С.Ю. Тозюк

м. Вінниця

 

ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРОННИХ НАВЧАЛЬНО – МЕТОДИЧНИХ КОМПЛЕКСІВ ТА ПЕДАГОГІЧНИХ ПРОГРАМНИХ ЗАСОБІВ ПРИ ВИКЛАДАННІ ФІЗИКИ.

 

Швидкий розвиток в останні роки технічних і програмних можливостей персональних комп’ютерів, розповсюдження нових видів інформаційних технологій створюють реальні можливості їх використання, відкриваючи перед професійно-технічною освітою якісно нові шляхи подальшого розвитку й адаптації до потреб суспільства.

Загальна постановка проблеми. Нові інформаційні технології передбачають використання учнями комп’ютерної техніки. Потреба в інформаційних технологіях постійно зростає. Тому інформаційні технології навчання крім створення програмних засобів для комп’ютера мають передбачати створення електронних навчально – методичних комплексів (ЕНМК) для учнів та викладачів. Серед великої кількості різних комп’ютерних програм розроблені ЕНМК з фізики. Необхідною ознакою ЕНМК є відповідність його до чинної програми з урахуванням кращих досягнень традиційної методики і новітніх інформаційних технологій навчання. В такому розумінні ЕНМК набуває рис підручника – електронного підручника, поняття якого ще тільки формується. Суттєвим для означення електронного підручника є комп’ютерне моделювання фізичних явищ та процесів, а не тільки електронний спосіб зберігання та подання навчального матеріалу. Методично обґрунтоване використання ЕНМК забезпечить: функцію безперервного управління навчально – пізнавальною діяльністю учня з боку викладача дасть можливість говорити про реалізацію комп’ютерно орієнтованої технології навчання фізики.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Останні дослідження свідчать, що комп’ютер, як новий засіб навчання забезпечує навчальний процес інтерактивними формами діяльності. Він дає змогу використовувати мультимедіа, не суперечить здійсненню моделювання навчальних дій учнів, сприяє створенню ситуацій для комунікативного спілкування. Крім того забезпечує користувача можливостями широкого пошуку певної інформації, заощаджуючи час і зусилля. Однак для ефективного використання комп’ютера в класно – урочній системі навчання потрібно мати обладнаний комп’ютером спеціалізований кабінет, в якому є ще і спеціальні пристрої колективного призначення, наприклад мультимедійний проектор, інтерактивна дошка Smart Board. Саме за допомогою цих засобів навчання можна показати учням, як у невелику фразу (навіть одне слово) в електронному підручнику можна подати величезну кількість інформації [1,4].

Аналіз чинних програмних засобів, які є закінченими продуктами і поширюються через Інтернет, засвідчує, що різноманітні навчальні програми відомих розробників (Активная физика, Открытая физика, Физика – репетитор, Живая физика та ін.) [9] розраховано в основному на самостійне опанування навчального матеріалу і їх використовують переважно в системі дистанційної освіти та для підготовки абітурієнтів.

У методичних виданнях та матеріалах науково – методичних конференцій періодично з’являються публікації про комп’ютерні програми, що моделюють окремі фізичні явища для потреб навчально – виховного процесу [5]. Поява таких розробок цілком виправдана, оскільки в комп’ютерному програмному забезпеченні потрібна така сама різноманітність варіантів і підходів реалізації, яка є в навчальній літературі.

Останні розробки українських методистів та програмістів зосередилися переважно на створенні електронних підручників для вищої школи (загальна фізика) [8]. Колектив ВПУ №4 працює над створенням ЕНМК, який є прийнятним для використання в професійно – технічних навчальних закладах.

Мета цієї статті показати технологію використання електронних підручників, педагогічних програмних засобів та електронних навчально - методичних комплексів при викладанні фізики у ВПУ №4 м. Вінниці.

Ми виходили з того, що на уроці викладач, а вдома – підручник є основним джерелом знань та організатором навчальної діяльності учня. Тому комп’ютерні технології під час вивчення матеріалу на уроці чи вдома мають відігравати допоміжну демонстраційну роль. Ця допомога буде суттєвою під час вивчення фізичних явищ, якщо слово викладача та реальний фізичний експеримент супроводжуватимуться комп’ютерними демонстраціями, що зображують мікро-, макро- і мегапроцеси, візуалізують певні фізичні поняття, пояснюють механізми фізичних явищ [3].

Для прикладу розглянемо розробку ЕНМК з предмету «Фізика».

Структура даного посібника:

-         Методична інформація

Анотація;

Державний стандарт;

Робоча програма;

Тематичний план;

Календарно – тематичний план;

Література

-         Навчальний матеріал

Теоретичний матеріал;

Практичний матеріал;

Фізичний експеримент;

Словник термінів;

-         Матеріали для контролю знань

Критерії оцінювання;

Тестові завдання;

Завдання для самостійної роботи;

Контрольні запитання;

Білети до екзамену;

Блок методична інформація містить всю необхідну методичну інформацію: анотацію, щодо користування ЕНМК, державний стандарт, робочу програму; тематичний план; календарно – тематичний план; використану літературу.

Блок навчального матеріалу визначається програмою з фізики. Він містить основний теоретичний матеріал, описи фізичних явищ та законів, основних дослідів, визначення фізичних понять, формулювання законів та правил, що використовуються на практиці, деякі довідкові дані. У текстовій частині даного підручника розміщено гіперпосилання, за допомогою яких здійснюється перехід до ілюстративного матеріалу, моделей фізичних явищ та процесів, відеокадрів, що відображають фізичні явища та закони в природі та їх використання в техніці. Моделі фізичних явищ та процесів дають можливість виконати демонстраційний експеримент за допомогою імітаційної моделі. Математичний апарат, закладений у моделі, дає можливість отримувати значення фізичних величин, близькі до реальних і відповідно робити правильні висновки про фізичний зміст явища або процесу. Моделі лабораторних робіт реалізовано на основі діяльнісного підходу, вони передбачають не тільки спостереження фізичних процесів та явищ, які моделюються системою, а й безпосередню участь у них учня (наприклад вибір необхідного обладнання, виконання з’єднань електричного кола), що суттєво підсилює навчальний вплив лабораторних робіт [3, 9].

Модель, яка демонструє поділ ядер урану

Матеріали для контролю знань. У цьому блоці подано набір різнорівневих задач для самостійного розв’язування, тестові завдання розроблено в електронному зошиті тестів.

Електронний зошит тестів

Використовуючи ЕНМК можна організувати:

-         традиційний урок вивчення нового матеріалу. Теоретичний матеріал доповнюється ілюстраціями, схемами, відеофрагментами та моделями фізичних явищ і процесів;

-         урок розв’язування фізичних задач. До основних тем подано приклади та методичні вказівки до розв’язування фізичних задач. Учням пропонуються для самостійного розв’язування різнорівневі задачі;

-         комп’ютерні лабораторні роботи. Така лабораторна робота може передувати реальній лабораторній роботі, яка виконуватиметься у фізичній лабораторії (для підготовки до виконання роботи). Вона може виконуватися після проведення реальної лабораторної роботи з метою узагальнення отриманих результатів та розширення кола досліджуваних задач;

Пропонуємо розробку уроку з використанням віртуального фізичного експерименту:

Тема: «Квантові постулати Бора.»

Мета: ознайомити учнів з розв’язанням труднощів, що виникли при поясненні будови атомів за результатами дослідів Резерфорда; сформулювати постулати Бора.

Обладнання: підручник С. У. Гончаренко “Фізика -11”  К.:Освіта,  2002. – 319 с., мультимедійний проектор, інтерактивна дошка Smart Board.

Структура уроку.

I.       Організаційний момент.

II.     Актуалізація опорних знань:

1.            Які явища свідчать про складну будову атома?

2.            Яка модель атома передувала моделі Резерфорда?

3.     У чому полягає зміст дослідів Е. Резерфорда з розсіювання альфа-частинок, який висновок можна зробити з них?

4.     Яку модель будови атома запропонував Е. Резерфорд?

III.    Пояснення нового матеріалу.

План уроку:

1.     Труднощі планетарної моделі атома Резерфорда.

2.     Квантові  постулати Бора.

3.     Випромінювання та поглинання.

1.     Труднощі планетарної моделі атома Резерфорда.

Отже, в 1911році Резерфорд відкидаючи атомну модель Томсона вніс нову ідею в атомну фізику, створивши експериментально планетарну модель атома (мал. 1).

Дані уявлення потребують теоретичного обґрунтування, згідно законів класичної механіки. Так, як в даній моделі електрони рухаються навколо ядра з прискоренням, то згідно теорії Максвелла заряд, що рухається з прискоренням має випромінювати електромагнітні ні хвилі, що дорівнюють частоті його обертання навколо ядра.

Випромінювання супроводжуються втратою енергії. Втрачаючи енергію електрони мають наблизитись до ядра і електрони за  10-8c впасти на ядро, атом має припинити своє існування (мал. 2).

Але, як відомо атом стійкий і не випромінює електромагнітних хвиль, тому втрата енергії, випромінювання, що відбуваються в атомі не підпорядковується  законам класичної механіки.

 

мал. 1

мал. 2 Нестійкість класичного атома

Де ж вихід?

Вихід з цього складного становища в теорії атома знайшов у 1913році датський фізик Нільс Бор. Ейнштейн про працю Бора сказав: “це висока музикальність у галузі мислення”. Дійсно так, бо Бор не відкидав повністю класичні закон, він опираючись на дослідні факти, накладав деякі обмеження на рухи електронів, які допускає класична механіка, свої уявлення він подав у вигляді постулатів. Пізніше ці твердження лягли в основу цілої теорії руху мікрочастинок – квантової механіки ( механіки Бора).

(Підготовлена доповідь про Нільса Бора).

В чому суть постулатів?

1.     Квантові постулата Бора.

І все ж успіх теорії Бора був вражаючим. Усім вченим стало зрозуміло, що Бор знайшов правильний шлях розвитку теорії, який привів згодом до створення стрункої теорії руху мікрочастинок — квантової механіки.

мал. 3

2.     Постулати Бора:

1) атом може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових, станах, кожному з яких відповідає певна енергія Еп. В стаціонарному стані атом не випромінює електромагнітних хвиль;

Він суперечить класичній механіці тим, що енергія може бути якою завгодно, а в даному випадку певна енергія.

Щоб ви краще зрозуміли давайте розглянемо інтерпретацію енергетичних рівнів (їх розглядають у вигляді горизонтальних прямих, розташованих одна від одної на відстані пропорційній різниці енергій.

З першого постулату Бора випливає, що існують дискретні стаціонарні стани атома, в яких він має певні значення енергії Εν Е2, Е3, ... і енергії не випромінює. Для наочності прийнято зображати значення енергій атомів у вигляді горизонтальних прямих (енергетичних рівнів), розташованих одна над одною на відстані, пропорційній різниці енергій, де Ег — енергія атома в не збудженому (основному) стані (вона має найменше для дано­го атома значення), Е2, Е3 енергія збуджених станів атома.

мал. 4

Енергія атома вимірюється в еВ, але як відомо в системі CI енергія вимірюється в джоулях, тому існує перехід :

1еВ = 1,6 · 10-19Дж.

2) при переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається квант електромагнітної енергії.

Перехід атома зі стану з меншою енергією в стан з більшою енергією можливий лише під час поглинання атомом енергії. Випромінювання відбувається у разі переходу атома зі стану з більшою енергією в стан з меншою енергією.

Енергія фотона дорівнює різниці енергій атома в двох його стаціонарних станах:

де к і п – номери стаціонарних станів. При Ек > Еп відбувається випромінювання фотона, а при Ек < Еп – його поглинання.

3.     3. Випромінювання та поглинання

         Комп'ютерна модель є ілюстрацією постулатів Бору в застосуванні до кругових орбіт атома водню.

Модель дозволяє досліджувати переходи між декількома низькими орбітами атома водню, що супроводжуються випромінюванням або поглинанням фотона певної частоти або довжини хвилі (запитати, чому дорівнює частота з даної формули). Вказуються довжини хвиль відповідних переходів. Деякі спектральні лінії, розташовані в діапазоні видимого світла, зображені кольоровими смужками. Це лінії відповідають переходам на другу стаціонарну орбіту з більш видалених орбіт (так звана серія Бальмера).

Ультрафіолетові лінії умовно зображені синіми смужками, лінії інфрачервоної частини спектру – червоними смужками. В правому верхньому кутку екрану зображена схема енергетичних рівнів атома водню, на якій стрілками зображаються переходи між рівнями енергії, тобто переходи між стаціонарними орбітами.

Постулати Бора та досягнення квантової механіки сприяли до створення оптичного квантового генератора (лазера) у 1960р.

Модель роботи лазера

Робота лазерів ґрунтується на випромінюванні квантів енергії, коли атом з не збудженого стану з енергією Е1 переходить у стан з енергією Е2, при цьому випромінюються фотони. Усі вони мають однакову енергію, та поширюються в одному напрямі. Світловий пучок в діаманті становить 10 мкм, має велику потужність, поширюється на відстань десятків млн. км. Тому лазер сьогодні використовується в астрономії, при вивченні хімічного складу небесних світил (за допомогою лазера вивчена поверхня Місяця), в медицині, при спаюванні материнської плати.

В своїй професії ви безпосередньо можете поспостерігати втілення квантових постулатів Бора, працюючи з лазерними дисками, вони сьогодні є найпопулярнішими, бо містять величезні обсяги інформації ( 1000  книжок по 300 сторінок). Вставивши диск в CD-ROM, зчитування буде виконувати лазер, який випромінює квант енергії внаслідок переходу з одного енергетичного рівня на інший про, що говорить другий постулат Бора.

IV.    Закріплення вивченого матеріалу:

1)     Які виникли труднощі при поясненні будови атома?

2)     У чому зміст постулатів Бора?

3)      Від чого залежить частота випромінюваного атомом світла?

4)     В якому стані енергія електрона менша — в основному (стійкому) чи збудженому?

Під час проходження електрона в атомі Гідрогену з одного стаціонарного енергетичного рівня в інший енергія атома зменшується на ∆Е=1,89еВ. При цьому атом випромінює фотон. Визначте довжину хвилі λ цього випромінювання.

V.      Домашнє завдання:  §§ 77, 78 С. У. Гончаренко “Фізика -11”.

Висновки

Використання електронних підручників дає можливість:

-         реалізувати різні методи навчання одночасно для кожного з учнів, забезпечуючи індивідуалізацію навчання, а також організовувати групову роботу учнів,

-         зменшити обсяг навчального матеріалу за рахунок комп’ютерного моделювання, анімації та відео фрагментів,

-         формувати вміння і навички учнів за допомогою тренажерів (наприклад, із розв’язування фізичних задач),

-         здійснювати безперервний контроль за процесом засвоєння знань,

-         зменшити кількість рутинної роботи і заощадити час на удосконалення методики навчання та організацію індивідуальної роботи.

Література.

1.     Бойко О.І., Кадченко В.С. Комп’терні демонстраційні комплекти «Фізика – 10», «Фізика – 11» як засоби фронтального навчання на уроках фізики // Фізика та астрономія в школі – 2005. – №3. – с.50 – 54.

2.     Гороль П.К., Гуревич Р.С., Коношевський Л.Л. Шестопалюк О.В. Сучасні інформаційні засоби навчання: навч. посібник. – Вінниця ВДПУ, 2004. – 535 с.

3.     Захарова И.Г. Информационные технологии в образовании: Учеб. пос. для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М. Академия, 2003. – 192 с.

4.     Каплун С.В. Питання методики застосування комп’ютерних технологій у процесі викладання фізики // Комп’ютер в шк. та сім’ї. – 2004. – №3. – с. 17 – 19.

5.     Кірвас Є. О., Шарко В.Д. Віртуальний засіб навчання фізики «Хвильова оптика» // Сучасні тенденції розвитку природ. – матем. освіти: Зб. матеріалів міжнар. конф. – Херсон: Вид – во ХДПУ, 2002. – с. 63 – 67.

6.     Кривошеев А.О. Проблемы развития компьютерных обучающих программ // Высшее образование в России. – 1994. – №3. – С. 12-20.

7.     Коваль В.С., Шабалтас І.П. Поради щодо використання педагогічних програмних засобів на уроках фізики // Комп’ютер у школі та сім’ї. – 2004. – №2. – с. 28 – 31;

8.     Сумський В.І. Загальна фізика: Електрика та магнетизм: Навч. посіб. з комп’ютерною підтримкою. – К.: З-д «Росток», 2001.

9.     Открытая Физика 2.5 ООО ФИЗИКОН, 2002 E-mail: soft@physicon.ru;

10.  «Програмний Методичний Комплекс «Віртуальна фізична лабораторія»» – «Квазар – Мікро – Техно 2005».

 

The usage of electronic educational – methodological complexes and pedagogical programming appliances in studying Physics.

In Electronic educational – methodical complex can not appear at once on an empty place its components are – the media text – book, systems of testing elaboration of educational research works. They can be worked out as separate components of multi – functional system. That is why EEMC is a step to the au – round elaborated new generation.