Методичні рекомендації "Віртуальні лабораторії, як засіб підвищення ефективності навчання на уроках фізики та астрономії"

Віртуальні лабораторії, як засіб підвищення ефективності навчання на уроках фізики та астрономії.

STEM-освіта – в дії!

Ми живемо у світі нескінченного потоку інформації.

А в школі діти вчаться сприймати, аналізувати інформацію з різних джерел, перевіряти практично, у життєвих ситуаціях. Бо, як стверджують психологи, краще засвоюється те, що ми не лише почули, а й побачили, а ще краще – спробували на практиці самі.

Найбільш слабким місцем у загальній освітній підготовці здобувачів освіти на сьогодні  залишається недостатня сформованість умінь опрацьовувати інформацію, вільно використовувати здобуті знання для розв’язання практичних завдань, аналізу нестандартних ситуацій тощо. Значну допомогу для реалізації таких завдань на уроках фізики надає саме навчальний фізичний експеримент. Вивчення стану організації навчального експерименту з фізики в загальноосвітніх школах дає можливість констатувати, що в більшості з них така форма навчальної діяльності учнів недостатньо планується. Це свідчить про порушення вчителями вимог щодо організації навчального процесу. Основними причинами даного явища, на нашу думку, є відсутність належного технічного та методичного забезпечення, а також певне нерозуміння вчителями значущості даної форми навчальної діяльності.

Аналіз результатів застосування лише традиційної методики проведення фізичного експерименту показує, що це призводить до залишення поза увагою вчителя саме формування навичок високого рівня, які сприяють розумінню суті фізичних явищ та закономірностей фізичних процесів. Це призводить до недостатнього рівня умінь і навичок з фізики. Проведення навчального фізичного експерименту з використанням комп’ютерно орієнтованих засобів надає можливість не лише компенсувати недостатню матеріальну базу кабінетів фізики, але і сприяє розвитку критичного та творчого мислення учнів, вмінню аналізувати, синтезувати та оцінювати інформацію на основі інтерпретації даних, графіків, таблиць тощо

Використання реального або віртуального фізичного експериментів безумовно активізують пізнавальну діяльність учнів, однак лише їх поєднання приносить бажаний результат під час навчання фізики. Тому одним із основних завдань, які ставляться перед вчителем фізики є пошук оптимальних форм і методів інтегрування реального та віртуального експериментів, що сприятимуть наочності та доступності сприйняття матеріалу

Підготовчий етап. Підготовка до експерименту може відбуватися в різних формах (віртуальна лабораторна робота, відеозапис виконання лабораторної роботи тощо), які є доцільними під час виконання данного навчального дослідження. Використання віртуальних моделей у навчальній діяльності пов’язане з розв’язанням двох основних завдань: цілеспрямоване формування в учнів уміння самостійно проектувати у віртуальному середовищі найпростіші моделі фізичних об’єктів. Оскільки сучасна методика фізики пропонує велику кількість демонстрацій з кожної теми шкільного курсу фізики, перед учителем виникає проблема відбору віртуальних дослідів, які найбільш повно відповідають дидактичній меті дослідження, найбільш виразно ілюструють явище чи фізичну теорію та можуть бути відтворені під час реального фізичного експерименту. Як приклад, радимо використати інтерактивний проект Phet-моделювання Університету Колорадо (Phet) (https://phet.colorado.edu/uk/), який містить велику кількість безкоштовних, цікавих, інтерактивних, науковообгрунтованих компютерних моделей для предметів природничо-математичного циклу. Всі Phet симуляції знаходяться у вільному доступі на Phet сайті і прості для використання в класі. Вони написані в Java і Flash , тому можуть бути запущені за допомогою стандартного веб-браузера, якщо Flash і Java встановлені на вашому комп'ютері. До того ж, для забезпечення освітньої ефективності та зручності використання всі моделі широко апробовані й оцінені. Ще одним прикладом проектного середовища є «VirtuLab, Виртуальная образовательная лаборатория» (http://www.virtulab.net), педагогічно-програмний засіб "Віртуальна фізична лабораторія Фізика 10-11" для загальноосвітніх навчальних закладів (http://toloka.to/t10663 ) тощо. Для моделювання і дослідження процесів, які відбуваються в електричному колі, існує ряд спеціалізованих пакетів MicroCap, DesingLab, Multisim, Electronics Workbench, які можуть використовуватися у шкільній практиці. Підготовка до експерименту (віртуальна лабораторна робота, відеозапис виконання лабораторної роботи тощо) Пров едення фізичного експерименту (реальний фізичний експеримент, в тому числі і компютеризований натурний експеримент) Висновки (демонстрація фізичної суті явищ, у тому числі і компютерна демонстрація)Виконання віртуальних експериментів вдома до проведення реального експерименту сприяють кращому розумінню суті фізичних явищ та розумінню їх закономірностей, змінюючи параметри експерименту, які через особливості реального обладнання змінити неможливо та сприяють впевненій та спокійній діяльності учнів в класі, зокрема, під час роботи з дорогим або чутливим до пошкоджень обладнанням . Саме тому актуальною є проблема методики впровадження і використання віртуальних моделей у навчальному фізичному експерименті. Для цього важливим є вміння використовувати уже «готові» комп’ютерні моделі для проведення віртуального фізичного експерименту. Дослідження моделей, як і будь-які інші вміння учнів, мають носити загальний характер. Тому потрібний загальний план організації роботи учнів з «готовими» комп’ютерними моделями, використання якого в навчальній діяльності сприятиме формуванню в учнів загального підходу до роботи з даною віртуальною комп’ютерною моделлю. Перші спроби створити такі плани навчальної діяльності датуються 2004 р. Аналіз змісту таких планів показує, що запропонована методика потребує уточнення не лише структури дій, але й створення більш раціонального порядку.

 Пропоную  таку послідовність роботи з «готовою» віртуальною моделлю:

 1. Огляд інтерфейсу моделі. Зверніть увагу на активні вікна і клавіші інтерфейсу. Розгляньте розділ «допомога». Уточніть рівні доступу в роботі з моделлю: блоку введення даних, блоку їх обробки та блоку виводу результатів на екран.

2. Чітко визначте змінні параметри експерименту (вибір та/або переміщення елементів, введення початкових і кінцевих умов, зміна часових  або просторових масштабів тощо).

3. Аналіз можливостей керування обробкою даних (зміна математичного задачі, що лежить в основі моделювання, використання пакету обробки даних – робота з графіками, статистичний аналіз даних тощо).

 4. Аналіз можливостей управління виводом результатів експерименту на екран монітора ( таблиця, графіки функцій, рисунок, динамічна модель тощо).

 5. Запустіть модель. Змінюючи склад елементів моделі і значення її параметрів в блоці введення даних, зверніть увагу на можливі стани системи, особливості поведінки моделі в різних ситуаціях.

 6. Формулювання мети вивчення матеріалу на основі роботи з даною моделлю: огляд різних варіантів роботи моделі і фіксація отриманих результатів; тестування моделі (оцінка рівня достовірності результатів моделювання на основі порівняння з результатами натурного експерименту); дослідження поведінки моделі в нових умовах з наступною перевіркою під час реального фізичного експерименту;

 7. Складіть план роботи з моделлю:

1) визначте «змінний» параметр (параметр, який необхідно змінювати для виявлення особливостей поведінки даної моделі);

2) виясніть, які результати і в якій формі потрібно зафіксувати в ході експерименту;

3) за наявності кількох «змінних» параметрів потрібно розділити на декілька етапів роботи, на кожному з яких потрібно змінювати лише один із параметрів , залишаючи інші параметри незмінними (якщо поведінка моделі досить зрозуміла в різних умовах, то можна одночасно змінювати декілька параметрів);

4)  під час кількісних експериментів необхідно визначити границі і крок зміни параметрів експерименту.

8. Визначення способів запису результатів роботи моделі (паперовий чи електронний варіант).

9. Дослідження роботи віртуальної моделі за створеним планом та фіксація результатів експерименту найбільш раціональним способом.

10. Виконання (за необхідності) математичної обробки даних.

11. Аналіз отриманих результатів та формулювання висновків:

 1) формулюючи висновки зверніть увагу на поставлену раніше мету роботи з моделлю та відмітьте чи вдалося її досягти і в якій мірі;

2) під час зміни параметрів комп’ютерної моделі обов’язково зверніть увагу на ті ситуації, в яких відбувалася зміна режимів її поведінки.

 12. Якщо робота з моделлю носила дослідницький характер, то визначте цілі подальшого дослідження:

1)цілі наступного реального експерименту;

2)цілі додаткового віртуального експерименту;

3)цілі модифікації комп’ютерної програми.

13. Підготовка звіту про роботу (в усній або письмовій формі, у якості комп’ютерної презентації).

Проведення реального фізичного експерименту. Найкращим варіантом є проведення комп’ютеризованого реального фізичного експерименту, якщо це є доцільним. Ідея досліду, його хід й отримані результати мають бути зрозумілими учням. З цією метою вчитель пояснює схему установки, всі її складові, звертає увагу на вимірювальні прилади, або на ті елементи, що виявляють спостережуваний ефект.

Наводжу  приклад лабораторної роботи для учнів 10-го класу «Дослідження коливального руху» з використанням цифрової лабораторії. Дана робота дає можливість зануритись у саму суть фізичних процесів .

 Мета роботи: дослідити коливальний рух тіла та визначити його основні характеристики; навчитися обробляти та аналізувати отримані дані.

 Обладнання та матеріали: лабораторний штатив, пружина, набір важків,  комп’ютер .

Теоретичні відомості.

 Згідно закону Гука, сила пружності, що виникає під час невеликої лінійної деформації тіла, прямо пропорційна величині абсолютної деформації і направлена у протилежний бік до напрямку зміщень частинок тіла, викликаних цією деформацією: