Автор: Данилов Олег Евгеньевич

Рубрика: Педагогика

Опубликовано в Молодой учёный №1 (48) январь 2013 г.

Статья просмотрена: 777 раз

Библиографическое описание:

Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте // Молодой ученый. — 2013. — №1. — С. 330-333.

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:

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.



Основные термины (генерируются автоматически): учебного физического эксперимента, свободы экспериментирования, аналогового датчика, эксперимента учащимися, физических величин, физического эксперимента учащимися, процессе физического эксперимента, принцип свободы экспериментирования, выходе аналогового датчика, техники учебного эксперимента, обучения физике, учебного лабораторного эксперимента, варьирования условий эксперимента, восприятия эксперимента учащимися, условия эксперимента, определение целей эксперимента, результатах эксперимента, цифрового датчика, научную организацию эксперимента, случае аналогового датчика.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос