ZAA1WKftoT

лый экспериментатор: в начале работы сочиняет и пробует разные ее варианты. Во-вторых, учащийся чувствует ответственность за свои результаты эксперимента, критически оценивает каждый свой шаг и готов быстро реагировать на складывающуюся в эксперименте ситуацию, включая уточнение, а при необходимости, даже изменяя ход эксперимента. Все это развивает у него необходимые навыки исследовательской работы.

Следующий этап состоит в анализе и интерпретации результатов эксперимента. Компьютерное моделирование может позволить проанализировать поведение изучаемого явления при любых, в том числе недоступ-

ных для натурного эксперимента условиях.

Предлагаемая технология проведения лабораторных занятий на основе профессиональных компьютерных программ представляется эф-

фективной с точки зрения системных изменений обучения физике на основе использования современных технологий обучения. Возможности использования всех форм научного исследования – натурного и компьютерного эксперимента, физического и математического моделирования, вычислительного эксперимента; непрерывное сравнение результатов эксперимента и теории, видение практического значения получаемых результа-

тов дают широкое поле для реализации потенциала личности.

Переходя к отбору материала для проведения лабораторных занятий на основе профессиональных компьютерных программ, отметим, что он

определяется целесообразностью выполнения заданий в рамках школьного физического образования. Содержание заданий должно включать в себя, как исследовательские задания, отвечающие главным образом на вопрос «почему?», так и конструкторские задания, направленные на решение вопроса «как сделать?»

Развивающее обучение при выполнении экспериментальных лабораторных исследований должно проявляться в достижении полной самостоятельности учащегося в ходе их выполнения: от постановки задачи – до интерпретации результатов. Понимая, что достичь этого могут не все учащиеся, но, учитывая необходимость удовлетворения образовательных потребностей всех, целесообразно предлагать учащимся, наряду с инвариантными исследованиями, и вариативные, включающие в себя творческие разноуровневые задания.

3.4.3. Методика обучения выполнению исследовательских заданий на основе профессиональной компьютерной программы Electronic Workbench

На конкретных примерах, разработанных автором и учителями, рассмотрим использование виртуальных моделей во время урока физики при

изучении процессов в электрических цепях постоянного и синусоидального токов на компьютерных моделях.

120

I. Использование компьютерной программы Electronic Workbench

при изучение темы «Последовательное и параллельное соединение проводников» в основной школе.

Исследовательское задание формулировалось на основе следующей задачи: «Почему если перегорит одна лампа в елочной гирлянде дома, то

вся гирлянда гаснет, если такое случается на городской елке, то все остальные лампы в гирлянде продолжают светиться?»

Формулировка задания в такой форме представляет собой определенную практико-ориентированную задачу, интересную для учащихся. Ее значение определяется широким использованием последовательного и параллельного соединения потребителей электрической энергии. Постановка задачи в виде проблемы направляет всю исследовательскую работу учащихся по ее решению.

Вместе с тем формулировка задачи позволяет выявить физические аспекты исследования. Так как вопрос задан, то учащиеся начинают выдвигать различные предположения о соединении этих ламп. Учителю необходимо обратить внимание учащихся на тот факт, что при различных соединениях одинаковых потребителей энергии, значения силы тока и напряжения не являются однозначными. В результате формулируется задача экспериментального исследования: «Установить зависимость между основными параметрами электрической цепи – между I, U, R, при различных соединениях проводников».

На следующем этапе учащейся решает, какую электрическую цепь необходимо собрать, чтобы провести исследование, то есть перейти от

«словесного кода» физической задачи к ее «графическому коду».

1. Начинается исследование последовательного соединения проводников. Учащиеся планируют эксперимент под руководством учителя. Ставится вопрос: Какие приборы и как необходимо включить в электрическую цепь, чтобы измерить силу тока на различных участках цепи?

Учащимся предлагается пересесть за компьютеры и в среде Workbench, которая предварительно установлена и которая им знакома, собрать электрическую схему, которую они предложили. Учащиеся собирают цепь, состоящую из источника постоянного тока, двух/трех проводников и двух/трех амперметров включенных последовательно. Данная программа позволяет устанавливать различные значения напряжения источника тока и выбирать параметры элементов цепи. Просим учащихся сделать вывод о значении силы тока на разных участках цепи и записать его в тетрадь (I1 = I2 = I3). Обсуждается явление, что произойдет, если перегорит одна из ламп, включенных последовательно.

Далее учитель ставит проблему, какие изменения нужно внести в схему, чтобы установить соотношение между напряжениями на участках цепи и напряжением на источнике тока. После обсуждения гипотез принимается решение: учащиеся включают в схему четыре вольтметра (парал-

121

лельно каждому из трех сопротивлений и параллельно трем сопротивлениям), сравнивают показания и приходят к выводу: U = U1 + U2 + U3. Обсуждается практическая направленность полученной зависимости. Предлагается задача: Рассчитайте, из какого количества электрических ламп, рассчитанных на напряжение 12 В каждая, и включенных последовательно, можно составить елочную гирлянду, чтобы включить ее в сеть под напряжение 220 В.

Переход к следующему исследованию (определению зависимости U от R) усложнен тем, что учащиеся еще не обладают знаниями, чтобы высказать предположение о данной зависимости. Поэтому для определения зависимости напряжения на участке цепи от сопротивления этого участка, учитель предлагает задание: установите следующие значения резисторов – 10 Ом, 80 Ом и 20 Ом, напряжение на источнике тока – 220 В. На каких резисторах будут самое большое и самое маленькое напряжение? Результаты оформите в таблицу (табл. 3.9) и на основе табличных данных сделайте предположение о зависимости между напряжением U на участке цепи и значением сопротивления R этого участка (U1/ U2 = R1/ R2).

Таблица 3.9

Далее предлагается выбрать произвольные значения R и проследить, как в зависимости от значения сопротивления участка изменяется напряжение на нем. Обсуждая полученные результаты с учащимися, учитель обращает их внимание на физический смысл полученной зависимости и на практическую направленность результатов на примере работы потенциометра.

Следующее исследование: установить соотношение между сопротивлением всего участка внешней цепи и суммой сопротивлений отдельных участков. Предлагается подумать над реконструкцией исходной схемы, чтобы в ней оставить один вольтметр и включить его так, чтобы он измерял напряжение на трех резисторах. Направляющие вопросы: Как по показаниям вольтметра и амперметра определить общее сопротивление резисторов? Чему оно равно? По схеме определите R1 + R2 + R3 .Установите соотношение между R1 + R2 + R3 и R. Запишите вывод в тетрадь.

Следующий этап: анализ и интерпретация результатов эксперимента, происходит через повторение всех выводов, которые называют правилами последовательного соединения проводников и проведение самостоятельных мини исследований (по выбору). Например, таких: а) Что необходимо изменить на участке цепи, чтобы включенный параллельно ему вольтметр показал

122

уменьшение напряжения? б) Что необходимо изменить на участке цепи, чтобы включенный последовательно с ним амперметр показал уменьшение тока? И др.

Данная работа учащимися выполняется с интересом, как игра. При соединении приборов достаточно курсором показать кратчайший путь, как появляется красиво оформленная схема. Интересно включить в схему предохранитель, если происходит короткое замыкание, то предохранитель перегорает и тогда учащиеся должны изменить входное напряжение или параметры предохранителя.

В разобранном примере учитель в определенной мере направляет исследовательскую деятельность учащихся. Однако учащиеся, ориентированные на дальнейшее углубленное изучение физики, способны занимать более активную позицию в процессе своего обучения с помощью компьютерных программ. Таким учащимся достаточно лишь объяснить общую

проблему, и они сами выдвигают гипотезы, проверяют их и делают выводы. Таким образом, обучение становится ориентированным на школьника.

2. Следующую часть исследования – параллельное соединение проводников, учащиеся способны выполнить самостоятельно. Но незначительная направляющая роль учителя необходима. Так для определения эквивалентного сопротивления разветвленной ветви, учитель сначала подводит учащихся к понятию проводимости отдельной и всей ветви (1/R). Это облегчает вывод соотношения: 1/Rэкв. = 1/R1 + 1/R2.

При анализе результатов исследования обращалось внимание учащихся, что полученные выводы являются правилами параллельного соединения проводников. В конце урока учитель возвращал учащихся к первоначальной задаче-проблеме и просил пояснить ее решение.

Учащимся предлагается выполнить индивидуальные домашние исследования с использованием компьютерной программы Electronic Workbench:

Задание 1. Составьте схему квартирной проводки. Включая различные потребители (параметры приборов взять из справочника), проследите как меняется сила тока в цепи.

Задание 2. Проделайте компьютерный эксперимент доказывающий, почему не рекомендуется включать в одну розетку несколько электропри-

боров большой мощности.

Задание 3. Составьте схему вашей квартирной проводки и определите, при каком включении приборов перегорят пробки.

Работая дома с данной программой, учащиеся не только закрепляют полученные знания, но и происходит опережающее обучение: они знакомятся с понятием – мощность, так как в справочниках указывается именно

этот физический параметр.

II. Использование компьютерной программы Electronic Workbench

при изучении темы «Резонанс напряжений в цепи переменного тока» в

123

профильной школе.

Исследовательское задание формулируется следующим образом: На

компьютерной модели учащимся необходимо разработать вариант демонстрационного эксперимента резонанса напряжений в цепи переменного тока, который можно продемонстрировать на уроке с помощью типового школьного оборудования.

Исследование проводится по следующим этапам.

А. Виртуальное компьютерное моделирование Учитель предлагает учащимся вместе смоделировать наиболее оп-

тимальные условия проведения демонстрационного эксперимента. Учащимся необходимо составить рабочую схему. Сообщается один из возможных вариантов комплектации эксперимента: регулятор напряжения, дроссельная катушка, батарея конденсаторов на 58 мкФ, демонстрационные вольтметры и амперметр. Если дроссельную катушку использовать без сердечника, то, при выборе обмотки с 3 600 витками, ее индуктивность составит 1 Гн, а активное сопротивление 44 Ома. Задав на компьютерной модели эти параметры катушки, учитель и учащиеся выбирают модель конденсатора переменной емкости с максимальным значением 58 мкФ и шагом ее изменения 1%, при напряжении источника синусоидального тока 100 В.

Далее организуется поиск новых знаний: учащиеся активируют режим анализа и, пошагово уменьшая емкость конденсатора, останавливают изменение емкости конденсатора при достижении максимального значения тока. Результат работы программы показан на рис. 3.7.

При анализе работы схемы возникают вопросы:

1.Резонанс в исследуемой виртуальной цепи возник при емкости 17% от ее максимального значения 58 мкФ, т.е. для получения резонанса в цепь нужно включить конденсатор емкостью 9,86 мкФ. Как получить такую емкость, если школьная конденсаторная батарея позволяет изменять емкость ступенями 0,5 мкФ, 1 мкФ, 2 мкФ, 4 мкФ, 8 мкФ, 16 мкФ, 32 мкФ, 58 мкФ? (Используя две конденсаторные батареи можно получить емкость 10 мкФ.) Промоделировав работу виртуальной цепи с таким значением емкости конденсатора, учащиеся убеждаются, что режим очень близок к резонансу: ток в цепи снизился до значения 2,248 А, напряжение на емкости – до 706,3 В, на катушке – до 722,2 В.

124

дополнены пунктом: исследовать на компьютерной модели режим работы цепи, рассматриваемый в задаче.

Кроме программы Electronic Workbench существуют и другие профессиональные компьютерные программы. С помощью пакета Adams моделируют кинематические схемы механизмов и поведение статических конструкций, пакеты MicroCap, DesignLab и др. позволяют моделировать электрические и электронные устройства. Эти пакеты, в отличие от реальной лабораторной установки, если не знакомы, то близки современным учащимся. Интерфейсы практически у всех систем компьютерного моделирования построены по единому образцу, и освоиться с новым продуктом, имея опыт школьной информатики, не составляет труда.

Во время выполнения лабораторной работы в физической лаборатории ученик лишь проверяет полученные результаты по виртуальному моделированию на натурном объекте, который остается ключевым звеном,

кульминацией деятельности ученика.

Все учителя, работающие с пакетом Electronic Workbench, положительно оценили работу учащихся по данной программе и отметили следующие ее достоинства: визуализацию процессов – ученик наглядно видит моделируемые процессы; интерактивность – обучаемый может изменять параметры модели и наглядно видеть результаты действий; избирательность – изменению доступны только основные параметры элементов, поэтому школьник избавлен от несущественной информации. Кроме того, с помощью компьютерных программ возможно:

−формирование у учащихся навыков самостоятельного экспериментирования на основе организации поиска новых знаний;

−организация личностно-ориентированного обучения;

−формирование методологического подхода при усвоении учебного материала: учителю достаточно лишь объяснить общую проблему, наиболее сильные учащиеся сами выдвигают гипотезы, проверяют их, выбирают наиболее оптимальные условия проведения демонстрационного эксперимента, делают выводы;

−развитие информационной компетентности учащихся.

Сочетание исследовательских и информационных технологий позволяет так организовать учебный процесс с использованием практикоориентированных задач, что они становятся средством формирования новых знаний и развития личности учащегося через учебный предмет.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ

В третьей главе показано, что основными направлениями изменения процесса обучения физике в информационном обществе должно стать:

•изменение содержания физического образования на основе демонстрации его практической ценности;

•широкое применение проектных и информационных технологий, по-

128

зволяющих организовать учебный процесс ориентированный не на получение учащимися знаний и умений в готовом виде, а на самостоятельное их добывание, способствующее формированию личности. Определено, что основными компонентами содержания физического

образования, повышающими качество знаний учащихся, должны стать:

•практико-ориентированные задачи, которые показывают применение и проявление изучаемых явлений в природе, в быту, технике, производстве; развивают мышление учащихся, при решении которых, организуются различные способы деятельности;

•система методологических знаний, формирующая процесс добывания знаний;

•медиаобразование, основанное на включение в структуру уроков физики современных мультимедийных и телекоммуникационных средств, а также обеспечивающее новый подход к изучению традиционных вопросов, обучение современным способам получения, обработки и обмена информацией и др.

Построена модель изменения содержания физического образования,

которая показывает, что эти изменения будут результативны через введение в содержание практико-ориентированных задач. Разработана структура деятельности учителя и учащихся при модернизации содержания физического образования.

В главе показано, что изменение содержания физического образования на основе решения практико-ориентированных задач и использования методологического подхода при их решении требует широкого применения технологий проектного и развивающего обучения; деятельностного подхода к обучению физике. Изменение содержания физического образо-

вания на основе более широкого использования медиаобразования требует использования компьютерных технологий, отличающихся от других тех-

нологий тем, что позволяют достичь и учителю и учащемуся более высокой степени информирования при экономии времени и усилий; использования сети Интернет, где накоплен огромный запас информации по различным современным аспектам школьного курса физики; использования

проектных технологий.

Рассмотрены возможности проектной технологии. Разработаны принципы организации проектной деятельности на уроках физики. Выделены основные задачи образовательного проекта, показаны основные направления организации работы по проектному заданию, определены функции учителя. Разработана методика работы над проектом, которая объединяет деятельность учителя и учащихся, примерная тематика проектов для ос-

новной и старшей школы. Разобраны примеры проектов.

В главе показана возможность современных компьютерных технологий для совершенствования процесса обучения физике. Реализация расширения возможностей для развития самостоятельного исследовательского

129