Комп ютерні ігри на уроках фізики

Реферат на тему:

Одним з перспективних шляхів впровадження нових інформаційних технологій у методику викладання фізики є застосування мультимедійних можливостей комп’ютерів для створення високоякісних, естетично оздоблених навчально-ігрових програм. Використання ігрової компоненти сприяє активізації пізнавальної діяльності учнів і дозволяє подолати певні психологічні бар’єри як на шляху формування інтересу до навчання, так і в плані спілкування з комп’ютером.

Авторами була розроблена і успішно впроваджена технологія створення складних тривимірних (3D) віртуальних світів, насичених дидактично навантаженими об’єктами, які реалізують різноманітні якісні та напівкількісні фізичні (і не тільки фізичні) задачі.

Створення гри, здатної зацікавити учня, вже знайомого з фірмовими продуктами, на зразок Doom або Quake становить достатньо складну проблему, яка звичайно вирішується великими колективами авторів, які спираються на міцну економічну підтримку і витрачають на таку роботу кілька місяців або років. Зрозуміло, що для звичайного вчителя, студента чи викладача такий шлях не є реальним.

Надзвичайна популярність 3D ігор призвела до появи редакторів сценаріїв. Спочатку, такі редактори нелегально створювалися найзавзятішими гравцями, для задоволення власних потреб і фірми розробники ігрових програм виступали проти такої діяльності. Але пізніше останні зрозуміли, що таке "піратство" сприяє росту популярності їх продуктів і стали відкривати певні секрети щодо форматів даних та інших подробиць своїх програм. В результаті зараз існують і досить доступні редактори сценаріїв для більшості популярних ігор.

За основу сценарію було взято подорож у віртуальному лабіринті з досить складною топологією. На певних вузлових ділянках, в точках розгалуження, розміщаються "дороговкази" у вигляді фізичних задач, правильне розв’язання яких підказує вірну дорогу, або відкриває доступ до певних життєво необхідних ресурсів: енергії, зброї, спорядження, які стануть у нагоді на подальших етапах. Невірна відповідь, навпаки, веде до витрати сил, подовження шляху, зустрічі з небезпечними об’єктами чи суб’єктами, зайвих додаткових запитань, а при потребі, наприклад в навчальному варіанті, до корегуючих підказок.

В результаті, загальний час, а можливо і здатність подолання лабіринту залежить від рівня знань фізики і вміння розв’язувати задачі. Блукання навмання в таких умовах є безумовно програшною стратегією.

Рівень складності завдань може змінюватися на етапі проектування. Найпростіший варіант, це вибір однієї з кількох готових відповідей, придатний для початкового навчання і тренування. В екстремальних варіантах, наприклад олімпіадного призначення, навіть умова задачі може формулюватися неявно, в стилі відомих "кросвордів з фрагментами", і вимагати від гравця вміння самостійно визначити проблему і сформулювати умову задачі, а тільки потім приступити до пошуку відповіді, що стимулює розвиток креативного мислення.

Практична реалізація описаної ідеї була здійснена за допомогою спеціалізованого редактора WEB 3D Game Studio фірми Conitec GmbH. Зразок вигляду робочого столу і план одного із ранніх зразків створених авторами лабіринтів наведено на мал.1. Лабіринт складається з 10 кімнат, кожна з яких має один вхід і три виходи. Посередині кімнати розміщена додаткова стіна, на якій написано питання чи умову задачі. На вихідних стінах, через які гравець може проходити наскрізь, написані варіанти відповідей, при чому тільки одна з них вірна – вона і вказує правильний шлях до наступної кімнати. Обравши невірну відповідь, гравець потрапляє до підземелля. Зворотний шлях заблоковано, через різницю рівнів підлоги підвалів та кімнат. Повертаючись до єдиних сходів, що ведуть нагору, гравець витрачає час, і вимушений починати подорож спочатку. На стінах підвалу, при потребі, можуть бути розміщені додаткові коментарі та підказки.

Старт

Мал.1 План одного з лабіринтів (знімок робочого столу редактора)

Процес створення лабіринту полягає переважно у встановленні кутових точок, поєднанні їх стінами і визначенні висоти стелі та підлоги утворених регіонів. Майже всі операції здійснюються у вікні редактора за допомогою миші. Стінам, стелі та підлозі призначаються текстури забарвлення, вказується місце старту та положення активних (акторів) та пасивних (речей) об’єктів, а також маршрути їх пересування. Змістовна інформація задається у вигляді малюнків широко відомого формату *.РСХ. Можливе включення мультиплікації, текстових та звукових повідомлень, додаткових меню, карт, зброї, тощо. Акторам можуть бути надані елементи штучного інтелекту, наприклад здатність переслідувати гравця, чи навпаки втікати від нього, в залежності від співвідношення сил. Об’єкти здатні реагувати на наближення до них (двері, ліфти), або на влучення пострілом (монстри). Редактор дозволяє створення лічильників подій, реєстрації часу, завдання фізичних умов руху (наприклад коефіцієнту тертя) і багато інших можливостей. Для їх повної реалізації потрібна деяка "ручна" робота по програмуванню файлів опису світу, але наявність кількох демонстраційних рівнів і досить детальна, (приблизно 200 сторінок), супроводжуюча документація робить цю задачу цілком реальною для вчителя інформатики, або студента старших курсів.

На мал.2 наведено один із інтер’єрів лабіринту, отриманий шляхом моментальної зйомки в процесі гри.

Мал.2 Один з куточків наведеного лабіринту

Створення самих лабіринтів, з можливістю їх оперативної перевірки, є досить цікавим творчим процесом, цілком доступним учням навіть 8 класу і може стати предметом гурткової роботи з фізики та інформатики.

Мінімальні вимоги до апаратних ресурсів на рівні 486 процесора і 8Мбайт оперативної пам’яті. Підготовлений до роботи пакет програм редактору із двома демонстраційними лабіринтами займає на жорсткому диску приблизно 13Мбайт (6Мбайт в архіві). Програма працює як у DOS, так і у Windows95/98, але в останньому випадку можливе застосування більш потужних графічних редакторів і багатозадачний режим роботи, з одночасним редагуванням лабіринту, малюнків, звуків, тощо.

Створений віртуальний світ з усіма ресурсами може бути компактно скомпільований для подальшого поширення і використання окремо від редактора, але можливість внесення змін при цьому втрачається. Об’єм відкомпільованого модуля звичайно становить 13Мбайт, в залежності від кількості використаних текстур і об’єктів.

Зупинимося детальніше на характері фізичних завдань, які можуть бути включені до віртуального світу.

Найпростіший, але не самий цікавий, випадок, коли завдання у вигляді тексту з необхідними малюнками, кресленнями, схемами і можливі варіанти відповідей оформляються у вигляді малюнків і розміщуються у потрібних місцях на стінах лабіринту. Такий варіант нагадує механізований збірник тестів, хоча теж має право на існування, особливо з урахуванням можливості пакетної заміни одних завдань іншими.

Але можливості редактору світів дозволяють, а специфіка гри вимагає більш вишуканих, тонких способів подання і зворотного сприйняття інформації.

Один з таких підходів, назвемо його "пішки по… графікам" полягає в тому, що графіки потрібної фізичної залежності або процесу, наприклад зміни швидкості руху тіла з часом, або сімейство ізопроцесів в газах зображується як орнамент на підлозі досить великої кімнати. Кожна лінія графіка веде до певного виходу. Замасковане запитання, наприклад натяк на максимальний шлях, або на сталу температуру є підказкою: по якому графіку повинен рухатися гравець, щоб потрапити до потрібних дверей.

В іншому варіанті потрібно пройти по діаграмі станів реального газу так, щоб не потрапити у ділянки існування рідкої фази – "не замочити ніг". Аналогічні завдання можна приготувати в рамках кожного розділу фізики.

Другий перспективний підхід – це створення віртуальної фізичної лабораторії. Наприклад існує кілька похилих площин – пандусів, із різними кутами нахилу . Треба визначити коефіцієнт тертя  власних ніг об поверхню покриття площин, на основі відомого співвідношення =tg. Отримане значення підкаже вихід. Секрет у тому, що програма враховує силу тертя при обчисленні руху гравця: з достатньо похилої площини він буде сповзати донизу. Допоміжні масштабні поділки на стінах та підлозі дозволяють визначити тангенс кута нахилу простим діленням двох чисел.

Цікавою проблемою є розробка сценаріїв з раціональним використанням неодмінного атрибуту аркадних ігор – різноманітної зброї. Битва з монстрами не є головним нашим завданням. Але припустимо, що у розпорядженні гравця є два види зарядів: з пружними і не пружними (або навіть липкими) кулями. Таке спорядження відкриває широкий простір для маніпуляцій із законами збереження енергії та імпульсу, дозволяє корегувати частоту коливань пружних маятників, наліпляючи на вантаж додаткову масу, відсікати зайві частини механізмів та електричних схем, тощо.

Зброя – "вогнемет" може виконувати роль нагрівача, викликаючи теплове розширення газів, рідин, твердих тіл, прискорювати рух молекул, впливати на електроопір, магнітні та діелектричні властивості речовин. Так можна змінювати частоту коливальних контурів, геометричні розміри тіл, тиск газів в системах, переводити речовини з одних агрегатних станів в інші. Можливий і протилежний варіант, "охолоджувач", наприклад струменем зрідженого азоту, або, чого там економити, рідкого гелію, та ще і в стані надтекучості! Одним словом перспективи дуже широкі.

Для оптичних дослідів просто необхідний комплект різнокольорових лазерів, причому вибір кольору відбувається достойним для фізика чином: по довжині хвилі, або навіть по хімічній формулі, чи по структурі енергетичних рівнів робочого середовища.

Насамкінець, згадаємо іонну рушницю для імплантації домішок у напівпровідники і розприскувач, заряджений діелектричною речовиною для корекції ємності конденсаторів, або теплоізолюючою піною для перетворення ізотермічних процесів в адіабатичні.

Перелічені ідеї, частина з яких вже випробувана, а інші знаходяться у роботі, доводять, що, користуючись редакторами сценаріїв, можна створювати досить складні навчально-ігрові програми, з різноманітних розділів фізики, здатні зацікавити учнів не тільки блуканням по лабіринтам і знищенням монстрів, а і задоволенням від власноручного подолання чергової проблемної ситуації, від перевірки надійності набутих знань.

Декілька слів про використання описаних програм.

Зрозуміло, що не у кожній школі і не на кожному уроці фізики під руками вчителя є комп’ютер. Зрозуміло і те, що складний і багатогранний процес навчання неможливо замінити самою найцікавішою грою.

Ставлячи перед собою задачу створення навчально-ігрових програм, автори мали на увазі, в першу чергу, їх використання для створення обстановки здорового інтелектуального змагання, наприклад, в якості третього, неофіційного туру фізичних олімпіад після звичних теоретичного та експериментального турів, на рівні міста або області. Таке застосування дозволяє підкреслити святковість події, забезпечити своєрідну культурну програму для учасників, наочно ознайомити учнів, особливо з сільських шкіл, з можливостями сучасних інформаційних технологій На такому рівні цілком можливо, хоча б у кілька змін, забезпечити кожного учасника робочим комп’ютерним місцем.

За наявності умов, у конкретній школі, доцільно застосовувати ігрові програми для організації атмосфери змагання під час позакласних заходів, наприклад фізичних вечорів. Маючи хоча б два комп’ютери, можна заздалегідь провести попередні відбіркові зустрічі, а у фіналі та напівфіналах влаштувати публічні інтелектуальні змагання-шоу, із проекцією на великий екран, вболівальниками, командами підтримки, художніми номерами, нагородженням переможців, тощо.

Може виникнути питання: "а на скільки швидкість подолання лабіринту відповідає дійсному рівню знань фізики? Можливо перемагає той, хто краще бігає та швидше давить на кнопки?". З метою перевірки адекватності результатів гри, авторами було проведено цикл досліджень за участю учнів 9класу ліцею при ХДПУ та студентів-фізиків 3 курсу.

На учнях ліцею була проведена перша дослідна перевірка, це дозволило усунути недоліки для подальшого випробування програми.

У грі приймали участь дві групи студентів третього курсу по 20 чоловік у групі. Перевірка програми проводилась у вигляді змагань. Переможцем визнавався гравець, який подолав лабіринт за найменший проміжок часу. Час проходження лабіринту іншими гравцями реєструвався, після чого учасники отримували бали пропорційні швидкості подолання дистанції.

Типові результати двох груп наведені на діаграмі 1.

■ – Перша група – учні 9 класу ліцею;

▲ – Друга група – студенти-фізики 3 курсу.

З графіків видно, що середня швидкість подолання лабіринту студентами 3 курсу вища ніж у ліцеїстів, що можна пояснити більш глибоким знанням фізики. Широкий інтервал результатів обумовлений не тільки рівнем знання фізики, а і різним ступенем знайомства учасників з ігровими програмами і комп’ютером взагалі.

Сучасний досвід стверджує, що проблема підвищення ефективності навчання може бути вирішена з допомогою ЕОМ. Широке впровадження електронних обчислювальних машин у навчання основам наук обумовлює необхідність трансформації традиційної теорії та методики передачі знань у нову інформаційну технологію навчання, сутністю якої є збільшення ефективності та результативності вивчення фізики шляхом використання чинників якісно більш високого рівня.

Розроблена методика використання навчальної гри “Лабіринт” при вивченні фізики дозволяє реалізувати поставлені перед навчальним процесом завдання.

При цьому спостерігалося різке зменшення витрати часу на перевірку засвоєння матеріалу учнями та використання його на практиці (при розв’язуванні конкретних задач). Вище наведена діаграма це підтверджує.

Слід наголосити на збільшенні частки самостійної роботи учня, при цьому здійснюється творчий підхід у досягненні поставленої мети.

І, останнє, застосування можливостей ЕОМ (а саме: яскравість, звуковий супровід і т.д.) у навчальному процесі вносить елемент зацікавленості у вирішення учнем даної проблеми. Адже основна мета вчителя на уроці зацікавити школярів до вивчення предмета.

Використання “Лабіринту” визначає перспективність нових інформаційних технологій у навчально-виховному процесі.

Використана література

Жук Ю. Викладання фізики і нові інформаційні технології навчання// Фізика і астрономія в школі. – 1997. - №1. – с13-15.

Кодес Е.С., Сидоренко Ф.А. Компьютерные игры по физике// Физика в школе. – 1997. -№1. –с.19-23.

Уваров А.Ю. Новые информационные технологии и реформа образования.//Информатика и образование. – 1993. - №3.

Ковтуцька І., Куракова О., Немченко О.Ігрові програми як засіб актуалізації пізнавальної діяльності учнів під час вивчення фізики.// Шляхи підвищення ефективності природничо-математичної освіти в середніх загальноосвітніх навчальних закладах. Зб. матеріалів Всеукраїнської студентської науково-практичної конференції. – Херсон.: Айлант, 2000.– с.72-74.