В настоящее время культура получения информации становится частью общей культуры человека. Для успешного использования учащимися современных информационных технологий необходимо развитие системного мышления учащихся и освоение ими фундаментальных понятий информации, объекта, модели и системы, используемых во всех сферах информационной деятельности человека [3, с. 9; 4, с. 21].
Задача учителя — научить обучаемого за определённый промежуток времени освоить и преобразовать определённый объём информации, чтобы затем использовать в практической деятельности. Учитель при решении этой непростой задачи может сочетать традиционные методы обучения и современные информационные технологии, в том числе компьютерные. Использование компьютера позволяет сделать процесс обучения мобильным, дифференцированным и индивидуальным.
Информационные технологии — это широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям управления и обработки данных, а также создания данных. Любая педагогическая технология — это информационная технология, так как основу технологии процесса обучения составляют получение и преобразование информации. Как правило, под новыми информационными технологиями обучения понимают компьютерные технологии обучения, предполагающие процесс подготовки и передачи информации учащемуся, средством осуществления которых является компьютер.
Развитие общества приводит к изменению целей физического образования, от которых зависит его содержание, то есть то, чему нужно учить на уроках физики. От целей обучения и содержания курса физики зависят методы, средства и формы обучения — то, как нужно учить физике. Например, одной из целей обучения физике является формирование исследовательских экспериментальных умений. В связи с этим в содержание курса физики включены экспериментальные работы, используется исследовательский метод обучения, определены средства обучения и индивидуальная форма организации учебной деятельности [2, c. 7]. Средства, методы и формы обучения составляют технологию обучения. В структуре техники и методики учебного физического эксперимента можно выделить следующие взаимосвязанные элементы: технические средства обучения, техника экспериментирования, методика организации восприятия учебного физического эксперимента и методика его использования при обучении [1, с. 19].
Принципиальная возможность исследования действительности путем постановки соответствующих экспериментов представляется в виде принципа свободы экспериментирования. Этот принцип близок к принципу свободы научного исследования и обозначает прежде всего отрицание запретных для научного экспериментального исследования явлений окружающего мира. Принцип свободы экспериментирования предполагает также достаточно широкие возможности варьирования условий эксперимента: экспериментатор имеет право, исходя из целей познания, выбирать и изменять условия эксперимента (в частности, путем изменения экспериментальных установок). Наконец, принцип свободы экспериментирования включает требование о необходимости и возможности объективного и беспристрастного сообщения о результатах эксперимента, превращения этих результатов в достоверное знание.
В то же время следует уточнить, что принцип свободы экспериментирования представляет собой формулировку некоторого идеала экспериментальной познавательной деятельности, на самом деле субъект научного исследования никогда не обладал и не будет обладать абсолютной свободой экспериментирования. Существует целый ряд существенных ограничений возможностей экспериментальной деятельности. Некоторые из них обусловлены недостаточным уровнем развития техники или научного знания и исчезают в процессе развития техники и технологии, производственной и научной практики. Это означает, что эксперименты, технически невозможные ранее, становятся возможными сейчас, — современная компьютерная техника позволяет существенно расширить границы учебного физического эксперимента. Например, изучение быстропротекающих процессов в режиме реального времени становится возможным благодаря наличию мощных средств визуализации современных компьютеров и применению технологии цифровых измерений.
Итак, одно из основных направлений использования компьютера при обучении физике — его работа в соединении с экспериментальными установками. В этом случае он может фиксировать экспериментальные данные и автоматизировать управление экспериментом. Компьютерная установка избавит (если это необходимо, например, при демонстрациях опытов) от большого числа однообразных простейших измерительных операций, позволит обеспечить визуализацию результатов экспериментального исследования в реальном времени, автоматизацию и высокую точность математических вычислений, сохранение результатов на электронном носителе информации. Целесообразно использовать компьютер и по той причине, что сам он представляет безусловный интерес для учащихся, особенно в том случае, когда он применяется в сочетании с другой экспериментальной техникой.
Рис. 1
Для того чтобы представить в наглядном виде информацию об измеряемой аналоговым датчиком физической величине на экране компьютера, необходим измерительный комплекс, включающий, кроме датчика измеряемой физической величины, компьютер, устройство сопряжения датчика с компьютером и программное обеспечение (рис. 1). В случае применения цифрового датчика в устройстве сопряжения нет необходимости (рис. 2).
Рис. 2
В простейшем случае устройство сопряжения представляет собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее напряжение на выходе аналогового датчика в двоичный код, «понятный» компьютеру. Если сигнал с датчика очень слабый (например, если датчиком является термопара), то в этом случае в состав устройства сопряжения может входить усилитель сигнала датчика. Таким образом, функционально аппаратная часть измерительного комплекса состоит из измерителя (датчика) физической величины, преобразующего ее в электрическое напряжение (в случае аналогового датчика) или цифровой код (в случае цифрового датчика), цифрового измерителя напряжения на выходе аналогового датчика (только в случае использования аналогового датчика) и показывающего устройства (компьютера).
Использование компьютера в качестве показывающего устройства (ясно, что вместо компьютерного дисплея могут использоваться телевизор, проектор или интерактивная доска, если в этом есть необходимость) является наиболее оптимальным вариантом с точки зрения улучшения дидактических характеристик учебного измерителя физических величин по сравнению с другими (стрелочными измерителями, измерителями с жидкокристаллическими или светодиодными индикаторами и т. п.). В этом случае можно эффективнее управлять процессом измерения, его визуализацией и вниманием учащихся.
Технические средства учебного физического эксперимента выполняют обучающую функцию тогда, когда их применяет учитель, владеющий техникой экспериментирования — приемами обращения с физическим оборудованием. Чем выше уровень техники экспериментирования, тем эффективнее влияние физических опытов на процесс усвоения физических знаний. Содержание этого элемента методики и техники учебного эксперимента в нашем случае составляют следующие компоненты: сборка и налаживание компьютерных экспериментальных установок; приведение их в действие; обеспечение успешного протекания физического процесса и его наблюдения с помощью информационных компьютерных технологий; прекращение опыта в нужный момент; полное соблюдение требований техники безопасности.
Если рассматривать методику организации восприятия физического эксперимента учащимися как совокупность методов и приемов, обеспечивающих ее высокую эффективность, то можно выделить наглядность эксперимента, научную организацию эксперимента, управление восприятием обучаемых в процессе физического эксперимента.
При проведении опытов на уроках физики основная задача учителя — правильно организовать наблюдение изучаемого явления или процесса. В данном случае наблюдение — это система фиксации и регистрации свойств и связей изучаемого объекта в искусственном, специально организованном эксперименте. Эта система связана с восприятием непосредственно или опосредованно, так как отражает объективные связи и отношения окружающего нас мира. Наблюдение предполагает наличие некоторого наблюдаемого объекта и воспринимающего его субъекта, который осуществляет наблюдение в конкретных условиях места и времени, а также специальных средств наблюдения (в нашем случае компьютерных средств), назначение которых состоит в том, чтобы компенсировать природную ограниченность органов чувств человека, повысить точность и объективность результатов наблюдения.
Познавательные возможности наблюдения зависят от характера и интенсивности чувственного восприятия особенностей объекта наблюдения, условий наблюдения, совершенства измерений. При условиях, созданных с помощью учебных компьютерных установок, этот метод обеспечивает достаточно обширную и разностороннюю информацию для изучения новых для учащихся фактов и формирования знаний. В этом случае можно эффективно реализовать фиксацию и регистрацию информации; возможность на базе известной теории провести классификацию научных фактов (с учетом новизны зафиксированных фактов; объема информации, содержащейся в фактах; особенностей свойств и связей объекта исследования); сравнение зафиксированных фактов с фактами, известными науке, и с фактами, характеризующими другие, подобные системы. На основе реализации этих функций могут быть сформулированы рабочие гипотезы учащихся.
Для решения учебно-воспитательных задач учителю физики недостаточно приобрести или изготовить технические средства, овладеть приемами экспериментирования и создать условия для оптимального восприятия эксперимента учащимися. Важно обеспечить такое практическое применение эксперимента в учебном процессе, которое бы позволило наилучшим образом решать эти задачи. Методика использования учебного физического эксперимента (совокупность методов и приемов практического применения учебного физического эксперимента в сочетании с другими методами обучения, позволяющими успешно решать учебно-воспитательные задачи) — еще один структурный элемент его методики и техники.
Учебный физический эксперимент на базе компьютерных установок может быть лабораторным и индивидуальным. Эксперимент — это система познавательных операций, которая осуществляется в отношении объектов, поставленных в такие специально созданные условия, которые должны способствовать обнаружению, сравнению, измерению объективных свойств, связей, отношений объектов и проверке истинности теории в отношении этих свойств, связей, отношений. Он предполагает вмешательство в естественные условия существования предметов и явлений или воспроизведение определенных сторон предметов и явлений в специально созданных условиях с цепью их изучения.
Познавательные операции, связанные с учебным экспериментом, которые осуществляет учитель физики:
определение целей эксперимента и обоснование условий, которые способствовали бы наиболее полному и всестороннему проявлению свойств и связей системы;
разработка систем измерителей физических величин и других технических средств и устройств;
планирование эксперимента;
наблюдение, измерение, фиксирование обнаруженных свойств и связей, статистическая обработка результатов эксперимента;
контроль эксперимента;
предварительная классификация и сравнение статистических данных о результатах эксперимента;
интерпретация результатов эксперимента.
Эффективность эксперимента в решающей степени определяется глубиной и всесторонностью обоснования условий проведения эксперимента и его целей.
Самостоятельное экспериментальное изучение объектов по сравнению с наблюдением опытов, демонстрируемых учителем, имеет ряд преимуществ. Характерная особенность учебного лабораторного эксперимента как специального метода учебного исследования физических объектов заключается в том, что он обеспечивает учащемуся возможность активного практического воздействия на изучаемые явления и процессы. Учащийся здесь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания. Он может осуществить такое вмешательство путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменить условия, в которых происходит этот процесс. И в том и в другом случае необходимо, чтобы результаты исследования точно фиксировались и контролировались средствами учебной экспериментальной техники. Компьютерная техника подходит в этом случае лучше, чем какая-либо другая, так как обеспечивает необходимую точность измерений, визуализацию информации и ее сохранность.
Классификация натурного компьютерного эксперимента, как и традиционного, проводимого в процессе обучения физике, по выполняемым им функциям может быть такой:
проверочный эксперимент (необходим для эмпирической проверки той или иной гипотезы или теории);
поисковый эксперимент (необходим для сбора необходимой для построения или уточнения некоторой догадки или предположения эмпирической информации).
По виду предоставляемой учащемуся информации компьютерные эксперименты с реальными объектами исследования могут быть такими:
качественный эксперимент, который проводится с целью выявления действия тех или иных факторов на исследуемый процесс без установления точной количественной зависимости между ними;
количественный эксперимент, цель которого — проведение с известной точностью измерений физических величин, влияющих на поведение исследуемого объекта или ход процесса (результаты измерений нуждаются в более или менее сложной математической обработке).
Применение компьютерного учебного физического эксперимента в учебном процессе предполагает:
планирование и разработку последовательности этапов эксперимента;
проектирование эксперимента, включая проектирование имитационной обстановки и экспериментальной установки, проектирование сбора и обработки информации, включающей аппаратные и программные средства компьютера;
проведение эксперимента;
обработку и анализ результатов эксперимента;
усовершенствование эксперимента.
До тех пор, пока эксперименты были простыми с теоретической и технической точек зрения, проектирование объектов испытаний и планирование экспериментов осуществлялось эвристически. Развитие науки и техники, усложнение объектов и целей экспериментальных исследований привели к усложнению экспериментальной техники и методики ее использования при обучении. Отсюда следует, что для успешного освоения технологией компьютерных измерений учителю физики необходимо овладеть знаниями в области программирования и электроники, а также приобрести конструкторские умения, если он планирует самостоятельное изготовление компьютерных измерительных приборов. Это выведет его на новый уровень профессиональной компетентности, соответствующий современным требованиям системы физического образования.
Литература:
Данилов О. Е. Теория и методика использования метода сканирования в учебном физическом эксперименте: Дис. … канд. пед. наук: 13.00.02 / О. Е. Данилов. — Глазов, 2005. — 207 с.
Каменецкий С. Е. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская; Под ред. С. Е. Каменецкого, Н. С. Пурышевой. — М.: Издательский центр «Академия», 2000. — 384 с.
Роберт И. В. Информационные и коммуникационные технологии в образовании: учебно-методическое пособие / И. В. Роберт, С. В. Панюкова, А. А. Кузнецов, А. Ю. Кравцова; Под ред. И. В. Роберт. — М.: Дрофа, 2008. — 312 с.
Трайнев В. А. Новые информационные коммуникационные технологии в образовании / В. А. Трайнев. В. Ю. Теплышев, И. В. Трайнев. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2009. — 320 с.