Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Модели и моделирование в науке и обучении 14
1.1 Модели и моделирование в современной науке 14
1.2 Применение моделей в процессе обучения школьников 26
1.3 Компьютерное моделирование в обучении 33
Глава 2. Психологические и педагогические основы компьютерного обучения 50
2.1 Психолого-педагогические аспекты компьютерного обучения 50
2.2 Особенности учебной деятельности и управления ею на основе компьютерного обучения 58
Глава 3. Методика организации и проведения уроков по физике в 10 классе средней общеобразовательной школы при изучении темы «Молекулярная физика» с применением компьютерного моделирования 74
3.1 Анализ состояния компьютерного моделирования в разделе «Молекулярная физика» 74
3.2 Характеристика экспериментальной программы компьютерного моделирования динамики систем многих частиц и возможности ее использования в учебном процессе 83
3.3 Методика организации и проведения уроков физики в 10 классе при изучении раздела «Молекулярная физика» на основе экспериментальной программы 92
Глава 4. Содержание и результаты педагогического эксперимента 128
4.1 Задачи эксперимента и организации его проведения 128
4.2 Анализ результатов педагогического эксперимента 140
Заключение 147
- Модели и моделирование в современной науке
- Психолого-педагогические аспекты компьютерного обучения
- Анализ состояния компьютерного моделирования в разделе «Молекулярная физика»
Введение к работе
Одним из важнейших направлений развития общества является образование. Образование «работает» на будущее, оно определяет личные качества каждого человека, его знания, умения, навыки, культуру поведения, мировоззрение, тем самым создавая экономический, нравственный и духовный потенциал общества. Информационные технологии являются одним из главных инструментов в образовании, поэтому разработка стратегии их развития и использования в сфере образования составляет одну из ключевых проблем. Следовательно, использование вычислительной техники приобретает общегосударственное значение. Многие специалисты полагают, что в настоящее время компьютер позволит осуществить качественный рывок в системе образования, так как учитель получил в свои руки мощное средство обучения. Обычно выделяют два основных направления компьютеризации. Первое ставит цель обеспечить всеобщую компьютерную грамотность, второе - использовать компьютер в качестве средства, повышающего эффективность обучения.
В системе обучения различают два вида деятельности: обучающую и учебную. Н.Ф. Талызина и Т.В. Габай [132] предложили рассматривать роль компьютера в обучении с точки зрения той функции, которую он выполняет.
Если компьютер выполняет функцию управления учебной деятельностью, то его можно рассматривать как обучающее средство, заменяющее педагога, так как компьютер моделирует обучающую деятельность, задает вопросы и реагирует на ответы и вопросы школьника как педагог.
Если компьютер используется только как средство учебной деятельности, то взаимодействие его с учащимися осуществляется по типу «пользователь ЭВМ». В данном случае компьютер не является средством обучения, хотя он и может сообщать новые знания. Поэтому, когда говорят о компьютерном обучении, то имеют в виду использование компьютера как средства управления учебной деятельностью.
Несмотря на то, что пока нет единой классификации обучающих программ, многие авторы выделяют среди них следующие пять типов: тренировочные, наставнические, проблемного обучения, имитационные и моделирующие, игровые. Компьютерные модели имеют наиболее высокий ранг среди выше указанных. Согласно В.В. Лаптеву [58], «компьютерная модель - это программная среда для вычислительного эксперимента, объединяющая в себе на основе математической модели явления или процесса средства интерактивного взаимодействия с объектом эксперимента и развитие средства отображения информации... Компьютерные модели - основной объект для вычислительной физики, отличительным методом которой является вычислительный эксперимент точно так же, как отличительным методом экспериментальной физики является натурный эксперимент». Академик В.Г. Разумовский [109] отмечает, что «с введением в учебный процесс компьютеров возрастают возможности многих методов научного познания, особенно метода моделирования, который позволяет резко повысить интенсивность обучения, поскольку при моделировании выделяется сама суть явлений и становится ясной их общность».
Современное состояние компьютерного обучения характеризуется большим набором обучающих программ, значительно отличающихся по качеству. Дело в том, что на начальном этапе компьютеризации школ учителя, использовавшие компьютерное обучение, создавали свои обучающие программы, а поскольку они не являлись профессиональными программистами, то и созданные ими программы были малоэффективными. Поэтому, наряду с программами, обеспечивающими проблемное обучение, компьютерное моделирование и так далее, имеется большое число примитивных обучающих программ, не влияющих на эффективность обучения. Таким образом, задачей учителя становится не разработка обучающих программ, а умение использовать готовые качественные программы, отвечающие современным методическим и психолого-педагогическим требованиям.
Одним из главных критериев дидактической значимости моделирующих программ является возможность проведения исследований, которые ранее в условиях школьного физического кабинета были неосуществимы. В содержании физического школьного образования есть ряд разделов, натурный эксперимент в которых лишь качественно описывает изучаемое явление или процесс. Применение компьютерных моделей позволило бы провести и количественный анализ данных объектов.
Одним из таких разделов школьной физики является молекулярная физика, состояние компьютерного обучения в котором мы и проанализируем. Изучая его, учащиеся встречаются с качественно новой формой движения материи - тепловым движением, в котором, кроме законов механики, действуют и законы статистики. Натурные эксперименты (броуновское движение, диффузия, взаимодействие молекул, испарение, поверхностные и капиллярные явления, смачивание) подтверждают гипотезу молекулярного строения вещества, но не позволяют наблюдать механизм происходящих физических процессов. Механические модели: опыт Штерна, доска Гальтона, установка для демонстрации газовых законов дают возможность проиллюстрировать закон Максвелла распределения молекул газа по скоростям и получить экспериментально соотношения между давлением, объемом и температурой, необходимые для вывода газовых законов.
Применение современной электронной и электронно-вычислительной техники позволяет существенно дополнить постановку и проведение эксперимента. К сожалению, число работ по данной теме очень незначительно.
В работе [22, с.33-48] описано применение компьютера для демонстрации зависимости скорости молекул различных газов от температуры, расчет изменения внутренней энергии тела при испарении, плавлении и кристаллизации, а также использование компьютера при обработке лабораторных работ. Здесь же [22, с.84-91] дано описание урока по определению КПД идеального теплового двигателя на основании цикла Карно.
Методика постановки эксперимента с применением электронной и электронно-вычислительной техники описана В.В. Лаптевым [67]. Схема эксперимента выглядит так: измеряемые величины- датчики- аналого-цифровой преобразователь-микрокалькулятор МК-В4 или ЭВМ «Yamaha». По этому принципу сконструирована универсальная электромеханическая установка для изучения в школьном курсе физики газовых законов.
В книге А.С.Кондратьева и В.В.Лаптева «Физика и компьютер» [58] разработаны программы, анализирующие в виде графиков формулу максвеллов-ского распределения молекул по скоростям, использования распределения Больцмана для расчета высоты подъема и исследование цикла Карно.
И.В. Гребенев представляет программу, моделирующую теплоперенос путем столкновения частиц двух тел [31].
В статье «Моделирование лабораторных работ физического практикума» В.Т. Петросяна и других содержится программа моделирования броуновского движения частиц, число которых задается экспериментом [100].
Наиболее полной и удачной разработкой раздела молекулярной физики является учебный компьютерный курс «Открытая физика» ТОО НЦ ФИЗИКОЙ. Представленные в нем модели охватывают весь курс молекулярной физики и термодинамики. Для каждого эксперимента представлены компьютерная анимация, графики, численные результаты. Программы хорошего качества, удобны для пользователя, позволяют наблюдать динамику процесса при изменении входных макропараметров.
В то же время, на наш взгляд, данный компьютерный курс более всего подходит для закрепления пройденного материала, иллюстрации физических законов, самостоятельной работы учащихся. Но применение предложенных экспериментов в качестве компьютерных демонстраций затруднено, так как они не имеют методической поддержки, невозможно управлять временем протекающего процесса.
Следует отметить, что к настоящему времени «не выработано установившегося взгляда на конкретное указание: где и когда нужно применять компьютер в процессе обучения, не наработано практического опыта по оценке воздействия компьютера на эффективность обучения, нет установившихся нормативных требований к виду, типу и параметрам аппаратно-программных средств учебного назначения» [33].
Вопросы о методической поддержке педагогических программных средств поставил И.В. Гребенев [32]. «Важнейшим критерием эффективности компьютерного обучения следует, вероятно, считать возможность получения учащимися в диалоге с ЭВМ нового, важного знания по предмету, путем такого уровня или при таком характере познавательной активности, которые невозможны при безмашинном обучении, при условии, конечно, что их педагогический эффект и окупает затраты времени учителя и учащегося».
Значит, чтобы использование ЭВМ приносило реальную пользу, необходимо определить, в чем существующая методика несовершенна, и показать, какие свойства компьютера и каким образом способны повысить эффективность обучения.
Анализ состояния компьютерного моделирования свидетельствует о том, что:
1) компьютерное моделирование представлено небольшим количеством программ вообще и в частности тех, которые моделируют физические процессы, исходя из положений молекулярно-кинетической теории (МКТ);
2) в программах, моделирующих на основе МКТ, нет никаких количественных результатов, а имеет место лишь качественная иллюстрация какого-либо физического процесса;
3) во всех программах не представлено связи микропараметров системы частиц с её макропараметрами (давлением, объёмом и температурой);
4) не существует разработанной методики проведения уроков с использованием компьютерных моделирующих программ по ряду физических процессов МКТ.
Это и определяет актуальность исследования.
Объект исследования - процесс обучения в средней общеобразовательной школе.
Предметом исследования является процесс применения компьютерного моделирования при обучении физике в средней общеобразовательной школе.
Цель исследования - изучить педагогические возможности компьютерного моделирования и разработать методическое обеспечение использования компьютерных моделирующих программ на материале школьного курса физики.
Исходя из цели исследования, в работе ставились следующие задачи:
1) провести целостный анализ возможностей использования компьютерного моделирования в процессе обучения;
2) определить психолого-педагогические требования к учебным компьютерным моделям;
3) проанализировать отечественные и зарубежные компьютерные программы, моделирующие физические явления и дающие реальный обучающий эффект;
4) разработать компьютерную моделирующую программу на материале физического содержания среднего общего образования (раздел «Молекулярная физика»);
5) проверить применение экспериментальной компьютерной моделирующей программы и оценить ее дидактико-методический результат.
Гипотеза исследования.
Качество знаний, умений и информационная культура учащихся могут повыситься, если в процессе обучения физике использовать компьютерные моделирующие программы, методическое обеспечение которых заключается в следующем:
- адекватно теоретическим основам компьютерного моделирования в процессе обучения определены задачи, место, время, форма использования учебных компьютерных моделей;
- отбор содержания осуществляется в соответствии с задачами моделирующей программы;
- осуществляется вариативность форм и методов управления деятельностью учащихся;
- осуществляется обучение школьников переходу от реальных объектов к моделям и обратно.
Методологическую основу исследования составляют: системный и деятельностный подходы к исследованию педагогических явлений; философские, кибернетические, психологические теории компьютерного моделирования (А.А. Самарский, В.Г. Разумовский, Н.В. Разумовская, Б.А. Глинский, Б.В. Бирюков, В.А. Штофф, В.М. Глушков и другие); психолого-педагогические основы компьютеризации обучения (В.В. Рубцов, Е.И. Маш-биц) и концепции развивающего образования ( Л.С.Выготский, Д.Б.Эльконин, В.В.Давыдов, Н.Ф. Талызина, П.Я. Гальперин).
Методы исследования:
- научно-методический анализ философской, психологической, педагогической и методической литературы по исследуемой проблеме;
- анализ опыта учителей, анализ собственного опыта преподавания физики в средней школе и методики физики в вузе;
- анализ моделирующих компьютерных программ по молекулярной физике отечественных и зарубежных авторов с целью определения содержания программы;
- моделирование физических явлений в молекулярной физике;
- компьютерные эксперименты на базе отобранных моделирующих программ;
- анкетирование, беседа, наблюдение, педагогический эксперимент;
- методы математической статистики.
База исследования: школы № 3, 11, 17 г. Вологды, Вологодский государственный естественно-математический лицей, физико-математический факультет Вологодского государственного педагогического университета.
Исследование осуществлялось в три этапа и имело следующую логику.
На первом этапе (1993-1995 гг.) была определена проблема, цель, задачи и гипотеза исследования. Анализировалась философская, педагогическая и психологическая литература с целью выявления теоретических основ разработки и использования компьютерных моделей в процессе обучения.
На втором этапе (1995 - 1997 гг.) проводилась опытно-экспериментальная работа в рамках изучаемой проблемы, предлагались методические разработки использования на уроках физики компьютерных моделирующих программ.
На третьем этапе (1997 - 2000 гг.) проводился анализ и обобщение опытно-экспериментальной работы.
Достоверность и обоснованность полученных результатов гарантируется: теоретико-методологическими подходами к исследованию проблемы компьютерного моделирования в обучении; сочетанием качественного и количественного анализа результатов, включающего применение методов математической статистики; методами, адекватными цели и предмету исследования; научно-обоснованными требованиями к разработке компьютерной моделирующей программы.
Последнее требует некоторого пояснения. Нами разработана программа моделирования динамики систем многих частиц, расчет движения которых базируется на алгоритме Верле, используемом X. Гулдом и Я. Тобочни-ком. Данный алгоритм прост и даёт точные результаты даже при малых про межутках времени, а это очень важно при изучении статистических закономерностей. Оригинальный интерфейс программы позволяет не только видеть динамику процесса и изменять параметры системы, фиксируя результаты, но и даёт возможность изменить время эксперимента, остановить эксперимент, сохранять данный кадр и с него начинать последующую работу над моделью.
Исследуемая система состоит из частиц, скорости которых задаются случайным образом и которые взаимодействуют друг с другом по законам механики Ньютона, а силы взаимодействия между молекулами отображаются кривой Леннарда-Джонсона, то есть в программе заложена модель реального газа. Но, изменяя начальные параметры, можно привести модель к идеальному газу.
Представленная нами программа компьютерного моделирования позволяют получить численные результаты в относительных единицах, подтверждающие следующие физические закономерности и процессы:
а) зависимость силы взаимодействия и потенциальной энергии частиц (молекул) от расстояния между ними;
б) распределение Максвелла по скоростям;
в) основное уравнение молекулярно-кинетической теории;
г) законы Бойля-Мариотта и Шарля;
д) опыты Джоуля и Джоуля-Томсона.
Выше указанные эксперименты могут подтвердить справедливость метода статистической физики, так как результаты численного эксперимента соответствуют результатам, полученным на основании законов статистики.
Педагогический эксперимент подтвердил эффективность методики проведения уроков с использованием компьютерных моделирующих программ.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования:
1. Осуществлено комплексное описание компьютерного моделирования, применяемого в процессе обучения (философское, кибернетическое, педагогическое).
2. Обоснованы психолого-педагогические требования к компьютерным учебным моделям.
3. Применен метод компьютерного моделирования динамики многих частиц, который позволил впервые в школьном курсе молекулярной физики создать компьютерную модель идеального газа, позволяющую продемонстрировать связь микропараметров системы (скорость, импульс, кинетическая, потенциальная и полная энергия движущихся частиц) с макропараметрами (давление, объем, температура).
4. На основе программ компьютерного моделирования в методике физики осуществлены следующие численные эксперименты: получено основное уравнение молекулярно-кинетической теории; показана связь температуры с кинетической энергией поступательного движения частиц (молекул); смоделированы опыты Джоуля и Джоуля-Томсона для идеального и реального газов.
Практическая значимость исследования заключается в том, что отобранное содержание и разработанные компьютерные моделирующие программы могут быть использованы в средней общеобразовательной школе для проведения численного эксперимента по ряду вопросов молекулярной физики. Разработана и проверена в эксперименте методика проведения уроков по молекулярной физике с использованием моделирующих компьютерных программ. Материалы и результаты исследования могут быть также применены в процессе обучения студентов педвузов и повышения квалификации учителей физики и информатики.
Апробация основных материалов и результатов» полученных в ходе исследования, проводилась
• на международной электронной научно-технической конференции (Вологда, 1999);
• на межвузовской научно-практической конференции «Социальные аспекты адаптации молодежи к меняющимся условиям жизни» (Вологда, 2000);
• на второй региональной научно-методической конференции «Современные технологии в высшем и среднем профессиональном образовании» (Псков, 2000);
• на шестой Всероссийской научно-практической конференции «Проблема учебного физического эксперимента» (Глазов, 2001);
• при преподавании физики в средних школах города Вологды, на занятиях по методике преподавания физики со студентами ВГПУ, на семинарах аспирантов ВГПУ и преподавателей кафедры общей физики и астрономии.
На защиту выносятся:
1. Теоретические подходы к применению компьютерного моделирования в процессе обучения и его методическое обеспечение.
2. Содержание компьютерной программы, моделирующей динамику системы многих частиц, включающее основные принципы построения модели, ее параметры и возможности применения в обучении молекулярной физике в школе.
3. Методика организации и проведения уроков физики в 10-м классе средней общеобразовательной школы при изучении темы «Молекулярная физика» на основе компьютерной моделирующей программы.
Структура диссертации.
Структура диссертации определена логикой и последовательностью решения поставленных задач. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии.
Модели и моделирование в современной науке
В настоящее время модели и моделирование, как один из методов познания окружающего мира, широко применяются в науке, технике и в обучении.
Термин «модель» происходит от латинского слова modulus, что означает мера, образец, норма. Целостное представление человека о мире в большинстве случаев находит отражение в его сознании в виде определенной физической модели.
В современной философии даются следующие определения понятий модели и моделирования [14,15].
«Модель (франц. modele) в логике и методологии науки - аналог (схема, структура, знаковая система) определенного фрагмента природной или социальной реальности, продукт человеческой культуры, концептуально - теоретического образования и т. п. - оригинала модели. Этот аналог служит для хранения и расширения знания (информации) об оригинале, его свойствах и структурах, для преобразования или управления им. С гносеологической точки зрения модель - это «представитель», «заместитель» оригинала в познании и практике. Результаты обработки и исследования модели при определенных условиях, выясняемых в логике и методологии, и специфических для различных областей и типов моделей, переносятся на оригинал [15, с. 374]. «Моделирование - метод исследования объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей, реально существующих предметов и явлений (органических и неорганических систем, инженерных устройств, разнообразных процессов - физических, химических, биологических, социальных) и конструируемых объектов для определения либо улучшения их характеристик, рационализации способов их построения, управления ими и т.п.» [14, с. 373]. В зависимости от типа моделей различают предметное и знаковое моделирование. При предметном моделировании исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные геометрические, физические или функциональные характеристики оригинала. Например, при аналоговом моделировании с помощью энергетических моделей изучают механические, акустические, гидродинамические и другие явления, поскольку функционирование модели и оригинала описывается одними и теми же дифференциальными уравнениями.
«При знаковом моделировании моделями служат схемы, чертежи, формулы, предложенные в некотором алфавите (естественного или искусственного языка) и т.п.» [15, с. 373]. Моделирование является одним из важных методов познания, поэтому относится к гносеологической категории. Результаты, полученные при исследовании моделей, могут переноситься на оригинал, если модель отображает свойства оригинала.
В основу данной классификации положен способ воспроизведения в модели свойств оригинала. Все модели разделяются на два класса: материальные и идеальные. К материальным относятся модели, существующие объективно и созданные человеком для воспроизведения структуры и сущности изучаемого процесса или явления.
Для пространственно подобных моделей обязательным условием является геометрическое подобие их оригиналу, т.к. они отражают пространственные свойства и отношения объекта. К этой группе относятся различные макеты, модели технических устройств, кристаллических решеток и т.д.
В физически подобных моделях необходимо сходство ее физической природы с оригиналом и тождественность законов движения. Такие модели отличаются от отображаемой ими натуры лишь изменением пространственной или временной шкалы. К этой группе относятся действующие модели разнообразных технических устройств, например, электрических двигателей и генераторов, кораблей, самолетов и т.д.
Математически подобные модели функционирования объектов исследования должны описываться одинаковыми математическими уравнениями и, как правило, не имеют с оригиналом физического и геометрического подобия. К математическим моделям относятся аналоговые, структурные, цифровые, кибернетические модели.
Психолого-педагогические аспекты компьютерного обучения
В последние годы отечественные и зарубежные психологи обратили внимание на роль индивидуальных особенностей учащихся в процессе обучения [69]. Поиск путей сохранения и дальнейшего развития индивидуальности ребенка, его потенциальных возможностей, способностей привели к разработке концепций индивидуализации обучения. Содействие средствами индивидуализации выполнению учебных программ каждым учащимся, предупреждение неуспеваемости учащихся; формирование общеучебных умений и навыков при опоре на зону ближайшего развития каждого ученика; улучшение учебной мотивации и развитие познавательных интересов; формирование личностных качеств: самостоятельности, трудолюбия, творчества - суть индивидуализации обучения. Главное достоинство состоит в том, что индивидуализация позволяет полностью адаптировать содержание, методы и темпы учебной деятельности ребенка к его особенностям, следить за его действиями на каждом этапе решения задачи, вовремя вносить корректировку в деятельность учащегося и учителя, приспосабливать их к постоянно меняющейся, но контролируемой ситуации со стороны ученика и учителя. Все это позволяет ученику работать экономно, контролировать затраты своих сил, достигать более высоких результатов.
Технология индивидуализации обучения охватывает все звенья учебного процесса - цели, содержание, методы и средства. Характеристики индивидуализированного обучения - гуманистические по своей философской основе; факторы развития: био-, социо- и психогенные; принцип управления- система «репетитор», подход к ребенку - гуманно-личностный, организационные формы - академические, индивидуально- групповые; преобладающий метод - программированный, саморазвивающий, творческий. Один из вариантов осуществления индивидуализации обучения - разработка идей адаптивного обучения. Оно учитывает как возрастные, так и индивидуальные особенности учащихся. Адаптация может основываться на информации, собранной с учетом опыта обучения каждого учащегося либо запрограммированной заранее. Адаптивная система, запрограммированная заранее, обычно реализует обучение по разветвленной программе, где в зависимости от характера допущенной ошибки указывается, какие вспомогательные воздействия выдаются. Адаптивные обучающие системы, как правило, учитывают: а) правильность ответа, б) причины, вызвавшие затруднения при выполнении учебных заданий.
Развитие техники, разработка различного рода технических устройств позволяют соединять возможности технологии индивидуализации обучения с использованием современной вычислительной техники.
Компьютерное обучение на основе гибкой и оперативной адаптации к индивидуальным особенностям каждого ученика способно предупреждать возникновение психологического дискомфорта, снижение самооценки, снижение учебной мотивации, так как способно максимально учитывать индивидуальность обучающегося.
Л.В. Шеншев [145] описывает три варианта адаптивного обучения. Первый вариант - концепция максимальной адаптивности английского кибернетика Г. Паска. Второй - теория частичной адаптивности американского психолога Н. Краудера. Третий - концепция минимальной адаптивности Б.Скиннера. Авторы теорий адаптивного обучения схожи в оценке причин низкой эффективности традиционного обучения и в выборе устранения этих причин. Концепции адаптивного обучения предъявляют к учебному процессу некоторые требования:
1. Оперативная адаптация к индивидуальным особенностям учеников, учет темпа обучения, диагностика причин затруднений, своевременная корректировка учебного материала.
2. Непрерывное и целенаправленное управление аффективно-мотивационной сферой ученика, стабилизация его состояния. 3. Поддержание непрерывного диалога, стимулирование активности учащихся.
4. Автоматизация обучения.
Выполнение перечисленных требований легче отнести к компьютерному обучению, так как учитель не в состоянии одновременно адаптироваться к разным ученикам, машина же беспристрастна, терпелива и неутомима.
Названные выше концепции адаптивного обучения быстро пришли в массовую практику, породив модное увлечение обучающими устройствами и программами для компьютеров. Дилетантские и примитивные по своим педагогическим возможностям, они игнорировали основную идею учета индивидуальных особенностей и стабилизации положительного эмоционального настроя учеников. В связи с таким положением дел ставится под вопрос эффективность компьютерного обучения [21, 82]. Современная аргументация в пользу применения компьютеров повторяет выводы разработчиков адаптивного обучения. Это и важность учета динамики усвоения, и автоматизация обучения, позволяющая учителю не отвлекаться на организационные задачи.
Анализ состояния компьютерного моделирования в разделе «Молекулярная физика»
В первой и второй главах мы рассмотрели вопросы применения компьютерного моделирования в обучении с позиции гносеологии, педагогики и психологии, а также определили их место и функции. Использование компьютерных моделей в обучении физике позволяет показать значение моделирования как метода познания окружающего мира, способствует формированию абстрактного мышления, развитию познавательного интереса, овладению элементами информационной культуры. Вместе с тем, чтобы полнее реализовать такие достоинства как возможность индивидуального обучения, руководство учебной деятельностью, наглядность, имитационные свойства компьютерных моделей, необходимо выявить тот раздел физики, применение компьютерного моделирования в котором будет давать реальный обучающий эффект, и определить методические приемы включения его в урок.
Сложность изучения курса «Молекулярная физика и термодинамика» в основной средней школе состоит в том, что здесь учащиеся встречаются с качественно новой формой движения материи - тепловым движением, в котором, кроме законов механики, действуют и законы статистики [10, 104]. К тому же натурные эксперименты (броуновское движение, диффузия, взаимодействие молекул, испарение, поверхностные и капиллярные явления, смачивание) лишь подтверждают гипотезу молекулярного строения вещества, но не позволяют наблюдать механизм происходящих физических процессов. Механические модели: опыт Штерна, доска Гальтона, установка для демонстрации газовых законов позволяют проиллюстрировать закон Максвелла распределения молекул по скоростям и получить экспериментально соотношения между давлением, объемом и температурой, необходимых для вывода газовых законов. Повышение эффективности урока может дать расширение и совершенствование демонстрационного или лабораторного эксперимента с применением ЭВМ (о значении компьютерных моделей при изучении физики мы указывали в [114, 128]). Такие программные средства для проведения демонстрационного эксперимента в школьном курсе молекулярной физики и термодинамики имеются, хотя и в небольшом количестве. Обзор ряда работ сделан нами в [11, 104], а здесь мы представим анализ всех известных нам компьютерных программ, используемых при изучении молекулярной физики и термодинамики.
Применение современной электронной и электронно-вычислительной техники позволяет существенно улучшить постановку и проведение эксперимента. В [22, с 33-48] описано применение компьютера для демонстрации зависимости скорости молекул азота, водорода, аргона и воздуха от температуры, расчет изменения внутренней энергии тела при плавлении и кристаллизации, при испарении и для газообразного состояния, а также использование компьютера при обработке результатов лабораторных работ.
В этой же книге [22, с 84-91] дано описание урока по определению КПД идеального теплового двигателя на основании цикла Карно. В качестве модели цикла Карно выступала ЭВМ, которая программным путём реализует адиабаты и изотермы на экране монитора, графически представляя цикл Карно.
Методика постановки эксперимента с применением электронной и вычислительной техники описана В.В. Лаптевым [67]. Им использована универсальность электрического сигнала, который не только содержит необходимую информацию, но и может обрабатываться электронно-вычислительной техникой. Поэтому необходимо все неэлектрические величины, участвующие в эксперименте, преобразовать в электрические с помощью первичных преобразователей - датчиков, на выходе которых появляется электрический аналоговый сигнал обычно в виде электрического напряжения. Лаптевым В.В. с сотрудниками разработано и изготовлено несколько датчиков для измерения освещённости, температуры и времени. Фиксировать сигналы датчиков можно стрелочными или цифровыми измерительными приборами. Для того чтобы использовать при обработке результатов эксперимента цифровую электронно-вычислительную технику, необходимо аналоговый сигнал преобразовать в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя, воспользовавшись для этого соответствующими микросхемами. Таким образом, схема эксперимента выглядит так: измеряемые величины - датчики - аналого-цифровой преобразователь - микрокалькулятор МК-64 или ЭВМ «Yamaha». По этому принципу сконструирована универсальная электромеханическая демонстрационная установка для изучения в школьном курсе физики газовых законов. Измеряемые в опыте величины давления, объёма и температуры, по очереди фиксируются на демонстрационном цифровом индикаторе и подаются на шину данных ЭВМ, которая выводит на экран дисплея графики всех возможных зависимостей между давлением, объёмом и температурой. После построения графиков числовые значения данных величин заносятся в ОЗУ ЭВМ и могут быть выведены на экран дисплея в виде таблицы данных опыта и использованы для количественных расчетов. Таким образом, учащиеся имеют возможность наблюдать количественную и качественную характеристики газовых процессов одновременно.
