Рис.15
Модель 1. Выполнение интерактивных компьютерных заданий на уроках физики путем выведения их на экран или интерактивную доску. В этом случае учитель либо сам демонстрирует, как работать с подобными заданиями, либо вызывает одного из учеников к доске для его выполнения. В этой модели можно использовать и обычный экран (при наличии проектора), тогда ученик выходит выполнять задание к учительскому компьютеру. В этом случае манипуляции ученика мышкой будут видны на экране, как и само задание. Первый урок с использованием интерактивных заданий полезно провести именно в таком режиме, чтобы учитель показал, какова архитектура электронного издания и как выполняются подобные задания.
Модель 2. Использование интерактивных компьютерных заданий на уроках физики в кабинете, оснащенном 10–12-ю компьютерами. Такой урок можно проводить двумя способами:
Если учащихся 20–30 человек, то ученики делятся на две группы, одна из которых обладает более глубокими знаниями по физике. Группы поочередно работают либо с ЭИ [1], сидя по одному человеку за компьютером, либо с «Рабочей тетрадью» [2] под руководством учителя, сидя за столами. В этом случае мы рекомендуем первую половину урока за компьютеры усаживать более сильных учеников, так как они вполне способны самостоятельно выполнить подавляющее большинство интерактивных заданий [1], при этом учащимся можно разрешить пользоваться учебником. В это время учитель может разбирать со второй группой аналогичные задания, представленные в «Рабочей тетради». Во второй половине урока сильные ученики садятся за обычные столы и выполняют задания по изучаемой теме повышенного уровня сложности (под руководством учителя или самостоятельно). При этом вторая группа (более слабые ученики) работает за компьютерами. Шанс самостоятельно выполнить интерактивные задания с получением правильного ответа возрастает, поскольку аналогичные задания из «Рабочей тетради» этими учащимися уже были разобраны под руководством учителя. «Похвала» компьютера за правильный ответ повышает мотивацию к выполнению последующих заданий. Таким образом, у более слабых школьников повышается мотивация к выполнению учебных действий, а сильные в это время выполняют более сложные задания из «Рабочей тетради» и других полиграфических изданий.
Если в кабинете помимо столов с компьютерами нет других рабочих мест, ученики могут выполнять задания на компьютерах парами. На первых уроках рекомендуется в каждую пару включить более продвинутого пользователя компьютера, тогда у второго ученика будут закрепляться умения работать с электронным изданием. В дальнейшем, пары формируются по усмотрению учителя.
Модель 3. Выполнение интерактивных компьютерных заданий во внеурочное время в медиатеке (кабинете информатики). Самоподготовка учащихся к урокам физики с использованием электронного издания может проходить в медиатеке или компьютерном кабинете школы под наблюдением дежурного лаборанта или учителя. Педагогический эксперимент, проведенный в МОУ гимназия №1 г. Ишимбая Республики Башкортостан, показал: большинство (91%) учащихся 7-х классов, в которых еще не проводились уроки информатики, смогли самостоятельно разобраться, как работать с электронным изданием [1], выполняя подборки интерактивных компьютерных заданий, входящих в его состав.
Модель 4. Выполнение интерактивных компьютерных заданий дома во внеурочное время на персональных компьютерах. Эта модель реализуется, если дома у всех учеников класса имеется компьютер и соответствующий диск с электронным изданием. При этом рекомендуется чередовать домашние задания с использованием электронного издания [1] и «Рабочей тетради» [2]. После выполнения заданий дома на компьютере весьма полезно в классе периодически давать небольшие самостоятельные работы с аналогичными заданиями. Это стимулирует учащихся к выполнению компьютерных заданий дома и позволяет проверить, насколько умение, закрепленное на компьютере, переносится на выполнение заданий в тетради.
Отметим, что внутри моделей 1–4 можно при необходимости организовать работу по формированию отдельных умений («ликвидация пробелов»), используя отдельные подборки заданий (см. табл.1).
Экспериментальная проверка эффективности использования интерактивных заданий. Проведение уроков согласно Модели 1 (выведение заданий на интерактивную доску и поочередное приглашение учеников к доске или компьютеру) вносит элемент новизны в учебный процесс и полезно в период первого знакомства с новой формой дидактических материалов. Учителя отмечают повышение активности всех учащихся в учебном процессе: даже самые непоседливые не могут оторвать своего взгляда от экрана. Кроме того возрастает сплоченность класса «в борьбе» за правильный ответ: ученики переживают за товарища, который работает у доски, стараются вникнуть в суть задания и помочь, радуются «похвале» компьютера.
Ясно, что формирование умений идет наиболее эффективно при самостоятельной работе учащихся. Педагогический эксперимент подтвердил, что использование моделей 2 и 3, где обеспечивается индивидуальная работа учащихся с диском, повышает эффективность обучения. В модели 3 дежурному учителю (лаборанту) в медиатеке (компьютерном кабинете) рекомендуется в отдельном журнале отмечать даты работы учащихся с электронным изданием, поскольку это дисциплинирует учащихся.
В двух школах г. Ишимбая Республики Башкортостан был проведен педагогический эксперимент [9, 10] по проверке эффективности использования интерактивных заданий электронного издания [1]. Учителя ( и ) вели целые параллели 7-х классов в разных школах и сравнивали результаты выполнения тестов в экспериментальной и контрольной группах. В экспериментальную группу в каждой школе вошли один или два самых слабых класса параллели, при этом остальные классы составили контрольную группу. В одной школе ученики экспериментальной группы провели в течение второго полугодия 8–9 занятий в компьютерном классе, занимаясь на компьютерах на уроках физики (модель 2) [9]. В то же время во второй школе ученики имели возможность посещать по заранее составленному расписанию кабинет информатики и работать с диском, выполняя определенные задания под наблюдением лаборанта (модель 3) [10]. В обеих школах учащиеся экспериментальных групп перед началом эксперимента отставали по уровню знания физики от контрольных групп.
В конце эксперимента, длившегося в течение второго полугодия, было проведено итоговое тестирование [8]. В каждой из школ учащиеся экспериментальной группы показали результаты не ниже, чем учащиеся контрольной группы. На рис.16 показаны статистические данные, полученные по результатам тестирования в одной из школ. Статистический анализ различий между средними показателями успешности выполнения тестов школьниками из экспериментальной и контрольной групп проводился по методике «Критерий сравнения средних величин для независимых выборок» с использованием параметрического t – критерия Стьюдента. Диаграмма показывает, что статистически значимого различия между результатами выполнения контрольных заданий по темам первого полугодия в группах не наблюдается, в то время как результаты выполнения заданий по темам второго полугодия имеют статистически значимое различие.
Рис.16
Интересные результаты были получены в рамках эксперимента и во втором учебном заведении. В силу того, что посещение компьютерного кабинета было не строго обязательным, в конце учебного года обнаружилось, что в экспериментальном классе можно выделить две подгруппы учащихся: подгруппа «с ЭИ» – учащиеся, поработавшие с диском 3–9 раз, и подгруппа «без ЭИ» – учащиеся, работавшие с диском 0–2 раза во втором полугодии. На рис. 17 приведена диаграмма, демонстрирующая, насколько эффективным для освоения общеучебных умений оказалась работа с электронным изданием. Если в январе (до начала эксперимента) успешность выполнения контрольных тестов в обеих подгруппах не имела статистически значимого различия, то в мае (после окончания эксперимента) это различие носит статистически значимый характер.
Рис. 17
Анкетирование учеников (участников эксперимента) и опрос учителей - экспериментаторов показал, что мотивация к выполнению учебных заданий у учеников 7-х классов заметно возрастает, если учебные задания представлены в электронном виде.
Об этом свидетельствует и наш личный опыт. Если при проведении урока класс разбивался на две половины (одна группа учащихся выполняла задания на компьютере, а вторая – аналогичные по содержанию задания на бумажных носителях), то на перемене можно было наблюдать одну и ту же картину: учащиеся, работавшие за компьютерами, продолжали выполнять задания, а учащиеся, работающие с полиграфическими материалами, уходили на перемену.
Положительные результаты педагогического эксперимента по использованию электронного издания в преподавании физики, на наш взгляд, следует связать с качеством интерактивных заданий, при разработке которых учитывались важные психодидактические принципы, а первые версии заданий апробировались в реальной практике с дальнейшим внесением необходимых поправок. Так появились интерактивные задания с поэтапным оцениванием правильности их выполнения компьютером (рис.4, 10), было применено окрашивание правильно выполненных этапов в зеленый цвет, что позволяет учащимся быстрее самостоятельно находить свои ошибки. При использовании подобных интерактивных заданий эффективность самообучения заметно возрастает и благодаря мгновенной реакции компьютера на неправильные действия ученика, что позволяет избежать закрепления неверных представлений. Локализация ошибочных этапов цветом способствует развитию рефлексивных умений у школьников.
В ходе эксперимента отмечено, что использование интерактивных компьютерных заданий меняет и роль учителя: если при традиционном ведении уроков учитель является скорее контролером, то теперь он становится гидом-консультантом.
Модель 4 пока наименее изучена. Однако в настоящее время по этой модели идет эксперимент в школе №44 г. Пензы (учитель ), где учащиеся мотивированы к выполнению учебных заданий высоким конкурсом при поступлении в школу и авторитетом учителя физики [11]. В этой школе использование «Рабочей тетради», электронного издания и традиционных средств обучения приводит к высоким учебным показателям по освоению образовательного стандарта по физике. Среди участников эксперимента высока доля победителей интеллектуальных соревнований по физике разного рода на уровне города и области.
Опыт учителя (МУСО школа №1, г. Иваново), использовавшей с ЭИ на уроках [12] и наш личный опыт показывает, что при работе с электронным изданием [1] у учащихся повышается уровень информационной компетентности. Школьники быстрее и охотнее начинают использовать информационные технологии при изучении других предметов и при выполнении исследовательских проектов, заметно чаще для дальнейшего обучения выбирают вузы технического и информационно-технологического направления.
В 2010 году закончили школу учащиеся, которые, обучаясь в 7-м классе, первыми использовали интерактивные дидактические материалы, позднее вошедшими в состав электронного издания [1]. Уже в 7–9-х классах эти ученики показывали хорошие результаты, участвуя в муниципальных и областных олимпиадах по физике, с удовольствием занимались проектной деятельностью с использованием датчиков и компьютерных программ по обработке результатов проделанных измерений. Обучаясь в 10–11 классах, эти ребята не растеряли интерес к физике, хотя на уроках электронные издания уже и не использовались. Доказательством тому могут служить результаты их участия в различных интеллектуальных соревнований по физике:
- 1 ученик стал победителем областной и зональной Олимпиады по физике; 5 учеников получили дипломы на Всероссийской Выставке НТТМ на ВВЦ в 2008 г., 4 — в 2009 г. на аналогичной выставке получили за свои исследовательские работы дипломы 1-ой и 2-ой степени. 10 учеников стали призерами на городских конференциях исследовательской деятельности школьников; 5 подготовили публикации в журнал «Физика для школьников» (№4, 2009 и №2, 2010).
Эти данные заметно выделяют учащихся бывшего экспериментального класса среди классов параллели школы, в которых информационные технологии не использовались в преподавании физики. На наш взгляд, это хотя и косвенные, но достаточно веские доказательства и интеллектуального развития школьников, и их социализации. Отметим, что половина учеников этого класса выбрали ЕГЭ по физике в качестве экзамена по выбору и многие поступили в ведущие вузы страны (МГУ, МВТУ им. Баумана, МФТИ, МИСИС, МИФИ, МЭИ). Таким образом, повышение мотивации к изучению физики, возникшее в 7–9-х классах за счет использования интерактивных компьютерных заданий [1] при изучении физики, сформировало выбор будущей профессии и обеспечило формирование информационной и математической компетенций.
На наш взгляд, эффективность разработанных дидактических материалов связана с тем, что при их разработке учтены важные психодидактические принципы и широкие возможности современных компьютерных технологий. Методика использования интерактивных заданий позволяет каждому учащемуся самостоятельно достигать поставленных учителем образовательных целей, а учителю освободившееся от рутинной работы время потратить на индивидуальные консультации.
Литература.
1. 1C: Школа. Физика. 7 кл. [Электронный ресурс]. — Электрон. текстовые, граф., зв. дан. и прикладная прогр. / авт. сценар. , , под ред. / — М.: 1С», 1С-Паблишинг», 2006.
2. , Ханнанов . 7 класс : рабочая тетрадь / М.: Дрофа, 2007.
3. , Дидактический материал по физике: 7—8 кл.: Пособие для учителя. — М.: Просвещение, 1989.
4. , , Интерактивные компьютерные тренажеры в школьном курсе физике // Физика в школе, №4, 2006, 3-10
5. , Ушаков . 7 класс: Дидактические карточки-задания. — М.: Дрофа, 2001.
6. Ханнанова недостатки в подготовке выпускников к тестированию по физике // Физика в школе, 2005. — №1. — С. 45–48.
7. Педагогика: учебное пособие / под ред. . – М.: Высшее образование, 2008.
8. , Ханнанова . Тесты. 7 класс / М.: Дрофа, 2005.
9. , Ханнанова влияния использования на уроках физики в 7-м классе интерактивных заданий ЭИ «1С: Школа. Физика 7 кл.» на качество обучения физике // Тезисы докладов на XVII Международной конференции-выставке «Информационные технологии в образовании, г. Москва, 2008 год». – [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://ito. *****/2007/Moscow/II/1/II-1-7359.html
10. П, Ханнанова качества знаний по физике учащихся 7-х классов при самостоятельной работе с ЭИ «1С: Школа. Физика 7 кл.» во внеурочное время // Тезисы докладов на XVII Международной конференции-выставке «Информационные технологии в образовании, г. Москва, 2008 год». – [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://ito. *****/2007/Moscow/II/1/II-1-7366.html
11. Кистанов использования электронных изданий серии «1С:Школа. Физика» в основной школе // Тезисы докладов на VIII Международной конференции «Использование программных продуктов 1С в учебных заведениях», г. Москва, 2011. – [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://*****/rus/partners/training/edu/conf8
12. Крючкова учебные материалы. Особенности применения ИКТ на уроках физики в 7-8 классах // Тезисы доклада на XVII Международной конференции-выставке «Информационные технологии в образовании, г. Москва, 2008 год». – [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://ito. *****/2008/Moscow/II/II-0-8002.html
Статья принята к публикации в Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)»
Ханнанов инструменты для проведения исследовательских работ по естественнонаучным предметам.
Аннотация. Описаны технические устройства на основе информационных технологий и программные средства, называемые цифровыми инструментами. Обобщен опыт использования, а также показаны потенциальные возможности использования этих инструментов для организации исследовательской деятельности школьников. Обсуждаются методические проблемы и способы их решения, возникающие при использовании таких инструментов.
Ключевые слова: проектно-исследовательская деятельность школьников, цифровые инструменты, преподавание физики
Введение
Ощущение человеком того, что он чему-то научился, приходит к нему только при самостоятельном выполнении определенной операции (физической или интеллектуальной). Ситуация, когда человек находится на границе неизвестного, не может опереться ни на чей опыт, ни на чьи знания, кроме своих, когда вынужден сам лично принимать решение, чрезвычайно активизирует все способности человека, о которых он, возможно, даже не знал.
В учебной деятельности такие ситуации естественным образом возникают при организации учебного исследования. При этом ученик в той или иной степени при проведении такого исследования столкнется и с поиском информации на заданную тему при огромном ее избытке, и с изложением информации незнакомым языком, стилем и с поиском информации в источниках, лишь косвенно связанных с заданной темой.
Наверное, по этой причине в условиях возрастания потоков информации в целях образовательных стандартов все чаще звучит тема обучения учащихся основам проведения исследований на заданную тему, причем такие цели закладываются даже в варианты новых образовательных стандартов для школы (см., например, Приказ Минобрнауки России № 000 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта основного общего образования», 2010 г., (http://*****/files/materials/7195/1897.pdf).
Очевидно, что информационные технологии имеют самое широкое распространение в реальных научных исследованиях, как экспериментальных, так и теоретических. Окружающий школьника быт также все больше и больше связан с информационными технологиями (мобильная связь, цифровое телевидение, измерительные и диагностические приборы, обработка изображений и т. д. и т. п.). Поиск информации в современном мире также немыслим без использования компьютера. Представление своей работы во время публичного выступления без использования компьютерной презентации также уже кажется анахронизмом. Привлечение информационных технологий на всех этапах проведения исследования школьниками является естественным процессом их приобщения к деятельности в окружающей реальности. Использование компьютерных технологий на этапе сбора информации по теме, проведения собственного исследования неизбежно создает у ребенка ощущение современного, интересного сейчас, естественного действия, связанного с жизнью, что немаловажно для появления мотивации к занятию такой непростой деятельностью, как исследовательская работа.
Общая характеристика цифровых инструментов для организации исследовательской деятельности школьников.
Использование информационных технологий при проведении исследований по различным школьным предметам можно рассматривать как проведение работы на стыке двух школьных дисциплин: информатики и предмета, по которому делается проект, а также как осуществление деятельности, помогающей воспринять компьютер как один их инструментов для выполнения определенных задач.
В данной работе мы не затрагиваем анализ самой возможности организации исследовательской деятельности в рамках классической классно-урочной системы, в рамках преподавания предметов проектным методом и т. п. Так же вне рассмотрения останутся цифровые инструменты для организации коммуникаций в рамках сетевых сообществ юных исследователей, которые активно обсуждаются в последнее время [1]. Целью работы является анализ общедоступных компьютерных программ, которые позволяют организовать творчество учителя-предметника и ученика. Почти все обсуждаемые цифровые инструменты доступны в единой цифровой коллекции образовательных ресурсов, созданных по заказу правительства РФ (www. school-collection. *****), хотя фирмы, создавшие эти программы по госзаказу, продолжают совершенствовать их и выпускают все новые коммерческие версии. В обсуждении затронем и некоторые коммерческие программы, не вошедшие в единую цифровую коллекцию и поставляемые с оборудованием для проведения экспериментальных работ.
Методические возможности этих программ еще слабо осознаны преподавателями школ и учреждений дополнительного образования.
Рассматриваемые инструменты предназначены для использования информационной техники в естественнонаучных исследованиях на различных этапах:
1) регистрация этапов протекания природных явлений или измерение количественных параметров в эксперименте – цифровые датчики. К ним можно отнести цифровые камеры для фиксации изображения (фотоаппарат, видеокамера, веб-камера), диктофон с микрофоном, датчики расстояния, температуры, освещенности, анализаторы химических соединений и т. д.);
2) обработка результатов (программы для определения относительных размеров, углов на фотографии, получения таблиц с зависимостью координат тел от времени при покадровом анализе видеофрагмента и т. п.);
3) установление закономерностей, взаимосвязи между измеренными параметрами процессов (редакторы таблиц, позволяющие построение графиков, сравнение экспериментальных графиков с графиками известных функций и т. д.);
4) моделирование процессов (моделирующие среды, позволяющие, задавая начальные условия следить за развитием процессов при заданных законах взаимодействия объектов на экране);
5) составление отчета (программы для сведения и сопоставления информации представленной в разном виде с включением в отчет всех видов мультимедиа от текста до видео).
Примеры и перспективы использования отдельных цифровых инструментов.
Цифровые камеры.
В качестве датчика внешнего сигнала, который в конечном результате регистрируется и обрабатывается компьютером, могут быть рассмотрены устройства:
· традиционно рассматриваемые как периферийные устройства компьютера (сканер, веб-камера, микрофон);
· бытового или профессионального предназначения, существовавшие в виде устройств регистрации аналогового сигнала, а в настоящее время перешедшие в режим цифровой обработки (фотоаппарат, диктофон, весы, термометр, ультразвуковой датчик положения);
· профессионально используемые в научных исследованиях (датчики магнитного поля, напряжения, освещенности и т. д.).
Ясно, что грань между тремя категориями устройств весьма условна и достаточно быстро размывается. Многие приборы, считавшиеся еще недавно профессиональными инструментами переходят в ранг бытовых. Так, например, произошло с электронными весами и фотоаппаратом. Снижение стоимости электронных весов привело к вытеснению стрелочных механических аналогов. В случае фотоаппарата переходу его в категорию массовых бытовых приборов послужили автоматизации большинства процедур при фотосъемке, ликвидация процедуры «мокрого» проявления пленки и фотобумаги. Теперь фотоаппарат постепенно заменяет и видеокамеру. Информация с него легко перебрасывается на компьютер, фотоснимки и видеофрагменты редактируются, фотографии печатаются на принтере.
В силу ограниченности объема статьи, мы остановимся лишь на некоторых устройствах, которые можно рассматривать как доступный инструмент исследовательской деятельности.
Возможности использования цифрового фотоаппарата еще слабо осознаны российской педагогической наукой и практикой. В исследовательской деятельности, начиная с младших школьников, фиксирование изображения при наблюдении различных явлений может стать важным инструментов доказательности наблюдаемых явлений, даже если они не сопровождаются количественными измерениями. К такого рода фото и видео фактам исследовательской деятельности можно отнести отчеты из далеких экспедиций, экскурсий на промышленные предприятия, выставки и т. п. Имеются многочисленные примеры создания прекрасных цифровых коллекций растений и животных, произрастающих и обитающих на определенных территориях [2]. Эти результаты детских экологических экспедиций ложатся в основу создания местных «Красных книг» и мониторинга состояния окружающей среды.
На рис.1 приведены примеры отчетов о домашних экспериментах по физике у учащихся 8 класса при изучении длительных процессов (2-3 недели) [3].
Рис.1. Примеры фотографий,
включенных школьниками в отчет о длительных домашних экспериментах
по изучению диффузии (слева), набуханию полимеров (в центре)
и выращиванию кристаллов (справа)
Фотоаппаратом можно зафиксировать и процессы, которые, наоборот, могут наблюдаться только в течение короткого времени или только при создании определенных условий (рис.2).
Рис. 2. Примеры фотографий эксперимента,
проводимого в специальных условиях (струя воды в ванной) (слева),
или условиях, реализуемых на короткое время
(движение «луча» лазера по кривой
в кювете на границе раствора сахара и чистой воды)
Качественные «фотографии» плоских предметов можно получить с помощью сканера с большим разрешением. Это могут быть детали технических устройств, твердые продукты химических реакций, части растений, кожи, шерсти и т. д.
Цифровой снимок позволяет за счет использования маленькой выдержки при съемке и за счет «цифрового увеличения» фрагментов снимков «пронаблюдать» то, что не видно невооруженным глазом. Это позволяет создавать на их основе цифровые коллекции, электронные гербарии и т. д., обсуждать и иллюстрировать сходство и отличие деталей различных объектов коллекции, что часто являлось основой школьных исследовательских работ по биологии. Кроме того, цифровая камера (фотоаппарат, видеокамера, веб-камера) позволяет объективно зафиксировать и обработать мнимое изображение в оптических системах, которое раньше поддавалось лишь словесному описанию или изображению в виде рисунка, отражающего образ, возникающий в мозгу человека.
На рис.3. показаны увеличенные фрагменты фотографии струи воды и зерен пшена. В первом случае малая выдержка позволяет фиксировать на фото место где струя начинает делиться на капли, обсуждать как это связано с диаметром и скоростью потока воды в этом месте и т. д. Во - втором – разглядеть дефекты зерен, обсуждать вопросы о среднем его размере, определить этот размер и т. д.
Рис. 3. Форма капель воды в летящей струе воды (слева),
формы зерен пшена, заметные на цифровых фотографиях (справа),
увеличиваемых с использованием стандартных программ (MS Word или Paint)
На рис. 4 показаны примеры цифровых снимков «мнимых изображений» получаемых при использовании рассеивающей линзы и с помощью дифракционной решетки. В первом случае обработка такого снимка позволяет получить фокусное расстояние рассеивающей линзы [4], а в другом рассчитать длины волн линий в линейчатом спектре экономной лампы [5].
Рис. 4. Фотографии мнимых изображений, получаемых с помощью фотоаппарата
и оптического устройства (указано в скобках), помещенного перед объективом:
слева – линии на листке бумаги (рассеивающая линза);
справа – линейчатый спектр «экономной лампы» (дифракционная решетка)
Следует отметить, что в ряде случаев веб-камера имеет преимущество перед камерой фотоаппарата, хотя разрешающая способность ее существенно хуже.
Во-первых, программы, поставляемые с веб-камерой, позволяют запрограммировать ее так, чтобы она делала снимки через определенные моменты времени, что дает возможность создавать эффекты ускорения процессов.
Во-вторых, веб-камеры выпускаются с оснасткой, позволяющей надеть е` на объектив микроскопа или телескопа и зафиксировать фотографию или видеофрагмент, который невозможно наблюдать невооруженным глазом.
В-третьих, используя USB удлинитель, можно установить веб-камеру в местах, где присутствие человека нежелательно, и наблюдать явления, ранее недоступные для исследований школьника.
В-четвертых, матрица веб-камеры чувствительна к инфракрасному (ИК), что позволяет фиксировать изображения предметов, невидимых глазом.
В-пятых, веб-камера обычно в разы дешевле цифрового фотоаппарата.
Эти особенности веб-камеры позволяют снимать медленные физические процессы, химические реакции и биологические явления и затем просмотреть подобие видеоролика роста кристалла, выпадения осадка или прорастания семени, поворот растения за солнцем, движение усиков гороха, раскрытие, цветение и скручивание перед опадением цветка (см. например, работу [6]).
Насадка веб-камеры на окуляр или замена ею окуляра позволяет задействовать такие школьные оптические приборы как микроскоп и телескоп (рис. 5), переводя их в режим близкий к современной работе профессиональных микроскопов и телескопов.
Рис. 5. Цифровые снимки, полученные учеником 7 класса
с помощью веб-камеры, насаженной
на объектив микроскопа – пыльцы на пестике цветка (слева),
на объектив телескопа – планеты Сатурн на ночном небе (справа)
Дистанционное использование веб-камеры эквивалентно съемке скрытой камерой, что позволяет, например, можно сделать фильм о поведении птенцов в гнезде птицы. Чувствительность веб-камеры к в ИК диапазоне излучений позволяет планировать работы по созданию самодельных детекторов фальшивых купюр и документов, созданию чернил, надписи которыми видны только в специальных условиях, созданию ИК фонарей съемки объектов в темноте, изучению чувствительности глаз животных в темноте и т. д.
Возможные подходы к использованию цифрового диктофона в организации деятельности учащихся на уроках физики описаны в [7]. Ясно, что диктофон крайне востребован в проектах по гуманитарным предметам, связанных, например, с интервьюированием людей. Однако и в проектах по биологии, связанных например, с голосами птиц он незаменим.
Информационные технологии дают существенные преимущество в систематизации таких файлов: может быть составлен каталог с гиперссылками на звуковые файлы. Кроме того с помощью таких файлов может быть проведена идентификация голосов птиц по частотной характеристике при сравнении с уже известным образцом.
Датчики физических величин.
Использование цифровых датчиков таких физических величин как напряжение, давление, индукция магнитного поля, освещенности, цифрового микрофона, оптоэлектронного датчика, ультразвукового датчика и др. невозможно без соответствующего программного обеспечения.
Примеры подходов к их использованию для организации исследовательской деятельности по физике в профильной школе и в основной школе учителями России приведены нами в работе [8] и в реализованном на основе датчиков «Архимед» и программ «MultiLab» и «1С:Измеритель» в проекте НФПК «Компьютер в системе школьного практикума по физике» [9]. Методика применения цифровых датчиков описана также в методическом пособии [10] и диссертационных исследованиях [11].
Даже если датчики используются в рамках классно-урочной системы преподавания, например, в компьютеризированном практикуме [12], то работа ученика также может строиться как «cубъективное открытие» или «учебное открытие» известной в физике закономерности, а не как проверка закономерности, известной ученику на момент проведения работы (из лекции или учебника). При разработке такого исследовательского практикума важно, чтобы датчик и компьютер были не просто заменой стандартных физических приборов, а давали новое качество.
Это новое качество может лежать в области получения значений величин, которые нельзя получить традиционным образом, в области упрощения техники или экономии времени проведения эксперимента, давать методические преимущества по проверке этапов работы учителем и т. п. Реализация этих принципов с созданием цикла работ, перекрывающего весь школьный курс физики возможно только при комплексном подходе в создании системы «оборудование – компьютерная программа – методика проведения».
В качестве примера получения данных недостижимых без использования датчиков здесь можно привести датчик магнитного поля, показания которого базируются на эффекте Холла и который раньше не был доступен в школьных экспериментальных работах [9].
Компьютерные редакторы таблиц и графиков.
В любом исследовании, связанном с количественными сравнениями величин, возникает вопрос об отражении обнаруженных количественных закономерностей. Отображение информации в виде ряда или столбцов чисел крайне трудно воспринимается большинством людей. Поэтому, если две отражаемые числовыми рядами величины связаны между собой, человек использует аналитическое описание чисел в двух столбцах (рядах) или графическое отображение. Графическое отражение (построение графиков) помогает более наглядно отразить взаимосвязь между величинами, представленную и в виде таблиц и в виде аналитических зависимостей.
В реальном эксперименте накапливается дискретный набор чисел, каждое из которых содержит еще и погрешность. График аналитической функции является непрерывной гладкой кривой. Таким образом, при обработке экспериментальных данных с построением графика возникает две задачи: отображение табличных данных в виде совокупности дискретных точек на графике и сопоставление этого отображения с непрерывной кривой, связанной с аналитической зависимостью y(x).
Компьютерные программы, позволяющие один вид информации (таблица, график, формула) перевести в другой и сопоставить их, существуют (наиболее доступна в школе MS Excel) и называются обычно редакторами таблиц. Проведены серьезные исследования по системному использованию редактора таблиц MS Excel в физическом практикуме [13]. Большой потенциал компьютерных инструментов по графическому анализу аналитических уравнений и развития творческих способностей учащихся при этом отмечается в работе преподавателей математики в школе [14].
Однако главным в случае проведения эксперимента в виде исследования, а не проверки известной зависимости, становится не техническое использование редактора, а обучение логике подбора и выбора аналитической функции, удовлетворительно описывающей эксперимент.
Как показали наши эксперименты, если разработана простейшая инструкция по использованию редактора таблиц [9], то использование этого редактора при обработке эксперимента – это вполне посильная задача для восьмиклассников.
На рисунке 6 показана обработка одних и тех же экспериментальных данных прямой и параболой. Утверждать «на глаз», что прямая линия лучше параболы описывает наблюдаемую зависимость, вряд ли, можно. На самом деле вопрос еще сложнее, поскольку каждая точка является не точкой, а некоторым прямоугольником, который в разных точках может иметь разный размер, поскольку величины X и Y измерены с некоторой погрешностью. Если полагать, что погрешности данных величин имеет такое значение, что они не превышают размер изображенных на рисунке квадратиков, то нужно сделать вывод, что эксперимент правильно описывает скорее вторая кривая, чем первая, поскольку на первом графике два квадратика не касаются прямой. Если же погрешность измерения для величин X и Y больше, то обе зависимости одинаково подходят для трактовки.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
