Методика использования компьютерных моделей

Святогорова Ирина Дмитриевна
ГБОУ СОШ №19 В.О.
Тема: Методика использования компьютерных
моделей на уроках
Быстрое развитие компьютерной техники и расширение её функциональных возможностей
позволяет широко использовать компьютеры на всех этапах учебного процесса. Большие
возможности содержатся в использовании компьютеров при обучении физики.
Эффективность применения компьютеров в учебном процессе зависит от многих факторов,
это и от "железа", и от качества используемых обучающих программ, и от методики
обучения, применяемой учителем. Физика - наука экспериментальная, её всегда преподают,
сопровождая демонстрационным экспериментом. Методика обучения физике всегда была
сложнее методик преподавания других предметов. Использование компьютеров в обучении
физики деформирует методику её преподавания как в сторону повышения эффективности
обучения, так и в сторону облегчения работы учителя.
Методика использования компьютерных моделей на уроках.
Прежде всего, чрезвычайно удобно использовать компьютерные модели в демонстрационном
варианте при объяснении нового материала или при решении задач.
Конечно, такие демонстрации будут иметь успех, если учитель работает с небольшой
группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора компьютера или, если в
кабинете имеется проекционная техника, позволяющая отобразить экран компьютера на
стенной экран большого размера. В противном случае учитель может предложить учащимся
самостоятельно поработать с моделями в компьютерном классе или в домашних условиях,
что иногда бывает более реально.
Следует отметить, что при индивидуальной работе учащиеся с большим интересом повозятся
с предложенными моделями, пробуют все регулировки, как правило, не особенно вникая в
физическое содержание происходящего на экране. Как показывает практический опыт,
обычному школьнику конкретная модель может быть интересна в течении 3 -5 минут, а затем
неизбежно возникает вопрос: «А что делать дальше?»
Что же нужно сделать, чтобы урок был не только интересен по форме, но и дал
максимальный учебный эффект?
Учителю необходимо заранее подготовить план работы с выбранной для изучения
компьютерной моделью, сформулировать вопросы и задачи, согласованные с
функциональными возможностями модели, также желательно предупредить учащихся, что
им в конце урока будет необходимо ответить на вопросы или написать небольшой отчёт о
проделанной работе. Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока
раздаёт учащимся индивидуальные задания в распечатанном виде.
Какие виды заданий и учебной деятельности можно предложить учащимся при работе
с компьютерными моделями и как организовать эту деятельность?
Виды заданий к компьютерным моделям
1.Ознакомительное задание
Это задание предназначено для того, чтобы помочь учащемуся понять назначение модели и
освоить её регулировки. Задание содержит инструкции по управлению моделью
2.Компьютерные эксперименты
После того как компьютерная модель освоена, имеет смысл предложить учащимся 1 - 2
эксперимента. Такие эксперименты позволяют учащимся глубже вникнуть в смысл
происходящего на экране.
3.Экспериментальные задачи
Далее можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи, для решения
которых необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент.
Как правило, учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Несмотря на
кажущуюся простоту, такие задачи очень полезны, так как позволяют учащимся увидеть
живую связь компьютерного эксперимента и физики изучаемых явлений.
На данном этапе учащимся уже можно предложить 2 - 3 задачи, которые вначале необходимо
решить без использования компьютера, а затем проверить полученный ответ, поставив
компьютерный эксперимент. При составлении таких задач необходимо учитывать как
функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров.
Следует отметить, что, если эти задачи решаются в компьютерном классе, то время,
отведённое на решение любой из этих задач, не должно превышать 5 -8 минут. В противном
случае, использование компьютера становится мало эффективным. Задачи, требующие более
длительного времени для решения, имеет смысл предложить учащимся для предварительной
проработки в виде домашнего задания и/или обсудить эти задачи на обычном уроке в
кабинете физики, и только после этого использовать их в компьютерном классе.
4.Неоднозначные задачи
В рамках этого задания учащимся предлагается решить задачи, в которых необходимо
определить величины двух зависимых параметров, например, в случае бросания тела под
углом к горизонту, начальную скорость и угол броска, для того чтобы тело пролетело
заданное расстояние. При решении такой задачи учащийся должен вначале самостоятельно
выбрать величину одного из параметров с учётом диапазона, заданного авторами модели, а
затем решить задачу, чтобы найти величину второго параметра, и только после этого
поставить компьютерный эксперимент для проверки полученного ответа. Понятно, что
такие задачи имеют множество решений.
5.Задачи с недостающими данными
При решении таких задач учащийся вначале должен разобраться, какого именно параметра
не хватает для решения задачи, самостоятельно выбрать его величину, а далее действовать,
как и в предыдущем задании.
6.Творческие задания
В рамках данного задания учащемуся предлагается составить одну или несколько задач,
самостоятельно решить их (в классе или дома), а затем, используя компьютерную модель,
проверить правильность полученных результатов. На первых порах это могут быть задачи,
составленные по типу решённых на уроке, а затем и нового типа, если модель это позволяет.
7.Исследовательские задания
Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательское задание, то есть
задание, в ходе выполнения которого им необходимо спланировать и провести ряд
компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть
определённые закономерности. Самым сильным ученикам можно предложить
самостоятельно сформулировать такие закономерности. Заметим, что в особо сложных
случаях, учащимся можно помочь в составлении плана необходимых экспериментов или
предложить план, заранее составленный учителем.
9.Проблемные задания
С помощью ряда моделей можно продемонстрировать, так называемые, проблемные
ситуации, то есть ситуации, которые приводят учащихся к кажущемуся или реальному
противоречию, а затем предложить им разобраться в причинах таких ситуаций с
использованием компьютерной модели.
10.Качественные задачи
Некоторые модели вполне можно использовать и при решении качественных задач. Такие
задачи или вопросы, конечно, лучше сформулировать, поработав с моделью, заранее.
При регулярной работе с компьютерным курсом из придуманных заданий имеет смысл
составить компьютерные лабораторные работы, в которых вопросы и задачи расположены
по мере увеличения их сложности. Это занятие достаточно трудоёмкое, но именно такие
работы дают наибольший учебный эффект.
В последнее время можно часто слышать вопросы: "А нужен ли компьютер на уроках
физики? Не вытеснят ли компьютерные имитации реальный эксперимент из учебного
процесса?"
Попробуем ответить на вопрос: "Когда же оправдано использование компьютерных
программ на уроках физики?"
Считается, что, прежде всего, в тех случаях, в которых возникает существенное
преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Одним из таких случаев
является использование компьютерных моделей в учебном процессе. Следует отметить, что
под компьютерными понимают компьютерные программы, которые позволяют имитировать
физические явления, эксперименты или идеализированные ситуации, встречающиеся в
задачах.
В чем же преимущество компьютерного моделирования по сравнению с натурным
экспериментом?
Прежде всего, компьютерное моделирование позволяет получать наглядные динамические
иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить их тонкие детали,
которые часто ускользают при наблюдении реальных явлений и экспериментов. При
использовании моделей компьютер предоставляет уникальную, не достижимую в реальном
физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его
упрощённой модели. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные
факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному
физическому явлению. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет варьировать
временной масштаб событий, а также моделировать ситуации, не реализуемые в физических
экспериментах.
Работа учащихся с компьютерными моделями чрезвычайно полезна, так как
компьютерные модели позволяют в широких пределах изменять начальные условия
физических экспериментов, что позволяет им выполнять многочисленные
виртуальные опыты. Такая интерактивность открывает перед учащимися огромные
познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными
участниками проводимых экспериментов. Некоторые модели позволяют одновременно с
ходом экспериментов наблюдать построение соответствующих графических зависимостей,
что повышает их наглядность. Подобные модели представляют особую ценность, так как
учащиеся обычно испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.
, Компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию.
Тем не менее, выполнение компьютерных лабораторных работ требует определенных
навыков, характерных и для реального эксперимента - выбор начальных условий,
установка параметров опыта и т. д.
1.Урок решения задач.Некоторые типы уроков с применением компьютера
Учитель предлагает учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве
домашнего задания индивидуальные задачи, правильность решения которых они могут
проверить, поставив компьютерные эксперименты. Самостоятельная проверка полученных
результатов, при помощи компьютерного эксперимента, усиливает познавательный интерес
учащихся, а также делает их работу творческой, а зачастую приближает её по характеру к
научному исследованию. В результате многие учащиеся начинают придумывать свои задачи,
решать их, а затем проверять правильность своих рассуждений, используя компьютерные
модели. Учитель может сознательно побуждать учащихся к подобной деятельности, не опа
саясь, что ему придётся решать ворох придуманных учащимися задач, на что обычно не
хватает времени. Более того, составленные школьниками задачи можно использовать в
классной работе или предложить остальным учащимся для самостоятельной проработки в
виде домашнего задания.
2.Урок - исследование.
Учащимся предлагается самостоятельно провести небольшое исследование, используя
компьютерную модель, и получить необходимые результаты. Тем более, что многие модели
позволяют провести такое исследование буквально за считанные минуты. Конечно, учитель
помогает учащимся на этапах планирования и проведения экспериментов.
3.Урок - компьютерная лабораторная работа.
Для проведения такого урока необходимо разработать соответствующие раздаточные
материалы. Задания в бланках лабораторных 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. При ответе на вопрос или при
решении задачи учащийся может поставить необходимый компьютерный эксперимент и
проверить свои соображения. Расчётные задачи рекомендуется вначале решить
традиционным способом на бумаге, а затем поставить компьютерный эксперимент для
проверки правильности полученного ответа.
Рассмотрим пример применения конкретной физической модели на уроке
Модель 1.3. Движение заряда в электрическом поле.
Источник: Открытая физика. Версия 2.5
Эту модель можно использовать при изучении свойств электростатического поля,
его действия на движущиеся заряды.
С помощью модели можно:

исследовать траекторию движения заряда в электрическом поле конденсатора, изменяя параметры начальной скорости, напряженности электрического
поля;

выявить характер траектории в зависимости от начальных условий;

создать алгоритм решения задач по определению координат заряженной частицы;

выявить предельные параметры начальной скорости и напряженности поля,
при которых частица достигает пластины конденсатора.

Таблица 1. Параметры модели "Движение заряда в электрическом поле».
Регулируемые параметры модели
Название
Обозначение
Пределы
Начальная скорость
υ0х
(–2,0÷2,0)·106 м/с
υ0у
(–2,0÷2,0)·106 м/с
Напряженность
Е
–
–
–
–
(-0,1-0,1)кВ/м.
–
Рассчитываемые параметры модели
Шаг
Название
Обозначение
Пределы
Шаг
0,1
Время
t
Внутри конденсатора
(0-8)·10–7с
0,1*106с
0,01
Координата х
(0-7)см
Внутри конденсатора
0,1см
–
Координата у
(-2-+2-)см
Внутри конденсатора
0,1см
–
Скорость
vx
(-2,0-5,0)*.106м/с
0,1м/с
vy
(-2,0-2,0)*106м/с
0,1м/с
Задания учащимся.
1. Изменяя скорость электрона, определить ее возможные минимальные и максимальные значения.
2. Сравнить направления векторов скорости электрона и напряженности электрического поля, сделать вывод о характере движения.
3. Выбрать значение напряженности равным 0 и определить характер траектории и
вид движения.
4. Как можно изменить направление вектора напряженности электрического поля?
Что происходит при этом с зарядами пластин конденсатора? Как изменится траектория частицы?
5. Как зависит густота линий напряженности электрического поля от ее величины.
Проверьте это на модели.
6. Рассчитать дальность полета частицы при условии, что задано:
v0х=2,0·106 м/с
v0y=1,4·106 м/с
Е=0,7 кВ/м
Проверить результат на модели.
Источник: Открытая физика. Версия 2.5
Большое число компьютерных моделей по всему школьному курсу физики содержится в
мультимедийных курсах, разработанных компанией "Физикон": "Физика в картинках",
"Открытая физика 1.1", "Открытая физика 2.0", "Открытая астрономия 2.0". Главной
отличительной особенностью этих компьютерных курсов являются многочисленные
компьютерные модели - уникальные и оригинальные разработки, значительное число
которых расположено на сайте "Открытый колледж" по адресу: http://www.college.ru.
Подводя итоги работы над методической темой можно сделать следующий вывод что
Работа учащихся с компьютерными моделями чрезвычайно полезна, так как
компьютерные модели позволяют в широких пределах изменять начальные условия
физических экспериментов, что позволяет им выполнять многочисленные
виртуальные опыты. Такая интерактивность открывает перед учащимися огромные
познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными
участниками проводимых экспериментов
Некоторые модели позволяют одновременно с ходом экспериментов наблюдать построение
соответствующих графических зависимостей, что повышает их наглядность. Подобные
модели представляют особую ценность, так как учащиеся обычно испытывают значительные
трудности при построении и чтении графиков.
Т.С.ФЕЩЕНКО,
методист ОМЦ ЮЗАО, учитель школы № 1279,
г. Москва
Физические модели
План-конспект урока объяснения нового материала. 10-й
класс
Физика как наука о наиболее общих законах развития природы играет ведущую роль в
формировании научного мировоззрения школьников, поэтому особое внимание на уроках
должно уделяться знакомству с методами научного познания. Оно должно сопровождать
изучение всех разделов курса, однако решающую роль играют первые уроки. Обязательным
этапом при этом – и при изучении нового материала, и при решении задач, и при
выполнении лабораторных работ – является моделирование – процесс построения
мысленной идеальной модели физического объекта или явления.
В качестве примера хотелось бы привести план урока «Физические модели» (УМК
В.А.Касьянова). На предшествующем уроке рассматривались этапы и формы познания в
физике, поэтому проверка домашнего задания связана со структурой научного знания и его
особенностями. Кроме того, учащимся предлагаются задания для проверки
сформированности оценочных умений, умений выявлять переменные, проверять данные,
интерпретировать, решать нестандартные задачи. Результаты такой проверки помогают
осуществлять в дальнейшем индивидуализированный подход к учащимся.
Образовательная цель: формирование представления о физических моделях и модельных
приближениях как необходимом этапе научного познания.
Оборудование: на каждый стол – комплект карточек-заданий, визитка (карточка с указанием
имени и фамилии учащегося).
Ход урока
1. Организационный момент (2 мин)
2. Проверка знаний, их актуализация (10 мин)
Вопросы раздаются по рядам (на каждый стол по 2 вопроса по теме ряда и полный перечень
вопросов). Если учащиеся не могут ответить на «свои» вопросы, им помогают сидящие за
следующим столом или в другом ряду. Каждый учащийся может выбрать для себя тот
вопрос, на который он может дать наиболее полный и обоснованный ответ.
1-й ряд (у окна): «Эксперимент»
1. Как вы понимаете, что такое эксперимент?
2. Приведите примеры физических экспериментов.
3. Чем эксперимент отличается от наблюдения?
4. Какую роль играют эксперименты в физике?
5. От чего могут зависеть результаты эксперимента, их точность?
6. Представьте себе, что проводится опыт по нагреванию воды в сосуде и с помощью
термометра определяется температура в момент кипения. Можно ли утверждать, что вода
обязательно закипит при температуре 100 °С?
7. Могут ли измениться результаты эксперимента, если первый раз его проводит Петя, а
второй — Вова? Объясните.
8. Проводя эксперимент по определению жёсткости пружины, ученик получил ответ, не
соответствующий табличному значению. Почему такое могло произойти?
9. Какую роль в физике играют гипотезы? Приведите примеры физических гипотез.
10. Какую роль играют физические наблюдения?
2-й ряд (середина): «Физический закон»
1. Как вы понимаете, что такое физический закон?
2. Чем отличается физический закон от любого другого физического знания?
3. Что общего между любым физическим законом и другим физическим знанием?
4. Всегда ли верен физический закон? Приведите примеры.
5. Выскажите свою точку зрения и объясните, являются ли законами: а) «золотое правило»
механики; б) принцип относительности Галилея; в) уравнение движения х = х0 + 0t.
6. Почему законы сохранения энергии и импульса называют фундаментальными?
7. Можно ли назвать закон Гука фундаментальным?
8. Как вы ответите на вопрос: «Правильны ли законы Ньютона»?
3-й ряд (у стены): «Физическая теория»
1. Что такое физическая теория?
2. Какие элементы физического знания включает в себя физическая теория? Какова
структура физической теории?
3. Как вы понимаете слова объяснительная и предсказательная функции теории? Приведите
примеры.
4. Какую роль играют фундаментальные опыты в физической теории? Ответ поясните на
примерах.
5. Как взаимосвязаны физический закон и физическая теория? Приведите примеры.
6. Является ли научная теория абсолютно точным отображением действительности?
Поясните.
7. Какую роль в физике играют научные наблюдения? Приведите примеры.
8. Какую роль играют в физике гипотезы? Приведите примеры физических гипотез.
3. Проверка сформированности различных умений (12 мин)
1. Каково отношение длины вашей руки к длине вашего пальца по порядку величины?
А) 101; Б) 10–1; В) 103; Г) 10–3.
(Оценка ответов.)
2. В электрической цепи с постоянным источником напряжения изменение сопротивления
приводит к изменению силы тока. Какое из следующих ниже утверждений является
правильным?
А) Зависимой переменной является сила тока, а независимой –
сопротивление;
Б) зависимой переменной является сопротивление, а независимой –
сила тока;
В) зависимой переменной является сила тока, а независимой –
напряжение;
Г) зависимой переменной является напряжение, а независимой – сила
тока.
(Выявление переменных величин.)
3. В четырёх экспериментах были получены следующие значения для периода колебаний
маятника: 8,0 с; 8,1 с; 8,3 с и 9,6 с. Отметив последнее значение (9,6 с), в идеале учащийся
должен:
А) получить среднее значение с учётом 9,6 с;
Б) перевести 9,6 с в другие единицы;
В) провести четвёртое измерение вновь;
Г) заменить 9,6 с на 8,1 с.
(Проверка достоверности экспериментальных данных.)
4. Движение тела описано на приведённом графике. Какое заключение можно сделать?
А) Скорость тела является постоянной;
Б) ускорение тела является постоянным;
В) ускорение свободного падения равно 9,8 м/с2;
Г) на тело не действует никакая сила.
(Интерпретация данных.)
5. На планете Х стандартные единицы физических величин не обязательно такие же, как на
Земле. Чтобы выяснить, как ведут себя тела при движении вдоль твёрдой и гладкой
поверхности планеты, вновь прибывшие учёные хотят провести ряд опытов.
а) Какие инструменты вы бы взяли из школьной лаборатории? Обоснуйте свой выбор;
б) опишите, как вы могли бы использовать это оборудование для измерения ускорения
свободного падения на планете Х;
в) местные учёные заявляют, что ускорение свободного падения в данном месте равно
0,85 локтей/свист2. Какие вопросы вы должны задать, чтобы подтвердить, что значение
ускорения соответствует тому, которое измерено вашими земными инструментами?
(Умение решать нестандартные задачи.)
6. Звук обычно распространяется быстрее в твёрдых телах, чем в воздухе. В школьных
коридорах очень шумно, поэтому учитель закрывает дверь, и меньше звука попадает в класс.
Основываясь на знаниях о волнах, опишите, с чем связано это явление.
(Умение решать нестандартные задачи.)
7. Производитель автомобилей может сконструировать два типа машин: один – с жёстким
кузовом, а другой – с разрушающимся при ударе, но оставляющим в сохранности
пассажирский салон. Опираясь на знания об импульсе силы и механическом импульсе тела,
приведите аргументы «за» и «против» каждого типа конструкции.
(Проверка и последующее обсуждение результатов на этом этапе позволяют сделать
первоначальные выводы о сформированности проверяемых умений и использовать
индивидуализированный подход в обучении.)
4. Объяснение нового материала (13 мин, тезисы лекции)
Каждый шаг в изучении природы – приближение к истине. Физические
отдельные ступени в познании окружающего мира. Изучать сложные
часто невозможно без введения упрощающих предположений, так
помощью теории результаты описывают приближённую картину.
называются модельными.
законы – это только
природные явления
что полученные с
Эти приближения
Моделирование – это процесс построения мысленной идеальной модели объекта или
явления для их изучения и объяснения. Он представляет собой обязательный, необходимый
этап научного познания, потому что бесконечно многообразный материальный мир в
принципе не может одновременно изучаться во всех своих бесконечных аспектах, связях и
отношениях.
Для любого объекта или явления, изучаемого в физике, создаётся модель, при этом
происходит абстрагирование, отвлечение от несущественных в условиях данной физической
задачи сторон действительности и выделение сторон главных, существенных для данного
этапа и уровня познания объекта или процесса. В результате появляется описание
идеального объекта (процесса), заменяющего в дальнейшем реальный материальный объект
(процесс).
После построения модели изучают именно её. Правомерность выводов, полученных при
изучении модели, проверяется путём выяснения соответствия этих выводов результатам
научного эксперимента.
Вопрос учащимся. Что даёт нам право изучать движение материальных точек, ведь таких
объектов в природе нет?
Во многих случаях в физике употребляются различные названия объектов и явлений, а также
различные названия моделей этих объектов и явлений. Например, реальный груз на нити
можно назвать нитяным маятником, а его модель – математическим маятником.
По мере развития науки каждая последующая модель одного и того же объекта приближала к
пониманию его строения и свойств.
Границы применимости физической теории определяются пределами применимости
используемой модели. Любая теория является описанием некоторой модели физической
системы, некоторым приближением к реальности и поэтому в дальнейшем может быть
развита и обобщена.
5. Закрепление (5 мин)
Что такое физическая модель? Приведите примеры. В чем заключается взаимосвязь теории и
физической модели? Чем определяются границы применимости физической теории?
6. Подведение итогов урока, сообщение домашнего задания (на выбор) (3 мин)
1. Придумайте и обоснуйте классификацию физических моделей.
2. Составьте перечень изученных ранее физических моделей, попытайтесь обосновать,
почему мы имееем право ими пользоваться. Результаты сведите в таблицу вида:
№
п/п
Название физической
модели
Основания для её
использования
3. Составьте тест из пяти вопросов по содержанию § 4 (к каждому вопросу – по 4 варианта
ответов, отметьте правильный ответ).
4. Составьте развёрнутый план к § 4.
Литература
1. Шаронова Н.В., Важеевская Н.Е. Дидактические материалы по физике: 7–11 классы. – М.:
Просвещение,
2005.
2. Орлов В.А. и др. Программа по физике. – Физика в школе, 2004, № 8.
.<\/td><\/tr><\/table><\/center><\/body>