Статья “Организация исследовательской деятельности учащихся на элективных занятиях по физике в старшей профильной школе”

Организация исследовательской деятельности учащихся на элективных занятиях по физике в старшей профильной школе

Многие современные школы работают по системе профильного обучения. Это связано с концепцией развития образования, с ориентацией его на личность учащегося. Программа профильного обучения включает три составляющие: базовую, профильную и элективную. Элективные курсы или как их еще называют – курсы по выбору, играют очень большую роль в системе образования, несмотря на то, что на них выделяется лишь 20% часов от общего объема времени на изучение предмета[1]. Одна из функций элективных курсов – “надстройка” профильного учебного предмета. При этом дополненный учебный предмет становится действительно углубленным. Среди элективных курсов выделяют предметные, межпредметные (интегративные) и курсы, не входящие в базисный учебный план. Задача последних – дать школьникам представление о более широком спектре их будущих возможностей. Именно к этой категории можно отнести авторский программный продукт.

В литературе[2], раскрывающей роль компьютерных технологий в обучении, особое внимание уделяется исследовательским технологиям. Учителя нередко пытаются самостоятельно разрабатывать электронные ресурсы в соответствии с познавательными интересами учащихся, да и своими тоже. Особый вид компьютерных технологий – интерактивные модели экспериментов, поэтому к ним все чаще и чаще обращаются учителя физики. Они обладают рядом преимуществ перед классическим экспериментом. Проблема методического совмещения натурного и виртуального эксперимента является актуальной, потому что в последние годы учителя физики отдают предпочтения виртуальному эксперименту. Между тем, наглядность, личное участие экспериментатора невозможно передать с помощью компьютера. Поэтому следует перенести в компьютер те эксперименты, выполнение которых затруднено традиционным способом. Например, не все исторические опыты можно продемонстрировать в лабораторных условиях. Можно назвать и другие причины: высокая стоимость оборудования, большая длительность эксперимента, значительные размеры установки и др. Д.Ш. Матрос пишет[3], что в  настоящее время возросла роль дистанционного обучения, которое существенно упрощает задачу проведения лабораторного практикума с помощью виртуального эксперимента. Существенная часть виртуального эксперимента – это удобный интерфейс пользователя, когда на экране имитируется реальный эксперимент.

Разработка виртуального эксперимента тесно связана с одним из научных методов исследования – моделированием. Создание моделей позволяет делать допущения, что значительно облегчает работу экспериментатора, правда модель не отражает всех свойств объекта моделирования, но в этом порой и заключается преимущество этого метода. Часто не требуется делать точную копию предмета или процесса, достаточно наделить модель теми свойствами, которые важны для исследователя. Компьютер обладает массой возможностей в сфере моделирования. Он оснащен средствами визуализации численных процессов, что позволяет представить решение задачи в наглядной динамической форме [4].

С помощью среды программирования “Delphi 7” можно разработать лабораторный практикум, который предполагает моделирование линейного и баллистического движения в среде с сопротивлением. Такой лабораторный практикум апробирован в профильном классе, в условиях элективного курса “Компьютерное моделирование в изучении физических явлений и закономерностей”. Компьютерное моделирование включает несколько этапов. Подготовительный этап предполагает теоретическую подготовку учащихся. Учитель проводит ряд занятий, на которых объясняет теоретические основы построения модели – физические принципы её конструирования, математические “отступления” и средства программирования, при этом учитель опирается на знания, полученные учащимися в школьном курсе физики и информатики. На следующем этапе учащиеся по описанию лабораторных работ выполняют ряд измерений с помощью программы “Моделирование линейного и баллистического движения в среде с сопротивлением”. На третьем этапе учащиеся анализируют результаты эксперимента, обосновывают их и делают вывод.

В процессе выполнения данной работы учащиеся самостоятельно оценивают те последствия, которые могут возникнуть, если не учитывать сопротивление среды. Вместе с тем, школьники при выполнении виртуального эксперимента углубляют свои знания в области физики, математики и информатики, проявляют творчество при выполнении различных заданий, в том числе тех, составить которые ученик составляет самостоятельно. Наконец ученики знакомятся с одним из важнейших научных методов изучения объектов – моделированием.

Таким образом, для успешного выполнения исследовательских лабораторных работ учащиеся должны обладать знаниями не только по физике, но и по математике и информатике. Это усложняет работу, вместе с тем, способствует установлению преемственных связей, формированию у учащихся обобщенных умений выполнять компьютерный эксперимент, который рассматривается как метод исследования явлений природы. С помощью виртуального эксперимента учащим старших классов предоставляется возможность: 1) осуществить операции, невозможные в натурном эксперименте, связанные с изменением пространственно-временных масштабов протекания явлений; 2) исследовать явления без влияния нежелательных внешних воздействий; 3) изучить явления в тех случаях, когда проведение реального эксперимента затруднено, опасно или вовсе невозможно; 4) изучить сложные физические явления на доступном уровне, избегая сложных математических расчетов; 5) задать условия эксперимента, без опасения за сохранность и состояние установки; 6) сопроводить эксперимент визуальной интерпретацией закономерных связей между параметрами[5].

Разработанная авторская программа состоит из двух частей. В первой части программы исследуется линейное движение, во второй – баллистическое. Внешний вид части, моделирующей линейное движение тела, представлен на рисунке 1. Информационное окно программы содержит основные управляющие элементы: кнопки “Начать”, “Остановить” и “Сохранить”. Здесь же находится элемент выбора параметра эксперимента – среды, в которой происходит движение, – раскрывающийся список с перечислением возможных вариантов выбора среды. Некоторые кнопки основного окна программы дублируются меню.

Рис. 1. Внешний вид программы, моделирующей линейное движение тела.

Рис. 2. Результат моделирования – графики зависимости  и  .

Основное назначение данной части программы – построение графиков зависимости скорости от времени  и координаты от времени . Графики, полученные для движения тела в воде, представлены на рисунке 2.

Как видно из графиков, скорость постепенно принимает некоторое постоянное значение, что и является характерной чертой движения тела с учетом сопротивления среды при постоянном ускорении.

В программе представлено теоретическое описание моделируемого процесса, сначала с физической точки зрения, а затем с математической. Описание представлено в виде сопроводительного листа к лабораторной работе, который содержит следующие элементы: 1) название работы, цель и оборудование; 2) теоретическое введение; 3) вопросы к допуску к работе; 4) задание учащимся; 5) итоговое задание.

Такие рекомендации позволяет учащимся самостоятельно, без указаний учителя выполнять работу. Учитель в данном случае выполняет лишь функцию консультанта.

Другая часть программы моделирует баллистическое движение. Ее внешний вид представлен на рисунке 3. Здесь так же присутствуют основные элементы управления процессом – кнопки “Старт”, “Стоп” и “Выход”. Но в отличие от предыдущей части программы, здесь больше элементов выбора параметров эксперимента. Здесь это выпадающий список возможных сред и поля ввода произвольных величин для таких параметров, как начальная высота, угол к горизонту и начальная скорость.

Рис. 3. Внешний вид программы, моделирующей баллистическое движение.

Рис. 4. Информационное окно, отображающее результат моделирования движения.

Рис. 5. Информационно окно, отображающее дальность и время полета

УДК: 53(07):371.01

ББК: 74.262.23:74.202         

Если заинтересовал программный продукт, указанный в тексте, обратитесь ко мне. Он все же является интеллектуальной собственностью, и в свободном виде в интернете не располагается.