Інтерактивне моделювання у шкільному курсі фізики

Інтерактивне моделювання у шкільному курсі фізики

Як зазначається в Національній доктрині розвитку освіти України у ХХІ столітті одним із пріоритетів розвитку освіти є впровадження сучасних інформаційних технологій, які розширюють можливості у якісному формуванні системи знань, умінь і навичок їх застосування у практичній діяльності, сприяють розвитку інтелектуальних здібностей, створюють сприятливі умови для інтенсифікації навчальної діяльності учнів та вчителя.

Сьогодні впровадження у процес навчання нових інформаційних технологій (НІТ), зокрема побудованих на використанні новітніх комп’ютерних засобів, є актуальною проблемою, яка тісно пов’язана з методикою використання засобів навчання під час вивчення шкільного курсу фізики. Комп’ютер може стати ефективним засобом навчально-виховного процесу, інструментом обробки і аналізу педагогічної інформації, інструментом управління та організації процесу навчання. [5; с. 42]

Дидактичні можливості ЕОМ справді вражаючі. [4; с. 25]

1) Під час викладу нового матеріалу комп’ютер дає змогу супроводжувати його динамічними ілюстраціями, текстами і відеофрагментами. Комп’ютерні моделі дають змогу показати фізичні процеси в динаміці, що неможливо здійснити в ході традиційного експерименту. Саме інтерактивність комп’ютерних моделей додає процесу навчання нових можливостей. [2; c. 5]

2) У демонстраційному експерименті комп’ютер може бути використаний як пристрій, за допомогою якого можна демонсрувати всьому класу окремі явища, що вдається спостерігати лише з допомогою мікроскопа.

3) Під час розв’язування задач комп’ютер використовується для представлення текстів задач, перевірки відповідей, розрахунків.

4) У випадку проведення лабораторних робіт обробка результатів з використанням спеціальних програм значно спрощується, до того ж є можливість проведення комп’ютерних лабораторних робіт.

5) У процесі самостійного опрацювання матеріалу ЕОМ може використовуватися як джерело інформації, засіб обміну інформацією та як наочний посібник.

6) У процесі контролю та корекції навчальної діяльності учнів, під час проведення тестувань чи самостійних робіт, що дає можливість дійсно об'єктивно перевірити рівень засвоєння навчального матеріалу учнями.

Історія розвитку вітчизняних педагогічних програмних засобів з фізики та методики їх використання бере свій початок з 80-х рр. ХХ ст., коли методисти звернули увагу на проблему використання комп’ютерної техніки, яка почала з’являтися в загальноосвітній школі, у контексті реалізації ідей програмованого навчання. З цією метою створюються перші програмні засоби, проте на цьому етапі вони не набули широкого розвитку. Зокрема, й через не достатнє забезпечення загальноосвтньої школи комп’ютерною технікою та її обмеженими можливостями.

Однак, сьогодні ситуація кардинально інша, значна частина шкіл вже має комп’ютерні класи, що дає реальну можливість використання НІТ в навчальному процесі, зокрема під час проведення фізичного експерименту.

На даному етапі частина вчителів фізики вже використовують НІТ у своїй роботі, що часто зумовлено не тільки більшими дидактичними можливостями комп’ютера, але і не належним рівнем забезпечення шкіл традиційними засобами навчання.

Значення віртуального фізичного експерименту особливо зростає там, де мають справу з явищами, які не спостерігаються в повсякденному житті, або ж із явищами, спостереження яких пов’язане із значними труднощами. [1; с. 37]

Значну частину таких процесів вивчає молекулярна фізика, а тому постає реальна потреба створення програмного забезпечення, здатного спростити та покращити процес вивчення окремих питань даного розділу фізики. Таке завдання було частково розв’язане вченими Московського фізико-технічного інституту, якими створено курс «Молекулярна фiзика на комп’ютерi». Цей курс об'єднує ряд комп’ютерних програм i iнструкцiю, яку рекомендується прочитати перед початком роботи з програмами.

Нами проаналізовані, доопрацьовані та адаптовані до шкільного курсу фізики деякі моделі, як наприклад комплексна модель явищ переносу. Дана програма дозволяє iлюструвати закони молекулярної фiзики на основi двовимiрної моделi iдеального газу. Кожна молекула представлена у виглядi твердого диску, а розрахунок зiткнень молекул мiж собою i зi стiнками проводитися за законами класичної механiки. Комп’ютер тримає в пам’ятi координати та швидкостi всiх молекул i обчислює статистичнi закономiрностi та параметри газiв.

Така модель дозволяє проiлюструвати статистичний характер законiв молекулярної фiзики i термодинамiки, а також зв’язок мiкроi макроскопiчних параметрiв термодинамiчних систем. Також є можливiсть змiнювати рiзнi параметри системи (температуру, число молекул, об'єм посудини i т.д.). Дане програмне забезпечення дозволяє продемонструвати явища броунівського руху, осмосу, дифузії, ентропії, флуктуації, в’язкості, ізотермічний та адіабатний процеси, цикл Карно та ін.

Курс «Молекулярна фiзика на комп’ютерi» був випробуваний в навчальному процесi кафедрою фiзики зазначеного iнституту.

Розглянемо можливості даного ПЗ на прикладі вивчення явища в’язкості. У данiй програмi моделюється виникнення внутрiшнього тертя в газах в результатi поперечного перенесення iмпульсу. Розглянута двовимiрна модель iдеального газу, що знаходиться мiж двома паралельними пластинками. Зiткнення молекул мiж собою розраховуються за законами класичної механiки, вважаючи, що зіткнення абсолютно пружні. Зiткнення з пластинами не є абсолютно пружними.

У програмi розглянуто декiлька випадкiв:

— Верхня пластина закрiплена, тодi як нижня починає рiвномiрно рухатися. Обчислюється сила, що дiє на верхню пластинку.

— Верхня пластинка вiльна, тодi як нижня пластинка починає рiвномiрний рух. Пiд дiєю сил внутрiшнього тертя верхняя пластинка також починає рухатися. Обчислюється залежнiсть швидкостi пластинки вiд часу.

— Обидвi пластинки закрiпленi, моделюється потiк газу в двовимiрнiй трубi.

На екранi монiтора обчислюється i демонструється розподiл швидкостей шарiв газу мiж закрiпленими пластинками, обумовлений силами внутрiшнього тертя.

Експеримент демонструє рух газу мiж двома пластинками — закрiпленої верхньої i рухомої з постiйною швидкiстю нижньої. Пiд час paбoти будується графiк залежностi сили, що дiє на верхню пластинку вiд часу.

Завантаживши дану лабораторну роботу, користувачі мають змогу ознайомитись з теоретичним матеріалом, а потім перейти до виконання лабораторної роботи. Інтерфейс програми зручний тим, що в будьякий момент можна зупинити процес, продивитися підказки, змінити параметри системи або ж обрати інший вид експерименту. Користувач може змінити кількість молекул, температуру, відстань між пластинками та прослідкувати за допомогою графіків, як змінюється система при зміні тих чи інших параметрів. Це дає змогу краще зрозуміти суть явища в’язкості, причини його виникнення. Слід зазначити, що користувач сам обирає який процес він досліджує при зміні виду пластинки (можна встановити вільну чи закріплену пластинку або ж зовсім прибрати її та розглянути потік газу).

Таким чином, дана лабораторна робота дає можливість наочно продемонструвати явище в’язкості, що може бути використано як під час викладу нового матеріалу, так і під час виконання фізичного експерименту.

Отже, інтерактивне моделювання фізичних явищ (віртуальний фізичний експеримент) усе ширше застосовується під час вивчення фізики. Підтвердженням цього є значна кількість публікацій та чималий асортимент комп’ютерних дисків з відповідним програмним забезпеченням.

Реалізація сучасних технологій навчання, які б комплексно охоплювали всі складові навчання фізики учнів загальноосвітньої школи, вимагає не тільки обладнання шкільного кабінету фізики, або, принаймні, кабінету інфоратики, сучасними комп’ютерами, а й наявності специфічного програмного забезпечення, через яке здійснюється методична підтримка. [3; с. 22]

Слід зазначити, що віртуальний фізичний експеримент є лише одним із структурних елементів навчального процесу і його проведення слід поєднувати з реальним фізичним експериментом, приділяючи певну увагу кожному з них залежно від конкретної мети. Тобто йдеться не про заміну демонстрацій або самостійного дослідження учнями реальних явищ, а лише про їх доповнення інтерактивним моделюванням.

інформаційний урок фізика комп’ютер

Бібліографія

1. Василинчук А. В. Поєднання фізичного й віртуального експерименту під час вивчення дифракції світла // Фізика та астрономія в школі. — 2005 № 5. — с. 36 — 39.

2. Сумський В. І. ЕОМ при вивченні фізики: Навч. посібник/ за ред. М. І. Шута. — К.: ІЗМН, 1997. — 184 с.

3. Головко М. В. Особливості та перспективи розвитку системи засобів компютерної підтримки шкільного курсу фізики // Комп’ютер у школі та сімї. — 2006. — № 5. — с. 22 — 26.

4. Буйницька О. Використання інформаційних комунікативних технологій у шкільному курсі фізики // Фізика та астрономія в школі. — 2005 № 4. — с. 24 — 26.

5. Волинський В. Класифікація комп’ютерних пограмно-педагогічних засобів навчання // Фізика та астрономія в школі. — 2005. — № 4. — с. 42 — 46.