Применение компьютерных средств обучения физике в современном образовании

№125-1,

физико-математические науки

В статье рассматриваются теоретические основы создания и использования компьютерных средств обучения физике. Приведены требования к дидактическим особенностям аудиовизуальных, информационных и компьютерных технологий в составе комплексного средства обучения. Показано, что выбор технологий программных и аппаратных средств должен осуществляться на основе оптимизации соотношения их возможностей, доступности и затратности использования.

Похожие материалы

С каждым годом использование компьютерных технологий в образовательном процессе учебных заведений различного типа становится более востребованным для успешного изучения некоторых тем учебной программы. В каждом заведении, оказывающем образовательные услуги, обязательным фактом является наличие аудитории, оснащенной компьютерами. Этот аспект создает возможность использования преподавателем современных технологий в процессе изучения дисциплины. Внедрение современных компьютерных технологий в процесс преподавания способствует конструированию такой среды, в которой наблюдается увеличение эффективности усвоения нового материала и активизация познавательной активности обучающихся [1-2].

Концентрированное объединение средств обучения, различных по назначению, применению и функциональным задачам, является сутью компьютерных средств обучения, и что такая парадигма осуществима только на основе современного персонального компьютера. Таким образом, говоря о создании компьютерных средств обучения, мы предполагаем непосредственное или опосредованное использование в обучении компьютера или планшета. До сих пор, несмотря на усилившееся в последние годы стремление к созданию всевозможных мультимедийных компьютерных средств обучения для школ и вузов, в педагогическом сообществе нет единого мнения и представления, о том какими знаниями и научными данными должен руководствоваться создатель [3, 4]. В связи с этим необходимо провести обстоятельный анализ научно-теоретических основ применения компьютера в обучении физике. Теоретические основы, о которых пойдет речь ниже, нужны разработчику, во-первых, для четкого очерчивания и осмысления границ знаний, которые ему понадобятся в процессе работы над компьютерными средствами обучения и, во-вторых, для полного и правильного учета в процессе его создания всех факторов, способных оказывать влияние на процесс и результат самого применения компьютера. Разрабатывая и конкретизируя теоретические основы, создатель сможет учесть все необходимые факторы, чтобы целенаправленно, научно обоснованно и грамотно работать над самим средством обучения. Это поможет сделать средство максимально эффективным, а процесс его создания и применения — максимально продуктивным и технологичным. Учитывая основные процессуальные и дидактические аспекты создания средства обучения с использованием компьютера, цели и задачи его применения, мы выделили пять основных групп знаний, необходимых создателю, относящихся к разным теоретическим областям. Изучение и конкретизация знаний каждой группы равно необходимы создателю для работы над комплексным средством обучения. Игнорирование или недостаточная проработка даже одного пункта любой группы чреваты ошибками, ведущими к резкому снижению дидактического качества конечного продукта.

Очевидно, что в дидактическом плане применение аудиовизуальных, информационных и компьютерных технологий должно отвечать всем дидактическим принципам, принципам отбора, организации и структурного построения учебного материала, а также специфическим принципам организации технологической поддержки обучения [5, 6]. Общие дидактические принципы, учитывая объективные закономерности познавательной деятельности, имеют универсальный характер и должны неукоснительно соблюдаться. Принципы отбора, организации и структурного построения учебного материала требуют от создателя учета, с одной стороны, оптимального для изучения материала построения модели средства обучения, а с другой, аксиоматики самого учебного курса. Принципы технологической поддержки обучения указывают разработчику на необходимость грамотного использования дидактических особенностей аудиовизуальных, информационных и компьютерных технологий (АВИКТ) в составе комплексного средства обучения; на недопустимость необоснованной подмены натурных опытов и экспериментов виртуальными; на важность полного согласования и сопряжения АВИКТ и характера их использования со всеми видами и формами работы субъектов и с другими средствами обучения. В методическом плане применение АВИКТ необходимо реализовывать на основе четкого вертикального выстраивания всей методической системы, а именно, вначале проектируя методику реализации учебного процесса; затем разрабатывая средства обучения и объединяя их в комплексы; и наконец, конструируя деятельность субъектов и ее оформление на основе традиционных и нетрадиционных методов и технологий. Программно-целевой метод имеет своей задачей разработку всех уровней образовательного процесса в соответствии с иерархией реализуемых целей. Системно-комплексный подход ориентирует создателя на такое качественное видение структуры, когда отдельные методические шаги, в том числе, направленные на использование средств обучения и АВИКТ, представляются в виде элементов и компонентов некоей единой системы, а сами средства при этом образуют целостные комплексы. Непосредственное же использование АВИКТ в конкретных методах и формах обучения должно быть регламентировано специальными положениями, отражающими характер взаимодействия с ним субъектов, уровень их компьютерной грамотности, степень воздействия средств АВИКТ на мыслительную деятельность субъектов со стороны эмоционально-волевой и мотивационно-потребностной сфер личности.

Психофизиологические основы применения АВИКТ призваны ориентировать создателя компьютерных средств обучения физике на максимальный учет фактически установленных психических и физиологических закономерностей учения и обучения, имеющих как возрастные, так и индивидуально-личностные особенности. Специальными положениями должны быть регламентированы условия, определяющие особенности мыслительной деятельности, ее развитие и ограничения. Огромное значение при моделировании взаимодействия со средствами АВИКТ имеет учение о скорости, глубине и прочности усвоения материала. И, наконец, само применение АВИКТ в обучении требует полного процессуального и содержательного соответствия с теорией поэтапного формирования умственных действий. Предметно-инструментальные основы включают научные факты, всевозможные математические и знаковые модели этих фактов и сведения об инструментальных возможностях АВИКТ, в том числе, доступных программных и аппаратных средств персонального компьютера. В основу любого включения АВИКТ в образовательный процесс должны быть положены реальные элементы физических теорий — понятия, законы, постулаты, принципы, правила и т.д. Представление физических явлений и процессов должно осуществляться на основе устоявшихся традиционных знаковых схем и с применением наиболее соответствующих и хорошо разработанных математических моделей. Выбор технологий программных и аппаратных средств должен осуществляться на основе оптимизации соотношения их возможностей, доступности и затратности использования.

Технические основы объединяют электротехническое и радиотехническое обеспечение создания технических устройств на базе средств АВИКТ, а также технологические принципы функционирования установки в образовательном процессе. Электротехническое устройство дополнительного оборудования должно обеспечивать решение задач, поставленных перед комплексным средством обучения, и отвечать всем требованиям безопасности для приборов 3 класса. Радиотехническое устройство дополнительного оборудования должно обеспечивать точную физико-техническую реализацию научных законов и принципов в процессе реализации опыта с использованием АВИКТ. Для функционирования дополнительного оборудования в образовательном процессе необходимо решение основных технологических задач технического характера. Эргономические основы объединяют знания о возрастных особенностях учащихся и их влиянии на взаимодействие со средствами обучения с требованиями эффективной минимизации энергетических и временных затрат и соблюдения норм и правил безопасности в образовательном процессе. Эта группа знаний затрагивает самые разные сферы, в том числе: — оформление надписей, шкал, рисунков, графиков; — размещение оборудования и инструментов на рабочем месте или на экране монитора и телевизора; — моделирование интерфейса создаваемых программ и оболочек; — разработка функциональных узлов и дизайна приборов, моделей и приспособлений, с которыми будут работать ученики; — оформление макетов и муляжей, изображений и схем изучаемых объектов и др.

В целом, эргономические основы нацелены на обеспечение удобства и эффективности взаимодействия учеников с создаваемым комплексным средством обучения, в том числе, посредством специального отбора последовательности этапов и разработки содержания каждого этапа. Функциональные основы представляют совокупные условия функционирования комплексного средства обучения в образовательном процессе, создаваемые нормативно-правовыми, программно-дидактическими, структурно-организационными и, безусловно, методическими требованиями, определяющими специфику, роль и место применения его на каждом этапе обучения. Нормативно-правовые документы определяют статус и границы использования компьютерных средств обучения физике. Программно-дидактические позволяют выявить назначение и функциональные особенности компьютерных средств обучения физике в предметном содержании. Структурно-организационный принцип контрапунктапозволяет определить смысловое, функциональное и структурное назначение компьютерных средств обучения физике в отношении всего множества средств обучения, необходимых для эффективной реализации содержания образования. Методическая поддержка должна обеспечивать достижение всех педагогических целей и решение задач, выдвигаемых в отношении использования компьютерных средств обучения физике в образовательном процессе.

Виртуальная лабораторная установка «Градуирование пружины и измерение сил динамометром»
Рисунок 1. Виртуальная лабораторная установка «Градуирование пружины и измерение сил динамометром»

В качестве примера компьютерного средства обучения физике приведем виртуальную лабораторную установку «Градуирование пружины и измерение сил динамометром». Установка создана на базе описания, находящегося в учебнике по физике за 7 класс под авторством Перышкина А.В. Установка является интерактивной и позволяет перемещать по полю работы мерные грузы и грузы неизвестной массы. Для измерения массы грузов используются электронные весы, для измерения силы используется пружина, подлежащая предварительной градуировке. Для разметки пластины динамометра используется линейка с сантиметровыми делениями и интерактивный карандаш. Для частичного удаления разметки используется ластик, для полного удаления результатов деятельности карандаша используется кнопка очистки. Следует отметить, что алгоритмы выполнения виртуальной работы и реальной совпадают с большой степенью точности. Анимация растяжения пружины выполнена наглядно и соответствует действительности. С помощью представленного компьютерного средства обучения можно научиться градуировать пружину, получать шкалу с любой (заданной) ценой деления и с её помощью измерять силы, т.е. достигнуть цели лабораторной работы.

С некоторыми другими созданными компьютерными средствами обучения физике можно ознакомиться на сайте автора данной статьи посвященного виртуальным работам по физике [7].

От того, насколько ответственно создатель отнесется к осмыслению и разработке всех приведенных оснований, и насколько пристально будет следить за выполнением всех теоретических разработок в практике реализации конечного продукта, будет зависеть результат применения аудиовизуальных и компьютерных технологий в обучении. Только при учете разработчиками и потребителями всех приведенных основ — требований мы вправе считать обоснованным и правомерным применение современных аудиовизуальных, информационных и компьютерных технологий в обучении.

Список литературы

  1. Franklin R., Smith Ju. Practical assessment on the run iPads as an effective mobile and paperless tool in physical education and teaching. Research in Learning Technology, 2015, vol. 23: 27986.
  2. De Jong T., Linn M.C., Zacharia C.Z. Physical and Virtual Laboratories in Science and Engineering Education//Science, 2013. V. 340. Apr 19. pp. 305-308.
  3. Девяткин Е.М. Интерактивные средства электронного и дистанционного обучения дисциплин естественнонаучного цикла /Е.М. Девяткин// Современные проблемы науки и образования. — 2018. — № 6. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=25956 (дата обращения: 21.04.2021).
  4. Девяткин Е.М. Реализация интерактивного обучения при решении физических задач повышенной сложности/ Девяткин Е.М., Хасанова С.Л. //Современные проблемы науки и образования. — 2019. — № 6. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id =29499 (дата обращения: 21.04.2021).
  5. Смирнов А.В. Новый курс «Информационные и коммуникационные технологии в физическом образовании» в системе подготовки бакалавров в педвузах / А.В. Смирнов, Н.В. Калачев, С.А. Смирнов // Физическое образование в вузах. — 2014. — Т. 20. — № 3. — С. 20-27.
  6. Смирнов А.В. Методика применения информационных технологий в обучении физике: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / А. В. Смирнов. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 240 с.
  7. Виртуальные лабораторные работы по физике [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://mediadidaktika.ru/course/view.php?id=20 (дата обращения: 30.10.17).