Реферат: КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ в ФИЗИКЕ

- компьютерные дидактические материалы.

Разумеется, приведённая классификация является достаточно условной, так как многие программы включают в себя элементы двух или более видов программных средств, тем не менее, она полезна тем, что помогает учителю понять, какой вид деятельности учащихся можно организовать, используя ту или иную программу.

Когда же следует использовать компьютерные программы на уроках физики? Прежде всего, необходимо осознавать, что применение компьютерных технологий в образовании оправдано только в тех случаях, в которых возникает существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Одним из таких случаев является преподавание физики с использование компьютерных моделей. Следует отметить, что под компьютерными моделями автор понимает компьютерные программы, имитирующие физические опыты, явления или идеализированные модельные ситуации, встречающиеся в физических задачах. Компьютерные модели позволяют получать в динамике наглядные запоминающиеся иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизвести их тонкие детали, которые могут ускользать при наблюдении реальных экспериментов . Компьютерное моделирование позволяет изменять временной масштаб, варьировать в широких пределах параметры и условия экспериментов, а также моделировать ситуации, недоступные в реальных экспериментах. Некоторые модели позволяют выводить на экран графики временной зависимости величин, описывающих эксперименты, причём графики выводятся на экран одновременно с отображением самих экспериментов, что придаёт им особую наглядность и облегчает понимание общих закономерностей изучаемых процессов. В этом случае графический способ отображения результатов моделирования облегчает усвоение больших объёмов получаемой информации.

При использовании моделей компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощённой теоретической модели с поэтапным включением в рассмотрение дополнительных усложняющих факторов, постепенно приближающих эту модель к реальному явлению . Кроме того, не секрет, что возможности организации массового выполнения разнообразных лабораторных работ, причём на современном уровне, в средней школе весьма ограничены по причине слабой оснащённости кабинетов физики. В этом случае работа учащихся с компьютерными моделями также чрезвычайно полезна, так как компьютерное моделирование позволяет создать на экране компьютера живую, запоминающуюся динамическую картину физических опытов или явлений.

В то же время использование компьютерного моделирования не должно рассматриваться в качестве попытки подменить реальные физические эксперименты их симуляциями, так как число изучаемых в школе физических явлений, не охваченных реальными демонстрациями, даже при блестящем оснащении кабинета физики, очень велико. Несколько условный характер отображения результатов компьютерного моделирования можно компенсировать демонстрацией видеозаписей натурных экспериментов, которые дают адекватное представление о реальном протекании физических явлений.

Значительное число компьютерных моделей, достаточно полно охватывающих такие разделы физики, как механика, молекулярная физика и термодинамика, содержится в первой части мультимедийного компьютерного курса "Открытая физика 1.0". Некоторые модели курса позволяют одновременно с ходом эксперимента наблюдать в динамическом режиме построение графических зависимостей от времени ряда физических величин, описывающих эксперимент. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

Компьютерные модели курса "Открытая физика 1.0" легко вписываются в традиционный урок и позволяют учителю организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся. Приведём в качестве примеров два вида такой деятельности, опробованные нами на практике :

- Урок - исследование. Учащимся предлагается самостоятельно провести небольшое исследование, используя компьютерную модель, и получить необходимые результаты. Тем более, что многие модели позволяют буквально за считанные минуты провести такое исследование. В этом случае урок приближается к идеалу, так как ученики получают знания в процессе самостоятельной творческой работы, ибо знания необходимы им для получения конкретного, видимого на экране компьютера, результата. Учитель в этом случае является лишь помощником в творческом процессе овладевания знаниями. Разумеется, такой урок можно провести только в компьютерном классе.

- Урок решения задач с последующей компьютерной проверкой. Учитель предлагает учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве домашнего задания задачи, правильность решения которых они могут проверить, поставив затем компьютерные эксперименты. Возможность самостоятельной последующей проверки в компьютерном эксперименте полученных результатов усиливает познавательный интерес, делает работу учащихся творческой, а зачастую приближает её по характеру к научному исследованию. В результате многие учащиеся начинают придумывать свои задачи, решать их, а затем проверять правильность своих рассуждений, используя компьютерные модели. Учитель может сознательно побуждать учащихся к подобной деятельности, не опасаясь, что ему придётся решать "ворох" придуманных учащимися задач, на что обычно не хватает времени. Ведь для проверки правильности полученного ответа достаточно провести компьютерный эксперимент, что занимает обычно меньше одной минуты, к тому же такие эксперименты проводят сами учащиеся. Более того, составленные школьниками задачи можно использовать в классной работе или предложить остальным учащимся для самостоятельной проработки в виде домашнего задания. Авторы задач при этом могут стать активными помощниками учителя, помогая однокласникам решать свои авторские задачи, а также проверяя работы и выставляя оценки.

Необходимо отметить, что сильно усложняет работу с компьютерным курсом "Открытая физика 1.0" ограниченное число задач и вопросов, которыми авторы сопровождают модели. Опыт работы показывает, что каждая модель должна сопровождаться, по крайней мере, десятком задач различной сложности, тогда работа с курсом даст действительно высокий учебный эффект. Было бы идеально, если бы к компьютерному курсу прилагался задачник с вопросами и задачами, содержание которых было бы согласовано с функциональными возможностями моделей. Наличие такого задачника существенно упростило бы работу учителя по использованию данного курса на уроках физики и позволило бы активно рекомендовать его учащимся для домашней работы.

Тем не менее, даже на сегодняшний день, компьютерный курс "Открытая физика 1.0", безусловно, является чрезвычайно полезным при изучении физики как в классе, так и при индивидуальной работе. А вот как эффективно использовать этот курс на уроках, а также как составлять задания к компьютерным моделям и формировать из них лабораторные работы, мы рассмотрим в следующей главе.

Итак, подведём итоги. Можно ли преподавать физику с использованием компьютерных моделей? Разумеется, да. Более того, роль компьютерного моделирования в учебном процессе будет повышаться по мере появления новых компьютерных программ. Однако, качественный скачок в этой области будет возможен только тогда, когда разработчики компьютерных программ осознают, что для получения действительно эффективных программ им необходим тесный контакт с учителями, которые хорошо знакомы с компьютерными технологиями и активно используют эти технологии при работе с учащимися .

Методика применения компьютерных моделей в школьном курсе физики.

Прежде всего чрезвычайно удобно использовать компьютерные модели в качестве демонстраций при объяснении нового материала или при решении задач. Согласитесь, что гораздо проще и нагляднее показать как электрон в соответствии с моделью Бора перескакивает в атоме с орбиты на орбиту, что сопровождается поглощением или испусканием кванта, используя компьютерную модель , чем объяснять это при помощи доски и мела. А если учесть, что данная модель позволяет одновременно с переходом электрона на другую орбиту показать в динамическом режиме соответствующий переход на диаграмме электронных уровней, а также вид соответствующей спектральной линии, то становится ясно, что данную демонстрацию невозможно обеспечить другими средствами. Конечно подобная демонстрация будет иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора, или в кабинете имеется проекционная техника, позволяющая отобразить экран компьютера на стенной экран большого формата подобно кодослайду (указанная техника начинает появляться в школах города). В противном случае учитель может предложить учащимся самостоятельно поработать с моделями в компьютерном классе (такая возможность уже не является экзотикой) или в домашних условиях, что иногда бывает наиболее реально.

Разумеется дети с большим интересом повозятся с предложенными моделями, испробуют все регулировки, как правило, не особенно вникая в физическое содержание происходящего на экране. Как показывает практический опыт обычному школьнику может быть интересна в течении 3-5 минут в зависимости от красочности и сложности, а затем неизбежно возникает вопрос: А что делать дальше?

К сожалению авторы программ не продумали методику использования моделей в процессе индивидуального обучения, задачи и вопросы, которые прилагаются к моделям крайне не многочисленны и не всегда удачны, то есть выбора практически нет. Что же делать чтобы урок в компьютерном классе был не только интересен по форме но и дал максимальный учебный эффект? Учителю необходимо заранее подготовить план работы для учащихся с выбранной для изучения компьютерной моделью, сформулировать задачи, согласованные с возможностями модели, а также желательно предупредить учащихся, что им будет необходимо ответить на вопросы или написать небольшой отчёт о проделанной работе. Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока раздаёт учащимся указанные материалы в распечатанном виде. Какие же виды учебной деятельности можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями?

- Прежде всего это знакомство с моделью, то есть небольшая исследовательская работа - экскурс по устройству модели и её функциональным возможностям, в которую входит знакомство с основными регулировками модели. В ходе этой работы учитель в компьютерном классе, переходя от ученика к ученику помогает освоить модель, поясняя наиболее сложные моменты и задавая вопросы, отвечая на которые учащиеся глубже вникают в суть происходящего на экране.

- После того как компьютерная модель освоена в первом приближении, имеет смысл предложить учащимся выполнить 1 - 3 компьютерных эксперимента. Эти эксперименты позволят учащимся научиться уверенно управлять происходящем на экране и вникнуть в смысл демонстраций.

- Далее, если модель позволяет, можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи для решения которых не обязательно производить вычисления, а необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Цель подобных заданий...

- На данном этапе, когда учащиеся уже достаточно хорошо овладели моделью и углубили свои знания по изучаемому явлению, имеет смысл предложить 2 - 3 задачи не требующих длительного решения, которые необходимо решить без использования компьютера (некоторых учеников даже необходимо отсадить подальше от ...), а затем проверить полученный ответ, поставив эксперимент на компьютере. Задачи, правильность решения которых можно проверить, используя компьютерную модель. При составлении таких задач необходимо учитывать как функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров заложенные авторами модели. Следует отметить, что, если эти задачи решаются в компьютерном классе, то их решение не должно превышать 5 -8 минут. В противном случае работа с компьютером становится мало эффективной. Задачи, требующие более длительного решения имеет смысл предлагать в виде домашнего задания. Задачи, требующие более длительного решения, имеет смысл предлагать для предварительной проработки в виде домашнего задания и только после этого использовать их в компьютерном классе.

- Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательские задачи, то есть задачи в ходе решения которых учащимся необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. Самым продвинутым ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности.

- Творческие задания лучше предложить ученикам в виде домашнего задания. В рамках таких заданий учащиеся самостоятельно придумывают и решают задачи, а затем проверяют свои результаты в компьютерном классе.

Как начинать работать с компьютерным курсом.

Идеально начинать работать с компьютерным курсом "Открытая физика 1.0" в индивидуальном режиме с одним или двумя учениками. Можно также попробовать использовать курс при работе с небольшой группой учащихся в рамках факультативных занятий. Это наиболее мягкие режимы, которые позволят вам хорошо освоить компьютерный курс, а также понять основные сложности, связанные с таким способом преподавания и, возможно, разработать собственные приёмы и методики использования курса на уроках. После того, как вы достаточно хорошо освоите компьютерные модели курса, можно начинать демонстрировать опыты с их использованием при объяснении материала в классе, если, конечно, у вас есть возможность использовать монитор с экраном не менее 17 дюймов или мультимедийный проектор.

К сожалению, в данной версии компьютерного курса отсутствует функция сохранения числовых значений параметров экспериментов, поэтому у вас не будет возможности подготовить серию опытов с выбранными вами параметрами и заранее записать их в долговременную память компьютера, чтобы затем показать на уроке. Начальные условия опытов имеет смысл подобрать заранее и записать их для себя на бумаге, чтобы на уроке не возникало заминок или невразумительных экспериментов. На уроке же вам придётся заново устанавливать выбранные значения параметров, что при работе в классе не всегда удобно. Поэтому, если для вас не важны начальные условия хотя бы некоторых экспериментов, то лучше оставить их такими, какими предлагают авторы курса. В этом случае, после открытия окна модели для демонстрации эксперимента достаточно нажать кнопку "Старт".

При использовании моделей для демонстрации экспериментов, постарайтесь привлечь кого-нибудь из учащихся в качестве помощника, так как, особенно на первых порах, вам будет достаточно сложно манипулировать мышью и одновременно давать необходимые пояснения классу. Конечно, необходимо заранее подготовить подробный план демонстраций и объяснить помощнику, что и в какой момент от него потребуется. Лучше всего дать ему список экспериментов с указанием начальных условий, тогда он сможет подготовить очередной опыт, пока вы обсуждаете с классом результаты предыдущего эксперимента или какой-нибудь другой вопрос.

И только после того как компьютерный курс вами будет более или менее освоен, имеет смысл начинать с ним работать в компьютерном классе с большой группой учащихся

Как проводить первые уроки в компьютерном классе.

Следует особо отметить, что на первых уроках в компьютерном классе, желательно присутствие, особенно в течении первых 10-15 минут, учителя информатики или коллеги, знакомого со спецификой класса, так как наверняка будут возникать технические сбои и неполадки, даже если накануне вы всё проверили и убедились в полной исправности оборудования и программного обеспечения (испытано не один раз, особенно на открытых уроках).

В компьютерном классе с большой группой ребят лучше начинать с фрагмента урока длительностью не более 10-15 минут, причём обязательно следует учесть, что все правила работы, а также задания, которые учащиеся будут должны выполнить, необходимо разъяснить им до того, как они сели за компьютеры. Это даже лучше сделать не в компьютерном классе, а в кабинете физики. После того, как ваши ученики окажутся перед экранами компьютеров, общаться с ними будет возможно только индивидуально. Многолетний опыт показывает, что ребята так сильно увлекаются работой (не обязательно продуктивной), что учителя они просто не слышат, как бы громко он к ним ни обращался.