Глава 9. Средства новых информационных технологий при обучении физике

Глава 9. СРЕДСТВА НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ

Методическая наука отвечает на три вопроса: зачем учить, че­му учить, как учить. Ответы на эти вопросы меняются в эпоху ин­форматизации общества, принесшей новые информационные тех­нологии - технологии обработки, передачи, распространения и представления информации с помощью ЭВМ. Аппаратные и про­граммные средства, необходимые для реализации этих технологий, называют средствами новых информационных технологий - СНИТ.

Разработкой вопросов внедрения средств новых информаци­онных технологий (СНИТ) в среднюю школу занимались в разные годы многие ученые. Однако основное внимание уделялось во­просам использования СНИТ непосредственно для изучения язы­ков программирования и управления общим учебным процессом; только в последнее время методисты вплотную приступили к раз­работке вопросов применения СНИТ при обучении отдельным предметам, в том числе физике.

Включение СНИТ в учебный процесс изменяет роль средств обучения, используемых в процессе преподавания физики, а ис­пользование средств новых информационных технологий изменя­ет учебную среду, в которой происходит процесс обучения.

К аппаратным средствам новых информационных технологий относится персональный компьютер, к программным средствам - специально разработанные дидактические материалы, называе­мые программно-педагогическими средствами (ППС).

9.1. Компьютеры в обучении физике

Функции компьютера в обучении. В последнее время в процесс обучения физике активно входит персональный компьютер. Про­исходит это по крайней мере по трем причинам. Во-первых, общий процесс компьютеризации всех сфер деятельности затронул и обу­чение, и компьютер становится помощником учителя и учащихся на уроках почти любого предмета. Во-вторых, компьютер стал столь распространенным инструментом физика-исследователя, что наряду с физикой теоретической и экспериментальной выделяют новый раздел - компьютерную физику. Наконец, школьный курс информатики нуждается в поддержке со стороны курса физики, ко­гда речь заходит об устройстве компьютера, принципах функцио­нирования отдельных его элементов, и, в свою очередь, обеспечивает курс физики материалом, вызывающим большой интерес учащихся.

В результате компьютер оказывается в курсе физики в роли и средства обучения, и предмета изучения.

В качестве средства обучения компьютер может выступать по­мощником и учителя, и учащегося. Для учителя он - автоматизи­рованный классный журнал, средство проведения опросов и об­работки результатов обучения, инструмент для подготовки к уро­кам и для проведения демонстраций. Для учащегося - средство выполнения заданий, для обоих - инструмент моделирования ре­ального мира.

В качестве предмета изучения компьютер используется в двух направлениях: в связи с изучением методов исследования в совре­менном естествознании и в связи с изучением физических законов и явлений.

В частности, у учащихся следует создать представление о том, что основными направлениями использования компьютера в фи­зике-науке является компьютерное моделирование физических явлений и работа компьютера в соединении с экспериментальны­ми установками, где он выполняет две задачи - служит для фикса­ции экспериментальных данных, которые он может производить со скоростью и в объемах, совершенно недоступных при работе на не компьютеризированной установке, автоматизирует управле­ние экспериментом. Кроме того, компьютер используется для об­работки экспериментальных данных, хранения и быстрого поиска огромных массивов информации, как средство коммуникации. Использование персонального компьютера на уроках и во вне­урочное время позволяет познакомить учащихся со всеми этими направлениями.

Педагогические программные средства по физике (ППС). В на- стоящее время не существует ни единой классификации ППС, ни установившейся в этой области терминологии.

ППС можно классифицировать различными способами: по целям, по тому, кто их применяет, по используемой технике и т. п. Часто выделяют программы контроля (и тренировки), компьютерные модели, компьютерные иллюстрации. Обучающими программами (в узком смысле) часто называют ППС, представляющие собой реализацию на компьютере подходов программированного обучения.

Кроме того, выделяют программы коммерческие, которыми можно пользоваться только оплатив лицензию, и свободно рас­пространяемые. Имеющиеся в продаже программы часто рассчи­таны в первую очередь на индивидуальную работу учащихся в классе или дома, но учитель может использовать их (частично) и для организации совместной работы на уроках.

Удобны для проведения контроля знаний учащихся различные программы с задачами по физике. Некоторые элементы контроля предусмотрены и в ряде программ «репетиторов» по физике.

Использование компьютера при обучении физике. Наличие в кабинете физики хотя бы одного компьютера при условии, что он снабжен достаточно большим экраном, позволяет использо­вать этот компьютер в основном для иллюстраций объяснения нового материала. Кроме того, компьютер может быть включен в состав установки для демонстрационного эксперимента. При наличии двух-трех компьютеров можно организовать индивиду­альный компьютерный опрос учащихся, предоставить некото­рым из них возможность поработать с компьютерными трена­жерами.

Фронтальная работа учащихся за компьютером может быть обеспечена при проведении урока физики в дисплейном классе. В зависимости от возможностей школы класс либо разбивают на две подгруппы, либо за одним компьютером работают двое уча­щихся.

В дисплейном классе эффективна работа с большинством учебных программ по физике. Единственная трудность связана с проведением эксперимента, когда компьютер используется как часть экспериментальной установки. Для такой работы кабинет физики обычно более приспособлен.

Во внеурочной работе школьные компьютеры могут быть ис­пользованы при организации физических кружков, для выполне­ния индивидуальных домашних заданий, проведения исследова­тельской работы учащихся. Наличие в школе компьютерных энциклопедий позволяет обеспечить быстрый и эффективный поиск необходимой информации.

Домашние компьютеры учащиеся могут использовать для тех же целей. Наличие в продаже значительного числа программ «репетиторов» по физике позволяет использовать их для индиви­дуальной подготовки учащихся и для ликвидации возникших по каким-либо причинам пробелов в знаниях.

Опыт школ, подключенных к компьютерной сети Интернет, показал, что коллективная работа учащихся с использованием компьютерных коммуникаций может быть организована на межшкольном уровне, причем школы могут находиться в раз­ных населенных пунктах и даже в разных странах. Учащиеся с интересом участвуют в компьютерных проектах, связанных с физическими, экологическими, астрономическими наблюдения­ми и опытами. В сети можно осуществлять поиск самой разно­образной информации, там можно отыскать описания, а иногда демонстрационные или даже рабочие версии различных ППС, материалы как по истории физики, так и по ее новейшим дости­жениям. Кроме того, в Интернете появляется все больше стра­ниц учебных заведений, предлагающих «дистанционное образо­вание», в том числе и по физике.

9.2. Современный учебно-методический комплекс для обучения физике

Персональный компьютер и соответствующие ППС обучения физике не заменяют традиционные средства обучения, а допол­няют их и вместе с ними образуют систему средств обучения, ори­ентированную на использование новых информационных техноло­гий, применение которых создает условия обучения физике в учебно-информационной среде.

Такая система средств обучения совместно с учебно-методиче­ской литературой, программным обеспечением учебного курса физики и средствами научной организации труда педагога и его учеников составляет учебно-методический комплекс (УМК), ис­пользующий СНИТ (на схеме 19 представлены компоненты, со­ставляющие УМК).

Вся совокупность компонентов УМК разбита на три состав­ляющие:

1)учебные и методические пособия для учителя и учащихся;

2)система средств обучения, в том числе включающая средства
новых информационных технологий обучения физике;

3)система средств научной организации труда учителя и уча­щихся.

Программное обеспечение курса физики ориентировано, во-первых, на поддержку изучения курса (изучение теоретических вопросов, выработка умений решения физических задач и т. п.), во-вторых, на обеспечение управления учебным процессом, авто­матизацию контроля, в-третьих, на поддержку учебного физиче­ского эксперимента (обработка информации, поступающей от датчиков физических величин, обеспечение работы управляющих элементов), в-четвертых, на работу с информационно-поиско­выми системами.

К средствам, поддерживающим физический эксперимент, от­носят также компьютерные модели, демонстрирующие физиче­ские явления. Это облегчает учащимся изучение явлений, реали­зация которых в условиях школы затруднена или невозможна (например, эксперименты по ядерной или квантовой физике).

Готовя программное обеспечение и средства обучения для ка­ждого урока или темы, необходимо стремиться к тому, чтобы ЭВМ выполняла ту работу, которую с помощью других средств обучения выполнять нецелесообразно. На уроках физики пока не обойтись без традиционных учебно-наглядных пособий - демон­страционных таблиц, плакатов (например, демонстрационные таблицы и плакаты по разделу «Физика атомного ядра» ), диапо­зитивов, диафильмов (например, диафильм «Виды разрядов в га­зах»), транспарантов (например, набор транспарантов «Механи­ческие колебания и волны»).

Перспективным направлением в постепенной замене этих тра­диционных средств является внедрение систем мультимедиа. Ин­тегрируя возможности компьютера и различных современных средств передачи аудиовизуальной информации, эти системы обогащают учебный процесс по физике следующими возможно­стями:

-  обеспечением разнообразных путей доступа к библиотеке движущихся и неподвижных изображений со звуковым сопровож­дением или без него;

-  выбором в любой последовательности из базы данных необ­ходимой на данном этапе аудиовизуальной информации;

-  контаминацией (смешение, перестановка) информации, вклю­чающей текстовую, графическую, подвижные диаграммы, муль­типликации со звуковым сопровождением и без него.

Естественно, что использование систем мультимедиа предпола­гает принципиально новый уровень организации учебного процес­са по физике в учебной среде, обеспечивающей применение широ­кого спектра средств новых информационных технологий. Идти к достижению этого уровня следует постепенно, поэтому в УМК со­хранятся традиционные средства подачи учебной информации.

Средства обучения для проведения физического эксперимента делятся на учебное оборудование и, как уже было показано выше, на программные средства, моделирующие или обслуживающие физический эксперимент. Учебное оборудование делится по ви­дам эксперимента: демонстрационное, лабораторное для практи­кума и лабораторное для фронтальных работ. К учебному отно­сится и различное вспомогательное оборудование, помогающее в проведении учебного физического эксперимента: струбцины, эк­раны фона, штативы, подъемные столики и т. п. Из современных средств новых информационных технологий к вспомогательному учебному оборудованию по физике относятся датчики физических величин и видеотехническая аппаратура.

Применение современного вспомогательного оборудования позволяет учащимся создавать модели изучаемых процессов, про­игрывать поведение, развитие модели при различных условиях; прогнозировать развитие процессов и осуществлять с помощью компьютера проверку достоверности прогноза. Становится воз­можна автоматизация школьного физического эксперимента; проведение на исследовательском уровне лабораторных и демон­страционных экспериментов; изучение развития процессов, про­текающих в природе.

Специфика школьного физического эксперимента требует реа­лизации возможностей увеличения микропроекций. Для этих це­лей удобно использовать ЭВМ в комплекте со вспомогательной видеотехнической аппаратурой (ранее для этих целей использова­лась фонарно-оптическая скамья (ФОС)). Для демонстрации этих микропроекций всему классу удобно использовать видеопроек­тор. Его применяют для предъявления компьютерной и видеоин­формации большой аудитории.

Таким образом, с помощью СНИТ оказывается реальным вве­дение в процесс обучения физике принципиально нового учебного эксперимента, предоставляющего учителю и учащимся такие воз­можности: управлять с помощью ЭВМ объектами реальной дей­ствительности; визуализировать физические закономерности на экране ЭВМ, используя датчики физических величин, подключае­мые к ЭВМ; демонстрировать большой аудитории компьютерную информацию и микропроекции, используя для этого видеопроек­ционную аппаратуру.

Сам по себе процесс внедрения СНИТ немыслим без средств телекоммуникаций на уровне синтеза компьютерных сетей и средств телефонной, телевизионной, спутниковой связи. Такие комплексы образуют системы передачи и приема учебной инфор­мации в региональных масштабах.

Телекоммуникационные связи могут осуществляться как в ре­альном времени, по телефонной сети (так называемая синхронная телекоммуникационная связь), так и с задержкой по времени с помощью электронной почты (асинхронная телекоммуникацион­ная связь).

Использование телекоммуникационных сетей позволяет в кратчайшие сроки тиражировать передовые педагогические тех­нологии, поэтому в УМК появился модуль средств научной орга­низации педагогического труда. В этот модуль включены разнооб­разные средства современной техники, помогающие учителю вы­полнять «рутинную» работу. Оргтехника служит для выполнения печатных работ, размножения раздаточного учебного материала, хранения учебно-справочного материала и его оперативного по­иска и т. п.

9.3. Телекоммуникационные сети как средство обучения физике

Создание телекоммуникационной сети средств новых инфор­мационных технологий обучения физике позволяет перейти на качественно новый уровень обмена информацией между участни­ками образовательного процесса по физике. Целью такой сети является обеспечение возможности информационного обмена учителей и учащихся разных школ (в том числе зарубежных) по вопросам методики обучения физике; распространение методических пособий в том числе, ППС и нормативно-методических до­кументов, касающихся учебного процесса по физике.

Для работы в телекоммуникационной сети в кабинете физики необходимо иметь: персональный компьютер, представляющий собой центральный компьютер автоматизированного места учи­теля; сетевой узел - компьютер, подключенный с помощью специ­альной аппаратуры к линии связи и имеющий необходимое про­граммное обеспечение. В узле сети накапливается, хранится и рас­сылается информация по запросам абонентов. Узел связан с дру­гими узлами и обменивается с ними информацией в заранее за­программированном, автоматическом режиме (пересылает почту, отслеживает телеконференции и т. д.). Он имеет выход на гло­бальные международные образовательные сети через спутнико­вые, цифровые и выделенные телефонные каналы. Сетевой узел должен быть оборудован винчестером не менее 10 Мбайт. На ра­бочем месте учащегося устанавливается компьютер, имеющий аппаратно-программную возможность подключения к сети. Абонент (учащийся) не имеет сетевого адреса и поэтому лишен преимуществ обмена информацией в автоматическом режиме. Он имеет доступ к информации, находящейся в сетевом узле ка­бинета физики.

Тысячи учителей физики и сотни методистов-физиков ведут постоянный поиск новых форм и методов обучения физике. Од­нако результаты их труда во многих случаях остаются неизвест­ными подавляющему большинству потенциальных потребителей. Телекоммуникационная сеть делает методические материалы до­ступными для любого абонента. Например, методические мате­риалы, разработанные в лабораториях Академии педагогических наук, заносятся в память узла сети, функционирующей в акаде­мии, и становятся доступными всем абонентам сети. Любой учи­тель физики, подключившись к телекоммуникационной сети, мо­жет запросить перечень всех материалов по интересующей его те­ме и, выбрав любой из них, получить его.

Для реализации информационных обменов могут проводиться телеконференции по определенным темам, примерный перечень которых может быть следующим:

1.Курс элементарной физики для средней школы.

2.Углубленный курс физики для средней школы.

3.Новые технологии обучения физике в средней школе.

4.Нормативные документы по обучению физике в школе.

5.Деловые предложения.

6.Дискуссии между учителями физики.

7.Дискуссии между учащимися.

Информация по каждой теме структурирована; например, ма­териалы первой темы могут быть разбиты на следующие области:

1.1.Методика обучения физике.

1.2.Программы и планирование.

1.3.Методические материалы.

1.4.Контрольные работы.

1.5.Лабораторные работы и практикумы.

1.6.Нормативные документы.

1.7.Решение задач.

Организация телеконференций состоит в следующем. Зареги­стрированные в сети абоненты ее «объявляют», т. е. заносят в ка­талог, отводят место на дисковом пространстве и т. д., и посыла­ют свои материалы по данной теме. Узлы обмениваются посту­пающей информацией в автоматическом режиме, и, таким обра­зом, на всех узлах накапливается идентичная информация по дан­ной теме.

Наряду с телеконференциями по постоянным темам возможна организация свободных временных дискуссий по интересующим темам. Такое неформальное общение особенно привлекательно для учащихся, так как в этом процессе реализуется принцип сво­бодного обмена мнениями, они учатся культуре диалога, спора, обмена мнениями.

Одной из целей создания телекоммуникационной сети является удовлетворение практических потребностей кабинетов физики средних школ в общедоступном банке программных средств. Банк должен иметь фонд программных средств, в правилах функ­ционирования которого должен быть заложен механизм, стиму­лирующий отдельных разработчиков (учителей и учащихся) вкла­дывать в него свои программы. Такой механизм может использо­вать систему приоритетов. Приоритет абонента устанавливается в зависимости от количества программных средств, которые он сам вложил в банк. Соответственно каждый абонент сети на основе своего приоритета может получить то или иное количество про­граммных средств.

Потенциально войти в сеть и стать полноправным абонентом может любой владелец необходимого аппаратного и программ­ного обеспечения. Однако практическая работа в сети требует оп­ределённых знаний по общим основам функционирования теле­коммуникационных сетей, навыков работы с компьютером и с сетевым программным обеспечением.