Архив Галактики

Реализация проекта 1 -1 в преподавании физики и астрономии

lev39's blog / 06.11.2012

Пигалицын Л.В., Народный учитель РФ, учитель физики и астрономии МОУ СОШ № 2 г.Дзержинска Нижегородской области

В связи с тем, что число обязательных предметов включили проектную деятельность учащихся, возникла проблема подготовки учащихся к такому виду деятельности. Поскольку проектная деятельность ориентирована на 10 и 11 классы, то на мой взгляд, подготовка учащихся к такой деятельности должна начинаться гораздо раньше, по крайней мере, с 5-6 классов. Так, например, в США по законам штата Невада исследовательская деятельность школьников начинается с первого класса, а в штате Калифорния – с четвертого класса.

В России небольшая часть наиболее одаренных учащихся начинает активную исследовательскую деятельность в научных обществах учащихся ( НОУ), в школьных кружках и т.д. А как же быть с остальной, основной частью учащихся? Ведь в настоящее время учащиеся средней общеобразовательной школы должны обладать не только определенной суммой знаний, умений и навыков, но и иметь богатый внутренний потенциал способствующий самоактуализации, самообразованию в процессе учебной деятельности. В связи с этим основной задачей, стоящей перед учителем в средней общеобразовательной школе, является создание психолого-педагогических условий для развития мотивации учебной деятельности.

Проблема мотивации учащихся содержит большие резервы в плане поиска эффективных методов обучения школьников, наиболее совершенных способов формирования навыков и умений, повышения их интеллектуальной активности, более оперативной ориентации в широком информационном поле. С этой целью учителям необходимо проводить уроки таким образом, чтобы они были не только развивающими и обучающими, но и способствовали выработке умений и навыков для проведения учебно-исследовательской и проектной деятельности.

В нашей школе компьютеры для образовательных целей нашли наибольшее применение на уроках физики и астрономии. Разработанная методика применения компьютерных средств обучения в преподавании физики и астрономии органично вписывается в реализацию проекта «1 ученик - 1 компьютер».

Физика – наука экспериментальная, поэтому основной акцент будет сделан на применение в модели «1 ученик - 1 компьютер» компьютерного эксперимента, как виртуального, использующего учебные компьютерные программы и интерактивные курсы, так и реального, в котором могут быть применены цифровые компьютерные лаборатории.

Рассмотрим основные направления применения ПК в школьном курсе физики в модели 1 – 1.



Во время объяснения учебного материала учителю часто приходится рассказывать об устройстве различных физических приборов, делать графические иллюстрации различных зависимостей физических величин и т.д. Если использовать только «тряпочную» технологию, то уже после нескольких минут объяснения можно заметить, что у части ребят в классе глазки становятся тусклыми, интерес к изучению данной 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, видеофайлы, компьютерные презентации и т.д. мотивация учащихся к изучению данного предмета резко усиливается.

Большую помощь при этом могут оказать компьютерные программы, позволяющие оперативно продемонстрировать необходимый эксперимент на компьютере, смоделировать изучаемый процесс, построить графики изменяющихся величин во время компьютерного эксперимента и т. д. Это могут быть или самостоятельные программы, или фрагменты из других программ по изучаемой теме.

Такие программы-помощники учителя я разделил на следующие типы:
1. Демонстрационный компьютерный эксперимент,
2. Моделирующий компьютерный эксперимент.
3. Графический компьютерный эксперимент.
4. Вычислительный компьютерный эксперимент.
5. Экспериментальные видео-задачи.



Программы для демонстрационного компьютерного эксперимента позволяют демонстрировать различные физические явления, выяснять устройство и принцип действия приборов, машин и различных устройств. Такие программы являются первым шагом для ученика, изучающего данное физическое явление. В демонстрационном компьютерном эксперименте ученику представляется впервые реальная возможность зрительно познакомиться с изучаемым физическим явлением. Здесь еще нет элементов исследования, изменения параметров физических величин, моделирования различных ситуаций – это все будет потом в других видах физического компьютерного эксперимента. А сейчас надо увлечь ученика, или, говоря высоким стилем, усилить его мотивацию. В связи с этим к демонстрационным программам предъявляются серьезные требования: они должны быть педагогически целесообразными, выразительными, интересными и доступными как для слабых, так и для сильных учащихся.

Надо сказать, что и сейчас учащиеся с удовольствием пишут самые разные несложные, в том числе и демонстрационные, программы на Бейсике, на Паскале или на Дельфи. Наиболее удачные программы я использую на уроках или внеурочных занятиях.

В последнее время выпускается относительно много компьютерных физических энциклопедий, интерактивных курсов по физике и т.д., то есть появилась возможность использовать различные типы компьютерных физических экспериментов из этих источников, тем более, что многие из них выполнены на высоком графическом и методическом уровне.
В качестве примеров рассмотрим некоторые программах по демонстрационному компьютерному эксперименту, охватывающие разные разделы школьного курса физики.



1. Определение цены деления прибора. В любом эксперименте требуется производить измерения различных физических величин.
От точности измерений, как известно, зависит конечный результат исследования физического процесса. В связи с этим, очень важно научить учеников правильно определять цену деления измерительного прибора. Как показывает опыт преподавания физики в младших ( 7 – 8) классах, учащиеся очень часто испытывают трудности в определении цены деления измерительного прибора. В результате измеряемая величина определяется неверно.



На диске «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия». Физика 8 класс» есть демонстрационная программа, которая поможет учащимся научиться определять цену деления и значение измеряемой величины, в данном случае – цену деления и объема жидкости в мензурке.
На рисунке показан фрагмент этой демонстрационной программы. Запустить эту программу можно без установки Виртуальной школы, достаточно установить только вспомогательные плагины (программы) для воспроизведения анимаций, которые находятся на диске Виртуальной школы.

2. «Рычажные весы» из мультимедийного пособия «Вся физика» фирмы «Руссобит из серии «Руссобит-педагог» является, на мой взгляд, весьма полезной программой по демонстрационному компьютерному эксперименту. Эта программа позволяет познакомить учащихся с устройством и принципом действия рычажных весов и правилами взвешивания. С помощью этой программы можно познакомить учащихся с правилами взвешивания и провести компьютерный эксперимент по взвешиванию яблока, кольца и спички. Разновесы выбираются из ящика с помощью пинцета, которым управляют мышью.



3. Ньютонова гора. При изучении физики космических полетов и космических скоростей может быть полезной демонстрационная программа «Ньютонова гора» из сборника компьютерных лабораторных работ «Лабораторные работы 10 класс "Дрофа", Квазар-микро». Как видно из рисунка, на рабочем столе компьютера изображена планета Земля, а на ней гора, которую физики назвали «Ньютоновой горой», поскольку впервые подобный рисунок был опубликован в книге Ньютона «Математические начала натуральной философии». В данной программе можно демонстрировать движения тел, брошенных горизонтально с разными скоростями. В правом верхнем углу расположено окно, в котором можно изменять начальную скорость тела. Она выражается и в км/с и в км/час. Выбор скорости определяется положением движка. После выбора скорости нажимаем на кнопку «Старт» и тело начинает двигаться. При движении тела вычерчивается и его траектория движения. Выбирая различные начальные скорости, можно выяснить характер траектории движения тела в гравитационном поле Земли. Определив из данного компьютерного эксперимента начальную скорость, при которой движется по окружности, можно приступить к выводу формулы первой космической скорости.




Движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах.


В 7 классе школьники только начинают изучать физику и поэтому наряду с натурным физическим экспериментом, компьютерные образовательные технологии помогут учителю повысить мотивацию учеников к изучению предмета. При изучении строения вещества наглядность имеет особенно важное значение, но посмотреть, например, как расположены молекулы в веществе и каков характер их движения на опытах невозможно. И вот здесь учителю поможет компьютерная программа «Движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах», находящаяся на диске «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия». Физика 5-6 классы». При запуске программы на экране видны: шарик, наполненный газом, колба с жидкостью и металлический кубик, что соответствует трем состояниям вещества. При наведении курсора на одно из этих тел в окне, находящемся в правом верхнем углу, появляется молекулярное строение этого тела и движение молекул. На рисунке показано внутреннее строение жидкости.

Тепловые двигатели. Паровоз.


Это очень занимательная бесплатная демонстрационная программа находится на немецком сайте http://www.k-wz.de. Называется она «Паровая машина». На рабочем столе изображена модель паровоза в разрезе. Учащиеся видят на экране котел и паровую машину с парораспределительным механизмом. После объяснения устройства и принципа действия паровой машины и всего паровоза в целом, нажимаем на кнопку «Старт», и все детали паровой машины приходят в движение. В любой момент анимацию можно остановить, для того, чтобы показать учащимся, что в этот момент происходит в паровой машине. При нажатии на кнопку «GO» из кабины высовывается черномазый машинист и, паровоз, выбрасывая из трубы клубы дыма, начинает двигаться, вызывая восторг у учащихся как 8-х, так и 10-х классов.
Имейте в виду, что описанная программа будет работать только в тех браузерах, в которых есть поддержка пакетов Java. Лучше всего для этой цели подходит браузер «Opera7.2». На этом же сайте находятся демонстрационные программы: «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», «Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания», «Газовые законы» и т.д.

Очень наглядные анимации практически всех тепловых двигателей находятся на сайте http://home.polarcom.ru. На нем представлены: первые эксперименты по тепловым двигателям, паровые машины (Сэвери, Ньюкомена, Уатта), газовые двигатели, двигатели внешнего сгорания (Стирлинга, Стирлинга (альфа)), двигатели внутреннего сгорания (Отто (2-тактный)), Отто (4-тактный), Дизеля, Ванкеля, паровая турбина, газовая турбина и ядерная энергетическая установка.





Устройство и принцип действия электромотора постоянного тока. На немецком сайте сайте http://www.walter-fendt.de/ph14e/hydrostpr.htm есть бесплатная программа «Электромотор» («Direct Current Electrical Motor»). Слева на рисунке изображена рамка в магнитном поле, подключенная с помощью коллектора к источнику электрического тока. Линии магнитной индукции направлены сверху вниз и при данной полярности включения источника тока рамка будет вращаться против часовой стрелки, что полностью согласуется с правилом левой руки. Горизонтальные стрелки изображают сила Ампера, действующие на проводники рамки в магнитном поле. В правой части рисунка находится панель управления программой. При нажатии на кнопку «Reset» рамка останавливается и располагается вертикально. Кнопка «Pause/Resume» служит для запуска вращения рамки и ее остановки в любом положении. Кнопка «Change direction» позволяет изменить полярность источника тока. Ниже находится бегунок, двигая движок которого вправо или влево, можно изменять скорость вращения рамки. Убирая галочки в нижних окошках, можно убрать с экрана стрелки, показывающие направление электрического тока в рамке, линии магнитной индукции и направление силы Ампера. Эта программа позволяет не только продемонстрировать учащимся устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока, но и создавать на уроке интересные проблемные ситуации.

Даже эта небольшая подборка программ по демонстрационному компьютерному эксперименту свидетельствует о том, что подобные программы смогут помочь учителю повысить мотивацию школьников к изучению физики, поскольку такие программы наглядны, красочны и позволяют «…полу-шутя, полу-играя…» познакомиться школьникам со сложными физическими явлениями и их техническими применениями.



Значение моделей в учебном процессе связано с повышением наглядности и научно-теоретического уровня изложения материала, с развитием мышления учащихся. При этом ученик имеет большие возможности для исследовательской, творческой деятельности, что стимулирует развитие его умственных способностей, делает усваиваемые знания глубже и прочнее.

Моделировать в физике можно практически все. На мой взгляд, компьютерное моделирование имеет особое значение в тех случаях, когда невозможно поставить на уроке натурный эксперимент с помощью оборудования, имеющегося в физическом кабинете. Например, движение материальных точек и тел в гравитационных, электрических и магнитных полях, процессы, происходящие в различных состояниях вещества - твердом, жидком, газообразном и в плазме и т.д.



Использование компьютерных моделей позволяет раскрыть существенные связи изучаемого объекта, глубже выявить его закономерности, что, в конечном счете, ведет к лучшему усвоению материала. Ученик может исследовать явление, изменяя параметры, сравнивать полученные результаты, анализировать их, делать выводы. Например, задавая разные значения скорости и ускорения изучить вид движения, изменяя массы взаимодействующих тел и характер их взаимодействия, учащийся может проследить за движением тел после их соударения и т.д.



Мы считаем, что очень важную роль при исследовании физических явлений может сыграть графический компьютерный эксперимент, в котором исследуется зависимость различных физических величин от других на графиках, которые на экране строит компьютерная программа. В механике это может быть исследование зависимости ускорения, скорости, координаты, пройденного пути, импульса, потенциальной и кинетической энергии от времени. Исследование изменения параметров колебательного движения от времени в зависимости от начальной фазы, добротности колебательной системы, резонансные явления и т.д.

В МКТ и термодинамике это может быть исследование максвелловского распределения молекул по скоростям, исследование изо и поли - газовых процессов, исследование циклов тепловых двигателей и т.д. В электростатике это может быть исследование зависимости напряженности или потенциала электрического поля точечного заряда или системы зарядов от расстояния, исследование зависимости емкости плоского конденсатора от его параметров - расстояния между пластинами, площадью пластин и диэлектрической проницаемости диэлектрика и т.д. В темах постоянный ток и ток в средах это может быть исследование ВАХ металлов, полупроводников, вакуума, электролитов и газов.
Очень популярными у учащихся являются программы по механике, термодинамике и по току в средах. Хорошие графические исследования есть в компьютерной энциклопедии «Открытая физика».



Вычислительный компьютерный эксперимент служит мостом между лабораторным экспериментом и теоретическими моделями. Отправным пунктом численного моделирования является разработка идеализированной модели рассматриваемой физической системы. Для реализации вычислительного эксперимента мы с учениками создали несколько программ по исследованию содержимого электрического "Черного ящика". В нем могут находиться резисторы, лампочки накаливания, диоды, конденсаторы, катушки и т. д. Оказывается, в некоторых случаях можно, не вскрывая "черного ящика", узнать его содержимое, подключая к входу и выходу различные устройства. Разумеется, на школьном уровне, это можно сделать для несложного трех или четырех-полюсника. Такие задачи развивают воображение учащихся, пространственное мышление и творческие способности, не говоря о том, что они должны иметь глубокие и прочные знания по тому разделу физики, к которому относится "черный ящик". Поэтому, совсем не случайно, на многих Всесоюзных и международных олимпиадах по физики в качестве задач предлагалось исследование "черных ящиков".
Я провожу 3 реальных лабораторных работы по "черным ящикам" :
1. В «Черном ящике» находятся только резисторы.
2. В «Черном ящике» находятся резисторы, лампы накаливания и диоды.
3. В «Черном ящике» находятся резисторы, конденсаторы, катушки, трансформаторы и колебательные контуры.
Исследования "Черных ящиков" учениками проводятся с помощью приборов - авометров, генераторов, осциллографов и т.д. Показания приборов учащиеся вводят в компьютер, который обрабатывает результаты и строит ВАХ и АЧХ . Это позволяет учащимся выяснить, какие детали находится в "Черном ящике" и определить их параметры. При нехватке генераторов и осциллографов для снятия частотных характеристик используем компьютерные виртуальные приборы. Кроме этого мы исследуем и виртуальные "Черные ящики". Для этого ученики написали несколько компьютерных программ по исследованию "Черных ящиков". Достоинством этих программ является то, что исследования можно проводить одновременно всем классом, тогда как проведение исследований реальных "черных ящиков" с диодами, конденсаторами и катушками - это невозможно, так как для этого необходимо 15 осциллографов, 15 звуковых генераторов и т.д., т.е. 15 комплектов дорогостоящего оборудования, которым большинство школ не располагает.



Компьютерные (виртуальные) лаборатории являются учебным средством 21-го века. Теперь можно выполнять эксперименты в домашних условиях на компьютере. Освоение учебного материала происходит намного быстрее. Никакое количество решенных задач по физике не может заменить экспериментальных исследований. На наших виртуальных лабораторных стендах можно выполнять эксперименты по изучению законов Ома и Кирхгофа, изучать явление резонанса в электрических цепях переменного тока, изучать явление электромагнитной индукции, и полупроводниковые приборы: разные диоды и транзисторы.

Изучение теоретического материала также сопровождается экспериментами. Наш опыт показывает, что тот, кто изучение теоретического материала подкрепляет экспериментальными исследованиями, добивается гораздо больших успехов.

Немаловажным является то, что эксперименты на компьютере намного дешевле, чем эксперименты с реальными элементами и приборами. Кроме этого виртуальные эксперименты абсолютно безопасны.



Как заинтересовать ребенка в изучении физики? Расширять свои знания и заниматься с удовольствием? Теперь это просто. Программа «Виртуальные лабораторные работы по физике» – это серьезное учебное пособие и увлекательная компьютерная программа с высококачественной реалистичной графикой и высоким уровнем интерактивности. Включенные в лабораторные работы экспериментальные задачи помогут не только глубже понять физические процессы и закономерности, но и научиться применять полученные знания на практике. Работая с диском, ребенок убедится в том, что исследовательская и творческая деятельность – это действительно интересно! Кроме того, программа будет полезна при подготовке к лабораторным занятиям с реальным оборудованием и окажется незаменимой при его отсутствии.



Список лабораторных работ:

• Измерение размеров малых тел
• Измерение массы тела на рычажных весах
• Измерение объема твердого тела
• Определение плотности вещества
• Измерение выталкивающей силы