Информационно-образовательный портал
e-mail: [email protected]

Применение информационных технологий в преподавании физики

В современном обществе использование информационных технологий становится необходимым практически в любой сфере деятельности человека. Овладение навыками этих технологий еще за школьной партой во многом определяет успешность будущей профессиональной подготовки нынешних учеников. Наш опыт показывает, что овладение этими навыками протекает гораздо эффективней, если происходит не только на уроках информатики, а находит свое продолжение и развитие на уроках учителей-предметников. Этот подход выдвигает новые требования к подготовке учителя-предметника, ставит перед ним новые проблемы, заставляет осваивать новую технику и создавать новые методики преподавания, основанные на использовании современной информационной среды обучения. Школа № 550 г.Санкт-Петербурга, одной из специализаций которой помимо иностранных языков является изучение информационных технологий, предоставляет широкие возможности для организации этого процесса. В школе имеется 5 кабинетов информатики, компьютеры установлены в кабинетах большинства учителей–предметников, в библиотеке, на рабочих местах администрации, в учительской. Все компьютеры школы объедены в локальную сеть с подключением к сети Интернет по выделенной линии.

Преподавание физики, в силу особенностей самого предмета, представляет собой наиболее благоприятную сферу для применения современных информационных технологий. Проводимая нами работа в этом направлении содержит как чисто демонстрационную составляющую, дающую ученикам расширенные представления о возможностях использования информационных технологий, так и составляющую, требующую активного применения учениками знаний, полученных на уроках информатики. В процессе преподавания физики, информационные технологии могут использоваться в различных формах; используемые нами направления можно представить в виде следующих основных блоков:

  • - мультимедийные сценарии уроков;
  • - применение компьютерной лаборатории фирмы Philip Harris;
  • - проверка знаний на уроке;
  • - внеурочная деятельность.

Мультимедийные сценарии уроков

Сценарий урока представляет собой его мультимедийный конспект, содержащий краткий текст, основные формулы, чертежи, рисунки, видеофрагменты, анимации. Обычно такие сценарии подготавливаются в форме мультимедийных презентаций с использованием программы Power Point из пакета Microsoft Office. Презентации демонстрируются самим учителем непосредственно в кабинете физики, с помощью переносного мультимедийного проектора, подключенного к персональному компьютеру. Изображение проецируется на большой настенный экран. По сравнению с традиционной формой ведения урока, заставляющей учителя постоянно обращаться к мелу и доске, использование таких сценариев высвобождает большое количество времени, которое можно употребить для дополнительного объяснения материала. Сценарии применяются как при изложении нового материала, так и при повторении пройденного.

Основной проблемой, с которой сталкивается учитель при подготовке таких сценариев, является поиск материалов для их создания. Источниками демонстрационных материалов служат имеющиеся в продаже мультимедийные диски, материалы в сети Интернет и наши собственные разработки. Среди мультимедийных дисков в первую очередь следует отметить мультимедийные курсы физики ("Физика в картинках", "Открытая физика" фирмы Физикон, "Репетитор" фирмы 1С и т.д.). Особая ситуация, связанная с применением материалов таких дисков на уроке, заключается в необходимости заранее, желательно до начала урока, открыть то приложение, с которым учитель собирается работать. Это не всегда оказывается возможным, т.к. последовательность изложения материала зачастую предполагает использование в начале урока другого мультимедийного диска. Мультимедийные курсы организованы таким образом, что рабочие материалы хранятся на дисках в заархивированном виде, и пользоваться ими можно только с применением интерфейса, созданного фирмой-разработчиком. Смена диска, загрузка программы, выход на необходимый раздел занимают, в зависимости от возможностей компьютера, до одной - двух минут. Так как урок короткий, то прежде чем включать в план урока определенный материал мультимедийного курса, приходится оценивать - искупит ли красивая демонстрация потерю темпа урока? Вследствие этих неудобств мы фактически отказались от применения мультимедийных курсов в варианте, предложенном разработчиками.

С этой точки зрения, более привлекательным выглядит использование мультимедийных энциклопедий ("Кирилл и Мефодий", "Мир вокруг нас" ), а также появившихся в последнее время дисков-сборников электронных наглядных пособий, среди которых наиболее приятное впечатление производит диск "Физика 7-11" издательства "Дрофа" и ЗАО 1С. Материалы этих источников доступны непосредственно без применения специальных интерфейсных программ. Их можно перенести в рабочую папку на компьютере, с которого во время урока ведутся демонстрации, включить эти демонстрации в мультимедийную презентацию. Тем самым во время урока отпадает необходимость в обращении к оригинальным дискам, резко уменьшается время перехода от одного материала к другому, экономится время урока, не нарушается его темп.

Среди источников информации следует особо отметить сеть Интернет, где в свободном доступе находится большое количество фотографий и фрагментов видеофильмов различных физических явлений. Число сайтов, содержащих такие материалы, постоянно растет, поэтому мы перечислим здесь только некоторые из наиболее интересных ресурсов. Среди них - сайт "Физика в анимациях" ( http://www.infoline.ru/g23/5495 ), на котором можно найти анимационные схемы многих физических процессов. На сайте "Формула 1" до недавнего прошлого был размещен архив видеоматериалов по ядерным взрывам ( http://video.f1gp.ru/nuclear.php3 ). Здесь, в частности, были представлены видеофрагменты первых американских и советских ядерных испытаний, взрывы ядерных бомб над Хиросимой и Нагасаки. В форуме нового варианта этого сайта идет активное обсуждение вопроса о возвращении доступа ко многим материалам. Надеюсь, что вопрос будет решен положительно. Много интересных материалов и ссылок на полезные ресурсы можно найти на сайте физического факультета Московского университета ( http://phys.web.ru ). Здесь вы найдете самые свежие астрономические данные, красивые фотографии физических явлений, анимации. Актуальные фото и видео материалы, пригодные для использования на уроке, можно найти на сайте "Вестей" ( http://www.vesti.ru ).

Значительная часть демонстрационных материалов готовится учителем самостоятельно при активном участии учеников. Среди этих материалов есть цифровые фотографии и видеозаписи физических явлений, фрагменты художественных фильмов, иллюстрирующие различные физические законы. Это могут быть отсканированные схемы и рисунки из обычных научных, учебных или энциклопедических изданий. При этом следует подчеркнуть, что компьютерная демонстрация физических явлений рассматривается не как замена реального физического демонстрационного опыта, а как его дополнение.

Применение компьютерной лаборатории

Компьютерная лаборатория фирмы Philip Harris ( http://www.philipharris.co.uk ) позволяет непосредственно на глазах у ребят и при их участии проводить измерения, обрабатывать полученные результаты и демонстрировать графики изучаемых физических величин на экране компьютера или (при использовании проектора) на большом демонстрационном экране. С их помощью можно следить за мгновенными значениями расстояния до объекта, температурой, давлением, параметрами переменного и постоянного тока, магнитным полем, освещенностью, поворотом тела, интенсивностью звука. Датчики надежны в эксплуатации, безопасны, удобны. На фотографии некоторые из этих датчиков демонстрируются учениками начальной школы.

 

В комплект компьютерной лаборатории входит специальное запоминающее устройство, к которому могут быть одновременно подключены несколько датчиков. Устройство позволяет сохранять в виде файла зависимость измеряемых величин от времени. Это устройство является интерфейсным блоком связи с персональным компьютером. Тем самым, появляется возможность показать измеренные зависимости физических величин от времени или друг от друга на экране компьютера или на большом демонстрационном экране, провести компьютерную математическую обработку результатов измерений.

Приведем несколько примеров применения датчиков на уроке.

  • При изучении темы "Свободное падение"

проводится следующий эксперимент. Регистрируя вертикальное расстояние от датчика до предмета при свободном падении последнего, можно получить и проанализировать зависимость координаты предмета от времени, построить график зависимости скорости от времени, получить график ускорения, аппроксимировать полученные кривые многочленами, оценить кинематические характеристики из результатов такой аппроксимации. Возможности аппроксимации заложены в программное обеспечение компьютерной лаборатории.

При изучении атмосферного давления

в седьмом классе используется датчик давления. Несколько учеников с датчиком давления, подключенным к запоминающему устройству, отправляются из кабинета физики, расположенного на четвертом этаже, по лестнице в подвал, затем поднимаются на пятый этаж и затем возвращаются в кабинет физики. Затем запоминающее устройство подключается к компьютеру, считывается файл данных, и с помощью мультимедийного проектора график зависимости давления от времени, а значит от высоты над землей, выводится на экран. После этого убеждать, увеличивается или уменьшается давление с высотой не нужно - дети все видят собственными глазами. Чувствительность датчика позволяет надежно фиксировать возникающий перепад давлений.

При изучении колебательного движения

с помощью датчика расстояний проводятся измерения координаты груза на пружинном маятнике в зависимости от времени. После обсуждения внешнего вида полученного графика проводится операция дифференцирования и анализируется график скорости. Повторное дифференцирование выводит на экран третий график - график ускорения. Рассмотрение одновременно трех найденных из эксперимента зависимостей позволяет объяснить фазовые соотношения трех периодически изменяющихся величин (координаты, скорости, ускорения) и естественность использования тригонометрических функций для описания колебаний. Пример такого графика приведен на рисунке.

 

Применение компьютерных датчиков делает даже обыкновенный демонстрационный эксперимент более наглядным и понятным, расширяет его информативность. Ученики получают начальное знакомство с современными методами проведения физических экспериментов, современным научным оборудованием, автоматизированной компьютерной обработкой полученных данных.

Контроль знаний на уроке

Для контроля знаний на уроке помимо традиционных контрольно-измерительных материалов нами используются специально составленные мультимедийные презентации и компьютерный тренажер "Активная физика".

Презентации, посвященные проверке знаний учеников, содержат материалы, отображающие ключевые эксперименты пройденной темы или демонстрирующие изученное физическое явление. Вопрос к ученику содержится в заголовке слайда, комментарии и пояснения к рисункам даются учителем по ходу презентации. Разработаны также презентации-опросы для входного тестирования на первом уроке нового учебного года. Как правило, в такие опросы включаются слайды презентаций, использованных в прошлом учебном году при объяснении нового материала.

Одно из основных направлений деятельности учителя физики - научить детей решать задачи. Эффективным помощником в этой работе могут оказаться компьютерные тренажеры, предлагающие ученикам для решения большое количество разнообразных задач, отвечающих требованиям школьной программы, и снабженные лаконичным и удобным справочным материалом. К сожалению, современные разработчики программных обучающих продуктов не уделяют достаточного внимания данному направлению. Единственной известной нам программой, удовлетворяющей указанным требованиям, является компьютерный тренажер "Активная физика", разработанный около 10 лет назад авторским коллективом Белорусского педагогического института ( http://www.cacedu.unibel.by/partner/bspu ).

Тренажер "Активная физика" ориентирован на выработку навыка решения типовых задач школьного курса физики, прохождение материала построено на многократном повторении пройденного на качественно новом уровне. Все задания объединены в разделы (колебания, световые явления, электрические явления и т.д.), каждый раздел состоит из нескольких обучающих сценариев. Сценарий представляет собой блок, включающий от 7 до 11 последовательно усложняющихся задач, причем каждая из задач представлена в 4-х вариантах, отличающихся значениями исходных данных. Последовательное прохождение сценариев призвано отработать навык решения типовых задач многих разделов физики, изучаемых в школе.

В качестве примера можно привести тему "цена деления". Первый блок заданий сценария "Введение в физику" знакомит с основами измерений. В ходе выполнения заданий неоднократно приводится алгоритм расчета цены деления, притом на примере знакомых ребенку приборов - линейки, термометра, измерительного цилиндра. Во всех остальных блоках любое задание фактически превращает в маленькую лабораторную работу. Данные для задач нужно считать с физических приборов, каждый раз встает вопрос о цене деления этих приборов и переводе единиц измерения. Пример такого задания приведен на рисунке 3, в центре рисунка можно видеть решение задачи, набранное ученицей на встроенном в программу калькуляторе.

 

В конце концов, регулярная работа с программой позволяет указанные действия освоить до автоматизма.

Приступая к работе с тренажером, ученик регистрируется под своей фамилией в списке своего класса. Решая задачи, объединенные данным сценарием, он может использовать программу в различных режимах. Оценки за каждое прохождение сценария записываются напротив его фамилии в специальный файл (электронный журнал оценок) в раздел, соответствующий режиму прохождения сценария. В режиме "Знакомство" перед решением очередной задачи на экран выводится необходимый справочный материал по данной теме, показывается пример решения задачи. Затем предлагается решить эту задачу с отличными от примера начальными данными. В конце выводится информация о том, правильным или ошибочным было решение. В режимах "Тренировка" и "Закрепление" справочный материал выводится на экран только в случае ошибки, в режимах "Зачет" и "Экзамен" ученик получает информацию о правильности решения только в виде итоговой оценки за весь блок задач. Именно в режиме "Экзамен" мы проводим уроки физики с применением данного тренажера. Выставленная компьютером оценка заносится в журнал класса. Сроки зачета по очередной теме заранее объявляются и согласуются с прохождением текущего материала по физике. Готовиться к зачету дети должны самостоятельно на домашнем компьютере или в школе. Программа установлена в сетевом варианте и доступ к ней возможен с любого компьютера школы (их сейчас более 90 при общем количестве школьников около 450 человек). Отметим, что проводить уроки (зачеты) с этой программой можно только в кабинете информатики, что предполагает сотрудничество с учителями информатики и возможность гибкого расписания кабинетов.

Тренажер "Активная физика" используется нами как дополнительный инструмент активации самостоятельного и заинтересованного подхода к изучению физики. Можно только сожалеть, что он не полностью охватывает школьный курс. По объему и дидактической глубине построения материала сравнимые с ним программы, на наш взгляд, на рынке программных продуктов для школ отсутствуют.

Внеурочная деятельность детей

Использование компьютерных технологий для организации внеурочной деятельности учеников ведется по нескольким направлениям. В первую очередь - это задания, выполнение которых предполагает общение ученика с учителем посредством электронной почты. В условиях нашей школы это легко организовать, т.к. на школьном сервере у каждого ученика и сотрудника школы организован свой почтовый ящик. Такие задания представляют собой, как правило, подготовку сообщения на тематическую конференцию, проводимую в классе на уроке физики, или отчет о домашней лабораторной работе. Тексты сообщений и отчеты ученик должен в определенные сроки выслать учителю электронным письмом, иная форма представления текстов не допускается. Такие задания выдаются регулярно, начиная с 7-го класса, что приводит к дополнительному стимулированию учеников при изучении ими на уроках информатики методов электронных коммуникаций.

Приведем несколько примеров таких заданий.

  • При изучении темы "Сила трения" в 7 классе перед зимними каникулами ученики получают задание написать сообщение-сказку о мире, в котором сила трения отсутствует. Что из этого получилось в прошлом учебном году, можно посмотреть на сайте школы по адресу http://school.ort.spb.ru/(Eng)/library.html.
  • При изучении тепловых двигателей в 8 классе ученикам предлагается довольно обширный список тем для сообщений на конференции класса, и указываются сроки подготовки сообщений. После получения писем с текстами докладов, формируются "секции конференции" (например, секции паровых двигателей, двигателей внутреннего сгорания, турбин, реактивных двигателей). Далее работа ведется по секциям, и оценка выставляется с учетом трех параметров: текста доклада, выступления с докладом на конференции (читать по бумажке не разрешается) и участия в обсуждении других докладов. Во время выступлений учеников перед классом, остальные ученики заполняют специальный бланк, в котором оценивают прослушанный доклад по информативности и оформлению, указывают, что им показалось интересным в прослушанном докладе, а также вкратце формулируют содержание доклада. Заполнение бланка концентрирует внимание учеников на прослушиваемых докладах, способствуют возникновению доброжелательной и заинтересованной дискуссии. Участие в конференции обязательно для всех учеников класса. По мере накопления опыта участия в таких конференциях и по мере прохождения определенных тем на уроках информатики, ученики начинают готовить свои доклады в виде коротких мультимедийных презентаций, представляя их в виде гипертекстовых документов или документов Power Point. При поиске материалов для доклада учениками все более активно используется сеть Интернет.

Большой популярностью у детей пользуются домашние лабораторные работы, которые можно разделить на исследовательские и работы по созданию самодельных физических приборов. Описания работ и рекомендации по их выполнению ученики, как правило, получают от учителя в электронном виде, иногда они рассылаются по электронной почте. Результаты обсуждаются на уроке, в случае необходимости проводятся измерения параметров созданных устройств. Так, на фотограии виден процесс измерения параметров самодельной электрической батарейки, сделанной из яблока.

 

В случае исследовательских работ, таких, например, как изучение электризации тел, отчеты могут быть выполнены в виде гипертекстовых документов или презентаций Power Point. Допускается и обычный текст, набранный в редакторе Microsoft Word, но отчет обязательно должен быть представлен учителю в жестко определенные сроки в виде электронного письма с вложением. Надо отметить, что наблюдается опережающее освоение учениками довольно серьезных тем по информатике именно при выполнении таких заданий.

В старших классах при прохождении нового материала по некоторым темам ученики по заданию учителя заранее готовят к уроку презентации, для чего самостоятельно ведут поиск в сети Интернет, сканируют необходимые рисунки и схемы. На уроке они выступают с этими презентациями, объясняя новый материал. Учитель при этом дает необходимые пояснения и комментарии. В качестве примера можно привести несколько таких тем: генератор переменного тока, магнитная запись информации, устройство масс-спектрометра, устройство атомного реактора, электрические двигатели и т.д. Иногда темы продиктованы самой жизнью. Так, в этом учебном году с большим интересом учениками был выслушан доклад о магнитном щите Земли. Тема доклада была сформулирована после известной мощной вспышки на Солнце в конце октября 2003 года, сообщение на осенних каникулах подготовила ученица 11 класса, включив в него ряд интересных фотографий и видеоролик с сайта "Вестей". Надо отметить, что самостоятельный поиск в сети Интернет расширяет представления учеников о свойствах и возможностях глобальной сети. Для учителя безусловная польза от таких презентаций заключается еще и в возможности более быстрого накопления иллюстративного материала, необходимого для создания собственных разработок. Так, адрес сайта, на котором был размещен архив видеофрагментов о протекании ядерных взрывов, нашел ученик 9-го класса при подготовке доклада по использованию ядерной энергии.

Следующим важным направлением организации внеурочной деятельности является проектная деятельность учеников, т.е. выполнение долговременных трудоемких творческих заданий, требующих от учеников самостоятельной и глубокой проработки материала. Использование информационных технологий создает самые благоприятные условия для организации такой деятельности. Над проектом работает обычно один ученик или небольшая группа (2-3 человека), конечным результатом проекта является создание тематического сайта в сети Интернет или мультимедийного диска. Это направление широко представлено в нашей школе, тематика выполняемых проектов затрагивает физику, химию, историю, литературу и другие школьные дисциплины, руководят проектами один или несколько учителей-предметников. Соруководителем обязательно является один из учителей информатики.

Особенно интересны для детей научно-исторические темы (недавно завершенный проект был посвящен жизни и творчеству М.В. Ломоносова) и темы, активно реализуемые на современном этапе в науке и технике. Для поиска интересных тем учитель сам должен активно следить за новостями науки и техники, регулярно просматривать сайты, посвященные этому направлению. Из проектов по физике, размещенных на сайте школы, можно упомянуть два проекта учеников 9-х классов: проект по организации репортажей о новостях науки, представленных в сети Интернет, и проект по освещению полета межпланетной автоматической станции "Кассини". Эта станция в прошлом году пролетела мимо планеты-гиганта Юпитера, сейчас приближается к планете Сатурн, до этого провела уникальные наблюдения атмосферы Венеры. Для разгона станции были использованы гравитационные поля трех планет - Венеры, Земли и Юпитера.

Накопленный нами опыт, частично отраженный в настоящей работе, показывает, что применение информационных технологий на уроках физики и во внеурочной деятельности расширяет возможности творчества как учителя, так и учеников, повышает интерес к предмету, стимулирует освоение учениками довольно серьезных тем по информатики, что, в итоге, ведет к интенсификации процесса обучения.

Метки: Физика