Підвищення ефективності формування понять з геометричної оптики засобами сучасних інформаційних технологій навчання

Дипломна робота

на тему:

"Підвищення ефективності формування понять з геометричної оптики засобами сучасних інформаційних технологій навчання"

Зміст

Вступ

1. Психолого-педагогічні аспекти технологізації навчального процесу в загальноосвітній школі

1.1 Сучасний підхід до розв'язання проблеми наочності при вивченні фізики

1.2 Комп’ютеризація навчального процесу

1.3 Роль та функції фізичного експерименту в сучасному навчально-виховному процесі

1.4 Аналіз існуючих програмно-педагогічних засобів з теми дослідження

2. Методичні аспекти поєднання традиційних та інформаційних технологій при вивченні геометричної оптики

2.1 Аналіз методичної системи вивчення геометричної оптики в загальноосвітній школі

2.2 Характеристика та структура розробленої демонстраційної комп’ютерної програми

2.3 Організація і проведення педагогічного експерименту

2.4 Вимоги техніки безпеки щодо роботи з персональним комп’ютером

Висновки

Список використаних джерел

Вступ

Впровадження в практику особистісно-орієнтованого навчання, при якому вчитель орієнтується не на «середнього» учня, а на кожного конкретного учня, що є для нього особистістю з його здібностями, рисами, схильностями й інтересами, вимагає розробки нових методів, засобів і організаційних форм навчання. На сучасному етапі розвитку освіти існує протиріччя між новими цілями навчання та існуючими традиційними технологіями навчання фізиці, тому виникає проблема використання нових досягнень науки і техніки для удосконалення навчального процесу.

Останнім часом у процесі навчання фізиці активно використовується персональний комп’ютер. Відбувається це принаймні з трьох причин. По-перше, загальний процес комп’ютеризації всіх сфер діяльності торкнулося й навчання, і комп’ютер стає помічником учителя й учнів на уроках майже будь-якого предмета. По-друге, комп’ютер став настільки розповсюдженим інструментом фізика-дослідника, що поряд з фізикою теоретичною і експериментальною виділяють новий розділ – комп’ютерну фізику. Нарешті, шкільний курс інформатики потребує підтримки з боку курсу фізики, коли мова заходить про будову комп’ютера, принципах функціонування окремих його елементів, і, у свою чергу, забезпечує курс фізики матеріалом, що викликає великий інтерес учнів.

У результаті комп’ютер став в курсі фізики в ролі як засобу навчання, так і предмета вивчення.

Як засіб навчання комп’ютер може виступати помічником і вчителя, і учня. Для вчителя він – автоматизований класний журнал, засіб проведення опитувань і обробки результатів навчання, інструмент для підготовки до уроків і для проведення демонстрацій. Для учня – засіб виконання завдань, для обох – інструмент моделювання реального світу.

Як предмет вивчення комп’ютер використовується у двох напрямках: у зв’язку з вивченням методів дослідження в сучасному природознавстві й у зв’язку з вивченням фізичних законів і явищ.

Зокрема, в учнів варто створити уявлення про те, що основними напрямками використання комп’ютера у фізиці-науці є комп’ютерне моделювання фізичних явищ і робота комп’ютера в поєднанні з експериментальними установками, де він виконує два завдання – служить для фіксації експериментальних даних, які він може робити зі швидкістю й в обсягах, зовсім недоступних при роботі на некомп’ютеризованій установці, автоматизує керування експериментом. Крім того, комп’ютер використається для обробки експериментальних даних, зберігання й швидкого пошуку величезних масивів інформації, як засіб комунікації. Використання персонального комп’ютера на уроках і в позаурочний час дозволяє познайомити учнів з усіма цими напрямками.

Основними педагогічними цілями використання комп’ютерних технологій у навчанні фізиці є наступні:

1.Розвиток творчого потенціалу учня, його здібностей до комунікативних дій, умінь експериментально-дослідницької діяльності, культури навчальної діяльності; підвищення мотивації навчання.

2.Інтенсифікація всіх рівнів навчально-виховного процесу, підвищення його ефективності і якості.

3.Реалізація соціального замовлення, обумовленого інформатизацією сучасного суспільства (підготовка користувача засобами комп’ютерних технологій).

Соціально-психологічною характеристикою стилю навчання в умовах функціонування комп’ютерних технологій є розвиток і саморозвиток потенційних можливостей учня і його творчої ініціативи. Це забезпечується наданням можливості для самостійного здобування знань і інформації; самостійного вибору режиму навчальної діяльності.

Слід зауважити, що при виконанні дослідження може бути організована індивідуальна, групова, колективна експериментально-дослідницька діяльність.

Використання досягнень нових інформаційних технологій для формування знань, умінь та навичок при вивченні геометричної оптики засобами комп’ютерного моделювання з урахуванням психолого-педагогічних особливостей учня, його темпераменту та базової підготовки, є актуальним питанням методики викладання фізики.

Метою даної дипломної роботи є розробка комп’ютерної навчальної програми для вивчення геометричної оптики, використовуючи засоби комп’ютерного моделювання, обґрунтування необхідності використання комп’ютерних моделей при вивченні фізики.

Об’єктом дослідження є процес формування понять геометричної оптики в загальноосвітній середній школі.

Предметом дослідження є форми, методи і засоби реалізації вивчення геометричної оптики за допомогою комп’ютерного моделювання.

Гіпотеза дослідження

Використання комп’ютерного моделювання при викладанні геометричної оптики повинно підвищити ефективність і якість засвоєння знань (понять, законів, величин, тощо), формування відповідних умінь та навичок.

Відповідно до предмету і гіпотези дослідження були визначенні його конкретні завдання:

1. Провести аналіз літературних джерел, наукових праць, статей з питання використання комп’ютерних моделей при викладанні фізики.

2. Розглянути психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп’ютерного моделювання при викладанні фізики.

3. Розробити комп’ютерну навчальну програму з використанням комп’ютерного моделювання з метою підвищення ефективності вивчення геометричної оптики в середній школі.

4. Розробити методичні рекомендації щодо використання комп’ютерного моделювання.

1. Психолого-педагогічні аспекти технологізації навчального процесу в загальноосвітній школі

 

1.1. Сучасний підхід до розв'язання проблеми наочності при вивченні фізики

«Для вирішення завдання розвитку творчих здібностей школярів при навчанні фізиці необхідно насамперед знати особливості творчого процесу в розвитку цієї науки і її технічного застосування» (В.Г. Разумовський)

Постійне вдосконалення навчально-виховного процесу разом з розвитком і перебудовою суспільства, а також зі створенням єдиної системи безперервного навчання, є характерною рисою народної освіти в Україні. Здійснювана в країні реформа школи спрямована на те, щоб привести зміст освіти у відповідність із сучасним рівнем наукового знання, підвищити ефективність всієї навчально-виховної роботи й підготувати учнів до праці в умовах прискорення науково-технічного прогресу (НТП), авангардні рубежі якого визначені як електронізація народного господарства, комплексна автоматизація. Досягнення НТП – це результат фундаментальних фізичних досліджень [52].

Тому електроніка й обчислювальна техніка стають компонентами змісту навчання в фізиці й математиці, засобами оптимізації й підвищення ефективності навчального процесу, а також сприяють реалізації багатьох принципів розвиваючого навчання.

Обчислювальна техніка, фундаментом якої служить фізика, знаходить широке застосування у викладанні останньої не тільки як засіб, що моделює математичними методами фізичні процеси і явища, але і як сучасний засіб наочності в сполученні з її абстрактно-логічної сторони із предметно-образною, як засіб математичної обробки результатів демонстраційного експерименту й лабораторних робіт, контролю й самоконтролю знань учнів. Досвід використання обчислювальної техніки на уроках фізики показав, що комп’ютер допомагає готовити завдання для відповідного рівня, темпу навчання й стилю кожного учня. Комп’ютер відкриває нові шляхи в розвитку мислення, надаючи нові можливості для активного навчання. За допомогою комп’ютера проведення уроків, вправ, контрольних і лабораторних робіт, а також облік успішності стає більше ефективним, а величезний потік інформації легкодоступним. Використання комп’ютера на уроках фізики також допомагає реалізувати принцип особистої зацікавленості учня в засвоєнні матеріалу й багато інших принципів розвиваючого навчання.

Однак, на наш погляд, комп’ютер не може повністю замінити вчителя. Вчитель має можливість зацікавити учнів, розбудити в них допитливість, завоювати їхню довіру, вона може направити їхню увагу на ті або інші аспекти досліджуваного предмета, винагородити їхнє зусилля й змусити вчитися. Комп’ютер ніколи не зможе взяти на себе таку роль учителя.

Необхідно відзначити важливість використання програм моделювання, які включають учня в світ науки й техніки, недоступний йому на шкільній лаві; наприклад, дозволяють «побачити» процеси всередині атома й атомного ядра, посадки космічний кораблів на Місяць або Венеру, хід променів в лінзах, наочно у вигляді імітаційних моделей провести ті або інші навчальні досліди на екрані дисплея, якщо їхнє матеріально-інструментальне втілення за якимись причинами недоступно школі.

Так, наприклад, використання таких програм, як Microsoft Office PowerPoint, відкриває широкі можливості для творчості учнів, для навчання їхньої дослідницької діяльності:

•   об’єкти на екрані можуть рухатися з різними швидкостями й взаємодіяти один з одним, це дає можливість вивчати закони руху й взаємодії тіл;

•   дозволяє конструювати об’єкти всіх видів: від будинків і техніки до експериментальних установок і моделей – значить відкривається можливість моделювати процес, робити спостереження й виміри, робити висновки й виявляти закономірності;

•   інше застосування графічного методу – побудова графіків залежностей фізичних величин (наприклад, за допомогою Microsoft Office Excel): зміна параметрів, що вводять, дозволяє краще зрозуміти фізичну природу, сутність досліджуваного явища;

•   графіка відіграє важливу роль і при вивченні дії над векторами: побудова векторів, знаходження їхніх проекцій, розкладання сумарного вектора на складові вектора й т.д., все це розвиває в учнів більш усвідомлене розуміння вектора.

Всі ці методи використання комп’ютера є традиційними й спрямованими на підвищення ефективності навчання фізиці всіх учнів класу. Широкий діапазон використання комп’ютера й у позакласній роботі: він сприяє розвитку пізнавального інтересу до предмета, розширює можливість самостійного творчого пошуку найбільш захопленою фізикою учнів. Однієї з форм використання комп’ютера в позакласній роботі є складання навчальних програм самими учнями [51]. При цьому учні не тільки поглиблюють і розширюють знання по темі, але й активно мислять, залучають для вирішення проблеми раніше отримані знання, проводять синтез, аналіз, узагальнення й висновки, що сприяють всебічному самостійному розгляду поставленого завдання. Складання програми стимулює розумову активність, розвиває творчі здібності учнів, сприяє емоційному задоволенню й самоствердженню.

Розвиток нових інформаційних технологій і підключення школи до електронної мережі Internet відкрило велике поле діяльності вчителю й учням. Робота в цьому напрямку так само здійснюється різними способами й всі вони спрямовані на одне: розкриття й розвиток творчого потенціалу тих, яких навчають.

В останні роки користується популярністю комп’ютерна телекомунікаційна вікторина. Вона являє собою змагально-групову питально-відповідну гру з використанням електронної пошти для зв’язку між групами учнів з різних шкіл і міст. Використання такої вікторини у викладанні фізики сприяє:

•   розвитку інтересу до досліджуваного предмета за допомогою комп’ютерної електронної пошти;

•   стимулюванню активності й самостійності учнів при підготовці питань, у роботі з літературою, позакласній роботі;

•   формуванню навичок колективної роботи під час обговорення відповідей на питання суперників, удосконалюванню етики спілкування й правопису учнів;

•   забезпечує об’єктивний контроль глибини й широти знань, якість засвоєння матеріалу учнями.

Учасники турніру мають гарну можливість виявити свої творчі здібності, тому що завдання, пропоновані їм, носять дослідницький характер. Однак, необхідно підкреслити, що змагальна сторона телекомунікаційної вікторини має другорядне, допоміжне значення, лише як засіб мотивації учнів.

Ще одна форма нових інформаційних технологій – відкриття дистанційного консультаційного пункту по фізиці дає можливість учням всіх віків і всіх рівнів освіченості одержати відповіді на будь-які їхні питання, що цікавлять. Використання можливостей цього пункту значно розширює кругозір, допомагає позбутися від скутості в спілкуванні, замкнутості, розвиває комунікативні здатності.

Таким чином, всебічне використання можливостей обчислювальної техніки на уроках фізики дозволяє підвищити ефективність навчання, поліпшити контроль і оцінку знань учнів, звільнити більше часу для надання допомоги учням. Комп’ютер дав можливість зробити уроки більш цікавими, захоплюючим й сучасним.

Інформаційна технологія в навчально-виховному процесі це поєднання традиційних технологій навчання і технології інформатики. За проведеними дослідженнями й оцінками експертів у області комп’ютерного навчання, використання інформаційних технологій у навчально-виховному процесі фізики може підвищити ефективність практичних і лабораторних робіт до 30%, а об’єктивність контролю знань учнів – на 20–25% [25, 53].

Впроваджувати НІТ у навчально-виховний процес слід поступово, оскільки потрібні значні кошти на оснащення навчальних закладів апаратними засобами і на розробку й адаптацію педагогічних програмних засобів (ППЗ). Процес такого впровадження вимагає невідкладного розв’язування низки завдань, без чого ефективність використання НІТ буде дуже низькою. У першу чергу треба:

1)   відібрати існуючі і створити нові ППЗ, які відповідали б вимогам шкільної програми з фізики, а також загальним технологічним, ергономічним, психолого-педагогічним вимогам до програмного забезпечення навчального призначення;

2)   розробити апаратний комплекс технічних засобів навчання, які задовольняли б дидактико-психологічні вимоги комплексного використання ППЗ, відеозасобів дидактичного призначення;

3) розробити цілісну методику комплексного використання комп’ютерної та відеотехніки в навчально-виховному процесі, яка включала б різні типи ППЗ – комп’ютерні моделі явищ, задачі, тести, лабораторні роботи;

4) розробити відеоматеріали (відеофільми) з використанням технологій інформатики.

Розглянемо докладніше ці завдання. Є різні підходи до класифікації ППЗ, наприклад за основною дидактичною метою, за характером їх використання на уроках різних типів. Зауважимо, що реальні ППЗ часто поєднують різні навчальні функції (інформаційну, контролюючу, демонстраційну тощо).

За характером використання на уроках різних типів розрізняють такі ППЗ: адаптивні, демонстраційні програми; комп’ютерні моделі; лабораторні роботи; тренажери для розв’язування задач; контролюючі програми.

Адаптивні навчальні програми – це ППЗ, за допомогою яких можна змінювати способи викладу навчального матеріалу залежно від пізнавальних можливостей учнів.

Структура, форма викладу матеріалу, кількість і зміст завдань, крок програми, способи контролю, тип тестових завдань в адаптивній навчальній програмі змінюються залежно від результатів поточного тестування знань і умінь учнів (адаптація за пізнавальними можливостями учня), від часу, затраченого на виконання контрольних завдань (адаптація за часом), від змісту і характеру помилок, припущених учнем (адаптація за помилками).

Реалізація адаптивних навчальних програм з курсу фізики забезпечує вищий ступінь індивідуалізації порівняно з традиційною груповою формою навчання, повне використання пізнавальних можливостей кожного учня [8]. Програми цього виду можуть застосовуватися для додаткового ознайомлення учнів з навчальним матеріалом, для формування основних понять, первинного і підсумкового закріплення й повторення навчального матеріалу, відпрацювання основних умінь і навичок, а також для самоконтролю та контролю знань. Крім того, вони мають кілька режимів роботи, наприклад навчання, тренування, закріплення, контроль знань, тематичний залік.

Демонстраційні програми це ППЗ, призначені для відтворення відеозапису фізичних явищ і дослідів або їх імітації. Вони використовуються для повторення навчального матеріалу у випадках, коли дослід не можна відтворити через недостачу приладів або з якихось інших причин, а також для демонстрування явищ, тривалість яких значно перевищує відведений на це час. Демонстраційні програми відтворюють реальні процеси, цифрова форма їх запису дає змогу акцентувати увагу учнів на найактуальніших її елементах.

Комп’ютерні моделі – це ППЗ, призначені для імітації фізичних дослідів, явищ, процесів шляхом побудови (засобами математичного моделювання) їх ідеалізованих моделей. Комп’ютерні моделі легко вписуються в традиційний урок, дають змогу вчителю моделювати явища, створювати абстрактні моделі, які в процесі вивчення курсу фізики описувалися словесно. Комп’ютерні моделі є ефективним засобом пізнавальної діяльності учнів, що відкриває перед учителем фізики широкі можливості з удосконалення навчально-виховного процесу. Комп’ютерні моделі використовуються на уроках фізики під час вивчення властивостей ідеальних моделей (ідеальний газ, електричне поле, електронний газ тощо), моделювання класичних дослідів з фізики (досліди Йоффе – Міллікена, Перрена, Кулона, Мандельштама, Папалексі); моделювання явищ, які не можна відтворити засобами шкільного фізичного кабінету (ядерний магнітний резонанс, стан критичної маси речовини); демонстрування принципу дії машин, приладів і установок (водяний насос, шлюз, парові машина і турбіна, коливальний контур, маятник, електровакуумні та напівпровідникові прилади, плазмотрон, циклотрон, ядерний реактор тощо), закріплення навичок фізичних вимірювань (визначення ціни поділки приладів, маси мікрочастинок тощо).

Лабораторні роботи це ППЗ, які є імітаційними моделями дослідження певних фізичних явищ засобами комп’ютерного моделювання [62].

Лабораторні роботи відрізняються від комп’ютерних моделей явищ тим, що крім моделі демонстраційної установки вони містять додаткові блоки, а саме: блок зберігання результатів експериментальних досліджень, підпрограми побудови графіків залежності фізичних величин, блок обробки результатів експериментальних досліджень, а також електронний журнал, до якого автоматично заносяться результати діяльності учня.

Тренажери для розв’язування задач сприяють формуванню в учнів умінь і навичок розв’язувати фізичні задачі. Зміст цих програмних засобів становлять задачі, згруповані відповідно до рівня складності. Вони містять також підказки системи (радники), довідкові матеріали. Відповіді до задач можуть вводитись як у числовому, так і в загальному вигляді, причому в останньому випадку учень вводить формули в комп’ютер за допомогою клавіатури, а програма розпізнає відповіді незалежно від способу їх написання.

Контролюючі ППЗ виконують функції поточного і підсумкового контролю знань, умінь учнів, набутих у процесі навчання. Часто це тестові завдання з вибором відповіді. Ці програми дають змогу оперативно оцінити й проаналізувати знання великих груп учнів. Деякі програми ведуть статистичну обробку відповідей учнів, що дає вчителю підстави зробити висновок про якість вивчення того чи іншого розділу програми. Значної актуальності набувають програми тематичного контролю знань.

В Україні відомі й поширені педагогічні програмні продукти фірми «Физикон» під загальною назвою «Открытая физика» та іллюстративно-демонстраційний комплекс «Физика в картинках», розроблені Білоруським державним університетом «Активная физика». Програмні продукти відповідно сертифіковані Міністерствами освіти Росії та Білорусії.

В Україні процес розробки ППЗ перебуває на стадії становлення. На нашу думку, інтенсифікувати процес можна залученням бюджетних асигнувань на їх розробку; розробкою і затвердженням державного стандарту України на ППЗ; створенням центру сертифікації для доведення існуючих ППЗ до рівня вимог державного стандарту, організацією фонду ППЗ для їх популяризації, тиражування й розповсюдження.

Досвід використання комп’ютерної техніки в навчальних закладах за рубежем показує доцільність такого підходу. Так, у школах США, Великобританії ефективно використовуються на уроках природничо-математичного циклу лабораторні пристрої типу «Веlа», що з’єднуються з комп’ютером і дають змогу проводити комплексну обробку результатів експерименту.

Такі системи знайшли широке використання в промисловості, наукових дослідженнях. Використання ВОК у школі сприяє формуванню в учнів уявлень про використання НІТ у галузі управління процесами в промисловості.

Впровадження технологій інформатики в навчально-виховний процес фізики дає змогу модернізувати зміст і спосіб запису інформації фонду і традиційних дидактичних засобів (плакати, слайди, кінофільми). Мається на увазі перезапис інформації, яку несуть ці дидактичні засоби, на сучасні носії інформації – відеокасети, лазерні диски з внесенням відповідних змін до змісту цих засобів, що уможливлює використання методичних досягнень попередніх років.

Досвід упровадження електронно-обчислювальної техніки у навчальний процес показав доцільність такого підходу, коли разом з комплектами навчально-обчислювальної техніки, розміщеними в кабінеті інформатики, використовуються автономні ЕОМ, що розміщені безпосередньо в навчальному кабінеті. Такий підхід сприяє раціональнішому використанню ресурсів електронно-обчислювальної техніки [6].

Комплекти навчально-обчислювальної техніки використовуються для підтримки індивідуальних форм навчання: розв’язування задач, виконання лабораторних робіт, тематичного контролю знань, позакласної роботи. Поряд з цим автономні ЕОМ використовуються для підтримки групових форм діяльності в кабінеті фізики. Так, у кабінеті фізики автономний комп’ютер виконує функції інформаційного технічного засобу навчання, вимірювального інструменту, допоміжного пристрою обробки результатів експерименту, джерела поточного контролю засвоєння знань. Дослідження в області використання технічних засобів навчання нового покоління, проведені В. Прудським (Слов’янський педагогічний університет), А.М. Сільвейстром (Вінницький педагогічний університет), довели доцільність використання в кабінеті фізики комп’ютерно-телевізійних комплексів.

Один із американських дослідників П. Нортон відзначає, що природа засобів передачі інформації (усна мова, книги, кіно, радіо, телебачення, ЕОМ) цілком певним чином впливає на формування і розвиток психічних структур людини, в тому числі мислення. Так, друкований текст, який був протягом віків основним джерелом інформації, будується на принципах абстрагування змісту від дійсності і в більшості мов організується фраза за фразою в порядку читання зліва направо, що формує способи мислення за структурою, дещо схожі до структури друкованого тексту, якій притаманні такі особливості, як лінійність, послідовність, аналітичність, предметність, ієрархічність, раціональність.

Електронне середовище ще в більшій мірі спроможне формувати такі характеристики, як схильність до експериментування, гнучкість, зв’язність, структурність. Ці характеристики сприяють створенню умов творчого навчального пізнання. Створюються можливості сприймати по-новому факти, які здаються очевидними, знаходити засоби поєднання далеких, на перший погляд, речей, встановлювати оригінальні зв’язки між новою і старою інформацією.

Умови, які створюються за допомогою комп’ютера, повинні сприяти формуванню мислення тих, хто навчається, орієнтувати їх на пошук системних зв’язків і закономірностей. Комп’ютер, як підкреслює П. Нортон, є потужним засобом надання допомоги в розумінні багатьох явищ і закономірностей, проте потрібно пам’ятати, що він неминуче поневолює розум, який розпоряджається лише набором завчених фактів і навичок.

Дійсно ефективним можна вважати лише таке комп’ютерне навчання, при якому забезпечуються можливості для формування мислення студентів або учнів. При цьому потрібно ще досліджувати закономірності самого комп’ютерного мислення. Ясно тільки те, що мислення, яке формується і діє за допомогою такого засобу, як комп’ютер, дещо відрізняється від мислення за допомогою, наприклад, звичного друкованого тексту або просто технічного засобу.