Дидактический потенциал цифровых инструментов в деятельности педагога

Цифровые инструменты прочно вошли в образовательный процесс и значительно расширили возможности как педагогов, так и обучающихся. Исследователи, занимающиеся проблемами цифровизации образования, сходятся во мнении, что «в условиях быстрых изменений самих технологий в цифровой среде возникает потребность в гибких инструментах создания и внедрения инноваций в учебный процесс» [8, с. 52]. Применение цифровых технологий и инструментов регламентировано в Федеральном законе Российской Федерации «Об образовании», который является правовой основой для их внедрения в образовательный процесс. Обучение в цифровой среде помогает сделать процесс освоения знаний и умений более эффективным, поскольку цифровые технологии предлагают множество новых способов заинтересовать учащихся изучаемым предметом.

Цифровые инструменты в образовании – это множество цифровых технологий, предназначенных для повышения качества, скорости и привлекательности передачи знаний в процессе обучения и воспитания. К ним относятся системы электронного обучения, социальные сети, видеосервисы, сервисы графических и игровых материалов, виртуальные лаборатории [2]. Цель создания таких ресурсов – сделать образование открытым и доступным для детей, повысить интерес учащихся к обучению и участие в нем, облегчить контроль за их достижениями в различных формах получения, воспроизведения, анализа и применения знаний [3].

Применение цифровых инструментов особо актуально при освоении знаний естественнонаучных дисциплин. Они позволяют моделировать различные ситуации, которые невозможно осуществлять другими средствами, например, медленно и быстро протекающие процессы, опасные для здоровья объекты и явления, техногенные аварии, объекты и технические устройства, которые невозможно представить в лабораторных условиях [4].

С другой стороны, многие авторитетные ученые, в том числе В.Г. Разумовский, настаивают на том, «что необходимо изучать не только модели явлений, но прежде всего сами явления» [6, с. 48]. Поэтому возникла проблема рационального сочетания виртуального и натурного экспериментов. В некоторых случаях виртуальная модель может быть использована как метод получения теоретических знаний о природных явлениях, как способ реализации мысленного эксперимента, а в других – как самостоятельное практическое исследование.

В связи с многообразием цифровых инструментов и постоянным их обновлением, перед педагогами возникает необходимость подбора адекватных инструментов, позво ляющих достичь заданных дидактических целей. Каждый педагог работает с определен

ной группой учащихся и в определенных условиях, с разным материально-техническим оснащением, наличием Интернета, компьютерного оборудования и др. Несмотря на имеющиеся в распоряжении педагога цифровые инструменты с наполненным содержанием (РЭШ, МЭШ, ЯКласс, Инфоурок), многие учителя считают их неприемлемыми по ряду причин. Во-первых, информация представлена в готовом виде, мало отличающемся от текста учебников; во-вторых, большинство заданий и задач снабжены описанием решений и ответов, что не позволяет организовать процесс обучения учащихся; в-третьих, контроль за усвоением знаний и умений становится неуправляемым и не позволяет адекватно оценить знания каждого ученика, т. к. они имеют возможность найти готовые решения и ответы в Интернете. Таким образом, проблема эффективного использования цифровых инструментов для достижения заданных дидактических целей остается актуальной.

Дидактический потенциал можно рассматривать как совокупность методов, средств и приемов обучения, используемых или предназначенных для использования отдельными учителями, коллективами учителей, образовательными учреждениями и системой образования в целом. Выявление дидактического потенциала помогает улучшить процесс обучения и качественно оценить уровень подготовки учащихся.

На наш взгляд, наиболее целесообразно использовать в учебном процессе цифровые инструменты, соответствующие дидактическим целям конкретного урока и позво-

Применение цифровых инструментов на различных этапах урока

№ Этап урока Дидактическая цель применения цифровых инструментов Цифровые инструменты 1 Актуализация знаний и действий Установить усвоены ли учениками опорные знания и сформированы ли умения, необходимые для изучения нового материала Сервисы для создания тестов: Madtest: MyQuiz: LearningApps: ru/admin/ 2 Мотивационный этап Создание у обучающихся потребности в освоении новых знаний и действий Каналы на сервисе YouTube: GalileoRU: channel/UCpNzWUlO6PVb_v7chefB-nig Павел ВИКТОР: https://www.youtube. com/@pvictor54 Центр Архэ: https://www.youtube. com/@arhecenter ПостНаука: channel/UCSPd93is2UQsd_jZ6yHBfqQ 3 Этап создания нового знания Организация познавательной деятельности учащихся по получению новых знаний на эмпирическом или теоретическом уровнях познания Интерактивные модели и симуляции PhET: Labster: news/labster-simulations/ GeoGebra: Gizmos: https://gizmos.explorelearning. com/ STEMsims: 4 Этап применения знаний Организация познавательной деятельности учащихся по неоднократному применению полученных знаний 5 Контрольный этап Выявить уровень сформированности знаний и умений у каждого учащегося Сервисы для создания тестов: Madtest, MyQuiz, LearningApps, ляющие педагогу самостоятельно наполнять их необходимым содержанием. Основной типовой профессиональной задачей любого учителя является проектирование и реализация урока, на котором организуется познавательная деятельность учащихся по созданию и применению новых знаний [7]. Поэтому перед учителем возникает задача отбора и создания цифровых ресурсов, которые целесообразно применять на конкретных этапах урока данного типа. Прежде всего, необходимо выделить основание для классификации имеющихся цифровых инструментов в виде дидактических целей и их применения на определенных этапах урока изучения нового материала. В таблице на с. 61 представлены этапы урока изучения нового материала, дидактические цели этих этапов урока, приведены примеры цифровых инструментов, возможности которых позволяют достигать сформулированные цели.

Проиллюстрируем возможности целесообразного применения цифровых инструментов на некоторых этапах урока физики.

На этапе актуализации знаний и действий можно использовать онлайн-сервис для создания тестов и викторин MyQuiz. Сервис дает возможность составлять вопросы разного типа: с вариантом ответа, открытый вопрос, изображение как ответ, голосование и др. Педагог может выставлять время для ответа на вопрос в зависимости от его сложности и типа. Учитель разрабатывает систему заданий разного типа, которую затем размещает на платформе. Для организации этого этапа ученикам предлагается перейти к тесту по ссылке или QR-коду со своего смартфона или компьютера. Цель этого этапа состоит в установлении уровня усвоения опорных знаний для последующего изучения нового материала.

Опишем систему заданий, которые необходимо выполнить ученикам на этапе актуализации знаний при изучении темы «Механическое движение», состоящую из пяти вопросов разного типа, загруженных на платформу MyQuiz: вопросы 1 и 2 – открытого типа; вопросы 3 и 5 – с выбором ответа из предложенных ситуаций, представленных в виде изображений; вопрос 4 – с выбором ответа из предложенных вариантов. Общее время на выполнение теста составляет 5 минут.

Вопрос 1. Запишите определение понятия «механическое движение».

Вопрос 2. Опишите ситуации, в которых имеет место механическое движение.

Вопрос 3. Укажите, относительно каких тел выделенное тело А находится в движении, относительно каких тел – в покое.

Вопрос 4. Выберите элементы, которые входят в понятие «система отсчета».

Варианты ответа: 1. Тело отсчета. 2. Система координат. 3. Часы. 4. Секундомер. 5. Траектория.

Вопрос 5. Выберите из приведенных уравнений те, которые описывают изменение координаты с течением времени для движущейся равноускоренно материальной точки.

r r at 1.     5 = и t +--- 0 2	2 a t 2 2. X = x„ + U tt +-- 0      0 x
ayt 2 4. y = y 0 + u 0 y t + 2	5.      U y = U 0 y + a y t

Ux = U0 x + axt

Рис. 1. Моделирование броуновского движения в математическом пакете MathCad

В отличие от устного фронтального опроса проведение этапа актуализации знаний и действий на платформе MyQuiz позволяет педагогу выявить уровень знаний каждого ученика и оценить всех учеников класса одновременно. По завершению тестирования учитель видит, какой процент учеников готов к изучению нового знания.

Опишем применение цифровых инструментов для организации познавательной деятельности учащихся на этапе создания нового знания при изучении явления броуновского движения. При изучении темы «Основы молекулярно-кинетической теории» учащиеся устанавливают научные факты: все тела состоят из мельчайших частиц, между которыми имеются промежутки; частицы движутся непрерывно и хаотично; частицы взаимодействуют между собой. Учащимся предлагается придумать способы экспериментального доказательства справедливости этих фактов. Ученики предлагают пронаблюдать движение частицы, находящейся в жидкости или газе. Непосредственное на- блюдение за движением частицы невозможно в силу ее малых размеров. Поэтому возникает потребность визуализации этого явления с помощью моделирования либо с применением микроскопа.

Моделирование в математическом пакете MathCad позволяет зафиксировать положение броуновской частицы в заданных точках пространства и построить траекторию ее движения. Движение представляется как случайное блуждание [5]. Расположим частицу в точке x₁:=0 y₁:=0 . Далее частица совершает шаг в зависимости от случайного выбора. Случайное блуждание происходит благодаря функции Mathcad « Случайные числа rnd ». Эта функция возвращает случайное число, равномерно распределенное между 0 и k . Для каждого шага i:=0 .. 100 положение частицы задается уравнениями X i + 1 :- ^{( x}i + 1 ) - rnd ( 2 ) и y_M : ^-( y i + 1 ) - rnd ( 2 ) . На рис. 1 представлен результат моделирования движения броуновской частицы в виде ломаной линии, что подтверждает хаотичность и непрерывность движения частиц вещества.

Минусом применения этого инструмента является то, что у обучающихся не возникает связи с реальным объектом. Появляется потребность в экспериментальной проверке этого явления. Т. к. броуновское движение происходит на микроуровне, визуализировать его каждому ученику непосредственно не получается. На помощь приходят цифровые технические средства, в данном случае, цифровой микроскоп. Цифровые микроскопы имеют следующие преимущества: отсутствуют оптические искажения, высокая цветопередача, оцифровка изображения для дополнительной обработки, возможность хранения большого количества фотографий, трансляция результатов на расстоянии в режиме реального времени. Наличие цифрового микроскопа позволяет ученикам наблюдать на экране за характером движения нерастворенной частицы краски, взвешенной в воде, капля которой находится на покровном стекле. Если невозможно провести реальный эксперимент, учитель демонстрирует видеозапись, воспроизводящую данное явление, например, перейдя по ссылке:

Рис. 2. Результат выполнения учеником задания на платформе цифрового симулятора PhET

Приведем пример реализации цифровых инструментов и сервисов на этапе применения знаний при изучении темы «Электрические цепи. Параллельное и последовательное соединение проводников». После изучения теоретического материала учащиеся выполняют задания с использованием цифровых симуляций. Симуляция выступает в роли тренажера, позволяющего обучающимся многократно выполнять определенные действия, связанные со сборкой электрических цепей, расчетами их параметров, установлением справедливости законов для последовательного и параллельного соединения проводников, выявлением причин отсутствия электрического тока или короткого замыкания в цепи. В симуляции обучающиеся пробуют различные сценарии «что если», повторяя один и тот же эксперимент много раз и каждый раз меняя параметры элементов электрической схемы. В случае, если кабинет не оснащен компьютерами, работу с симуляцией можно предложить в виде самостоятельной домашней работы. Для освоения практических умений, связанных с электрическими цепями, учащимся предлагается выполнить систему заданий на платформе цифрового симулятора PhET, перейдя по ссылке:

Дидактическая цель применение данного симулятора состоит в том, чтобы ученики научились собирать любую электрическую цепь, измерять силу тока и напряжения на каждом участке, находить значение физических величин при прохождении постоянного тока. Для этого каждый ученик получает индивидуальное задание с указанием числа элементов электрической цепи и способов их соединения. На рис. 2 представлена иллюстрация результатов выполнения учеником задания по установлению законов параллельного соединения проводников.

Работа учащихся с симулятором обеспечивает сохранность приборов, позволяет своевременно корректировать ошибки и затруднения, формировать практические на-

а)

б)

Рис. 3. а) измерение значений сопротивления графитовых линий; б) эквивалентная схема электрической цепи.

выки по работе с электрическими цепями. После проведенной работы с симулятором большинство обучающихся успешно выполняет лабораторную работу с реальным оборудованием.

При отсутствии традиционного оборудования для проведения фронтальной лабораторной работы (лабораторные амперметры и вольтметры, резисторы, ключи, источники тока, провода) можно использовать следующий альтернативный вариант экспериментальной установки. На листе бумаги каждый обучающийся рисует несколько пересекающихся линий графитовым карандашом [1]. Мультиметром измеряется сопротивление между любыми двумя удаленными точками полученной схемы. Затем рисуется эквивалентная схема и рассчитывается ее общее сопротивление. Измерив общее сопротивление, учащиеся убеждаются в выполнении законов последовательного и параллельного соединения проводников. На рис. 3а изображено измерение значений сопротивления графитовых линий, выполняющих роль проводников; на рис. 3б принципиальная эквивалентная схема электрической цепи.

Сравнение значений параметров конкретных электрических цепей, полученных с применением симуляторов, совпадает с реальными значениями, полученными в реальном эксперименте.

Практика применения цифровых инструментов при изучении физики показала возрастающий интерес учащихся к изучению физических знаний, возможность прочного усвоения основных физических понятий, эффективного формирования практических действий.

Таким образом, использование электронных ресурсов на занятиях по физике может дополнять и усиливать традиционные методы обучения, повышать качество преподавания, мотивировать учащихся к обучению и способствовать формированию позитивного и познавательного подхода к обучению в других областях. Цифровые инструменты также влияют на развитие целого ряда навыков, в том числе исследовательских. Использование цифровых ресурсов может значительно улучшить работу учащихся, но сами материалы и ресурсы должны быть хорошо разработаны и грамотно включены в процесс управления познавательной деятельностью учеников.