Введение
Физический эксперимент формирует у учащихся накопленные ранее представления о физических явлениях и процессах, пополняет и расширяет кругозор учащихся. В ходе физического эксперимента, проводимого учащимися под руководством преподавателя или самостоятельно во время лабораторных работ, они знакомятся с методами исследования явлений и процессов, учатся работать с физическими приборами и установками, учатся самостоятельно добывать знания на практике.
Качественная организация учебного процесса требует, чтобы лабораторные работы проводились "фронтально", то есть темы работ для каждого занятия должны соответствовать прорабатываемому в данный момент теоретическому материалу. Фронтальные экспериментальные задания - это измерения и опыты, осуществляемое на простейшем оборудовании и за кратчайшее время. Благодаря этому, фронтальные экспериментальные задания применим при объяснении нового материала, при отработке практических навыков, при повторении и обобщении изученного на уроке. Несмотря на простоту осуществляемых опытов, используемых измерительных приборов, и в этих лабораторных работах имеется возможность создания необходимое количество исходных состояний, отличающих параллельную работу разных малых групп с одним и тем же экспериментальным стендом и значительно увеличить заданий для контроля подготовленности к выполнению работы.
Проведения полноценного реального физического эксперимента, особенно фронтальным способом, требует в достаточном количестве соответствующего оборудования. В настоящее время школьные лаборатории по физике очень слабо оснащены приборами, имеющееся оборудование пришло в негодность, морально устарело или имеется в недостаточном количестве. Стенды реального физического эксперимента требуют постоянного ремонта и обновления экспериментальной базы, вследствие этого описание стендов часто не соответствуют установкам, в которых с течением времени произошли замены при ремонте. Даже при полной укомплектованности лаборатории физики требуемыми приборами, реальный эксперимент требует очень много времени на подготовку и его проведение. При этом, из-за значительных погрешностей измерений и временных ограничений урока, реальный эксперимент часто не может служить источником знаний о физических законах, так как выявленные закономерности имеют лишь приближенный характер. Поэтому учителю приходится объяснять суть физических явлений и процессов чисто теоретически, не подкрепляя их с помощью анализа и интерпретаций графиков и таблиц, полученных в ходе эксперимента, что сказывается на уровне подготовки учащихся по физике.
Одним из перспективных действий по преодолению указанных выше трудностей являлось разработка инструментальных педагогических программных средств и лабораторных работ с использованием компьютерных моделей, направленных на имитации реальных измерительных стендов для физических экспериментов. Эти инструментальные педагогические программные средства и лабораторные работы с использованием компьютерных моделей оснащены правдоподобным изображением реальных деталей (например, регуляторы и измерительные приборы в «Конструкторе электрических цепей»), управление моделями с помощью регуляторов максимально точно соответствуют таковыми в реальных регулирующих устройствах (реостаты, потенциометры, выключатели марки emas, переключатели и т.д.). В алгоритмах виртуальных измерительных стендов программных систем и компьютерных моделей заложены конкретные физические законы, связывающие физические характеристики точными формулами, предусмотрено моделирование ошибок измерений, аналогичных тем, которые встречаются в реальных измерительных стендах. Указанные возможности позволяют изменять условия физических экспериментов в широких пределах, создают реальные количественные соотношения между измеряемыми параметрами. Компьютерный измерительный стенд позволяет за короткое время провести многократно испытание с изменяемыми параметрами, сохранить результаты и вернуться к своим исследованиям в удобное время. Работа с этими моделями, естественно привлекает учащихся и открывает огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Кроме того, с помощью предложенных вариантов задач с разной степенью трудности, каждый ученик в зависимости от своих способностей, желания, возможностей приобретет максимально возможный для себя набор умений и навыков работы в физической лаборатории. Это показывает возможности реализации индивидуализации обучении.
Наиболее распространенными продуктами являются «Физика в картинках», «Открытая физика» («Физикон»), мультимедийное учебное пособие «Физика», «Физика в анимациях» («Силтек»), «Библиотека лабораторных работ по физике. 7— 11 классы», «Библиотека электронных наглядных пособий» («Дрофа»), «Школьный физический эксперимент. Сборник демонстрационных опытов» («СГУ ТВ»). Моделирующая активная обучающая среда «Виртуальная физика» (Пермский ГТУ) охватывает основные разделы школьного курса физики, содержит около 50 конструкторов, 300 виртуальных лабораторных работ, 500 двумерных и трехмерных анимированных образов.
В настоящей работе демонстрируем возможности организации фронтальных лабораторных работы по теме «Изучение электрических цепи с параллельными, последовательными и смешанными соединениями резисторов» и «Изучения явлении дифракции света» с помощью инструментальных программных систем и лабораторных работ с использованием компьютерных модели. При этом используем инструментальной программной системой «Конструктор электрической цепи», виртуальной лабораторией «Дифракционная решетка», созданной авторами этой работы с помощью программной системы «Физика в анимациях» («Силтек»), и лабораторной работой «Опыты Франка и Герца» с использованием компьютерной модели. Перечисленные программные системы доступно во многих российских сайтах Интернета.
1. Изучение электрических цепи с параллельными, последовательными и смешанными соединениями сопротивлений с помощью «Конструктор электрической цепи».
Программа позволяет, пользуясь только одной мышью, имитировать на экране монитора процессы сборки электрических схем, исследовать особенности их работы, проводить измерения электрических величин так, как это делается в реальном физическом эксперименте. Для нормальной работы программы необходимы процессор Pentium, ОЗУ 8 Mb или более, монитор с разрешающей способностью не менее 800х600 и видеокарта, работающая в этом режиме с цветностью не менее 65 тыс. цветов, операционная система Windows 95 и выше, звуковая плата и манипулятор "мышь".
При запуске программы, на экран монитора компьютера выводятся монтажный стол с контактными площадками, по краям которого расположены панель деталей, содержащая набор электрических элементов, панель управления программой с кнопками для вызова вспомогательных инструментов, "мусорная корзина" и панель комментариев.
Одной из главных особенностей конструктора является максимально возможная имитация реального физического процесса. Изображения деталей и измерительных приборов приводятся не схематически, как это имеет место на конструкторе электрических цепи в программе «Физика в картинках», а в максимально приближенным к реальному виду. При оперативном изменении параметров исследуемой схемы показания измерительных графических приборов меняются, фиксируются обучаемыми и используются ими для проведения дополнительных исследований. В программе предусмотрены эффекты «сгорания» и почернение детали цепи при превышении номинальной мощности протекающего через него электрического тока. Это делается для того, чтобы учащийся наглядно видел последствия своих ошибок, учился разбираться в причинах того или иного неудачного эксперимента и вырабатывал необходимые навыки предварительного анализа схемы. Единственным недостатком конструктора, на наш взгляд, является ограниченность количества измерительных приборов (мультиметр), который создаёт трудности при обеспечении наглядности компьютерного измерительного стенда.
Рассмотрим комплектации с измерительными приборами при реальных экспериментах, когда три проводники в электрических цепях соединены последовательно, параллельно и смешанно (рисунки 1а,б,с.). При изучении схемы, изображенной на рис. 1а, требуется проверки следующих гипотез:
- через каждый проводник протекает одно и тоже ток I;
- напряжение на концах всей цепи складывается из напряжений на каждом проводнике U = U + U2 + U3;
По закону Ома для участка цепи U1 = R1I, U2= R2I, U3 = R3I и U = RI, где полное сопротивление цепи R = R1 + R2 + R3.
Рассмотрим теперь схему, изображенную на рис. 1b. При этом требуется проверки следующих гипотез:
- напряжение на концах всей цепи и каждого проводника U = U = U2 = U3;
- полный ток цепи складывается из токов, протекающий через каждый проводник I = I1 + I2 + I3.
В данном случае, по закону Ома для участков цепи получим U = R1I1; U = R2I2; U = 1 _ 1 1 1 R3I3 и U = RI, (где R = J^ + J^+R- - полное сопротивление цепи).
Изучение схемы, представленной на рис. 1с и осуществляется на основе гипотез, являющихся синтезом ранее рассмотренных двух случаев.
Как видно из рисунков, проверка выдвинутых гипотез в рассмотренных случаях требуют набор сопротивлений, четыре амперметра и четыре вольтметра на каждый реальный экспериментальный стенд. Если учесть, что в классе два десяток учащихся, для организации лабораторной работы фронтальным методом необходимо 8-10 комплектов. Применение компьютеров в лабораторном практикуме 10 персональных компьютеров, оснащенных компьютерными моделями физических экспериментов, могут обеспечить фронтальную работу подгруппы, состоящей из 10 бригад.
Примерный вид измерительного стенда одного из рассмотренных выше схем, построенных с помощью «Конструктора электрической цепей» показан на рис. 1d. На рисунке приведены измерения только величины напряжения на концах всей цепи и протекающего через цепи полного тока. Для измерения падения напряжения на отдельных сопротивлениях и проходимого через них тока, потребуется только переставить зажимы прибора на соответствующие узлы схемы. При измерении тока на отдельных сопротивлениях, дополнительно указанных, необходимо разъединять проводку между контактами, на которых переставляются зажимы мультиметра.
Таким образом, при совместном использовании реальных измерительных стендов и «Конструктора электрической цепей» обеспечивается фронтальность выполнения лабораторных работ без нарушений дидактической цели и задачи урока. При достаточном количестве реальных измерительных стендов, конструктор может быть использован и в качестве тренажёра перед выполнением лабораторной работы с помощью реальных измерительных приборов. Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательские задачи, то есть задачи, в ходе решения которых учащимся необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. В рамках таких заданий учащиеся самостоятельно придумывают и решают задачи, а затем проверяют свои результаты в компьютерном классе.
2. Изучения явлений дифракции света с помощью виртуальной компьютерной работы «Дифракционная решетка».
Компьютерная педагогическая программа «Дифракционная решетка» выполнена в виде html-файлов с включением java-апплетов и допускает работу как online, так и автономно. При создании данной компьютерной лабораторной работы авторы использовали несколько пользовательских программ. На главной странице этой программы краткая теория дифракции Фраунгофера на одной щели, паре щелей и на дифракционной решётке, схема эксперимента, характеристики набора дифракционных решёток DG10 и лазерной указки приведены в виде гиперссылки, при активизации которых на экран выводятся соответствующие информации (рис.2). Средняя часть рабочего окна программы разделено на два части, на одной расположены дифракционные решетки из набора DG10, выполненные в виде «клавиши», активизируемые с помощью мышки. После выбора дифракционной решетки и её активизации, на второй половине рабочего окна выводится график распределения интенсивности света по плоскости наблюдения дифракционной картины, соответствующей выбранной решетке.
Из теории дифракции известно, что характеристики дифракционной картины помимо длины волны используемого света и расстоянии решетка - экран, определяются шириной щели и промежутка между соседними щелями, количеством освещаемых светом щелей. Ограниченный набор дифракционных решеток, прилагаемых реальным экспериментальным стендам, не позволяют установить зависимость интенсивности, полуширины (ширина дифракционного максимума на половине высоты) и положения максимумов от вышеприведенных параметров. При выполнении лабораторной работы с помощью рассматриваемой программной системы, это задача легко осуществляется выбором соответствующей серии дифракционных решеток из набора DG10, сравнением кривых распределения интенсивности.
Компьютерная лабораторная работа комплектована следующим набором дифракционных решеток:
- решётки в строках 1, 2, 3 состоят из вертикальных щелей. Эти решётки помечены как d / b, где d -период решётки, b - ширина каждой щели в пикселях (1 пиксель = 1/4000 дюйма);
- строка 4 состоит из одиночных дифракционных щелей разной ширины, отмеченных внизу в пикселях;
- строка 5 состоит из пары вертикальных щелей, помеченные как 2 x b, где b -ширина каждой из щелей приведены в пикселях( расстояние между парами щелей в этой
- строке одинаково и равно 50 пикселям);
- строка 6 также состоит из пары вертикальных щелей, помеченных как c, где c -расстояние между щелями (ширина каждой из щелей одинакова и равна 10 пикселям).
Описанный набор дифракционных решеток, позволяет организовать несколько исследовательских задач с различными целями. Комплексное рассмотрение полученных малыми группами исследователей позволяет выявить следующих особенности:
- для решётки в строке 1 общая ширина дифракционной картины зависит от ширины каждой из щелей как 1/b, частота следования интерференционных полос зависит пропорционально периоду решётки d, на экране появляется одно и то же количество интерференционных полос на экране;
- для всех решёток из строки 2 общая ширина дифракционной картины одна и та же, а частота следования дифракционных полос разная. При этом интенсивность дифракционных полос на экране от решётки 10/1 довольно маленькая из-за малой ширины щелей этой решётки по сравнению с её периодом;
- для решёток в строке 3 частота следования интерференционных полос одна и та же, но ширины дифракционных картин различны;
- для щели шириной 5 пикселей (строка 5) общая ширина дифракционной картины максимальна, но интенсивность света на экране минимальна, прошедший через щель свет распределяется в широком угле;
- дифракционной картине из двойной щели видим появление интерференционных полос, частота следования которых зависит от расстояния между щелями.
Таким образом, использования компьютерной лабораторной работы «Дифракционная решетка» расширяет возможности реального измерительного стенда, появляется возможность организация исследовательской работы и т.д.. 3. Выводы Рассмотренная выше педагогические программные системы и виртуальные лабораторные работы, при наличии персональных компьютеров среднего класса в достаточном количестве, позволяет проведение лабораторных занятий фронтальным методом. В алгоритмах виртуальных измерительных стендов программных систем и компьютерных моделей заложены конкретные физические явления и точные формулы, предусмотрено моделирование ошибок измерений, аналогичных тем, которые встречаются в реальных измерительных стендах, что создают реальные количественные соотношения между измеряемыми параметрами. Результаты компьютерных экспериментов хорошо сопоставимы с теоретическими выводами.
Работа с компьютерными моделями физических экспериментов открывает огромные познавательные возможности учащихся, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками. С помощью задач разной степенью трудности реализуется индивидуализации обучения.
Компьютерные лабораторные работы не может полностью заменить реальную физическую лабораторию, однако, он естественным образом их дополняют. Они не требуют большого времени на выполнение, поэтому могут предлагаться и в качестве дополнительного задания к реальным экспериментам на ту же тему.
Таким образом, эффективное использование компьютерных моделей лабораторных работ как «Дифракционная решетка» и другие педагогические программированные средствы расширяют возможности реального измерительного стенда, сэкономить и заменять сложных, дорогостоящых, экологическо вредных и жизнеопасных физическых приборов и оборудовании, появляется возможность организации исследовательской работы студентов и учащихся.
Литература
- Баяндин Д. В. Моделирующая активная обучающая среда «Виртуальная физика» // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научных трудов. Вып. 11. М.: ИОСО РАО, 2001.
- Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2 ч.: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.
- Ерназаров У. К., Абдикамалов Б. А. и Калилаев А. Ж. Эффективность использования реальных физических и компьютерных экспериментов на уроках физпрактикума. // Физика ва астрономия муаммолари, укитиш методлари. Конференция материаллари. Тошкент, 2006. С. 124-125.
- А. Ф. Кавтрев. Компьютерные программы по физике в средней школе. Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", №1, с. 42-47, 1998.
- Разумовский В. Г. Проблемы общего образования школьников и качество обучения физике // Педагогика. 2000. № 8.
Автор: Сапарбаев Т.©, Асс. НГПИ имени Ажинияза, Нукус, Узбекистан