Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРА ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ 12
1.1 Анализ исследований по использованию компьютеров для моделирования физических явлений .. 12
1.1.1. Влияние компьютеров на развитие мышления учащихся 12
1.1.2. Возможности использования ЭВМ при обучении физике 15
1.1.3. Методические разработки по использованию ЭВМ при обучении физике 20
1. 2. Компьютерные модели и динамика их развития 24
1.3 Психолого-педагогические аспекты повышения эффективности обучения при введении компьютерного моделирования 32
1.4. Теоретические обобщения в физике на основе модельных представлений 43
1.4.1. Физические модели природы 43
1.4.2. Принципы физического моделирования и классификация моделей 47
Выводы к первой главе 56
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ФИЗИЧЕСКОЙ СПЕЦИАЛЬНОСТИ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА ОСНОВАМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕЕ ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОПРОБАЦИЯ 57
2.1. Методические основы использования компьютерного моделирования в обучении физике 57
2.1.1. Роль и место компьютерного моделирования физических систем в экспериментальных исследованиях 57
2.1.2 .Принципы построения компьютерных моделей 61
2.1.3.Методика организации лабораторных исследований в сочетании с компьютерным моделированием 64
2.2. Роль эксперимента в научном и учебном познании 70
2.2.1. Методика структурирования деятельности по выполнению опытов.72
2.2.2. Методика формирования экспериментальных умений 74
2.2.3. Основные этапы формирования экспериментальных умений 80
2.3. Спецкурс как форма организации учебного процесса будущих учителей физики 85
2.4. Спецкурс «Основы моделирования» 91
2.4.1 .Цели и задачи спецкурса "Основы моделирования" 92
2.4.2. Содержание 92
2.4.3.Выбор средств педагогической коммуникации 109
Методы обучения 109
Дидактические средства 112
Формы организации обучения 113
2.4.4 .Контрольно-корректирующие мероприятия 114
2.5.Опытно- экспериментальная апробация обучения студентов физической специальности педвуза основам моделирования 116
Выводы ко второй главе 130
Заключение 131
Литература 132
Приложения 148
- Анализ исследований по использованию компьютеров для моделирования физических явлений ..
- Возможности использования ЭВМ при обучении физике
- Методические основы использования компьютерного моделирования в обучении физике
Введение к работе
Развитие современного общества характеризуется лавинообразным возрастанием объема поступающей информации. Это приводит к необходимости увеличения скорости ее обработки и объемов хранения. Использование персонального компьютера в этих целях является мощным стимулом для кардинальных изменений в структуре профессиональной деятельности человека, т.к. он освобождается от трудоемких и утомительных операций: обработки, хранения, поиска информации и т.д. Следовательно, появляются дополнительные возможности для расширения и усиления творческой составляющей человеческой деятельности.
Данное обстоятельство выдвигает новые требования к структуре знаний любого человека. Современный высококвалифицированный специалист уже не мыслим без высокого уровня компьютерной грамотности. Это означает понимание не только принципов работы и устройства компьютера, процессов алгоритмизации и программирования, но и функциональных возможностей компьютера, принципов его использования как инструментального средства.
Компьютеризация физического образования становится предметом все более широких исследований, как в практике, так и в теории. Методическим основам проблемы использования компьютеров на занятиях по физике посвящены работы Анциферова Л.И., Бордовского ГА, Извозчикова В.А, Кондратьева А.С., Лаптева В.А. и др.
В работах названных авторов было показано, что наиболее перспективным направлением применения компьютеров при изучении физики является использование его как инструментального средства. Это позволило считать компьютерное обучение одной из важнейших современных тенденций в методике преподавания физики.
Таким образом, необходимость использования компьютера в школе и педагогическом вузе становится насущной задачей, причем не только на занятиях по информатике, но и на других занятиях, в особенности по физике.
Компьютеризация физического образования становится предметом все более широких исследований, как в практике, так и в теории.
Компьютерное обучение - довольно широкое и емкое понятие. Оно включает в себя обучение построению алгоритмов, программированию, работе на вычислительной технике, умению решать различные задачи с помощью компьютера. Немалое место здесь принадлежит компьютерному моделированию различных физических систем, позволяющему учащимся исследовать их посредством интерактивного взаимодействия.
В настоящее время внимание специалистов сосредоточено на разработке различных учебных компьютерных моделей, моделирующих сред и других видов программ для вычислительного эксперимента. Но студенты физической специальности педвуза на практике не имеют почти никакого представления о компьютерном моделировании физических систем и процессов, так как изучение моделирования не включено в курс физики для пединститутов.
Итак, анализ учебной, научной и методической литературы, а также практики обучения студентов физических специальностей педвузов выявил противоречие между необходимостью изучения основ моделирования и отсутствием этого раздела в курсе физики педагогических вузов.
Указанное противоречие подтверждает актуальность исследования и обосновывает его научную проблему, состоящую в поиске ответа на вопрос: как и при каких условиях возможно введение компьютерного моделирования в курс физики для студентов физической специальности педвуза.
Таким образом, нами была сформулирована следующая цель исследования: разработать методику обучения студентов физической специальности педвуза компьютерному моделированию.
Объектом исследования является процесс обучения физике в педагогическом вузе при использовании персонального компьютера.
Предметом исследования: содержание и методика обучения студентов физической специальности педвуза основам компьютерного моделирования.
Гипотеза исследования. Введение спецкурса по компьютерному моделированию в процесс обучения физике окажет положительное влияние на качество знаний студентов физической специальности педвуза, на их мотивацию к избранной профессии, если он будет:
1) представлять собой совокупность детально разработанных компонентов, содержать теоретическую и практическую части;
2) предполагать использование компьютера на занятиях различным образом, начиная от обучающих программ и кончая непосредственным использованием его в лабораторном эксперименте;
3) содержать лабораторные и практические занятия с элементами компьютерного моделирования.
Цель и гипотеза обусловили постановку следующих задач исследования:
Проанализировать состояние проблемы использования компьютерного моделирования в физическом эксперименте.
Определить возможности применения компьютерного моделирования при проведении занятий спецкурса в педагогическом вузе и занятий по физике в средней школе.
Разработать методику использования компьютерного моделирования при обучении физике в педагогическом вузе для студентов физической специальности.
Проверить эффективность влияния предлагаемой методики на качество знаний студентов, их мотивацию и на их готовность к использованию полученных знаний на практике.
Методологическую основу исследования составляют: фундаментальные труды, посвященные проблемам использования компьютеров на уроках физики (Анциферов Л.И., Бордовский Г.А, Извозчиков В.А, Кондратьев А.С., Лаптев В.В. и др.); методике использования ЭВТ на занятиях по физике ( Извозчиков В.А., Немцов А.А. Фокин М.П. и др.); теоретическим обобщениям на основе модельных представлений (Корнев Г.П., Мултановский В.В., Непрокина Н.В. и др.); идеи развития мотивации в процессе обучения (Чернова Ю.К., Ядов В.А); психолого- педагогическим аспектам эффективности обучения (Коменский Я.А., Эльконин Д.Б. и др.).
В процессе исследования были использованы следующие методы: анализ научной, публицистической, методической, учебной, психолого- педагогической, а также диссертаций по теме исследования; наблюдение, беседы, интервьюирование, анкетирование, тестирование студентов физико-математических факультетов педвузов; проведение педагогического эксперимента по проверке основных положений исследования; статистические методы обработки данных.
Исследование выполнялось в несколько этапов.
Подготовительный этап (1996-1997) - определение актуальности темы исследования, ее теоретическое осмысление, анализ литературы по избранной теме, выдвижение рабочей гипотезы, определение цели, задач, предмета, объекта, методов исследования.
Основной этап (1997-1999) - формулировка концептуальных положений, разработка спецкурса по основам компьютерного моделирования для студентов физической специальности педвуза, детализация каждого из его компонентов, апробация теоретических решений в выступлениях и публикациях, выявление результативности разработанной методики обучения.
Заключительный этап (1999-2000) - корректировка гипотезы исследования, уточнение содержания авторской программы, продолжение экспериментального обучения, обработка и анализ результатов педагогического эксперимента, оформление диссертационной работы.
Научная новизна заключается в том, что: предложено и осуществлено формирование представлений о моделировании у студентов физической специальности педвуза посредством введения в курс физики спецкурса «Основы моделирования»; разработана методика проведения спецкурса для студентов педагогического вуза физической специальности, основанная на построении физических, математических и компьютерных моделей явлений и процессов, комплексном анализе результатов исследования, позволяющая оптимизировать процесс овладения новыми знаниями, умениями и навыками практической деятельности.
Теоретическая значимость работы следующая: определены основные критерии эффективности использования компьютерного моделирования при обучении физике; исследована возможность создания организационно педагогических условий для максимального использования в практике обучения физике потенциальных преимуществ компьютерного моделирования.
Практическая значимость исследования заключается в том, что все указанные теоретические положения доведены до уровня конкретных методических разработок, создан комплекс программ по разработке компьютерных моделей для ЭВМ, которые могут быть использованы в практике профессиональной подготовки будущих учителей физики в педагогическом вузе и для работы в школе.
Достоверность и научная обоснованность результатов исследования обеспечена: -выбором показателей эффективности предложенной методики проведения спецкурса с использованием компьютера; -использованием разнообразных методов исследования, адекватных поставленным задачам; -соблюдением основных педагогических требований к организации педагогического эксперимента; -репрезентативностью выборки и положительными результатами педагогического эксперимента.
На защиту выносятся следующие положения: - компьютерное моделирование повышает эффективность обучения физике в педвузе, позволяет приблизить процесс обучения к решению реальных физических задач; содержание и методическое обеспечение спецкурса «Основы моделирования»; разработанные автором показатели эффективности реализации спецкурса.
Апробация исследования и его внедрение в практику работы осуществлялась на базе физического факультета Тольяттинского филиала Самарского государственного педагогического университета в течение 3-х лет (147 человек) и школ города (215 учащихся и 73 учителя физики).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы из 180 наименований, приложений, содержит 10 рисунков,6 таблиц.
Во введении обоснована актуальность исследования, раскрываются задачи, методы и гипотеза исследования, определяются научная новизна и практическая значимость работы, формируются основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Теоретические аспекты проблемы использования компьютера при обучении физике» анализируется следующие вопросы проблемы: исследуется понятие «компьютерное моделирование»; предлагается классификация компьютерных моделей (КМ) с их обоснованием; выделяются характерные свойства КМ, определяемые содержанием учебного процесса и методикой преподавания.
Мы избрали классификацию по следующим признакам:
Кроме того, в первой главе обоснована схема построения компьютерной модели: физическое явление—^физическая модель-~+математическая модель и даны определения и классификация физических моделей как основного звена процесса компьютерного моделирования.
Анализ педагогической и методической литературы позволил рассмотреть и оценить разные точки зрения на исследуемую проблему по следующим направлениям: влияние компьютеров на эффективность учебного процесса; возможности электронно-вычислительной техники для компьютерного моделирования; методика использования ЭВТ в физическом эксперименте в условиях педагогического вуза и школы.
В связи с этим возникает необходимость создания целесообразной методики обучения будущих учителей физики навыкам компьютерного моделирования. Разработке и анализу моделирования такой методики посвящена вторая глава настоящего диссертационного исследования.
Вторая глава «Методика обучения студентов физической специальности педагогического вуза основам компьютерного моделирования и ее опытно-экспериментальная апробация» посвящена содержанию и методике обучения студентов педагогического вуза физической специальности спецкурсу «Основы моделирования». Спецкурс форма организации обучения является одной из самых эффективных на физико-математическом факультете педвуза и открывает широкие возможности для формирования знаний, умений и навыков студентов, а также позитивной мотивации к учебе и будущей работе в качестве учителей физики.
В этой главе обозначены цели, задачи, разработано содержание спецкурса, описано проведение контроля и коррекции. Чтобы содержание лучше воспринималось студентами, мы использовали комплекс различных средств педагогической коммуникации: формы организации (лекции, практические и лабораторные работы); дидактические средства (наглядные пособия, раздаточные материалы, наглядные модели, физические демонстрации, наглядные пособия на электронных носителях, научная и публицистическая литература), методы обучения (оперативные, развивающие, методы повышения уровня мотивации, контроля и коррекции). Все это позволило непрерывно вести коррекцию составных частей спецкурса
Далее во второй главе изложены методика проведения и результаты педагогического эксперимента.
Для подтверждения гипотезы был проведен педагогический эксперимент, состоявший из трех этапов. Результаты проведенного эксперимента подтверждают доступность содержания и эффективность предложенной методики обучения.
Основное содержание диссертации отражено в 6 публикациях.
Анализ исследований по использованию компьютеров для моделирования физических явлений
Многие авторы научных работ отмечают, что основной целью компьютерного обучения является формирование творческой личности, способной активно использовать полученные знания для применения вычислительной техники в своем будущем труде.
Так, исследуя возможности применения ЭВТ при обучении физике, Лаптев В.В. доказал, что электронная техника, включенная в состав учебного оборудования по физике, способствует повышению интереса к предмету, стимулирует более глубокое его изучение [109]. Однако, как подчеркивает автор, компьютер является только средством познавательной деятельности учащихся, а управление ею остается за учителем.
Вопрос использования компьютеров при обучении физике рассмотрен Ланиной И.Я. при исследовании проблемы формирования и развития познавательных интересов школьников[108]. Изучение возможностей ЭВТ позволило автору выделить ее несомненные качества и сделать вывод о значимости компьютера не только для формирования знаний, умений и навыков учащихся, но и в становлении личностных качеств школьников. В то же время автор предостерегает от ошибок, связанных с методически неоправданным использованием ЭВМ.
Рассмотрим некоторые мнения по вопросу использования компьютеров в обучении физике.
Одним из распространенных является мнение о чрезмерной рационализации мышления учащихся при компьютерном обучении, не оставляющем места для эмоций. Д. Вайценбаум считает, что недооценка эмоциональности преподавания является сильным отрицательным явлением, сопутствующим применению компьютеров в школе [42]. У школьников с младших классов формируется рациональное мышление, что стимулирует развитие научного мышления, но приносит вред столь важным человеческим ценностям, как литература, живопись, музыка, которые не могут быть представлены математическим языком и запрограммированы. По мнению ученого главное в методике обучения ученика обращению с машиной - это воспитание умения творчески относиться к работе, постоянно выдвигать интересные идеи, которые сам компьютер не создает.
Другой крупный ученый С. Паперт делает вывод, что использование компьютеров в обучении не создает пропасти между рациональностью и эмоциональностью преподавания, а наоборот, является мостом в формировании общей культуры ученика: математической и гуманитарной, позволяющей ученикам мыслить с помощью чисел и слов [42].
По мнению В.Г. Разумовского [144] алгоритмизация учебной деятельности на основе готовых предписаний не должна стать чрезмерной, не должна тормозить развитие творческих способностей учащихся, связанных с интуицией, с самостоятельным созданием нужного алгоритма. Нельзя допустить, чтобы богатый мир физических явлений был заменен "экранным миром" компьютера. Учащиеся должны понимать, что компьютер - это всего лишь инструмент в руках человека, инструмент очень совершенный, но с ограниченными возможностями и, главное, он может делать лишь то, что в него заложит человек. Применение компьютеров не освобождает от умственного труда. Оно делает этот труд производительным, творческим, интересным.
Работа с компьютером приучает школьника действовать по заранее заданному или составленному им самим алгоритму. Усвоение алгоритма приводит учащихся к высокому овладению техникой деятельности, без которой нигде не может быть творчества. Компьютер помогает школьнику выдвинуть гипотезу, быстро обработать результаты эксперимента и на их основе создать субъективно новый для ученика результат - открытие, изобретение, решение задачи.
Творческий акт - это наиболее объективный алгоритм деятельности, и неправомерным становится само противопоставление работы по алгоритму и творческой работы [144]. За применением знаний по известному алгоритму следует их применение в новых условиях, т.е. творчески.
Возможности использования ЭВМ при обучении физике
Одной из первых статей, посвященных компьютерам на уроках физики, была работа Извозчикова В.А. и Марковой И.В. [80], в которой на примере движения тела под углом к горизонту было обращено внимание на важную роль компьютеров в школьной физике. Начиная с этого времени, число публикаций по этой проблеме неуклонно возрастает. Вопросам применения микро - и мини-ЭВМ на уроках физики w посвящена статья Разумовской Н.В. [143]. Автор отмечает, что ЭВМ становится независимым помощником преподавателя при моделировании физических процессов и явлений, воспроизведении физических экспериментов и работы механизмов и машин. В то же время автор указывает на имеющуюся опасность замены богатого мира физических явлений "экранным миром" компьютера.
Интересны выводы авторов работы [43] о том, что эксперименты на компьютерных моделях - хороший способ предотвратить формализм в знаниях учащихся. С этой целью авторами предлагается моделирование с помощью ЭВМ фундаментальных физических опытов (Иоффе -Милликена, Франка - Герца и других). Практическое значение имеет описание пакета обучающих программ "Движение тела под действием силы тяжести" [22].
Преимуществом численного физического эксперимента по сравнению с экспериментом натурным и использованию этих преимуществ в практикуме по общей физике посвящена работа [157]. По мнению авторов, численный эксперимент дает обучаемым прежде всего возможность экспериментировать с системами даже в тех случаях, когда проведение реального эксперимента затруднительно или нецелесообразно.
Во-вторых, открывается возможность повторения и точного воспроизведения условий протекания изучаемого процесса, прерывания и возобновления хода эксперимента с целью анализа промежуточных результатов и внесения корректив. Наконец, относительная дешевизна и быстрота создания численных моделей составляет еще одно их преимущество. Использование имеющихся преимуществ авторы видят в ф постановке лабораторных работ с использованием численного моделирования в практикуме по общей физике.
Дальнейшее развитие этих идей изложено в [158]. Авторы отмечают, что использование численного моделирования позволяет существенно расширить рамки лабораторного эксперимента, поскольку появляется возможность исследования систем и явлений, недоступных для реального эксперимента в условиях школьного практикума. Исследуемый процесс можно представить в более наглядной форме, чем в натурном эксперименте. Работа на компьютерах позволяет учащимся более глубоко усваивать математические особенности описания физических явлений, получать представление о современных методах изучения сложных систем.
Сходную позицию занимают и авторы работы [83, 141], которые обращают внимание на важность компьютерного моделирования при изучении явлений и процессов, не воспроизводимых на обычных установках (квантовые явления, движение заряженных частиц, космические задачи и т.д.).
Первым в нашей стране руководством по комплексному использованию персональных компьютеров и программируемых микрокалькуляторов при изучении элементарной физики явилась книга Кондратьева А.С. и Лаптева В.В.[99]. Авторы на большом количестве примеров обстоятельно раскрыли возможности современной ЭВТ в решении задач механики, молекулярной физики, электростатики, оптики. Достоинством данного пособия является наличие в нем последовательно усложняющегося материала, знакомящего с программированием на Бейсике и подготавливающего читателя к дальнейшей самостоятельной работе над практической частью книги.
По мнению авторов [13] устранению несовершенств традиционных дидактических средств и методики формирования у школьников обобщений при демонстрации опытов способствуют возможности, предоставляемые ЭВМ. Среди них - получение различных идеальных моделей и их иллюстрация; исследование свойств абстрактных моделей; выполнение численного эксперимента. Теми же авторами в работе [П] предложено использование управляющей функции ЭВМ для повышения эффективности школьного демонстрационного физического эксперимента.
Методические основы использования компьютерного моделирования в обучении физике
Приоритет экспериментальных исследований является основополагающим принципом физики как науки. Под экспериментом обычно понимается наблюдение и анализ исследуемого явления в определенных условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздав его каждый раз при фиксированных условиях.
И в научных исследованиях, и в преподавании физики эксперимент является источником знаний, критерием достоверности физических закономерностей, исходным пунктом для проведения логических и математических операций, доказательством связи теории с практикой.
Методика преподавания физики возлагает на физический эксперимент следующие задачи:
- обеспечение наилучшего усвоения учащимися понятий, законов,
теорий: формирование умений применять знания на практике:
- знакомство с важнейшими методами физических исследований
- получение и обработка информации;
- развитие интереса учащихся к предмету; подготовка их к освоению новой техники и технологии материального производства;
- формирование у учащихся умений самостоятельной работы и творческого отношения к делу;
- формирование практических умений и навыков;
- подготовка к труду в сфере материального производства.
Учебный физический эксперимент является одновременно
источником знаний, методом обучения и видом наглядности. Он служит для открытия явлений и законов. Учебный эксперимент не может существовать и развиваться сам по себе. Он создается и совершенствуется в соответствии с развитием школы и вуза, методики преподавания физики, как области педагогической науки.
Система учебного физического эксперимента представляет собой взаимосвязанную совокупность важнейших опытных факторов (элементов содержания ), экспериментальных методов физики (включая технические средства: приборы, материалы, установки, аудиовизуальные средства ), видов эксперимента и организационных форм обучения, воспитания и развития учащихся, ссютветствующих ведущей концепции методики преподавания физики.
В любом эксперименте можно выделить следующие характерные черты:
- вмешательство в исследуемые явления, процессы специальными
приборами;
- выделение реально существующих связей и подавление побочных и случайных влияний;
- воспроизведение и неоднократное повторение изучаемых явлений в определенных условиях;
- направленное изменение условий протекания явления или процесса;
- организованность и направленность с целью сведения к минимуму элементов случайности.
Структурно физический эксперимент можно изобразить в следующем виде: экспериментатор «- - экспериментальное средство - объект исследования.
Здесь представлены три основные составляющие физического эксперимента:
- экспериментатор и его деятельность как познающего субъекта;
- объект или предмет экспериментального исследования;
- средства экспериментального исследования (инструменты, приборы, установки).
