Компьютерные средства обучения на уроках физики
статья (физика) по теме

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ НА УРОКАХ ФИЗИКИ

В настоящее время в связи с развитием компьютерной техники и современных средств коммуникации, использование информационных технологий становится необходимым практически в любой сфере деятельности человека. Все чаще ведется речь об информационной технологии обучения. Овладение навыками этих технологий еще за школьной партой во многом определяет успешность будущей профессиональной подготовки нынешних учеников.

Сравнительно недавно можно было услышать мнение о том, что использование компьютера в качестве технического средства на своих уроках возможно лишь для учителя информатики и что другим преподавателям он, вроде бы, и не нужен. Но сегодня уже становится понятным, что информационные технологии открывают большие возможности в различных отраслях профессиональной деятельности, они предлагают современные и удобные средства для решения многих задач, в том числе и образовательных.

Современные информационные технологии, позволяющие создавать, хранить, перерабатывать информацию и обеспечивать эффективные способы ее представления ученику, являются мощным инструментом ускорения образовательного процесса. Специфика системы образования состоит в том, что она является с одной стороны потребителем, а с другой – активным производителем информационных технологий. При этом технологии, рожденные в системе образования, используются далеко за ее пределами.

Информацию по любой теме ребенок может получить по разным каналам: учебник, справочная литература, лекция учителя, конспект урока. Мозг ребенка, настроенный на получение знаний в форме развлекательных программ по телевидению, гораздо легче воспримет предложенную на уроке информацию с помощью компьютера.

Сформулируем основные цели информатизации школьного физического  образования:

развитие личности ученика, подготовка к самостоятельной и продуктивной деятельности в условиях информационного общества, то есть развитие за счет уменьшения доли репродуктивной деятельности конструктивного, алгоритмического творческого мышления; развитие коммуникативных способностей посредством выполнения совместных проектов; формирование умений принимать оптимальные решения в сложной ситуации (в работе с программами-тренажерами); навыков исследовательской деятельности (при работе с моделирующими программами);

реализация социального заказа, обусловленного информатизацией современного общества, то есть подготовка вузами педагогов-физиков, владеющих информационными технологиями;

интенсификация процесса обучения физике за счет активизации познавательной деятельности.

В качестве наиболее перспективных направлений использования информационных технологий в преподавании физики можно выделить следующие:

компьютерное моделирование изучаемых физических процессов;

использование сетевых технологий для общения между преподавателями и обеспечения удаленного доступа учащихся к полезной информации;

привлечение наиболее способной части учащихся к разработкам электронных средств информационной поддержки обучения физике.

Основу физики, как и любой другой естественно-научной дисциплины, составляет экспериментальное изучение действительности. Это определяет первостепенную роль, которую должен занимать эксперимент при обучении этому предмету.

Традиционными формами обучения, позволяющими познакомиться с экспериментальной физикой, являются демонстрационные эксперименты, проводимые во время уроков, и лабораторные работы. Последние, несомненно, наиболее предпочтительны, поскольку подразумевают непосредственное активное участие ученика в эксперименте.

Реальные возможности организации массового выполнения работ в школе весьма ограничены. Это связано, в первую очередь, со сложностью постановки экспериментов, представляющих интерес с точки зрения преподавания современной физики и высокой стоимостью современного экспериментального оборудования. В результате, тематика реально осуществляемых лабораторных работ соответствует простейшим экспериментальным задачам, решавшимся физиками в 18-19 веках. Элементы же современной экспериментальной физики представлены в лабораторных практикумах лишь нескольких ведущих ВУЗов физико-математической ориентации. Помимо уже упоминавшейся дороговизны оборудования, следует указать на ограничения, часто накладываемые его размерами и реальной длительностью изучаемых явлений. Наконец, в курсе физики изучаются явления, которые принципиально не демонстрируемы в аудиторном эксперименте.

В результате знакомство учащихся с экспериментальной физикой нередко ограничиваются упоминанием имени экспериментатора и весьма кратким описанием идеи выполненной им работы, иногда сопровождаемых схематичным изображением установки. При таком подходе физика оказывается представленной не только неполно, но и заведомо неадекватно. Предпринимавшиеся ранее немногочисленные попытки частично решить указанную проблему за счет создания учебных фильмов ушли, по-видимому, безвозвратно в прошлое.

Использование компьютерного моделирования для демонстрации изучаемых явлений природы не должно рассматриваться как попытка подмены реального физического эксперимента. Поле изучаемых явлений, не охваченное реальными демонстрациями столь велико, что ни о какой конкуренции с традиционными экспериментами не может быть и речи.

Особое место занимает компьютерное моделирование в целях имитации работы обучаемых на дорогостоящем лабораторном оборудовании, неквалифицированная работа на котором представляется абсолютно недопустимой.

При этом компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощенной теоретической модели с поэтапным включением в рассмотрение дополнительных усложняющих факторов, постепенно приближающих эту модель к реальному явлению.

Очевидно, что различные преподаватели и учащиеся склонны отдавать предпочтение различным способам использования компьютерного моделирования в обучении. В связи с этим представляется целесообразным создание таких программных продуктов, которые могли бы быть адаптированы к существенно различным замыслам преподавателей, учебным программам и курсам, различным уровням подготовки учащихся.

Современные интерактивные курсы являются нетрадиционными дидактическими материалами и включают в себя принципиально новые элементы. На уроках они могут использоваться и для интерактивного физического эксперимента и для решения исследовательских, экспериментальных задач, но самое главное в том, что процесс обучения все более индивидуализируется и приближается к индивидуальным способностям каждого учащегося. Несмотря на то, что эти компьютерные курсы ориентированы на индивидуальную самостоятельную работу школьников, они могут с успехом использоваться на уроках. Учителя в этих курсах привлекает, прежде всего, возможность уникальных демонстраций и анимационных экспериментов.

Каждый учащийся может получить индивидуальный пакет заданий, индивидуальный контрольный тест из базы данных, созданный в нескольких вариантах сложности, получить электронную консультацию. Задания формируются индивидуально, в зависимости от уровня знаний ученика, возраста учащегося, ведется журнал достижений. Этот журнал доступен и для учащегося, и для учителя. Если учащийся не смог выполнить задание, он после консультации с виртуальным учителем может возвратиться в текст электронного учебника, к анимационному эксперименту, а затем вторично получить уже принципиально новое задание. А поскольку база данных на сервере значительна, то решение всех тестовых заданий носит объективный характер.

Учитель может использовать систему тестовых заданий и для своей методической работы, например для контрольных и самостоятельных работ уже без использования компьютера. Это может быть интересно уже тем, что каждый тест создается вновь и повторов практически не бывает, можно, таким образом, очень просто составить работу на любое количество вариантов и дифференцированным уровнем сложности.

Суть информатизации образования состоит в создании как для педагогов, так и для учащихся благоприятных условий для свободного доступа к учебной и научной информации. Понятие «информационная технология обучения» предметам, включая физику, основано на широких возможностях вычислительных средств и компьютерных сетей, и позволяет вести речь о компьютерных средствах обучения, компьютерных обучающих программах. Укажем основные компьютерные средства обучения, применяемые в настоящее время в средних школах.

Автоматизированные обучающие системы (АОС)

АОС включает в себя комплекс учебно-методических материалов (демонстрационных, теоретических, практических, контролирующих) и компьютерные программы, которые управляют процессом обучения. Комплекс программных продуктов, поддерживающих обучение информатике, дает возможность систематического использования информационных технологий при обучении физике. Программные продукты по физике представляют собой электронные варианты следующих учебно-методических материалов:

электронные словари-справочники и учебники физики;

лабораторные практикумы с возможностью моделирования реальных физических процессов;

программы-тренажеры решения задач по физике;

тестовые системы.

Применение АОС в обучении физике предоставляет возможность организации учебных занятий в соответствии со следующими этапами:

учитель физики вводит разностороннюю информацию (теоретический и демонстрационный материал, практические задания, задачи, вопросы для тестового контроля) в базу данных и формирует сценарий для проведения урока;

ученик в соответствии со сценарием (выбранным им самим или назначенным педагогом) работает с учебным материалом, предлагаемым программой;

выполняется автоматизированный контроль усвоения знаний обеспечивает необходимую обратную связь, позволяя выбрать самому ученику (по результату самоконтроля) или назначать автоматически последовательность и темп изучения материала по физике;

работа ученика протоколируется, информация по итогам тестирования, изучения темы и т.п. заносится в базу данных;

учитель и ученик имеют возможность получать информацию о результатах изучения отдельных вопросов и тем физики в динамике.

Интеллектуальные обучающие системы (ИОС)

Возрастание возможностей компьютеров стимулировало развитие нового направления в информационных технологиях обучения – создание интеллектуальных обучающих систем. Этот подход базируется на работах в области искусственного интеллекта, в частности теории экспертных систем – сложных программ, манипулирующих специальными, экспертными знаниями в узких областях предмета. Как и настоящий человек – эксперт, эти системы решают задачи, используя логику и эмпирические правила, умеют пополнять свои знания. Экспертные системы соединили в себе возможности компьютера с богатством человеческого опыта. ИОС представляет качественно новую технологию обучения физике. В основе метода можно выделить: моделирование процесса обучения, использование динамически развивающейся базы знаний ИОС, автоматический подбор рациональной стратегии обучения для каждого обучающегося, автоматический учет в работе ИОС новой информации по физике, поступающей в базу знаний, то есть саморегулирование системы. Работы в области ИОС пока носят единичный характер и на уровень массовой технологии еще не вышли.

Электронный учебник физики

В последние годы получили распространение лазерные компакт-диски по физике. На этих носителях информации размещаются различные виды экранно-звуковых средств, приспособленных для использования с помощью компьютера. В них предлагаются демонстрации заданий для фронтальной и индивидуальной работы учеников на уроке, для домашней самостоятельной работы. Компакт диски по физике помогают обеспечить интерактивность взаимодействия ученика с учебным материалом, индивидуальную траекторию его усвоения, интенсифицировать обратную связь «учитель-ученик».

Новые возможности информатизации физического образования открыла в 90-е годы гипертекстовая технология. Основная её черта – это возможность переходов по гиперссылкам, которые представлены либо в виде специально оформленного текста, либо определенного графического изображения. Одновременно на экране компьютера может быть несколько гиперссылок, и каждая из них определяет свой маршрут «путешествия». В этой огромной среде легко находить нужную информацию, возвращаться к уже пройденному материалу и т. п. При проектировании гипертекстовой системы можно заложить гиперссылки, опираясь на способности человеческого мышления к интеграции информации и ассоциативному доступу к ней.

Использование динамического гипертекста позволяет провести диагностику знаний, а затем автоматически выбрать один из возможных уровней изучения одной и той же темы курса физики. Эти системы представляют информацию так, что сам обучаемый, следуя графическим и текстовым ссылкам, может использовать различные схемы работы с материалом. Все это создает условия для реализации дифференцированного подхода к обучению физике.

Интернет технологии в физическом образовании

Новый импульс информатизации физического образования дает развитие информационных телекоммуникационных сетей. Интернет обеспечивает доступ к гигантским объемам информации, хранящимся в различных уголках нашей планеты. Многие эксперты рассматривают Интернет-технологии как революционный прорыв, превосходящий по своей значимости появление персонального компьютера. Средства телекоммуникации, включающие электронную почту, глобальную, региональные и локальные сети связи и обмена данными, представляют для обучения физике широчайшие возможности: оперативную передачу на разные расстояния информацию любого объема и вида, интерактивность и оперативную обратную связь, организацию совместных телекоммуникационных проектов, запрос информации по любому интересующему вопросу через систему электронных конференций.

Образовательный web-сайт учебного заведения в сети Интернет – новое средство обучения. В связи с бурным развитием информационных технологий количество и роль образовательных сайтов в деятельности учебных заведений возрастает. От содержания, организационной структуры и функционирования образовательного сайта зависит не только успех взаимодействия учебного заведения с внешним миром, но и образовательные процессы внутри учебного заведения.

Из выше изложенного следует вывод, что для повышения эффективности применения информатики и новых информационных технологий в обучении физике необходимо: совершенствование базовой подготовки учащихся школ и студентов вузов по информатике, переподготовка учителей физики в области, информатизация процесса обучения физике, оснащение школ и кабинетов физики техническими средствами информатизации, создание современной национальной информационной среды, формирование банка учебно-методической информации. Весь имеющийся опыт применения глобальных компьютерных телекоммуникаций в учебном процессе показывает, что учебная работа с использованием сетевых средств и возможностей требует организации и регулярной методической поддержки. Поэтому очевидно, что лишь с появлением сетевых методических объединений можно будет говорить о перспективе широкого, выходящего, наконец, за рамки поисковых экспериментов использования телекоммуникации в учебном процессе.