Психолого-педагогічні аспекти комп’ютерного моделювання при вивченні розділу "Геометричної оптики"

Дипломна робота

на тему:

"Психолого-педагогічні аспекти комп’ютерного моделювання при вивченні розділу "Геометричної оптики"

Зміст

Вступ

1. Історико-методологічні аспекти дослідження

1.1 Технології комп’ютерного моделювання як різновид НІТ

1.2 Сучасний підхід для розв’язання проблеми наочності при вивченні фізики

1.3 Психолого-педагогічні умови впровадження в навчальний процес комп’ютерного моделювання

2. Методологічні аспекти поєднання традиційних та НІТН при формуванні понять геометричної оптики

2.1 Проблеми вивчення геометричної оптики в сучасному шкільному курсі фізики

2.2 Організація навчального процесу при поєднанні традиційних та НІТН

2.3 Організація та проведення педагогічного експерименту (Методика викладання геометричної оптики за допомогою комп’ютера)

Висновки

Література

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 здатностями, рисами, схильностями й інтересами, вимагає розробки нових методів, засобів і організаційних форм навчання. У наявності протиріччя між новими цілями навчання й традиційних технологій навчання фізиці, звідки випливає проблема створення нових технологій навчання фізиці, що дозволяють реалізувати ідею особистісно-орієнтованої освіти.

Останнім часом у процес навчання фізиці активно входить персональний комп'ютер. Відбувається це принаймні по трьох причинах. 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 виявляється в курсі фізики в ролі й засобу навчання, 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 здыбностей 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.

Використання дозволяє організувати самостійну пізнавальну роботу учнів по вивченню явищ навколишнього середовища. Можливі різні варіанти організації роботи учнів: виконання дослідження під керівництвом і по інструкції вчителя; можна запропонувати учням самостійно висувати гіпотези, а дослідження проводити за планом, запропонованому учителем. Можливий варіант, при якому учны самі складають план дослідження, виконують його й роблять висновки. У цьому випадку репродуктивний метод навчання заміняється самостійним придбанням знань на основі здійснення експериментально-дослідницької діяльності, що приводить учня, (при відповідній методиці) до самостійного відкриття досліджуваної закономірності.

Таким чином, процес повідомлення готових знань і їхня експериментальна перевірка (розвиток компонентів репродуктивного й продуктивного типів мислення) у традиційній методиці заміняються експериментально-дослідницькою діяльністю, що забезпечує самостійне відкриття тим, яких навчають, закономірності або властивості досліджуваних об'єктів (розвиток компонентів теоретичного типу мислення).

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 квантової фізики засобами комп’ютерного моделювання з урахуванням психолого-педагогічних особливостей учня, його темпера метру та базової підготовки, є актуальним питанням методики викладання фізики.

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

Об'єкт дослідження: Впровадження в навчальний процес фізики уроків з використанням засобів комп’ютерного моделювання.

Предмет дослідження: 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. розробка методичних рекомендацій, щодо використання комп’ютерного моделювання.

4. Розробка системи уроків з використанням комп’ютерного моделювання під час вивчення геометричної оптики в школі.

1. Історико-методологічні аспекти дослідження

1.1 Технології комп’ютерного моделювання як різновид НІТ

Оскільки нові інформаційні технології навчання (НІТН) включають універсальні засоби опрацювання інформації, то відкриваються перспективи широкої диференціації навчання, розкриття творчого потенціалу, пізнавальних здібностей кожного окремого учасника навчального процесу. За рахунок наявності в складі НІТН наперед розроблених засобів автоматизації рутинних, технічних операцій, виконання яких необхідне під час дослідження різноманітних процесів і явиш, можна значно зменшити навчальне навантаження, надати навчальній діяльності творчого, дослідного характеру, що природно приваблює учня, результати якої приносять задоволення, стимулюють пізнавальну активність.

Аналіз застосовності педагогічного програмного забезпечення (ППЗ) або програмного засобу загального призначення в навчальному процесі потребує аналізу ППЗ як з погляду дидактичних, психолого-педагогічних вимог, так і реалізованості даного ППЗ на наявному апаратному забезпеченні. У більшості випадків постає проблема встановлення програмного засобу на наявному апаратному забезпеченні та його конфігурування для ефективного вирішення навчальної задачі [6].

Сформульовані раніше для шкільних фізичних демонстрацій вимоги з певним застереженням можуть бути перенесені на засоби НІТ, що використовуються для підтримки навчання фізики. Характерними відмінностями, які притаманні засобам НІТ, є:

а) інтерактивність, під якою для навчального процесу розуміють доступність моделі фізичного явища для безпосередньої корекції вхідних даних та параметрів моделі;

б) адаптивність, тобто можливість зміни (у певних межах) темпу навчання, способів подання навчального матеріалу, реакції ППЗ на відповіді учня тощо, причому здійснювану без участі вчителя або за мінімальної особистої участі вчителя;

в) можливість гіпертекстової побудови структури навчального матеріалу (текстового і графічного, включаючи засоби мультиплікації, когнітивної графіки).

На лабораторних роботах з фізики зручно використовувати програми, які дають змогу автоматизувати проведення фізичного експерименту: інформація від фізичних приладів надходить не до людини, яка її обробляє (можливо із застосуванням ЕОМ), а відразу до комп'ютера, який практично миттєво обчислює, будує графіки і т. ін.

Використання датчиків і пристроїв для вимірювання фізичних величин і пристроїв, що забезпечують введення і виведення аналогових і дискретних сигналів (приладового інтерфейсу), лає змогу візуалізувати на екрані ЕОМ різні фізичні закономірності у вигляді моделей, графіків, діаграм, які динамічно змінюються залежно від зміни вхідних параметрів.

При цьому НІТН дають змогу провести десятки експериментів за порівняно невеликий проміжок часу при швидкому зворотному зв'язку і візуалізації результатів експериментів.

Більшість авторів ще 5– 6 років тому передбачали, що зростання «дружності» засобів інформатики суттєво зменшить вимоги до підготовленості користувача для предметного, галузевого використання програмних засобів як спеціалізованих, так і загального призначення.

Нині уже стає зрозумілим, що дана проблема у ряді випадків не розв'язується так, як передбачалося, а саме шляхом ускладнення програмно-апаратного забезпечення і спрощення доступу користувача до нього і використання його можливостей.

Протиріччя, яке виникло між зростаючими можливостями засобів опрацювання інформації і психофізіологічними обмеженнями каналу взаємодії людини з програмно-апаратними засобами, спричинило появу та поширення засобів Multimedia, поняття «віртуальна реальність». Водночас виникло протиріччя між доступністю результатів опрацювання інформації та все зростаючою прихованістю самого процесу опрацювання інформації. При створенні НІТН фізики прихованість опрацювання інформації, на нашу думку, не завжди бажана, оскільки на певних етапах одним з обов'язкових результатів навчання є формування умінь і навичок проведення фізичних вимірювань, а не лише опрацювання їх результатів [2].

Необхідно зазначити, що учні середніх шкіл, а особливо учні шкіл гуманітарних, не володіють необхідними навичками мислення для глибокого розуміння явищ, процесів, які описано в цих розділах. У таких випадках на допомогу приходять сучасні засоби навчання, і в першу чергу – ПК. Такі уроки викликають в учнів справжній інтерес, змушують працювати всіх, навіть слабко підготовлених дітей. Якість знань при цьому відчутно зростає.

Багато явищ в умовах шкільного фізичного кабінету не можна продемонструвати. Це наприклад, явища мікросвіту, або процеси, що швидко відбуваються, досліди з приладами, яких немає в фізичному кабінеті. Діти відчувають труднощі, бо не в змозі уявити ці явища, а комп'ютер може створити моделі явищ; які допоможуть подолати цю проблему.

Комп'ютерне моделювання дає змогу створити на екрані комп'ютера живу, наочну й динамічну картинку фізичного досліду або явища, яке важко пояснити «на пальцях», і відкриває для вчителя широкі можливості для удосконалення уроків.

Слід зазначити, що під комп'ютерними моделями розуміємо комп'ютерні програми, які імітують фізичні досліди, явища або ідеалізовані модельні ситуації, що трапляються у фізичних задачах. Вони легко вписуються у традиційний урок.

Комп'ютер також підвищує і стимулює інтерес до навчання, активізує мислительну діяльність і ефективність засвоєння нового матеріалу, допомагає учням, які пропускають заняття через хворобу, сприяє розвитку самостійності учнів.

Комп'ютерні уроки потребують особливої підготовки. Потрібно чітко визначити мету, якої ми хочемо досягти. До таких уроків треба писати сценарії, продумано «вплітати» справжній і віртуальний експерименти.

Варто пам'ятати, що моделювання різних явищ у жодному разі не замінить справжніх дослідів, а в сукупності з ними дасть змогу на вищому рівні пояснити фізичні закономірності [4].

Немає сумніву, що введення ПК у практику навчання фізики в школі сприятиме вдосконаленню навчального процесу та інтелектуальному розвитку учнів відповідно до потреб часу.

удосконалення навчальної роботи з учнями, які лише починають вивчати фізику, передбачає формування їхньої внутрішньої готовності до сприйняття якісно нового змісту науки про природу. З перших уроків фізики діти повинні сприймати інформацію, на перший погляд легку і просту для розуміння.

Подібну інформацію вони осмислювали і до вивчення предмета, але тепер їм треба свій досвід коригувати, переосмислювати відповідно до нових знань. Це вимагає певних вольових зусиль і розвинутої уваги.

Перші уроки фізики якісно відрізняються від уроків з предметів, уже знайомих учням. Ця відмінність полягає в тому, що уроки фізики насичені не лише звичайною інформацією, а й експериментами, розв'язуванням розрахункових і якісних задач, лабораторними і практичними роботами, висуненням гіпотез та їх доведенням, спостереженнями явищ природи з наступним формуванням висновків. Крім того, учні повинні запам'ятати символи і вміти записувати за їх допомогою формули фізичних величин, розуміти функціональну залежність величин, вивчити Серед засобів, що сприяють формуванню в учнів абстрактного мислення й підвищення теоретичного рівня, виділимо моделювання. Воно може бути опорою для виконання розумових операцій та систематизувати одиниці вимірювання величин, розуміти фізичний зміст явиш, знаходити табличні значення фізичних величин, вміти аналізувати їх та ін.

Це далеко неповний перелік видів роботи учня на уроці фізики. пізнавальних завдань. Зміст фізики наповнений об'єктами, які можна моделювати. Система такої роботи дасть змогу використати процес моделювання як дидактичний прийом розкриття внутрішніх зв'язків і відношень в явищах природи і виявлення на цій основі законів та закономірностей, що стимулюватиме виховання довільної уваги учнів на уроці. У процесі виготовлення моделей учні привчаються відповідальніше ставитися до праці, а сам процес праці виховує вольові якості учня, такі необхідні для виховання довільної уваги. Особливо важливе значення має моделювання під час вивчення складного теоретичного матеріалу, коли сам процес моделювання включає пізнавальні завдання, стимулюючи пізнавальну діяльність учня. На уроці необхідно забезпечити органічне поєднання використання моделей та інших наочних посібників зі словом учителя.

Отже, використовуючи досвід учнів, набутий у результаті виготовлення моделі, і поєднуючи його з інформацією, одержаною на уроці за допомогою зору, слуху та інших органів чуття, ми створили сприятливі умови для уважнішого вивчення явиш природи в майбутньому. Спостереження показують, що без використання наочності учні погано засвоюють подібні залежності. Разом з тим, концентруючи увагу учнів на одних і тих самих явищах протягом кількох уроків (під час вивчення матеріалу, перевірки знань та їх закріплення), ми домагаємося об'єднання в одну систему старих зв'язків, які утворилися в одних учнів під час виготовлення моделей, а в інших – під час використання їх у процесі вивчення теми, з тими новими зв'язками, що утворюються в учнів при подальшому осмисленні ними здобутих знань.

Частина учнів пасивно ставиться до сприйняття навчального матеріалу на уроці, оскільки у них немає звички завжди працювати уважно. Моделювання сприяє якомога частішому використанню довільної уваги учня, бо він сам себе змушує систематично й уважно ставитися до результатів своєї праці, розвиває самостійність і творчість мислення, створює емоційну обстановку на уроці [9].

Учень, який вирішив виготовляти модель, повинен уважно вивчити теоретичний матеріал, виділити суттєві моменти теорії, що покладені в основу конструкції, розробити власну теоретичну схему виготовлення моделі. Залежно від цих чинників одні учні приходять до незадовільних результатів, інші, спрямовуючи свою волю і використовуючи знання та вміння, перемагають труднощі і впевнено завершують розпочату роботу.

На прикладах конкретних проблем розглянуто весь основний цикл моделювання: аналіз досліджуваної проблеми з метою виявлення суттєвих властивостей об'єкту (перебігу процесу, явища), постановка задачі (формалізація на основі прийняття певних спрощуючих припущень), побудова моделі, складання алгоритму, обчислювальний експеримент, включаючи перевірку моделі на адекватність, інтерпретація результатів, вдосконалення моделі. З погляду природи досліджуваних нами явищ виділяються детерміновані й стохастичні моделі; особливості побудови моделей кожного типу розглядаються та відпрацьовуються на конкретних прикладах.

У процесі вивчення розділу обговорюються такі специфічні питання моделювання, як вибір придатного типу моделі, дискретизація процесів, що моделюються, використання чисельних методів, походження похибок обчислень та шляхи їх зменшення. Реалізовано можливість побудови моделей різних типів для вивчення одного й того ж явища та однотипних моделей для вивчення різних явищ. Спрощений спочатку опис виучуваного явища в подальшому поглиблюється. Майже кожна модель має не менше трьох версій. При цьому поступово нарощується понятійний апарат і триває опанування нових методів роботи (проте кількість спеціальних понять та термінів зведено до мінімуму).

Початкові версії усіх моделей, що пропонуються учням, е украй спрощеними. У процесі перевірки на адекватність результатів роботи виявляється їхня майже повна якісна та кількісна невідповідність дослідним фактам. Далі здійснюється поступове ускладнення моделі шляхом уведення до розгляду нових суттєвих факторів, які в попередній версії моделі не бралися до уваги, тобто впливом яких нехтували. У результаті таких дій модель стає дедалі все більш достовірною, що й позначається на результатах моделювання. При такій роботі суттєво важливим є дотримання принципу відповідності: кожна наступна вдосконалена версія моделі повинна містити у собі всі попередні версії як окремі випадки.

Практична робота з комп'ютерними моделями і зокрема, обчислювальний експеримент із подальшою графічною інтерпретацією результатів потребують вирішення принципового питання про вибір середовища для моделювання.

Традиційно таке питання вирішується на користь мов програмування високого рівня, що вимагає з боку учнів значних зусиль, спрямованих на створення зручного користувального інтерфейсу, і тим самим помітно відволікає від безпосередньої роботи з моделлю. На основі докладного аналізу зазначеної методичної трудності нами була висунута гіпотеза про те, що на початковому етапі (під час роботи з детермінованими моделями) цілком достатньо, щоб середовище для моделювання задовольняло таким вимогам:

– результати дослідження мають виводитися на екран у вигляді таблиць із довільною кількістю доступних для перегляду рядків і, зокрема, з такою, що може перебільшувати один екран;

– користувач повинен мати можливість за цими результатами швидко будувати графіки залежності між величинами, що характеризують досліджуване явище.

Похожие работы

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

Скачать

109593

1

17

... впровадження сучасних інформаційних технологій, що забезпечують подальше вдосконалення навчально-виховного процесу, доступність та ефективність освіти, підготовку молодого покоління до життєдіяльності в сучасному комп’ютеризованому суспільстві [41]. Упровадження сучасних інформаційних технологій навчання розкриває широкі можливості щодо суттєвого зменшення навчального навантаження і, водночас, і ...

Дизайн-освіта майбутнього вчителя трудового навчання

Скачать

177706

3

0

... і посібники. Важливе значення в цьому процесі має і середовище, в якому здійснюється дизайнерська освіта. 2.2 Декоративно-ужиткове мистецтво та дизайн на уроках трудового навчання як засіб творчого розвитку учнів Студенти педагогічних вузів, майбутні вчителі трудового навчання повинні усвідомлювати величезне значення вивчення декоративно-ужиткового мистецтва та основ дизайну на уроках праці, ...

Культурологічний підхід як основа модернізації змісту астрономічної освіти у загальноосвітніх навчальних закладах

Скачать

174575

5

3

... для фахівців в області філософії, історії науки, религиоведения, соціології, соціальної психології, мистецтвознавства і інших наукових дисциплін. 2.3 Модернізація змісту астрономічної освіти на основі культурологічного підходу Модернізація освіти, що базується на інформаційно-комунікаційних технологіях, припускає формування нових моделей учбової діяльності, що використовують інформаційні і ...