ЛЕКЦІЯ "КОМП’ЮТЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ, ЯК ОДИН ІЗ МЕТОДІВ ОПТИМІЗАЦІЇ НАВЧАННЯ НА УРОКАХ ФІЗИКИ"

Використання нових педагогічних технологій на сучасному етапі неможливе без широкого застосування сучасних інформаційних технологій, в першу чергу – комп’ютерних. Проаналізовано технічні й методичні можливості нових інформаційних технологій (НІТ). З’ясовано основні напрями використання НІТ у навчанні (з урахуванням того, що сучасні комп’ютери дозволяють інтегрувати у рамках одного навчального заняття кілька різновидів навчальної діяльності):

• викладення нового матеріалу з метою візуалізації знань (демонстраційно-енциклопедичні мультимедійні програми, електронні довідники, підручники);
• проведення віртуальних лабораторних робіт;
• самостійна робота учнів (реферати, робота з довідковою літературою, виконання розрахунково-графічних завдань (РГЗ) з подальшим захистом);
• проективна і дослідницька діяльність учнів;
• закріплення викладеного матеріалу з використанням навчальних програм;
• система контролю і перевірки знань і умінь учнів (контролюючі програми-тести);
• тренування певних здібностей учнів, їхнього мислення, логіки, пам’яті;
• пошук інформації;
• моделювання організаційних, виробничих, управлінських ситуацій на основі спеціально створених комп’ютерних програм.

За принципом роботи розрізняють такі педагогічні програмні засоби (ППЗ): навчальні, моделюючі, інструментальні, інтегровані навчальні програми. Усі типи ППЗ доцільно застосовувати в навчальному процесі залежно від конкретних умов. Останнім часом акцент у застосуванні ППЗ зміщується у бік тих, які спрямовані на інтенсифікацію спілкування у системах „викладач – учень”, „учень – учень” за рахунок ефективного використання НІТ (експертних систем, інтелектуальних навчальних систем, систем машинної графіки, інструментальних педагогічних засобів тощо).

КОМП’ЮТЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ, ЯК ОДИН ІЗ МЕТОДІВ ОПТИМІЗАЦІЇ НАВЧАННЯ НА УРОКАХ ФІЗИКИ

В останні роки посилилася увага до теоріі оптимізації навчальних процесів у зв’язку з широким застосуванням інноваційних технологій у навчанні, що необхідно для отримання високоякісної освіти.

Усе більшого значення набувають створення умов для глибокого аналізу явищ, розвиток умінь самостійної роботи, прищеплення потреби в постійному поповненні знань. Це допоможе випускникам шкіл самоствердитися в житті: підвищувати свою кваліфікацію, самостійно здобуваючи знання, перекваліфіковуватися. Для цього в українській системі освіти планується провести оптимізацію навчального навантаження за рахунок використання ефективних методів навчання при забезпеченні державних освітніх стандартів з урахуванням постійного росту об’єму наукової інформації.

Оптимізація – це удосконалення процесу навчання, яке організовується на основі всебічного врахування закономірностей, принципів навчання, сучасних форм і методів навчання з метою досягнення найбільш ефективного функціювання процесу навчання.

Основними задачами оптимізації навчального процесу є зростання ефективності навчальної роботи і, тим самим, збільшення конкурентноспроможності випускників на ринку праці.

У зв’язку з цим в останнє десятиріччя значно посилився вплив інноваційних, у тому числі і комп’ютерних технологій у навчально-виховний процес у середніх загальноосвітніх та вищих навчальних закладах.  Основними характеристиками застосування сучасних інформаційних технологій є можливість диференціації та індивідуалізації навчання, а також можливість розвитку творчої пізнавальної активності учнів.

На основі сучасних інформаційних технологій розроблено багато навчальних програм і навчальних посібників. Далеко не кожен учитель розробляє свої програми, а також навчальні та дидактичні матеріали. Самостійна робота з комп’ютером, робота над інформаційним об’єктом, використання матеріалів різних дисків, ресурсів Internet, деяких програм може дозволити вчителям за короткий час створювати власні роботи.

Найбільш важливими серед таких програм є інтерактивні навчальні програми, що передбачають обмін інформацією не менш ніж між двома учасниками діалогу, а також розвивальні програми, здатні зацікавити учнів пошуком розв’язку навчальних проблем, розвивати їхній інтелектуальній рівень. Комп’ютерні програми часто об’єднують в електронні та мультимедійні підручники на електронних носіях і використовують з метою вдосконалення навчального процесу (оптимізації навчання).

Особливу роль відіграє отримання візуальної інформації. Наприклад, засвоєння матеріалу при вивченні принципів роботи двигуна внутрішнього згоряння, процес роботи якого здійснюється в закритій системі або на уроках астрономії, де всі об’єкті вивчення знаходяться на космічних відстанях, а процеси відбуваються в умовах позалюдських можливостей та ефективність лабораторних робіт надзвичайно низька. Значна кількість такого роду інформації невізуалізовано існуючими методами, що примушує демонструвати її статичною графікою або розповідати про неї усно. Розвиток комп’ютерної техніки дозволяє долати ці проблеми.

Комп’ютерний підручник поєднує всі переваги звичайного підручника з можливістю швидкого тиражування і неперервного вдосконалення. Лабораторна робота на комп’ютері за допомогою комп’ютерної графіки показує перетворення в закритих системах і дозволяє без суттєвих витрат вивчати найскладніші процеси. Комп’ютерний екзаменатор дозволить учню засвоїти матеріал за допомогою самоконтролю або об’єктивно перевірити свої знання при використанні незалежного контролю.

Треба підкреслити :  діти ставляться до комп’ютера не як до цінності (як дорослі), а як до об’єкту власного інтересу; комп’ютер допомагає створити пізнавальну мотивацію, без якої не можливе успішне навчання в школі.

Одним із найперспективніших напрямків використання інформаційних технологій у викладанні фізики, астрономії та інших навчальних предметів є комп’ютерне моделювання процесів та явищ, спрямоване на підвищення ефективності (оптимізації) навчання. Комп’ютерні моделі легко вписуються в традиційний урок, дозволяючи вчителю продемонструвати на екрані комп’ютера більшість фізичних, астрономічних та інших ефектів, а також дозволяють організовувати нові нетрадиційні види навчальної діяльності.

Основні задачі використання комп’ютера на уроках :

Розвиток творчих здібностей школярів, уміння аналізувати, моделювати, прогнозувати, творчо мислити.

Підвищення мотивації навчання.

Удосконалення практичних навичок учнів під час роботи з ПК.

Формування умінь учнів отримувати знання самостійно, працюючи з  навчальними програмами на комп’ютері.

Формування умінь учнів використовувати пакет MS Office (Word, Excel, PowerPoint та інш.) для моделювання, дослідження фізичних та інших процесів та оформлення результатів роботи.

Здійснення диференційованого підходу до учнів при вивченні різних предметів, використовуючи комп’ютер.

Коли ж доцільно використовувати комп’ютерні програми на уроках фізики? Насамперед, необхідно розуміти, що застосування комп’ютерних технологій в освіті доцільно тільки в тих випадках, коли виникає суттєва перевага порівняно з традиційними формами навчання. Одним із таких випадків є викладання фізики та астрономії з використанням комп’ютерних моделей.

Комп’ютерні моделі дозволяють отримувати в динаміці наочні запам’ятовувальні ілюстрації фізичних експериментів та явищ, відтворити їхні тонкі деталі, які можуть «вислизати» при спостереженні реальних експериментів. Комп’ютерне моделювання дозволяє змінювати часовий масштаб, змінювати у широких межах параметри і умови експериментів, а також моделювати ситуації, недосяжні в реальних експериментах. Деякі моделі дозволяють виводити на екран графіки залежності від часу величин, які описують експерименти, причому графіки виводяться на екран одночасно з відображенням самих експериментів, що надає їм особливу наочність і полегшує розуміння загальних закономірностей процесів, що вивчаються. У цьому випадку графічний спосіб відображення результатів моделюваня полегшує засвоєння великих обсягів отриманої інформації.

Під час використання моделей комп’ютер надає унікальну, нереалізовану у реальному фізичному експерименті, можливість візуалізації нереального явища природи, а його спрощеної теоретичної моделі з поетапним включенням у розгляд додаткових ускладнюючих факторів, поступово наближаючи цю модель до реального явища. Крім того, не секрет, що можливості організації масового виконання різноманітних лабораторних робіт, причому на сучасному рівні, у середній школі досить обмежені внаслідок слабкої обладнаності кабінетів фізики. У цьому випадку робота учнів з комп’ютерними моделями також неймовірно корисна, так як комп’ютерне моделювання дозволяє створити на екрані комп’ютера живу, динамічну картину фізичних дослідів чи явищ, яку краще запам’ятати.

У той же час використання комп’ютерного моделювання не повинно розглядатися в якості спроби підмінити реальні фізичні експерименти їхніми симуляціями, так як кількість фізичних явищ, які вивчаються у школі, не охоплених реальними демонстраціями, навіть при найкращому оснащенні кабінета фізики, дуже велика. Декілька умовний характер відображення результатів комп’ютерного моделювання можна компенсувати демонстрацією відеозаписів реальних експериментів, які дають адекватне уявлення про реальний перебіг фізичних явищ.

При грамотному використанні комп’ютерних моделей фізичних явищ можна досягти більшості з того, що вимагається для неформального засвоєння курсів фізики та астрономії, а також формування фізичної картини світу.

Комп’ютер допомагає зробити це навіть у несприятливих умовах, таких як:

відсутність інтересу до предмету в учня, коли він вважає, що фізика у майбутньому йому не буде потрібна;

недостатнє лабораторне обладнання у школі для демонстрації експерименту.

Для ефективного включення учнів у навчальну діяльність з використанням комп’ютерних моделей необхідні індивідуальні роздавальні матеріали із завданнями та питаннями різного рівня складності.

Ці матеріали можуть містити наступні види завдань:

Ознайомлювальне завдання. (Призначення моделі, керування експериментом, завдання і питання з управління моделлю).

Комп’ютерні експерименти. (Провести прості експерименти по заданій моделі і за наданим планом, питанням до них та результатам вимірювань).

Експериментальне завдання. (Спланувати і провести низку комп’ютерних експериментів).

Тестові завдання. (Обрати вірну відповідь, використовуючи модель).

Дослідницьке завдання. (Провести експеримент, який доводить деяку запропоновану закономірність або спростовуючи її; самостійно сформулювати низку закономірностей та підтвердити їх експериментом.

Творче завдання. (Придумати задачу, розв’язати її, поставити експеримент для перевірки отриманих відповідей).

Принципи застосування комп’ютерної моделі на уроці:

Модель явища необхідно використовувати лише в тому випадку, коли неможливо провести експеримент або коли це явище відбувається дуже швидко та за ним неможливо простежити детально.

Комп’ютерна модель повинна допомогати розумітися на деталях явища, яке вивчають, або служити ілюстрацією умови розв’язувальної задачі.

Внаслідок роботи з моделлю учні повинні виявити як якісні, так і кількісні  залежності між величинами, які характеризують явище.

Під час роботи з моделлю необхідно пропонувати учням завдання різного рівня складності, які міститимуть елементи самостійної творчості.

Планувати уроки з використанням комп’ютера необхідно починати з ретельного вивчення можливостей програмних навчальних продуктів. Комп’ютер може бути використано на будь-якому уроці, тому необхідно спланувати, що і коли використати для більш ефективного результату.

Можна сформулювати принципи комп’ютерної підтримки уроків фізики і не тільки їх:

Комп’ютер не може повністю замінити вчителя. Тільки вчитель має можливість зацікавити учнів, пробудити в них допитливість, завоювати їх довіру, він може направити їх увагу на ті чи інші аспекти предмету, який вивчається, нагородити їх зусилля та примусити  навчатися.

Методика проведення уроку фізики з використанням комп’ютера залежить від підготовленності вчителя та від програм, що забезпечують комп’ютерну підтримку.

Реальний експеримент необхідно проводити завжди тоді, коли це можливо, а комп’ютерну модель доцільно використовувати, якщо немає можливости показати данне явище.

Неможливо використовувати комп’ютер на кожному уроці, так як це призведе до порушення санітарних норм та  до погіршення здоров’я школярів.

Сучасна фізика — найважливіше джерело знань про навколишній світ, основа науково-технічного прогресу, один з найважливіших компонентів людської культури (духовної й матеріальної). Цим визначається освітнє і виховне значення фізики як обов'язкового навчального предмета у загальноосвітній школі.             
Для виконання навчальних завдань, що стоять перед фізикою як навчальним предметом, розроблена система методів навчання. Усі вони спрямовані на організацію пізнавальної активності учнів, що є однією з основних умов успішного засвоєння навчальною матеріалу і розвитку інтелектуальних здібностей учнів. Учені-методисти та психологи (зокрема Л.Аристова) вважають,  що активність передбачає максимальний вияв індивідуальності, тому її неможливо розглядати без зв'язку із самостійністю учня під час виконання різних видів робіт на уроках і вдома. Характерною ознакою пізнавальної самостійності учнів є здатність активно і творчо сприймати матеріал на першому етапі пізнавальної діяльності, а також уміння і здатність використовувати засвоєні теоретичні знання на практиці (на заключному етапі пізнання).

Завдання вчителя фізики – створити потрібні умови, щоб учні під час вивчення фізики досягали якомога вищого рівня пізнавальної активності (відповідно до свого рівня). Тут на допомогу вчителю можуть прийти комп'ютерні технології. 

Методика передбачає використання комп'ютерних програм на будь-якому етапі уроку. Вони виконують контролюючі, коригуючи і освітні задачі, а значить, стимулюють прояв пізнавальної активності учнів будь-якого рівня.             

Для перевірки й актуалізації теоретичних знань учнів найкраще використовувати тестові програми. Ці програми можуть містити завдання, направлені на відтворення теоретичних знань та застосування їх у нескладних ситуаціях. На виконання таких завдань витрачається багато часу, вони стимулюють активне повторення вивченого матеріалу.             

Більше смислове навантаження несуть програми, призначені для повторення матеріалу, який вивчався в попередніх класах. Наприклад, під час вивчення властивостей реальних газів у 10-му класі на основі пари "необхідно повторити механізм пароутворення, який вивчався у 8-му класі. Комп'ютерна програма, що використовується для цього – «мультфільм» із зображенням процесів випаровування і кипіння та деякими поясненнями. Після цього на екрані висвічуються словесні описи цих процесів. Завдання учнів – розпізнати за описами процеси.              У 10-му класі в розділі «Термодинаміка» вивчаються фізичні основи теплових машин. Будова й робота парової машини і двигуна внутрішнього згоряння вивчалися у 8-му класі. У підручнику для 10-го класу цього матеріалу немає.

Комп'ютерна програма з описом та ілюстрацією цього матеріалу, допоможе вирішити проблему. Подібним чином можна повторити в 11-му класі особливості струму в вакуумі й напівпровідниках (принцип дії діода і транзистора) для підготовки вивчення фотоефекту і генератора незатухаючих електромагнітних коливань.             

Вивчення електромагнітних коливань і хвиль в 11-му класі неможливе без повторення теми «Механічні коливання і хвилі» за 9-й клас. У цьому разі доцільно використовувати навчальні й контролюючі програми, розроблені для 9-го класу. Повторення не зводиться до пасивного читання тексту на моніторі, оскільки після повторення теоретичного матеріалу учень повинен виконати практичні завдання (скласти конспект уроку, поставити запитання до тесту і розв'язати типові задачі). Таке повторення займатиме більшу частину уроку. Більш органічно зливається повторення пройденого і вивчення нового матеріалу під час розгляду хвильових властивостей світла. Закони поширення, відбивання і заломлення світла учні вивчали у 8-му класі на основі експериментальних даних. В 11-му класі вони повинні виводити ці закони математичними методами на основі принципу Гюйгенса–Френеля. Тому доцільно повторити матеріал 8-го класу і розширити ці знання для побудови зображень у дзеркалах, лінзах і призмах. Тут можна використати навчальну програму для «Побудови зображень у лінзах».              Комп'ютерні програми, що розробляються і використовуються в старших класах, мають цільове і багатофункціональне призначення. Вони можуть використовуватися як у процесі вивчення нового матеріалу, так і при його закріпленні й повторенні. Найкраще, коли програма охоплює кілька уроків з певної теми.               Комп’ютерно-орієнтовані сукупності методів і засобів збирання, створення, зберігання, опрацювання, передачі, подання і використання інформації розширюють можливості людини щодо доступу до знань, спілкування, управління технічними і соціальними процесами, передбачення наслідків рішень, що приймаються, суттєво впливають на характер виробництва, наукових досліджень, освіти, культури, побуту, соціальних взаємин і структури. У суспільства з’являються нові потреби, що реалізуються шляхами, неможливими без використання нових інформаційних технологій (НІТ).             

Використання технологій навчання, орієнтованих на НІТ, вимагає розробки дидактичних систем, методів і засобів, що базуються на сучасних інформаційних технологіях і використовуються для забезпечення діяльності учасників навчально-пізнавального процесу.             

Використання HIT дає змогу значно підвищити ефективність навчального процесу за рахунок вчасного подання і опрацювання інформації, її доцільного дозування, доступності (зрозумілості), раціональної надмірності, оперативного доступу до неї учасників навчального процесу, узгодження темпів подання навчальної інформації та швидкості її засвоєння (реалізації індивідуального підходу), ефективного поєднання індивідуальних та колективних видів діяльності, урізноманітнення методів. Засобів і організаційних форм навчальної діяльності.             
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 явищ, 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.

Сформульовані раніше для шкільних фізичних демонстрацій вимоги з певним застереженням можуть бути перенесені на засоби HIT, що використовуються для підтримки навчання фізики. Характерними відмінностями, які притаманні засобам HIT, 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), дає змогу візуалізувати на екрані ПЕОМ 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.             
 

Кількісна перевага комп'ютерної технології спричиняє якісну зміну в навчальному експерименті:             
1. Раніше учень повинен був проводити експеримент, зчитувати і записувати дані, а потім за ними будувати графік. Це забирало чимало часу й обмежувало кількість експериментів, які міг провести учень. Крім того, був відсутній безпосередній зв'язок між умовами експерименту і графіком. Графік сприймався як статична картина. Проведення лабораторних робіт за інструкціями значною мірою визначалося саме браком навчального часу для проведення багатьох експериментів. Адже багато часу забирали проведення вимірів та обробка результатів. Лабораторні роботи значно втрачали властиву науковому експерименту творчість За допомогою комп’ютера можна відразу побачити зміни у графіках зі зміною умов проведення експерименту. Учень може впродовж одного заняття перевірити значну кількість змін в умовах експерименту. Експеримент справді набуває пошукового характеру, яким він і є в науці.             
2. Комп'ютер дає змогу проводити реальний фізичний експеримент одночасно з його символічним відображенням на екрані монітора. Учень бачить зв'язок між конкретними змінами, які він сам вносить до умов досліду, та їх графічним відображенням. У такий спосіб комп'ютер стає засобом, що сприяє формуванню абстрактних фізичних понять.             
3. Більша частина експериментальної установки – комп'ютер, пристрої шд'єднання до датчиків та програми обробки даних – однакова для експериментів різних типів. Змінюються лише датчики й експериментальне середовище, в яке вони занурюються. Учні можуть вивчати на досліді найрізноманітніші фізичні явища без значних затрат часу на вивчення самих експериментальних засобів. Виникає таке поняття, як індивідуально орієнтований мікроексперимент, який будується залежно від інтересів та розуміння конкретного учня.             
4. Є можливість для одночасного експериментального дослідження явищ із традиційно різних розділів фізики. В експерименті досліджуються лише різні прояви єдиного фізичного світу. Тим самим долається розмежування розділів навчального курсу, яке склалося історично і не є характерним для сучасного стану фізичної науки.             
5. Традиційне фізичне навчальне обладнання значною мірою стає універсальним, будується зі стандартних блоків. Таким чином, обладнання можна компонувати в різних поєднаннях і контекстах Значна частина експериментальних засобів не обмежує ні тип досліджуваних феноменів ні глибину проникнення в них, ні рівень складності навчального предмета. Тому можна використовувати однотипне обладнання для різних рівнів навчання – від школи до вузу. У такий спосіб полегшується розв'язування проблеми наступності навчання у вищій і середній школі.             
6. Вітчизняні дослідження і матеріали міжнародної конференції щодо простого фізичного експерименту показують, що на основі нових матеріалів і приладів розширюється коло дослідів які можуть бути проведені учнями самостійно і вдома. Прості в користуванні обладнання й матеріали створюють експериментальне середовище, яке в поєднанні з комп'ютером дає нову якість природного переходу від раннього навчання фізики на досліді до вивчення кількісного боку явищ на наступному етапі навчання             
7. Одночасно з універсалізацією і спрощенням експериментального навчального середовища з'являється можливість проведення складних експериментів самими учнями за рахунок створення віртуальної лабораторії. Розроблення віртуальних експериментів є перспективним напрямом удосконалення навчання фізики, який стрімко розвивається. Причому останнім часом спостерігається перехід від розроблення готових віртуальних лабораторій до створення експериментально-моделювальних середовищ, де сам учитель може компонувати різні експерименти відповідно до інтересів і рівня знань своїх учнів.