Дипломная работа: Психолого-педагогічні аспекти комп’ютерного моделювання при вивченні розділу "Геометричної оптики"

удосконалення навчальної роботи з учнями, які лише починають вивчати фізику, передбачає формування їхньої внутрішньої готовності до сприйняття якісно нового змісту науки про природу. З перших уроків фізики діти повинні сприймати інформацію, на перший погляд легку і просту для розуміння.

Подібну інформацію вони осмислювали і до вивчення предмета, але тепер їм треба свій досвід коригувати, переосмислювати відповідно до нових знань. Це вимагає певних вольових зусиль і розвинутої уваги.

Перші уроки фізики якісно відрізняються від уроків з предметів, уже знайомих учням. Ця відмінність полягає в тому, що уроки фізики насичені не лише звичайною інформацією, а й експериментами, розв'язуванням розрахункових і якісних задач, лабораторними і практичними роботами, висуненням гіпотез та їх доведенням, спостереженнями явищ природи з наступним формуванням висновків. Крім того, учні повинні запам'ятати символи і вміти записувати за їх допомогою формули фізичних величин, розуміти функціональну залежність величин, вивчити Серед засобів, що сприяють формуванню в учнів абстрактного мислення й підвищення теоретичного рівня, виділимо моделювання. Воно може бути опорою для виконання розумових операцій та систематизувати одиниці вимірювання величин, розуміти фізичний зміст явиш, знаходити табличні значення фізичних величин, вміти аналізувати їх та ін.

Це далеко неповний перелік видів роботи учня на уроці фізики. пізнавальних завдань. Зміст фізики наповнений об'єктами, які можна моделювати. Система такої роботи дасть змогу використати процес моделювання як дидактичний прийом розкриття внутрішніх зв'язків і відношень в явищах природи і виявлення на цій основі законів та закономірностей, що стимулюватиме виховання довільної уваги учнів на уроці. У процесі виготовлення моделей учні привчаються відповідальніше ставитися до праці, а сам процес праці виховує вольові якості учня, такі необхідні для виховання довільної уваги. Особливо важливе значення має моделювання під час вивчення складного теоретичного матеріалу, коли сам процес моделювання включає пізнавальні завдання, стимулюючи пізнавальну діяльність учня. На уроці необхідно забезпечити органічне поєднання використання моделей та інших наочних посібників зі словом учителя.

Отже, використовуючи досвід учнів, набутий у результаті виготовлення моделі, і поєднуючи його з інформацією, одержаною на уроці за допомогою зору, слуху та інших органів чуття, ми створили сприятливі умови для уважнішого вивчення явиш природи в майбутньому. Спостереження показують, що без використання наочності учні погано засвоюють подібні залежності. Разом з тим, концентруючи увагу учнів на одних і тих самих явищах протягом кількох уроків (під час вивчення матеріалу, перевірки знань та їх закріплення), ми домагаємося об'єднання в одну систему старих зв'язків, які утворилися в одних учнів під час виготовлення моделей, а в інших – під час використання їх у процесі вивчення теми, з тими новими зв'язками, що утворюються в учнів при подальшому осмисленні ними здобутих знань.

Частина учнів пасивно ставиться до сприйняття навчального матеріалу на уроці, оскільки у них немає звички завжди працювати уважно. Моделювання сприяє якомога частішому використанню довільної уваги учня, бо він сам себе змушує систематично й уважно ставитися до результатів своєї праці, розвиває самостійність і творчість мислення, створює емоційну обстановку на уроці [9].

Учень, який вирішив виготовляти модель, повинен уважно вивчити теоретичний матеріал, виділити суттєві моменти теорії, що покладені в основу конструкції, розробити власну теоретичну схему виготовлення моделі. Залежно від цих чинників одні учні приходять до незадовільних результатів, інші, спрямовуючи свою волю і використовуючи знання та вміння, перемагають труднощі і впевнено завершують розпочату роботу.

На прикладах конкретних проблем розглянуто весь основний цикл моделювання: аналіз досліджуваної проблеми з метою виявлення суттєвих властивостей об'єкту (перебігу процесу, явища), постановка задачі (формалізація на основі прийняття певних спрощуючих припущень), побудова моделі, складання алгоритму, обчислювальний експеримент, включаючи перевірку моделі на адекватність, інтерпретація результатів, вдосконалення моделі. З погляду природи досліджуваних нами явищ виділяються детерміновані й стохастичні моделі; особливості побудови моделей кожного типу розглядаються та відпрацьовуються на конкретних прикладах.

У процесі вивчення розділу обговорюються такі специфічні питання моделювання, як вибір придатного типу моделі, дискретизація процесів, що моделюються, використання чисельних методів, походження похибок обчислень та шляхи їх зменшення. Реалізовано можливість побудови моделей різних типів для вивчення одного й того ж явища та однотипних моделей для вивчення різних явищ. Спрощений спочатку опис виучуваного явища в подальшому поглиблюється. Майже кожна модель має не менше трьох версій. При цьому поступово нарощується понятійний апарат і триває опанування нових методів роботи (проте кількість спеціальних понять та термінів зведено до мінімуму).

Початкові версії усіх моделей, що пропонуються учням, е украй спрощеними. У процесі перевірки на адекватність результатів роботи виявляється їхня майже повна якісна та кількісна невідповідність дослідним фактам. Далі здійснюється поступове ускладнення моделі шляхом уведення до розгляду нових суттєвих факторів, які в попередній версії моделі не бралися до уваги, тобто впливом яких нехтували. У результаті таких дій модель стає дедалі все більш достовірною, що й позначається на результатах моделювання. При такій роботі суттєво важливим є дотримання принципу відповідності: кожна наступна вдосконалена версія моделі повинна містити у собі всі попередні версії як окремі випадки.

Практична робота з комп'ютерними моделями і зокрема, обчислювальний експеримент із подальшою графічною інтерпретацією результатів потребують вирішення принципового питання про вибір середовища для моделювання.

Традиційно таке питання вирішується на користь мов програмування високого рівня, що вимагає з боку учнів значних зусиль, спрямованих на створення зручного користувального інтерфейсу, і тим самим помітно відволікає від безпосередньої роботи з моделлю. На основі докладного аналізу зазначеної методичної трудності нами була висунута гіпотеза про те, що на початковому етапі (під час роботи з детермінованими моделями) цілком достатньо, щоб середовище для моделювання задовольняло таким вимогам:

– результати дослідження мають виводитися на екран у вигляді таблиць із довільною кількістю доступних для перегляду рядків і, зокрема, з такою, що може перебільшувати один екран;

– користувач повинен мати можливість за цими результатами швидко будувати графіки залежності між величинами, що характеризують досліджуване явище.

1.2 Сучасний підхід до розв'язання проблеми наочності при вивченні фізики

«Для вирішення завдання розвитку творчих здібностей школярів при навчанні фізиці необхідно насамперед знати особливості творчого процесу в розвитку цієї науки і її технічного застосування (В.Г. Разумовський)»

Постійне вдосконалення навчально-виховного процесу разом з розвитком і перебудовою суспільства, а також зі створенням єдиної системи безперервного навчання, є характерною рисою народної освіти в Україні. Здійснювана в країні реформа школи спрямована на те, щоб привести зміст утворення у відповідність із сучасним рівнем наукового знання, підвищити ефективність всієї навчально-виховної роботи й підготувати учнів до праці в умовах прискорення науково-технічного прогресу (НТП), авангардні рубежі якого визначені як електронізація народного господарства, комплексна автоматизація, прискорений розвиток атомної енергетики, безвідхідної технології. Досягнення НТП – це результат фундаментальних фізичних досліджень [7].

Тому електроніка й обчислювальна техніка стають компонентами змісту навчання в фізиці й математиці, засобами оптимізації й підвищення ефективності навчального процесу, а також сприяють реалізації багатьох принципів розвиваючого навчання.

Обчислювальна техніка, фундаментом якої служить фізика, знаходить широке застосування у викладанні останньої не тільки як засіб, що моделює математичними методами фізичні процеси і явища, але і як сучасний засіб наочності в сполученні з її абстрактно – логічної сторони із предметно-образної, як засіб математичної обробки результатів демонстраційного експерименту й лабораторних робіт, контролю й самоконтролю знань учнів. Досвід використання обчислювальної техніки на уроках фізики показав, що комп'ютер допомагає готовити завдання для відповідного рівня, темпу навчання й стилю кожного учня. Комп'ютер відкриває нові шляхи в розвитку мислення, надаючи нові можливості для активного навчання. За допомогою комп'ютера проведення уроків, вправ, контрольних і лабораторних робіт, а також облік успішності стає більше ефективним, а величезний потік інформації легкодоступними. Використання комп'ютера на уроках фізики також допомагає реалізувати принцип особистої зацікавленості учня в засвоєнні матеріалу й багато інших принципів розвиваючого навчання.

Однак, на мій погляд, комп'ютер не може повністю замінити вчителя. Вчитель має можливість зацікавити учнів, розбудити в них допитливість, завоювати їхню довіру, вона може направити їхню увагу на ті або інші аспекти досліджуваного предмета, винагородити їхнє зусилля й змусити вчитися. Комп'ютер ніколи не зможе взяти на себе таку роль учителя.

Необхідно відзначити важливість використання програм моделювання, які включають учня в світ науки й техніки, недоступний йому на шкільній лаві; наприклад, дозволяють «побачити» процеси всередині атома й атомного ядра, посадки космічний кораблів на Місяць або Венеру, хід променів в лінзах, наочно у вигляді імітаційних моделей провести ті або інші навчальні досліди на екрані дисплея, якщо їхнє матеріально-інструментальне втілення за якимись причинами недоступно школі.

Так, наприклад, використання найпростіших програм Windows dait (робота в графічному редакторі) – побудова зображень і маніпулювання ними за допомогою машини, відкриває широкі можливості для творчості учнів, для навчання їхньої дослідницької діяльності:

• об'єкти на екрані можуть рухатися з різними швидкостями й взаємодіяти один з одним, це дає можливість вивчати закони руху й взаємодії тіл;

• дозволяє конструювати об'єкти всіх видів: від будинків і техніки до експериментальних установок і моделей – значить відкривається можливість моделювати процес, робити спостереження й виміри, робити виводи й виявляти закономірності;

• інше застосування графічного методу – побудова графіків залежностей фізичних величин: зміна параметрів, що вводять, дозволяє краще зрозуміти фізичну природу, сутність досліджуваного явища;

• графіка відіграє важливу роль і при вивченні дії над векторами: побудова векторів, знаходження їхніх проекцій, розкладання сумарного вектора на складові вектора й т.д., все це розвиває в учнів більш усвідомлене розуміння вектора.

Всі ці методи використання комп'ютера є традиційними й спрямованими на підвищення ефективності навчання фізиці всіх учнів класу. Широкий діапазон використання комп'ютера й у позакласній роботі: він сприяє розвитку пізнавального інтересу до предмета, розширює можливість самостійного творчого пошуку найбільш захопленою фізикою учнів. Однієї з форм використання комп'ютера в позакласній роботі є складання навчальних програм самими тими, кого навчають[14]. При цьому учні не тільки поглиблюють і розширюють знання по темі, але й активно мислять, залучають для вирішення проблеми раніше отримані знання, проводять синтез, аналіз, узагальнення й висновки, що сприяють всебічному самостійному розгляду поставленого завдання. Складання програми стимулює розумову активність, розвиває творчі здатності учнів, сприяє емоційному задоволенню й самоствердженню.

Розвиток нових інформаційних технологій і підключення школи до електронної мережі відкрило велике поле діяльності вчителю й учням. Робота в цьому напрямку так само здійснюється різними способами й всі вони спрямовані на одне: розкриття й розвиток творчого потенціалу тих, яких навчають.

В останні роки користується популярністю комп'ютерна телекомунікаційна вікторина. Вона являє собою змагально-групову питально-відповідну гру з використанням електронної пошти для зв'язку між групами учнів з різних шкіл і міст. Використання такої вікторини у викладанні фізики сприяє: