Застосування комп'ютерних симуляцій на уроках фізики під час дистанційного навчання

Про матеріал

Застосування комп'ютерних симуляцій на уроках фізики під час дистанційного навчання. ( Приклади симуляцій для використання на уроках фізики у 7-11 класах. Приклад використання симуляції на уроці фізики у 8 класі під час дистанційного навчання)

Перегляд файлу

Гордієнко В.В.

Застосування комп'ютерних симуляцій

на уроках фізики

під час дистанційного навчання

Автор проекту: Гордієнко Віта

Володимирівна

2022

План

Вступ........................................................................................................................3

І. Комп'ютерні симуляції на уроках фізики під час дистанційного навчання в теорії...................................................................................................4

ІІ. Практична частина

2.1. Приклади симуляцій для використання на уроках фізики у 7-11 класах...........................................................................................................6

2.2. Приклад використання симуляції на уроці фізики у 8 класі під час дистанційного навчання........................................................................ 11

ІІІ. Висновки.........................................................................................................19

Література.............................................................................................................20

Вступ

Наше сьогодення не дає змоги працювати навчальним закладам постійно у звичному режимі. На заміну прийшло дистанційне навчання. Якщо в умовах пандемії це були короткотривалі відрізки часу, то під час воєнного стану в країні швидке завершення онлайн-навчання не є таким прозорим. Дистанційне навчання стало нагальною потребою, а не додатковим варіантом заміщення отримання освіти.

Швидка адаптація до змін та певна цифрова грамотність педагогів дала можливість освітянам певним чином продовжити свою роботу. Наразі гостро стоїть питання у покращенні рівня викладання в умовах дистанційного навчання для втримання рівня якості освіти наших дітей, адже онлайн-уроки не можуть повноцінно замінити живе спілкування та співпрацю з учнями, яка була під час навчання у закладах освіти.

Важливо пам’ятати, що сучасні діти живуть у світі, де чільне місце посідає інформаційна культура, тому більшість з учнів віддають перевагу саме дистанційному навчанню, де вони можуть підлаштувати темп навчання під себе, мінімізувати психологічне та фізичне навантаження.

Але важливою умовою такого навчання є відхід від старих стереотипів та вміння перелаштуватися під нові технології та вимоги. Наразі не так часто зустрічаються вчителі, у яких поєднується і великий досвід роботи, і технологічна грамотність та здатність до швидких змін. Вчителю необхідно володіти сучасними методами та освітніми технологіями, щоб бути на одному рівні з дитиною; бути цікавим під час викладання матеріалу, щоб втримати увагу дитини, яка знаходиться по інший бік екрану.

В наш буремний час для розвитку майбутнього України важливого значення набуває компетентність з природничо-математичних наук. Саме під час дистанційного навчання вчителям судилось вміти задовільнити пізнавальну активність та підвищувати цікавість та бажання вивчати предмети цього циклу. Адже учням теж важко: вони зростають в епоху інформаційних технологій і їм важко годинами слухати викладачів та записувати конспекти: байдуже, це онлайн або офлайн.

На допомогу вчителю фізики, науки, яка має експериментальну складову і потребує залучення учнів до планування та виконання фізичного експерименту, приходять віртуальні лабораторії та симуляції, це технології, завдяки яким діти навчаються швидше, цікавіше та ефективніше. Симуляції дають більше можливостей для моделювання різних фізичних явищ та простір для роздумів під час творчих віртуальних експериментів.

І. Комп'ютерні симуляції на уроках фізики під час дистанційного навчання в теорії

Комп’ютерні симуляції — це максимально наближена до реальності імітація фізичних процесів. Це складова програмного рушія, який робить симуляцію фізичних законів реального світу у світі віртуальному з тим або іншим ступенем апроксимації.

Найчастіше фізичні рушії використовуються не як окремі самостійні програмні продукти, а як складені компоненти (підпрограми) інших програм. Усі фізичні рушії умовно діляться на два типи: ігрові й наукові. Перший тип використовується в комп'ютерних іграх як компонент ігрового рушія. Наукові фізичні рушії використовуються в науково-дослідних розрахунках і симуляціях, де вкрай важлива саме фізична точність обчислень.

Розвиток безпечного експериментального середовища в умовах дистанційного навчального процесу пов’язаний з виробленням нових стратегій організації навчання на основі сучасних концепцій особистісно орієнтованої освіти, та удосконалення засобів навчальної діяльності для збільшення компоненти самостійної навчальної дослідницької діяльності в Інтернет-просторі.

Знання сьогодні трактуються як спеціальна форма подання інформації, що дозволяє мозку зберігати, відтворювати й розуміти її. Експериментальна діяльність на уроках фізики, навіть під час дистанційного навчання, передбачає оволодіння певними знаннями, методами та вміннями, але також і сформованістю певного стилю мислення, усвідомленості не лише результатів своєї діяльності, а й самого процесу цієї діяльності, розуміння фізичних подій, явищ та законів, а також допомагає глибше зрозуміти фізичний процес, його перебіг за різних умов, за різних значень вихідних параметрів тощо.

Це все стає можливим завдяки ІТ симуляціям, оскільки через віртуальну дію можна осягнути певні принципи фізичних законів, переконатися у справедливості тверджень та дослідити процеси, які не можливо відтворити у повсякденному житті, учні можуть досліджувати причинно-наслідкові зв'язки навіть за відсутності прямих інструкцій. Це дає змогу для дослідження нових можливостей для експериментування, швидку повторюваність, і можливість зробити видимими основні деталі і механізми. Варто зауважити, що симуляції є безпечними у використанні та створені на основі наукових педагогічних робіт і спонукають учнів до навчальних досліджень і експериментування, використовуючи інтуїцію в середовищі, подібному до гри.

Існує досить багато комп’ютерних симуляцій з фізики на платформах таких як http://www.falstad.com, https://javalab.org/en/, https://simpop.org, http://www.virtulab.net тощо, але вони є іншомовними та потребують детальнішої підготовки перед використанням, або ж потребують попередньої реєстрації чи додаткових програм. Хоча ці недоліки можна легко перетворити в переваги, якщо розглядати їх як впровадження міжпредметних зв’язків під час уроків фізики.

Також варто приділити увагу додаткам для телефонів, які доступні в магазині Google Play, що мають безліч демонстрацій, анімацій та симуляцій фізичних процесів (наприклад AR_Book, Chemistry & Physics simulations, Фізика в школі_Vladimír Vaščák). Їх можна використовувати, але за умови можливостей мобільних пристроїв в учнів, тому під час дистанційного навчання їх використання є доволі проблематичним.

Досить практичною для використання є наукова платформа для симуляцій "Фізика в школі - HTML5 " (https://www.vascak.cz/), оскільки містить якісні розробки українською мовою та досить легка у використанні, хоча зображення приладів символічне та лише наближене до реальних.

Але, на мою думку, особливу увагу наразі заслуговує сайт університету Колорадо (phet.colorado.edu). Це безкоштовна, вільна та легка у доступі платформа з величезною кількістю якісних та зручних у використанні, інтерактивних симуляцій, певна кількість яких вже працює українською мовою. ЇЇ також зручно використовувати на планшетах та мобільних телефонах, бо працює без додаткового встановлювання на пристрій та стає доступною під час переходу за посиланням, яке подане вчителем. Це дозволяє великій кількості учнів одночасно долучитись до індивідуального виконання експериментальної або ж творчої роботи.

ІІ. Практична частина

Для більшого розуміння доцільності впровадження симуляцій під час дистанційного навчання розглянемо лише деякі приклади, із багатьох можливих, та використання їх на уроках фізики.

2.1. Приклади симуляцій для використання на уроках фізики у 7-11 класах.

Розпочнемо наш огляд з теми: «Атом. Будова атома.». Пізнавальна активність учнів, які тільки почали вивчати курс фізики доволі висока, саме тому потрібно сприяти її підвищенню, а не знижувати, застосовуючи старі стереотипи лекційної системи. Під час дистанційного навчання не можливо забезпечити дітей макетами та наочними засобами, які сприяють підвищенню уваги, тому слід звернутись до віртуальної симуляції «Будуємо атом» (https://phet.colorado.edu/sims/html/build-an-atom/latest/build-an-atom_uk.html) та віртуально дати можливість учням розібратись у складній структурі атома та іона.

$C:\Users\vita\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\Screenshot_11.png$

Розглянемо симуляції «Балансування», які можна використовувати під час вивчення теми: «Важіль. Умови рівноваги важіля» на уроках у 7 класі.

Використовуючи їх можна поставити ряд проблемних питань щодо умов рівноваги важіля та підвести учнів до самостійного вирішення завдань, розуміння і засвоєння знань, одночасно ввівши і міжпредметний зв’язок.

У 8 класі складним для розуміння без наочності є розділ: «Теплові явища», саме тут доцільно обов’язково використовувати симуляції за для того, щоб дозволити учню максимально використовувати свої зацікавленість та можливості.

Наприклад варто використати симуляцію «Форми енергії і її зміни», яка наочно показує як перетворюється енергія та за яких умов та «Теплопровідність». Це дозволить закріпити вже отримані у 7 класі знання та засвоїти нові. А також, є можливість вивчити принцип дії роботу теплових двигунів за допомогою симуляції «Тепловий двигун».

Під час вивчення розділу «Електричні явища. Електричний струм» використання симуляцій «Електростатика», «Заряди і поля», «Закон Кулона», «Лабораторія електрики» тощо взагалі стає незамінним під час дистанційного навчання, адже світ електрики є неосяжним звичайним оком, тому віртуальне бачення стану речей дає учням можливість осягнути весь зміст даного розділу згідно програми. Виконання лабораторних робіт стає цікавим та насиченим на відміну від відео - уроку, де учні є лише спостерігачами.

Навчаючи даного розділу, варто пам’ятати, що електрична енергія широко застосовується в побуті. При недотриманні правил безпеки електрика може перетворитися з помічника в смертельного ворога.

Тому потрібно не лише подати матеріал під час дистанційного навчання, а навчити учнів правильно використовувати набуті знання у повсякденному житті, можливо згодом застосовувати їх у практичній і майбутній професійній діяльності.

З великою цікавістю учні переглядають експерименти в доповненій реальності AR_Book. Цей додаток від українських розробників дозволяє школярам проводити вдома безпечні пізнавальні експерименти завдяки AR-технології. Наприклад при вивченні теми «Коротке замикання».

Під час викладання фізики у 9-10 класах під час дистанційного навчання симуляції повинні бути невід’ємною складовою уроків, адже осягнути світ електрики та магнетизму, атомну та квантову фізику, світлові явища є завданням не просто теоретичним. Перенесення теоретичних знань фізичних законів реального світу у світ віртуальний дає можливість учням осягнути та зафіксувати у своїй пам’яті їх зміст та наслідки.

Під час вивчення світлових та оптичних явищ стане у нагоді симуляція «Заломлення світла», яка є універсальною як і під час поточних уроків, так і під час лабораторних робіт у 9 класі. Під час вивчення в 11 класі інтерференції та дифракції світла є можливість пояснити дані оптичні картини на симуляції «Інтерференція хвиль». Ознайомитись з дією спектроскопа під час вивчення дисперсії світла.

З розділу «Електродинаміка» теж є багато симуляцій, варто відмітити такі як «Закон Фарадея» (9-11кл.), «Лабораторія конденсаторів» (10кл.), «Правило Ленца», «Закон Ампера», «Електроліз» тощо.

Для допомоги під час вивчення розділів «Атомна та ядерна фізика» можна скористатись симуляціями «Резерфордівське розсіювання» та «Спектр абсолютно чорного тіла», «Альфа- та бета- випромінювання» тощо.

Також варто згадати про симуляції СТВ: «Сповільнення часу», «Скорочення довжини», які допомагають під час уроків фізики у 10 класі з розв’язування задач.

2.2. Приклад використання симуляції на уроці фізики у 8 класі під час дистанційного навчання.

Тема уроку: Паралельне з'єднання провідників.

Тип уроку: Комбінований урок.

Мета уроку: Дати уявлення про способи з’єднання споживачів і джерел струму. Організувати діяльність сприйняття, осмислення та ознайомлення учнів з послідовним з'єднанням провідників. Показати практичну спрямованість отриманих знань.

Розвивати навчально-інтелектуальні та навчально-комунікативні уміння. Вчити встановлювати причинно-наслідкові зв’язки у пізнанні світу. Сприяти формуванню наукового світогляду та вихованню культури мислення і мови.

Обладнання: ноутбук, Google Meet, Google Classroom.

Основні етапи уроку.
1. Організаційний етап.

Вітання, перевірка відсутніх, розкриття плану проведення уроку.

/Запуск презентації екрану. Матеріали до уроку містяться у Google Classroom та на презентації вчителя/

2. Актуалізація опорних знань учнів.

Виконання вправи на повторення отриманих попередньо знань з сервісу для підтримки процесів навчання https://learningapps.org .

https://learningapps.org/watch?v=pwfu5s7rk22

Робота з інтерактивною симуляцією «Лабораторія електрики» : https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc/latest/circuit-construction-kit-dc_uk.html .

Виконання завдань:

1. Створити електричне коло, яке містить джерело живлення, ключ та дві електричних лампи, які з’єднані послідовно.

2. Виміряти силу струму та напругу на різних ділянках кола.

3. Підтвердити чи спростувати твердження : I=I1=I2 та U=U1+U2 для кола з послідовним з’єднанням.

(Накреслити схему даного електричного кола в зошиті з під’єднаними амперметром та вольтметром)

Screenshot_1

4. Уявити, що лампа №1 перегоріла та не може пропускати струм у колі (замінити її на матеріал, що не проводить ел.струм)

5. Проблемне питання №1: чи можливо сконструювати коло, яке б працювало навіть за наявності перегорілої лампи (в нашому випадку – гумки).

Учні роблять припущення, чому дане електричне коло продовжує працювати.

(Якщо одна з паралельно з’єднаних ламп вийде з ладу, то друга продовжить світитися, бо через її нитку розжарення все одно буде проходити струм.)

3. Вивчення нового матеріалу.

Пояснюючи матеріал, відзначаю, що в побуті доводиться в електричне коло вмикати не один споживач електричного струму, а кілька (2-3 лампочки в кімнаті або одночасно лампи, телевізор, електроплитку, тощо).

З’єднання проводів при цьому може бути послідовним або паралельним. Сьогодні ми вивчимо паралельне з’єднання і дослідним шляхом встановимо основні закони паралельного з’єднання.

Перед нами комп’ютерна презентація, в якій показані властивості паралельного підключення.

Screenshot_3 Screenshot_1

Screenshot_4 Screenshot_5

Screenshot_6 Screenshot_7

Проблемне питання №2: А наскільки це справедливо, чи справді це підтверджується на практиці? Щоб переконатись проведемо віртуальний експеримент.

Намалюємо схему кола, яке складається з двох паралельно з’єднаних ламп,

до кожної з яких підключено амперметр і паралельно вольтметр, ключа та ще одного амперметра.

Урок на тему "Паралельне з'єднання провідників"

Повернемось до лабораторії електрики та складемо електричне коло, з такими ж елементами.

Визначимо напругу та силу струму на кожній з ламп за допомогою амперметра та вольтметра.

Амперметри, які підключались до окремих ламп в сумі показали те значення сили струму, яке показав амперметр що підключений, ближче до джерела, тобто на загальній ділянці.

/ записати вимірювані величини та подальші обчислення у зошит/

Отже, можна зробити висновок, що струм рівномірно розподілився між 2 лампами.

I=I₁+I₂

Розглянемо дані вольтметрів. Ми бачимо, що покази вольтметрів були однаковими, отже напруга в усіх ділянках кола однакова.

U=U₁=U₂

Обрахуємо значення загального опору за допомогою формули:

та перевіримо отримане значення за допомогою закону Ома (I=U/R).

Згадуємо проблемне питання №2: Чи справджуються основні закони паралельного з’єднання на практиці?

Важливо! Отримані співвідношення для напруги, сили струму та опору справджуються для будь-якої кількості паралельно з’єднаних провідників.

4. Закріплення вивченого.

Питання до класу:

1. Яке з’єднання використовують для освітлення житлових приміщень? (Паралельне, тому що у такій схемі окремо може бути включений один, або кілька приладів)

Гірлянда новорічна multi на 500 ламп, 15 метрів, ціна 160 грн - Prom.ua (ID#615182107) 2. Чи буде горіти стандартна китайська новорічна гірлянда, що зазвичай має чотири кольори світлодіодів (жовтий, червоний, синій та зелений), якщо на ній перегорів один з елементів синього кольору? Як можна вирішити проблему?

( Оскільки у китайських гірляндах світлодіоди одного кольору розміщені паралельно до світлодіодів інших кольорів, а самі вони роз’єднані послідовно, то при перегорянні синього елементу гірлянда жовтого, червоного та зеленого кольорів горітимуть далі, а ланцюг з синіми світлодіодами не працюватиме. При вилученні перегорівшої лампи та з’єднанні напряму – ланцюг знову працюватиме. )

Індивідуальна робота.

Учні працюють з віртуальною лабораторією в мобільних телефонах, планшетах и ПК.

3. Завдання (задача).

Скласти віртуально та накреслити схему в зошиті електричного кола, яке містить джерело живлення, ключ, дві електричних лампи та резистор, які з’єднані між собою паралельно.

Визначити загальний опір кола, якщо відомо, що опір резистора дорівнює 2 Ом, а опір кожної з ламп дорівнює по 4 Ом.

5. Підсумок уроку

/ По завершенню прикріпити у скрін роботи в лабораторії електрики та розв’язок завдання у Google Classroom /

Домашнє завдання:

Опрацювати п.32, вивчити конспект. Розв’язати впр.32 (2,3).

ІІІ. Висновки

У зв’язку зі зміною мотиваційної діяльності та збільшення ІТ-можливостей учні зараз починають претендувати на освоєння нових методів та елементів навчальної діяльності. Якщо вчителі йтимуть назустріч потребам дитини, то інтерес до навчання буде зберігатись.

Саме під час дистанційного навчання вчителям у стані війни в Україні судилось зуміти задовільнити пізнавальну активність та підвищувати цікавість та бажання вивчати предмети природничо-математичного циклу. На поміч приходять віртуальні симуляції.

Але не слід вважати, що словесні описи явищ та законів стають неважливими, адже саме вони надають можливість заповнити пустоти віртуального бачення проблеми, тоді як самі симуляції будуть лише доповнювати загальну картину фізичного світогляду дитини.

Зазначимо, що використання симуляцій повинне бути постійним та чітко визначеним, тоді учні здатні отримати більше інформації ніж під час одноразового використання. Оскільки впливає управління зоровою активністю підготовлено попереднім формуванням певних еталонних схем та навичок, що допомагають швидко сприймати інформацію. Якщо ці еталони не сформовано, то така робота займає тривалий час, а її результати мають обмежену і швидкоплинну дію. Повинен існувати певний процес, що забезпечував би збереження відбитків умов експериментів, які часто трапляються, та закономірностей, що спостерігаються.

При цьому слід відзначити, що зоровий образ, який формується в результаті роботи з симуляцією, зберігається у пам’яті триваліший час, ніж відео-матеріал, отриманий на екрані комп’ютера.

Література:

Дудніченко Т.Г. 220 відеоуроків за курс фізики 7-9 у довіднику та мобільному додатку – Чернігів: КММЕДІА, 2016.
Жук Ю. О., Соколик О. М., Дементієвська Н. П., Слободяник О. В., Соколов П. К. ВИКОРИСТАННЯ ІНТЕРНЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРИРОДНИХ ЯВИЩ У ШКІЛЬНОМУ КУРСІ ФІЗИКИ, посібник, - К., Атіка, 2014.
Купріянов О. В. ОСНОВИ ДИСТАНЦІЙНОГО НАВЧАННЯ, - Харків, Друкарня МАДРИД, 2020.
Електронна енциклопедія Вікіпедія. Режим доступу:

https://uk.wikipedia.org/wiki/Фізичний_рушій