Осуществление личностно-ориентированного подхода на уроках физики в сельской школе на основе применения физического и компьютерного эксперимента

Осуществление личностно-ориентированного подхода на уроках физики в сельской школе на основе применения физического и компьютерного эксперимента.

Анализ дидактической и психолого-педагогической литературы показал, что разработок, позволяющих мотивировать учебную деятельность учащихся и развивать их интерес посредствам занимательных материалов, крайне мало. Проблема заинтересованности учеников в изучении физики была и остаётся актуальной в современной школе. Даже если и встречается такого рода материал, то он не систематизирован. Поэтому нами разработаны дополнительные элементы занимательности, как система средств мотивации учебной деятельности учащихся.

В данную систему входит:

1.     Конструирование  простых приборов по физике.

2.     Проведение занимательных опытов по физике.

3.     Использование компьютерных технологий на уроках физики.

Конструирование простых приборов и проведение занимательных опытов начинается на начальной стадии изучения физики, что приводит к тому, что учащиеся с первых уроков заинтересовываются данным предметом. К  данной работе обычно подключаются и родители учеников, которые помогают доставать некоторые материалы для изготовления приборов, а также принимают непосредственное участие в их изготовлении. То есть конструирование физических приборов в домашних условиях приводит не только к тому, что ученик познает физические законы и проверяет их непосредственно на практике, но и происходит укрепление психологической атмосферы в семье.

Изготовление данных приборов и проведение занимательных опытов не требуют никаких финансовых затрат, что для данной системы является еще одним плюсом.

Заинтересовавшись данной работой, некоторые учащиеся помогают восстанавливать приборы из физической лаборатории, которые пришли в непригодность. Для проведения лабораторных работ по электричеству учащиеся самостоятельно уже по своей инициативе изготавливали подставки для лампочек (Рис. 1).

При изготовлении приборов учащиеся выдвигают свои конструкторские идеи, которые в дальнейшем воплощают в жизнь. Так, при изготовлении модели «мертвой петли» учащиеся вначале применяли картон. Такая конструкция требовала очень долгой и кропотливой работы  к тому же была не очень надежна и учащиеся выполнили ее из короба для электропроводки (Рис.2).

Использование современных компьютерных технологий в учебном процессе позволяет повысить качество учебного материала и усилить образовательные эффекты,  дает учителю дополнительные возможности для построения индивидуальных образовательных траекторий учащихся и реализации возможностей обучения учащегося с учетом его скорости восприятия, понимания и усвоения материала; делает уроки более интересными, увлекательными и современными; приучает учащихся к использованию не только готовых программ, но к созданию своих собственных. Для этой цели в компьютерах установлено  программное обеспечение в виде продуктов MS Office 2003/07, который состоит из следующих продуктов: Word – текстовый процессор; Excel – табличный процессор; Access – базы данных; PowerPoint – электронные презентации. С помощью данных программ учащиеся создают электронные презентации, строят графики, рисуют кроссворды, пишут формулы.

Личностно-ориентированный подход при изучении физики

в сельской школе

Актуальность личностно-ориентированного подхода объясняется необходимостью формирования индивидуальной, прагматичной, раскрепощенной, независимой личности, способной ориентироваться в быстро изменяющемся социуме.

Личностно-ориентированный подход при изучении физики в малокомплектной сельской школе обеспечивает максимальное удовлетворение образовательного заказа отдельной личности, способствует предметному и личностному росту школьников.

При реализации данного подхода решаются следующие задачи:

·        удовлетворение личностного заказа школьников;

·        разрешение противоречий учебно-воспитательного процесса;

·        содействие развитию и саморазвитию учащихся;

·        повышение продуктивности образовательного процесса;

·        предоставление ребятам права выбора, простора для творчества и самовыражения;

·        содействие духовному воспитанию и личностному росту учащихся.

Одним из важных концептуальных положений современной методики  изучения физики в школе является физический эксперимент – не только как средство обучения, но и как объект изучения, способ освоения экспериментального метода познания природы и способ демонстрации  компетентностей учащихся. На этот же приоритет деятельностного подхода к процессу обучения обращается внимание и в государственном стандарте общего образования по физике. Однако с началом реформ в образовании в нашей стране в системе школьного физического эксперимента наступил кризис, когда в большинстве школ города, а тем более в сельских исчезло физическое оборудование.  «Меловая физика» не обеспечивает в классе условий, которые позволяли бы учащимся заинтересоваться физикой, как предметом, сформировать у них склонности к творчеству. Реализовать формирование интереса к

предмету можно через физический эксперимент во всех его аспектах [105] (Рис. 3).

Для внедрения в учебный процесс при изучении физики в сельской школе личностно-ориентированных педагогических технологий и развития у учащихся мировоззрения и интереса к физике нами предусмотрена и осуществлена модернизация экспериментальной базы физического кабинета и физического эксперимента за счет практики самостоятельного конструирования и изготовления школьниками простейших физических приборов и использования на уроках компьютерных технологий.

Остановимся более подробно на истории возникновения и проведении простейших физических опытов (домашних опытах и наблюдениях), а так же на изготовлении простейшего физического оборудования своими руками (конструировании и изготовлении приборов).

Простые физические эксперименты на уроках физики в сельской школе

Физика (в переводе с греческого - наука о природе) - наука об общих свойствах и законах движения вещества и поля.

Уже в определении физики как науки заложено сочетание в ней как теоретической, так и практической частей.

В период становления физики как учебного предмета, как показано в разделе 1.3, изучалась преимущественно «приборная физика» (устройство приборов), теории отводилось гораздо меньше внимания, и лишь в XIX веке с развитием физической науки в большей мере стали изучаться основные физические законы, принципы и теории, внедряться практические работы учащихся, первые учебные программы, в которых сказано, «что законы физики должны выводиться только из опытов и, что преподавание физики, как науки опытной, без инструментов и приборов немыслимо». В книге Я.И. Ковальского (1885 г.) «Сборник первоначальных опытов, при помощи которых можно ознакомить детей с самыми простыми физическими и химическими явлениями», основной методической мыслью является построение начального преподавания физики на широком использовании простых и доступных пониманию детей опытов. Книга  была ценна еще и тем, что многие опыты, описанные в ней, можно было рекомендовать учащимся для домашней работы, так как приборы и приспособления для их выполнения в большинстве случаев были настолько просты, что легко могли быть приготовлены самими учениками.

 На сегодняшний день существует два принципиально различных подхода к проблеме влияния уровня технического обеспечения физического эксперимента на усвоение учащимися знаний. Один подход четко сформулирован В.Я. Синенко (Физика в шк., 1989, №3): «Чем выше уровень техники экспериментирования, тем эффективнее влияние физических опытов на процесс усвоения знаний по предмету».

Подобный подход представляется ошибочным, и не только вследствие финансовых проблем школы, но и в том, что усложнение техники учебного физического эксперимента возводит барьер между учащимися и предметом, порождает ситуацию, при которой физика воспринимается как интересная, но бесполезная наука, ограниченная пространством школьного кабинета. Подобный эксперимент не обеспечивает возможности развития у учащихся личностно значимой ценности, а в результате снижается и интерес к достижению цели, ради которой он проводился.   

Более перспективным для решения учебных задач представляется другой подход , развивающий идеи Я.И. Ковальского. Основные элементы его следующие:

·        использование на уроках физики подручных средств и простейших приспособлений, обеспечивающих возможность повторения учащимися экспериментов в домашних условиях;

·        упрощенное моделирование сложных физических явлений и процессов;

·        демонстрация целесообразности естественнонаучных знаний на «бытовом» материале.

Многие публикации свидетельствуют о том, что этот метод широко используется для повышения интереса учащихся к урокам физики в зарубежных школах. Однако рассматриваемый метод неправомерно считать достижением зарубежной педагогики. Вспомним, что еще замечательный российский педагог-физик Д.И. Сахаров, был сторонником постановки физических опытов в самых будничных условиях, автором сложных физических экспериментов, осуществленных на простом оборудовании. Д.И. Сахаров писал: «Кабинет без своей мастерской неминуемо обратится в музей покупных и причем часто недействующих приборов, и живая мысль преподавателя и учащихся, не находя в себе осуществления, заглохнет».

Опыты, проводимые учениками на простейшем оборудовании, достаточно просты, но явления, на которых они основаны, гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Конструируя приборы и проводя самостоятельно опыты, школьники задумываются о  наблюдаемых процессах, у них возникает интерес к физическим  явлениям и самому предмету.

 Домашние опыты и  наблюдения дают возможность расширить область взаимного пересечения теории с практикой; дополняют демонстрационный эксперимент учителя и фронтальные лабораторные работы, проводимые в классе; развивают интерес к физике и технике; зарождают творческую мысль и развивают способность к изобретательству; приучают учащихся к самостоятельной исследовательской работе; вырабатывают у них наблюдательность, внимание, настойчивость и аккуратность.

Домашние экспериментальные работы (ДЭР) приучают учащихся к самостоятельному расширению полученных на уроке знаний и добыванию новых; формируют экспериментальные умения через использование предметов – домашнего обихода и самодельных приборов; развивают интерес; осуществляют обратную связь (результаты, полученные вовремя ДЭР, могут быть проблемой, решаемой на следующем уроке, или служат для закрепления материала). Таким образом, их использование сопровождает и дополняет процесс обучения.

Проводя домашние опыты, наблюдения или эксперимент учащиеся показывают умение планировать свою работу, ставить задачи,  объяснять результаты наблюдений и эксперимента, вырабатывают умение управлять собственной образовательной деятельностью на рефлексивной основе, овладевают диагностическими навыками самоконтроля и самооценки.

Конструирование и изготовление школьниками простейших физических приборов в домашних условиях  особенно важно на первом этапе изучения физики, когда интерес к изучению предмета можно пробудить с максимальной эффективностью у них. Школьниками изготавливаются: прибор Паскаля; картезианский водолаз; сообщающиеся сосуды; модель фонтана; модель мельницы; электроскоп; фруктовая батарейка; камера Обскура; реактивный шар; реактивная карусель и др..

Методика проведения простых физических экспериментов, опытов и

домашних экспериментальных работ

Так как одно из требований к домашнему опыту - простота по выполнению, следовательно, их применение целесообразно проводить на начальном этапе обучения физике, когда в детях еще не угасло природное любопытство. К тому же вряд ли удастся придумать эксперименты для домашнего проведения по таким темам, как, например: большая часть раздела  “Электродинамика” (кроме электростатики и простейших электрических цепей), “Физика атома”, “Квантовая физика” и др.

 Домашний эксперимент можно задавать после прохождения темы в классе. Тогда ученики увидят собственными глазами и убедятся в справедливости изученного теоретически закона или явления. При этом полученные теоретически и проверенные на практике знания достаточно прочно отложатся в их сознании.

А можно и наоборот, задать задание на дом, а после их выполнения провести урок по объяснению изучаемого явления.  В таком случае, даже если школьники не смогут объяснить увиденное дома на опыте явление сами, то они будут с интересом слушать рассказ преподавателя.  Таким образом, можно создавать у учащихся проблемную ситуацию и перейти к проблемному обучению, которое непроизвольно рождает у учащихся познавательный интерес к изучаемому материалу, обеспечивает познавательную активность  в ходе обучения, ведет к развитию творческого мышления.

При конструировании и проведении домашнего эксперимента должны выполняться некоторые требования:

·        безопасность при конструировании и проведении;

·        минимальные материальные затраты;

·        простота по выполнению;

·        иметь ценность в изучении и понимании физики;

·        легкость последующего контроля учителем;

·        наличие творческой окраски.

Так как эксперимент проводится учеником дома самостоятельно, без непосредственного контроля учителя, то в нем не должно быть никаких химических веществ и предметов, имеющих угрозу для его здоровья и домашнего окружения. Эксперимент не должен требовать от ученика каких-либо существенных материальных затрат, при проведении его должны использоваться предметы и вещества, которые есть практически в каждом доме: посуда, банки, бутылки, вода, соль и так далее. Выполняемый дома школьниками эксперимент должен быть простым по выполнению и оборудованию, но, в то же время, являться ценным в деле изучения и понимания физики в детском возрасте, быть интересным по содержанию. Так как учитель не имеет возможности непосредственно контролировать выполняемый учащимися дома опыт, то результаты опыта должны быть соответствующим образом оформлены (примерно так, как это делается при выполнении фронтальных лабораторных работ). Результаты эксперимента, проведенного учениками дома, следует обязательно обсудить и проанализировать на уроке. Работы учащихся не должны быть слепым подражанием, установившимся шаблонам, они должны заключать в себе широчайшее проявление собственной инициативы, творчества, исканий нового.

 К экспериментальной конструкторской деятельности привлечены все желающие с 7 по 11 класс. Данные эксперименты проводятся на всех этапах изучения физики в школе, но в разном объеме, зависящем от сложности изучаемой темы.

Физические приборы, изготавливаемые школьниками

Изготовление школьниками простых приборов нами вводится в практику с 7 класса при изучении темы «Давление твердых тел, жидкостей и газов».

«Прибор Паскаля»

При изучении закона Паскаля учащиеся изготавливают прибор, изображенный на рисунке 4. Для его изготовления используется: 4 шприца емкостью по 2 см³, 1 шприц – 10 см³, медицинская капельница, два отработанных стержня от авторучки. На данном эксперименте, можно четко наблюдать передачу давления, производимого на жидкость или газ в каждую точку среды. Дети, конструируя такой прибор, наглядно убеждаются в справедливости  закона  Паскаля. К тому же он качественно отличается от прибора, который предлагает изготовить автор учебника физики 7 класса.

«Картезианский водолаз»

Изготовление, какого либо простейшего, хорошо известного прибора проходит все этапы исследовательской деятельности. Изготавливая «Картезианский водолаз» в 7 классе, учащиеся используют обычную капельницу-пипетку, а сосудом служит бутылка из-под кетчупа. В старших классах, вследствие изучения темы «реактивное движение», предлагается разнообразить технику плавания «водолаза», придавая ему вращательное движение  за счет использования реакции выталкивающих из него водяных струй (Рис. 5). Такой «водолаз» изготавливается теперь из медицинского, запаянного  с  одной   стороны    одноразового   шприца   емкостью 1-2 см³ с прикрепленными к нему двумя изогнутыми трубочками (пустые стержни от шариковых ручек) и металлической гайки, навернутой на кончик шприца, выполняющей функции грузика, для того чтобы он мог находиться в устойчивом вертикальном положении. Перед демонстрацией опыта «водолаза» его надо настроить, подобрав необходимое в нем соотношение объемов воды и воздуха. 

В 8 классе простые эксперименты проводятся нами, начиная с изучения тепловых и заканчивая световыми явлениями. При изучении удельной теплоемкости учащиеся изготавливают прибор, на котором можно наблюдать различную удельную теплоемкость металлов. Для его изготовления требуются кусочки проволоки одинакового сечения длиной 15 см из различных металлов (алюминия, олова, меди). Проволоку делят мысленно на три равные части и одна часть загибается под углом 90⁰. К короткому концу каждой такой проволоки горячим воском прикрепляются маленькие гвоздики. При проведении опыта данная конструкция помещается в стакан с кипятком таким образом, чтобы загнутая часть проволоки с прикрепленным гвоздиком находилась за гранью стакана.

Начиная изучение электрических явлений, учащиеся с первых уроков изготавливают приспособления и приборы, на которых можно наблюдать взаимодействие одноименно и разноименно заряженных тел. К таким устройствам относятся гильзы из алюминиевой фольги и электроскоп. Гильзы изготавливаются из фольги, от конфет или шоколада. Данной фольгой оборачивается не заточенный карандаш; получившийся цилиндр из фольги аккуратно снимается с карандаша; один край цилиндра заминается, чтобы к нему можно было привязать веревочку. Сделав по две таких гильзы и заряжая их потом разноименным и одноименным зарядом, учащиеся наблюдают притяжение и отталкивание гильз соответственно.

Электроскоп

Электроскоп изготавливается из пластикового стакана, двух кусочков алюминиевой фольги и металлической канцелярской скрепки (Рис. 6).

В центре дна стакана нагретым над огнем шилом прожигается отверстие размером чуть меньшее диаметра проволоки, из которой сделана канцелярская скрепка. Скрепка разгибается и ей придается  форма крючка. На крючок надеваются кусочки  фольги  размером 0,5×4 см.  Листочки  не  должны касаться стакана и друг друга.

Из кусочка фольги скатывается маленький шарик и надевается  на острие скрепки, торчащее из стакана. Далее, заряжая электроскоп различными способами, наблюдаем, как лепестки расходятся в разные стороны.

Предок фотоаппарата

Заключительной темой в физике 8 класса является «Световые явления». Данный раздел -  огромная платформа для творчества учащихся в проведении простых опытов. Одним из таких опытов является камера-обскура.

Для изготовления камеры-обскуры берется литровый пакет из-под молока, хорошо промывается  теплой водой с мылом, сушится и отрезается верхняя часть на расстоянии 10 см от дна. Внутри пакет окрашивается черной краской или тушью.

На этой же верхней части, разрезав ее вдоль по одному из ребер, склеивается немного уменьшенная вставка, которая должна плотно входить в коробку – нижнюю часть пакета. Затем один из концов коробки заклеивается тонкой (писчей) бумагой, а когда клей высохнет,  бумага протирается ваткой, смоченной растительным маслом (Рис. 7).

Центр дна коробки прокалывается иголкой, и вставка вдвигается в коробку. Учащиеся, закрывшись темной материей, наводят коробку с маленьким отверстием на окно. На промасленной бумаге будет наблюдаться изображение окна, оно будет перевернутое. Вдвигая  и  выдвигая  вставку,  наблюдаем,  как будет меняться изображение окна. На данном опыте учащиеся узнают, как в камере возникает изображение, и знакомятся с предком современных фотоаппаратов. 

Девятый класс является переходным из основной ступени школьного образования в среднюю ступень, поэтому здесь особенно важно не растерять знания, которые были накоплены ими ранее. Взятый курс на развитие познавательного интереса с помощью конструирования простых опытов нами продолжается и совершенствуется за счет усложнения данных экспериментов конструктивно и как следствие, физических законов и явлений наблюдаемых в них. Необходимо следить за тем, чтобы познавательный интерес к физике продолжал повышаться, так как многие учащиеся выбирают при сдаче выпускных экзаменов этот предмет, а некоторым она необходима при поступлении в вузы.

Реактивный шар

Берется шарик для настольного тенниса и несколько пустых отработанных стержней от шариковой ручки. Стержни удобнее брать от гелиевых ручек, один из них должен быть длинным, другие могут быть короче. Стержни после удаления от них пишущей части хорошо очищаются при     помощи   ваты,   спирта    и    тонкой проволоки. Далее  отрезаются  два  стерженька  по 8 см которые изгибаются под прямым углом с помощью огня горелки направленного на среднюю часть стержня.

В шарике делаются три маленьких отверстия, для того, чтобы стерженьки от ручки плотно входили в них. Одно отверстие делается на «полюсе», два других – на «экваторе» (Рис. 8).

В отверстие на «полюсе» вставляется длинный стержень, в боковые отверстия (на «экваторе») вставляются гнутые трубочки. Важно, чтобы их наружные концы были загнуты в плоскости экватора, шли почти параллельно поверхности шарика и были направлены в одну сторону.

Для того, чтобы начать демонстрацию прибора, от корпуса гелиевой ручки отрезается кусочек (подшипник)  длиной 5-6 см и надевается на длинный стержень. Шарик ставится на гладкую поверхность стола, придерживая вертикально за подшипник со стержнем внутри, шарик будет быстро вращаться в противоположную загнутым трубкам сторону.

На этом опыте учащиеся воспроизводят историческую игрушку Герона Александрийского, которая представляла собой вращающийся с помощью пара шар. В нашем случае шарик вращается не от пара, а от воздуха, но принцип его движения тот же – реактивный.

Реактивная карусель

При изучении закона сохранения импульса и реактивного движения, учащимся предлагается, выполнить еще один интересный опыт.

Для опыта нужно: 2 яичных скорлупы, 2 напёрстка (можно металлические пробки от бутылок», проволока, пробка из пробкового дерева, 2 вилки, швейная игла, бутылка, монета, вата, спички, вода, спирт.

В каждом яйце прокалывается дырочка и с ее помощью высасывается содержимое яйца. Яйцо обвязывается тонкой проволокой; под яйцом укрепляется напёрсток. Наши скорлупки с помощью медицинского шприца наполняются водой до половины.

В пробку с боков втыкаются две вилки, а в основание – иголка. Горлышко бутылки прикрывается монетой и на монетке устанавливаются в равновесии вилки с пробкой (Рис. 9).

Далее эту карусель заставляем вращаться. К вилкам подвешиваются скорлупки отверстиями в разные стороны; в напёрстках зажигается вата, намоченная спиртом. После закипания воды в скорлупках, карусель начнёт вращаться быстрей и быстрей. Пар будет бить из отверстий  в скорлупках,   и вследствие «отдачи» наша реактивная карусель будет вращаться, пока не выкипит вода или не выгорит в напёрстках спирт.

Это лишь очень малая часть опытов, которые были сконструированы  учащимися 7-9 классов. После проведения подобных экспериментов у ряда учащихся значительно повысился интерес к физике (раньше он был близок к нулю). Они поняли, что за простыми опытами скрываются более сложные физические процессы. Они стали задумываться о причинно-следственных связях изучаемых физических явлений, с большим интересом открывают школьные учебники. В уровне знаний и умений по физике у учащихся произошли положительные изменения. Учащиеся со своими самодельными физическими приборами стали активными участниками смотров-конкурсов школьных творческих работ, а также проводимых в районном и областном центрах.

В связи с введением ЕГЭ в старших классах сложилась такая ситуация, что урок в основном делится на две части: прохождение нового материала и отработка навыков в решении задач. Учащиеся, зачастую не понимая сути физических явлений, пытаются решать задачи. На своих уроках, пусть в малой степени, но мы пытаемся сделать так, чтобы эксперимент приобретал основополагающую роль в изучении физических явлений.  Кроме конструирования и проведения простейших опытов в домашних условиях,  нами практикуется проведение занимательных опытов по физике, как  на уроке, так и дома.

Использование информационных компьютерных технологий на уроках физики в сельской школе

Формированию творческой личности, способной решать задачи в нестандартных условиях, гибко и самостоятельно использовать приобретенные знания в разнообразных жизненных ситуациях, как показано выше, способствуют информационные компьютерные технологии, используемые при изучении физики.

На уроках с малым числом учеников, где практически невозможны коллективные формы обучения, важное значение имеет учебная работа учащихся с различными источниками информации (книгой, газетой, журналом, дидактическими материалами, словарями, справочниками, энциклопедиями, компьютером), которая способствует самостоятельному поиску, анализу нужной  информации. Большое значение приобретает использование на уроках физики компьютера, который:

§  обеспечивает дифференцированный подход к учащимся при обучении физике;

§  развивает творческие способности школьников, умение их анализировать, моделировать, прогнозировать, творчески мыслить;

§  повышает мотивацию  к изучению физики;

§  формирует умения учащихся получать знания самостоятельно, работая с обучающими программами;

§  формирует умения учащихся использовать пакет MS Office (Word, Excel, PowerPoint и др.) для моделирования, исследования физических процессов и оформления результатов работы.

Чтобы сформировать у школьников информационную культуру, научить их использовать современные компьютерные учебные курсы и создавать мультимедийные проекты используются Интернет ресурсы и специальные компьютерные  программные средства.

Схема возможностей использования компьютера в школьном физическом эксперименте приведена на рисунке 10.

	Рис. 10. Схема возможностей компьютера при проведении физического эксперимента

В  своей работе мной использовались следующие ресурсы Интернета:

·        http://www.college.ru/ – Интернет-проект «Открытый колледж» содержит

Интернет-учебник по физике, интерактивные модели, тесты, методические материалы для учителя, обзор учебных Интернет-ресурсов;

·        http://www.physicon.ru/ –  на сервере представлены проспекты новейших разработок в области программных моделей для исследования физических явлений;

·        http://www.vschool.ru/ –  «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия» предлагает курсы «Интерактивная физика» для 7-11-го классов;

·        http://www.fizika.ru/ –  на сайте представлены методические разработки, тесты, тематическое планирование по физике для 7-9-го классов;

·        http://teacher.fio.ru/ – очень полезный сайт для учителей; есть педагогическая мастерская, уроки в Интернет и много другого.

В настоящее время количество компьютерных программ для школ, предназначенных для изучения физики, исчисляется десятками. Эти программы  можно классифицировать в зависимости от вида их использования на уроках: обучающие программы; демонстрационные программы; компьютерные модели и анимации; компьютерные лаборатории; лабораторные работы; пакеты задач; контролирующие программы; компьютерные дидактические материалы.

Приведённая классификация является условной, так как многие программы включают в себя элементы двух или более видов программных средств.

Компьютерные модели позволяют получать в динамике наглядные запоминающиеся иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизвести их тонкие детали, которые могут ускользать при наблюдении реальных экспериментов. Компьютерное моделирование позволяет изменять временной масштаб, варьировать в широких пределах параметры и условия экспериментов, моделировать ситуации, не реализуемые в реальном физическом эксперименте. Предоставляется возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощённой теоретической модели с поэтапным включением в рассмотрение дополнительных усложняющих факторов, постепенно приближающих эту модель к реальному явлению.

Выполнение разнообразных лабораторных работ на современном уровне, в нашей  сельской школе весьма ограничено из-за слабой оснащённости кабинета физики. В этом случае работа учащихся с компьютерными моделями также чрезвычайно полезна, так как компьютерное моделирование позволяет создать на экране компьютера живую, запоминающуюся динамическую картину физических опытов или явлений.

Использование компьютерных технологий на уроках физики  позволяет очень быстро:

·         проверить данные;

·         проверить перевод единиц;

·         сформулировать вопрос задачи;

·         в нужном темпе осуществить поэтапное решение задачи, что особенно важно для слабых учащихся;

·         вернуться в любой фрагмент урока в любой момент времени;

·         организовать различную проверку выполнения рисунка, заполнение таблиц;

·         построить график;

·         подвести итог урока, начиная с цели и заканчивая результатами проверочной работы;

·         просмотреть весь урок в целом, просто листая слайды, что важно для детей - визуалов.

Анализ форм и методов применения компьютерных технологий при изучении физики в школе позволяет выявить основные направления их применения: расчеты для обработки реального и численного физического эксперимента; компьютерное моделирование физических явлений и процессов; использование сети Интернет.

Современная тенденция компьютеризации школы и общества, несомненный рост интереса учащихся к самим компьютерам создают реальную основу для более широкого использования в обучении компьютерных технологий.

Компьютерные технологии легко вписываются в традиционный урок, который становится помощником не только учеников, но и учителя. Применяя компьютер на уроках физики, учащиеся получают возможность использовать свои навыки и умения при изучении реальных объектов и явлений. С его помощью можно объяснять теоретический материал, показывая анимации, видеофрагменты, графические изображения, моделировать физические процессы и явления, проводить измерения и исследования, демонстрировать на экране компьютера многие физические эффекты, которые невозможно  показать учащимся класса. Использование компьютерного моделирования предоставляет возможность визуализации реального явления природы с поэтапным его рассмотрением. С помощью компьютеров можно производить  за короткое время сложные и громоздкие расчеты, рисовать графические объекты, моделировать поведение сложных физических систем и следить за их эволюцией на экране компьютера, чуть ли не в режиме реального времени.

Стандартное экспериментальное оборудование физического кабинета чаще всего позволяет наблюдать лишь результаты опытов и трактовать новые понятия на основе выводов из них,  а сам механизм протекающих процессов остается нераскрытым. Многие из фундаментальных опытов рассматриваются в описательном плане. В школьном курсе физике необходима опора на зрительные образы для формирования других производных понятий, они предают главным образом пространственное, изменяющееся со временем расположение.

Возможности компьютера позволяют варьировать условиями эксперимента; самостоятельно конструировать модели установок и наблюдать за их работой; производить расчеты в автоматическом режиме.

Компьютерное моделирование

В условиях сельской средней школы большое распространение получило компьютерное моделирование, которое может быть численным, графическим и имитационным.

Для осуществления численного моделирования физических процессов  при изучении законов движения материальной точки и тел используются компьютерные программы, позволяющие описывать эти процессы с помощью математических уравнений и строить траектории движения тел в зависимости от задаваемых в этих уравнениях физических условий.

Графическое моделирование предполагает наличие на экране монитора различных рисованных объектов, которые могут быть статическими и анимационными. Статические компьютерные слайды используются нами для иллюстрации различных схем опытов, демонстрации картин силовых линий поля, сложных экспериментальных установок и т.д. Анимационное динамическое моделирование применяется для раскрытия механизмов изучаемых явлений, при изучении проводимости в различных средах, строения атомов, интерференции световых волн. Компьютерные модели представлены в мультимедийных сборниках: «Открытая физика», «Физика 7-8», «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия». В них так же содержится очень много оригинальных компьютерных экспериментов, иллюстрирующих ключевые для понимания темы явлений природы, трудновоспроизводимые в реальных условиях. Рассматриваемые материалы, разнообразные по форме и сложности, они интересны для различной категории учащихся. Использование техники анимации для своеобразного изображения реального мира развивает наблюдательность у учащихся, способность выделить причинно-следственные связи в изучаемых физических явлениях.

При использовании моделей компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощенной теоретической модели с поэтапным включением в рассмотрение дополнительных усложняющих факторов, постепенно приближающих эту модель к реальному явлению.

Примеры использования физических моделей и видеофрагментов

В 7 классе

«Равномерное прямолинейное движение»

При проверке домашнего задания по теме: «Прямолинейное равномерное движение», учащимся предлагается объяснить опыт, представленный на экране (Рис. 11). Отвечающий должен объяснить, что изображено на рисунке, пояснить физический смысл происходящего, сказать определение данного явления. После ответа  включаем данную модель и вместе с учащимися следим за тем, правильный  ли был,  дан  ответ или нет. В этом случае, учащийся, который отвечал на данный вопрос, может наглядно увидеть и услышать свои ошибки и недочеты. А это в свою очередь значительно облегчает учителю выставление оценки за ответ учащегося.

«Гидравлические машины»

Практическое применение закона Паскаля объясняется на устройстве и действии гидравлической машины (Рис.12). В качестве примера рассматривается модель гидравлического домкрата. Особый акцент делается на применение закона Паскаля в данном устройстве. Расчет выигрыша в силе, даваемого гидравлической машиной, проводится сначала на числовом примере, а потом дается общий вывод. Далее учащиеся должны предложить применение данного устройства в быту и технике.  Работу и устройство гидравлического тормоза, пневматических машин и инструментов учащиеся изучают самостоятельно и готовят небольшие доклады, а на уроке, заслушивая эти сообщения, они также сопровождаются  компьютерными моделями, с которыми докладчики знакомятся заранее.

 «Превращение одного вида механической энергии в другой»

Взаимные переходы энергии очень удобно иллюстрировать опытами по падению тела, движению тела, брошенного вертикально вверх, но более наглядно, на наш взгляд, данные переходы энергии можно наблюдать на примере «маятника Максвелла» (Рис. 13).  После изложения материала по данной теме и демонстрации модели «маятника Максвелла» учащимся задаются вопросы, какой энергией и почему обладает тело, когда оно находится в верхнем положении? На каком основании мы утверждаем затем, что эта энергия уменьшается? Как при движении маятника вниз меняется скорость тела и его кинетическая энергия? Все ответы учащиеся обосновывают. Данная беседа подводит учащихся к пониманию закона сохранения энергии.

Примеры использования физических моделей и видеофрагментов

в 8 классе

«Способы изменения внутренней энергии»

При изучении данной темы нужно использовать сведения, полученные на предыдущих уроках. Сначала проводится опрос, и вспоминаем с учащимися определение внутренней энергии. После чего перед учащимися ставим вопросы: как зависит внутренняя энергия тела от температуры?    Почему увеличивается внутренняя энергия при увеличении температуры? Если тело само совершит работу то, как изменится его внутренняя энергия? Как меняется при этом температура?  Далее проводим опыт для демонстрации уменьшения внутренней энергии воздуха (Рис. 14). Обращаем внимание на образование тумана в бутыли и охлаждение воздуха. Во время демонстрации учащихся привлекаются к объяснению отдельных этапов опыта.

«Электрическое поле»

Для конкретизации представлений учащихся об электрическом поле полезны демонстрации опытов с султанами (Рис. 15) и демонстрация спектров электрического поля. Сначала учащимся предлагается мысленно провести данный эксперимент и изложить его     результат. После  чего,   вместе   с   учащимися

просматриваем данную анимацию и делаем выводы. Далее демонстрируются спектры электрического поля, возникающего вокруг заряженных тел. Эта демонстрация помогает создать у учеников геометрический образ электрического поля.  

«Источники света.  Распространение света»

Рассматривая, образование тени и полутени показываем, что данное явление объясняется прямолинейностью распространения света. Также следует показать, что тень без полутени получается только от точечного источника света: если источник света протяженный, тень всегда окружена кольцом полутени. В связи с получением тени и полутени, далее рассматриваются солнечные и лунные затмения (Рис. 16). Ранее этот опыт демонстрировали с помощью фонаря, большого глобуса и шарика подвешенного на нити, что создавало множество неудобств для учителя. Рассматривая затмения солнца и луны на компьютерной модели, учащиеся  могут воочию наблюдать все фазы солнечного и лунного затмения. На естественный вопрос учащихся, почему затмения не наблюдаются ежемесячно, на данной модели легко показать, что Луна и Земля вращаются не в одной плоскости, так что тень от Луны на Землю не упадет.

Примеры использования физических моделей и видеофрагментов

в 9 классе

«Ускорение. Скорость прямолинейного равноускоренного движения. График скорости»

        Ускорение – одно из важнейших кинематических понятий. Оно является совершенно новым для учащихся  9 класса и должно быть подробно разъяснено. При изучении материала данной темы стараемся проводить уроки в компьютерном классе. После объяснения материала каждый учащийся работая  индивидуально за своим компьютером,   может   менять  параметры движения мальчика (начальную скорость и ускорение), следить за тем, что происходит с векторами скорости и ускорения. Также на данной модели (Рис.17) можно наблюдать построение графиков (s(t) и v(t)) по ходу движения мальчика. После проведения такого эксперимента каждый учащийся составляет задачу по данным, представленным у него на экране, пишет к ней решение и строит графики скорости и перемещения.   

«Модели атомов. Опыт Резерфорда»

При изучении данной темы после ознакомления учащихся с различными моделями атома рассматривается анимация опыта Резерфорда (Рис. 18). Данная анимация идет со звуковым сопровождением, поэтому учащихся просим внимательно слушать, что говорит диктор.  Проверку   домашнего   задания   по данной теме проводится следующим образом: включается анимация опыта Резерфорда, выключается звук и отвечающий должен дать комментарий происходящему на экране.

«Превращение энергии при колебатель­ном движении»

 При работе с моделью горизонтального      пружинного маятника (Рис. 19), предлага­ется учащимся начертить в текстовом ре­дакторе Word,  и после проведения опыта, заполнить самостоятельно, таблицу 1. Уча­щиеся на таких уроках не только разбираются с физической сущностью данного явления, но и вспоминают навыки, получен­ные на уроках информатики. Учащиеся

отвечают на вопрос: как меняются перечисленные в таблице величины, характеризующие колебательное дви­жение этого маятника, на указанных участках его пути?

Таблица 1.

Направление движения маятника	Сила упругости, Fупр	Скорость, v	Потенциальная энергия, Еп	Кинетическая энергия, Ек	Полная механическая энергия, Епол
					в реальных условиях	в идеальных условиях
От х0 к О
От О к стене
От стены к О
От О к х0

Использование компьютеров в учебном процессе позволило нам обеспечить выбор учащимися содержания учебного материала и  проконтролировать весь процесс учебной деятельности учеников, а не только  его конечную стадию; регулировать учебный материал для каждого ученика в индивидуальном порядке в зависимости от их способностей и интересов.

Виртуальные лабораторные работы

Не секрет, что возможности организации массового выполнения разнообразных лабораторных работ, причем, на современном уровне в сельской средней школе весьма ограничены по причине слабой оснащенности кабинетов физики. В этом случае работа учащихся с компьютерными моделями также чрезвычайно полезна, так как компьютерное моделирование позволяет создать на экране компьютера живую, запоминающуюся динамическую картину физических опытов и явлений.

Практика использования виртуальных лабораторных работ с самого начала показала, что они выступают богатой инновационной формой, интегрирующей в себе разноплановые межпредметные знания и множество видов учебной работы школьников. Компьютер привлекается не только для вычислений, которые включаются в общую схему изложения предмета, но и выступает как непосредственный инструмент исследования.

По моему мнению  возможности организации массового выполнения разнообразных лабораторных работ, причем на современном уровне, в сельской школе весьма ограничены по причине слабой оснащенности кабинетов физики. В этом случае работа учащихся с виртуальными лабораторными работами чрезвычайно полезна, так как компьютерное моделирование позволяет создать на экране компьютера живую, запоминающуюся динамическую картину физических опытов или явлений.

 Использование непосредственно готовых виртуальных лабораторных работ при обучении физике в основной школе еще недостаточно хорошо изучено и описано. Но есть предложения  использования отдельных компьютерных моделей при проведении фронтальных лабораторных работ. Целью использования такой модели является не только наглядное представление физических процессов, но и возможность  отработки учеником навыков измерений и простейшего анализа физической ситуации.

В своей работе я использую «Виртуальную физическую лабораторию», выпущенную издательством «Дрофа». «Лабораторные работы по физике» предназначены для выполнения лабораторных работ 7-11 классов, предусмотренных школьной программой. Учащиеся на уроках с удовольствием работают с компьютером, данная программа удобна в использовании, инструкции даны в доступной форме и в поэтапном изложении, есть возможность вернуться к началу работы и повторить эксперимент для лучшего усвоения материала. Лабораторные работы дополняют новый материал, эти работы можно использовать для изучения нового материала и для его закрепления. Например, при изучении темы «Свободные механические колебания» учащимся предлагается (предварительно разделив их на группы) поработать с лабораторной работой «Изучение колебаний математического и пружинного маятников» (Рис. 20), чтобы они самостоятельно сделали вывод о зависимости периода и частоты колебаний для математического маятника от длины нити; и для пружинного маятника -  от массы груза и жесткости пружины.

Ученики выступают в роли исследователей. Такой урок проходит более успешно, учащиеся активно «поглощают» полученные самостоятельно знания.

        В 7 классе при изучении темы «Простые механизмы» учащиеся выполняют лабораторную работу «Изучение условия равновесия рычага». Некоторым учащимся предлагается выполнить данную лабораторную работу виртуально (Рис. 21).

При использовании компьютера учащиеся получают наиболее точные результаты для соотношения сил и плеч рычага в отличие от результатов, полученных в лабораторных условиях. В связи с этим у детей выполнявших виртуальную лабораторную работу не возникает вопросов по поводу справедливости данного соотношения.

Следует отметить, что обычные лабораторные работы по физике также проводятся, а компьютер применяется тогда, когда традиционные методы получения учебной информации или неэффективны, или невозможны.

Применяя систематически компьютер на уроке физики, учащиеся получают возможность использовать свои навыки и умения работы с компьютером для изучения реальных объектов и явлений. Компьютер становится привычным средством для получения новой информации – знаний по теме урока, а также средством для проведения измерений и исследований.

В практике своей работы мной используется виртуальная «On-line лаборатория» по физике (http://www.college.ru/modules.php.name=Practical), которая является современным телекоммуникационным средством обучения, позволяющим спроектировать самостоятельную учебную деятельность учащихся, основанную на активном способе приобретения знаний об изучаемом физическом явлении. Переходя на язык ключевых компетентностей можно сказать, что в процессе работы – школьников в «On-line лаборатории» создаются условия для формирования информационной компетентности - способности искать, отбирать, анализировать и систематизировать информацию и создавать на ее основе новую.

Компьютерным моделированием нельзя подменить реальный демонстрационный эксперимент, хотя огромное число изучаемых явлений природы в школьном курсе физике не подкреплено реальными демонстрациями.

С моей точки зрения, этот вид эксперимента дополняет учебный эксперимент на всех этапах деятельностного обучения, так как он способствует развитию пространственного воображения и творческого мышления.

Использование компьютерного моделирования не должно подменить реальные физические эксперименты. Несколько условный характер отображения результатов компьютерного моделирования можно компенсировать демонстрацией видеозаписей реальных экспериментов, которые дают адекватное представление о реальном протекании физических явлений.

Реальный физический эксперимент с использованием видеокамеры

и компьютера

Наиболее простым является применение на уроках физики готовых видеороликов реальных экспериментов, которые можно найти на мультимедийных дисках или в интернете по адресу http://genphys.phys.msu.ru.  Демонстрация видеороликов с реальным физических экспериментом особенно ценна в случае, когда проведение какого-то эксперимента в школе затруднено или просто невозможно из-за отсутствия соответствующего оборудования.

Для демонстрации на расстоянии (видеоролик) реального физического эксперимента применяется видеокамера.

Видеокамера может быть использована на уроках физики для расширения поля зрения учеников, для правильного восприятия которых нужно сосредоточить внимание на предметы небольшого размера, как, например, на экран осциллографа. Как правило, школьный осциллограф имеет небольшой размер, зрение большинства учеников, увы, не отличается большой остротой. Как следствие – регистрация физических процессов осциллографом наглядна при проведении лабораторных работ, но, как правило, мало информативна при демонстрационных опытах. Если же перед экраном осциллографа разместить хотя бы Web-камеру, ситуацию можно кардинально изменить. Пример использования Web-камеры во время урока физики, посвященного изучению принципов радиосвязи с использованием комплекта демонстрационного оборудования КДЭ-4, проиллюстрирован на следующих рисунках 22-25.

Картинка с Web-камеры через USB-кабель подается на учительский компьютер и отображается в специальном окне программы, управляющей работой Web-камеры. Мультимедийный проектор, который выводит изображение экрана компьютера на настенный экран в классе, может дополнительно увеличить изображение экрана осциллографа, так как в меню проектора заложена возможность вырезания части изображения экрана компьютера и растяжения выбранной нами части на весь настенный экран. Достаточно несложными манипуляциями в меню настроек проектора можно добиться, чтобы изображение экрана осциллографа полностью совпадало с границами настенного экрана.

			Рис. 23. Web-камера перед осциллографом
	Рис. 22. Вид экспериментальной установки

	Рис. 24. Изображение экрана осциллографа на настенном экране		Рис. 25. Вид экрана учительского компьютера

Последние фотографии позволяют сравнить размеры изображения на экране осциллографа с размером изображения на настенном экране.

Выводы

1. Обоснована необходимость внесения изменений в традиционную методику

     осуществления школьного физического эксперимента и определены пути совершенствования физического и компьютерного  эксперимента в сельской школе.

2.  Разработаны требования по конструированию и использованию в учебном процессе при изучении физики простых физических приборов в домашних условиях.

2.        Разработаны содержание, последовательность и методика конструирования и проведения простых опытов по физике для учащихся 7-9 класса сельской школы.

3.        Обоснована необходимость использования компьютерных технологий на уроках физики в сельской школе.

4.        Разработана методика использования в учебно-воспитательном процессе при изучении физики компьютерного эксперимента, обеспечивающего повышение заинтересованности и уровня подготовки учащихся.

Краткое описание документа:

В данной работе представленна методика преподавания физики преимущественно в сельской школе с применением физического и компьютерного эксперимента. Физический эксперимент основывается на проведении простых опытов и конструировании простых приборов из так называемого "подножного корма". Компьютерный эксперимент основан на применении компьютерного моделирования, проведении виртуальных лабораторных работ, а так же применении веб-камеры для демонстрации физического эксперимента. Данная методика позволила повысить познавательный интерес у учащихся, а так же повысить мотивацию к изучению данного предмета.