Компьютерный лабораторный практикум как средство обучения

Компьютерный лабораторный практикум как средство повышения познавательного интереса учащегося к предмету «Физика»
статья по физике (10 класс) по теме

Актуальность использования компьютерных программ на уроках физики

Скачать:

Вложение	Размер
statya_2012.doc	83 КБ

Предварительный просмотр:

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ПОЗНАВАТЕЛЬНОГО ИНТЕРЕСА УЧАЩЕГОСЯ К ПРЕДМЕТУ «ФИЗИКА»

Познавательный интерес — это один из важнейших для нас мотивов учения школьников. Его действие очень сильно. Под влиянием познавательного интереса учебная работа даже у слабых учеников протекает более продуктивно, а при правильной педагогической организации деятельности учащихся и систематической и целенаправленной воспитательной деятельности может и должен стать устойчивой чертой личности школьника и оказывает сильное влияние на его развитие. Он выступает перед нами и как сильное средство обучения. Классическая педагогика прошлого утверждала – «Смертельный грех учителя – быть скучным». Активизация познавательной деятельности ученика без развития его познавательного интереса не только трудна, но практически и невозможна. Вот почему в процессе обучения необходимо систематически возбуждать, развивать и укреплять познавательный интерес учащихся и как важный мотив учения, и как стойкую черту личности, и как мощное средство воспитывающего обучения, повышения его качества.

Познавательный интерес направлен не только на процесс познания, но и на результат его, а это всегда связано со стремлением к цели, с реализацией ее, преодолением трудностей, с волевым напряжением и усилием. Познавательный интерес – не враг волевого усилия, а верный его союзник. В интерес включены, следовательно, и волевые процессы, способствующие организации, протеканию и завершению деятельности.

На современном этапе развития школьного образования проблема активизации познавательной деятельности учащихся приобретает особо значение в связи с высокими темпами развития и совершенствования науки и техники, потребностью общества в людях образованных, способных быстро ориентироваться в обстановке, мыслить самостоятельно и свободных от стереотипов.

Выполнение такого рода задач становится возможным только в условиях использования методов активизации познавательной деятельности, которые вооружают знаниями умениями и навыками; содействуют воспитанию мировоззрения, нравственных, эстетических качеств учащихся; развивают их познавательные силы, личностные образования: активность, самостоятельность, познавательный интерес; выявляют и реализуют потенциальные возможности учащихся; приобщают к поисковой и творческой деятельности.

Одним из таких активных методов в физике является эксперимент. Он является не только необходимым условием достижения осознанных опорных знаний по физике, но и облегчает понимание предмета, способствует развитию наблюдательности, умений объяснять наблюдаемые явления, используя для этого теоретические знания, устанавливать причинно-следственные связи, развивает самостоятельность, дает возможность проведения работ исследовательского характера. Ни для кого не секрет, что школьники часто ждут начала изучения физики: познание мира, проделывание опытов, объяснение тех или иных физических явлений привлекает многих. Но уже с момента изучения языка физики – физических терминов, формул, законов и их применения для конкретной ситуации – интерес угасает. Ведь это все абстрактно, они не видят реальной связи с окружающим миром, не понимают, зачем необходимо все это, как им кажется, «вызубривать». Происходит разрыв между собственно предметным содержанием и их представлением о нем. Как результат, для многих школьников по окончанию обучения – физика – один из самых сложных, абсолютно ненужных в повседневной жизни учебных предметов. Они убеждены, что больше никогда в своей дальнейшей жизни навыки решения задач и знание физики им не пригодиться.

Использование ИКТ на уроках в большинстве случаев детям очень нравится работать в компьютерном классе или с интерактивной доской, детям предоставлена большая свобода действий, и некоторые из них могут «блеснуть» своими познаниями в сфере технологий. Ребята активно используют ресурсы Интернета на уроках и во внеурочное время, и это надо использовать, чтобы повысить знания по предмету. Ведь, Интернет можно использовать и как средство общения, и как средство обучения, и как средство развлечения, но нам важно, чтобы школьники использовали Интернет как средство получения информации. Компьютер, также позволяет провести эксперименты из любой области физики: механики, электричества, молекулярной, ядерной, атомной физики и других разделов, при этом, сокращая время, на проведение данного исследования. В каждом из этих разделов встречаются опыты, которые имеют большое значение для формирования полной картины мира у учащихся, но не включаются в лабораторный практикум в связи с трудностями в их постановке.

Компьютер в сочетании с хорошей обучающей программой обладает колоссальным потенциалом и даёт разнообразные возможности для формирования познавательного интереса на уроках физики:

1. использование изобразительных возможностей и звука, динамических рисунков и моделей
2. моделирование виртуальной научной реальности и исследование тех закономерностей, которые в обычных условиях невозможно воспроизвести;
3. дополнение традиционного эксперимента, используя камеру;
4. иллюстрация того, что невозможно показать в силу различных обстоятельств;
5. стимулирование познавательного интереса к предмету с помощью электронных презентации уроков не только преподавателя, но и с презентациями, созданными самими школьниками;
6. организация индивидуальной работы
7. проведение быстрого и эффективного тестирования знаний.

1. использование электронных пособий при обучении решению задач.

Все выше сказанное можно осуществить с помощью виртуальной лабораторной работы, которую нет возможности провести в реальных условиях. При проведении физического эксперимента эффективно работает программный продукт компании Физикон «Физика 7-11 класс» или «Открытая физика», созданная калифорнийской фирмой Knowledge Revolution и локализованная (русифицированная) Институтом новых технологий образования «Живая физика».

В числе основных факторов, побуждающих учащихся к активности, авторы [1] выделяют:

• творческий характер учебно-познавательной деятельности

• игровой характер проведения занятий

Учитывая перечисленные факторы, с помощью виртуальной лабораторной работы преподаватель может безошибочно активизировать деятельность учащихся, так как различный подход к занятиям у учащихся вызывает интерес к занятиям, учащиеся будут с радостью идти на занятия, так как предугадать преподавателя не возможно. Кроме этого, данный лабораторный практикум оказывает сильное эмоциональное воздействие на учащегося, так как здесь присутствует и игра, и состязательность, и творческий характер. Эмоциональное воздействие также существует, как самостоятельный фактор и является методом, который пробуждает желание активно включится в коллективный процесс учения, заинтересованность, приводящая в движение [4].

Для проведения компьютерного эксперимента, в настоящее время, есть необходимая материальная база, которая позволяет широко использовать возможности по внедрению современных информационных технологий в образовательный процесс. Примером компьютерной программы, позволяющей смоделировать многие физические эксперименты, является программа «Открытая физика» фирмы «Физикон», которая в настоящее время широко используется в образовательном процессе высших учебных заведений. В этой программе компьютерные модели важнейших физических явлений сопровождаются фрагментами лекций и текстовыми пояснениями [2]. Данная программа позволяет не только реализовывать на практике компьютерные варианты демонстрационных опытов по физике, но и самостоятельно разрабатывать на основе этих опытов лабораторные работы по физике.

На основе программы «Открытая физика» или «Живая физика» достаточно легко разработать виртуальную лабораторную работу. Примером может служить лабораторная работа «Теплоемкость идеального газа», целью проведения которой является: экспериментальное определение молярной теплоемкости при изохорном и изобарном процессах;

Методика и порядок измерений.

1. Откройте программу «Открытая физика». Из списка моделей выберете «Теплоемкость идеального газа»;
2. Выберете изохорный процесс (V=const);

Рисунок 1 – Модель «Теплоёмкость идеального газа»

Источник

Компьютерный лабораторный практикум как средство обучения

Неотъемлемой составной частью учебного процесса при изучении естественнонаучных и технических дисциплин является лабораторный практикум, задачей которого является формирование у студентов практических навыков работы с оборудованием, получения и обработки экспериментальных данных, умений планировать эксперимент, анализировать и сопоставлять полученные результаты с литературными данными. Одним из главных направлений информатизации в учебном заведении является распространение различных электронных видов и форм обучения [1]. Все более востребованным способом получения новых знаний в мире становится e-learning (сокращение от electronic learning) — система электронного обучения, главной чертой которой является максимальная ориентация на учет потребностей пользователей [2]. В качестве аналогов или вариантов e-learning в России принято применять такие понятия, как дистанционное обучение, открытое дистанционное обучение, обучение с применением компьютеров, сетевое обучение, виртуальное обучение и т.д. С развитием компьютерных технологий обучения все больше дискутируется вопрос о необходимости создания виртуальных лабораторных работ и частичном или полном переводе практикумов из лабораторий в компьютерные классы [3-6]. При этом одни авторы объясняют необходимость такого перехода дороговизной лабораторного оборудования, другие — недостаточностью временных ресурсов или унификацией образовательных программ в соответствии с Болонской декларацией и пр. Очевидно, что подобными доводами нельзя в полной мере руководствоваться при подготовке бакалавров, магистров или специалистов технических направлений, поскольку уровень их ответственности при работе на производстве настолько велик, что определяет не только экологическую безопасность, но и само существование окружающего мира. Подход к проблеме создания виртуальных лабораторных работ и их внедрения в учебный процесс должен быть дифференцированным и учитывать специфику той или иной дисциплины, чтобы не допустить выпуска армии «виртуальных» специалистов, имеющих опыт работы лишь с идеализированными моделями, а не с реальными объектами и явлениями.

Совершенствование мультимедийных средств обучения привело к модернизации образовательного процесса в целом: лекции проводятся в режиме презентаций, для ведения практических и семинарских занятий используются интерактивные способы представления учебного материала, зачеты и экзамены принимаются с использованием машинного контроля. Наиболее консервативной частью учебного процесса остается лабораторный практикум, целесообразность полного перевода которого в виртуальный режим пока не совсем ясна.

При изучении химии современные технологии в ряде случаев позволяют отойти от реального проведения химических процессов без потери качества полученной информации. Необходимость проведения виртуальных лабораторных работ возникает, прежде всего, при заочном и дистанционном обучении, а также при отработке студентами пропущенных занятий, отсутствии сложного оборудования и дорогостоящих или малодоступных реактивов. Кроме того, для некоторых работ возможности компьютеризированного лабораторного практикума более широки по сравнению с традиционным. Так, у студентов появляется возможность изучения реакций с веществами, запрещенными для использования в учебном процессе, например, соединениями ртути, мышьяка. Кроме того, при такой постановке практикума отсутствуют ограничения по времени, студент может выполнять работу (или подготовиться к ней) во внеучебное время, повторять ее многократно.

Задачи использования виртуальных лабораторных работ диктуют определенные требования к алгоритму их построения: логичность компоновки материала, методически грамотное его изложение, разумное использование анимационных средств, доступность справочных данных, позволяющих расширить возможности студента при объяснении результатов и ответах на поставленные вопросы. Таким образом, каждая лабораторная работа должна иметь свои особенности, но цикл работ, сгруппированных по определенным разделам, должен быть представлен как единое целое в соответствии с вышеперечисленными требованиями.

Лабораторные работы по общей и неорганической химии условно можно разделить на два вида: работы, выполняемые с использованием микроаналитического метода (в пробирках), и работы, требующие аппаратурного оформления. В первом случае перенос техники выполнения лабораторной работы из реального мира в виртуальный не столь сложен и требует создания некоего единого алгоритма, которому подчиняется большинство работ такого типа. Примерами являются работы по изучению окислительно-восстановительных и ионообменных реакций, гидролиза солей, большая часть работ по химии элементов. Ко второму типу можно отнести работы физико-химического плана, при выполнении которых необходимо использование приборов: определение тепловых эффектов реакций, изучение скорости реакции, приготовление растворов и определение их концентрации. Главным моментом при создании таких работ, на наш взгляд, является по возможности полное приближение схемы выполнения работы и ее аппаратурного оформления к реальным условиям.

Использование мультимедийных средств позволяет ввести элементы научного исследования в лабораторную работу. Например, при выполнении виртуальной работы по термохимии студент знакомится с устройством и принципом работы простейшего калориметра изопериболического типа, способом регистрации температуры при помощи термопары, порядком обработки экспериментальных данных и расчета по ним величины теплового эффекта реакции. В программу заложена возможность изу­чения процесса растворения нескольких веществ, протекающего с выделением или поглощением теплоты, и варьирования их массы. При выполнении виртуальной лабораторной работы студент оперирует образами веществ и компонентов оборудования, воспроизводящими внешний вид и функции реальных предметов.

Необходимо отметить, что объектом изу­чения химии является вещество, обладающее комплексом характеристик и свойств, которые не сможет воспроизвести ни одна самая совершенная компьютерная модель. Поэтому при создании лабораторных работ по общей и неорганической химии наиболее оптимальным является сочетание виртуального и реального эксперимента, при котором компьютерная модель изучаемого процесса несет вспомогательную функцию подготовки студента к действиям с реальными объектами, позволяет ускорить обработку полученных данных, составить отчет по работе, ответить на ряд типичных для данной работы вопросов.

Для того чтобы объяснить содержание предложенной авторами данной статьи модели виртуальной лабораторной работы, необходимо обсудить два направления использования мультимедийных средств в образовании. Первое направление связано с использованием компьютерных технологий, как вспомогательных средств, для упрощения математических расчетов и построения графических изображений, широко используется в настоящее время. Такие работы можно назвать классическими современными лабораторными работами. Второе направление связано с созданием «абсолютно» виртуальных лабораторных работ, которые можно использовать для дистанционного обучения студентов, для отработки пропущенных занятий, а также для самоподготовки к выполнению реальной лабораторной работы.

Важным фактором в оценке качества виртуальных лабораторных работ является соотношение активной и пассивной составляющих деятельности студента. В настоящее время известны компьютеризированные лабораторные практикумы, в которых пользователь (студент) следит за происходящим на экране монитора и описывает наблюдения в тетради. Такого рода работы можно классифицировать как виртуальный имитатор реальной лабораторной работы, в которой сведена к минимуму активная составляющая деятельности студента. Высокий уровень интерактивности разработанных в Томском политехническом университете виртуальных лабораторных работ по химии позволяет максимально реализовать экспериментальную составляющую процесса обучения и приблизиться к условиям реальности.

Логика представления материала в виртуальной лабораторной работе отличается от реальной работы более детальным описанием процесса исследования, обилием подсказок и ссылок, а также наличием анимации. Виртуальная работа требует большей четкости в описании последовательности действий, поэтому методически обоснованным является представление такого рода работ в виде определенного числа разде- лов — вкладок, каждый из которых несет свою смысловую нагрузку:

Для успешного выполнения любой лабораторной работы студент должен тщательно проработать теоретический материал по теме исследования, поэтому в виртуальной лабораторной работе раздел с аналогичным названием должен быть представлен более подробно, чем в классическом практикуме.

В разделе «Описание работы» формулируется цель лабораторной работы, приводится схема установки, расчетные формулы, описывается работа с графиками. Например, в лабораторной работе «Определение энтальпии растворения веществ» в данном разделе показана схема калориметра с движущимся сердечником магнитной мешалки, описан принцип действия термопар, подробно излагается порядок обработки графической зависимости температуры от времени t = f(t), полученной при калориметрическом измерении.

Показано, что для вычисления количества теплоты Q, выделяющейся или поглощающейся в калориметре в ходе процесса, по формуле: Q = Dt×К, необходимо рассчитать константу калориметра (К = SС_р), которая равна суммарной изобарной теплоёмкости калориметрической системы. Приведены удельные теплоёмкости стекла, из которого изготовлен стакан, разбавленных растворов NH₄Cl и NaOH (тепловые эффекты растворения этих веществ будут определены в работе) и тефлона (покрытие мешалки).

В разделе «Порядок проведения работы» студент получает пошаговые инструкции выполнения лабораторной работы, описывается порядок вычислений энтальпии растворения. Работа калориметра управляется при помощи компьютера, показания термодатчика фиксируются автоматически через определенные промежутки времени. Программа, преобразующая ЭДС термопары в цифровую форму, строит график зависимости температуры раствора от времени.

В разделе «Лабораторная установка» студент самостоятельно готовит калориметр к работе, собирая его из составных частей, максимально реальное изображение которых приводится в «инструментальном окне».

С помощью клавиши мыши студент имеет возможность перемещать любые слагаемые установки, взвешивать вещества, размешивать стеклянной палочкой раствор, словом, осуществлять реальный процесс в виртуальном мире. Каждое неверное действие студента комментируется компьютером, для чего разработчики программы продумали каждое ошибочное действие студента, а также обозначили те реперные моменты, которые должны быть осуществлены студентом при осуществлении лабораторной работы. Например, перед началом взвешивания вещества должна быть взвешена калька, до начала процедуры измерения температуры вещество в воде должно быть размешено и т.д. Невыполнение определенных условий не позволяет продолжить проведение работы.

Для максимальной реалистичности проведения лабораторной работы все химические вещества (NaOH, NH₄Сl), а также технические средства (колбы, пробирки, стаканы, термопара, весы и т.д.) представлены в натуральном виде. Изображение появляется при наведении курсора на соответствующую деталь.

При осуществлении эксперимента зависимость изменения температуры от времени фиксируется компьютером и на экране рисуется график данной зависимости, который был получен при проведении лабораторной работы в реальных условиях.

В разделе «отчет» студент заполняет соответствующие разделы, фиксируя значения, полученные в ходе эксперимента измеряемых величин, например, массу внутреннего стакана калориметра и исследуемого вещества, объем наливаемой воды. Проводит расчеты теплового эффекта и энтальпии растворения, а также погрешности эксперимента.

Таким образом, современные мультимедийные технологии позволяют реализовывать любые формы экспериментальной деятельности, открывают широкие перспективы в создании оригинальных, а порой и принципиально новых работ химического практикума. Полагаем, что разработанный нами цикл лабораторных работ по химии для студентов высших учебных заведений, является современным инновационным воплощением компьютеризированных пособий нового поколения.

Источник