Использование виртуальных лабораторий на уроках физики

Использоавание виртуальных компьютерных лабораторий в преподавании физики

С широким внедрением информационных технологий в учебный процесс, у многих педагогов возникли вопросы: "А нужен ли вообще компьютер на уроках физики? Не вытеснят ли компьютерные имитации реальный эксперимент из учебного процесса?". Педагоги нашей школы считают, что использование компьютера на уроках оправдано, прежде всего, в тех случаях, в которых он обеспечивает существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Я с ними полностью согласна. Одним из таких случаев является использование компьютерных моделей и виртуальных лабораторий.

Переход российского образования на новые федеральные государственные образовательные стандарты предполагает широкое использование метода проектов при изучении физики. Я считаю, что одним из инструментов, обеспечивающим выполнение проектов в школьном курсе физики, могут быть виртуальные компьютерные лаборатории. Поскольку они являются относительно новым инструментом деятельности учителя и учащихся, рассмотрим несколько подробнее, что же это за инструмент.

Виртуальные компьютерные лаборатории - это программные среды, которые позволяют поль-зователю, будь то учитель или учащийся, создавать, не будучи программистом, компьютерные модели изучаемых явлений. Виртуальные лаборатории основаны на идее «визуального про-граммирования». Это означает, что пользователь тем или иным способом (например с по-мощью манипулятора мышь) рисует на экране модель изучаемого явления. И эта модель при запуске системы начинает «работать», позволяя изучать смоделированное явление. Важно, что если готовые модели, которые можно отыскать в Интернете или, к примеру, на компакт-дисках, ограничивают действия пользователя и учащихся теми рамками, которые заложили в них разработчики, то в виртуальной лаборатории модели могут создаваться именно под задуманный учителем (или учащимся) проект.

В чем же заключается преимущество компьютерного моделирования по сравнению с натурным экспериментом? Компьютерное моделирование позволяет наглядно иллюстрировать эксперименты и явления, воспроизводить их тонкие детали, которые могут быть незамечены наблюдателем при реальных экспериментах. Использование компьютерных моделей и виртуальных лабораторий предоставляется как уникальная возможность визуализации упрощенной модели реального явления. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному явлению. Кроме того, компьютер позволяет моделировать ситуации, нереализуемые экспериментально.

Например, при изучении темы "Ядерный реактор" в 11-м классе я использую модель "Работа ядерного реактора" из учебного электронного издания "Физика 7-11 класс. Практикум" компании ФИЗИКОН, которая ярко и наглядно представляет процессы, происходящие при работе ядерного реактора. Работа учащихся с компьютерными моделями и виртуальными лабораториями, чрезвычайно полезна, так как они могут ставить многочисленные эксперименты и даже проводить небольшие исследования. Интерактивность открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Процесс компьютерного моделирования для учащихся увлекателен и поучителен, так как результат моделирования всегда интересен, а в ряде случаев может быть весьма неожиданным. Создавая модели и наблюдая их в действии, учащиеся могут познакомиться со многими явлениями, изучить их на качественном уровне, а также провести небольшие исследования. Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую или химическую лабораторию.

Одной из наиболее интересных виртуальных компьютерных лабораторий является программа «Живая Физика». Это распространяемая Институтом новых технологий русская локализа-ция программы Interactive Physics, принадлежащей мичиганской фирме Design Simulation Technologies. «Живая Физика»  виртуальная лаборатория для плоской (двумерной) механики, позволяющая моделировать движение и взаимодействие твёрдых тел в гравитационных, элект-ростатических и магнитных полях с учётом различных связей (пружины, тросы и так далее). Можно моделировать сопротивление среды, создавать измерители различных физических величин, регуляторы, задающие значения тех или иных параметров моделирования. Более подробно познакомиться с возможностями программы можно на сайте Института новых технологий, обратившись к размещённым там видео-роликам мастер-класса по программе.

Если проект связан с изучением явления, для которого возможно создание компьютерной модели (или моделей), то применение моделей в нём может осуществляться:

на 1-м этапе - учителем для демонстрации сюжетной ситуации;

на 2-м этапе - учителем, когда он предлагает возможные формы презентации результатов;

на 3-м этапе - учениками, когда они ведут исследование, когда «добывают» недостающие знания, когда готовят презентацию результатов;

на 4-м этапе - учениками, когда они демонстрируют понимание проблемы, цели и задач и того, что Н.Ю. Пахомова называет «найденным способом решения проблемы».

В качестве примера проекта рассмотрим проект по изучению астро-бластера. Так называется игрушка, действие которой основано на за-конах сохранения импульса и энергии. Она изобретена американским астрофизиком Стирлингом Колгейтом (Stirling A. Colgate) для демон-страции предложенного им механизма взрыва сверхновых звёзд. Астробластер представляет собой (рис. 1) пирамидку из четырёх упругих шариков, причём нижний шарик имеет вверху стержень, на который, надеваются три верхних шарика, имеющие по вертикальному диаметру соответствующие отверстия. Поведение этой игрушки достаточно парадоксально. Если взять её за верхний конец стержня, а затем уронить со сравнительно небольшой высоты, то при соударении нижнего шарика с полом он и два шарика непосредственно над ним очень невысоко отскакивают от пола, зато верхний шарик взлетает на высоту много большую, чем та, с которой всю эту конструкцию уронили. Такое удивительное поведение игрушки живо привлекает внимание учащихся. Объяснение же этого поведения, которое мы здесь приводить не будем, вполне по силам ученикам, изучающим школьный курс физики. В результате изучение и объяснение работы астробластера является хорошей темой ученического проекта.

Астробластер широко представлен в ассортименте Интернет-магазинов, торгующих «образо-вательными» игрушками. К сожалению, российских Интернет-магазинов среди них пока нет, поэтому познакомить с этой игрушкой учеников непосредственно для учителя довольно затруднительно.

На первом этапе («Погружение в проект») учителю доступны следующие возможности:

продемонстрировать видеофильм о поведении астробластера; продемонстрировать натурный эксперимент с двумя упругими шариками (тяжёлым внизу и лёгким  над ним), поведение которых при падении на горизонтальную поверхность почти аналогично поведению астробластера Рис. . Простейшая модель астробластера в Живой Физике.

Слева-исходное состояние, справа - момент подскока верхнего шарика.

продемонстрировать компьютерную модель астробластера (рис. 2), которая может быть создана в «Живой Физике» буквально считанным числом кликов мыши.

В ходе второго этапа учитель советует ученикам для работы над проектом использовать компьютерную модель астробластера (такое моделирование следует, по возможности, сочетать с натурным экспериментом). Подсказывает, что к презентации результатов стоит создать модель, в которой будет использовано больше возможностей программы «Живая Физика», в частности - возможность замены тел рисунками, что позволит получить более реалистичную модель.

На третьем этапе ученики изучают работу астробластера; создают и настраивают компьютерную модель; подключают к шарикам нужные измерители; объясняют поведение игрушки, используя законы сохранения энергии и импульса; готовят презентацию к четвёртому этапу. Конечный результат моделирования, который ученики могут использовать на этом этапе, может выглядеть, например, как это представлено на рис. 3.

Рис. . «Презентационная» модель астробластера. Справа - вставленная в модель фотография игрушки

Необходимо добавить, что наше изложение здесь сосредоточено именно на общих возможностях использования виртуальных компьютерных лабора-торий, поэтому мы сознательно опустили собственно физическую часть работы с виртуальной лаборато-рией: настройку в «Живой Физике» масс и упругос-тей шариков, измерения скоростей до и после каждо-го из происходящих столкновений между шариками, проверку соответствия измеренных скоростей зако-нам сохранения импульса и сохранения энергии. Важно, что на всех этапах выполнения проекта компьютерная виртуальная лаборатория может оказаться полезным инструментом в руках учителя и учеников.

«Живая Физика», конечно, не единственная виртуальная компьютерная лаборатория, которой можно воспользоваться в процессе проектной деятельности. В зависимости от тематики проекта полезными окажутся те лаборатории, в которых возможно моделирование изучаемого круга явлений. Так, например, программа «Енка» включает в русской версии две лаборатории по физике. Первая, носящая название «Электричество и магнетизм», пригодна для проектов, в которых может понадобиться моделировать довольно широкий круг электродинамических явлений и устройств, основанных на таких явлениях. Вторая, «Оптика и волны», позволяет моделировать явления и приборы в рамках геометрической и волновой оптики, а также волны на воде, звуковые волны и волны в струне. Однако, полностью «перекрыть» все разделы школьного курса физики виртуальные компьютерные лаборатории пока, к сожалению, не могут. Среди известных автору такого рода лабораторий нет ни одной, которая работала бы в области атомной и квантовой физики, теории относительности. Довольно слабы возможности виртуальных лабораторий в области моделирования термодинамических явлений, а также гидростатики и гидродинамики. Тем не менее, виртуальные физические лаборатории уже сейчас охватывают большую часть школьного курса физики. Можно надеяться, что дальнейшее их развитие позволит учителю и учащимся создавать модели почти любого явления, которое может представлять интерес для курса.

При выполнении компьютерных лабораторных работ у школьников формируются навыки, которые пригодятся им и для реальных экспериментов - выбор условий экспериментов, установка параметров опытов и т.д. Все это превращает выполнение многих заданий в микроисследования, стимулирует развитие творческого мышления учащихся, повышает их интерес к предметам естественно-научного цикла. Работа учащихся с компьютерными моделями полезна потому, что, благодаря возможности изменения в широких пределах начальных условий экспериментов, компьютерные модели позволяют им выполнять многочисленные виртуальные опыты. Некоторые модели позволяют одновременно с ходом экспериментов наблюдать построение соответствующих графических зависимостей, что повышает их наглядность. Подобные модели имеют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

В качестве примера можно привести модель "Равноускоренное движение тела" из выше названного диска. В данной модели, кроме движущегося спортсмена, который в соответствии с заданными начальными условиями тормозит, разворачивается и набирает скорость в противоположном направлении, соответственно изменяется длина и направление вектора его скорости, а также в динамическом режиме строятся графики координаты, модуля перемещения и проекции скорости. К тому же, такая самостоятельная исследовательская деятельность настолько для них интересна и увлекательна, что вопросы обеспечения дисциплины и внимания вообще не возникают.

Конечно, компьютерные демонстрации будут иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора. Поскольку количество компьютеров и наполняемость классов в нашей школе невелика, то я имею возможность широко применять информационные технологии в учебном процессе. При этом я использую компьютеры для самостоятельной подготовки учащихся (изучение конспектов, просмотр видеозаписей, проведение практических работ). Провожу классные лабораторные работы (в компьютерном классе), самостоятельные практические работы учеников (решение примеров из базы данных вопросов и задач), готовлю материалы для проведения контрольной работы в традиционном ("бумажном") варианте в классе, для подготовки к занятию или контрольной работе, для выполнения учащимися творческих работ под руководством учителя, а также самостоятельно. Компьютерные модели легко вписываются в традиционный урок и позволяют учителю организовывать новые виды учебной деятельности.

В качестве примеров приведу три вида уроков с использованием моделей, опробованных мной на практике. Урок закрепления знаний - решение задач с последующей компьютерной проверкой полученных ответов. Можно предложить учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве домашнего задания задачи, правильность решения которых они смогут проверить, поставив компьютерные эксперименты. Самостоятельная проверка полученных результатов при помощи компьютерного эксперимента усиливает познавательный интерес учащихся, делает их работу творческой, а в ряде случаев приближает ее по характеру к научному исследованию. В результате, на этапе закрепления знаний многие учащиеся начинают придумывать свои задачи, решать их, а затем проверять правильность своих рассуждений, используя компьютер. Составленные школьниками задачи можно использовать в классной работе или предложить остальным учащимся для самостоятельной проработки в виде домашнего задания.

Урок обобщения и систематизации знаний - исследовании. Учащимся предлагается на этапе обобщения и систематизации нового материала самостоятельно провести небольшое исследование, используя компьютерную модель или виртуальную лабораторию, и получить необходимые результаты. Компьютерные модели и виртуальные лаборатории позволяют провести такое исследование за считанные минуты. Конечно, учитель формулирует темы исследований, а также помогает учащимся на этапах планирования и проведения экспериментов.

Урок комплексного применения ЗУН - компьютерная лабораторная работа. Для проведения такого урока необходимо, прежде всего, разработать соответствующие раздаточные материалы, то есть бланки лабораторных работ. Задания в бланках работ следует расположить по мере возрастания их сложности. Вначале имеет смысл предложить простые задания ознакомительного характера и экспериментальные задачи, затем расчетные задачи и, наконец, задания творческого и исследовательского характера. Отмечу, что задания творческого и исследовательского характера существенно повышают заинтересованность учащихся в изучении предметов и являются дополнительным мотивирующим фактором. По указанной причине уроки последних двух типов особенно эффективны, так как ученики получают знания в процессе самостоятельной творческой работы. Эти знания необходимы им для получения конкретного, видимого на экране компьютера, результата. Учитель в таких случаях является лишь помощником в творческом процессе формирования знаний.

В последнее время много говорится об индивидуальном подходе при обучении учащихся. Как же можно осуществить индивидуальный подход при использовании компьютерных моделей в учебном процессе? При индивидуальной работе учащиеся с большим интересом "возятся" с предложенными моделями, пробуют их регулировки, проводят эксперименты. Рассмотрим виды заданий к компьютерным моделям с точки зрения их использования при работе с одаренными и слабоуспевающими учащимися. Например, ознакомительные задания, простые компьютерные эксперименты, экспериментальные и качественные задачи больше подойдут для слабых учащихся. В то время как расчетные задачи с последующей компьютерной проверкой подходят и для слабых и для одаренных учащихся. В этом случае все зависит от сложности предлагаемых задач.

А вот неоднозначные задачи, задачи с недостающими данными, творческие, исследовательские и проблемные задания больше подходят для сильных учащихся. Хотя, если учитель может оказать существенную помощь слабым учащимся, то и они могут одолеть некоторые из этих заданий. Наиболее способным учащимся можно предлагать исследовательские задания, то есть задания, в ходе выполнения которых им будет необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, позволяющих подтвердить или опровергнуть определенные закономерности. Самым сильным ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности. Отметим, что на уроках большим и неизменным успехом, как у сильных, так и у слабоуспевающих учащихся пользуются творческие задания на придумывание собственных задач.

Кроме того, я широко применяю информационные технологии не только на уроках, но и на дополнительных занятиях. В частности при подготовке учащихся к итоговой аттестации в форме ЕГЭ.

7