Методика проведения видеокомпьютерного физического эксперимента в средней школе

Современному обществу требуются выпускники школ, которые наряду с предметными знаниями и умениями владеют опытом их применения в социокультурной среде, т.е. компетенциями. Учебный предмет «Физика», отражающий научные методы и средства познания объектов и явлений окружающего мира, направлен на формирование у учащихся методологических основ, чему способствует физический эксперимент.

Физический эксперимент в обучении учащихся рассматривается с нескольких позиций, а именно: он является основой изучения явлений окружающего мира, устанавливающей связь теории с практикой и раскрывающей цели изучения физики для построения содержания образования, а также методическим средством, обеспечивающим наглядность обучения, развивающим интерес к физике; способом организации самостоятельной, творческой, исследовательской деятельности учащихся. Постановка опытов и наблюдений имеет большое значение для ознакомления учащихся с сущностью экспериментального метода, его ролью в научных исследованиях по физике, а также для вооружения школьников некоторыми практическими навыками. Изучение явлений на основе физического эксперимента способствует формированию научного мировоззрения учащихся, более глубокому усвоению физических законов, повышает интерес школьников к изучению предмета. Одним из основных методов познания свойств и закономерностей физического мира являет-

ся моделирование – теоретический и экспериментальный метод, состоящий в замене реальных процессов или объектов подобными, но более простыми процессами или объектами (физическое моделирование) или их математическим описанием (математическое моделирование).

Обратимся к рассмотрению вопроса методики организации и проведения видеокомпьютерного эксперимента в средней школе, т.к. при интеграции реального физического эксперимента с компьютерным моделированием ученик, вступая в диалог с программой, выступает в роли исследователя, ищущего ответы на интересующие его вопросы о сути физических явлений. Моделирующие и имитационные программы актуализируют у учащихся стремление к исследовательской деятельности, а соответствующее методическое сопровождение дает возможность наполнять изложение нового материала иллюстрациями, в частности не воспроизводимым демонстрационным экспериментом, расширяет арсенал приемов подачи тематического материала посредством статического и динамического отображения результатов эксперимента с помощью компьютерных программ .

Основой методики выступают следующие идеи:

• •    видеокомпьютерный физический эксперимент повышает эффективность образовательного процесса за счет дополнения теоретического материала иллюстрациями, в частности не воспроизводимыми демонстрационными экспериментами;

• •    видеокомпьютерный физический эксперимент расширяет арсенал приемов подачи учебного материала посредством статического и динамического отображений результатов эксперимента с помощью современных технологий;

• •    интеграция реального физического эксперимента и современных технологий, моделирующих и имитирующих физические явления и процессы, способствует активизации у учащихся стремления к исследовательской деятельности.

Отметим, что видеокомпьютерный эксперимент понимается нами как форма организации реального (натурного) школьного физического эксперимента, сопровождающегося видеосъемкой и созданием на данной основе компьютерной модели. При видеокомпьютерном эксперименте на основе анализа сущности явления совершаются переход от естественного физического объекта к его модели для экс- периментального исследования и перенос полученных результатов на оригинал, что приводит к появлению субъективно нового для учащихся теоретического знания.

Целями проведения данного вида эксперимента являются:

• –    изучение быстротекущих физических явлений с фиксацией их определенного состояния и возможностью повторения, направленное на измерение физических величин, вывод закономерностей, объяснение принципа действия технических установок и устройств;

• –    формирование у учащихся опыта владения методологическим аппаратом, характерным для научного исследования в данной предметной области;

  – формирование у учащихся исследовательской компетенции, т.е. способности к изучению явлений и объектов окружающей действительности на основе применения методов и форм реального (натурного) физического эксперимента, а также построение математической модели посредством компьютерных технологий.

Техника организации данного вида эксперимента заключается в следующем: подготавливается оборудование для проведения реального эксперимента, производится видеосъемка демонстрируемого физического явления или процесса с помощью веб-камеры, которая входит в комплект оснащения рабочего места учителя. Отснятый видеоклип сохраняется на жестком диске компьютера в программе обработки видео (например, входящей в стандартный пакет Windows – Movie Maker). Затем учитель создает стробоскопическую картинку данного процесса. Например, при изучении свободного падания шарика или колебаний математического маятника производится наложение изображения движущегося объекта на первый кадр через равные промежутки времени. Полученная картина реального процесса движения шарика может быть представлена учащимся в твердой копии, путем печати изображения на принтере либо в компьютерной модели. Обработка результатов осуществляется учащимися самостоятельно с помощью графического редактора или путем прямых измерений необходимых физических величин на твердой копии. В приведенных выше примерах данный вид эксперимента дает возможность экспериментально определить величины, которые невозможно рассчитать в ходе реального эксперимента. Так, при свободном падении шарика рассчитывается скорость движения на разных участках траектории, а в слу- чае колебаний математического маятника – фаза колебаний.

Мы предлагаем следующие способы организации деятельности учителя и учащихся при проведении видеокомпьютерного эксперимента:

• –    учитель выполняет реальный эксперимент, производит видеосъемку и на основе этого создает компьютерную модель, а ученики используют полученные данные, проверяют закономерности;

• –    учитель в совместной с учащимися деятельности выполняет реальный эксперимент, производит видеосъемку и на основе этого создает компьютерную модель; при этом учащиеся самостоятельно планируют и проводят обработку данных;

• –    ученики самостоятельно осуществляют видеокомпьютерный эксперимент, учитель выполняет при этом роль консультанта.

Первый из вышеобозначенных способов проведения видеокомпьютерного эксперимента целесообразно использовать при осуществлении демонстрационных опытов, которые требуют много времени для подготовки установок и наладки аппаратуры. Например, продемонстрировать равномерное прямолинейное движение тела удается не всегда в связи с тем, что только в короткие промежутки времени оно является истинно равномерным, а в начале и конце пути, как правило, – равнопеременным. С помощью стандартных установок по механике в сочетании их с видео- и компьютерными технологиями учащиеся получают возможность не только наблюдать явления, но и самостоятельно выводить закономерности на основе полученной математической модели. При этом реальный эксперимент позволяет учителю руководить познавательной деятельностью учащихся в процессе наблюдения и изучения явлений, а полученная модель – проектировать самостоятельную исследовательскую деятельность по изучению физических законов, нахождению физических величин.

Самостоятельная деятельность учащихся по проведению видеокомпьютерного эксперимента уместна при выполнении исследовательских лабораторных работ, решении контекстных физических задач экспериментального характера. Так, при решении задачи посредством проведения видеокомпьютерного эксперимента моделируются не только ориентировочная основа научно-познавательной деятельности, но и собственно личностные функции учащихся: избирательность, креативность, ответственность за принимаемые решения, способность к групповому взаимодействию. При проведении видеокомпьютерного эксперимента возникает виртуальный компонент, который представляет собой аналог натуральной модели, описанной в задаче, и помогает учащимся выработать представления о достижении цели. Виртуальный компонент видеокомпьютерного эксперимента несет дидактические функции, которые заключаются в вариативности содержания деятельности при решении задачи и постановке эксперимента и позволяет овладеть обобщенным методом экспериментального исследования, а также отражает результаты воздействия обучаемого на объект, описанный в задаче, посредством изменения исходных данных компьютерной модели [1]. Например, при изучении баллистического движения тела, брошенного горизонтально, уместно выяснить оптимальный угол направления вектора скорости к вертикали при вхождении спортсмена в воду при прыжке с вышки. Создание видеокомпьютерной модели процесса заключается в проведении эксперимента по движению шарика, брошенного горизонтально, и получении баллистической кривой, позволяющей отследить изменение скорости в каждой точке траектории, что невозможно осуществить путем реального эксперимента.

При проведении видеокомпьютерного эксперимента критериями готовности учащихся к данному виду деятельности является владение теоретическими основами физических явлений и процессов, изучаемых посредством видеокомпьютерного эксперимента; основами создания алгоритма исследовательской деятельности (выдвижение гипотезы, формулировка проблемы, цели, задач, прогнозирование результата деятельности по исследованию физических процессов); компьютерными и мультимедийными технологиями в объеме, необходимом для описания и обработки результатов эксперимента в аналитической, модельной и графической формах.

Анализ содержания учебного материала по физике и способов деятельности учащихся при проведении видеокомпьютерного эксперимента позволил выделить общедидактические требования к отбору содержания учебного материала, направленные на формирование исследовательского опыта учащихся, и частнометодические, обусловливающие целесообразность его проведения для изучения физических явлений и законов.

Общедидактическими являются следующие требования:

• –    наличие необходимого оборудования

для проведения видеокомпьютерного эксперимента по изучаемой теме;

• –    соответствие сложности учебного материала и исследовательских заданий уровню предметной подготовки учащихся;

• –    обеспечение логической последовательности в изложении учебного материала посредством видеокомпьютерного эксперимента с опорой на предшествующий познавательный опыт учащихся;

  – возможность овладения экспериментальными методами научного исследования в ходе проведения и обработки данных видеокомпьютерного эксперимента.

Частнометодическими требованиями являются:

• –    наличие реальных демонстрационных опытов по изучаемому материалу, имеющих трудности с воспроизведением, наблюдением и исследованием в условиях школьного физического кабинета;

• –    наличие характеристик физических явлений, процессов и закономерностей, фиксация которых затруднена или невозможна в реальном эксперименте (например, мгновенная скорость движения тела);

• –    необходимость графической интерпретации явления или процесса для раскрытия их сути (например, гармонический характер колебательного движения);

• –    необходимость изучения явлений или процессов, наблюдение которых в реальном демонстрационном эксперименте требует дополнительных средств наглядности – увеличения, проекции с помощью плоского зеркала и др. (например, броуновское движение, линии индукции магнитного поля);

• –    необходимость изучения динамически (быстро или медленно) протекающих явлений или процессов (например, диффузия в жидкости);

• –    необходимость изучения явлений или процессов, понимание сути которых затруднено без модельного представления (например, поверхностное натяжение жидкости);

• –    необходимость изучения явлений или процессов, требующих стробоскопического метода исследования (например, свободное падение тела, колебательное движение);

• –    необходимость изучения явлений или процессов, для понимания сути которых требуется расчленять объект наблюдения на несколько частей (например, изучение законов сохранения в случае абсолютно упругого и неупругого ударов);

• –    необходимость изучения явлений и процессов, понимание которых связано с вос-

• произведением обратного хода времени (например, обратимые физические процессы);

  – контекстный характер содержания учебного материала, позволяющий оценивать социальную значимость исследуемого физического процесса.

Отметим, что эффективность реализации методики проведения видеокомпьютерного эксперимента зависит от владения учителем умениями создавать (монтировать) учебные экспериментальные установки; проводить реальный (демонстрационный, лабораторный) физический эксперимент с целью изучения процессов, явлений и законов; уметь использовать компьютерные и мультимедиа-технологии как средство в процессе демонстрации, моделирования физических явлений и обработки результатов эксперимента. Педагогический эксперимент показывает, что применение видеокомпьютерного эксперимента позволяет осваивать учащимся проектно-исследовательскую деятельность и формировать у них исследовательские компетенции, что является требованиями реализации государственных образовательных стандартов нового поколения.