Лекция №2. Компьютерная поддержка урока.

                                        Лекция №2.

План:

1. Компьютерная поддержка урока.
2. Практика реализации идей. Физический эксперимент.

     1   Компьютерная поддержка урока — комплекс педагогических приёмов с использованием компьютерной техники, направленных на повышение эффективности обучения и облегчение труда педагога. Компьютерная поддержка урока — один из аспектов компьютеризации образования.

 Компьютерная поддержка урока может быть использована в рамках различных учебных курсов. В частности, на уроке физики могут использоваться «видео- и анимационные фрагменты-демонстрации физических явлений, классических опытов, технических приложений» с последующим созданием учащимися аналогичных слайдов-иллюстраций. Особую ценность в этом отношении представляет Компьютерная проектная среда «Живая Физика», позволяющая визуализировать целый ряд абстрактных физических понятий.

  Компьютерная проектная среда Живая Физика предоставляет возможности для интерактивного моделирования движения в гравитационном, электростатическом магнитном или любых других полях, а также движения, вызванного всевозможными видами взаимодействия объектов.    Программа Живая Физика позволяет изучать школьный и вузовский курс физики, усваивать основные физические концепции и сделать более наглядными абстрактные идеи и теоретические построения (такие как, например, напряженность электростатического или магнитного поля). При этом нет необходимости использовать сложное в налаживании, громоздкое, дорогостоящее, а иногда даже опасное оборудование.

   Программа Живая Физика (Interactive Physics) со встроенной русскоязычной справочной системой и комплекты компьютерных экспериментов, содержащие несколько сотен готовых физических задач и моделей экспериментальных установок. (См. http://www.int-edu.ru/object.php?m1=3&m2=284&id=202)

   Компьютерная поддержка урока не ограничивается применением на уроке только лишь компьютера как такового. Сегодня компьютерная поддержка урока включается в себя использование учителем и учащимися различных периферийных устройств: интерактивные доски, мультимедийные проекторы, сканеры, принтеры, графические планшеты; сетевого оборудования; программного обеспечения различной направленности: обучающие программы, в том числе электронные лабораторные работы и виртуальные музеи.

    Содержательно компьютерная поддержка урока физики может быть разнообразной:

- видео -, и анимационные фрагменты-демонстрации физических явлений, классических опытов, технических приложений (их источниками могут служить всевозможные компьютерные программы по физике, сайты Internet; но они не должны подменять живые демонстрации на уроке!);

- материалы для тестового контроля (итогового, рубежного и особенно - диагностического);

- комплекты задач для самостоятельной и групповой работы, с образцами решений и возможностью проверки результатов компьютерным экспериментом;

- проведение компьютерных лабораторных работ (обучающая программа "Открытая физика");

- использование в лабораторных работах встроенных математических программ вычисления результатов, построения графиков, расчёта погрешностей;

- создание физических моделей технических устройств и процессов в специальных средах, развивающих интуитивное мышление (обучающая ПРГ "Живая физика");

- включение в ход урока исторического и справочного материала;

- наборы нестандартных, творческих заданий креативного типа, для которых ребятам требуется дополнительный поиск и преобразование информации;

- анимационные рисунки, логические схемы, интерактивные таблицы и т.п., используемые в ходе объяснения, закрепления, систематизации изучаемого.

  Кроме того, творческим заданием для учащихся может быть создание слайдов (опорных конспектов) к учебным темам. Работа над ними позволит ребятам не только глубже понять материал, но и сформировать дополнительные умения пользоваться встроенными в компьютер программами. (См. http://nsportal.ru/ap/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/library/atomnaya-energetika-i-ekologiya)

   2 Физический эксперимент с использованием компьютерных технологий.

   Сейчас я хочу предложить  выполнить довольно простой физический эксперимент. Определить ускорение свободного падения.

   Практическую работу предлагаю выполнить в трех аспектах:

1. Определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника.

2. Предлагаю выполнить эту же работу с помощью свободно падающего тела и рассчитать погрешность измерений. Затем сравнить полученные результаты с первым способом.

3. Предлагаю не просто вычислить ускорение свободного падения на Земле, а провести небольшую исследовательскую работу, в которой нужно выяснить зависимость характеристик колебательного движения от ускорения свободного падения на Земле и других планетах с помощью компьютерной модели.

1 способ.

Цель: Определить ускорение свободного падения на Земле с помощью математического маятника

Оборудование:

1. Штатив
2. Шарик на нити
3. Секундомер
4. Линейка

Теоретическое обоснование:

Период свободных колебаний математического маятника:

                  Т=2*π*√L/g

Откуда ускорение свободного падения:

                  g= (4* π²*L)/ T²

Результаты обрабатываются в программе EXCEL

2 способ.

Цель: Определить ускорение свободного падения на Земле с помощью свободно падающего тела.

Оборудование:

1. Мяч
2. Измерительная лента
3. Секундомер (время с точностью до сотых можно измерить с помощью секундомера на сотовом телефоне)

Теоретическое обоснование:

Уравнение  движения  S=V0*t+(g*t2/2)

Без начальной  скорости. S=g*t2/2

Откуда ускорение свободного падения: g = 2S / t²

1. способ.

Цель: Исследовать зависимость характеристик пружинного маятника от ускорения свободного падения на Земле и других планетах с помощью моделирования колебательного движения.

Оборудование:

1. Компьютер
2. Интерактивная доска
3. УМК «Живая физика»

Воспользуемся компьютером, интерактивной доской и УМК «Живая физика». (http://www.int-edu.ru/object.php?m1=3&m2=284&id=202)

  Перед нами пружинный маятник, который находится у поверхности Земли. Установим длину пружины, массу тела и коэффициент упругости. Запустим систему. Мы видим,  как изменяются характеристики такой колебательной системы.  При изменении массы, дины и коэффициента упругости изменяются и частота и период колебаний, это хорошо видно на этой модели.  Колебания смоделированы в реальном времени, поэтому можно снимать показания и определить зависимость периода колебаний от массы груза и коэффициента упругости.

  В отличие от первых  двух работ мы будем не просто измерять ускорение свободного падения на Земле, а проделаем исследовательскую работу и выясним зависимость основных характеристик колебательной системы от ускорения свободного падения, а точнее от гравитационных сил на примере пружинного маятника.  

   Нам придется помещать пружинный маятник в более сильные или слабые гравитационные поля, например, помещать его на другие планеты Марс, Венеру или Луну, где ускорение свободного падения отличается от нашего  земного.

  Усложним эксперимент.  Поместим с помощью этой модели наш маятник в более слабое гравитационное поле, например на Луну, где ускорение свободного падения в 6 раз меньше, чем у нас у поверхности Земли. Мы видим, как изменяются основные характеристики колебательной системы: период, амплитуда и частота колебаний.

   А теперь вернемся на Землю и продолжим исследование, еще усложнив внешние условия: учтем обычное атмосферное сопротивление воздуха, кстати, на Луне этого учесть нельзя по одной простой причине – там нет воздуха, нет атмосферы.

   Пожалуй, еще добавим ветер, зададим его скорость и направление и смоделируем еще более сложную колебательную систему, добавив еще одну пружину.   Видите, что происходит?

   Теперь мы можем снять показания и с помощью программы EXCEL  обработать полученный результат и сделать выводы.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое компьютерная поддержка урока?
2. Что включает в себя компьютерная поддержка урока?
3. Приведите примеры компьютерной поддержки уроков физики, которые Вы применяете на своих уроках.

                       ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

        АЛГОРИТМ РАБОТЫ С КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММОЙ «ЖИВАЯ ФИЗИКА».

10 класс.

Тема урока: «Компьютерное моделирование баллистического движения».

План урока:

1. Введение. Краткая характеристика Компьютерное моделирование. Программа "Живая физика".
2. Постановка задачи исследований баллистического движения с помо щью компьютерного моделирования. Формулировка заданий.

1. Проведение исследований.

3. Сопоставление результатов экспериментальных и модельных исследо ваний.
4. Обсуждение результатов, формулировка общих выводов по комплекс ному исследованию.

1. Введение. Краткая характеристика Компьютерное моделирование. Программа "Живая физика".

Математическое или компьютерное моделирование представляет собой мощный исследовательский инструмент. Физики могут досконально исследо вать хорошую компьютерную модель какого-либо явления или процесса, найти новые особенности. По результатам теоретических расчетов выбирается из возможных многочисленных вариантов самый подходящий эксперимент. Со временная экспериментальная физика использует очень сложную и дорого стоящую аппаратуру и поэтому качественные теоретические исследования и моделирование позволяют избежать пустых затрат времени и ресурсов на не удачные эксперименты.

В учебной физике компьютер открывает много новых возможностей. Фи зические законы, понятия, явления и эффекты предстают на экране монитора в красочной и наглядной форме, сочетая в себе демонстрационные опыты и ма тематическое описание.

Возможности моделирования наглядно и убедительно можно продемонст рировать при изучении законов баллистического движения тел.

Базовая модель на примере движения материальной точки в поле тяжести реализована в программной оболочке "Живая физика" (Рис. 8).

В верхнем левом углу окна расположены клавиши управления движением модели. Ближе к центру помещены регуляторы, задающие скорость выстрела и начальный угол полета снаряда, они настроены так, что диапазоны их измене ния позволят нам задать реальные значения и направления начальной скорости шара. В правом верхнем углу окна размещено табло измерения скоростей (мо дуль вектора скорости, его горизонтальная и вертикальная проекции). На поверх ности рабочего стола размещены три цветных шарика, их размеры и масса со ответствуют шарику, применяемому в условиях эксперимента. Красный шар ри сует в процессе движения траекторию тела, а синий и зеленый шары в режиме стробоскопа показывают особенности движения по горизонтали и вертикали.

В базовой модели, как и в эксперименте, не предполагается учитывать си лы трения и сопротивление среды (при таких малых скоростях поправка не зна чительна), хотя с помощью клавиши Среда можно продемонстрировать се на личие. Несмотря па упрощенность модели, на ее основе мы можем продемонст рировать все особенности движения снаряда. Она может быть полезна учителю для быстрой демонстрации ученикам конечного результата моделирования, объяснения особенностей раздельного движения и как начало будущего услож нения ситуации.

1. Постановка цели и задач исследований баллистического движения с
   помощью компьютерного моделирования. Формулировка заданий.

1. Цель модельных исследований: выбор адекватной модели реального явления и получение с ее помощью полного описания исследуемого явления.
2. Решаемые задачи:

1. установление адекватности компьютерной модели и реального явления;
2. анализ зависимости высоты и дальности полета от начальной скорости и угла вылета, наличия сопротивления;

      • сопоставление результатов экспериментальных и модельных исследований.
    2.3.Оборудование: компьютер, принтер, обучающая программ "Живая фи зика".

2. Проведение исследования.

Знакомство с интерфейсом программы. Выполнение тренировочного и тестового заданий. Самостоятельные исследования.

3. Сопоставление результатов экспериментальных и модельных ис следований.

Сравнить результаты модельных исследований с полученными экспери ментальными данными. Объяснить соотношения результатов моделирования и измерений с учетом погрешностей.

4. Обсуждение результатов, формулировка общих выводов по ком плексному исследованию.

Началом обсуждения, как было уже использовано, могут быть контроль ные вопросы по пониманию смысла выполненных модельных исследований и их соответствия эксперименту.

3. Применимы ли формулы равноускоренного движения к баллистическо му движению?
4. В чем проявляется влияние среды, в которой движется тело? Как его учитывать в модели?
5. Соответствует ли исследованная Вами модель реальному эксперименту?
6. Какие новые сведения, в сравнении с экспериментом, Вы получили?
7. По результатам обсуждения вопросов учащиеся самостоятельно форму лирую общие выводы по проведенным комплексным исследованиям.

                                          ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

     О применении  компьютерных учебных программ по физике

"Открытая физика. 2.0." и "Открытая астрономия"

с элементами дистанционного образования.

   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. В первую часть курса "Открытая физика. 2.0." включено 50 физических моделей, позволяющих в динамике проиллюстрировать изучаемое физическое явление. Модели дают возможность в широких пределах изменять условия физических экспериментов (массы, скорости, ускорения, жесткости пружин, температуры, характер протекающих процессов и т. д.).

   Например, в компьютерной модели "Изобарный процесс" моделируется изобарный процесс, т.е. процесс квазистатического расширения или сжатия идеального газа при постоянном давлении. Давление газа можно выбирать. Приводится график зависимости для изобарного процесса, выводится энергетическая диаграмма, на которой указываются количество теплоты Q, полученной газом, произведенная работа A и изменение его внутренней энергии DU.

Компьютерная модель "Вынужденные колебания" демонстрирует вынужденные колебания груза на пружине. Изменяющаяся по гармоническому закону внешняя сила приложена к свободному концу пружины. Внешняя сила начинает действовать на колебательную систему при нажатии кнопки "Старт"; поэтому компьютерная модель позволяет продемонстрировать не только установившиеся вынужденные колебания, но и процесс установления (переходный процесс). В модели можно изменять массу груза m, жесткость пружины k и коэффициент вязкого трения b. Можно одновременно вывести графики зависимости от времени координаты и скорости груза и другие параметры колебаний, рядом расположена резонансная кривая. На этой модели можно с легкостью показать школьникам, что установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте вынуждающей силы, что резонанс наступает, когда эта частота приближается к собственной частоте колебательной системы.

  Обычный учебник никогда не достигнет таких обучающих возможностей.

   В обоих курсах имеются лабораторные работы. В курсе "Открытая физика 2.0." предложено 12 лабораторных работ. Существует специальная методика использования компьютерных лабораторных работ на уроках физики, сначала предлагается выполнить эксперимент "на натуре", только после этого рекомендуется выполнять компьютерную лабораторную работу.

На русском языке компьютерные курсов такого уровня, которые могут использоваться на уроках немного. Это "Физика в картинках", "1С: Репетитор. Физика", "Живая физика".

     Тем не менее, два новых курса отличаются от них коренным образом. Все компьютерные модели написаны на языке Java, использованы Интернет - технологии (Java, HTML, Internet Explorer в качестве броузера и т.д.), что позволяет использовать эти учебные курсы в проектах дистанционного образования. И именно это делает эти курсы исключительно интересными для методической работы учителя. 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.

   Компьютерный курс "Открытая астрономия" в настоящее время существует в бета-версии, полный курс находится в процессе отладки анимационных программ. Этот курс сразу задуман для работы в классе и содержит около 400 иллюстраций, 60 анимаций, планетарий. Среди анимаций не только для уроков астрономии, но и на уроках физики могут использоваться "Интерференционный опыт Юнга", "Дифракция Фраунгофера", "Абсолютная температура", "Закон Вина", "Приливы и отливы", "Движение спутников", "Гравитационный маневр", "Спектры звезд", "Синтез ядер гелия" и другие.

    Планетарий - самостоятельный модуль, интегрированный в "Открытую астрономию". Его назначение - из любого места программы по требованию пользователя показать участок звездного неба, в котором находится интересующий объект. Например, ученик читает о пульсарах. По кнопке "Планетарий" он попадает в интерактивную карту звездного неба на текущий момент времени, где отмечено местоположение наиболее известных пульсаров. Разработанный на языке Java, планетарий представляет ценность не только как элемент интерактивного курса, но и как самостоятельный Internet-продукт для любителей астрономии.

   "Открытая астрономия" - единственный учебный компьютерный курс по астрономии. Существующий диск по астрономии "Redshift 3" является не учебным курсом, а компьютерным астрономическим атласом.

   Суммируя вышесказанное, учитель на уроке может использовать данные учебные компьютерные курсы следующим образом:

демонстрации и иллюстрации текстов, формул, фотографий при изучении нового материала, т.е. как наглядного пособия;

демонстрации фотографий ученых, их кратких биографий;

демонстрации анимационных экспериментов;

иллюстрации методики решения сложных задач;

проведения компьютерных лабораторных работ;

интерактивного обучения как источника учебной информации, если у каждого учащегося есть свой доступ к диску (это прекрасно получается при сетевой версии продуктов);

контроля за уровнем знаний, при этом используются не только возможности задач, но и тестовые задания;

организации проектной и исследовательской деятельности учащихся;

интерактивного обучения в индивидуальном режиме при использовании доступа к сети Интернет;

текущего контроля знаний с использованием современных технологий дистанционного обучения, при этом используется индивидуальное информационное пространство, каждому учащемуся создается индивидуальное задание.

Методическое обеспечение компьютерных курсов по физике и астрономии

     Учитель физики при выборе компьютерного учебного пособия всегда будет выбирать такое, к которому сможет найти дополнительно методическое обеспечение, рабочие тетради, описание лабораторных работ, ответы на тестовые задания.

     Что же сегодня мы имеем в продаже? Практически ничего!

     На сегодняшний день учитель физики будет выбирать между тремя солидными компьютерными курсами:

     1. "1 С Репетитор.Физика"

     2. "Живая Физика"

     3. "Открытая физика".

     Первый курс содержит прекрасный электронный учебник, хорошую подборку задач различного уровня сложности, предлагаемых на вступительных экзаменах в ведущие физические вузы, содержит простейшие имитационные эксперименты, видеозаписи, компьютерную анимацию, но этот курс предназначен больше для абитуриентов. Учителю в школе данный курс использовать трудно, кроме того, не существует методических указаний по использованию данного курса. Компания 1С проводит большую работу по рекламе своего продукта, но без методического сопровождения простому учителю этот диск использовать сложно.

     Второй компьютерный курс "Живая физика", который адаптирован на русский язык ИНТом, является универсальным конструктором по механике. "Живая Физика" поможет школьникам изучать любое движение движения в гравитационном, электромагнитном полях. ИНТ выпускает специальные, многостраничные, объемные методические пособия для учителей. Но все равно, для любого урока, при изучении любой темы, этот курс не подходит.

     Последний курс "Открытая Физика 1.0." часть I и "Открытая Физика 1.0." часть II охватывают весь курс физики с 7 класса по 11 класс, содержит 90 компьютерных анимаций. В настоящее время издано прекрасное пособие Кавтрева А.Ф. "Методические аспекты преподавания физики с использованием компьютерного курса "Открытая Физика 1.0. часть I"., СП., - М., 2000

          Автор предлагает конкретные примеры использования учебного курса, такие, как:

     1. Урок - исследование, когда учащимся предлагается самостоятельно провести небольшое исследование;

     2. Урок решения задач с последующей компьютерной проверкой.

     Приводится конкретная методика проведения первых компьютерных уроков, примеры составления заданий к компьютерным моделям.

     Особенно интересными в пособии для учителя физики будут рекомендации, как подготовить и провести компьютерную лабораторную работу. (Рекомендуется вначале провести "на натуре"). Примеры компьютерных лабораторных работ расписаны в виде последовательных экспериментальных задач с построением графиков отчета, ответом на контрольные вопросы, подробным решением задач.

     Поскольку в продаже уже имеется курс "Открытая Физика 2.0.", который имеет элементы дистанционного обучения, и на сегодняшний день является самым современным курсом по физике, мы будем ждать и методических рекомендаций по использованию этого компьютерного курса. А, если в идеале мы будем иметь примерное календарное планирование с примерами включения конкретных анимационных моделей, видеозаписей экспериментов, компьютерных лабораторных работ, то получим ценнейшее методическое пособие для достойного проведения современного урока физики.

     Но еще хуже дело обстоит с учебными дисками по астрономии. В настоящее время на русском языке нет ни одного учебного диска по астрономии, они только начинают создаваться, а о методических пособиях, описывающих тонкости методики преподавания астрономии можно только мечтать.

      Интересующую Вас информацию можно найти на:

http://www.college.ru/metod_phys.html методическое пособие КавтреваА.Ф.

http://www.college.ru/articles/article_of_Homulina.html - об учебном компьютерном курсе "Открытая Физика 2.0."