Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ УЧЕБНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 10
1.1. Современные подходы к использованию компьютера в учебном физическом эксперименте 10
1.2. Использование компьютера в учебном физическом эксперименте на основе лабораторных измерительных комплексов 18
1.3. Пути повышения эффективности учебного физического эксперимента при изучении механических явлений 31
1.4 Требования к содержанию и структуре автоматизированных компьютерных измерительных комплексов применяемых в учебном физическом эксперименте 42
Глава II. СОЗДАНИЕ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ (САФЭМ) И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ 53
2.1. Функциональные возможности САФЭМ 53
2.2. Применения компьютерного автоматизированного комплекса САФЭМ в процессе обучения
2.3. Содержание и методика проведения учебного эксперимента с комплексом САФЭМ 77
Глава III. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ 90
3.1. Организация педагогического эксперимента 90
3.2. Результаты педагогического эксперимента 99
Заключение
Список литературы 114
Приложение
- Современные подходы к использованию компьютера в учебном физическом эксперименте
- Функциональные возможности САФЭМ
- Организация педагогического эксперимента
Введение к работе
Бурное развитие информационных технологий вызывает глобальные изме
нения в человеческом обществе. Современный этап развития общества часто
называют периодом информатизации, понимая под этим всестороннее и массо
вое внедрение методов и средств обработки, передачи, хранения информации
на основе средств электронно-вычислительной техники. Одним из важнейших
направлений процесса информатизации общества, несомненно, является ин
форматизация образования. В настоящее время повышение эффективности ис-
« пользования информационных технологий в процессе обучения является акту-
альной проблемой.
Одной из учебных дисциплин, методика обучения которой претерпевает
существенные изменения при внедрении информационных технологий, являет
ся физика. Исследования о влиянии информационных технологий на процесс
обучения физике, на повышение эффективности данного процесса проводились
В.А. Извозчиковым, В.В. Лаптевым, Е.В.Оспенниковой, A.M. Смирновым. В
<» них отмечается, что внедрение новых технологий изменяет подходы и требова-
ния к организации деятельности учителя, в частности это относится и к работе по проведению учебного физического эксперимента.
Совершенствование техники и методики проведения УФЭ было и остается
предметом пристального внимания ученых-методистов. Значительный вклад в
теорию и практику использования учебного эксперимента при обучении физике
внесли Л.И. Анциферов, В.А. Буров, В.В. МаЙер, Н. Я. Молотков, А.А. Покров-
» ский, С.А. Хорошавин, Т.Н.Шамало, Н.М. Шахмаев, В.Ф. Шилов.
Однако развитие общества, происходящее в результате научно-технического прогресса, заставляет по-новому рассматривать решение вопроса о применении физического эксперимента в процессе обучения физике.
За последнее время произошли кардинальные изменения в структуре проведения научных физических исследований. Компьютерная техника оказывает значительное влияние на развитие науки. Она стала и средством для проведения исследований, и средством для анализа полученных результатов. Соответ-
ственно должны меняться и требования к организации экспериментальной деятельности учителя физики. Возникла необходимость приведения в соответствие с новыми требованиями и методику проведения учебного физического эксперимента (УФЭ), который также должен осуществляться с использованием компьютерных технологий.
В работах ИЗ. Гребенева, А.В. Кавтрева, И.М. Нуркаевой, В.П.Сельдяева, А.Ю. Фадеева раскрываются вопросы использования компьютера для моделирования физических экспериментов, проведения виртуальных лабораторных работ, рассматривается методика самостоятельной работы учащихся с моделирующими программами. Но следует отметить, что моделирование, несмотря на его эффективное использование в учебных целях, не должно вытеснить с урока натурный физический эксперимент.
На современном этапе развития методики обучения физике открылись новые возможности по дальнейшему совершенствованию техники натурного учебного физического эксперимента с использованием средств компьютерных технологий. Применению компьютерных технологий в натурном физическом эксперименте (демонстрационном эксперименте, физическом практикуме) посвящены работы Р.В. Акатова, ЮЛ. Воронина, А.А. Ездова, В.В. Ельникова, Е.Ю Левченко. Однако в них не сформулированы требования к компьютерным измерительным комплексам, не выявлены формы проведения эксперимента по изучению механических явлений.
В связи с этим можно сделать вывод, что для решения проблем, связанных с использованием физического эксперимента в процессе обучения с привлечением новых технологий, необходимо проведение специальных исследований.
Обращение к проблеме использования компьютерной техники в учебном физическом эксперименте, изучение практики работы учителя физики позволило нам сделать вывод о наличии следующих противоречий:
между широким использованием компьютерных технологий в организации научных физических исследований и недостаточным применением этих технологий в учебном эксперименте;
между широкими возможностями автоматизации физического экспе
римента при использовании компьютерных измерительных средств и недоста
точной разработанностью методов их применения в процессе обучения.
Сформулированные противоречия определяют актуальность данного исследования, которая обусловлена:
государственным заказом, отраженным в проекте Федерального компонента государственного стандарта основного общего образования по физике, на развитие интеллектуальных и творческих способностей учащихся при выполнении экспериментальных исследований с использованием информационных технологий;
необходимостью совершенствования средств обучения, направленных на развитие у учащихся знаний о современных научных методах исследования и их практическом применении при изучении различных разделов курса физики.
С учетом выявленных противоречий нами была определена тема диссертационного исследования - «Использование автоматизированных компьютерных комплексов для повышения эффективности учебного физического эксперимента по механике».
Объектом исследования является процесс обучения физике в средней общеобразовательной школе.
Предметом исследования являются автоматизированные компьютерные измерительные комплексы для проведения натурного УФЭ и методика их применения в учебном процессе.
Цель исследования состоит в создании автоматизированного компьютерного измерительного комплекса и разработке научно-обоснованной методики постановки и проведения натурного УФЭ с его использованием при обучении механике.
Гипотеза исследования: Если при постановке и проведении УФЭ по механике будет использован автоматизированный компьютерный измерительный
комплекс, позволяющий определять основные кинематические (перемещение, скорость, ускорение) и динамические величины, то это обеспечит:
углубление знаний учащихся о современных научных методах исследований на основе использования компьютерных технологий;
создание условий для повышения надежности и точности исследования количественных закономерностей механического движения при проведении учебных демонстраций.
В соответствии с поставленной целью и гипотезой нами были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Проанализировать современное состояние проблемы по организации и
проведению учебного физического эксперимента с использованием компью
терной техники.
2. Выявить тенденции в применении компьютерной техники для проведе
ния натурного физического эксперимента.
Разработать и сконструировать автоматизированный компьютерный измерительный комплекс, разработать программное обеспечение для проведения учебных физических экспериментов по механике.
Разработать методику проведения физических демонстраций по механике с использованием компьютерных комплексов.
Провести педагогический эксперимент об эффективном применении автоматизированных компьютерных измерительных комплексов для проведения натурного УФЭ.
Для решения поставленных задач мы использовали следующие методы исследования:
теоретический анализ научной, учебной и методической литературы по теме исследования;
опытно-конструкторская работа по созданию автоматизированного измерительного комплекса для проведения экспериментальных исследований;
наблюдение и обобщение опыта работы учителей школ и преподавателей вузов;
беседа, анкетирование учащихся и учителей физики;
планирование, подготовка и проведение педагогического эксперимента;
статистическая обработка и анализ результатов педагогического эксперимента.
Научная новизна исследования заключается в том, что
в отличие от имеющихся отечественных конструкций компьютерных измерительных комплексов (L-микро, ИВК -3/Э), в которых информация об исследуемой механической системе поступает периодически, в зависимости от расположения измерительных датчиков, разработанный нами комплекс позволяет получать информацию об исследуемой системе постоянно на протяжении всего времени эксперимента и определять при этом перемещение, скорость и ускорение движущихся тел;
в отличие от ранее выполненных исследований (Л.И. Анциферова, Р.В. Акатова, Ю.А. Воронина и др.) по проблемам использования компьютерных технологий в УФЭ, в которых компьютер выступает элементом, обеспечивающим повышение информативности учебного физического эксперимента, нами исследовался вопрос создания и применения автоматизированного компьютерного измерительного комплекса в школьном кабинете физики для развития представлений у учащихся о современных научных методах исследования;
разработана методика использования учебного физического эксперимента по механике, включающая содержание и методику проведения 56 модернизированных и новых учебных демонстраций по изучению механического движения (законов кинематики, динамики, законов сохранения импульса и энергии).
Теоретическая значимость исследования состоит в следующем:
уточнено понятие «автоматизированный компьютерный измерительный комплекс»;
определены принципы построения автоматизированных компьютерных измерительных комплексов для изучения механического движения: гибкость, допускающая изменение его структуры и состава в процессе использования и
обеспечивающая его сопряжение с демонстрационными физическими установками, открытость базового программного обеспечения;
- определены технические требования к созданию автоматизированного компьютерного измерительного комплекса (открытость, многоканальность, экономичность, чувствительность, помехозащищенность, производительность) и психолого-педагогические требования к его использованию в натурном УФЭ (надежность, простота, безопасность).
Практическая значимость исследования состоит в том, что:
создан автоматизированный компьютерный измерительный комплекс
для проведения натурного физического эксперимента по механике, позволяю
щий использовать его в экспериментах с наиболее распространенными в шко
лах типовыми демонстрационными установками по изучению механического
движения;
разработано и опубликовано учебное пособие для студентов педагогиче
ских ВУЗов, в котором представлены содержание и методика проведения учеб
ных демонстраций по основным темам школьного курса механики с использо
ванием автоматизированного компьютерного комплекса.
Достоверность и обоснованность полученных научных результатов и выводов подтверждена анализом методической литературы по физике, использованием разнообразных методов исследования, обобщением результатов анкетирования учителей физики и учащихся средней школы о возможностях применения компьютерных комплексов в УФЭ, педагогическим экспериментом, проведенным по научно обоснованной методике экспертной оценки, в котором по результатам опроса группы высококвалифицированных экспертов был проведен анализ ответов и сформулированы выводы, подтвердившие справедливость выдвинутой нами гипотезы.
Апробация результатов исследования осуществлялась при обсуждении докладов на Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в современных условиях» (Екатеринбург, 2002 г.), на III Всероссийской научно-практической
конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в условиях модернизации Российского образования» (Екатеринбург, 2003 г.), на X Всероссийской научно-практической конференции «Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов» (Челябинск, 2003 г.), на VIII, IX Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы учебного физического эксперимента» (Глазов, 2003, 2004 г.), на региональной научно-практической конференции «Интеллектуальное развитие студентов и учащихся в процессе изучения физики, химии и астрономии» (Курган, 2003г.), на областной научно-практической конференции «Совершенствование профессионально-педагогической подготовки будущих учителей физики» (Шадринск, 2003 г.).
Основные результаты исследования представлены в 11 публикациях автора.
На защиту выносятся следующие положения:
Предложенный подход к построению и применению в процессе обучения автоматизированных компьютерных измерительных комплексов является одним из средств повышения информативности, научной достоверности, точности получаемых результатов в УФЭ.
Использование разработанного нами компьютерного измерительного комплекса, предназначенного для проведения натурного УФЭ при изучении механических явлений, позволяет осуществить знакомство учащихся с современными методами физических исследований.
Автоматизированный компьютерный измерительный комплекс получит широкое применение в процессе обучения, если разработка его конструкции и технологии изготовления осуществлена с учетом возможности создания этого комплекса учителем физики.
Современные подходы к использованию компьютера в учебном физическом эксперименте
Новые информационные технологии (ИТ) активно внедряются в жизнь нашего общества, в том числе и в область образования. В настоящее время и перед школой открылись широкие возможности для использования средств ИТ при подготовке учащихся к условиям жизни в информационном обществе.
Разработке вопросов применения ИТ (технологии получения, обработки, передачи, распространения и представления информации с помощью ЭВМ) для обучения учащихся в средней школе посвящено большое количество исследований [2, 3, 38,45, 56, 78, 86 и др]. Данные работы, по мере наполнения школ компьютерной техникой в рамках выполнения государственной программы, позволили начать интенсивное ее использование на всех этапах учебного процесса.
Анализируя психологические аспекты компьютеризации обучения, М.Б.Калашникова и Л.Г. Регуш отмечают, что «...компьютеризация учебного процесса формирует у учащихся склонность к экспериментированию, гибкость мышления, способствует развитию творческой деятельности учащихся, учит по-новому воспринимать очевидные факты, устанавливать новые, оригинальные связи» [60, с.34].
Проблема использования компьютера в физическом образовании разрабатывается особенно интенсивно. Работы Л.И. Анциферова, В.В. Лаптева [9, 10, 76] посвящены методологическим аспектам применения компьютера на уроках. А.В. Смирнов исследовал вопросы использования компьютера для моделирования различных физических процессов [118]. В исследовании В.В.Клевицкого [66] раскрываются возможности компьютеризации физического эксперимента для решения вопросов индивидуализации обучения. В работе автор делает вывод, что применение компьютера в физическом эксперименте наиболее актуально там, где это приносит качественно новые результаты по сравнению с традиционным, натурным экспериментом, например, при изучении быстропротекающих процессов.
Целый ряд авторов (Р.В. Акатов, Ю.А. Воронин, А.В. Ельцов, В.В.Ельников, Е.Ю. Левченко) в своих работах [3, 24, 47, 48, 77, 78, 116] обращаются к проблеме применения компьютера при постановке натурного физического эксперимента. Р.В. Акатов [85] посвятил свое исследование вопросам формирования наглядно-чувственного образа при постановке сложного физического эксперимента. Автором была предложена система опытов на базе разработанной им установки по изучению волновых процессов, были рассмотрены вопросы преобразования и ввода информации с физических установок в компьютер. Ю.А. Воронин разработал измерительный комплекс с системой датчиков, позволяющих использовать его при проведении эксперимента по механике, молекулярной физике и электричеству [116]. СЛ.Светлицкий [ПО] рассматривал применение компьютера при изучении оптических явлений на примере темы «Дифракция света».
В работах Е.И. Бутикова, СВ. Гончаровой, А.А. Ездова, А.Ф. Кавтрева, И.М. Нуркаевой, В .Г. Суппеса и многих других исследователей [21, 37, 45, 59, 97, 121] рассматриваются вопросы использования компьютера при постановке модельного эксперимента. А.А. Ездов, А.Ф. Кавтрев разрабатывали методику использования на учебных занятиях программных сред («Живая физика», «Открытая физика»), позволяющих проводить модельный физический эксперимент [45,47,59]. В.Г. Суппес предлагает реализовывать другой подход, который предусматривает разработку программы для модельного эксперимента самими обучаемыми [121]. Как пример он рассматривает программу по изучению фазовых переходов (испарение, плавление) вещества. На основе таких программ может быть организована самостоятельная работа учащихся на уроке (И.М. Нуркаева [97]), проведение лабораторных работ (В.И. Сельдяев [112]).
Функциональные возможности САФЭМ
Проведенный нами анализ показал, что установки для выполнения учебных экспериментов по механике являются в основном настольными моделями (машина Атвуда, прибор по кинематике и динамике, ПДЗМ и т.д.). В ф большинстве применяемых установок исследуемые тела совершают перемещения порядка 1 - 1,5 м. Скорость движения отдельных частей механических устройств в опытах ограничена, как требованиями техники безопасности, так и учебными целями, главной из которых является иллюстрация физических закономерностей в привычных для учащихся условиях. Величина скорости тел в опытах по результатам наших исследований составляет по величине значения не большие 4 — 4,5 м/с (если тело свободно падает с высоты 1 м, то к окончанию движения его скорость достигает величины 4,4 м/с, все время движения равно 0,45 с). В большинстве опытов это значение еще меньше, что вызвано использованием небольших по величине сил, действующих на тело.
Оборудование, используемое в учебном эксперименте, должно позволять проводить измерения в указанных выше пределах. Фактически, в большинстве опытов, необходимо измерять всего две величины — модуль перемещения объекта и интервал времени, за который происходит изменение механического состояния. Знание времени движения и величины перемещения, позволит нам определить величину скорости и ускорение тела (по известным кинематическим соотношениям). Таким образом, перед нами встает задача по обеспечению достаточной точности в измерениях времени и перемещения тела. Использование высокоскоростных компьютерных технологий позволяет % определять измеряемые величины с относительной погрешностью менее 1 %, что, на наш взгляд, является хорошим результатом (как правило, на демонстрационных установках получают результаты с погрешностью около
Проведение демонстраций на наиболее распространенных установках (машине Атвуда, прибора на воздушной подушке, прибора по кинематике и динамике Шурхина и Покровского и других) показало нам, что типичный промежуток времени опыта по исследованию поступательного движения тел составляет 1,5 - 2 с. Наиболее быстропротекающими являются опыты посвященные определению величины ускорения свободного падения. При использовании машины Атвуда, когда шарик падает с высоты 80 см, время движения составляет около 0,4 с. Если задать условие, чтобы точность проведения эксперимента составляла в таких условиях величину менее 5 %, то для таких демонстраций необходим прибор для отсчета времени с ценой деления 0,01 с.
Приведенная нами выше оценка для измерения промежутков времени позволяет сделать вывод, что в учебных экспериментах по механике можно воспользоваться внутренними ресурсами персонального компьютера — часами реального времени (RTC) для измерения времени в секундах, минутах, часах и системным таймером компьютера, который позволит измерять промежутки времени вплоть до миллисекунд. Достоинством этих устройств является их аппаратная независимость — на различных моделях персональных компьютерах эти устройства работают абсолютно одинаково. Они не требуют создания дополнительных приборов или устройств, так как являются внутренней системой компьютера, доступ к которой осуществляется программным путем.
Для измерения механических величин (линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений, сил и деформаций) в компьютере нет необходимых ресурсов, поэтому нами предлагается использовать внешнюю по отношению к компьютеру систему (состоящую из датчиков различных типов и устройства сопряжения). Общая структура таких внешних систем показана на рис.
Организация педагогического эксперимента
Для определения эффективности предложенной методики постановки и проведения учебного физического эксперимента по механике с использованием автоматизированного компьютерного измерительного комплекса нами было организовано педагогическое исследование.
При его организации мы столкнулись с рядом значительных трудностей. Первое из них (основное) состояло в том, что проведение широкомасштабного педагогического эксперимента требует наличия большого количества комплектов оборудования по проведению компьютеризованного физического эксперимента, создание которого в необходимом объеме является очень сложной задачей. Второе было связано с тем, что на результат эксперимента оказывают влияние различные внешние факторы: особенности личности учителя, уровень владения им современной компьютерной техникой, общее развитие учащихся, и т.д., что создает трудности с проведением объективного исследования и определением корреляции полученных данных.
С учетом этих объективных трудностей и была спланирована экспериментальная проверка результатов нашей работы.
В связи со сложностью исследуемой проблем мы посчитали необходимым воспользоваться рядом различных методик, применяемых в педагогических исследованиях.
Цель педагогического эксперимента заключалась в решении следующих задач:
1. Выявить отношение конструкторов учебного оборудования и методистов к предложенным способам построения компьютерного измерительного комплекса и проведению физического эксперимента по механике с его использованием.
2. Определить эффективность комплексного использования компьютерных измерительных средств и демонстрационных установок в процессе развития экспериментальных умений учащихся.
3. Выяснить отношение учителей и учащихся к использованию в процессе обучения компьютерных измерительных комплексов.
Экспериментальная исследовательская работа проводилась нами в три этапа. Эффективность использования компьютерных измерительных комплексов при проведении УФЭ с целью развития учащихся определилась в ходе проведения формирующего эксперимента, которому предшествовали поисковый и констатирующий этапы.
На этапе поискового эксперимента выявлялась ситуация, сложившаяся с проведением УФЭ с использованием компьютерных измерительных комплексов. Этому этапу педагогического эксперимента по времени соответствовало формирование гипотезы и задач исследования, поиск путей решения сформулированных задач.
Второй этап констатирующего эксперимента характеризуется разработкой, конструированием компьютерного измерительного комплекса (САФЭМ) и внедрением технологии его применения в процессе обучения физике при постановке УФЭ. Этот этап сопровождался поиском методических средств и приемов работы с предлагаемым к использованию комплексом.
Третий этап формирующего эксперимента был направлен на сопоставление прогнозируемых результатов внедрения комплекса САФЭМ с результатами его практического использования, на оценку эффективности предложенной методики обучения и, соответственно, оценку результатов и внесение корректив в исходную рабочую гипотезу.
