Некоторые теоретические проблемы использования средств новых информационных технологий (СНИТ) в преподавании физики и пути их решения

Исмаилов Иса Намаз оглу,

доцент кафедры методики преподавания физики Азербайджанского государственного педагогического университета.

В настоящее время Азербайджан находится на важном этапе своего развития в сфере информатизации. Педагогическая общественность в связи с реформированием системы и содержания образования сталкивается с перво­очередной проблемой информатизации образования, которая опережает другие сферы общественной деятельности. Однако на этом пути пока стоит ряд проблем. Самыми насущными из них являются: обеспечение всех образо­ва­тель­ных учреждений СНИТ-ом, подготовка кадров, способных управлять этими средст­вами и технологиями, составление программных средств по различ­ным учебным предметам. В республике ведутся работы во всех этих трех направле­ниях. Так, за счет местного производства идет обеспечение учебных заведений СНИТ, а подготовка кадров для разных регионов республики ведется и на факультетах повышения квалификации и переподготовки в институте усовер­шен­ствования учителей в г. Баку и в его филиалах, функционирующих в отдельных регионах страны, а также по линии обучения студентов в педа­го­ги­чес­ких университетах и передачи им теоретических и практических знаний по вышеуказанным проблемам. В школах республики уже по многим предметам и в том числе по физике в распоряжение учителей переданы много­чис­ленные педа­гогические программные средства (ППС), отвечающие требо­ва­ниям меж­ду­­народных стандартов и электронные учебники [11]. Учитывая выше­­изло­жен­ное, считаем своей основной целью определить теоретические проблемы, соответствующие современному состоянию использования СНИТ в обучении физике в средних общеобразовательных школах, подготовить соот­ветствующие рекомендации для учителей. Хотя решение этой задачи должно идти по трем направлениям (общее, специальное и специфическое), хотим здесь более подробно остановиться лишь на специфических теорети­чес­ких проблемах.

Мы считаем, что поиски оптимальных путей усиления информатизации учебного процесса в обучении физике и гибкого перехода от традиционной методики обучения к применению пока еще продолжаются. Действующая система образования вряд ли сможет обеспечить усиление интереса к образованию, выявление способностей учащихся, проявление их самостоятель­нос­ти без использования современных технологий обучения. Как и в большин­с­т­ве школ мира, в школах Азербайджана также имеются проблемы: конвейерные методы обучения, пассивный характер усвоения учащимися знаний, направлен­ность образования не на сотрудни­чес­тво, а на противо­­борство; слабый учет индивидуаль­ного подхода к учащимся в усвоении информации. В связи с этим американский ученый Хервей Деан отмечал, что сегодня учащимся нужно другое образование, т.к. мир и учащиеся изменились и то, что вчера было необходимо, сегодня уже утратило свое значение. Фактически автор изложил изменения, происходящие в системе образования и необходимость более продуктивного процесса обучения [13]. Эти мысли встречаются и в работах русского педагога-методиста А.В.Хуторского [12]. Он, рассуждая о современ­ном продуктивном образовании, отмечает, что такое образование должно привести к активности учащегося, осуществлению его личного потенциала, к адекватности образования по изучаемым дисциплинам… Точнее, для современ­ного человека задача определенного выбора требует высокой сознательности, знаний и умений определить пути ее достижения, профессиональной и продук­тив­ной деятельности в образовании и жизни [12, с.51-52]. Это объясняется тем, что, по мнению ученых, всего мира, современные дети – это не вчерашние. Сейчас по каналам массовой информации идут передачи о ежедневных событиях в мире, разнообразные научно-популярные информации меняют мировоззрение детей и формируют его по новым философским и психоло­гическим направлениям.

Учитывая все это, на уроках физики 7-го класса дается информация о направленности естественных процессов, их повторности – периодичности, сохранении – симметричности процессов. Физика – основа техники, физика дает методы изучения природы, ставит эксперименты и предлагает теории; дает сведения о некоторых элементарных частицах, о движении идеальной жидкости, законе неразрывности струи, сведения о законе Бернулли. В 8 и 9-ом классах поле гравитации, колебания и волны, понятие энергии рассматри­ва­ются по-новому [8]. В реализации фундаментализации всего курса физики в жизнь (на основе принципа генерализации) средства новых информационных технологий (СНИТ) расширяют возможности учителя. Использование в обу­чении физике компьютерной графики облегчает построение и демонстра­цию таблиц, графиков, диаграмм и слайдов, позволяет представить наглядные материалы по физике макро- и микромира. Эта мультимедийная технология незаменима для наглядного восприятия учащегося. В этой работе следует стараться преодолеть формализм в усвоении учащимися учебных материалов по физике. В связи с этим И.Б.Горбунова справедливо замечала: «Прежде всего, формализм в восприятии физики получается потому, что зачастую учащиеся за формулами и уравнениями физики не видят реальных физических процессов, что в свою очередь приводит к механическому запоминанию математических символов и к непониманию рассматриваемых физических явлений» [4]. Для того чтобы устранить формализм в усвоении физики, надо повысить нагляд­ность при изучении теоретического материала и показать его практические применения. Опыт передовых школ показывает, что интенсивное использо­вание компьютерных технологий помогает полностью избавиться от форма­лиз­ма в преподавании.

Ясно, что работа педагога с мелом у доски в этом смысле недостаточна, информация по физике должна действовать на органы чувств учащихся (слух, зрение, сенсорика) комплексно, т.е. должна преподноситься более совершен­ны­ми средствами и методами. В этом деле мультимедийные компьютеры обладают очень большими возможностями.

Новые учебники физики, составленные по новым направлениям и имеющие новую структуру, расширяют возможности применения СНИТ-а, они обобщают особенности преподаваемого предмета, определяют специфические, практические и теоретические проблемы преподавания физики с использова­нием средств новых информационных технологий (СНИТ). Целый ряд фунда­менталь­ных физических теорий, преподаваемых в курсе физики средней школы, для своего успешного усвоения требуют использование рабочих физи­чес­ких моделей. Проблема использования СНИТ в преподавании «молекуляр­ной кинетической теории» (МКТ) может быть рассмотрена в качестве примера. Наша цель попытаться внести ясность в вопрос формирования у учащихся знаний, способностей и навыков путем применения СНИТ-а для соответствую­щей физической модели [10]. Для этого основные предпосылки МКТ должны быть продемонстрированы логически составленной схемой (рис.1) физических событий и процессов (свойства газов, явления диффузии, движения Броуна, деформации твердых тел, расширения тел от нагревания и их сжатия при охлаждении, течение жидкостей и др.), т.е. с помощью СНИТ-а физические примеры для всех трех предпосылок должны быть наглядным и динамическим образом продемонстрированы в течение короткого времени. С этой точки зрения, все три предпосылки демонстрируются на примере моделей симулятив­ных движений атомов и молекул. Потом можно указать на явления, подтверж­даю­щие все три вышеуказанные предпосылки: распространение запаха духов в воздухе, диффузию заварки в стакане воды, явление диффузии в твердых телах, демонстрация движения Броуна как пример беспорядочного движения молекул. Учитель, в связи с моделью Броуна, может привести пример беспорядочного движения футбольного мяча из-за ударов футболистов. После этого можно перейти к формуле Альберта Эйнштейна для перемещения броуновской частицы,  которая возникает из-за того, что удары молекул по этой частице полностью не компенсируются. Сказанное наглядно можно продемонстрировать на компьютере (с помощью имитации и симуляции) за достаточно короткое время.

Рис.1

 После этого даются пояснения к выводу основного уравнения идеального газа и повторяются логические выводы из этой гипотезы.

Рис. 1.

Ясно, что указанные материалы можно пояснить на опытах по проверке газовых законов. Но опыт Штерна учитель может продемонстрировать учащимся только с помощью компьютерной технологии. Все этапы объяснений (начальные факты, гипотезы и события, логические следствия и эксперименты) последовательно создают у учащихся завершение понятий кинетической теории газа. Опыт работы по такой системе показывает, что создание соответствующей модели для каждой теории и обобщение ее результатов с помощью СНИТ-а приобретает очень большое значение в деле оформления уроков. Одной из специфических проблем применения СНИТ-а в курсе физики средней школы является преподавание универсальных моделей физических систем (феноменологической термодинамики, идеального газа и др.). Можно пояснить это на феноменологической модели. Поскольку характер этой модели и ее закономерности не связаны с молекулярно-кинетической теорией, постольку ее сведения об изучаемых системах ограничены, и она не дает возможности прояснить подробную природу изучаемых явлений. Основные принципы (законы) термодинамики являются обобщением опытных фактов и являются типичным примером феноменологического подхода к науке. Именно эти особенности термодинамики открывают широкие возможности к применению СНИТ-а. Феноменологическая термодинамика основывается на четырех фундаментальных началах. Из них нулевое начало изучается наиболее формально. Это начало позволяет обосновать существование температуры для системы многих частиц для более сложных систем. Постоянство температуры в системе определяет термодинамическое равновесие между всеми точками этой системы. Используя СНИТ-а здесь целый ряд понятий (термодинамическая система, равновесие, а также работа, теплота, внутренняя энергия, энтропия) можно преподнести учащимся наряду с применением первого начала термодинамики к различным тепловым процессам и к следствиям из них (такие, как условия работы тепловых машин, невозможность вечных двигателей первого и второго рода, периодичность работы тепловых машин, невозможность 100% их КПД и т.д.). Надо заметить, что такие темы школьного курса физики как обратимые и необратимые процессы, цикл Карно, смысл понятия энтропии учащиеся понимают с трудом. Преподавание этих понятий традиционными методами затруднительно, но педагог с помощью СНИТ и использования электронных учебников может создать динамическую наглядность и с ее помощью преодолеть возникшие трудности.

Преподавание линейных и нелинейных моделей с помощью СНИТ-а представляет очередную специфическую проблему. Это подробно не раскрывается в школьном курсе физики. Однако в природе разделение процессов на «линейные» и «нелинейные» требует более подробных сведений об этих процессах. Такое разделение физических закономерностей определяется математическими методами описания этих процессов. Линейная физика использует для описания процессов линейные уравнения и потому наиболее понятна. Так, результат сложного действия (например, равнодействующая сила) определяется суммой отдельных действий. Т.е. для полного описания линейной системы достаточно рассмотреть сумму действий ее отдельных элементов. В нелинейных системах принцип суперпозиции не выполняется [6]. Переход от линейной теории к нелинейной можно пояснить философским положением о переходе количественных изменений в новое качество. Такой переход в науке вызывает большой интерес. И это объяснить более доступно возможно только с использованием СНИТ-а.

В последнее время в физике нелинейные методы начали сильно развиваться. Это можно объяснить с одной стороны применением компьютеров для сложных вычислений в физике, с другой стороны развитием математических теорий, таких, например, как «катастрофические теории» в математике. Итак, введение нелинейных теорий в курс физики средней школы (хотя бы для пояснения физических явлений, опирающихся на нелинейные модели) может дать возможность ознакомить учащихся с достижениями и открытиями в физике и ее интеграции с математикой и информатикой. Это открывает новые направления для проведения исследований по методике преподавания физики. С первого взгляда кажется, что изучение нелинейных явлений в курсе физики средней школы из-за их сложности невозможно. Но это не так. Во-первых, изучаемые в школьной физике многие явления и процессы по сути нелинейные. Во-вторых, сам этот факт, т.е. законы нелинейности и объяснение принципа суперпозиции, в целом полезные в познании науки, позволяют примерному определению области его применения.

Сказанное попытаемся применить к известному из механики закону Гука Е. При небольших деформациях эта зависимость линейная, далее линейность нарушается, что можно показать с помощью мультимедийной технологии. Демонстрация этой зависимости происходит перед взором учащихся, до ее обрыва, причем пояснение нелинейности процесса обеспечивает хорошее усвоение учебного материала.

Еще один простой пример – это закон Ома для участка цепи U= I R. Здесь легко показать опыты, демонстрирующие линейную зависимость между напряжением U и I силой тока. Учащиеся знают, зависимость R-сопротив­лен­ия проводника от температуры. Во многих случаях при прохождении электрического тока по проводнику его температура изменяется и тогда возникает нелинейная зависимость R(I) в полу­­про­водниках. Во многих случаях это приводит к новому эффекту, который широко используется на практике. Такой процесс п-типа имеет место в полупроводнике галлий-арсений (ЭаАс). Его вольт-амперная характеристика и имеет вид буквы N. Список нелинейных процессов можно сильно увеличить, используя примеры из оптики и атомной физики. Развитие науки и техники приводит не только к широкому использованию линейных зависимостей и требует необходимости их объяснения. Это может быть сделано с помощью компьютерных технологий в двух формах:

1) путем проведения эксперимента по разбираемому физическому явлению с присоединением датчиков к компьютеру и вычерчиванию соответствующих графиков на его дисплее с распечаткой на принтере (в этом случае весь процесс может наглядно наблюдаться во времени и иметь характер компьютерного эксперимента);

2) используя электронный учебник, можно осуществить имитацию физического процесса и при помощи видеофильма, показать все тонкости явления в наглядном и динамическом виде.

Методика преподавания физики нуждается в обоих формах экспериментального и аналитического исследования изучаемых физических процессов. Надеемся, что работающие в этих направлениях исследователи представят свои предложения и результаты размышлений по обсуждаемым здесь проблемам.

Можно отнести к специфической проблеме и использование CНИТ-а в изучении физики на основе геометрических представлений. До рассмотрения этой проблемы несколько подробнее остановимся на применении «геометрического» метода рассуждения в физике ХХ века и ее успехах. Этот метод разрушил некоторые созданные столетиями представления, заменив их созданием моделей, основывающихся на новых представлениях. Эти геометрические суждения начинаются с самых простых приметов курса механики средней школы. Далее они применяются в теории относительности и квантовой механике, а также в физике высоких энергий.

Во вселенной распределение материи определяет геометрию реального физического мира. Геометрия мира определяется гравитацией и отражает симметрию систем или ее нарушение. При этом очень сложное изложение вопроса в аналитической форме гораздо яснее выглядит в геометрической интерпретации. С помощью CНИТ действия, производимые на основе физических и математических моделей, получают наглядность и играют незаменимую роль в отображении микромира, то есть геометрические представления очень важны для раскрытия сущности физических явлений, так как все реальные события происходят в пространстве и во времени. Отметим, что зависимость геометрических свойств пространства от протекающих в нем материальных процессов впервые отметил русский математик Н.И.Лобачев­с­кий. Он высказал глубокие мысли о диалектической связи геометрических свойств реального пространства с заполняющей его материей.

Альберт Эйнштейн, описывая состояние вселенной математическими уравнениями, пришел к ряду очень интересных результатов. Из одного из них следовало, что геометрия Эвклида длительное время считавшаяся единственно верной, охватывает явления геометрии в масштабе земного шара, но она неприменима к астрономическим масштабам реального пространства [7]. Т.е. считается, что пространство и время есть формы существования материи, а «геометрия» пространства определяется наличием в нем материи. В геометрии А.Эйнштейна силы проявляются как искривление линий пространства- времени. Без CНИТ усвоение учащимися этих глубоких идей очень затруд­ни­тельно. Но с использованием графических возможностей компьютера оформле­ние понятия теории относительности у учащихся значительно облегчается.

С использованием компьютера возможно также создать у учащихся представление о взаимодействии космических лучей с магнитным полем земного шара и о возникновении при этом акустических и световых эффектов.

Проблема оформления физических знаний на основе геометрических представлений учащихся играет большую роль и в решении физических задач. Значение геометрических представлений невозможно не увидеть при решении задач по всем разделам физики, особенно по механике и геометрической оптике. Обобщая вышесказанное, можно отметить, что в преподавании физики использование CНИТ и геометрических представлений помогает оформлению глубоких знаний учащихся и проблема использования геометрических представлений очень интересна, важна и перспективна для будущего. Она несомненно будет исследоваться педагогами и в будущем тоже. Уже сейчас такие компьютерные программы как «Flash». «AutoCAD» открывают большие перспективы для геометрических иллюстраций многих физических процессов.

Итак, обобщая и систематизируя различные специфические проблемы использования CНИТ, можно оптимизировать процесс преподавания физики в средней школе, обеспечить ее более глубокое изучение (в горизонтальном и вертикальном направлениях), добиться лучшего усвоения учащимися более трудных разделов физики и обеспечить усиленную работу над собой учителей физики средней школы.

Литература

1. Гершунский Б.С. Теоретико-методологические основы компьюте­­р­­­и­­­­за­­ции в сфере образования. М: 1991, 130 с.

2. Извозчиков В.А., Ревунов А.Д. Электронно- вычислительная техника на уроках физики в средней школе. М: Просвещение, 1988, 238 с.

3. Исмаилов И.Н., Абдуллаев Д.С. Технические средства обучения и новые информационные технологии. Методика их использования в обучении (на азербайджанском языке). Баку, 2006, 358 с.

4. Кондратьев А.О., Горбунова И.Б. О путях преодоления формализма в знаниях при изучении фундаментального закона сохранения импульса в высшей и средней школах // Преодоление формализма в обучении. - 1989

5. Кондратьев А.С., Лаптев В.В., Ходанович А.И. Вопросы теории и практики обучения физике на основе новых информационных технологий. С.-Петербург: 2001. 96 с.

6. Мургузов М.И. Атомная физика. Кур, 2000, 466 с.

7. Открытая физика «Версия 2.6». Под.ред.проф. С. М. Козелла. Физикон. (Электронный диск) М.: 2005.

8. Физика. Школьный курс. М:, АСТ-ПРЕСС, 2000, 687 с.

9. Физика. Мултмедийный учебник новых поколений (Мехника. Моле­кул­ярная физика. Електродинамика. Оптика. Квантовая физика). Баку: 2007

10. Хуторский А.В. Развитие одарённости школьников: Методика продуктивного обучения: Пособие для учителя. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 2000, 320 с.

11. Harvey Dean “Center for Global Education Wheaton College – Report for 2005-06 Academic Year” May-2006, p.11.

Поступила в редакцию 29.06.2009 г.