Применение информационных технологий при изучении физики

Майер Роберт Валерьевич, профессор кафедры ИТФО

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики

1. Роль ИТ в познании окружающего мира. Цель естественнонаучного образования состоит в познании учащимися явлений окружающей действительности, построении ее теоретической модели -- научной картины мира. Часть объективной реальности, взаимодействующая с субъектом познания (человеком) и противостоящая ему в его предметно-практической и познавательной деятельности, называется объектом познания. В силу раздвоения мира на внешнюю (открытую) и внутреннюю (сокрытую) стороны, в теории познания выделяют внешний аспект объекта познания -- явление, и его внутренний аспект -- сущность.

Формирование научной картины мира осуществляется следующими способами: 1) умозрительное изучение результатов исследований ученых, осуществляемое по книгам, изложению учителя и т.п.; 2) выполнение реальных учебных наблюдений и экспериментов; 3) вычислительный эксперимент, использование ИТ с целью создания виртуальной модели изучаемых явлений. Выделим основные структурные элементы рассматриваемой дидактической системы и связи между ними: учащийся, на которого оказывают влияние среда, учитель, учебные опыты и наблюдения, информационные технологии (рис.1). Среда, то есть совокупность окружающих объектов и явлений, воздействует на учащегося и учителя, последний, учитывая ее влияние, выбирает такие методы обучения, при которых система научных знаний формируется оптимальным образом.

Исключение любого компонента из этой модели приводит к значительному ее огрублению. Самостоятельно, без посторонних источников информации (учителя, книги, электронной энциклопедии) учащийся не в состоянии построить научную картину мира, -- на это требуются поколения ученых. Без учителя нельзя получить систематичное образование. Учебные опыты и наблюдения являются эффективным средством формирования эмпирических знаний. Использование компьютерных технологий для решения учебных задач принципиально отличается от других методов обучения и на настоящем этапе является важным фактором, влияющим на учебный процесс. Естественные и социальные явления окружающей действительности определяют направление развития личности учителя и учащегося, цели, содержание и методы образования, применяемые средства обучения.

При использовании ПК в учебном процессе возникает информационная система, состоящая из двух (ученик и компьютер) либо трех элементов (ученик, учитель и компьютер), между которыми происходит информационный обмен. Эта дидактическая система, состоящая из учителя (эксперта), учащегося (обучаемого или тестируемого) и ЭВМ, используется для информационной поддержки принятия решений, осуществления обучения, формирования соответствующих умений и навыков, оценки и тестирования учащихся.

Традиционная методика использования ИТ предполагает, что учитель формулирует учебную задачу, которая может состоять в изучении того или иного вопроса, решении некоторой проблемы, написании компьютерной программы. Учащийся, используя ПК с соответствующим программным обеспечением, решает поставленную задачу. В ряде случаев компьютер оценивает работу учащихся.

Внедрение ПК в учебный процесс привело к изменению роли учителя. Возможность использования электронных источников информации превращает его в наставника, который не столько сообщает новую информацию, сколько управляет развитием учащегося, сотрудничает с ним при решении учебных задач.

2. Использование ИТ в образовании. Информатизация образования требует проведения соответствующих исследований и создания современных методов обучения, основанных на использовании информационных технологий, и приводящих к повышению качества учебного процесса до уровня требований постиндустриального общества. Это предусматривает приобщение учащихся к информационной культуре, построение в их сознании научной картины мира, овладение современными методами обработки информации.

В информатике под информационной (компьютерной) технологией понимают технологию переработки информации на ЭВМ, в результате которой получается новый информационный продукт (текстовый, графический, звуковой или видеофайл). Цель использования компьютеров в педагогической деятельности состоит в оказании педагогического воздействия на ученика, связанного с сообщением ему новых знаний, формированием умений, созданием оптимальных условий развития существенных сторон его личности, а также тестировании, оценки знаний и умений учащихся.

На наш взгляд, понятие информационной технологии в педагогике означает технологию обработки информации на электронных устройствах, связанную с сообщением учебного материала в текстовом, графическом, аудио- и видео- представлениях, решением задач по программированию, выполнением измерений, тестированием учащихся и оценкой их знаний и умений. При этом применяются автоматизированные и экспертные обучающие системы, учебные базы знаний, тестирующие программы, электронные книги и энциклопедии, информационно-поисковые системы, мультимедийные системы, создающие эффект виртуальной реальности, образовательные телекоммуникационные сети.

Основные направления применения компьютерной техники в физическом образовании представлены в таблице.

Изучение методов обработки информации на ПК предполагает знакомство учащихся с различными текстовыми и графическими редакторами, с базами данных и динамическими таблицами, а также создание и обработка видео-, аудио- и графических файлов. При изучении информатики учащиеся осваивают методы алгоритмизации и программирования, изучают языки Basic, Pascal, Visual Basic, Delphi и т.д., что позволяет им создавать несложные программы и решать соответствующие задачи.

Развитие мультимедиа технологии превратило персональный компьютер в эффективное средство для создания чувственно-наглядных образов изучаемых объектов и явлений, построения виртуальной модели реального мира. Интеграция современных средств информационных и коммуникационных технологий делают возможным дистанционное образование (предоставление образовательных услуг пользователям Интернета), получение доступа к информационным ресурсам глобальной сети.

При изучении естественнонаучных и технических дисциплин компьютер может эффективно использоваться как часть экспериментальной установки, учебной автоматизированной системы управления, а также в качестве программируемого источника сигналов и регистрирующего устройства. В приложении рассмотрена методика использования компьютера в учебных опытах по физике.

3. Мультимедиа технологии. Мультимедиа -- это компьютерная технология, обрабатывающая и сочетающая в себе текстовую, графическую, аудио- и видео- информацию, различные анимации и компьютерные модели. При этом используются гипермедиадокументы -- текстовые файлы, содержащие в себе связи с другими текстовыми, графическими, видео- или звуковыми файлами. Внутри гипертекстового документа некоторые фрагменты текста выделены. При их активизации можно перейти на другую часть этого же файла или запустить другой файл на этом или другом ПК.

В учебном процессе мультимедиа-технологии могут использоваться для обработки графических, видео- и аудиофайлов, для создания различных презентаций, обучающих, развивающих программ, компьютерных энциклопедий и гипермедиа- и телемедиа-книг. При этом достигается эффект виртуальной реальности -- некоторой модели реального мира, содержащей реально несуществующие объекты, с которыми взаимодействует пользователь. Преимущество мультимедийных продуктов: одновременное использование нескольких каналов восприятия, создание виртуальных моделей реальных ситуаций, явлений и экспериментов, визуализация абстрактной информации за счет динамического отображения процессов, установление ассоциативных связей между различными объектами.

Система виртуальной реальности погружает обучаемого в воображаемую трехмерную модель реального мира. Она обеспечивают "непосредственное" взаимодействие с различными объектами этого мира и манипулирование ими. Это качественно изменяет механизм восприятия и осмысления получаемой информации, способствует формированию чувственно-наглядного образа изучаемого явления. Мультимедийные средства обучения должны соответствовать дидактическим требованиям научности, доступности, проблемности, наглядности, сознательности, систематичности и последовательности обучения.

Современный электронный учебник является комплексом программного и педагогического обеспечения, в котором широко используются интерактивный текст, мультимедийные картинки, видеофрагменты, анимации, учебный материал разбит на систему модулей, связанных гиперссылками. Электронная учебная энциклопедия -- это упорядоченная система отдельных модулей, в каждом из которых представлена информация по соответствующему вопросу. Используется гипертекст, содержащий рисунки, фотографии, анимации, фильмы с аудиосопровождением. Иногда содержатся методические рекомендации и задания для учащихся.

Набор образовательных CD и DVD дисков, содержащих различные обучающие и тестирующие программы, электронные учебники и энциклопедии, учебные фильмы, тематический каталог предметных и методических пособий, позволяет создать электронную медиатеку, которую удобнее всего организовать на базе компьютерного класса, имеющего выход в Интернет.

В результате использования мультимедиа-технологии повышается интерес к физике, растет качество образования, активизируется познавательная деятельность, формируется научное мышление, осуществляется индивидуальный дифференцированный подход, творческое развитие личности, учащиеся глубже овладевают ИТ.

4. Использование сетевых технологий. Развитие компьютерной техники и средств связи обусловило появление и распространение вычислительных сетей. Школы и вузы имеют компьютерные классы и лаборатории, в которых ПК объединены в локальную сеть, допускающую выход в Интернет.

Совокупность ПК после их объединения в сеть приобретает качественно иные свойства, расширяя возможности пользователя. Использование общих информационных и аппаратных ресурсов позволяет изменить работу учителя и учащихся, применяемую методику. Учитель, сидя за головным компьютером, может обратиться по сети к другому ПК, за которым работает учащийся, скачать с него файлы, либо использовать его аппаратные ресурсы (накопитель, Web-камера, сканер, принтер и т.д.).

Интернет-технология -- автоматизированный способ хранения, передачи и получения требуемой информации, существующей в режиме постоянного обновления, с помощью глобальной телекоммуникационной сети. Всемирная Паутина (World Wide Web -- WWW) позволяет получать доступ к различным каталогам, базам данных, пользоваться электронной доской объявлений, проводить компьютерные конференции, общаться в реальном масштабе времени, то есть читать информацию по мере ее ввода другим пользователем. Это делает возможным дистанционное образование, предполагающее доступ обучаемых к информационным ресурсам по Интернет, использование электронной почты для рассылки учебных текстов и контрольных работ.

Полноценное информационное обеспечение учебного процесса предусматривает создание единого информационно-образовательного пространства. Для этого необходимо:

1. Объединить ПК одного или нескольких компьютерных классов в единую локальную вычислительную сеть (ЛВС), создать сервер, обеспечить авторизацию и регистрацию пользователей.

2. Организовать файл-сервер, обеспечивающий электронный документооборот, запись и чтение файлов, хранящихся на сервере, с любого ПК сети.

3. На сервере создать динамично развивающийся внутренний сайт, содержащий файлы с конспектами лекций, учебными программами, методическими рекомендациями и т.д. Файлы должны быть в формате html и содержать гипертекстовые ссылки на другие файлы.

4. Через модем подключить сервер к глобальной сети Интернет, установить программное обеспечение, позволяющее выйти в Интернет с любого ПК локальной сети.

5. Создать внешний сайт учебного учреждения или его подразделения, разместить его на сервере провайдера (организации, обеспечивающей подключение к Интернет).

Организация ЛВС и ее подключение к Интернет качественно изменяет работу учителя и учащихся, позволяя сделать следующее:

1. Создать на сервере базу данных, содержащую, например, информацию об учащихся, их оценки. Система позволяет обратиться к базе данных с запросом и выдать на ПК требуемую информацию. При наличии доступа авторизированный пользователь может с любого ПК изменить содержимое базы данных.

2. Обеспечить сохранение на сервере учебных и иных работ учащихся и учителя. Каждая группа пользователей может иметь свои имя и пароль, которые позволяют им считывать и записывать файлы в соответствующую папку сервера.

3. Просмотреть внутренний сайт образовательного учреждения (ее подразделения), скачать электронный вариант лекций, учебных заданий, методических рекомендаций, экзаменационных билетов, а также создать свою Web-страницу.

4. Организовать тестирование с помощью интерактивных Web-страниц, обрабатывающих данные по CGI-сценарию. Учащиеся со своих ПК вызывают форму с вопросами теста, в которой они выбирают правильные ответы или заполняют открытые поля. Результаты тестирования обрабатывает специальная программа, размещенная на сервере. Она ставит оценку, которая записывается в файл и/или выводится на экран соответствующего ПК.

5. Подключиться к Интернет, использовать электронную почту, скачивать полезную информацию, использовать различные справочные системы, дистанционное образование.

6. Развивать внешний сайт образовательного учреждения (вуза, школы) или его подразделения (факультета, кафедры), публиковать на нем информационные материалы о планируемых и прошедших мероприятиях (олимпиадах, конференциях), работы учащихся и учителей.

5. Связь между физикой и информатикой. Как уже отмечалось, преподавание физики, в первую очередь электродинамики, связано с изучением вычислительной техники и современных технологий сбора, хранения, обработки и передачи информации. Это обусловлено объективными причинами: развитие компьютерной техники и средств телекоммуникации стало возможным благодаря достижениям микроэлектроники, развитие которой опирается на физические законы. На примере этих устройств может быть показано значение физики для современной техники, ее роль в практической деятельности.

Рассмотрение различных вопросов школьного курса физики может сопровождаться ссылками на использование изучаемых явлений в устройствах сбора и обработки информации [1]. Так, при изучении протекания электрического тока в различных средах учащиеся знакомятся с полупроводниковыми приборами: диодами и транзисторами. Учителю следует сообщить о возможности построения различных электронных устройств: логических элементов, выполняющих операции И, ИЛИ, НЕ, генератора импульсов, вырабатывающего прямоугольные импульсы, триггера, способного находиться в двух устойчивых состояниях и запоминать 1 бит информации и т.д. Учащиеся должны понимать, что на их основе могут быть созданы такие узлы ЭВМ, как регистр памяти, сумматор, арифметико-логическое устройство, оперативная память, шифратор и дешифратор и т.д.

На уроке, посвященном принципу радиосвязи и передаче информации посредством электромагнитных волн, учитель может напомнить учащимся о современных достижениях в области телекоммуникации. Имеет смысл рассмотреть или упомянуть амплитудную, частотную и фазовую модуляции, принцип частотного и временного разделения канала связи, применение оптоволоконного кабеля для одновременной коммутации нескольких источников и потребителей информации и т.д. Примерами использования внешнего и внутреннего фотоэффекта является работа лазерного принтера, сканера, фото- и видеокамеры, оптодатчиков. Изучение магнитных свойств вещества, явления остаточной намагниченности, электромагнитной индукции может сопровождаться рассмотрением работы магнитных запоминающих устройств.

Рассматривая технологии изготовления микросхем, учитель может напомнить, что большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС) составляют элементную базу современных ЭВМ. Электронная промышленность продолжает развиваться в направлении уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на кристалле. Это приводит к увеличению производительности процессора, росту тактовой частоты, снижению напряжения питания. Так, в 2003 г. был освоен 90-нм технологический процесс, в 2005 осуществлен переход на 65-нм технологию, в 2007 планируется внедрение 45-нм технологии.

На уроке физики могут быть обсуждены перспективные направления развития компьютерной техники, некоторые из которых перечислены ниже:

1. Молекулярные компьютеры. Компания IBM получила ротаксан -- вещество, молекула которого обладает свойствами диода (1974 г.). Из нее можно сделать аналог транзистора, а из двух --- аналог триггера. Переключения молекулы ротаксана из одного состояния в другое осуществляется с помощью света или слабого электрического поля. Тактовая частота процессора возрастет до 1 ТГц.

2. Биокомпьютеры. Примером биокомпьютера является мозг человека. Применение в вычислительной технике биологических материалов делает возможным построение белковой памяти, создание биокомпьютера на ДНК. Он будет иметь малые размеры, высокое быстродействие, потреблять мало энергии и может служить частью живого организма.

3. Нейрокомпьютеры. Это вычислительная система, созданная на базе нейронных систем живого мира. Примером искусственной нейронной сети является перцептрон Розенблата. Нейрокомпьютерам присущи параллельность обработки информации, способность к обучению, распознаванию образов, установлению ассоциативных связей, высокая надежность.

4. Оптические компьютеры. Логические операции могут быть реализованы с помощью оптических элементов, что позволяет упростить работу оптических повторителей и усилителей оптоволоконных линий дальней связи. При этом используется явление оптической бистабильности: за счет нелинейности оптической среды возможны два стационарных состояния прошедшей световой волны, отличающихся интенсивностью и поляризацией. ЭВМ, используемые для передачи информации через оптоволокно, перейдут на оптическую основу, это позволит сохранять сигнал в световой форме и существенно повысить быстродействие.

5. Квантовые компьютеры. Квантовые вычислительные системы состоят из совокупности микрочастиц (атомов), способных переходить из одного энергетического состояния в другое. Это осуществляется за счет вынужденных переходов атомов под действием световых волн (фотонов) определенной частоты. Спонтанные переходы должны быть исключены. При этом могут быть реализованы все логические операции: И, ИЛИ, НЕ. Единицей информации является кубит (qubit, Quantum Bit). Двум значениям кубита 0 и 1 могут соответствовать основное и возбужденное состояния атома, различная ориентация спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце и т.д.

Литература

В приложении рассмотрена методика использования компьютера в учебном физическом эксперименте (файл prilog.zip).

1. Извозчиков В.А., Ревунов А.Д. Электронно-вычислительная техника на уроке физики в средней школе. -- М.: Просвещение, 1988. -- 239 с.

2. Майер Р.В. Информационные технологии и физическое образование. -- Глазов: ГГПИ, 2006. -- 64 с.

3. Электронный ресурс http://maier-rv.glazov.net (http://komp-model.narod.ru).

Вы можете познакомиться с другой статьей:

Фестиваль 2005/2006:

Использование персонального компьютера в учебном эксперименте по механике

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики
Рассматривается методика измерения времени, координаты и скорости с помощью ПК, к которому подключены геркон, оптодатчик или датчик координаты. Разработана система заданий, выполняя которые, учащиеся знакомятся с использованием датчиков в эксперименте, изучают методы их программирования. Система содержит 14 опытов, среди которых измерение времени замыкания (затемнения), времени между двумя замыканиями (затемнениями), изучение затухающих колебаний, реактивного движения, вращения тела в вязкой среде и другие.

Компьютерное моделирование физических явлений на уроке информатики

Статья отнесена к разделу: Преподавание информатики
В статье рассмотрены компьютерные модели одномерного и двумерного движения точки, движения системы материальных точек, распространения волны в одномерной упругой среде, автоволновых процессов в двумерной активной среде. В их основе лежит метод конечных разностей Эйлера. Все программы написаны на языке Pascal и могут быть использованы при изучении информатики в школе.