Доклад на НППК преподавателей АКСТ

министерство образования и науки Амурской области

государственное профессиональное образовательное автономное

учреждение среднего профессионального образования Амурской области

«Амурский колледж сервиса и торговли»

НАУЧНЫЙ ДОКЛАД

Тема: Использование компьютерных моделей в преподавании физики

Автор: Иванченко Иван Михайлович, преподаватель физики

Белогорск 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Программы, моделирующие физические явления и законы 6

3. Примеры использования программ для изучения других дисциплин 13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 18

ПРИЛОЖЕНИЕ А 19

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня возрастают требования к подготовке специалистов – это более широкий объём знаний, более высокий уровень профессионализма и т. д. Однако, объём часовой нагрузки на предмет остаётся прежним, а то и ниже. Поэтому, преподавателю необходимо находить новые методы и технологии в проведении занятий, закреплении знаний и контроля качества усвоения этих знаний. В своей профессиональной деятельности я стремлюсь не только к решению задач, поставленных основными образовательными программами, но и пытаюсь найти пути их более рационального решения.

Внедрение компьютерных технологий в учебный процесс, конечно же, позволяет более оптимально и быстрее получать студентами необходимую информацию. Современный студент сегодня при желании может найти в Интернете любую информацию по нужной теме. Главное, правильно и грамотно направить его. Но и здесь много «подводных камней». Несмотря на то, что физика – достаточно точная наука и, казалось бы, её законы незыблемы. Но изложение её вопросов на некоторых ресурсах Интернета оставляет желать лучшего. Кроме этого изобилие различного рода рекламных баннеров отвлекает, т.е. рассеивает внимание пользователей. Да и просто найти нужную информацию ещё не означает её осознание. Потому нельзя современному преподавателю оставлять обучающегося «один на один» с компьютером. А времени разбирать досконально вопросы физики – нет! Что делать?

Преподаватель на одном занятии должен раскрыть тему (а то и сразу несколько очень важных тем), продемонстрировать те или иные явления, решить ряд задач, убедиться в понимании обучающимися данной темы, оценить их деятельность на занятии, проконтролировать дисциплину и организовать работу более чем 20 человек, каждый из которых считает себя «личностью»! Сколько энергии, сколько слов, сколько движения и эмоций выпадает на долю преподавателя!

Если компьютер «создаёт проблемы», то нужно научить его и решать их! Средствами компьютерных технологий можно создавать такие образовательные ресурсы, которые не только дают информацию, но и обучают и контролируют качество знаний пользователя.

Здесь прежде всего нужны чисто образовательные ресурсы! Нужно очистить от «грязи» множество образовательных сайтов, но это не всегда в компетенции педагога, который так же, как и студент является пользователем. Создать свой сайт– не каждый сможет.

Одним из выходов в сложившейся ситуации - это овладение преподавателем основ компьютерного моделирования. Сегодня основная масса педагогов способна создавать множество интересных и достаточно интерактивных презентаций, а также использует специальные приложения, такие как Adobe Flash, Adobe Captivate, Cam Studio, May Testи др. для решения педагогических и методических задач.

Широкие возможности открывает изучение основ программирования в среде Visual Basic,Delphi, Java, C++ и др. Программы, созданные в этих средах, позволяют реализовать различные задачи физики посредством графических и вычислительных возможностей языка программирования. Компьютерные модели, созданные в среде программирования более наглядны, т.е. более приближены к реальности и дают точные математические расчёты различных параметров, описывающих состояние той или иной физической системы. Это в совокупности позволяет изменять ситуацию, проводить компьютерные эксперименты, дающие такие же результаты, что и в действительности дают реальные физические опыты.

Конечно же, это не означает, что можно совсем отказаться от проведения демонстраций физических опытов. Но в зависимости от цели проводимого занятия использовать такие интерактивные модели можно. Особенно когда необходимо проводить рутинную работу по закреплению знаний или их проверки.

Целью нашей работы является создание специальных программных приложений, способствующих эффективной реализации образовательных программ. Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Каким образом представить изучаемый материал, чтобы он был не только понятен обучающемуся, но и давал возможность осмысления всевозможных вопросов, возникающих при изменении условий протекания того или иного физического явления.

2. Как преподавателю, ограниченному во временных рамках, проконтролировать качество усвоения вопросов физики, чтобы оценка знаний производилась эффективно и была более объективной.

1. Программы, моделирующие физические явления и законы

Нужны хорошие качественные программы, моделирующие те или иные физические явления, умеющие воспроизводить расчёты параметров в соответствии с физическими законами (формулами), анализировать результаты и наглядно представлять следствия этих расчётов.

В связи с этим мною были разработаны несколько подобных микропрограмм, которые позволяют достаточно быстро и убедительно объяснить некоторые вопросы физики:

Эти программы созданы в среде программирования Visual Basic 6.0 и поддерживаются операционной системой Windows XP,7 (Для их запуска необходимо разархивировать скачанный файл и запустить файл Пуск.exe).

Такие программы позволяют не только наглядно продемонстрировать явление, но и решать задачи данной темы, изменяя параметры. И наоборот, сначала решить задачу с указанными параметрами, а затем проверить, непосредственно проведя опыт на модели. Очень удобно, используя, к примеру, модель для изучения закона Ома изменяя один из параметров, можно строить графики зависимости напряжения, силы тока и мощности от внешнего или внутреннего сопротивлений, и др.

Рис. 1

Внешний вид программы представлен на рисунке 1. Перемещая движок, меняется соответствующая величина и одновременно происходит перерасчёт значений других величин. (Скажем, меняя внешнее сопротивление, в данный момент оно соответствует 15 Ом, будут изменяться и значения напряжения (22,5 В) и силы тока (1,5 А).

Кроме этого в случае отсутствия оборудования в кабинетах физики подобные модели позволяют проводить лабораторные работы и даже работы исследовательского характера. Эту модель, например, можно использовать для выполнения лабораторной работы «Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока».

Используя модель переменного тока с различными типами нагрузки, можно исследовать зависимости амплитуды тока от значений электроёмкости, индуктивности, сопротивления или частоты колебаний переменного тока.

Рис. 2

На рисунке 2 показано состояние электрической цепи переменного тока при определённых значениях активного сопротивления (2 Ом), индуктивности катушки (0,55 Гн) и электроёмкости (0,1 мкФ). Автоматически произведены все необходимые расчёты и графически представлена векторная диаграмма напряжений и сдвиг фазы между колебаниями напряжения и тока. Опять же при любых изменениях исходных параметров (при помощи движков) будет производиться перерасчёт значений. Всё это позволяет наглядно и просто показать студентам все изменения и закономерности. К примеру, проследить за изменением амплитуды тока при увеличении индуктивности катушки. В этой модели можно напомнить обучающимся и основные понятия, и формулы. Для этого имеется информационное окно, где при нажатии мышкой на обозначение физической величины появляется её определение и соответствующая расчётная формула.

Более того, при определённых значениях индуктивности катушки и электроёмкости можно получить достаточно высокие значения напряжений на конденсаторе (974,9 В!), что позволяет научно обосновать опыты знаменитого учёного Никола Тесла (Рис. 3), проведённые в Колорадо Спрингс ещё на рубеже 19-20 века. (При проведении эксперимента были зафиксированы грозоподобные разряды, исходящие от металлического шара. Длина некоторых разрядов достигала почти 4,5 метров, а гром был слышен на расстоянии до 24 км).

Рис. 3

Такие модели можно использовать непосредственно на занятии, выводя их на мультимедийное устройство, а также в качестве индивидуального использования на компьютере обучающегося, если таковы возможности имеются.

2. Программы для контроля знаний

Существенно сэкономить время преподавателя могут программы, способные отработать некоторые правила физики, а также проконтролировать и оценить знания обучающихся:

В физике есть много правил, научить детей умело пользоваться ими требует достаточно много времени. Отработать всевозможные ситуации на практике достаточно утомительно не только для обучающегося, но и для преподавателя. В связи с этим на помощь приходят так называемые тренажеры. На рисунке 4 представлен фрагмент работы с программой, способной отработать правило «левой руки» для нахождения силы, действующей на проводник с током в магнитом поле (силы Ампера). Студенту случайно предлагаются различные ситуации и варианты для выбора направлений в декартовой системе координат, связанных с расположением проводника с током, направлением магнитного поля или силы Ампера. Правильность ответов отображается на графической шкале в %. Такая программа может иметь и соревновательный характер, что вызывает живой интерес у обучающихся, желание как следует изучить правило.

Оценку работы обучающегося производит преподаватель в зависимости от того, каков % качества знаний и количества правильных ответов. Соответствующие критерии можно оговаривать перед проведением подобного контроля знаний.

Рис. 4

В этих микропрограммах обучающиеся должны ответить на ряд вопросов, составленных в виде теста. Результаты ответов автоматически проверяются, качество знаний оценивается в %. Работая с ними, обучающиеся не смогут поспорить с истиной, а все попытки «обмануть» программу бесполезны, остаётся лишь изучить тему и думать! Преподаватель лишь может констатировать факт наличия или нет знаний у обучающегося.

Например, в программе проверки знаний по теме «Электродинамика» (Рис. 5) случайным образом задаются вопросы, проверяющие знания обозначений электродинамических величин, единиц измерения, формул и определений этих величин. Обучающийся должен верно выбрать из списка нужную физическую величину. Точность ответов отображается на графической шкале в %, где также отображается количество верных вопросов и их общее количество.

Рис. 5

Особое место в проверке знаний обучающихся занимают тесты. Сколько внимания и времени требуется для их проверки. В среде программирования Visual Basic достаточно просто реализовать их автоматическую проверку и выставить отметку обучающемуся сразу же после прохождения теста. Мною разработан тест для итоговой проверки знаний, составленный из вопросов ЕГЭ по физике. Его внешний вид представлен на рисунке 6.

Рис.6

В этом тесте обучающийся может выбирать номер вопроса из списка в произвольном порядке. Правильность ответов и их количество отображается на графической шкале. После прохождения теста выставляется отметка.

Такие программы не велики по размерам и могут легко распространяться, используя внешние накопители или электронную почту. Поэтому их можно выдавать обучающимся для более тщательной подготовки к зачётным занятиям.

3. Примеры использования программ для изучения других дисциплин.

Применять компьютерные модели можно не только на занятиях по физике, но при овладении знаниями других дисциплин. Вот примеры таких программ:

Построение графиков тригонометрических функции всегда вызывает затруднения у обучающихся и занимает много времени. Значительно ускорить это поможет программа, фрагмент которой изображён на рис. 7.

Рис. 7

Здесь на графике построено изображение функции y=Sin7x+4 Cos x.

Судя по интерфейсу этой программы таким же образом можно, введя соответствующие значения параметров A, B, kи f и выбрав вид функции, представленный на кнопках одним щелчком мыши, легко построить любой график. Кроме этого есть возможность продемонстрировать преобразования графиков, изменяя соответствующие параметры. При этом можно строить несколько графиков в одной системе координат, что позволяет показать графический смысл решения некоторых уравнений.

Подобные микропрограммы можно использовать как непосредственно при объяснении материала, выводя на экран с помощью мультимедийного проектора, так и давая возможность самим обучающимся стрить графики и производить наблюдения за их преобразованиями при изменении коэффициентов.

Ещё один пример применения программ, созданных в среде программирования Visual Basic - программа, которая проверяет знания по теме «Логические элементы» из курса информатики или вычислительной техники (Рис.8)

Рис.8

В данной программе студенту необходимо правильно расставить значения сигналов («1» или «0») в соответствующих окошках (кнопках-переключателях) в зависимости от типа логического элемента, если на вход поданы три сгенерированных случайным образом сигнала. Программа сама считает количество ошибок и число попыток, на основании чего при завершении задания студенту автоматически выставляется отметка. Такая программа выполняет не только роль проверки знаний, но и заставляет пользователя думать и применять необходимые правила логики для достижения правильного результата. Поработав с ней в течение нескольких минут, обучающийся навсегда запомнит значения истинности логических элементов.

В общем, средства программирования позволяют создавать различные модели по различным дисциплинам и могут выполнять различные образовательные и методические задачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подведём итог всему выше изложенному. Компьютерные модели, разработанные в среде программирования, позволяют более конкретно изучить вопросы физики, в особенности те, в которых необходимо использование формул и законов (большой объём математических расчётов). Данные модели значительно сокращают время для более глубокого понимания и освоения обучающимися физических процессов и демонстрации различных взаимосвязей между физическими величинами. Также дают более полное представление об изучаемых явлениях.

Среда программирования Visual Basic предоставляет возможность преподавателю создавать программы для быстрого и объективного контроля знаний, а также программы-тренажеры для отработки различных навыков, необходимых при изучении физики.

Программы имеют небольшой информационный объём, что способствует их распространению среди обучающихся, тем самым являются доступными. Кроме этого их несложный интерфейс, результативность и динамичность способствуют повышению интереса к изучаемым явлениям, а также могут носить соревновательный характер и развивают коммуникативные способности обучающихся.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Быков, В.Л. Основы программирования на языке Visual Basic 6.0, Брест, БГТУ, 2002 г.

2. Ржонсницкий, Б.Н. Тесла, ЖЗЛ, «Молодая гвардия», 1959 г.

3. Пинский, А.А., Граковский Г.Ю., Физика, «Форум», 2006 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

1. СD/DVD /Компьютерные модели/

2. Электронный ресурс http://multiurok.ru/solvephysiks/files

10