Організація та проведення педагогічного експерименту (Методика викладання геометричної оптики за допомогою комп'ютерного моделювання)

2.3 Організація та проведення педагогічного експерименту (Методика викладання геометричної оптики за допомогою комп'ютерного моделювання)

 

Педагогічний експеримент полягає у планомірній зміні умов педагогічного процесу і реєстрації відповідних наслідків. Умову, яку експериментатор спеціально і планомірно змінює, щоб оцінити її вплив на той чи інший аспект педагогічного процесу, називають незалежною змінною. Аспект педагогічного процесу, який змінюється у відповідь на зміну незалежної змінної, називається залежною змінною. Якщо, наприклад, експериментальне перевіряється ефективність нового методу навчання, то сам цей метод є незалежною змінною, а якість знань учнів – залежною.

Експеримент – це контрольоване педагогічне спостереження, з тією різницею, що експериментатор спостерігає наслідки змін, які сам цілеспрямовано викликає у педагогічному процесі. Ще однією особливістю експерименту є тісний зв'язок з теорією він не тільки спрямовується певною теоретичною гіпотезою, але саме його проведення стає можливим лише тоді, коли дослідник має попередні уявлення про природу процесу, який вивчається, про чинники, що його детермінують. Педагогічний експеримент вимагає обґрунтування робочої гіпотези, складання детального плану її перевірки, точної фіксації результатів, ретельного аналізу отриманих даних, формулювання остаточних висновків.

Ефективність застосування ЕОМ в експериментально-дослідницькій роботі зумовлюється тим, що вони забезпечують: велику точність результатів та їх достовірність, оскільки програмні засоби дають можливість застосовувати методи, які знижують нагромадження похибок при округленні й обчисленні проміжних величин; скорочення кількості складних, дорогих і унікальних приладів; підвищення якості й інформативності дослідження за рахунок ретельнішої обробки даних; збільшення кількості об'єктів, що контролюються, та підвищення емоційного впливу; скорочення циклів дослідження на основі прискорення підготовки і проведення експерименту, оперативного використання результатів аналізу, зменшення часу обробки та систематизації даних.

Комп'ютеризація експерименту розширює обізнаність учнів з досліджуваним фізичним явищем, формує навички і надає їм упевненості у використанні сучасних експериментальних методів, ознайомлює з передовими способами пізнання, видами контролю за технологічними процесами на виробництві, дає змогу по-новому підійти до методики постановки шкільного фізичного експерименту.

Підвищення ефективності і якості навчання фізики тісно пов'язане з удосконаленням існуючих і пошуком нових методів та засобів навчання, що забезпечували б високий рівень її вивчення.

Використання ЕОМ особливо ефективне під час вивчення питань квантової фізики, оскільки вчитель за їх допомогою може звертатися до тих аспектів, які раніше були недоступні учням через складність, недостатню наочність, громіздкість математичного апарату, обмеженість проведення шкільного фізичного експерименту тощо [14]. З метою усунення недоліків, що мають місце під час вивчення розділу «Геометричної оптики», в дипломній роботі розроблені навчальні комп'ютерні моделі (НКМ): «Відбивання і заломлення світла»,» Дзеркала», «Тонка лінза», «Система двох лінз»,» Око як оптичний інструмент», «Мікроскоп», «Зорова труба Кеплера», їх використання, на мою думку, дає змогу вчителю зробити матеріал більш наочним, організувати самостійну роботу учнів на уроці, активізувати їхню розумову діяльність.

Перевагою цих моделей є те, що вони написані для графічного середовища Windows. Тому в процесі використання, можна швидко засвоїти правила керування програмою, сконцентруватися на явищі або процесі що розглядається, якомога менше думати про способи спілкування з ЕОМ.

Насамперед, надзвичайно зручно використовувати комп'ютерні моделі в демонстраційному варіанті при поясненні нового матеріалу або при рішенні задач. Погодьтеся, що набагато простіше і наочніше показати, як промінь рухається на границі повітря-середовище и середовище-повітря, використовуючи модель «Відбивання і заломлення світла.» (Модель 1, в додатках ком пакт-диск), ніж пояснювати це за допомогою дошки, крейди та не завжди справних приладів, чи наявності потрібних умов для демонстрації.

Модель 1. Відбивання і заломлення світла.

В геометричній оптиці закони відбивання і заломлення світла на границі розділу двох прозорих середовищ формулюється на основі поняття світлових променів. Комп'ютерна модель дозволяє вивчати закони відбивання і заломлення світла на границі повітря-середовище и середовище-повітря. При цьому показник заломлення n середовища може змінюватись від 1 до 2. Модель являється комп'ютерним варіантом приладу для вивчення законів відбивання і заломлення світла.

Промінь світла направляється на плоску границю двох середовищ або зі сторони повітря, або зі сторони досліджуваного середовища. В обох випадках кут падіння можна змінювати в межах від 0 до 90°. На екрані дисплея висвічується відбитий і заломлений промені, напрямок яких можна визначити по круговій градусній шкалі.

Зверніть увагу, що при падінні світла на границю розділу зі сторони середовища (n > 1) під кутом, перевищуючим деяке значення α₀, заломлений промінь відсутній. Це явище називається повним внутрішнім відбиванням, а кут α₀ – граничним кутом повного внутрішнього відбивання (α₀ = α_пр). При падінні світла на цю же границю зі сторони повітря заломлений промінь не може відклонитися від перпендикуляра до границі розділу на кут, перевищуючий α₀.

Зображення предмета в плоскому дзеркалі (Модель 2. Плоске дзеркало) формується за рахунок променів, відбитих від дзеркальної поверхні. Предмет і його уявне зображення розташовуються симетрично щодо дзеркала, розмір зображення дорівнює розмірові предмета.

Комп'ютерна модель ілюструє хід променів у плоскому дзеркалі. Зверніть увагу, що якщо предмет розташовується перпендикулярно до дзеркала, то його уявне зображення виявляється перевернутим. Якби предмет розташовувався паралельно дзеркальної поверхні, то його уявне зображення виявилося би прямим.

Модель дозволяє змінювати положення предмета щодо дзеркала або за допомогою миші.

Модель 2. Плоске дзеркало

Модель 3. Сферичне дзеркало

Комп'ютерна модель 3 (Сферичне дзеркало) ілюструє хід променів при відображенні від ввігнутого і опуклого сферичних дзеркал і утворення зображень (прямих і перевернених, дійсних і уявних). Можна змінювати оптичну силу дзеркала F^–1 і відстань d від предмета до дзеркала. На екрані за допомогою стандартних променів будується зображення предмета, і висвічуються значення відстані f від дзеркала до зображення і лінійного збільшення Γ = – (f / d). Для прямих зображень Γ > 0, для перевернених Γ < 0.

Положення предмета щодо дзеркала, а також розташування на екрані всієї системи – предмета, його зображення і дзеркала – можна змінювати за допомогою миші.

Комп'ютерна модель 4 (Тонка лінза.) дозволяє створювати на екрані тонкі лінзи, що збирають і розсіюють з різною оптичною силою. Модель будує зображення за допомогою пари стандартних променів і визначає положення зображення і його характер, а також лінійне збільшення. Положення предмета щодо лінзи можна змінювати за допомогою миші. Установивши курсор на оптичний центр лінзи, і кликнувши мишею, можна переміщати по екрані всю систему в цілому: предмет, його зображення і саму лінзу.

Модель 4. Тонка лінза

Комп'ютерна модель 5 (Система двох лінз.) призначена для вивчення системи з двох лінз. Можна змінювати положення обох лінз щодо предмета за допомогою миші. У широких межах можна змінювати оптичні сили (F^–1) обох лінз. Комп'ютер обчислює положення першого і другого зображень і визначає лінійні збільшення системи з двох лінз і кожної лінзи окремо. Точковий предмет розташовується на загальній оптичній осі лінз. На дисплеї висвічується хід двох довільних променів від предмета, що випробують заломлення в обох лінзах.

Модель 5. Система двох лінз

Комп'ютерна модель 6 (Око як оптичний інструмент.), призначена для вивчення роботи ока як оптичного приладу. Моделюється хід променів в очній оптиці і визначається положення зображення об'єкта щодо сітківки для трьох різних типів очей – нормального, короткозорого і далекозорого. Кожний з цих трьох типів очей володіє своєю далекою точкою акомодації (при розслабленому очному м'язі) і відстанню найкращого зору, при якому око може тривалий час розглядати дрібні деталі предмета без надмірної напруги. У нормального ока відстань найкращого зору приймається рівним 25 см. При сильній напрузі очного м'яза око може акомодуватися на свою ближню точку акомодації. Око здатне автоматично перебудовувати акомодацію на предмети, розташовані між ближньою і далекою точками акомодації. Комп'ютерна програма дозволяє змоделювати роботу ока в трьох режимах: око акомодоване на відстань найкращого зору (нормальна акомодація), око акомодоване на далеку точку акомодації і режим автоматичної акомодації ока.

Моделюється також дія окулярних лінз при акомодації ока на далеку точку або на відстань найкращого зору.

Зверніть увагу, що оптична сила окулярів, призначених для розглядання вилучених предметів, може не збігатися з оптичною силою окулярів, призначених для читання дрібного тексту.

Положення предмета щодо ока можна змінювати або за допомогою миші.

Модель 6. Око як оптичний інструмент

Модель 7. Мікроскоп

В комп’ютерній моделі мікроскопа можна змінювати фокусні відстані F₁ і F₂ об’єктива і окуляра. Відстань Δ між ними вибрана рівна 16 см (стандартна довжина тубуса мікроскопів). На екрані дисплея висвічується хід променів в мікроскопі і вказується лінійне збільшення. Зверніть увагу, що в комп’ютерній моделі умова F₁, F₂ << Δ не виконується.

Комп'ютерна програма 8, моделює роботу підзорної труби Кеплера, яка складається з двох збиральних лінз. Підзорна труба Кеплера призначена для астрономічних спостережень, так як вона дає перевернуте зображення, що незручно для земних спостережень. Програма, що око спостерігача акомодований на безмежність. То в трубі реалізується телескопічний хід променів – паралельний пучок променів від віддаленого предмета, що входить в об'єктив під кутом ψ, виходить з окуляра також паралельним пучком, але під іншим кутом φ по відношенню до оптичної вісі. Відношення кутів γ = φ / ψ називається кутовим збільшенням підзорної труби. Кутове збільшення труби можна виразити через фокусну відстань об'єктива F₁ і окуляра F₂:

γ = – F1 / F2.

Від'ємні значення γ показують на перевернутий характер зображення.

Можна виміряти фокусні відстані F₁ і F₂ об'єктива і окуляра, а також кут ψ нахилу що входить в об'єктив пучка променів. На екрані дисплея висвічуються значення кута φ і кутового збільшення γ.

Модель 8. Зорова труба Кеплера

Звичайно, такі демонстрації будуть мати успіх, якщо вчитель працює з невеликою групою учнів, яких можна розсадити поблизу монітора комп'ютера або, якщо в кабінеті мається проекційна техніка, що дозволяє відобразити екран комп'ютера на стінний екран великого розміру. У противному випадку вчитель може запропонувати учнем самостійно попрацювати з моделями в комп'ютерному класі або в домашніх умовах, що іноді буває більш реально. Слід зазначити, що при індивідуальній роботі учні з великим інтересом повозяться з запропонованими моделями, пробують усі регулювання, як правило, не особливо вникаючи у фізичний зміст демонстрації на екрані. Як показує практичний досвід, звичайному школяреві конкретна модель може бути цікава в плині 3 -5 хвилин, а потім неминуче виникає питання: А що робити далі? Опитування, що проводив автор після такої самостійної роботи, показали, що навчальний ефект незначний, тому що діти при такій роботі мало що розуміють.

Що ж потрібно зробити, щоб урок у комп'ютерному класі був не тільки цікавий за формою, але і дав максимальний навчальний ефект?

Учителеві необхідно заздалегідь підготувати план роботи з обраної для вивчення комп'ютерною моделлю, сформулювати питання і задачі, погоджені з функціональними можливостями моделі, також бажано попередити учнів, що їм наприкінці уроку буде необхідно відповісти на питання або написати невеликий звіт про пророблену роботу. Ідеальним є варіант, при якому вчитель на початку уроку роздає учнем індивідуальні завдання в роздрукованому вигляді.

Висновки

Аналіз показує, що комп’ютеризація уроків фізики виразилася в такому.

1. Світоглядна спрямованість здійснена за допомогою:

а) чіткішого викладу в тексті та відображення в ілюстраціях діалектико-матеріалістичних поглядів на природу;

б) безпосереднього включення в нього додаткової інформації;

в) систематичного залучення фактів, цифр;

г) введення узагальнюючих розділів, тем, питань світоглядного характеру.

2. Науковий рівень підвищений за рахунок:

а) збільшення обсягу загальних і часткових висновків;

б) введення нових наукових понять і строгіших їх означень, формулювань закономірностей, принципів;

в) розширення в тексті пояснень за рахунок описів;

г) значної уваги до методів науки як у тексті, так і в ілюстраціях, завданнях для учнів;

д) збільшення кількості завдань на встановлення фізичних зв'язків, порівняння й узагальнення.

3. Активізація пізнавальної діяльності учнів здійснюється за допомогою:

а) системи завдань теоретичного і практичного характеру, які ускладнюються;

б) збільшення кількості нестандартних завдань для самостійної роботи учнів;

в) збільшення кількості ілюстрацій, їх розмаїтості за змістом і видами;

г) включення словників термінів і додатків;

Слід підкреслити, що всі три напрями, за якими вдосконалювалася фізика, тісно взаємозалежні.

Так, посилення світоглядної спрямованості змісту одночасно підвищує науковий рівень. Вплив на світогляд школярів не може бути забезпечений без науково обґрунтованої системи завдань, які активізують інтелектуальні, емоційні, практичні напрямки навчальної діяльності. Проте слід врахувати, що навчальну діяльність учнів активізує лише та система завдань, яка охоплює всі етапи пізнання (спостереження, аналіз зібраних фактів, побудова гіпотез, їх перевірка і переведення в теорію, усвідомлення форм і прийомів мислення), тобто система, створена на чітких науково-методичних принципах.

1. Впровадження комп'ютеризації навчання в процес навчання фізики має сприяти оновленню змісту фізичної освіти, залучення педагогів до розроблення варіативних навчальних підручників, пошуку програм, створенню різнорівневих методів і прийомів навчання.

2. Аналіз методологічної, психолого-педагогічної, методичної літератури дозволив визначити, що позитивний ефект в процесі впровадження дистанційного навчання фізики досягається за умов:

• поваги до учня як до особистості;

• врахування емоційного впливу навчального матеріалу на особистість учня;

• такої організації навчального процесу, за якої учневі надається можливість вибрати форму виконання завдань, спосіб навчальної роботи, а обдарованим учням ще й обсяг матеріалу;

• такої оцінки учня, що випливає з суб'єктної діяльності, на що й спрямовано нині весь навчальний процес.

3. З'ясовано мотиви впровадження комп'ютеризації освіти в процес навчання фізики:

– комп'ютер значно розширив можливості подання навчальної інформації;

– комп'ютер дозволяє підсилити мотивацію навчання;

– комп'ютер активно зацікавлює в навчальний процес;

– набагато розширяються застосовуваних навчальних задач;

– комп'ютер дозволяє якісно змінити контроль за діяльністю учнів;

– комп'ютер сприяє формуванню в учнів рефлексії своєї діяльності

4. Розглянуто і висвітлено науково-методичні та психолого-педагогічні основи дистанційного навчання як засобу підвищення інтересу до вивчення фізики зокрема та організації системи самостійної роботи при вивченні фахових дисциплін.

5 Запропоновано навчальний посібник в електронному вигляді по темі «Геометрична оптика».

Переваги розробленого електронного навчального посібника:

•     стійкість роботи програми при неправильних або випадкових натисканнях клавіш;

•     забезпечення захисту від несанкціонованого введення даних (значень, що виходять за зазначені межі або свідомо невірних);

•     забезпечення свідомості й активності дій користувача при роботі з програмами;

•     програма за допомогою діалогу повинна ініціювати діяльність користувача (учня) відповідно до зазначеного в супровідній документації методичними цілями і визначеннями;

•     відповідність тематики програми навчальним програмам шкільних предметів.

• забезпечення доступності навчання (вимога відповідності пропонованого навчального матеріалу раніше придбаним знанням, умінням, навичкам).

Література

 

1.   Андреев В.И. Эвристическое программирование учебно-исследовательской деятельности: Метод. пособие. – М.: Высшая школа, 1981. с. 167–182;

2.   Машбиц Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. М.: Педагогика. – 1988. – 191 с.;

3.   Ю. Дорошенко, «Педагогічні програмні засоби»., – Фізика та астрономія в школі, – 1997 р., №7;

4.   М. Корнієнко, «ІТ в освіті»., – Фізика та астрономія в школі, – 1999 р., №3;

5.   О. Желюк, «Засоби НІТ у навчальному фізичному експерименті», – Фізика, – 2001 р., №9;

6.   І. Заводський, «Інформаційні освітні технології»

7.   О. Сергєєв, Н. Сосницька – «Шкільні підручники з фізики для основної школи: досягнення, проблеми, перспективи розвитку»;

8.   Ю. Жук., «Можливості нової технології»., Освіта, – №10, 2003 р.

9.   М. Палтішев., «Психолого-педагогічні основи навчання фізики»., Освіта, – №6, 2002 р.;

10.      І.Р. Крилов, «Методическое пособие по курсу оптики», – М.1993 р., с. 53–86;

11.      Коршак Е.В., Миргородський Б.Ю. Методика і техніка шкільного експерименту. Практикум: Київ: Вища школа. 1981. – 280 с.

12.      Гончаренко С.У. Методика навчання фізики в середній школі. – К. Радянська школа, 1974. – с. 95–114.

13.      Викладання фізики в школі. За ред. Коршака Є. В. – К. Радянська школа, 1986. – с. 68 – 84.

14.      Савченко В.Ф., Коршак Е.В., Ляшенко О.І. Уроки фізики у 7–8 класах. – Київ: Перун. – 2002. – 320 с.

15.      Буров В.А. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. – М.: Просвещение. – 1979. – 147–179 с.

16.      О.М. Желюк., «Компютерна техніка в навчальному курсі фізики»., Метод. рекомендації., – Рівне, РДПУ, 1994 р.;

17.      В. Савченко, «Деякі міркування, щодо повного відбивання світла», – Освіта., 2000 р. №5;

18.      «Комп’ютер – інформаційні і комунікативні технології у навчальному процесі середніх та вищих шкіл» // Міжнародна наукова конференція, – Освіта, – №34 – 2003 р.;

19.      А. Сільвейстр «Актуалізація пізнавальної діяльності учнів на уроках з застосуванням НІТН»;

20.      Александров Г.Н. Программированное обучение и новые информационные технологии обучения // Информатика и образование. -1993. – №5. – с. 7–19.

21.           Шевандрин Н.И. Психодиагностика, коррекция и развитие личности. М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС. – 1998. – 512 с.

22.               Пидкасистый И.П. Самостоятельная познавательная деятельность школьников в обучении. М.: Педагогика. – 1980 – 240 с.

23.               Лемберг Р.Г. О самостоятельной работе учащихся. // Советская педагогика. – 1962. – №2.

24.      Буров В.А. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. – М.: Просвещение. – 1979.-179с

25.      Викладання фізики в школі. За ред. Коршака Є. В. – К.: Радянська школа, 1986. – с. 168 – 184.

26.               Машбиц Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. М.: Педагогика. – 1988. – 191 с.

27.      Миргородський Б.Ю., Шабель В.К. Демонстраційний експеримент з фізики: Механіка. К.: Радянська школа. – 1980. – 144 с.

28.      Сумський В.І. ЕОМ при вивченні фізики: Навч. Посібник / За ред. М.І. Шута. – К.:ІЗМН. – 1997. – 184 с.

29.      Левина И.И. Опытно-экспериментальная разработка методики самостоятельной работы учащихся на уроке при изучении педагогических дисциплин (в индустриально-педагогических техникумах профессионально-технического образования): Автореф. дис. канд. пед. наук. – М. – 1971.

30.      Коршак Е.В., Миргородський Б.Ю. Методика і техніка шкільного експерименту. Практикум: Київ: Вища школа. – 1981. – 280 с.