Использование информационных технологий при изучение темы «Электромагнитные колебания»

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 и высшей 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 мной  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 - разработать методику изучения электроколебательных процессов с помощью компьютера.

     Объектом исследования является организация учебного процесса на различных этапах урока физики.

     Предметом является поиск содержания, форм и методов обучения, обеспечивающих достижение поставленной цели.

     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:

- разработать методику изложения темы “Электромагнитные колебания” с использованием ЭВМ;

-   выяснить, с какими трудностями сталкиваются учащиеся в процессе изучения данной темы и, следовательно, каким вопросам и понятиям следует уделить особое внимание.

     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.

-    проведение уроков по изучению электромагнитных колебаний в 11-х классах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Информационные технологии при изучении физики 

1.1.Информационные  технологии обучения

     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. Главная цель информатизации образования состоит в подготовке обучаемых к полноценному и эффективному участию в бытовой, общественной и профессиональной областях жизнедеятельности в условиях информационного общества.

     Для эффективного применения ИТО педагогу в первую очередь необходимо ориентироваться  в соответствующем программном  обеспечении. Программное обеспечение, использующееся в ИТО, можно разделить  на несколько категорий:

1. Автоматизированные  обучающие системы (АОС)

     АОС включает в себя комплекс учебно-методических материалов (демонстрационных, теоретических, практических, контролирующих) и компьютерные программы, которые управляют процессом  обучения. Комплекс программных продуктов, поддерживающих обучение информатике, дает возможность систематического использования информационных технологий при обучении физике. Программные продукты по физике представляют собой электронные варианты следующих учебно-методических материалов: электронные словари-справочники и учебники физики, лабораторные практикумы с возможностью моделирования реальных физических процессов, программы-тренажеры решения задач по физике, тестовые системы.

     Применение  АОС в обучении физике предоставляет  возможность организации учебных  занятий в соответствии со следующими этапами:

- учитель  физики вводит разностороннюю  информацию (теоретический и демонстрационный  материал, практические задания,  задачи, вопросы для тестового  контроля) в базу данных и формирует  сценарий для проведения урока;

- ученик  в соответствии со сценарием (выбранным им самим или назначенным педагогом) работает с учебным материалом, предлагаемым программой;

- выполняется  автоматизированный контроль усвоения  знаний, который обеспечивает необходимую  обратную связь, позволяя выбрать  самому ученику (по результату самоконтроля) или назначать автоматически последовательность и темп изучения материала по физике;

- работа  ученика протоколируется, информация  по итогам тестирования, изучения  темы и т.п. заносится в базу  данных;

- учитель  и ученик имеют возможность получать информацию о результатах изучения отдельных вопросов и тем физики в динамике.

2. Интеллектуальные  обучающие системы  (ИОС)

     Возрастание возможностей компьютеров стимулировало  развитие нового направления в информационных технологиях обучения - создание интеллектуальных обучающих систем. Этот подход базируется на работах в области искусственного интеллекта, в частности теории экспертных систем - сложных программ, манипулирующих специальными, экспертными знаниями в узких областях предмета. Как и настоящий человек - эксперт, эти системы решают задачи, используя логику и эмпирические правила, умеют пополнять свои знания. Экспертные системы соединили в себе возможности компьютера с богатством человеческого опыта. ИОС представляет качественно новую технологию обучения физике. В основе метода можно выделить: моделирование процесса обучения, использование динамически развивающейся базы знаний ИОС, автоматический подбор рациональной стратегии обучения для каждого обучающегося, автоматический учет в работе ИОС новой информации по физике, поступающей в базу знаний, то есть саморегулирование системы. Работы в области ИОС пока носят единичный характер и на уровень массовой технологии еще не вышли.

3. Электронный учебник  физики

     В последние годы получили распространение лазерные компакт-диски по физике. На этих носителях информации размещаются различные виды экранно-звуковых средств, приспособленных для использования с помощью компьютера. В них предлагаются демонстрации заданий для фронтальной и индивидуальной работы учеников на уроке, для домашней самостоятельной работы. Компакт диски по физике помогают обеспечить интерактивность взаимодействия ученика с учебным материалом, индивидуальную траекторию его усвоения, интенсифицировать обратную связь «учитель-ученик».

     Новые возможности информатизации физического  образования открыла в 90-е годы гипертекстовая технология. Основная её черта - это возможность переходов по 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». В этой огромной среде легко находить нужную информацию, возвращаться к уже пройденному материалу и т. п. При проектировании гипертекстовой системы можно заложить гиперссылки, опираясь на способности человеческого мышления к интеграции информации и ассоциативному доступу к ней. Использование динамического гипертекста позволяет провести диагностику знаний, а затем автоматически выбрать один из возможных уровней изучения одной и той же темы курса физики. Эти системы представляют информацию так, что сам обучаемый, следуя графическим и текстовым ссылкам, может использовать различные схемы работы с материалом. Все это создает условия для реализации дифференцированного подхода к обучению физике.

4. Интернет технологии  в физическом образовании

     Новый импульс информатизации физического  образования дает развитие информационных телекоммуникационных сетей. Интернет обеспечивает доступ к гигантским объемам информации, хранящимся в различных уголках нашей планеты. Многие эксперты рассматривают Интернет - технологии как революционный прорыв, превосходящий по своей значимости появление персонального компьютера. Средства телекоммуникации, включающие электронную почту, глобальную, региональные и локальные сети связи и обмена данными, представляют для обучения физике широчайшие возможности: оперативную передачу на разные расстояния информацию любого объема и вида, интерактивность и оперативную обратную связь, организацию совместных телекоммуникационных проектов, запрос информации по любому интересующему вопросу через систему электронных конференций. Образовательный web-сайт учебного заведения в сети Интернет - новое средство обучения. В связи с бурным развитием информационных технологий количество и роль образовательных сайтов в деятельности учебных заведений возрастает. От содержания, организационной структуры и функционирования образовательного сайта зависит не только успех взаимодействия учебного заведения с внешним миром, но и образовательные процессы внутри учебного заведения.

     К техническим средствам ИТО относят:

-  Компьютер;

-  Периферийные  устройства;

-  Принтер;

-  Сканер;

-  Проектор;

-  Цифровая фотокамера и видеокамера;

-  Веб - камера.

5.  Специализированное  оборудование.

     Специализированное  аппаратное обеспечение бывает двух видов: научное и учебное. К научному можно отнести, например, специальную  плату, с помощью которой ПК можно  использовать в качестве высококачественного осциллографа. Устройства учебного назначения больше подходят именно для изучения физики; к ним относятся различные датчики и блоки, обеспечивающие их совместную работу с компьютером. Примером такого оборудования может служить комплект «Лаборатория L - микро», в который входят блок сопряжения с компьютером и наборы датчиков для измерения механических, термодинамических и других физических величин. А также измерительный комплекс нового поколения «Архимед», действующий на базе карманных компьютеров «Palm».  

     1.2.Информационные  технологии на  уроке физике

     В век развития информационных технологий у учителя появилось самое эффективное из всех существовавших до сих пор технических средств обучения - компьютер, а информационные технологии, являясь современным средством обучения, открывают поистине необозримые возможности для решения широкого круга задач.

     Современный урок невозможен без использования информационных и телекоммуникационных технологий. Особенно это касается предметов естественно - научного цикла, т.к. именно они формируют единую картину мира. При изучении данных предметов информационные технологии могут стать эффективным вспомогательным средством.

     Школьникам, начинающим изучать физику в средней  школе, очень важно первое представление  об этой науке, полученное на начальных этапах изучения предмета. Мало кто из подростков может точно определить в возрасте 13-14 лет, насколько важно знание физики в дальнейшей жизни и понадобится ли оно при продолжении образования. Именно поэтому так важно первое впечатление ребёнка от уроков физики и поэтому на первый план в этот период выходит создание условий, при которых всё, что происходит на уроке, интересно, посильно и легко запоминается. В дальнейшем, когда многие начинают осознавать, что физика очень многогранна и достаточно сложна, интерес, приобретённый к науке на этом этапе, будет помогать учащимся преодолевать сложности, возникающие у них при изучении предмета.

     Одним из средств, помогающих в этом нелёгком деле, являются современные информационные технологии. Большинство современных школьников интересуются компьютером, легко усваивают средства Microsoft Office, в том числе и программу Power Point.

     Современная физика не в силах обойтись без  информационных технологий в силу особенностей самого предмета. Преподавание физики представляет собой благоприятную сферу для применения компьютерных технологий на уроках и во внеурочной деятельности.

     Использование программы Power Point возможно как для  создания мультимедийных уроков, в  виде слайдов, поясняющий новый учебный материал учащимся и заменяющий такие, не слишком удобные в применении, средства наглядности, как графопроектор, диапроектор, печатные таблицы и прочее, так и для предоставления возможности проведения уроков-экспериментов, уроков-практикумов, фрагментов проверки и контроля знаний учащихся, а также может являться источником дополнительных знаний по истории физики, и по истории развития отдельных вопросов и тем, кроме прочих преимуществ, позволяет учителю на уроке более рационально использовать время, заменяя процесс записи на доске с помощью мела таким же по последовательности и логике процессом вывода формул на экран, с помощью учащихся и без него. Т.е. мультемедийные технологии не заменяют собой процесс общения ученика и учителя, а только помогает последним найти общий язык.

     Направления применения информационных технологий на уроках физики можно разделить на несколько блоков:

• создание мультимедийных сценариев уроков или фрагментов уроков;
• использование компьютерных датчиков для демонстрационных опытов;
• применение компьютерных тренажеров для организации контроля знаний.
• применение в качестве иллюстративных вставок во внеурочной деятельности

     Презентации, используемые нами на роках физики, разработаны в разных направлениях. Одни предназначены для помощи в  объяснении нового материала, другие, разработанные в виде исторических вставок, рассказывают о жизни наиболее значимых в физике людей, третьи описывают исторические события, связанные с использованием тех или иных открытий, сделанных в физике. Четвертые, применяемые для внеклассной работы, рассчитаны на привитие интереса к предмету.

     Презентации демонстрируются самим учителем или учащимися, выполнившими работу, непосредственно в кабинете физики, с помощью переносного мультимедийного  проектора, подключенного к компьютеру. Изображение проецируется на большой настенный экран. По сравнению с традиционной формой ведения урока, заставляющей учителя постоянно обращаться к мелу и доске, использование таких сценариев высвобождает большое количество времени, которое можно употребить для дополнительного объяснения материала. При этом следует подчеркнуть, что компьютерная демонстрация физических явлений рассматривается не как замена реального физического демонстрационного опыта, а как его дополнение. Появляется возможность более образного представления процессов и явлений, изучаемых на уроках, сравнения и обобщения представленного материала.

     Презентации используются при объяснении нового материала, при повторении пройденного  материала и при организации  текущего контроля знаний (презентации-опросы), для обобщения материала в виде игр и викторин.

     Объяснение  нового материала, сопровождаемое презентацией, позволяет рассматривать явления  и процессы, изучаемые на уроках, с разных сторон. Кроме того, определения  и формулы, которые записываются в ходе обсуждения нового материала, хорошо видны всем учащимся, воспринимаются и запоминаются лучше благодаря ассоциациям, возникающим при использовании зрительных образов. Записывание материала-определений и формул - также облегчается, так как отпадает необходимость многократного озвучивания его педагогом.

     Презентации-опросы содержат вопросы-задачи, адресованные ученикам, в них могут быть включены материалы, отображающие ключевые эксперименты пройденной темы или демонстрирующие  изученное физическое явление. Вопрос к ученику содержится в заголовке слайда, комментарии и пояснения к рисункам даются учителем по ходу презентации.

     Сегодня практически не встретишь учителя, который бы не владел элементарными навыками работы с компьютером. И в силу своих возможностей, специфики предмета, а может быть, и желания, так или иначе, учителя пытаются использовать данное средство в своей работе.

     При использование ИТ. на уроках физики повышается интерес к изучению предмета, расширяются  возможности демонстрации опытов через использование виртуальных образов.

     В курс физики средней школы включены разделы, изучение и понимание которых  требует развитого образного  мышления, умения анализировать, сравнивать. Например,  "Молекулярная физика", некоторые главы "Электродинамики", "Ядерная физика", "Оптика" и др. В любом разделе курса физики можно найти главы, трудные для понимания, а многие ученики не владеют необходимыми мыслительными навыками для глубокого понимания явлений, процессов, описанных в данных разделах. В таких ситуациях на помощь приходит компьютер и информационные технологии.

     Кроме того, многие явления в условиях школьного физического кабинета не могут быть продемонстрированы. К примеру, это явления микромира, либо быстро протекающие процессы, либо опыты с приборами, отсутствующими в кабинете. В результате учащиеся испытывают трудности в их изучении, так как не в состоянии мысленно их представить. С помощью компьютера можно создать модель таких явлений, при этом существует возможность изменять условия протекания того или иного процесса.

     Физика - это наука, при изучении которой  проводится огромное количества опытов, экспериментов, выводятся формулы, законы, происходит знакомством с  выдающимися учеными, внесшими вклад  в науку. Изучение физики не может  происходить без лабораторных работ, а физические лаборатории  изрядно поизносились или морально устарели. Проблема наглядности,  и отсутствия демонстрационного оборудования стоявшая, так остро последние годы, с помощью внедрения виртуальных лабораторий решается в одночасье.

     Компьютер можно применять и на уроках других типов: при самостоятельном изучении нового материала, при решении задач, во время контрольных работ. Необходимо также отметить, что использование  компьютеров на уроках физики превращает их в настоящий творческий процесс, позволяет осуществить принципы развивающего обучения. Есть возможность отобрать необходимый материал, подать его ярко, наглядно и доступно. Использование ИТ. на уроке повышает мотивацию обучающихся к процессу учения, создаются условия для приобретения учащимися средств познания и исследования мира.

     Можно придумать много различных способов использования персонального компьютера на различных этапах урока: компьютерные демонстрации, лабораторно – компьютерные практикумы, интегрированные курсы, компьютерное моделирование физических процессов, компьютерное тестирование и многое другое.

     При разработке урока есть возможность  предусмотреть различные варианты работы. ИТ.  – один из вариантов, активизирующий процесс усвоения знаний, усиливающий мотивацию обучения. Поэтому, наряду с традиционными методами изучения физики на уроках практически постоянно используется персональный компьютер, проектор.

     При объяснении нового материала с целью  создания проблемной ситуации, выдвижения проблемы и формулировки гипотезы, а также с целью ее экспериментальной проверки (виртуальный эксперимент) можно использовать медиаресурсы. Возможно применение   для демонстраций видеозаписей компьютерных экспериментов, не заменяя совсем, а  дополняя и при необходимости, дублируя реальный эксперимент, т.к. разнообразное представление демонстрационного опыта способствует его запоминанию, образованию устойчивого зрительного образа наблюдаемого явления.

     В современном процессе обучения информационные технологии являются незаменимым помощником учителя, с помощью которого можно насытить уроки физики богатейшим иллюстративным материалом – использовать графические иллюстрации, интерактивные анимации и физических видеоэксперименты. Все это повышает уровень усвоения учебного материала и влияет на качество знаний.

Так, на этапе подготовки к уроку компьютер  предоставляет возможности:

• создавать компьютерные модели конспекта урока, темы, курса в целом;
• максимально целесообразно располагать материал;
• обеспечивать основной материал дополнительной информацией;
• подбирать и систематизировать материал с учетом особенностей класса и отдельных учащихся.

На этапе  проведения уроков компьютер позволяет:

• экономить время;
• красочно оформлять материал;
• повышать эмоциональную, эстетическую, научную убедительность преподавания;
• оптимизировать процесс усвоения знаний, воздействуя на различные анализаторы;
• индивидуализировать обучение;
• концентрировать внимание на важнейшей проблеме урока;
• в любой момент возвращаться к уже знакомому материалу;
• самостоятельно использовать учебный материал обучающимися.

Некоторые способы применения ИКТ на уроках физики:

1. Компьютерные демонстрации

     Основным  достоинством этой технологии является то, что она может органично  вписаться в любой урок и эффективно помочь учителю и ученику. Другим немаловажным обстоятельством является то, существуют такие физические процессы или явления, которые невозможно наблюдать визуально в лабораторных условиях, например, движение спутника вокруг Земли. В данном случае компьютерные демонстрации имеют неоценимое значение. Достоинство этой технологии заключается в том, что она не требует большого числа машин. Достаточно одного компьютера, чтобы начать работать по этой технологии и видеопроектора, или комплекса, - компьютер плюс телевизор.

2. Компьютерное моделирование

     Эта компьютерная технология обучения является мощным научным направлением, которое  разрабатывается уже десятки  лет. Применение этой компьютерной технологии в школе  имеет большое будущее, так как компьютерное моделирование является мощным инструментом познания мира. На уроках для исследования можно использовать готовые модели или  создавать их самостоятельно. Применяется как индивидуальная, так и групповая форма создания компьютерных моделей учащимися.