Совершенствование лекционного курса Электричество и магнетизм на основе применения компьютерных

Федеральное агентство по образованию
Ставропольский государственный университет
Физико-математический факультет
Кафедра общей физики
Утверждена приказом по университету
от 06.11.2007 г. № 961-с
Допущена к защите
"______"_______________________2008г.
Зав. кафедрой общей физики
кандидат физико–математических наук,
доцент Бондаренко Е.А.
Дипломная работа
Совершенствование лекционного курса «Электричество и магнетизм» на основе применения компьютерных технологий
Выполнил: Орехов Виталий Николаевич
студент 5 курса ФМФ А группы
специальности Физика
очной формы обучения
Научный руководитель:
Диканский Юрий Иванович доктор физ.–мат. наук, профессор
Дата защиты:
"_____" ______________ 2008 г.
Оценка ____________________
Ставрополь 2008 г.
Содержание
Введение
Глава I. Общие вопросы использования информационных технологий в образовательном процессе
§1.1. Классификация и характеристика программных средств информационной технологии обучении
§1.2. Психологические аспекты информатизации образовательной системы
§1.3. Применение компьютерных технологий при чтении лекций
Глава II. Использование информационных технологий при изучении темы «Электричество и магнетизм»
§2.1. Общие вопросы методики преподавания темы «Электричество и магнетизм»
§2.2. Повышение эффективности лекционного курса, используемого при изучении темы «Электричество и магнетизм» на основе информационных технологий
§2.3. Разработка электронной лекции по физике «Электромагнитные колебания» для школьного курса физики профильных классов
Заключение
Литература
Введение
Актуальность исследования. Демократизация общества, становление рыночных отношений выдвинули новые требования к обучению и воспитанию человека, гражданина, специалиста. В складывающихся социально-экономических отношениях востребованы профессионализм, ответственность, самостоятельность и инициатива, а не пассивное исполнительство. Эти социально значимые качества следует формировать у подрастающего поколения непосредственно в учебной деятельности. Учебное исследование является такой формой организации деятельности школьника, которая в существенной степени способствует их формированию и развитию.
Имеющее место все более тонкое структурирование общества, его информатизация, возрастание роли науки приводят к специализации и усложнению деятельности во всех сферах общественной жизни: производственной, технологической, правовой и т.д. В этих условиях все более актуальным становится требование самообразования в течение всей жизни, поскольку никакое накопление знаний «про запас» в институализированном обучении не может компенсировать необходимость их самостоятельного обновления и пополнения. Готовность к самообразованию может быть обеспечена, прежде всего, развитием познавательных способностей за счет овладения методологическим аппаратом приращения и применения знаний. Наиболее адекватный аппарат решения познавательных задач, а также развития творческих, коммуникативных, рефлексивных качеств личности заключает в себе отработанная веками методология научного поиска.
Сказанное свидетельствует о необходимости целенаправленного обучения школьников общим и специальным методам познания окружающего мира, логике и этапам научного познавательного процесса и, в конечном счете, целостной исследовательской деятельности.
В 21 веке любой образованный человек должен уметь использовать в работе современные информационные технологии. Таким образом, возникает необходимость в создании иной образовательной среды. В настоящее время актуальным является вопрос использования программно-педагогических и телекоммуникационных средств в учебном процессе школы и, в частности, при обучении физике и астрономии.
Для того, чтобы повысить эффективность развития познавательной и исследовательской деятельности и дать новые возможности для творческого роста учащихся, нужно использовать современные физические электронные лаборатории, мультимедийные компьютерные программы и телекоммуникационные технологии, открывающие учащимся доступ к нетрадиционным источникам информации — электронным гипертекстовым учебникам, образовательным сайтам, системам дистанционного обучения.
При правильном их использовании они обеспечивают целый ряд преимуществ перед обычным способом обучения:
индивидуализация учебного процесса по содержанию, объему и темпам усвоения учебного материала;
активизация учащихся при усвоении учебной информации;
повышение эффективности использования учебного времени;
положительная мотивация обучения за счет комфортных психологических условий работы учащегося, объективности оценки;
изменение характера труда преподавателя (сокращение рутинной работы и усиление творческой составляющей его деятельности).
Особую роль играет применение компьютерных технологий при обучении физике в средней школе. Как показывает педагогический опыт, наибольшее количество трудностей возникает при изучении тех разделов курса физики, которые связаны с электричеством и магнетизмом. Между тем методика изучения различных тем в этих разделах не разработана в должной мере. В связи с этим нами была сделана попытка обоснования целесообразности использования ИТО при изучении в частности темы “Электромагнитные колебания” и разработаны некоторые методические моменты, которые, в зависимости от принятой технологии учебного процесса, его целей и задач, а так же от компьютерной оснащенности школы, могут быть использованы преподавателями физики как для изучения всей темы целиком, так и для изучения ее отдельных вопросов.
Разработка нестандартного способа изложения темы говорит об актуальности исследования и заключает в себе элемент новизны и практической значимости.
Цель исследования – совершенствовать лекционный курс «Электричество и магнетизм» на основе применения компьютерных технологий, разработать методику изучения электроколебательных процессов с помощью компьютера.
Объектом исследования является организация учебного процесса при изучении физики.
Предметом является повышение эффективности лекционного курса, используемого при изучении темы «Электричество и магнетизм» на основе информационных технологий.
В основу работы была положена гипотеза: использование компьютерных технологий, а в частности некоторых прикладных пакетов, повышает эффективность учебного процесса и позволяет добиться более глубокого понимания данной темы учащимися.
Исходя из поставленной цели и сформулированной гипотезы, следуют задачи:
рассмотреть использование новых информационных технологий в образовательном процессе;
рассмотреть общие вопросы методики преподавания темы «Электричество и магнетизм»;
выяснить, с какими трудностями сталкиваются учащиеся в процессе изучения данной темы и, следовательно, каким вопросам и понятиям следует уделить особое внимание;
разработать электронную лекцию на тему «Электромагнитные колебания» для школьного курса физики профильных классов.
Для решения поставленных задач использованы следующие методы:
изучение методической, психологической и справочной литературы по данной теме;
знакомство с уже имеющимися разработками в области данной темы.
Глава I. Общие вопросы использования информационных технологий в образовательном процессе
§1.1.Классификация и характеристика программных средств информационной технологии обучении
Особая роль в процессе создания и использования информационных технологий принадлежит в системе образования высшей школе как основному источнику квалифицированных высокоинтеллектуальных кадров и мощной базе фундаментальных и прикладных научных исследований. Характерной особенностью системы образования является то, что она выступает, с одной стороны, в качестве потребителя, пользователя, а с другой — создателя информационных технологий, которые впоследствии используются в самых различных сферах. Это, по сути дела, обеспечивает практическую реализацию концепции перехода от информатизации образования к информатизации общества. Но при этом не стоит преувеличивать возможности компьютеров, поскольку передача информации — это не передача знаний, культуры, и поэтому информационные технологии предоставляют педагогам очень эффективные, но вспомогательные средства.
Для понимания роли информационных технологий в образовании необходимо разобраться с сутью этого понятия.
Говоря об информационной технологии, в одних случаях подразумевают определенное научное направление, в других же — конкретный способ работы с информацией: это и совокупность знаний о способах и средствах работы с информационными ресурсами, и способ и средства сбора, обработки и передачи информации для получения новых сведений об изучаемом объекте.--PAGE_BREAK--
В контексте образования мы будем руководствоваться последним определением. В каком-то смысле все педагогические технологии (понимаемые как способы) являются информационными, так как учебно-воспитательный процесс всегда сопровождается обменом информацией между педагогом и обучаемым. Но в современном понимании информационная технология обучения (ИТО) — это педагогическая технология, использующая специальные способы, программные и технические средства (кино, аудио- и видеосредства, компьютеры, телекоммуникационные сети) для работы с информацией.
Таким образом, ИТО следует понимать как приложение информационных технологий для создания новых возможностей передачи знаний (деятельности педагога), восприятия знаний (деятельности обучаемого), оценки качества обучения и, безусловно, всестороннего развития личности обучаемого в ходе учебно-воспитательного процесса. А главная цель информатизации образования состоит «в подготовке обучаемых к полноценному и эффективному участию в бытовой, общественной и профессиональной областях жизнедеятельности в условиях информационного общества»[6].
Понятие компьютерная технология обучения (КТО), с учетом широких возможностей современных вычислительных средств и компьютерных сетей, часто используется в том же смысле, что и ИТО. Но применение аббревиатуры КТО вместо ИТО встречает возражения. Они связаны с тем, что информационные технологии могут использовать компьютер как одно из возможных средств, не исключая при этом применения аудио- и видеоаппаратуры, проекторов и других технических средств обучения. Кроме того, понимание роли компьютера как вычислительной машины (англ. computer — вычислитель) стало уже анахронизмом. Поэтому сам термин «компьютерная (буквально — вычислительная) технология» выглядит неудачно.
Систематические исследования в области применения информационных технологий в образовании ведутся более сорока лет. Система образования всегда была очень открыта внедрению в учебный процесс информационных технологий, базирующихся на программных продуктах самого широкого назначения. В учебных заведениях успешно применяются различные программные комплексы — как относительно доступные (текстовые и графические редакторы, средства для работы с таблицами и подготовки компьютерных презентаций), так и сложные, подчас узкоспециализированные (системы программирования и управления базами данных, пакеты символьной математики и статистической обработки).
В то же время эти программные средства никогда не обеспечивали всех потребностей педагогов. Начиная с 60-х гг., в научных центрах и учебных заведениях США, Канады, Западной Европы, Австралии, Японии, России и ряда других стран было разработано большое количество специализированных компьютерных систем именно для нужд образования, ориентированных на поддержку разных сторон учебно-воспитательного процесса.
Для соответствующих ИТО в зарубежной практике принята следующая терминология:
CAI
Computer Aided Instruction
Компьютерное программированное обучение
CAL
Computer Aided Learning
Изучение с помощью компьютера
CBL
Computer Based Learning
Изучение на базе компьютера
CBT
Computer Based Training
Обучение на базе компьютера
CAA
Computer Aided Assessment
Оценивание с помощью компьютера
CMC
Computer Mediated Communications
Компьютерные коммуникации
В определенном смысле подобная классификация является весьма условной, поскольку в ней, по сути дела, происходит пересечение отдельных технологий.
В этом можно убедиться, рассмотрев более детально каждую из них.
Компьютерное программированное обучение — это технология, обеспечивающая реализацию механизма программированного обучения с помощью соответствующих компьютерных программ.
Изучение с помощью компьютера предполагает самостоятельную работу обучаемого по изучению нового материала с помощью различных средств, в том числе и компьютера. Характер учебной деятельности здесь не регламентируется, изучение может осуществляться и при поддержке наборов инструкций, что и составляет суть метода программированного обучения, лежащего в основе технологии CAI.
Изучение на базе компьютера отличает от предыдущей технологии то, что если там возможно использование самых разнообразных технологических средств (в том числе и традиционных — учебников, аудио- и видеозаписей и т. п.), то здесь предполагается использование преимущественно программных средств, обеспечивающих эффективную самостоятельную работу обучаемых.
Обучение на базе компьютера подразумевает всевозможные формы передачи знаний обучаемому (с участием педагога и без) и, по существу, пересекается с вышеназванными.
Оценивание с помощью компьютера может представлять собой и самостоятельную технологию обучения, однако на практике оно входит составным элементом в другие, поскольку к технологиям передачи знаний в качестве обязательного предъявляется и требование о наличии у них специальной системы оценки качества усвоения знаний. Такая система не может быть независимой от содержания изучаемой дисциплины и методов, использующихся педагогом в традиционном обучении или реализованных в обучающей программе.
Компьютерные коммуникации, обеспечивая и процесс передачи знаний, и обратную связь, очевидно, являются неотъемлемой составляющей всех вышеперечисленных технологий, когда речь идет об использовании локальных, региональных и других компьютерных сетей. Компьютерные коммуникации определяют возможности информационной образовательной среды отдельного учебного заведения, города, региона, страны. Поскольку реализация любой ИТО происходит именно в рамках информационной образовательной среды, то и средства, обеспечивающие аппаратную и программную поддержку этой образовательной технологии, не должны ограничиваться только лишь отдельным компьютером с установленной на нем программой. Фактически все обстоит наоборот: программные средства ИТО и сами образовательные технологии встраиваются в качестве подсистемы в информационную образовательную среду — распределенную информационную образовательную систему.
Не отрицая важности классификации ИТО, заметим, что для их эффективного применения педагогу в первую очередь необходимо ориентироваться в соответствующем программном обеспечении.
Программное обеспечение, использующееся в ИТО, можно разбить на несколько категорий:
обучающие, контролирующие и тренировочные системы;
системы для поиска информации;
моделирующие программы;
микромиры;
инструментальные средства познавательного характера;
инструментальные средства универсального характера;
инструментальные средства для обеспечения коммуникаций.
Под инструментальными средствами понимаются программы, обеспечивающие возможность создания новых электронных ресурсов: файлов различного формата, баз данных, программных модулей, отдельных программ и программных комплексов. Такие средства могут быть предметно-ориентированными, а могут и практически не зависеть от специфики конкретных задач и областей применения.
Основное требование, которое должно соблюдаться у программных средств, ориентированных на применение в образовательном процессе, — это легкость и естественность, с которыми обучаемый может взаимодействовать с учебными материалами. Соответствующие характеристики и требования к программам принято обозначать аббревиатурой НCI (англ. Human — Computer Interface — интерфейс — человек — компьютер). Этот буквальный перевод можно понимать как «компьютерные программы, диалог с которыми ориентирован на человека».
Охарактеризуем перечисленные категории программного обеспечения более подробно.
Контролирующие системы. Применение информационных технологий для оценивания качества обучения дает целый ряд преимуществ перед проведением обычного контроля. Прежде всего, это возможность организации централизованного контроля, обеспечивающего охват всего контингента обучаемых. Далее, компьютеризация позволяет сделать контроль более объективным, не зависящим от субъективности преподавателя. В настоящее время в практике автоматизированного тестирования применяются контролирующие системы, состоящие из подсистем следующего назначения:
создание тестов (формирование банка вопросов и заданий, стратегий ведения опроса и оценивания);
проведение тестирования (предъявление вопросов, обработка ответов);
мониторинг качества знаний обучаемых на протяжении всего времени изучения темы или учебной дисциплины на основе протоколирования хода и итогов тестирования в динамически обновляемой базе данных.
На рис. 1 представлена функциональная схема контролирующей системы.
С подсистемой создания тестов работает непосредственно или педагог, или оператор, который вводит информацию, предоставленную педагогом. Во избежание возможных ошибок, с целью упрощения подготовки материалов в таких подсистемах обычно используются шаблонные формы — для внесения текста вопроса или задания, вариантов ответа, правильного ответа и т.д. В итоге данная подсистема формирует базу данных, служащую основой для проведения тестирования. Обучаемому, работающему с подсистемой проведения тестирования, может быть предложен индивидуально подобранный набор вопросов и алгоритм их предъявления. По результатам тестирования с помощью подсистемы мониторинга будет сформирована база данных, обеспечивающая необходимой информацией педагога, обучаемых и администрацию учебного заведения.
/>
Рис. 1. Функциональная схема контролирующей системы
Разработка современных контролирующих систем базируется на соблюдении основного требования: система должна быть абстрагирована от содержания, уровня сложности, тематики, типа и предметной направленности отдельных тестовых заданий и способна работать на изолированных компьютерах, в локальной сети и в сети Internet. Подобная стандартизация позволяет не прибегать для создания каждого очередного теста и обработки его результатов к услугам программистов, а, освоив определенную систему, наполнять ее содержательную часть по различным дисциплинам на основе общих принципов. В этом случае легче подготовить: педагогов — к формированию тестов, а обучаемых — к прохождению тестирования.
Обучающие и тренировочные системы. Создание собственно учебных компьютерных средств шло на основе идеи программированного обучения. И в настоящее время во многих учебных заведениях разрабатываются и используются автоматизированные обучающие системы (АОС) по различным учебным дисциплинам. Наиболее распространены АОС по естественно-научным и техническим дисциплинам. Однако есть опыт создания и применения таких систем даже для изучения литературы.    продолжение
--PAGE_BREAK--
АОС включает в себя комплекс учебно-методических материалов (демонстрационные, теоретические, практические, контролирующие) и компьютерные программы, которые управляют процессом обучения. Разработка специализированных программ обычно предполагает решение вполне определенных задач компьютеризации учебного процесса. Так, АОС используются для изучения новых для обучаемого концепций и процессов. Материал предлагается в структурированном виде и обычно включает демонстрации, вопросы для оценки степени понимания, обеспечивающие обратную связь. Современные АОС позволяют корректировать процесс обучения, адаптируясь к действиям обучаемого.
АОС обычно базируется на инструментальной среде — комплексе компьютерных программ, предоставляющих пользователям, не владеющим языками программирования, следующие возможности работы с системой:
педагог вводит разностороннюю информацию (теоретический и демонстрационный материал, практические задания, вопросы для тестового контроля) в базу данных и формирует сценарии для проведения занятия;
ученик в соответствии со сценарием (выбранным им самим или предложенным педагогом) работает с учебно-методическими материалами программы;
автоматизированный контроль усвоения знаний обеспечивает необходимую обратную связь, позволяя выбирать самому ученику (по результатам самоконтроля) или назначать автоматически последовательность и темп освоения учебного материала;
работа ученика протоколируется, информация (итоги тестирования, изученные темы) заносится в базу данных;
педагогу и ученику предоставляется информация о результатах работы отдельных обучаемых или определенных групп, в том числе и в динамике.
Возможности высших учебных заведений обычно позволяют им вести проектирование таких инструментальных сред, ориентированных на создание АОС [16]. В то же время в системе общего и профессионального образования разработано множество обучающих программ по отдельным учебным дисциплинам, отличающихся оригинальностью, высоким научным и методическим уровнем. Например, в рамках проекта «Гармония» [21] учителями из различных регионов России и стран СНГ (Горно-Алтайска, Бийска, Гродно, Новокузнецка, Одессы, Омска и др.) были разработаны электронные учебные пособия по информатике, истории, литературе и другим предметам. В сети Internet в настоящее время представлены различные авторские разработки этого плана.
В 80—90-е гг. XX в. массовое производство относительно недорогих и в то же время обладающих постоянно улучшающимися техническими характеристиками персональных компьютеров обусловило резкое увеличение темпов информатизации.
В сфере обучения, особенно с появлением операционной системы Windows, открылись новые возможности. Главными из них стали доступность диалогового общения в так называемых интерактивных программах и возможность широкого использования графики (рисунков, схем, диаграмм, чертежей, карт, фотографий). Применение графических иллюстраций в учебных компьютерных системах позволяет на новом уровне передавать информацию обучаемому и улучшать ее понимание. Учебные программные продукты, использующие графику, способствуют развитию таких важных качеств, как интуиция, образное мышление.
Дальнейшее развитие компьютерных технологий в последнее десятилетие предоставило технические и программные новинки, очень перспективные для образовательных целей. В первую очередь — это устройства для работы с компакт-дисками — CD-ROM (англ. Compact Disk Read Only Memory — устройство для чтения с компакт-диска) и CD-RW (англ. Compact Disk Read/Write — устройство для чтения и записи на компакт-диск), позволяющие сосредоточить большие объемы информации (сотни мегабайт) на небольшом и недорогом носителе.
Возросшая производительность персональных компьютеров сделала возможным достаточно широкое применение технологий мультимедиа, систем виртуальной реальности.
Действительно, современное обучение уже трудно представить без технологии мультимедиа (англ. multimedia — многокомпонентная среда), которая позволяет использовать текст, графику, видео и мультипликацию в режиме диалога и тем самым расширяет области применения компьютера в учебном процессе. Изобразительный ряд, включая образное мышление, помогает обучаемому целостно воспринимать предлагаемый материал. Появляется возможность совмещать теоретический и демонстрационный материалы. Тестовые задания уже не ограничиваются словесной формулировкой, но и могут представлять собой целый видеосюжет. Мультимедиа программы — это наукоемкий и весьма дорогостоящий продукт, так как для его разработки необходимо соединить усилия не только специалистов в предметной области, педагогов, психологов и программистов, но и художников, звукооператоров, сценаристов, монтажеров и других профессионалов.
Виртуальная реальность (англ. virtual reality — возможная реальность) — это новая технология неконтактного информационного взаимодействия, реализующая с помощью мультимедиа среды иллюзию непосредственного присутствия в реальном времени в стереоскопически представленном «экранном мире». В таких системах непрерывно создается иллюзия «местонахождения» пользователя среди объектов виртуального мира.
Новые возможности для создания АОС открыла в 90-е гг. гипертекстовая технология, которая получила мощнейшее развитие благодаря возможности создания гипертекста с помощью специального языка HTML (англ. HyperText Markup Language — гипертекстовый язык разметки), изобретенного Тимоти Бернерс-Ли. Гипертекст (англ. hypertext— сверхтекст), или гипертекстовая система, — это совокупность разнообразной информации, которая может располагаться не только в разных файлах, но и на разных компьютерах.
Основная черта гипертекста — возможность переходов по так называемым гиперссылкам, которые представлены либо в виде специально оформленного текста, либо определенного графического изображения. Одновременно на экране компьютера может быть несколько гиперссылок и каждая из них определяет свой маршрут «путешествия». Наряду с графикой и текстом можно связать гиперссылками и мультимедиа-информацию, включая звук, видео, анимацию. В этом случае для таких систем используется термин гипермедиа.
Распространение гипертекстовой технологии в определенной мере послужило своеобразным толчком к созданию и широкому тиражированию на компакт-дисках разнообразных электронных изданий: учебников, справочников, словарей, энциклопедий (школьная серия «1С: Репетитор», энциклопедические и учебные издания фирмы «Кирилл и Мефодий» и др.). Использование в электронных изданиях различных информационных технологий (АОС, мультимедиа, гипертекст) дает весомые дидактические преимущества электронной «книге» по сравнению с традиционной:
в технологии мультимедиа создается обучающая среда с ярким и наглядным представлением информации, что особенно привлекательно для школьников;
осуществляется интеграция значительных объемов информации (до 700 Мб) на едином носителе;
гипертекстовая технология благодаря применению гиперссылок упрощает навигацию и предоставляет возможность выбора индивидуальной схемы изучения материала;
на основе моделирования процесса обучения становится возможным дополнить учебник тестами, отслеживать и направлять траекторию изучения материала, осуществляя, таким образом, обратную связь.
Вышеперечисленные возможности в полной мере реализованы в таком электронном учебнике, как «Открытая физика» фирмы «Физикон», представляющем собой полный курс физики для школьников VII—XI классов и абитуриентов. Учебник работает в режиме диалога с обучаемым. Он включает более 80 компьютерных экспериментов, учебное пособие, видеозаписи экспериментов, звуковые пояснения. Еще одним характерным примером реализации возможностей современных информационных технологий является сборник компакт-дисков фирмы «1С: Репетитор» «Русский язык, Физика, Химия, Биология (4 CD)». Программы сборника содержат подробное изложение всего теоретического материала по каждому предмету, эквивалентное 3800 страницам формата А4, около 6 ч дикторского текста, около 1400 иллюстраций, 400 компьютерных анимаций и видеофрагментов (химические и физические опыты, жизнь животных), 70 интерактивных физических моделей, позволяющих изменять параметры процессов, 50 озвученных диктантов на все правила русского языка, встроенную контролирующую подсистему, включающую около 2000 тестов, задач и языковых практикумов (все — с ответами, многие — с решениями). Каждый компакт-диск содержит также обширные справочные сведения (интерактивные раскрывающиеся таблицы, формулы и т.д.), биографии известных ученых, словарь терминов, список литературы.
Тренировочные системы являются частным случаем обучающих систем. Подобные системы предназначены для закрепления предварительно изученного материала, отработки определенных навыков и умений, а также тех способов деятельности, которые должны воспроизводиться обучаемым на уровне, доведенном до автоматизма. Они могут быть как самостоятельным средством, так и входить в качестве подсистемы в КОС. В их основе — предоставление обучаемому вопросов, заданий, упражнений и обработка ответов с обеспечением соответствующей обратной связи.
Системы для поиска информации. Системы для поиска информации, или информационно-поисковые системы, давно используются в самых различных сферах деятельности. Но для образования это еще довольно новый вид программного обеспечения. В то же время современные требования к информационной компетентности предполагают высокий уровень знаний в области поиска, структурирования и хранения информации. Преподаватели могут использовать сами, а также предложить обучаемым различные информационно-поисковые системы: справочные правовые системы («Гарант», «Кодекс», «Консультант Плюс»), электронные каталоги библиотек, поисковые системы в Internet, информационно-поисковые системы центров научно-технической информации и т.п. Наконец, электронные словари и энциклопедии, гипертекстовые и гипермедиа системы также представляют собой системы для поиска информации, одновременно выполняя функции ДОС.
Моделирующие программы. Одной из важнейших и распространенных причин использования моделирующих программ в обучении является потребность моделирования или визуализации каких-либо динамических процессов, которые затруднительно или просто невозможно воспроизвести в учебной лаборатории или классе. Такие программы, позволяющие моделировать эксперименты, воображаемые или реальные жизненные ситуации, используются для активизации поисковой деятельности обучаемых и в качестве самостоятельных программных средств, и в составе обучающих систем.
Компьютерное моделирование может основываться на математической модели, лабораторном эксперименте, анимации, в которых представлена работа некоторого предприятия, протекание того или иного процесса и т.д. В моделирующих программах возможно широкое использование интерактивной графики (т.е. поддерживающей режим диалога), дающей обучаемому возможность не только наблюдать особенности изучаемого процесса, но и исследовать эффекты влияния меняющихся параметров на получаемые результаты, «поворачивая» с помощью мышки рукоятки приборов, «смешивая» растворы и т.д. [25]. Моделирующие программы могут быть и автономными, но чаще они входят в качестве подсистем в АОС. Например, в уже упоминавшемся электронном учебнике «Открытая физика» изучение теоретического материала, решение задач поддерживается работой с моделирующими программами, которые дают обучаемому целостное представление об изучаемом процессе, активизируют познавательную деятельность, позволяют стать настоящим экспериментатором. В учебнике создается особая образовательная среда, в которой помимо математической модели, позволяющей изучить влияние всех параметров «в числах», можно увидеть происходящие изменения и на графиках, и в видеоизображении физического процесса. Интересным направлением компьютерного моделирования является практикуемое за рубежом, а также в ряде российских школ LEGO -конструирование на основе аппаратно-программного комплекса LEGO — лаборатория Control Lab®, состоящего из конструктора «ЛЕГО — лаборатория», пульта управления, подключенного к персональному компьютеру и программы для разработки проектов. Работа с этим комплексом знакомит детей с основами конструирования, моделирования, автоматического управления с помощью компьютера [24].
К сожалению, пока круг широко тиражируемых моделирующих программ, предназначенных для общеобразовательных и специальных учебных заведений, в основном ограничивается разработками по физике, химии, ряду технических и прикладных дисциплин (раскрой материалов, дизайн, сборка и тестирование устройств и т. п.). Приятным исключением является МЭКОМ — компьютерная программа моделирования экономики и менеджмента предназначенная для старшеклассников. В России действуют несколько десятков клубов, объединяющих учащихся, которые не только работают с данной программой, но и участвуют в специальных соревнованиях по работе с МЭКОМ.
Отдельного обсуждения заслуживает вопрос о способах визуального представления информации, или визуализации в моделирующих программах.
Современные моделирующие программы, основанные на технологии мультимедиа, должны предоставлять обучаемым эффективную образовательную среду, в которой можно выбрать, руководствуясь своим предпочтением образной или вербальной информации, соответственно, визуализированное или текстовое представление. Например, во многих электронных учебниках обучаемому предлагаются и видеофрагменты, иллюстрирующие те или иные процессы, и традиционное изложение в виде текста со статичными рисунками и схемами. Такая визуализация (в том числе и динамических процессов) может достигаться посредством использования технологии мультимедиа.
Педагог должен понимать, что успешность результатов обучения напрямую зависит от возможности выбора обучаемыми типа образовательной среды как на стадии ознакомления, так и на стадии обдумывания нового материала. Изучение предпочтений обучаемых и результатов их работы с моделирующими программами показывает, что для обучаемых с выраженным вербальным типом для изучения даже динамических процессов (наиболее характерных для моделирующих программ) предпочтительны статические изображения, сопровождаемые текстовым описанием. В то же время обучаемые с преобладанием образного типа мышления получат более адекватный материал при использовании анимированных иллюстраций, но только в том случае, если они имеют достаточную предварительную подготовку.    продолжение
--PAGE_BREAK--
Микромиры. Микромиры — это особые узкоспециализированные программы, позволяющие создать на компьютере специальную среду, предназначенную для исследования некоторой проблемы. По сути, это развитие подходов компьютерного моделирования. Идея их создания берет начало в работах Жана Пиаже о когнитивном развитии детей. Яркий пример реализации — язык Лого, разработанный американским ученым Сеймуром Пейпертом для создания микромира Матландия (Mathland), предназначенного для изучения математики. Идея обучения по Пиаже была впервые взята именно С. Пейпертом в качестве важнейшего организующего принципа обучения с помощью компьютера. Выраженная в терминах практического использования, эта идея помогает смоделировать для обучаемых условия, при которых они естественным образом станут овладевать областями знаний, ранее требовавшими специального обучения. Речь идет об организации для обучаемых своего рода контактов с конкретным или абстрактным материалом, которым они могли бы пользоваться в процессе обучения.
Надо заметить, что на принципах микромиров основываются некоторые игровые программы познавательного характера, в которых играющий погружается в специальную среду, моделирующую жизнь города, племени или даже цивилизации, управлять которыми можно в рамках некоторых предопределенных законов и правил. Это нисколько не противоречит самой концепции микромира, поскольку, по мнению самого С. Пейперта, ее можно использовать практически для любой предметной области — от геометрии до приемов жонглирования.
Инструментальные программные средства познавательного характера. Для развития познавательных, или когнитивных, качеств личности обучаемым должны предлагаться разнообразные задания эвристического характера[26], в которых требуется решить реальную проблему, изучить взаимосвязи и закономерности тех или иных явлений, найти принципы построения различных структур и т д. И здесь на помощь могут прийти инструментальные программные средства познавательного характера, которые основываются на принципе конструктора, позволяющего создавать обучаемым их собственное понимание новых концепций, в рамках которых предоставляется возможность построить схему решения определенной проблемы, часто визуализированную. В ходе этой работы обучаемый демонстрирует понимание новых знании и возможности ранее полученных знаний. Подобные средства относят к категории интеллектуальных обучающих систем (ИОС), создание которых становится реальным благодаря интенсивному росту возможностей персональных компьютеров.
Проектирование ИОС базируется на работах в области искусственного интеллекта, в частности, теории экспертных систем — сложных программных комплексов, манипулирующих специальными, экспертными знаниями в узких предметных областях. Как и человек-эксперт, эти системы решают задачи, используя логику и эмпирические правила, умеют пополнять свои знания. В итоге, соединяя мощные компьютеры с богатством человеческого опыта, экспертные системы повышают ценность экспертных знаний, делая их широко применяемыми.
Характерным примером ИОС являются системы символьной математики (Mathlab, Maple, Mathematica и др.), помогающие выполнять различные символьные преобразования, встречающиеся в математических задачах, и доступные не только студентам, инженерам, ученым, но и учащимся старших классов. Эти системы показывают то, как надо выполнять исследование функций, дифференцирование, вычисление интегралов и специальных функций и т.д. Возможность прослеживания всех этапов решения, развитая графика делают такие программные средства весьма эффективными для организации самостоятельной работы обучаемых, проведения практических занятий, подготовки демонстрационных материалов к урокам и лекциям. К категории ИОС можно также отнести и некоторые программные разработки, предназначенные непосредственно для общеобразовательных учебных заведений, например электронный учебник математики Л.Я. Боревского.
Инструментальные средства универсального характера. Одной из важнейших задач образования является развитие креативных, или творческих, качеств личности. Мы уже рассмотрели различные категории программного обеспечения ИТО, непосредственно для этого предназначенные: информационно-поисковые и экспертные системы, моделирующие программы и микромиры. Однако они не всегда доступны педагогу. Чаще он может предложить обучаемым универсальные программные продукты (например, изучаемые в школе и вузе графические и текстовые редакторы, электронные таблицы и т.п.), не относящиеся к разряду специальных, предназначенных для педагогических целей. Однако возможности этих программных средств таковы, что при умелом подборе заданий, создании на занятиях атмосферы творчества использование этих программ помогает развивать у обучаемых воображение, фантазию, интуицию, инициативность, т.е. те личностные качества, которые и относят к разряду творческих. Их целенаправленное использование позволяет расширить возможности образовательной среды и вывести на новый уровень продуктивную поисково-исследовательскую и творческую деятельность обучаемых.
Так, текстовые редакторы стимулируют работу по выполнению различных письменных заданий: сочинений, эссе, рефератов и др. Они облегчают как их первоначальное оформление, так и последующие изменения и дополнения. Работа с такой программой, с одной стороны, прививает обучаемым чисто технические навыки электронного набора и оформления текста. С другой — это мощный инструмент, мотивирующий обучаемых к совершенствованию первоначальных результатов. Если же работа выполняется на компьютере, включенном в сеть, то появляется также возможность совместной работы обучаемых и педагога — внесение последним своих замечаний непосредственно в текст по ходу его создания. Современный текстовый редактор, хотя и называется «текстовым», позволяет использовать в документах различные графические изображения, подготовленные самими обучаемыми или педагогом с помощью сканера или специальных программ, взятые из графических библиотек или в сети Интернет.
Для реализации эвристического и исследовательского типов обучения большое значение имеет доступность средств, необходимых для анализа и обобщения имеющейся информации. Это могут быть и результаты измерений различных параметров в ходе лабораторного эксперимента, и данные проведенного социологического опроса или психологического тестирования, которые необходимо обработать, проанализировать и обобщить. И здесь наиболее доступным универсальным средством, позволяющим выявить имеющиеся закономерности и тенденции, подтолкнув тем самым к решению стоящей задачи, являются электронные таблицы. Программы, относящиеся к этой категории (например, Microsoft Excel), дают возможность без изучения языков программирования выполнять расчеты по сложным формулам, включающим в себя проверку различных условий и реализующим циклические алгоритмы и ветвления (например, найти сумму или количество чисел, удовлетворяющих некоторому условию).
Результаты вычислений обновляются автоматически при изменении входящих в формулу параметров. Поданным таблиц можно построить график или диаграмму, один только выбор которых может стать самостоятельным заданием. Диаграммы и графики не являются статичными — каждый раз при изменении использующихся при их построении данных они меняют свою конфигурацию. Все перечисленные особенности делают электронные таблицы прекрасным инструментом для компьютерного моделирования. Обучаемым не требуется писать специальную компьютерную программу. Достаточно внести в таблицу формулы, отражающие суть математической модели (экономического, физического, химического процесса), а затем, изменяя исходные данные, наблюдать их влияние на графиках. Включая встроенный пакет, предназначенный для статистического анализа данных, нахождения оптимальных решений и т.п., электронные таблицы сокращают время, необходимое для вычислений и позволяют отдать больше усилий постановке задач и исследованию результатов. Применение электронных таблиц благодаря строгости представления исходных данных и формул, необходимых для получения результата, способствует развитию у обучаемых алгоритмического мышления, структурированного, системного подхода к представлению информации и решению стоящей проблемы.
Использование графических редакторов выводит на качественно новый, профессиональный уровень оформления творческих работ, способствует возможности самовыражения обучаемых и, соответственно, их положительной мотивации к выполнению самой работы и использованию компьютера. Программы для создания компьютерных презентаций играют аналогичную роль для устного представления результатов работы. Кроме того, они очень эффективны для наглядных иллюстраций (графических, текстовых, видео, аудио) при чтении лекций, проведении семинаров, уроков, конференций. С помощью графических редакторов, позволяющих создавать анимации, обучаемые могут самостоятельно проектировать компьютерные модели, иллюстрирующие различные процессы и явления. Такая работа не только дает дополнительный демонстрационный материал педагогу, но и полезна для самих обучаемых, поскольку кроме владения компьютерной программой требует глубокого понимания сути изображаемого. Однако не это является главным достоинством данных программных средств.
Работа обучаемого в графическом редакторе выявляет уровень развития образного мышления и помогает его совершенствованию. Графические редакторы позволяют ему легко строить сложные геометрические объекты, изучать их преобразования (растяжение, сжатие, сдвиг, поворот, отображение), строить произвольные проекции. Все это способствует развитию у обучаемых пространственного воображения. Универсальность современных графических редакторов делает их вполне уместными для компьютерного проектирования в декоративно-прикладном искусстве, в тех его направлениях, где требуется построение точных эскизов будущих изделий.
Инструментальные средства для обеспечения коммуникаций. Новый импульс информатизации образования дает развитие информационных телекоммуникационных сетей. Глобальная сеть Internet обеспечивает доступ к гигантским объемам информации, хранящимся в различных уголках нашей планеты. Многие эксперты рассматривают технологии Internet как революционный прорыв, превосходящий по своей значимости появление персонального компьютера.
Инструментальные средства компьютерных коммуникации включают несколько форм: электронную почту, электронную конференцсвязь, видеоконференцсвязь, Internet. Эти средства позволяют преподавателям и обучаемым совместно использовать информацию сотрудничать в решении общих проблем, публиковать свои идеи или комментарии, участвовать в решении задач и их обсуждении.
Электронная почта (e-mail) — это асинхронная коммуникационная среда, что означает: для получения сообщения не требуется согласовывать время и место получения с отправителем, и наоборот. Электронная почта может использоваться как для связи между двумя абонентами, так и для соединения одного — многих получателей. Эти особенности ее работы целесообразно использовать для установления обратной связи между преподавателями или обучающими программами и одним или несколькими обучаемыми независимо от их физического расположения. Электронная почта широко применяется также для координации и установления обратной связи в дистанционном и открытом обучении.
Необходимо заметить, что образовательные возможности электронной почты (e-mail) наиболее доступны из всех информационных и телекоммуникационных технологий и в то же время наиболее недооценены. Специальные почтовые программы основаны на сходных принципах, и, соответственно, для пользования электронной почтой не требуется серьезной профессиональной подготовки. Электронная почта имеет очень широкие возможности для улучшения качества образовательного процесса. Это и средство дополнительной поддержки учебно-познавательной деятельности, дающее прекрасные возможности общения обучаемых с преподавателем и друг с другом (причем — конфиденциального общения), и средство управления ходом образовательного процесса.
Поясним перечисленные возможности. Так, с помощью электронной почты преподаватель может немедленно распространить ответы на наиболее часто возникающие вопросы, причем не только тем, кто спрашивал, но и всем остальным. Далее, электронная почта позволяет снять барьеры, мешающие обучаемому задать вопросы, связанные с проблемами, лежащими вне изучаемой дисциплины. Электронная почта может качественно изменить управление учебно-воспитательным процессом, давая возможность заблаговременно распространять результаты аттестации, распоряжения и другую информацию административного характера. С помощью той же электронной почты и обучаемые могут объяснить причины своего отсутствия на занятиях, посылать уведомления о болезни, текущие отчеты о практике, проходящей в отдаленных местах, и т.п. Такое использование электронной почты создает у обучаемых ощущение личного контакта как с преподавателями, так и с администрацией учебного заведения.
При возможности желательно встраивать доступ к электронной почте и в обучающие программы, с тем чтобы обучаемый имел возможность если и не получить консультацию, то хотя бы задать своему педагогу вопрос в случае возникновения затруднений или выразить свое мнение по поводу работы программы.
Использование электронной почты позволяет увеличить эффективность труда преподавателей. В работе с большим потоком обучаемых это может проявиться с большей степенью, если будет организовано обсуждение вопросов, направляемых по электронной почте, в виртуальных семинарах или специально организованных для этой цели рабочих группах. Здесь необходимо учесть то, что не всякий обучаемый добровольно включится в такой вид учебной работы и, соответственно, требуется специфическая система поощрения.
В заключение отметим, что из перечисленных типов ресурсов именно электронная почта должна стать обязательным инструментом каждого педагога. В учебном заведении ее можно обеспечить и без выхода в Internet, в рамках локальной сети. Ее простота, «безобидность» по сравнению с другими ресурсами, высочайшие возможности как по индивидуализации работы с обучаемыми, так и организации их коллективной деятельности, позволяют назвать эту технологию обязательной ИТО для современного учебного заведения.
Электронная конференцсвязь — асинхронная коммуникационная среда, которая подобно электронной почте может использоваться для плодотворного сотрудничества обучаемых и педагогов, являясь пользователям неким структурированным форумом, на котором можно в письменном виде изложить свое мнение, задать вопрос и прочитать реплики других участников. Участие в тематических электронных конференциях сети Internet очень плодотворно для самообразования педагогов и обучаемых. Электронные конференции могут быть организованы и в пределах локальной сети отдельного учебного заведения для проведения семинаров, протяженных по времени дискуссий и т. п. Асинхронный режим работы обучаемого способствует рефлексии и, соответственно, продуманности вопросов и ответов, а возможности использования файлов любого типа (графика, звук, анимации) делают такие виртуальные семинары весьма эффективными.    продолжение
--PAGE_BREAK--
Видеоконференцсвязь — в отличие от предыдущей формы имеет синхронный характер, когда участники взаимодействуют в реальном времени. Здесь возможно общение типа один на один (консультация), один ко многим (лекция), многие ко многим (телемост). Эта коммуникационная технология в настоящее время используется преимущественно в высших учебных заведениях, имеющих разветвленную сеть филиалов. Основное препятствие для широкого использования — дорогое оборудование, которое не всегда доступно в локальных учебных центрах (филиалах) головного учебного заведения.
Компьютерные коммуникации выступают также как средство доступа к такой технологии Internet, как WWW (World Wide Web), или Всемирной Паутине, состоящей из сотен миллионов информационных сайтов, связанных гиперссылками. WWW поддерживает наряду с текстами, графикой и мультимедийные страницы. С точки зрения образовательных возможностей это отнюдь не пассивный ресурс, а среда, стимулирующая активность и самостоятельность обучаемых. В ней можно заниматься поиском информации, но результаты зачастую непредсказуемы и зависят от находчивости и инициативности пользователя. WWW позволяет вступать в контакт с другими людьми (в синхронном или асинхронном режиме) или интерактивными программами, отвечая на вопросы или заполняя специальные формы на Web — страницах. Наконец, можно стать одним из миллионов «строителей» Всемирной Паутины, создавая Web — страницы и размещая их в WWW.
К числу базовых обычно относят следующие технологии Internet: WWW (англ. World Wide Web — Всемирная Паутина) — технология работы в сети с гипертекстами;
FTP (англ. File Transfer Protocol — протокол передачи файлов) — технология передачи по сети файлов произвольного формата;
IRC (англ. Internet Relay Chat — поочередный разговор в сети, чат) — технология ведения переговоров в реальном масштабе времени, дающая возможность разговаривать с другими людьми по сети в режиме прямого диалога;
ICQ (англ. I seek you — я ищу тебя, можно записать тремя указанными буквами) — технология Ведения переговоров один на один в синхронном режиме.
Специфика технологий Internet заключается в том, что они предоставляют и обучаемым, и педагогам громадные возможности выбора источников информации, необходимой в образовательном процессе:
базовая информация, размещенная на Web- и FTP –серверах сети;
оперативная информация, систематически пересылаемая заказчику по электронной почте в соответствии с выбранным списком рассылки;
разнообразные базы данных ведущих библиотек, информационных, научных и учебных центров, музеев;
информация о компакт-дисках, видео- и аудиокассетах книгах и журналах, распространяемых через internet–магазины.
Средства телекоммуникации, включающие электронную почту, глобальную, региональные и локальные сети связи и обмена данными, открывают перед обучаемыми и педагогами широчайшие возможности: оперативную передачу на любые расстояния информации любого объема и вида; интерактивность и оперативную обратную связь; доступ к различным источникам информации; организацию совместных телекоммуникационных проектов; запрос информации по любому интересующему вопросу через систему электронных конференций.
Перечисленные возможности современных телекоммуникаций способствуют развитию новой формы обучения — дистанционного. Это специфическая образовательная система, базирующаяся на современных педагогических и информационных технологиях. Компьютерные коммуникации обеспечивают эффективную обратную связь, которая обеспечивается как организацией учебного материала, так и общением (через электронную почту, электронную конференцию) с преподавателем, ведущим определенный курс. Такое обучение на расстоянии и получило в последние годы название «дистанционного» (англ. distance education — обучение на расстоянии).
В большинстве случаев данный термин используется когда «доставка» учебного материала, взаимодействие педагога и обучаемого обеспечивается с помощью современных информационных и коммуникационных технологий (телевидение, радио, компьютерные коммуникации). Этот термин подчеркивает отличие предлагаемой формы обучения от традиционной заочной, когда для обмена сообщениями преподаватель и учащиеся использовали почтовую связь.
Организация дистанционного обучения, как правило, базируется на специализированной учебной инфраструктуре. Чаще всего это специальный центр, в составе которого имеются методическое подразделение, разрабатывающие и распространяющие соответствующие учебные материалы, а также группа технической поддержки, обеспечивающая функционирование студии учебного телевидения, образовательного Web-сервера и других специализированных узлов компьютерных коммуникаций.
Дистанционное образование позволяет решать задачи обучения и повышения квалификации людей, находящихся вдали от учебных, научных и технических центров, и получает все более широкое распространение, поскольку способствует удовлетворению образовательных потребностей общества.
В заключение более подробно остановимся на организации взаимодействия преподавателя и обучаемых, основанного на применении именно коммуникационных технологии. При этом речь будет идти не только о дистанционном обучении, но и о традиционном, очном, в рамках которого у преподавателей и обучаемых имеется возможность широкого использования электронной почты, электронных конференций и разнообразных ресурсов сети Internet.
Современные коммуникационные технологии позволяют индивидуализировать и активизировать образовательный процесс даже в рамках группового сообщающего обучения, в основе которого лежит представление преподавателем учебного материала, ориентированного на некоего «усредненного» обучаемого. Методы традиционной образовательной системы получают благодаря возможностям коммуникационных технологий новое развитие. Так, лекции, содержащие материал, восприятие которого не требует дополнительных дискуссий, могут быть подготовлены в электронном виде, выставлены в локальной сети, в Internet или в электронной конференции. Конспекты лекций могут дополняться подборками статей, дополнительными материалами, адресованными конкретным студентам. Индивидуальное обучение как таковое реализуется в основном посредством таких технологий, как ICQ, электронная почта, обеспечивающих общение студента с преподавателем в приватной форме. Технологии чатов, видео- и электронных конференций позволяют проводить как оперативные коллективные обсуждения, дискуссии, так и протяженные по времени виртуальные семинары. В последнем случае порядок работы обусловливается асинхронностью образовательной среды: участники электронного семинара готовят сообщения, которые отправляются по электронной почте для рассмотрения всей группой. Далее следует направляемое преподавателем их обсуждение, по завершении которого участники группы подводят итоги, опять-таки представляемые всей группе. Такая структура обладает известной гибкостью в плане использования времени: нет жестких требований по включению в обсуждение в определенный момент, а есть возможность обдумать обсуждаемую проблему и направить свое письмо в наиболее удобное для обучаемого время. Вклад всех участников группы в таком семинаре хорошо виден и преподавателю, и обучаемым, что может служить дополнительным стимулом к активной работе. Управление электронным семинаром требует от преподавателя определенных навыков в принятии оперативных решений, связанных с необходимостью направить обсуждение в нужное русло, обеспечить корректность высказываний, активизировать обучаемых, способствовать как проявлению индивидуальности, так и совместному творческому поиску.
§1.2. Психологические аспекты информатизации образовательной системы
Ещё Норбертом Винером было сформулировано положение о том, что технические средства, используемые культурой данного общества, оказывают определённое влияние на преобладающие способы мышления. Информационные технологии не только меняют само существо связанной с ними деятельности, но и оказывают как прямое, так и косвенное воздействие на личность человека, что впоследствии может проявляться также и в тех видах деятельности, которые напрямую никак не связаны с их применением. Всё это объясняется тем, что наше мировосприятие в основном обусловлено и ограничено теми средствами, которые мы используем в разных видах своей деятельности. В ходе обучения на основе ИТО человек с помощью новых средств осваивает новые категории, дающие новые представления о картине мира, что впоследствии, безусловно, будет сказываться в других, не только учебных сферах его деятельности.
Особенности воздействия ИТО на психику обучаемого. Существуют различные ситуации, обусловливающие воздействие ИТО на психику обучаемого. Это, конечно, и непосредственное взаимодействие с той или иной информационной технологией в рамках учебно-познавательной деятельности. Далее, не стоит забывать о широком распространении компьютерных игр и специальных аттракционов, основанных на технологии виртуальной реальности. Даже те, кто никак впрямую не соприкасается с компьютерами, являются их косвенными пользователями, смотря анимационные фильмы, пользуясь кредитными карточками и т.д. Ну и, наконец, сами педагоги и обучаемые, активно взаимодействующие с информационными технологиями, распространяют их влияние все дальше и дальше.
Применяя ИТО в образовательном процессе, педагог должен учитывать следующие основные особенности.
Во-первых, те новообразования, которые возникают под влиянием ИТО, переносятся в условия традиционного общения. Исследования психологов показали, что значительно усиливаются требования к точности формулировок, логичности и последовательности изложения, повышается значение рефлексии, однако при этом же снижается роль эмоциональных средств общения.
Во-вторых, наблюдается и обратный процесс: особенности традиционной деятельности становятся присущи и компьютеризованной.
В работе как со школьниками младших классов, так и со студентами педагогам приходится очень часто наблюдать элементы «очеловечивания» программ и самих компьютеров, когда пользователь (начинающий или высококвалифицированный) восполняет поле своей деятельности отсутствующими, но, по всей видимости, просто необходимыми элементами. Опытному педагогу или психологу иногда достаточно просто посмотреть на то, как оформлен «Рабочий стол» на экране компьютера, чтобы многое понять о человеке.
Подобные противоположно направленные воздействия и формируют сложную и противоречивую структуру различных видов деятельности (в том числе и учебно-познавательный), основанной на применении информационных технологии.
Влияние ИТО на личность обучаемого может быть выражено в большей или меньшей степени: от локального, касающегося ограниченного круга психических явлений (например, использование компьютерного слэнга), до глобальных, свидетельствующих об изменении личности в целом (Internet — зависимость, синдром хакера и т.п.). Необходимо заметить, что психологи, педагоги, специалисты в области информационных технологий уделяли и уделяют много внимания исследованию последствий информатизации для различных видов деятельности — игровой, учебной, профессиональной. Однако вопросы глобальных изменений личности в полной мере еще не изучены, вот почему становится понятной необходимость участия педагогов, психологов в экспертизе разрабатываемых проектов по внедрению НТО. В этом случае появляется возможность выявить и принять меры как для нейтрализации негативного воздействия ИТО на личность обучаемого, так и для создания условий, в которых в наибольшей степени смогут проявить себя преимущества, обеспечивающие применение этих технологий.
Характерным примером служит использование в качестве ИТО Internet-технологий, дающее возможность позитивных преобразований личности на основе качественного изменения коммуникативной и познавательной деятельности, самого стиля обучения, поскольку при работе в Internet повышается активность познающего субъекта, индивидуализируется процесс обучения, преодолеваются стереотипы авторитарного стиля взаимодействия педагога и ученика, появляется доступ к различным, подчас противоречивым, источникам информации. Все это стимулирует развитие личности обучаемого — самостоятельности его суждений, инициативности, мобильности. Однако существуют и отрицательные последствия: интенсивное интеллектуальное и творческое развитие не гарантирует того, что обучаемый успешно адаптируется к запросам и требованиям социальной среды. Реальна и Internet-зависимость, которой могут подвергнуться обучаемые самых разных возрастов. Психологические последствия этого явления — социальная изоляция (частичный или полный отказ от общения с другими людьми, замена реальных друзей виртуальными, ослабление эмоциональных реакций, существенное сужение сферы интересов и т.п.). Некоторые избавляются от этого пристрастия самостоятельно, вдоволь «нагулявшись» по глобальной сети, в то время как для кого-то может потребоваться и помощь психолога.
Психологические механизмы воздействия информатизации. Большой интерес представляет также вопрос о том, каким образом те или иные психологические компоненты, сформированные под воздействием ИТО, переносятся в традиционные, «безкомпьютерные» сферы деятельности, т.е. в чём состоит суть психологических механизмов воздействия информатизации. Ответ на этот вопрос очень важен для педагога, поскольку позволяет использовать не только прямое, но и косвенное воздействие ИТО.
Перенос умений и навыков работы с ИТО на навыки традиционной деятельности может осуществляться с помощью аналогии и уподобления своей деятельности работе технического устройства. Так, педагоги, применяющие ИТО, отмечают, что эти технологии преобразуют учебную деятельность, внося в нее четкость, эффективность, предсказуемость. В то же время важнейшей задачей педагога становится показать обучаемым ограниченность подобного подхода. Нельзя исключать влияние примитивных (механических) способов «мышления» многих компьютерных обучающих программ на развитие способов мышления обучаемых. Необходимо перевернуть ситуацию, показав обучаемым, каким образом сознательно выбрать и применить оптимальные алгоритмы решения задач по аналогии с компьютером, но используя рациональный подход к построению именно оригинального решения, путь к которому подскажет интуиция, догадка, неординарный, иррациональный взгляд на проблему.
Не отрицая того, что ИТО способствуют развитию новых форм учебной деятельности, получению новых знаний, умений и навыков, отметим, что наблюдается и движение в обратном направлении. Используя для этого явления термин реверсия, психологи понимают под ним возрождение ряда ранее весьма значимых, но затем в значительной степени утративших свою роль психических компонентов.    продолжение
--PAGE_BREAK--
Одним из наиболее характерных примеров является возрождение (правда, в новых, видоизмененных формах) эпистолярного творчества. Электронная почта, чаты, телеконференции потребовали навыков письменного общения, которые во многих развитых странах оказались практически забытыми благодаря широкому распространению телефонной связи. Там, где обучаемым становятся доступны коммуникационные технологии, естественным образом создаются условия для возникновения у них мотивации овладения письменной речью. Мы становимся свидетелями зарождения своеобразной субкультуры, включающей правила знакомства в Internet, этикет электронной деловой и личной переписки (в частности требующий обязательного быстрого ответа на каждое полученное письмо), специфический символьный язык, позволяющий передать в сообщении свое настроение. Internet переводит на новый, общедоступный уровень межэтническое общение, ведет к актуализации общекультурных познаний, создает мотивацию и условия для интенсивного изучения иностранных языков в ходе переписки.
Внедрение любых высоких технологий в различные сферы деятельности очень часто напрямую преследует в качестве основной цели освобождение человека от рутинных операций и, как следствие, создание условий для его развития. Так п внедрение ИТО постепенно делает ненужными не только многие умения и навыки, но даже формы деятельности. Однако отнюдь не всегда подобные потери являются допустимыми. Например, никто не будет отрицать больших возможностей электронных таблиц, позволяющих производить не только обычные вычисления, но и помогающих избавившись от рутинных операций, перейти к анализу данных. В то же время широкое и не всегда оправданное использование микрокалькуляторов даже в начальной школе ведет к утрате навыков устного счета, быстрого счета и т.п. В итоге это приводит к тому, что учащиеся не могут правильно оперировать самим понятием числа, поскольку не прочувствовали основные операции с числами.
Наибольшая опасность здесь кроется в том, что современные ИТО часто обеспечивают легкость получения разнообразной информации. Поэтому задача педагога состоит в том, чтобы направить усилия обучаемых на самостоятельную выработку новых знаний (не информации!), представляющих собой результат познавательного процесса, полученный самим обучаемым. Так, например, разнообразные программные комплексы для статистической обработки, системы символьной математики дают практически готовые и наглядно иллюстрированные решения разнообразных задач, получение которых ни в коем случае не должно быть самоцелью. Здесь мощный потенциал ИТО может вывести на новый уровень «традиционные» навыки обучаемых: поиск и установление взаимосвязей между различными параметрами, уточнение постановки задачи, сопоставление различных методов решения, анализ результатов, обобщение полученных знаний.
Широкому внедрению ИТО обязательно должны сопутствовать специальные меры, направленные на эмоциональное развитие обучаемых. Опасность технократического мышления, развивающегося под прямым и косвенным влиянием информационных технологий, по мнению психологов, состоит в том, что для такого мышления характерны «примат средства над целью, цели над смыслом и общечеловеческими интересами, смысла над бытием и реальностями современного мира, техники (в том числе и психотехники) над человеком и его ценностями».
Итак, последствия применения ИТО могут быть как позитивными, так и негативными, к оценке той или иной технологии нельзя подходить односторонне. Проектируя использование ИТО в учебно-воспитательном процессе, педагог должен проанализировать те возможные прямые и косвенные воздействия на личность обучаемого, которые и будут определять его развитие.
§1.3. Применение компьютерных технологий при чтении лекций
Одним из основных компонентов учебного процесса в университетах являются обзорные лекции по общенаучным и специальным дисциплинам. Тенденция к сокращению объема лекционных занятий ставит задачу существенного повышения информативности и эффективности каждого часа поточной лекции. Техническим средством решения этой задачи и новой формой подготовки и чтения лекций становятся компьютерные мультимедийные технологии.
Прежде всего, следует обратить внимание на дидактические возможности использования в учебном процессе электронного конспекта лекций. ЭКЛ предназначен для лектора и используется лектором с учетом его индивидуальной манеры чтения лекции, специфики дисциплины, уровня подготовленности потока и т. д.
Электронный конспект позволяет программно совместить слайд-шоу текстового и графического сопровождения (фотоснимки, диаграммы, рисунки) с компьютерной анимацией и численным моделированием изучаемых процессов, с показом документальных записей натурного эксперимента. ЭКЛ совмещает технические возможности компьютерной и мультимедийной техники в предоставлении учебного материала с живым общением лектора с аудиторией. Его практическое использование предполагает наличие TV-выхода в лекционном компьютере (или внешнего TV-кодера), видеопроектора или телевизоров с большой длиной диагонали экранов. Для демонстраций фрагментов видеосопровождения дисциплины (видеолекций, научно-познавательных фильмов и т. д.) необходим видеомагнитофон (если видеоплейер, то лучше со счетчиком пленки).
Основной единицей ЭКЛ является слайд, или кадр предоставления учебной информации, учитывающий эргономические требования визуального восприятия информации. Требования касаются разборчивости шрифтов обозначений и надписей, отсутствия агрессивных полей и неприятных ощущений при динамическом воспроизведении графических материалов, правильного расположения информации в поле восприятия, отсутствия цветового дискомфорта, оптимизации яркости графиков по отношению к фону.
Как показывают исследования при использовании информационных технологии восприятие учебного материала повысилось. Более 70% студентов считают необходимым использование, время от времени видеолекций. Практически все положительно оценили использование компьютерного практикума наряду с физическими лабораторными работами. Около 75% студентов отметили улучшение эмоционального состояния на лекции и повышение интереса к изучаемому предмету. При этом всегда успевали конспектировать лекцию около 78% слушателей, постоянные трудности с конспектированием отметили примерно 6% студентов. Ни один из респондентов не хотел бы вернуться к традиционной форме лекции. Просмотр конспектов у всего потока студентов показал, что значительно возросло их качество, что сказалось и на повышении успеваемости. Критические замечания студентов касались размера используемых шрифтов в текстовом комментарии и фона слайдов, пожелания — большего количества компьютерных анимаций и виртуальных моделей.
Применение информационных технологий подготовки ЭКЛ требует новых подходов и к эстетике лекционного процесса. Оформление лекции-презентации с показом видеофрагментов и компьютерной виртуальной реальности не должно заметно отставать от уровня дизайна web-страниц Интернета и телепрограмм. В таких условиях повышаются профессиональные требования к преподавателям физики, химии, математики и других дисциплин в плане владения современными программными средствами и (или) организации совместной работы над курсом лекций предметников и компьютерных дизайнеров.
Глава II. Использование информационных технологий при изучении темы «Электричество и магнетизм»
§2.1. Общие вопросы методики преподавания темы «Электричество и магнетизм»
Важность изучения электромагнитных явлений обусловлена тем, что из всех известных типов физических взаимодействий электромагнитные взаимодействия играют наиболее важную роль. Они включают в себя все атомные, молекулярные, химические и биологические процессы, а также все процессы, связанные со светом, радиоизлучением и рентгеновским излучением. Невозможно объяснить сразу все электромагнитные явления. Поэтому в первой части курса «Электричество и магнетизм» рассматривается взаимодействие неподвижных друг относительно друга и относительно наблюдателя электрических зарядов. Этот раздел называется «Электростатика». Во второй части, которая называется «Электрический ток», изучаются явления, связанные с движением электрических зарядов с постоянной скоростью. Далее в разделе «Магнитное поле» делается переход к изучению магнитных явлений и их связи с электрическими явлениями.
Электростатика. Электрическое поле
Тему «Электростатика» нужно начать с доказательства существования двух типов зарядов. Безусловно, это следует сделать с помощью простейших опытов. Например, если потереть эбонитовую палочку о шерсть (например, о кошачью) и поднести палочку к шарику бузины, подвешенному на шелковой нити, то шарик притянется к заряженной палочке (рис. 1). Однако если шарик коснется палочки, то он тут же оттолкнется. Предложите ученикам подумать, почему это происходит, и потом объясните опыт.
Далее следует перейти к анализу характера взаимодействия зарядов и на опыте показать, что одинаковые электрические заряды отталкиваются, а противоположные — притягиваются. Для этого можно зарядить эбонитовую палочку, потерев ее о шерсть, а затем прикрепить ее на подставке так, чтобы она смогла поворачиваться. Точно так же следует зарядить конец другой такой же палочки и поднести ее к первой. Два заряженных конца отвернутся друг от друга, указывая на то, что заряженные одинаково тела отталкиваются (рис. 2). Повторите эксперимент, потерев две стеклянные палочки о шелк.
/>/>
Пусть теперь ученики подумают, что произойдет, если одним из заряженных тел будет стеклянная палочка, а другим — эбонитовая. Пусть ученики попробуют сами сделать вывод. Можно показать и другие опыты.
Например, можно взять два совершенно одинаковых электроскопа и один из них зарядить с помощью стеклянной палочки, потертой о шелк. Затем с помощью проводника с изолирующей ручкой шарики электроскопов соединить. Если электроскопы совершенно одинаковы, то после соединения лепестки расходятся на один и тот же угол. Это говорит о том, что полный заряд распределяется между двумя электроскопами поровну. Если потом один электроскоп зарядить с помощью стеклянной палочки, потертой о шелк, а другой — с помощью эбонитовой палочки, потертой о шерсть, до одинакового отклонения лепестков, а потом соединить шарики проводником, то лепестки обоих электроскопов опадут. Это свидетельствует о том, что взятые в равных количествах заряды стеклянной и эбонитовой палочек компенсируют (нейтрализуют) друг друга.
В математике при сложении двух равных величин, имеющих разные знаки, получается нуль. По аналогии условились считать заряды, возникающие на стекле, положительными, а на эбоните — отрицательными. Подчеркните, что так приняли, можно было условиться, наоборот, считать заряды, возникающие на стекле — отрицательными. Важно другое: существование двух видов электрических зарядов. Можно задать вопрос: когда вы расчесываете волосы пластмассовой расческой, какие заряды приобретают волосы — одноименные или разноименные? Одинаковы ли по знаку заряды на расческе и волосах?
Часть энергии, затраченной на взаимное трение нейтральных тел, переходит в энергию движения некоторого числа электронов. Тело, которое менее прочно удерживает входящие в его состав электроны, отдает при трении больше электронов, чем получает, поэтому оно заряжается положительно. Например, шерсть удерживает входящие в ее состав электроны менее прочно, чем эбонит. Поэтому электроны переходят в большем количестве с шерсти на эбонитовую палочку, а не наоборот.
/>
Часто школьники не понимают роль трения при электризации трением. Поясните, что основной причиной является не само трение, а факт тесного соприкосновения тел. В результате тесного соприкосновения двух разных тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате одно тело всегда приобретает отрицательный заряд, другое — положительный. Под тесным соприкосновением понимается такое сближение тел, когда расстояния между атомами или молекулами, лежащими на поверхности этих тел, становятся такого же порядка, что и расстояния между ними внутри тел (~10-8 м). Реальные тела не бывают идеально гладкими. Поэтому при их соприкосновении такие расстояния достигаются только в отдельных точках и число электронов, переходящих с одного тела на другое, мало. Трение же увеличивает число участков «тесного» соприкосновения, и в результате увеличивается общий заряд, который окажется на каждом из тел при их разъединении.
При изучении закона взаимодействия электрических зарядов нужно рассказать об опытах Кулона и Кавендиша. Обсуждая закон Кулона, следует подчеркнуть, что он установлен для неподвижных электрических зарядов. Экспериментально измерить величину движущегося заряда невозможно, но на основании косвенных соображений можно утверждать, что величина заряда не зависит от скорости движения носителя заряда. То есть величина заряда является инвариантом и не изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой. Справедливость закона Кулона неоднократно проверялась впоследствии. С высокой точностью он выполняется и при больших расстояниях, порядка размеров Вселенной, и при малых расстояниях, порядка размеров атома. Можно напомнить о законе всемирного тяготения Ньютона и провести сравнение этих законов. Важно отметить, что оба закона установлены на основе теории дальнодействия. Современная теория считает, что всякое взаимодействие осуществляется через поле. Взаимодействие покоящихся электрических зарядов осуществляется посредством электрического поля: каждый заряд создает электрическое поле, и это поле действует на другой заряд, помещенный в это поле. Поэтому закон Кулона можно формулировать следующим образом: сила, действующая в вакууме на покоящийся точечный заряд со стороны поля, создаваемого другим, также покоящимся и точечным зарядом, прямо пропорциональна величине этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль линии, соединяющей эти заряды.
Поясните, что введение понятия напряженности электрического поля позволит записать силу, действующую на заряд в локальной форме: если закон Кулона связывает величины, относящиеся к разным точкам пространства, то выражение />связывает величины, относящиеся к одной и той же точке пространства.    продолжение
--PAGE_BREAK--
Введите понятие силовых линий или линий напряженности электрического поля. Объясните, почему по густоте расположения силовых линий можно судить о напряженности поля в данной области пространства. Постройте и покажите на опытах картины силовых линий заряженных шариков, двух пластин, двух колец. Поясните, что силовые линии служат только для наглядного изображения распределения поля в пространстве. Никакого физического смысла они не имеют.
Очень важным при вычислении напряженности полей, создаваемых системой точечных зарядов или заряженных тел конечных размеров, является принцип суперпозиции. Поясните, как с помощью принципа суперпозиции можно вычислить напряженность поля заряженной нити или поля диполя. В общем случае для заряженных тел сложной формы расчет напряженности поля в данной точке пространства задача громоздкая, но решаемая, если известно распределение заряда на теле.
Рассмотрев расчет напряженности полей с помощью принципа суперпозиции, можно перейти к теореме Гаусса и применению ее для расчета напряженности электрического поля заряженных тел. Полезно одну и ту же задачу, например, задачу о напряженности поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечной нитью, решить обоими методами. Однако поясните, что теорему Гаусса целесообразно применить только тогда, когда электрическое поле обладает какой-либо симметрией. При решении задач обязательно проводите анализ решения, делая акцент на физическом смысле полученного результата.
Электрическое поле, как и гравитационное, является центральным. Поэтому работа сил электростатического поля не зависит от формы траектории. Перемещение данного заряда определяется исключительно положением начальной и конечной точек траектории, это важнейшее свойство электрического поля неподвижных зарядов. Оно позволяет ввести для его характеристики новое понятие потенциала. Нагляднее всего это можно сделать, вычислив работу по перемещению пробного заряда в поле точечного неподвижного заряда. Так как с другой стороны работу консервативных сил можно представить как разность потенциальных энергий, то, сравнивая полученные выражения для работы, легко определить потенциальную энергию взаимодействия точечных электрических зарядов. Обратите внимание учащихся на то, что потенциальная энергия взаимодействия зарядов определяется с точностью до произвольного слагаемого, которое можно задать произвольным образом. Например, значение этой постоянной выбирается таким образом, чтобы при удалении заряда на бесконечность потенциальная энергия обращалась в нуль.
Естественно допустить, что заряды, создающие электрическое поле, расположены в конечной области пространства. При удалении от этой области поле ослабевает и на бесконечности оно вообще отсутствует. Подчеркните, что по какому бы пути заряд не перемещали из одной и той же точки на бесконечность, работа будет одна и та же. Но для другого заряда эта работа уже будет иной. Действительно, если увеличить величину заряда в 2, 3, n раз, то сила, действующая на заряд (/>), возрастает во столько же раз, и во столько же раз возрастают работа и потенциальная энергия взаимодействия заряда с источником поля. Поэтому потенциальная энергия не может служить однозначной характеристикой поля. Однако отношение потенциальной энергии к величине пробного заряда уже не зависит от величины заряда, его уже можно использовать для характеристики поля, наряду с напряженностью поля. Это отношение и называют потенциалом электрического поля. Так как при удалении от заряда создаваемое им поле ослабевает, то потенциал бесконечно удаленной точки полагают равным нулю.
Поясните, что введение потенциала важно и потому, что, если известны потенциалы в двух точках поля, то работу по перемещению заряда можно выразить через разность потенциалов в этих точках. Наоборот, вычислив работу по перемещению заряда из одной точки поля в другую, находим однозначно разность потенциалов. Так как потенциал определяется с точностью до произвольной постоянной величины, физический смысл имеет не потенциал, а разность потенциалов.
Таким образом, для характеристики электростатического поля используются две величины: векторная величина — напряженность и скалярная величина — потенциал. Покажите, что введение потенциала позволяет использовать другой способ графического описания электрического поля с помощью эквипотенциальных поверхностей. Важно подчеркнуть, что эти две характеристики связаны друг с другом. Докажите, что линии напряженности перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям.
Обратите внимание учащихся на то, что все рассуждения о свойствах и характеристиках электростатического поля касались поля в вакууме. В реальных условиях электрическое поле существует в веществе: в проводниках, в диэлектриках, в полупроводниках. Начать изучение темы «Электрическое поле в веществе» нужно с проводников. Поясните, что их свойства обусловлены наличием в них свободных электронов, которые в результате теплового движения могут перемещаться по проводнику в любом направлении. При наличии электрического поля на тепловое хаотическое движение накладывается упорядоченное движение электронов, что приводит к перераспределению электрических зарядов в проводнике — электрической индукции. Объясните, почему внутри неразряженного проводника, находящегося в электрическом поле, напряженность поля равна нулю, потенциал постоянен, при этом весь заряд распределен по поверхности проводника.
Часто ученики не могут понять физический смысл понятия «электроемкость», не могут объяснить, почему электроемкость данного проводящего тела зависит от расположенных вблизи него других тел. Возникают трудности при решении задач. Поэтому следует подробно разобрать с учениками эти вопросы.
Полезно пояснить это понятие на опытах, например, с шарами различных радиусов: заряженные одинаковыми количествами электричества, они оказываются под различными потенциалами. Покажите, что если увеличивать заряд шара, то пропорционально растет и потенциал. Отсюда формула />, где C — коэффициент пропорциональности, называемый электроемкостью проводника. На опыте можно показать, что электроемкость зависит от диэлектрической проницаемости среды. Объяснение этой зависимости можно дать, если уже рассмотрены свойства диэлектриков. Действительно, если мы заряжаем металлический шар, сообщая ему некоторый заряд q, то под действием электрического поля шара происходит поляризация окружающего его диэлектрика. На поверхности диэлектрика, соприкасающейся с поверхностью шара, возникает заряд q' противоположного знака, по величине меньший q. Он также создает вокруг себя поле, в результате чего потенциал поверхности шара уменьшается. Уменьшение потенциала шара при неизменном заряде q говорит об увеличении электроемкости шара.
На опыте можно также показать, что при приближении к заряженному шару какого-либо проводящего тела потенциал шара также уменьшается. Это говорит об увеличении электроемкости шара. Таким образом, электроемкость проводника зависит от других проводящих тел, окружающих данный проводник. Объясняется это следующим образом. Под электроемкостью мы понимаем физическую величину, измеряемую отношением величины заряда, находящегося на данном проводнике, к величине потенциала этого проводника. Потенциал же проводника зависит не только от заряда на нем самом, но и от зарядов всех окружающих тел. Если даже окружающие проводники не были предварительно заряжены, то при сообщении заряда данному проводнику на окружающих проводниках индуцируются заряды, вследствие чего потенциал данного проводника уменьшается, а электроемкость увеличивается. Это положено в основу устройства конденсаторов. В конденсаторах благодаря специальному расположению и форме проводников электроемкость практически не зависит от наличия окружающих тел. Расскажите, как устроены конденсаторы различных типов (плоские, сферические, цилиндрические). Объясните, что при малой величине зазора между обкладками конденсатора почти все поле сосредоточено между ними, линии напряженности начинаются на одной из обкладок и заканчиваются на другой. Поэтому окружающие тела практически не подвергаются воздействию поля, создаваемого зарядами на обкладках конденсатора, а следовательно, на них и не возникают заряды, могущие изменить потенциал на обкладках конденсатора.
Назначение конденсаторов в различных устройствах различно. Конденсаторы могут использоваться для накопления зарядов большой величины. Включение конденсатора совместно с катушкой индуктивности позволяет создать электрическую колебательную систему. Запасенная в электрическом поле конденсатора энергия переходит в энергию магнитного поля в катушке и наоборот; возникают электромагнитные колебания. Такую систему можно настроить на любую частоту, что используется в приемных и передающих устройствах.
Рассмотрите возможные соединения конденсаторов на примерах.
При изучении электрического поля в диэлектриках возможны два подхода: макроскопический и микроскопический. В первом случае вводится макроскопическая характеристика — диэлектрическая проницаемость среды/>, которая может быть определена экспериментально. Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность поля в диэлектриках отличается от напряженности поля в вакууме.
Трудности при микроскопическом описании заключаются в том, что существуют разные виды диэлектриков и различные механизмы их поляризации. Однако во всех случаях на поверхности однородного диэлектрика появляются поляризационные или связанные заряды (в случае неоднородного диэлектрика возникают еще и объемные поляризационные заряды). Связанные заряды не могут свободно перемещаться по диэлектрику, но они, так же как и свободные заряды, создают электрическое поле. Вектор напряженности электрического поля связанных зарядов />' всегда направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля />0. Поэтому результирующее поле согласно принципу суперпозиции будет равно />= />0 + />', что и приводит к ослаблению поле в диэлектрике.
Постоянный электрический ток
Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. В металлах в переносе тока участвуют электроны. Полезно рассказать об экспериментах, которые это доказывают. Как показывает опыт, ученики плохо представляют себе, что такое упорядоченное движение. Часто говорят, что в отсутствие электрического поля свободные электроны участвуют в тепловом хаотическом движении, а при включении поля они начинают двигаться в направлении поля. На самом деле это не так. При включении поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное движение электронного газа. Это похоже на поведение роя мошкары. Внутри роя мошка совершает беспорядочное движение, но при движении ветра рой начинает перемещаться в определенном направлении, при этом характер движения мошек внутри роя сохраняется. Скорость упорядоченного движения много меньше скорости теплового движения. Важно отметить, что скорость распространения тока в проводнике отлична от скорости упорядоченного движения электронов. Скорость распространения тока определяется скоростью распространения электрического поля в проводнике, которая равна 3/>108 м/с. Скорость упорядоченного движения электрических зарядов зависит от напряженности поля в проводнике. Так при напряженности поля Е = 1 В/см скорость упорядоченного движения электронов составляет 0,5 мм/с. Таким образом, скорость распространения тока определяется скоростью распространения электрического поля вдоль проводника. Можно при объяснении этого провести аналогию с течением жидкости по трубе. На водопроводной станции начинает работать насос, повышающий давление жидкости в данном месте. Это повышенное давление распространяется по жидкости вдоль трубы со скоростью звука (в воде — со скоростью 1 км/с), поэтому через 1 секунду частицы жидкости начинают двигаться на расстоянии 1,5 км от конца трубы, а через 60 секунд — на расстоянии 90 км. Если труба имеет длину 90 км, то через минуту после включения насоса вода начнет вытекать из трубы. При этом частицы жидкости движутся намного медленнее, и потребуется несколько часов для того, чтобы они прошли расстояние 90 км.
Подчеркните, что за направление электрического тока условно принято направление, в котором под действием существующей разности потенциалов двигались бы положительные заряды. Поэтому, если носителями зарядов являются положительные ионы, то направление тока совпадает с направлением движения зарядов, если носителями зарядов являются электроны, то направление тока и направление движения зарядов противоположны.
Введите понятие плотности тока. Подчеркните, что сила тока является скалярной характеристикой тока, а плотность тока — векторной. Направление вектора плотности тока совпадает с направлением скорости упорядоченного движения положительных зарядов.
При достаточной подготовке учеников полезно рассмотреть классическую теорию проводимости металлов и теоретически получить выражение закона Ома. Для этого следует пояснить, что в выражение />входит средняя скорость упорядоченного движения электронов на среднем пути />свободного пробега между препятствиями, которые электрон встречает при своем движении. (Это могут быть ионы, расположенные в узлах кристаллической решетки, атомы примеси, электроны). Электрон в проводнике движется с ускорением, которое ему сообщает сила, действующая со стороны электрического поля и равная />. Двигаясь с ускорением />, электрон приобретает на пути />дополнительную скорость />, направленную вдоль поля в сторону, противоположную />, так как заряд электрона отрицателен. Каждое столкновение электронов с препятствием нарушает возникшую в его движении направленность движения, поэтому на пути />его скорость изменяется от 0 до u0 = a/>, где /> — время свободного пробега, то есть время между двумя последовательными столкновениями.    продолжение
--PAGE_BREAK--
Время />, где vT — средняя скорость теплового движения электронов. Так как />, следовательно, />, где m — масса электрона. Среднее ее значение />и />. Сила тока I=jS. С учетом того, что />, получим />. Величина />при данной температуре для данного сорта проводника является величиной постоянной и не зависит от размеров проводника. Ее называют удельным сопротивлением. Вводя обозначение />, приходим к равенству />, выражающему закон Ома.
Сопротивление зависит от температуры. Так как при повышении температуры возрастает скорость теплового хаотического движения, то с повышением температуры удельное сопротивление растет по закону />. Здесь /> — постоянная величина, называемая температурным коэффициентом сопротивления, />0 — удельное сопротивление при нуле градусов Цельсия (иногда принимают />0 за значение при 20o С, это приводит к ошибкам при решении задач). Уместно в этом разделе поговорить с учениками о явлении сверхпроводимости.
Важно подчеркнуть, что необходимым условием существования тока в цепи является наличие источника тока. Источниками тока называются устройства, в которых энергия какого-либо вида (химическая, механическая, тепловая) преобразуется в энергию движущихся по проводнику электрических зарядов. На сегодняшний день получение электрического тока представляет задачу большой важности, в решении которой занято огромное количество людей во всем мире. Однако следует напомнить, что современным методам получения электрического тока предшествовали простейшие эксперименты Гальвани и Вольта (смотрите курс «История физики»). Объясните, как действует элемент Вольта, как гальванический элемент создает ток, как устроены аккумуляторы.
Очевидно, никакое исследование не может считаться вполне научным до тех пор, пока не проведены измерения всех изучаемых величин. Найти прямые методы измерения электрических величин гораздо труднее, чем, например, методы измерения количества воды, угля и т.д. Для измерения электрического тока используются различные гальванометры и амперметры. Объясните, как включается амперметр в цепь электрического тока, для чего используются шунты. Отметьте, что амперметр должен иметь очень низкое сопротивление, чтобы практически не влиять на ток. Расскажите об измерении разности потенциалов с помощью вольтметра. Вольтметр имеет высокое сопротивление и всегда включается параллельно. Покажите, как включаются амперметр и вольтметр на электрических схемах.
Следует подчеркнуть, что внутри источника действуют силы не электростатического происхождения, которые называются сторонними. Можно это показать на таком простом примере. Пусть два проводящих шара А и В заряжены до потенциалов />A и />B. Будем считать, что />A B. Если эти шары соединить проводником, то электроны с шара А будут переходить на шар В. Потенциал шара В будет понижаться до тех пор, пока потенциалы обоих шаров не сравняются. Однако, если, например, непрерывно переносить электроны с помощью невесомой ленты из изолирующего материала с шара В на шар А так, чтобы разность потенциалов />B — />A оставалась постоянной, то в соединительном проводнике будет все время течь постоянный ток. В действительности роль ленты играет любой реальный источник тока. Он совершает работу по перемещению заряда по внутреннему участку цепи и, следовательно, затрачивает некоторое количество энергии. Это может быть энергия любого вида: механическая, тепловая, химическая, световая. Следует подчеркнуть, что она не может быть энергией электростатического поля. Энергия, затрачиваемая источником в процессе перемещения заряда по внутреннему участку цепи, идет на увеличение энергии заряда и на работу по преодолению сопротивления источника тока. Для перемещения данного заряда по замкнутой цепи в различных источниках тока расходуется разное количество энергии и, следовательно, совершается разная работа. Отношение этой работы к величине перемещаемого заряда для каждого источника есть величина постоянная. Это отношение называют электродвижущей силой (ЭДС), />.
Сформулируйте четко, в чем заключается физический смысл ЭДС. Поясните, что название сложилось исторически, в действительности, ни с какой силой в обычном смысле этого слова понятие ЭДС не связано. В источнике тока обязательно действуют сторонние силы, поэтому источник характеризуется величиной ЭДС и внутренним сопротивлением источника r.
Таким образом, перемещение электрического заряда происходит под действием сил электрического поля и сторонних сил. Полная работа по перемещению заряда q складывается также из работы сил электрического поля и работы источника ЭДС: />. Обсудите физический смысл этой формулы, введите понятие напряжения U, поясните, как выглядит выражение U для однородного и неоднородного участка цепи.
Запишите закон Ома для неоднородного участка цепи, для замкнутой цепи. Покажите, что напряжение U на зажимах работающего источника всегда меньше его ЭДС. Закрепите материал с помощью упражнений и решения задач.
/>
Пример. Два одинаковых элемента с ЭДС />и внутренним сопротивлением r соединены так, как показано на рис. 3а и 3б. Определите показания вольтметра. Сопротивлением проводов пренебречь. Внутреннее сопротивление вольтметра считать бесконечно большим.
Решение: в случае «а» оба элемента посылают ток в одном направлении. Падение напряжения на источнике Ur=Ir в каждом элементе. Поэтому напряжение на зажимах каждой батареи />. Величина создаваемого тока:
/>
Поэтому U=0.
В случае «б» оба источника действуют навстречу друг другу, поэтому I=0 и U = />.
Очень полезно познакомить учеников с правилами Кирхгофа, которые значительно облегчают расчет сложных разветвленных цепей. Обязательно поясните, что первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда. В случае постоянного тока нет стоков и истоков зарядов, то есть в любом узле не может происходить накопления зарядов, сколько зарядов приносится током, столько и уносится. При объяснении второго закона поясните, что он используется только для замкнутых контуров. Его применение связано с заданием направления токов, направления обхода контура и знака ЭДС. Подчеркните, что выбор направления обхода контура условен, но он позволяет задать знаки электрических величин. Для усвоения необходимо решить как можно больше задач.
Если замкнутый участок цепи содержит несколько сопротивлений или источников ЭДС, нужно использовать правила нахождения сопротивления участка цепи при последовательном или параллельном соединении сопротивлений. То же касается источников тока.
Пример. Два элемента соединены параллельно навстречу друг другу. Первый элемент имеет ЭДС />1 = 2 В и внутреннее сопротивление r1 = 0,6 Ом, второй — />2 = 1,5 В и r2 = 0,4 Ом. Определите напряжение на зажимах источников.
Решение: ЭДС действуют навстречу друг другу, поэтому результирующая ЭДС />. Общее сопротивление цепи />. Ток в цепи />. В первом элементе на внутреннем сопротивлении падает напряжение />, во втором — />, поэтому
/>
Как и следовало ожидать, />.
При изучении закона Джоуля-Ленца особых затруднений не встречается. Однако следует заметить, что закон в виде />удобнее использовать для расчетов при последовательном соединении, так как в этом случае через все участки цепи протекает один и тот же ток.
При параллельном соединении все участки цепи находятся под одинаковым напряжением, поэтому закон Джоуля-Ленца удобнее записать в форме />. Однако, в такой форме закон может быть использован не всегда, а только в тех случаях, когда энергия тока на данном участке переходит только в тепловую энергию. Например, в случае электромотора, вращающего какой-либо станок, часть энергии тока превращается в механическую, а часть идет на нагревание проводов обмотки электромотора. Поэтому даже если электромотор подключен параллельно другим электроприборам, для расчета тепла, идущего на нагревание его обмоток, нужно пользоваться законом в виде />.
Магнитное поле в вакууме
Изучение темы «Магнитное поле в вакууме» необходимо начать с демонстрации экспериментов, которые показывают, что движущиеся заряды создают магнитное поле. Это, прежде всего, опыт Эрстеда — действие электрического тока на магнитную стрелку. Сравнивая результат этого опыта с действием постоянного магнита на магнитную стрелку, легко пояснить, почему поле движущихся зарядов названо магнитным. Подчеркните, что неподвижные заряды создают электростатическое поле и не создают магнитного поля. Однако, так как движение относительно, то заряд, движущийся в одной системе отсчета, будет неподвижным в другой. Поэтому деление на электрическое и магнитное поле относительно, и следует говорить о едином электромагнитном поле. Но в том случае, когда исследования проводятся в системе, в которой заряды движутся, можно говорить о магнитном поле. Обнаружить и измерить магнитное поле можно по силе взаимодействия электрических токов.
При взаимодействии параллельных проводников с током один из них может служить пробным устройством для измерения магнитного поля, создаваемого другим током. Покажите на опыте, что величина силы, действующей на пробный ток, зависит от длины проводника, силы тока и их взаимной ориентации, при этом сила максимальна, когда проводники параллельны. Исходя из этого факта, введите характеристику магнитного поля — магнитную индукцию/>, сравните с характеристикой электрического поля />. Введите понятие силовых линий магнитного поля и покажите на опытах с железными опилками характер силовых линий магнитного поля токов различной конфигурации. Сравните картины силовых линий, создаваемых токами и постоянными магнитами различной формы. Более подробно остановитесь на виде силовых линий, создаваемых прямым проводником с током. Покажите, что помещенная рядом с проводом магнитная стрелка устанавливается по касательной к линиям поля. Направление линий поля прямого тока можно определить с помощью векторного произведения или, пока оно не введено, с помощью простого правила правой руки.
Очень важно обратить внимание на то, что магнитное поле, как и электрическое, удовлетворяет принципу суперпозиции. Поэтому, зная магнитную индукцию поля, создаваемого одним зарядом, можно рассчитать магнитную индукцию поля, создаваемого системой электрических зарядов. Для хорошо подготовленной группы для расчета магнитных полей проводников с током любой формы можно воспользоваться законом Био-Саварра для магнитной индукции поля, создаваемого линейным элементом тока. Поясните, что постоянные токи всегда замкнуты, на опыте нельзя выделить отдельный элемент тока, поэтому закон был установлен экспериментально на основании результатов многочисленных экспериментов с токами различной формы. Для лучшего усвоения материала решите задачи, в которых для расчета магнитных полей используются принцип суперпозиции и закон Био-Саварра.    продолжение
--PAGE_BREAK--
Покажите, что для расчета магнитных полей можно применять также теорему о циркуляции. Заметьте, что если замкнутый контур не охватывает ток, то циркуляция равна нулю.
На опыте покажите, что магнитные поля действуют с определенными силами на электрические токи. Для этого можно подвесить гибкий проводник в магнитном поле, которое может быть полем постоянного магнита или полем тока, который можно регулировать, и показать, что при прохождении тока в проводнике на него будут действовать силы, стремящиеся вытолкнуть его за пределы магнитного поля (см. рис. 4а и 4б).
/>
Обратите внимание слушателей на то, что сила вполне ощутима при обычных полях и токах. Именно эти магнитные силы вращают электрические двигатели во всем мире. С помощью экспериментальной установки можно показать:
1. Сила перпендикулярна как к вектору магнитной индукции, так и к направлению тока. Поэтому ее направление легко определить по правилу левой руки.
2. Изменяя индукцию магнитного поля без изменения его направления, можно обнаружить, что сила, действующая на ток, пропорциональна индукции магнитного поля. Изменяя направление поля, можно показать, что сила пропорциональна составляющей магнитного поля />, перпендикулярной к току.
3. Сила F пропорциональна току I и длине проводника/>, где /> — угол между вектором магнитной индукции />и вектором />, совпадающим по направлению с направлением тока.
Проведите анализ рассмотренного материала: токи создают магнитные поля, и на токи действуют силы магнитного поля. Токи взаимодействуют друг с другом через посредство магнитного поля. Здесь можно провести аналогию с электрическим полем, являющимся посредником при взаимодействии электрических зарядов. Токи отталкиваются и притягиваются подобно тому, как отталкиваются и притягиваются электрические заряды, с силами, зависящими от величины сил токов и от их взаимного расположения. Взаимодействие токов лежит в основе большинства механических применений электрической энергии (электродвигатели и генераторы любого типа).
Используя выражение для силы Ампера, получите выражение для силы, действующей на отдельные заряды — магнитной составляющей силы Лоренца. Проанализируйте ее зависимость от величины заряда, его скорости, от величины магнитной индукции. Поясните, что формула может быть проверена экспериментально, что и было сделано при наблюдении отклонения заряженных частиц в магнитном поле. Объясните, что поскольку сила Лоренца перпендикулярна к скорости, она не может совершать работу по ускорению заряженных частиц, пролетающих сквозь магнитное поле, поэтому они должны двигаться с постоянной скоростью по окружности радиуса r. Из равенства />можно определить радиус этой окружности.
/>
Продолжая изучение действия магнитного поля на ток, следует рассмотреть вопрос о поведении замкнутого контура с током в однородном магнитном поле. Проще всего это сделать для случая, когда контур имеет прямоугольную форму (рис. 5). Когда линии магнитной индукции лежат в плоскости контура, на токи в верхней и нижней его сторонах никакие силы не действуют, поскольку эти токи параллельны или антипараллельны линиям магнитного поля. Действующие на левый и правый провод силы Ампера образуют пару сил, в результате чего создается вращающий момент сил: M=ISB. При повороте рамки отличные от нуля силы Ампера будут действовать на ее верхний и нижний провода. Эти силы направлены в противоположные стороны и стремятся деформировать, а не повернуть рамку. Вращающий момент зависит от угла между направлением вектора />и нормалью />к рамке и равен нулю, когда этот угол равен нулю. Поэтому в магнитном поле контур с током поворачивается и в конце концов устанавливается так, что его плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции. Введите понятие магнитного момента />. Это позволит сравнить поведение контура с током в магнитном поле с поведением электрического диполя в электрическом поле. При движении проводника или рамки с током в магнитном поле совершается работа и изменяется потенциальная энергия. Потенциальная энергия замкнутого тока в магнитном поле />(заметим, что для электрического диполя />). Когда угол />между направлением вектора положительной нормали к плоскости витка с током />и />равен нулю, потенциальная энергия отрицательна. Отрицательное значение потенциальной энергии означает, что для того, чтобы вывести рамку с током из этого положения, нужно совершить работу.
Вычисление работы при перемещении проводника с током в магнитном поле не может вызвать затруднений, так как производится по формулам, хорошо известным из механики. Новым является понятие потока вектора. Подчеркните, что формула для потока вектора магнитной индукции годится для вычисления потока любого вектора (напряженности электрического поля />, напряженности гравитационного поля />, скорости />и т.д.). Обратите внимание на то, что поток вектора является скалярной величиной, ее знак зависит от угла между направлением вектора поля и нормалью к поверхности, через которую определяется поток.
Магнитное поле в веществе
При изучении магнитного поля нельзя обойти вопрос о роли вещества. Можно на простых опытах показать, что некоторые вещества, например железо, могут сильно намагничиваться в магнитном поле. В то же время существуют вещества, которые слабо намагничиваются.
/>
Очень хорошо, если есть возможность продемонстрировать поведение различных веществ, помещенных в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита (рис. 6). В таком магнитном поле кусок железа, подвешенный на нити, сильно отклонится в направлении более сильного поля. Такой эффект характерен для класса ферромагнетиков. Другие вещества, такие как хром, марганец, палладий, тоже втягиваются в область сильного поля, но гораздо слабее — это парамагнетики. А такие вещества как ртуть, мышьяк, серебро движутся в область более слабого поля — это диамагнетики.
Объяснить намагничивание различных материалов в школьном курсе физики весьма затруднительно. Однако, качественно это можно сделать на основе гипотезы Ампера о молекулярных токах и модели строения атома, предложенной Бором,. Поясните, что магнитные явления в веществах вызываются магнитными моментами электронов. Труднее всего объяснить намагничивание ферромагнетиков, так как для этого необходимо ввести понятие собственных магнитных моментов, между которыми действуют обменные силы, имеющие квантовую природу.
Если объяснение намагничивания Вам кажется затруднительным даже на качественном уровне, можно ограничиться рассказом о свойствах и особенностях магнетиков разных типов.
Электромагнитная индукция
При изучении явления электромагнитной индукции важно обратить внимание учащихся на то, что индукционный ток в замкнутом контуре возникает только в случае, когда магнитный поток через контур изменяется. Индукционный ток может быть вызван переменным электрическим током, движением катушки с током, движением постоянного магнита. Обязательно остановитесь на глубокой связи электрических и магнитных явлений. Напомните, что возникновение электрического тока (направленного движения электрических зарядов) происходит под действием электрического поля. Это позволило Максвеллу на основании опытов Фарадея сделать вывод о том, что переменное магнитное поле порождает электрическое поле. Линии этого поля замкнуты. Такое поле называется вихревым.
Применяя для определения направления индукционного тока правило Ленца, покажите, что это правило является следствием закона сохранения энергии.
Для лучшего усвоения материала необходимо воспользоваться демонстрацией опытов, которые когда-то были осуществлены Фарадеем. Это позволит изучить явление более глубоко. Обсудите применение явления электромагнитной индукции в технике.
Переменный ток
Изучение этой темы следует начать с анализа способа получения переменного тока, основанного на законе Фарадея для электромагнитной индукции. Поясните, что наиболее простой закон изменения тока — периодический — имеет место, если в цепи действует периодически изменяющаяся ЭДС, которая возникает при равномерном вращении рамки в магнитном поле. Несмотря на то, что гармонически изменяющаяся ЭДС является идеализацией, изучение синусоидальных токов важно по ряду причин:
1) теория синусоидальных токов проста, и, следовательно, можно легко выяснить основные закономерности;
2) любой ток, изменяющийся по более сложному закону, можно представить как сумму синусоидальных токов;
3) все технические генераторы переменного тока имеют ЭДС, изменяющуюся по закону, близкому к синусоидальному.
Дайте определение квазистационарных токов, запишите условие, при котором токи являются квазистационарными. В случае квазистационарных токов применим закон Ома. Обратите внимание на то, что электромагнитные возмущения распространяются с конечной скоростью.
Далее следует перейти к рассмотрению частных случаев и анализу роли различных элементов цепей: сопротивления, индуктивности, емкости. Проще всего такой анализ осуществить с помощью векторных диаграмм. Объясните в каждом случае физическую причину возникновения разности фаз между током и напряжением. Использование векторных диаграмм позволит легко определить амплитуду и фазу тока в электрической цепи, содержащей источник переменной ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление.
Покажите необходимость введения понятий эффективных значений тока и напряжения из сравнения выражений для мощности постоянного и переменного токов, выделяемой на сопротивлении. Обязательно подчеркните, что все электрические приборы, используемые в электротехнике, проградуированы по эффективным значениям, что необходимо учитывать при их использовании.
Введите понятие коэффициента мощности, определив />также из векторной диаграммы. Обратите внимание, что для увеличения коэффициента мощности выгодно уменьшать реактивное сопротивление />.
Полученные с помощью векторной диаграммы выражения для амплитуды тока и разности фаз используйте для графического анализа зависимости этих характеристик от частоты переменной ЭДС. Зависимость имеет резонансный характер. Обратите внимание на то, что максимальное значение амплитуды тока определяется только активным сопротивлением. Поясните с помощью векторной диаграммы, что при резонансе падение напряжения на емкости и индуктивности взаимно компенсируются, поэтому резонанс такого типа называют резонансом напряжений. Обратите внимание на то, что острота резонансного максимума на кривой />определяется коэффициентом затухания />.
§2.2. Повышение эффективности лекционного курса, используемого при изучении темы «Электричество и магнетизм» на основе информационных технологий
На сегодняшний день разработано множество графических пакетов, оболочек (Соrel, 3D-Studio, Power-Point, Micro-Cap и др.), электронных изданий(Физика 7-11класс(Физикон), Открытая физика, Кирилл и Мефодий и др.) позволяющих решать конкретные практические задачи с помощью ЭВМ без знания языков высокого уровня. По нашему мнению, наиболее приемлемыми для использования в школе являются оболочка PowerPoint и электронные пособия: Физика 7-11класс, Открытая физика, Кирилл и Мефодий и др. В своей работе я попытаюсь исследовать данные пособия и показать их применение на основе выбранной темы.
/>
Слайд из презентации «Электростатическое взаимодействие»
Графический редактор CorelMove и пакет для создания презентаций PowerPoint позволяет создавать различные статические и динамические модели, которые очень наглядно демонстрируют различные физические опыты и явления, переходные процессы из темы «Электричество и магнетизм». Просмотр этих моделей студентами делает процесс изучения темы «Электричество и магнетизм» интересным и привлекательным, а так же во многом упрощает труд преподавателя.
Применение компьютерных моделей на лекциях при изучении темы «Электричество и магнетизм» способствует развитию познавательного интереса, овладению студентами возможностями информационных технологий, более гармоничному развитию интеллектуальных способностей.    продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
3 D – модель. Линии индукции поля постоянного магнита.
Чтобы сделать средство обучения наглядным, необходимо выделить основные свойства изучаемого явления, т. е. превратить его в модель, правильно отразить в модели эти свойства и обеспечить доступность этой модели для студентов.
Особое внимание должно уделяться статическим и динамическим моделям. Динамическое компьютерное моделирование обладает большой достоверностью и убедительностью, прекрасно передает динамику различных физических процессов.
В настоящее время изменилось отношение к наглядности преподавания физики. Широкое распространение получили различные компьютерные модели, открывающие перед преподавателем много возможностей и перспектив в обучении физике. Их использование в комплексе с другими средствами наглядности повышают эффективность процесса обучения.
Показателем эффективности компьютерных моделей является интеллектуальное развитие студентов. Для повышения этого показателя необходимо соответствие предметного содержания урока целевому назначению динамической компьютерной модели.
/>
3 D – модель. Простейший колебательный контур.
Использование компьютерных технологий позволяет надежно воспроизводить физические явления и процессы, быстро и точно производить расчеты времени, многократно повторять эксперимент с разными исходными данными.
Важным условием повышения эффективности обучения является активизация познавательной деятельности студентов за счет увеличения объема самостоятельной работы при организации диалога ученика с компьютером.
/>
Модель. Конструктор гальванических элементов.
Применение компьютерных моделей в демонстрационном эксперименте позволяет более полно реализовать на практике такие требования, как обеспечение видимости, создание специфического эмоционального настроя.
На основании соответствия содержания учебного материала целевому назначению динамических компьютерных моделей выделяют несколько вариантов использования динамических компьютерных моделей при объяснении нового материала:
в теории, основанной на явлениях, для которых важно знать их механизм;
в теории, основанной на исторических опытах;
в теории по материалу повышенной трудности;
для демонстрации применения изучаемого явления в жизни и технике;
для построения графиков, необходимых для изучения нового материала.
§2.3. Разработка электронной лекции по физике «Электромагнитные колебания» для школьного курса физики профильных классов
План.
1. Колебательный контур. Гармонические электрические колебания.
2. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.
3. Свободные затухающие колебания.
4.Получение незатухающих колебаний.
1. Колебательный контур. Гармонические электрические колебания
Периодические или почти периодические изменения заряда, силы тока и напряжения называются электрическими колебаниями.
Открытие и наблюдение электрических колебаний: с помощью осциллографа.
Цепь, содержащая конденсатор и катушку индуктивности называют колебательным контуром.
Колебательный контур.
/>
/>
W’=0 т.к. W=const,
Тогда />и />
/>.
Так как />= I, а />=/>то получаем
/>,
То есть />, />
Другой подход.
/>
/>. Напишем для цепи 1-3-2 выражение для закона Ома. IR=j1-j2+e12. В нашем случае R=0, />, тогда
/>,
но так как />, то получим
/>или если w0 =1//>
/>.
Решение этого уравнения получим в виде
/>(1)
т.к. w0=1//>, то T=/>-формула Томсона.
Напряжение на конденсаторе отличается от заряда множителями />;
/>
Продифференцировав (1) по времени получим выражение для силы тока:
/>
т.е. сила тока опережает по фазе напряжение на конденсаторе на p/2.
/>
Свободные колебания в электрическом контуре.
2. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями
Электромеханическое подобие.
/>/>
/>/>
/>
Таблица соответствия между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах.
/>
/>/>/>
3. Свободные затухающие колебания
/>
/>/>
/>
тогда
/>
Решение этого уравнения: />,
где/>
/>
/>
/>
Затухание колебаний в контуре.
/>— логарифмический декремент затухания.
/>— обратен числу колебаний, совершённых за время, в течение которого амплитуда уменьшается в e раз.
Добротность контура />. В случае слабого затухания
/>.
Действительно: />
При слабом затухании />, тогда />и
/>
Так как />имеем />.
При слабом затухании добротность с точностью до множителя />равна отношению энергии, запасённой в контуре в данный момент, к убыли этой энергии за один период колебаний, то есть />
При />, то есть
/>(2)
Вместо колебаний – апериодический процесс.
Критическое сопротивление определим из (2) />
4. Получение незатухающих колебаний    продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
Генератор незатухающих электромагнитных колебаний на транзисторе
В правой части схемы находится колебательный контур, в левой части – приборы, обеспечивающие поступление в него энергии в нужные моменты времени.
Заключение
В данной выпускной квалификационной работе я предпринял попытку совершенствовать преподавание темы «Электричество и магнетизм» на основе компьютерных технологий, разработал электронную лекцию на тему «Электромагнитные колебания» для школьного курса физики профильных классов. Подводя итог исследования, можно сделать ряд выводов.
Информационную технологию обучения (ИТО) следует понимать как приложение информационных технологий для создания новых возможностей передачи знаний (деятельности педагога), восприятия знаний (деятельности обучаемого), оценки качества обучения и, безусловно, всестороннего развития личности обучаемого в ходе учебно-воспитательного процесса.
Современное обучение уже трудно представить без технологии мультимедиа (англ. multimedia — многокомпонентная среда), которая позволяет использовать текст, графику, видео и мультипликацию в режиме диалога и тем самым расширяет области применения компьютера в учебном процессе. Изобразительный ряд, включая образное мышление, помогает обучаемому целостно воспринимать предлагаемый материал.
Применение компьютерных моделей на лекциях при изучении темы «Электричество и магнетизм» способствует развитию познавательного интереса, овладению студентами возможностями информационных технологий, более гармоничному развитию интеллектуальных способностей. В настоящее время изменилось отношение к наглядности преподавания физики. Широкое распространение получили различные компьютерные модели, открывающие перед преподавателем много возможностей и перспектив в обучении физике. Их использование в комплексе с другими средствами наглядности повышают эффективность процесса обучения
В выпускной квалификационной работе разработана электронная лекция на тему «Электромагнитные колебания», которая может применяться учителями в физико–математических классах.
Литература
Апатова Н.В. Информационные технологии в школьном образовании. // М., 1994.
Ю.А. Воронин, Р.М. Чудинский. Компьютеризированные системы средств обучения для проведения учебного физического эксперимента // Физика в школе,2006, № 4.
Гомулина Н. Н. Компьютерные обучающие и демонстрационные программы. // «Физика», 1999, № 12.
Дунин С.М. Компьютеризация учебного процесса. // Физика в школе. — 2004. — №2.
Захарова И.Г. Информационные технологии в образовании. // М.: Академия, 2003.
Концепция информатизации сферы образования Российской Федерации: Проблемы информатизации высшей школы. — М., 1998. — С. 57.
Костко О.К. Электромагнитные колебания и волны. Теория относительности.
Кудрявцев А.В. Методика использования ЭВМ для индивидуализации обучения физике.
Мамедов Т.М. Использование современных достижений научно-технического прогресса как фактор повышения качества преподавания школьного курса физики (Автореферат).
Машбиц Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. // М.: Педагогика, 1988.
Методические материалы к компьютерной лаборатории «L — микро».
Методические указания к электронному изданию «Физика 7-11». // Физикон.
Повышение эффективности наглядности при использовании динамических компьютерных моделей // Теоретические проблемы физического образования. – С.-Петербург: Образование, 1996. – 87 с.
Роберт И.В. Современные информационные технологии в образовании: дидактические проблемы, перспективы использования. // М.: Школа-Пресс, 1994.
Салимова Л.Ч., Салимов B.C., Брегеда И.Д. Информационные технологии в обучении физики в школе. // Материалы X Всероссийской научно-методической конференции «Телематика' 2003», 2003.
Соловое А.В. Информационные технологии обучения в профессиональной подготовке // Информатика и образование. — 1996 — № 1.
Стариченко Б.Е. Компьютерные технологии в образовании. Инструментальные системы педагогического назначения.
Старовиков М.И. Формирование учебной исследовательской деятельности школьников в условиях информатизации процесса обучения (на материале курса физики) // Автореферат дис. д-ра физ.-мат. Наук. — Челябинск 2007.
Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы. Под ред. С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой. // М.: Академия, 2000.
Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы. Под ред. С.Е. Каменецкого. // М.: Академия, 2000.
Ястребцева Е.Н. Проект «Гармония» // Компьютер в школе. — 1998. — №3.
www.corbina.net/~snark/
l-micro.ru/
school56.spb.ru/lego/lego.index.html
Инструментальные средства компьютерного моделировании LabVIEW, Measurement Studio и др. Адрес Internet: labview.nm.ru
Хуторской А.В. Развитие одаренности школьником: Методика продуктивного обучения. — М., 2000. — С. 66.