СОЗДАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ УЧИТЕЛЕМ КАК СРЕДСТВО УСИЛЕНИЯ НАГЛЯДНОСТИ ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ.
статья по физике (10 класс) на тему

СОЗДАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ УЧИТЕЛЕМ КАК СРЕДСТВО УСИЛЕНИЯ НАГЛЯДНОСТИ ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ.

Creating and using computer models of teacher as a means to enhance visibility when learning physics.

Аннотация

Применение анимационных моделей при обучении физики, которые легко могут быть созданы учителем, с помощью программ Flash, Powerpoint, Photoshop, CorelDraw, Mathcad, MatLab  как при объяснении нового материала, так и в процессе обучения решению физических задач.

Abstract

Application of animation models for teaching physics that can be easily created by the teacher, using Flash, Powerpoint, Photoshop, CorelDraw, Mathcad, MatLab programs both in explaining new material and in learning to solve physical problems.

Ключевые слова: обучение физике, компьютерное моделирование, анимация, наглядность. 

Keywords: teaching physics, computational simulation, animation, visualization.

Основоположником принципа наглядности считают чешского педагога Я. А. Коменского, давшего определение наглядности и его обоснование. Он связывал наглядность с чувственным познанием, а наблюдение считал основой получения всякого знания [7]. Более глубокое обоснование наглядности дал И. Г. Песталоцци (1746-1827), его идеи положили начало изменений в дидактике, осуществлению которого было связано с именами таких педагогов, как И. Ф. Гербарт (1776-1841), А. Дистервег (1790-1886). Они полагали, что не нужно излишне долго демонстрировать предмет или явление, так как это приведет к быстрой утомляемости [5] . Русские педагоги К. Д. Ушинский (1824-1870),П. Ф. Каптерев (1849-1922),  В. П. Вахтеров (1853-1924)большую значимость придавали соблюдению принципа наглядности. К. Д. Ушинский утверждал, что важнейшим источником для получения новых знаний является опыт, полученный с помощью внешних чувств [10]. Основываясь на идеях Ушинского, Каптерев считал, что наглядное обучение идет от конкретного к отвлеченному, абстрактному наглядность не присуща [8,9]. В. П. Вахтеров полагал, что наглядное обучение включает в себя элемент моторной деятельности человека, о чем написал в своем труде (1915 год) «Основы новой педагогики» [1].В педагогике 50-х годов были рассмотрены возможные варианты сочетания наглядности с вербальными методами. Л. В. Занков писал, что «проблема сочетания слова и средств наглядности,- не может быть сведена к вопросу о временных отношениях словесных сообщений и наблюдения наглядных объектов. Внутренняя связь базируется на том, что и ощущение, и мышление являются отражением реальной действительности, а в тоже время – на том, что непосредственное восприятие и мышление в понятиях представляют разные формы отражения объективного мира» [6].

Педагоги прошлого связывали наглядное обучение с конкретно воспринимаемым объектом или явлением, действовавшим на органы чувств. Разрабатываемая методика с применением принципа наглядности применялась в основном в начальной школе.

В течение многого времени для методистов исследование проблемы наглядности было одной из центральных, в результате чего понимание наглядности претерпело изменения – от отражения внешних, чувственно воспринимаемых свойств объекта и формирования эмпирических понятий, эмпирического мышления к осознанию необходимости деятельности подхода и включения его в контекстность окружающего мира.

В обучении очень большое значение имеет визуальная, ориентированная на зрительное восприятие информация. Демонстрация изображения рассматриваемого объекта, может служить наглядной опорой даже при изучении устройства объекта, поскольку оно дает возможность сосредоточивать внимание именно на рассматриваемых деталях объекта. Также необходимость в наглядной опоре существует при рассмотрении взаимосвязей разных объектов, в том числе и незримых, логических связей, которые становятся явными, отчетливыми не только для абстрактного представления, но и для зримого, материализованного их рассмотрения [11].

Все выше сказанное относится, в частности к процессу обучения физике, где наглядность необходима, поскольку демонстрация физических явлений происходит в более широком ракурсе, и при всестороннем рассмотрении, что предоставляет возможность обобщения и систематизации теоретических знаний. В тоже время, несмотря на то, что физика изучает реальные объекты и процессы природы, при обучении в большей степени, чем в других естественнонаучных дисциплинах, используются модели, связанные с идеализированными представлениями. Такие абстрактные модели часто оказываются не достаточно наглядными, что затрудняет понимание соответствующих явлений учащимися.

Помимо вербального процесса передачи информации очень важно использовать визуальные объекты. Наглядное приближение к реальным явлениям очень важно при обучении физики.Для достижения наглядности традиционно педагог использовал рисунки мелом на доске, плакаты, готовые картинки и т. д. В настоящее время больший эффект может дать  использование современных технологий, например, слайдов. Однако, современные технологии позволяют сделать восприятие еще более наглядным, если анимировать некоторые процессы, или построить 3D модель объекта.

В соответствии со стандартами обучения будущий педагог должен в совершенстве владеть и уметь применять при обучении ИКТ. В настоящий момент практическив каждом кабинете физики есть персональный компьютер с интерактивной доской, или с подключенным к компьютеру проектором. Этого набора вполне достаточно для использования на занятиях электронных тренажеров, демонстративных, имитационных, моделирующих и расчетных программ. Среди цифровых образовательных ресурсов, способствующих повышению наглядности при обучении физики, можно отметить такие программы как:

- соответствующие содержанию действий «готовых» элементов цифровой учебной среды, например, «Открытая физика»;

–электронные тренажеры, с целью тренировки отдельных операций, например, «Активная физика»;

- при заданной ситуации с использованием готовых компьютерных моделей, например, «Виртуальная физика», «Живая физика»;

- для создания анимаций, 3D  моделей при объяснении задач или физических процессов - Flash, Powerpoint, Photoshop, CorelDraw;

- для численных расчетов при решении -  Mathcad, MatLab.

Однако, как показывает анкетирование, использование данных программ ограничено или они не используются совсем.Учителя знакомы с этими  программами, но, как правило, не знают где их применить в процессе обучения физике. Часто готовых анимационных моделей, имеющихся в этих программах, недостаточно для целей конкретного урока. Поэтому преподавателю необходимо уметь создавать анимированные модели или процессы при помощи программ, изучение которых входит в образовательные программы педагогических университетов, например, Flash, Powerpoint, Photoshop, CorelDraw, Mathcad, MatLab.

Опрос учителей показал, что использовали при обучении физики только программу PowerPoint, и только для создания презентаций с видео, которое находили при помощи различных источников информации – Google или Yandex.

Далее мы рассмотрим применение анимационных моделей, которые легко могут быть созданы учителем, как при объяснении нового материала, так и в процессе обучения решению физических задач. Например, при изучении динамики в школьном курсе физики ученикам объясняют, что инерциальная система отсчета является идеализацией. В частности инерциальная система отсчета, связанная с поверхностью Земли может считаться инерциальной лишь приближенно. Наглядно это демонстрируется на опыте с маятником Фуко. Прежде школьники Санкт-Петербурга (Ленинграда) могли наблюдать этот опыт во время экскурсии в Исаакиевском соборе. Сложность реальной демонстрации в условиях школы заключается в необходимости использовать длинную нить (высота внутреннего помещения Исаакиевского собора),  к которой прикреплен груз. Однако реальный опыт может быть эффективно заменен на анимационную модель, которую можно создать достаточно простым образом, используя, например, средства, имеющиеся в программе Photoshop [2].

Другим примером может являться объяснение полного внутреннего отражения, когда свет распространяется из более плотной среды в менее плотную. Затруднение при восприятии данного процесса во многом объясняется сложностью натурной демонстрации. Наглядную анимационную модель можно создать простыми средствами с использованием программы PowerPoint, путем последовательной смены изображений хода лучей на границе двух сред. На рисунке 1 приведены последовательные изображения хода лучей при прохождении света из более плотной среды в менее плотную среду. При последовательной демонстрации изображений наглядно видно, что угол преломления γ увеличивается до значения π⁄2, после чего выходящий из плотной среды луч исчезает. Из демонстрации видно, каким образом определяется предельный угол полного отражения. Такая демонстрация вполне способна заменить натурный эксперимент и, таким образом, может способствовать лучшему пониманию учащимися данного явления.

Способы создания наглядных анимаций целесообразно применять и в процессе  обучения решения физических задач. В простых задачах в основном мы в процессе решения используем двумерные изображения. Для более сложных задач, в частности олимпиадных задач,необходим «выход в трехмерное пространство». Например, это актуально рассматривать в таких темах как магнитостатика(сила Ампера, сила Лоренца), или при рассмотрении движение частиц в постоянном однородном поле, где траектория будет похожа на винтовую линию. Обычно наглядность, связанная с выходом в трехмерное пространство реализуется посредством создания нескольких изображений, демонстрирующих описываемый в условии задачи объект в разных проекциях. Однако, здесь использование выше описанных средств способно дать более значимый эффект.

В качестве примера рассмотрим задачу на расчет сопротивления проволочного кубика (рис. 2). Необходимо рассчитать полное сопротивление проволочного куба, каждое ребро которого имеет сопротивление r, если он подключен к источнику по главной диагонали куба.

Решение задачи основано на использовании свойств симметрии данного объекта. При обучении решению задачи целесообразно обратить внимание на то, что необходимо использовать свойство симметрии, но не объяснять сразу какие свойства симметрии необходимо использовать. Как показывает опыт преподавания, необходимые свойство симметрии – поворот на угол  вокруг оси, проходящей через точки 1 и 8, как правило, не очевидно для учащихся. В данном случае путем создания анимации можно сделать определенную подсказку, позволяющую наглядно увидеть это свойство симметрии. Для этого учитель может воспользоваться различными программами Word 10, Power Point, Photoshop или MatLab. В простейшем случае можно сделать ряд последовательных рисунков,на которых кубик постепенно поворачивается от исходного положения (рис. 3а) к положению на котором видна необходимая симметрия (рис. 3b и рис. 3c).

Далее на основе этого изображения можно найти эквипотенциальные точки объекта (2,3,4 с одним потенциалом и 5,6,7 с другим потенциалом). Соединив эквипотенциальные точки проводниками с «нулевым сопротивлением», можно свести задачу к более простой (рис. 4).Используя эту схему, учащиеся, как правило, легко приходят к правильному ответу R=(5⁄6)r.

Рис. 4

Рассмотрим еще одну задачу, для которой также необходим «выход в трехмерное пространство». К столбу длиной L прикреплена нить той же длины, к которой привязан груз. Мы раскручиваем нить с грузом, чтобы он крутился по окружности, так что угол между нитью и столбом был равен 45 градусам. Определить на каком расстоянии от столба упадет груз, если нить оборвется.

При решении данной задачи учащиеся, как правило, используют формулы, описывающие движение тела брошенного параллельно земной поверхности. Траектория в этом случае представляет собой параболу. Процесс может быть изображен следующим образом (рис. 5) Однако найденная дальность полета (величина S) не соответствует искомому значению. В данном случае подсказка в виде анимированного поворота от рис. 5 к рисунку 6, позволяет наглядно продемонстрировать неверность решения и способ получения правильного ответа (использование теоремы Пифагора).

Иногда процессы, которые происходят в природе трудно представить, например, процессы самоорганизации. Сложность подобных задач состоит в том, что, как правило, подобные учебные задачи, являющиеся моделями реальных явлений, связаны с решением систем дифференциальных уравнений численными методами. Модели образования временных структур – модели автоколебаний в системах различной природы могут быть достаточно простыми и требуют лишь умений решать системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Поскольку процедуры решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений входят в разнообразные пакеты, используемые для математического моделирования (Matlab, Mathcad) [3,4].

Таким образом, мы показали, что роль наглядности при решении задач по физике очень важна. Так как это дает возможность избежать путаницы при решении, а также позволяет подсказывать основные моменты в решении, не давая заранее ответ. Конечно, процесс создания анимаций или вычислений с помощью программ очень трудоемкий, но это облегчает весь процесс обучения и даже мотивирует учащихся на самостоятельное более глубокое изучение явления или объекта. Также создание компьютерных моделей входит в систему подготовки преподавателя к занятию. Применение данныхметодов и средств не только важно, но и необходимо в условиях современного образования.

Литература

1. Вахтеров В.П. Основы новой педагогики: монография, ред. Е.П Титков. Арзамас: АГПИ, 2007. с.214-221
2. Денисевич А. А. Компьютерные имитационные модели как средство наглядности при обучении физике, Естественно-математическое образование в современной школе. Сборник научных трудов, вып. 5. СПб.: ЛОИРО, 2014. с. 145-150.
3. Денисевич А. А., Ляпцев А. В.  Компьютерное моделирование процессов самоорганизации в простейших механических системах. Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. 2014. № 168. С. 93-103.
4. Денисевич А. А., Ляпцев А. В. Компьютерное моделирование процессов самоорганизации. Аналогия с ячейками Бенара. Компьютерные инструменты в образовании. 2017. № 1. С. 38-44.
5. Дистервег Адольф. Дидактические правила Дистервега, Из циркуляра по управлению Киевским учебным округом №№1,2,3 и 4.Киев: в Университетской типографии 1870. 1780. 21 с.
6. Занков Л. В. Избранные педагогические труды, М.: Новая школа,1996. с. 185-187, 407-414.
7. Коменский Я. А. Мир чувственных вещей в картинках или изображение и наименование всех важнейших предметов в мире и действий в жизни, 2-е изд., под ред. А. А. Красновского. М.: Государственное учебно-педагогическое издательство Министерства Просвещения РСФСР, 1957. с. 8-13.
8. Морозова Е. А. Проблема развития познавательных интересов обучаемых в педагогических теориях П. Ф. Каптерева и В. П. Вахтерова: монография. Смоленск. Смоленский филиал Орловский региональный академии государственной службы, 2007. с. 35-39.
9. Старикова Л.Д. История педагогики и философии. Ростов-на-Дону, 2008. 113 с.
10.  Тюкова Е. В. К.Д. Ушинский как основоположник системы развивающего обучения в отечественной педагогике: монография. СПб.:ЛГУ им. А. С. Пушкина, 2007. с. 57-61.
11. Фокин Ю.Г. Теория и технология обучения: деятельностный подход. 3-е изд. М.: Академия, 2008. с. 113-118.

Сведения об авторе.

Денисевич Александра Алексеевна

Aleksandra A. Denisevich

Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург, Россия

Herzen State Pedagogical University of Russia

191186, Санкт-Петербург, наб. р. Moйки, д. 48. e-mail: Sashamy_one@mail.ru, тел. 8-921-961-11-84.

Аспирант кафедры методики обучения физике РГПУ им. А.И.Герцена.

А.А. Денисевич, А.В. Ляпцев. Простейшая модель для демонстрации образования пространственных структур при изучении процессов самоорганизации. Компьютерные инструменты в образовании, №1, 2014 г., с. 36-43.

Денисевич А. А., Ляпцев А. В. Компьютерное моделирование процессов самоорганизации. Аналогия с ячейками Бенара. Компьютерные инструменты в образовании. 2017. № 1. С. 38-44.

Специальность 13.00.02 Теория и методика обучения (физика).

Научный руководитель: Ляпцев Александр Викторович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой методики обучения физики.