовать как отдельная педагогическая технология, а может  иметь  продолжение в  проектно-исследовательской деятельности учащихся.                                                                                                      

6.Новизна педагогической технологии

Моделирование – это новая педагогическая технология обучения. В отличие от традиционной она позволяет перейти от учения как процесса запоминания к самостоятельной познавательной деятельности; от ориентации на среднего ученика к дифференцированному и персонифицированному обучению; от неопределенности и размытости перспектив ,,дружбы” с физикой к серьезной мотивации деятельности в области физики и инженерных наук. Модель созданная учеником - самостоятельная творческая работа ученика, начиная от идеи и до её воплощения. Компьютерное моделирование позволяет увидеть многие явления не доступные при традиционном подходе обучения, увидеть процесс изнутри.

7.Технология педагогической деятельности

Завершенный цикл деятельности заключается в трех фазах.

☻ Фаза проектирования, результатом которой является построенная модель создаваемой педагогической образовательной системы и план её реализации.

(изучение методики и технологии моделирования; разработка программы самообразования, уроков, факультативов и т.д.)

☻ Технологическая фаза, результатом которой является реализация системы (внедрение в учебный процесс  элективного курса в 9 классе  в 2004-2005 учебном году, факультативного курса в 10 классе  в 2005-2006 учебном году и  в 11 классе в 2006-2007 учебном году).

☻ Рефлексивная фаза, результатом которой является оценка реализованной системы и определение её необходимости либо её коррекции

                             Применение данной технологии

8.Результативность моделирования

Моделирование позволяет гармонично развивать ученика. При исследовании вырабатываются общеучебные умения и навыки:

-наблюдение (предполагает активную работу мысли, памяти, а иногда и воображения ученика)

-выявление характерных особенностей (предполагает умение анализа, абстракции)

-установление связей данного явления с другими, ранее изученными (предполагает умение синтеза)

-установление определенных закономерностей (умение делать вывод, обобщать)

-практическое применение (предполагает умение сравнения)

При конструировании развивается инженерное мышление, логика действий, пространственное воображение, устойчивость внимания, избирательность памяти и т.д. Испытание самой модели позволяет увидеть слабые и сильные стороны физического объекта, явления, процесса; позволяет оценить его практическое применение в жизнедеятельности человека. Все это позволяет повысить мотивацию  и создает ситуацию успеха для ученика.

9.Адресная направленность

Данная педагогическая технология может широко использоваться педагогами в обучении школьников.

Рассмотрим, примерное использование моделей в различных областях наук.

10. Компьютерное моделирование

Цель: продемонстрировать и изучить физические явления

недоступные при традиционном подходе обучения.

Задачи:

-мысленные модели, по возможности заменить, компьютерными  для более подробного и детального изучения физических объектов или явлений.

- перейти с акцента деятельного учителя на деятельного ученика, что достигается интерактивным режимом использования компьютера и участием школьника в работе групп.

-формирование простейших пользовательских навыков использования компьютера.

Быстрое развитие вычислительной техники и расширение её функциональных возможностей позволяет широко использовать компьютеры на всех этапах учебного процесса. Использование компьютерных технологий значительно расширило  возможности лекционного, позволяя моделировать различные процессы и явления, натурная демонстрация которых  в лабораторных условиях технически сложно или просто невозможна. Разнообразный иллюстративный материал, мультимедиа и интерактивные модели поднимают процесс обучения на качественно новый уровень. Современному ребенку намного интереснее воспринимать информацию именно в такой форме, нежели при помощи устаревших схем и таблиц. При использовании компьютера  на уроке информация представляется не статичной  неозвученной картинкой, а динамичным видео- и звукорядом, что значительно повышает эффективность усвоения материала. Возможности компьютера позволяют заменить неровные строки и кривые схемы четкими шрифтами и красочной графикой – миллионами учебных иллюстраций, фотографий. Мультимедийные продукты частично берут на себя функции учебников и учебных пособий. Существующие сегодня CD-ROM диски позволяют представить, что такое интерактивность. Интерактивные же элементы обучающих программ позволяют перейти от пассивного усвоения к активному, так как учащиеся получают возможность самостоятельно моделировать явления и процессы, воспринимать информацию не линейно, с возвратом, при необходимости, к какому-либо фрагменту , с повторением виртуального эксперимента с теми же или другими начальными параметрами. Программное обеспечение реагирует на команды, выводя информацию в виде текста, звука и изображения. CD-ROM диски постоянно используются детьми и в школе и дома. В качестве одной из форм обучения, стимулирующих учащихся к творческой деятельности, можно предложить создание одним учеником или группой учеников мультимедийной презентации, сопровождающей изучение какой-либо темы курса. Здесь каждый из учащихся имеет возможность самостоятельного выбора формы представления материала, компоновки и дизайна слайдов. Кроме того, он имеет возможность использовать все доступные средства мультимедиа, для того, чтобы сделать материал наиболее зрелищным. Бесспорно, что в современной школе компьютер не решает всех проблем, он остается всего лишь многофункциональным техническим средством обучения. Не менее важны и современные педагогические технологии и инновации в процессе обучения, которые позволяют не просто “ вложить ” в каждого обучаемого некий запас знаний, но, в первую очередь, создать условия для проявления познавательной активности учащихся.

                    Использование компьютера в подготовке школьника

                             характеризуется следующими признаками:

 Наличие либо обучающей программы, либо адаптация имеющейся пользовательской программы.

 Поэлементная подача учебного материала.

 Циклический характер информационной связи между учеником и техническим средством.

 Индивидуальным темпом в обучении и применении технических средств.     

                                                       Технология использования ЭИ

проектор

компьютер

    экран

                        Компьютеры  1, 2, 3, 4, …

                                                                           или

сеть

Головной (центральный) компьютер

                                             Использование  КТО

                                 компьютер

Обучающие программы

Офисные программы

Интернет

Word

Excel

Power Point

                           Использование информационных технологий

                         для реализации целей педагогических технологий. 

Технология обучения в сотрудничестве в значительной мере может быть реализована при групповой работе с использованием компьютера и других технических средств. Обучающие программы и компьютерные модели, виртуальные лабораторные работы, создание мультимедийных презентаций как нельзя лучше подходят для совместной работы пар или групп учащихся. При этом участники работы могут выполнять как однотипные задания, взаимно контролируя или заменяя друг друга, так и отдельные этапы общей работы. При выполнении заданий в парах или группах не требуется одинакового уровня владения техническими средствами, в процессе совместной работы происходит и совершенствование практических навыков более “ слабых ” в этом отношении учащихся. Все члены рабочей группы заинтересованы в общем результате, поэтому неизбежно и взаимообучение не только по предмету проекта, но и по вопросам эффективного использования вычислительной техники и соответствующих информационных технологий. Обучение в сотрудничестве с использованием информационных и коммуникационных технологий не требует непосредственного присутствия участников группы, работа может производиться дистанционно, с передачей материалов и взаимным общением с помощью услуг Интернета. Это также поднимает деятельность отдельных участников группы на качественно новую ступень, позволяя привлечь к совместной деятельности. и тех , кто по тем или иным причинам лишен возможности непосредственного участия в работе группы.

Дифференцированный подход к обучению также может быть реализован с использованием современных информационных технологий и мультимедийных проектов. Учитель формулирует тему проекта с учетом индивидуальных интересов и возможностей ребенка, поощряя его к творческому труду. В этом случае учащийся имеет возможность реализовать свой творческий потенциал, самостоятельно выбирая форму представления материала, способ и последовательность его изложения. В моей практике немало примеров того, как ученик, показывавший  посредственные знания, создавал самостоятельно и уверенно представлял на уроке самостоятельно подготовленный материал высокого уровня, зачастую выходящий за рамки школьной программы. Уверенное владение компьютером позволило такому ученику повысить свою самооценку и, к тому же, расширить кругозор и почерпнуть новые для себя знания.

Компьютерное моделирование эксперимента позволяет каждому ученику выполнять задание в удобном для него ритме, по-своему менять условия эксперимента, исследовать процесс независимо от других учащихся. Это также способствует выработке исследовательских навыков, побуждает к творческому поиску закономерностей в каком-либо процессе или явлении. Обучающие программы предоставляют и возможности компьютерного моделирования опытов и экспериментов в игровой форме. Можно самому сконструировать атом, можно увидеть, как возникает невесомость в движущемся лифте, как движется броуновская частица. На глазах ребенка происходит процесс диффузии. К тому же, если что-то не получилось, можно повторить все сначала. Интересно, например, собирать электрическую цепь, выбирая из виртуальных ящичков необходимые элементы. И если лампочка “ перегорела ” - можно вбросить ее в “ мусорное ведро ” (тоже виртуальное) и взять другую, с иными характеристиками. Обучающие программы предоставляют практически безграничные возможности, как учителю, так и ученику, поскольку содержат хорошо организованную информацию. Обилие иллюстраций, анимацией и видеофрагментов, гипертекстовое изложение материала, звуковое сопровождение, возможность проверки знаний в форме тестирования, проблемных вопросов и задач дают возможность ученику самостоятельно выбирать не только удобный темп и форму восприятия материала, но и позволяют расширить кругозор и углубить свои знания.

Тестирование с помощью компьютера также гораздо более привлекательно для ученика, нежели традиционная контрольная работа или тест. Во первых , ученик не связан напрямую с учителем, он общается в первую очередь с машиной. Во-вторых , тесты также могут быть представлены в игровой форме. При неправильном ответе в ряде школьник может услышать смешной звук или увидеть неодобрительное покачивание головы какого-нибудь забавного героя. А если тест успешно пройден – ученику вручат виртуальный лавровый венок, в его честь зазвучат фанфары и в небе вспыхнет салют. Естественно, что такое тестирование не вызовет у ученика стресса или отрицательных эмоций. Компьютерное тестирование, как и любое тестирование, также дает возможность индивидуализировать и дифференцировать задания путем разноуровневых вопросов. К тому же, тесты на компьютере позволяют вернуться к неотработанным вопросам и сделать “ работу над ошибками ”.

Метод проектов полностью реализуется в мультимедийных презентациях и других компьютерных проектах. Как уже упоминалось выше, подобные проекты могут быть выполнены с помощью информационных технологий (здесь, кстати, неоценимую помощь может предоставить Интернет). Быстрый доступ к разнообразной информации, использование всех мультимедийных возможностей позволяют реализовать самые смелые и неожиданные идеи. Если же ученик владеет не только основными средствами работы с информацией, но и более сложными программами, то в этом случае возможно создание поистине уникальных проектов. Большие возможности для использования метода проектов предоставляет и компьютерное моделирование. Здесь речь уже идет о том, что разработка компьютерной модели того или иного процесса или явления уже сама по себе является видом проективной деятельности. Если учащийся владеет приемами программирования, то в этом случае он имеет возможность глубоко проникнуть не только в самую суть явления, но и в его математическую модель, которую затем необходимо воплотить в зрительный образ. Работа над проектом побуждает ученика не только к глубокому изучения какой-либо темы курса, но и к освоению новых программ и программных продуктов, использованию новейших информационных и коммуникационных технологий. Несомненно, что здесь решаются многие задачи личностно ориентированного обучения.

В таблице представлены типы объектов и их краткая характеристика.

                                     Этап объяснения нового материала

                                                Этап закрепления знаний

                                                        Этап контроля

Таким образом, современные педагогические технологии в сочетании с современными информационными технологиями могут существенно повысить эффективность образовательного процесса, решить стоящие перед образовательным учреждением задачи воспитания всесторонне развитой, творчески свободной личности.

 11.Предполагаемые результаты.

Современная школа призвана формировать целый ряд компетентностей (учебные, профессиональные, коммуникативные).  Нас ждет новая модель будущего, в которой заложена быстрая смена технологий, а, следовательно, необходимость адаптироваться к новым условиям, быть мобильным и т.д. Важным становится не столько само обучение, сколько воспитание способности к учению. Не образование на всю жизнь, а образование и самообразование в течении всей жизни. Поэтому первым важным шагом учителя в моделировании является повышение компетентности учеников через их мотивацию к предмету. В этом процессе ученик учится сам, а учитель осуществляет мотивированное управление его обучением. Мотивация через деятельность и рефлексию дает возможность формировать у учащихся прочные знания и повышение качества знаний.

Качество знаний

     мотивация

компетентность

 Литература:                              

1. Десненко М.А. Моделирование в физике, учебно-методическое пособие. Чита: ЗабГПУ, 2003г.
2. Газета ,,Первое сентября”         Кавтарев А. Равномерное движение. Моделирование неупругих столкновений// Газете ,,Первое сентября,, №20, 2001г.
3. Газета ,,Первое сентября” Бочарникова Я. статья  Изучениие явления фотоэффекта 10-11// Газета ,, Первое сентября,,     № 1,  2005 г.
4. Газета ,,Первое сентября” Ханнанов Н. статья  Электронные издания – на школьный урок// Газета ,, Первое сентября,, № 1, 2005г.
5. Газета ,,Первое сентября” Десненко М.А. Моделирование в физике //Газета ,,Первое сентября,, № 2, 2005 г.,
6. Разумовский В.Г. Развитие творческих способностей учащихся  в процессе обучения физике. Пособие для учителей. М.., Просвещение , 1985г
7. Шамова Т.И. Малинин А.Н. Инновационные процессы в школе как содержательная основа механизма её развития. Методика исследования. М, Просвещение, 1993г.
8. Хорошавин С.А. Физико-техническое моделирование. М., Просвещение,1983г