Реферат на тему:

Організація проблемного навчання фізики на основі нових інформаційних
технологій

 

Інноваційні процеси як форма і генеративний чинник розвитку дидактики
фізики останнім часом привертає увагу багатьох дослідників. Дидактичні
нововведення, що викликані до життя конкретними соціально-економічними
умовами, здатні прогресивно розв’язати проблеми педагогіки. Успіх і
результативність педагогічних інновацій у середній фізичній освіті
визначається ефективністю і системністю використання джерел ідей
розвитку дидактики фізики, до яких можна віднести нові інформаційні
технології, зокрема імітаційне комп’ютерне моделювання, машинний
експеримент. Застосування ЕОМ у навчанні фізики розкриває новi
можливостi: вивчення процесiв у динамiцi за рахунок одержання серiї
миттєвих значень фiзичних величин, графiчна iнтерпретацiя законiв фiзики
в процесi виконання експерименту.

Одним з напрямків удосконалення навчального процеса з фізики є
застосування iмiтацiйного експерименту (ІЕ). “IЕ представляє собою
вiдтворення в мультиплiкацiї реальних процесiв, що спостерiгаються i
явищ з параметрами реального (матерiального, натурного) експерименту.
Процес (iмiтацiї руху, звука, цифрової iнформацiї, змiни кольору,
насиченостi кольору i т.iн.) проходить вiдповiдно до заданих оператором
(учителем, учнем)) параметрiв, що оператор вибирає на свiй розсуд,
працюючи з комп’ютером у дiалоговому режимi” (1, 6).

Звернемося тепер до методики застосування IЕ

Застосування IЕ в процесі вивчення явища (понять, законів, фізичних
величин, приладів) дозволяє учням виділити істотне в матеріалі достатньо
наочними засобами. При цьому можливий як демонстраційний, так і
лабораторний варіант реалізації поставлених перед навчанням цілей. У
лабораторному варіанті здійснюється оперативний зворотний зв’язок, що
забезпечує можливість кожному учню працювати в своєму темпі, розвивати
пізнавальний хист згідно своїх можливостей. У будь-якому випадку IЕ
дозволяє створювати проблемні ситуації і сприяти їх рішенню.

Утворення проблемної ситуації, у тому числі і на основі IЕ, є одним із
стимулів мислення. «Мислити людина починає тоді, — підкреслює С.Л.
Рубiнштейн, — коли у неї з’являється потреба щось зрозуміти. Мислення
починається з проблеми чи питання, з подиву чи нерозуміння, із
суперечності…. Джерелом творчого мислення слугує проблемна ситуація,
тобто конфлікт між тим, що дано, і тим, що необхідно досягти» (3, 257).
У процесі рішення проблемної ситуації ведеться міркування — це перш за
все перевірка і доказ гіпотез. Уміння розмірковувати гіпотетично і
розглядати своє судження як гіпотезу, що потребує ще перевірки, складає
найбільш показову особливість зрілої мислi, — стверджує С.Л. Рубiнштейн.

Гіпотезі передує проблемна ситуація, що може створюватися на основі
фізичного експерименту (не є виключенням й інші форми). Рішення
проблемної ситуації переслідує цілі:

1. Розуміння сутності явища.

2. Установлення нових закономірностей і нових властивостей об’єкту.

3. Підтвердження чи спростування вдосконалень з результату, що
планується.

4. Дослідження поводження системи при варіюванні параметрів.

5. Оцінка умов, при яких можна знехтувати значеннями деяких фізичних
величин чи їх похибками.

6. Виділення нових проблем.

Розглянемо на конкретних прикладах, як практично можна створити
проблемні ситуації на основі iмiтаційного експерименту.

I. Уяснення сутності явища розглянемо на прикладі вивчення дифракції
світла. Із властивості прямолінійного поширення світла витікає, що за
непрозорими тілами утворяться різко виражені тіні, що повторюють контури
предметів, а за щілинами — їх чіткі контури. В обох випадках область
тіні різко відділяється від освітленої частини. Ставиться навчальна
проблема — чи завжди це справедливо. Відповідь одержують внаслідок
постановки серії дослідів з хвилями різної природи. Це можна зробити на
матеріальному експерименті (демонстраційному чи лабораторному). Але
сьогодні ні демонстраційного, ні лабораторного устаткування, що
дозволить оперативно змінювати умови експерименту не існує. Цих
недоліків позбавлений IЕ, що дозволить, наприклад, проілюструвати
розповсюдження хвильового фронту з часом і одразу видати графічну
iнтерпретацію розподілу інтенсивності хвилі після проходження через
перепону, а, що найголовніше, в програмі здійснений єдиний підхід до
вивчення хвильових процесів різноманітної природи. Внаслідок зміни
довжини хвилі, розмірів перешкоди і відстані від перешкоди до екрану, за
результатами дослідів легко визначити, що явище дифракції має місце
завжди, незалежно від того, чи будуть об’єкти дифракції великими чи
малими. Величина дифракційного ефекту, тобто величина відхилення від
законів геометричної оптики, і, зокрема, від закону прямолінійного
поширення світла, залежить від співвідношення трьох величин: розмірів
перешкод, довжини хвилі, відстані від перешкоди до місця спостереження
дифракційної картини.

Сказане легко продемонструвати на прикладі iмiтаційної комп’ютерної
моделі «Дифракція Френеля на щілині».

Дана підпрограма моделює дифракцію плоских хвиль на нескінченно довгій
щілині. Дифракційна картина, що спостерігається залежить, від довжини
хвилі, що падає, відстані до точки спостереження, розмірів щілини. Всі
ці величини є вхідними параметрами і можуть змінюватися при роботі.
Одиниці виміру всіх параметрів відносні. Внаслідок виконання програми на
екрані дисплея з’являється iнтерференційна картина і графік розподілу
інтенсивності світла в площині спостереження.

Верхнє горизонтальне меню включає наступні пункти: довжина хвилі L (() ,
розмір щілини S, масштаб М, відстань від щілини до екрану Е.

Нижнє меню містить розділи: Help, назва демонстрації, значення
інтенсивності хвилі в даній точці поля з вказівкою координат.

Після натиску клавіші «1» починається робота програми. На щілину падає
плоска хвиля з обраною довжиною хвилі (рис. 1). У середній частині
хвильової картини, за щілиною, фронт хвилі має вид концентричних кіл,
створюючи враження кругових хвиль, що виходять від країв щілини. Це
означає, що після проходження через щілину хвилі не тільки
розповсюджуються в попередньому напрямку, вони також віджиляються і це
явище називається дифракцією.

TK

 (рис. 4). Тут викривлення сходить нанівець біля крайніх прямолінійних
«променів», тобто перпендикулярів до фронту, що проходить через краї
щілини. Таким чином, тут утворяться майже різкі краї тіні. Якщо зберегти
ширину щілини S, то подальше зменшення ( робить тінь ще більш різкою.

Можна також залишити довжину хвилі сталою і змінювати ширину щілини S;
тоді виявляється, що міра викривлення фронту хвиль, що пройшли, залежить
не від S або ( окремо, а від відношення (/S.

 

Рис 1. Дифракційна картина поширення світла при параметрах L=60, S=60
(відносних одиниць).

Таким чином, хвилі «сильно дифрагують», проходячи через щілини, розміри
яких сумірні з довжиною хвилі; в випадках, коли довжина хвилі дуже мала
у порівнянні з розмірами щілини, дифракція виявлена дуже слабко.

Після демонстрації учням необхідно пояснити сутьність явища, що
спостерігається. Це можна зробити використовуючи, метод Гюйгенса-Френеля
або метод Юнга.

Одержані висновки перевіряються матеріальним експериментом, поставленим
у будь-якому варіанті.

Даний приклад iлюструє роль IЕ в рішенні проблеми.

II. Визначення нових закономірностей і нових властивостей об’єкта

Проілюструємо це на прикладі вивчення дифракції світла на двох щілинах
(дослід Юнга).

Дослід Юнга ставиться з двома малими отворами, одержаними в екрані
проколами. Для збільшення інтенсивності світла в максимумах дифракційної
картини дослід Юнга в шкільній практиці ставиться з двома вузькими
щілинами. Вузькі щілини наносять на засвітлену і проявлену фотопластинку
(негатив). За допомогою такої пластинки корисно провести індивідуальні
спостереження дифракції від подвійної щілини. Припускається, що учні не
знають, від чого залежить дифракційна картина від двох щілин. Після
реальної демонстрації учителем чи проведення фронтального досліду, учням
пропонується перейти до IЕ, ввести дані за своїм розсудом і спостерігати
за iнтерференційною картиною дифрагуючих променів на екрані. Зміна
вхідних параметрів (довжини хвилі, розміру щілин, відстані між щілинами,
відстані від щілин до точки спостереження, масштаб) забезпечує утворення
проблемної ситуації і сприяє її рішенню.

 

Рис. 2 Дифракційна картина поширення світла при параметрах L=30, S=50
(відносних одиниць).

 

Рис. 3 Дифракційна картина поширення світла при параметрах L=15, S=50
(відносних одиниць).

 

Рис. 4 Дифракційна картина поширення світла при параметрах L=5, S=50
(відносних одиниць).

III. Підтверження або спростування стверджень за запланованим
результатом.

Це можна продемонструвати на прикладі появи плями Пуассона, тобто
існування світлої плями в області геометричної тіні.

Перед учнями ставиться проблема, що буде спостерігатися на екрані при
дифракції світла від перепони (круглого екрану чи тонкої нитки).

При виконанні реального експерименту виникає трудність, яка полягає в
тому, що джерело світла повинно бути одночасно точковим і достатньо
потужним. Відстань від кульки радіусом 1 см до джерела світла й екрану,
на якому спостерігається тінь від неї, слід установити приблизно 10 м.

IЕ дозволяє швидко і коректно виконати дослід і вирішити проблему. Зміна
вхідних параметрів (довжини хвилі, розміру перепони, відстані від
перепони до точки спостереження, масштабу) у ході виконання дослідів
призводить до висновку, що для спостереження світлої плями в області
геометричної тіні необхідно, щоб розміри непрозорого екрану були
порівнювані з розмірами першої зони Френеля, а розміри нерівностей на
краю його поверхні не перевищували довжини світлової хвилі.

Аналізуючи приклад шодо підтвердженню чи спростуванню зтверджень, легко
спостерігати, що в разі спростування виникає проблемна ситуація, що
стосується неврахованих фактів, тобто здійснюється постановка нової
проблеми. Нова проблема може стосуватися не тільки вивчення чинників у
рамках теорії, що розглядається, але і призводить до суперечності з
вивченню теорією.

IV. Вивчення поводження системи при варіюванні параметрів

Проілюструємо цей підхід на основі комп’ютерної моделі досліда з
біпризмою Френеля (рис. 5). У даному випадку можливі два варіанти.
Перший полягає в тому, що після демонстрації матеріального експерименту
переходять до IЕ з метою з’ясування, від яких параметрів і як (якісно)
залежить iнтерференційна картина. Після цього переходять до рис.5 і
послідовно одержують графічні й аналітичні закономірності. Один із
розрахункових випадків знову підтверджується на матеріальному
експерименті.

У другому варіанті від матеріального експерименту переходять до

рис. 6. Одержують аналітичні закономірності і переходять до варіювання
параметрів в IЕ за рис. 6 (відстані від джерела світла до бiпризми, від
бiпризми до екрану). Для підтвердження істинності висновків звертаються
до матеріального експерименту.

У будь-якому варіанті аналізується ситуація з метою відповіді на
питання: при якому співвідношенні параметрів iнтерференційна картина
спостерігається, а при якому — відсутня (чому), як і чому в залежності
від змінюваних праметрів ширина iнтерференційних смуг і їх число. Аналіз
ведеться на аналітичному і графічному рівнях, а перевірка — за допомогою
IЕ. При цьому можливий подвійний підхід: від IЕ до аналітичного і
графічного аналізу і навпаки.

Дослідження поводження системи при варіюванні параметрів можна проводити
і на якісному рівні. Так, в умовах за рис. 6 результати iлюструють
графіком, що дозволяє усвідомити суттєвість явища на достатньо високому
рівні.

 

Рис. 5 Дослід з біпризмою Френеля

Таким чином, ЕОМ можуть застосовуватися не тiльки для математичних
розрахункiв, чи у виглядi довiдника для одержання iнформацiї, але також
i для моделювання фізичних явищ, з метою надання засобами комп’ютерної
графiки наочностi, а також доступностi в розумiннi складних фізичних
процесів.

Рис. 6 Вид інтерференційних картин у досліді з біпризмою Френеля при
зміні параметрів

При поєднаннi всiх цих прийомiв з елементами самоконтролю, одержуємо
хорошу пiдличу для вчителя в поясненнi складних для розумiння тем.

На основі імітаційного копм`ютерного моделювання нами розроблен
програмно-методичний комплекс, призначений для: 1) одержання теоретичної
iнформацiї; 2) iлюстрацiї явищ, процесiв, що описуються; 3) моделювання
фізичних явищ; 4) проведення iмiтацiйного комп’ютерного експерименту; 5)
самоконтроля за засвоєнням даного матерiалу; 6) виводу текстової
iнформацiї на друкуючий пристрiй, для подальшого вивчення окремих питань
за межами комп’ютерного класу.

 

Література

Анциферов Л.И. ЭВМ в обучении физике: Учебное пособие. Курск: Из-во
КГПИ, 1991. — 181 с.

Жук Ю.О. Використання засобів нових інформаційних технологій у
навчальній дослідницькій діяльності // Фізика та астрономія в школі. —
1997. — NN 1, 3. — С. 4-7.

Рубинштейн С.Л. Проблемы общей психологии. — М.: Педагогика, 1973.-
423с.

Похожие записи