В статье рассматривается пример использования новых информационных технологий, а конкретно физического симулятора Algodoo при изучении раздела «Механика» школьного курса физики.
Ключевые слова: Algodoo, физический симулятор, цифровые интерактивные модели, новые информационные технологии в образовании, информационные ресурсы образовательного назначения.
Основной формой организации учебной деятельности является урок. Исходя из данной формулировки, наблюдается множество самых разных методических рекомендаций по построению урока.
Согласно Федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования (далее — ФГОС) [5], перед каждой школой ставится задача, воспитать гражданина, который будет соответствовать требованиям современного общества. Будет общителен, целеустремлен, неординарен в своих умственных способностях и способен правильно ориентироваться в предоставляемой ему информации.
Определяющим звеном ФГОС являются требования к результатам освоения образовательной программы. Стандарт ориентируется на личностные, предметные и метапредметные результаты обучающегося. В федеральном государственном образовательном стандарте делается акцент на необходимость использования более современных и более эффективных образовательных технологий. Исходя из применения подобных технологий на уроках, лучше всего демонстрируется деятельность обучающихся. Исходя из требований ФГОС, урок физики должен быть:
− личностно развивающим (быть направленным на развитие личностных качеств обучающихся);
− компетентностно ориентированным;
− метапредметным (быть интегрированным с другими предметами) [4].
Если урок физики является компетентностно ориентированным, то в него должны быть включены следующие функции:
− обучение должно проводиться так, чтобы возможно было применять эти знания в повседневной жизни;
− должны вырабатываться универсальные способы деятельности, применимые к самым различным предметным областям;
− предусматривается выработка у учащихся способов работы с приобретенными знаниями [2].
Исходя из требований ФГОС, современный урок должен быть не только предметом передачи знаний, но и должен являться инструментом воспитания личных качеств учащихся. На успешность подобного урока влияет сам учитель, его способность применять современные методики, индивидуально подходить к каждому из учащихся, грамотно и творчески использовать новые информационные технологии.
Урок физики с применением новых информационных технологий является уроком новым и уроком, сохраняющим связи с традиционными методиками. Процесс подготовки урока с использованием новых информационных технологий основан на общепринятых этапах урока:
− определение целей и задач урока;
− выбор подходящего материала к уроку (определение технологической карты).
Уровень качества усвоенного материала на уроке физики зависит от содержания, атмосферы урока и его методической наполненности. Согласно требованиям ФГОС, урок физики должен проходить в рамках деятельностного метода. Основной задачей при таком методе является подведение учащихся к самостоятельному «открытию» знания, которое для них еще ново. Создавая атмосферу «открытия», у учащихся развивается умение к самостоятельному мышлению. Предлагая творческие, например, с неизвестным ответом, задания, учитель физики направляет учащихся на получение предметных, метапредметных и личностных результатов. На современном этапе обучения ученик не должен получать знания в готовом виде, деятельность на уроке физики должна быть организованна таким образом, чтобы было приложено некоторое усилие, осуществлен некий поиск решения, для которого потребуется думать и размышлять.
При разработке урока физики с применением новых информационных технологий учитель должен точно определить цель, которую он планирует достичь, применяя данные технологии и решить ряд задач, в процессе решения которых будет выявлен инструмент, применимый для проведения урока с использованием новых информационных технологий. Одним из элементов новых информационных технологий применяемым на уроках физики является применение цифровых интерактивных моделей (далее — ЦИМ), то есть идеализированных моделей реальных объектов или ситуаций, созданных с помощью специализированного программного обеспечения.
Источниками ЦИМ могут являться:
− программно-педагогические средства 1-го уровня, предназначенные для первичного усвоения учебного материала на уроке физики (1С: Образование. Физика. Библиотека наглядных пособий, Физика в школе. Электронные уроки и тесты, Открытая физика. Версия 2.5 и т. д.);
− программно-педагогические средства 2-го уровня, предназначенные для формирования и закрепления экспериментальных и практических умений (1С: Репетитор. Физика, Виртуальная физическая лаборатория «Новый диск», Экспресс-подготовка к экзамену. Физика и т. д.);
− сервисы цифровых интерактивных моделей. В первую очередь, это сайты, являющиеся банками ЦИМ, в которых представлены бесплатные и платные модели:
− физические симуляторы.
Мы остановим свое внимание на физических симуляторах, так как считаем, что именное физические симуляторы являются более гибким средством создания цифровых интерактивных моделей. Одним из таких физических симуляторов является программа Algodoo (http://www.algodoo.com/). Данная программа является физическим 2D симулятором. В состав данного симулятора входит достаточно разнообразный инструментарий. Программа оформлена достаточно красочно, что немаловажно в эффективном донесении дидактического материала до учащихся. С помощью программы можно моделировать механические, оптические системы, а с помощью встроенного скриптового языка программирования Thyme возможно создавать свои функции и явления, объекты с необычными физическими свойствами. Есть возможность загружать в виртуальную среду изображения из файла и задавать ему любые физические свойства, что увеличивает наглядность создаваемой интерактивной модели. Программа полностью бесплатна и обладает функцией облачного хранения данных, поэтому любой желающий может скачать цифровую интерактивную модель и использовать ее по своему усмотрению, а также загрузить в облако данных свою разработанную модель для всеобщего пользования. Данная программа создавалась для получения магистерской степени по информатики студентом шведского университета Умео, Эмилем Эрнерфельдтом в 2008 году, тогда она называлась Thun. Вскоре она стала очень популярной, а с недавнего времени еще и бесплатной. Программа позиционируется еще и как игровой физический симулятор, но при помощи игрового инструментария можно создавать игровой мир, который построен на физических законах реального мира. Параметры вводимых объектов можно задавать не только во время подготовки эксперимента, но и во время демонстрации. Объектам в симуляторе можно задавать объем, вес, тип материала, плотность, упругость, коэффициент скольжения, силу растяжения и сжатия пружины, превращать объекты в жидкость, или метал и многое другое. Во время эксперимента можно выводить графики с самыми различными параметрами: импульс, скорость, ускорение, силы, действующие на тело, кинетическую и/или потенциальную энергии, момент вращения, угловую скорость и многое другое [3].
Часто бывает так, что учащиеся, решая задачу, не могут представить себе процессы, которые представлены в условии задачи, используя данный симулятор, они могут достаточно просто и быстро смоделировать и продемонстрировать ситуацию, которая оговаривается в задаче (Рис.1).
Рис. 1. Цифровая интерактивная модель, разработанная в программе Algodoo
Например, читая следующее условие задачи: Брусок скользит по наклонной плоскости без начальной скорости. Определить скорость бруска в момент его остановки (Рис. 2). Смоделировать данные условия задачи в симуляторе Algodoo занимает считанные секунды с отображением всех интересующих характеристик. В реальном времени отображается информация на графике, в последующем с которой потребуется работать. При решении задач с помощью данного симулятора можно отработать регулятивные, познавательные и коммуникативные УУД.
Рис. 2. Моделирование задачи «Определение скорости бруска в момент его остановки»
Таким образом, можно смоделировать условия любой задачи. При тщательном изучении программы учитель физики и учащиеся смогут смоделировать более сложные физические процессы и явления. Данный симулятор можно и нужно использовать при объяснении нового материала в качестве демонстрации изучаемого явления, при выполнении лабораторных работ, подготовке к государственному экзамену. Используя интерактивную доску и документ-камеру возможно в разы увеличить дидактические возможности данной программы, а также наполнить урок белее интересным содержанием. К примеру, при изучении определенного раздела «Механика» или «Оптика» школьного курса физики, возможно использовать тандем из реального демонстрационного эксперимента и его цифровой интерактивной модели разделив экран на две части, транслировать в класс процесс выполнения демонстрационного эксперимента и его цифровую интерактивную модель.
Используя подобные физические симуляторы как Algodoo, у учащихся появляется возможность самостоятельно осуществлять деятельность учения, ставить цели и находить способы их достижения, осуществлять контроль, производить оценивание своей деятельности. Интерактивные модели в связке с динамичной и красочной анимацией ведут к успешному учению.
Для примера приведем один из вариантов применения физического симулятора Algodoo, взяв за основу вполне конкретный урок, например, «Решение задач по теме: Законы сохранения в механике» 10 класса профильного уровня.
Зададим цель урока. Целью урока для нас будет: научиться применять метод перевода физической задачи в задачную ситуацию при решении задач повышенного и высокого уровня сложности и закрепить навык решения систем уравнений рациональным способом. Из цели можно сделать вывод, что урок будет с метапредметными связями (физика, математика).
Урок будет состоять из трех этапов:
− 1-й этап: Осуществить самоконтроль базовых знаний по теме «Законы сохранения в механике» с помощью цифровых интерактивных моделей. Целью данного этапа будет являться оценка уровня базовых знаний по данной теме и определение готовности к углублению знаний. Разделившись на две группы, первая группа проходит тест (https://obrazovaka.ru/test/po-fizike-zakony-sohraneniya-v-mehanike.html) на портале «Образовака.ру», вторая группа тест (https://onlinetestpad.com/ru/test/85803–10-klass-zakon-sokhraneniya-impulsa-19–12–2017) на портале «OnlineTestPad.com». Далее решают задачу, предложенную учителем физики по алгоритму решения физических задач базового уровня. Моделирование задачи будет осуществляться в физическом симуляторе Algodoo (Рис. 3).
Рис. 3. Моделирование задачи «Нахождение отношение масс шайбы и горки»
− 2-й этап: Цель данного этапа, составление алгоритма перевода физической задачи в задачную ситуацию и приобретение первичных навыков его использования. Учитель предлагает две задачи и просит определить, являются они задачами или задачными ситуациями. Далее решают задачу, предоставленную учителем. Учитель показывает, как моделировать задачу на интерактивной доске с помощью физического симулятора Algodoo. Далее, составляется алгоритм перевода задачи в физическую ситуацию (совокупность состояний физической системы, выделенных субъектом для некоторого объекта) [1]. Следующим шагом, данного этапа, будет практика применения алгоритма, решая задачу, которую в начале данного этапа учащиеся определили как задачную ситуацию.
Ученик на интерактивной доске демонстрирует условие экспериментальной задачи: «Определить коэффициент трения деревянного бруска о стол» и интерактивную модель в физическом симуляторе Algodoo для данной задачи. После моделирования задачи измеряет расстояние, на которое переместился брусок, озвучивает массы бруска и шара (Рис. 4).
Рис.4. Моделирование задачи «Определение коэффициента трения деревянного бруска о стол»
Далее, применяя алгоритм описания физической ситуации к экспериментальной задаче, учащиеся вычисляют искомую величину.
− 3-й этап. Подведение итогов урока и задание учебного материала на дом.
Заключение
Цифровые интерактивные модели созданные в физическом симуляторе являются хорошим дополнением к реальному физическому эксперименту, является единственным выходом при отсутствии либо недостатке физического оборудования в школе, будут незаменимы при решении ряда задач, в которых будет очень полезно наглядно создать модель и проанализировать ее.
Цифровые интерактивные модели позволяют учителю физики правильно сформировать представление о физических процессах, которые трудно наблюдать и оценивать в реальности. В изучаемой физической теории, часто речь идет об абстракции, например, об идеальном газе, которого в природе нет. Изучать такой материал только с помощью воображения трудно и какие образы формируются у учащихся при таком изучении предположить сложно. Иллюстрации в учебнике дают туманное представление о динамичных системах, в основном учащиеся додумывают ситуацию самостоятельно исходя из собственного опыта, расширенного кругозора или богатой фантазии. Анализируя интерактивную модель, учащиеся воспринимают и понимают физическое явление или процесс так, как они должны протекать в теории.
Дидактическая ценность такого рода образовательной деятельности как цифровое интерактивное моделирование заключается в том, что на основе интерактивных моделей возможно такое изучение материала, которое невозможно при традиционном подходе.
Цифровые интерактивные модели позволяют сформулировать у учащихся модельное (упрощенное) представление о картине мира. Используя интерактивные модели, учитель физики знакомит учащихся с важным современным инструментом науки, таким как, цифровое интерактивное моделирование, которое облегчает понимание физической картины мира.
Литература:
- [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://kpfu.ru/elabuga/projects/news-fest/fizicheskaya-situaciya-kak-sposob-proektirovaniya.html (дата обращения: 03.04.2019).
- Белобородов Н. В. Социальные творческие проекты в школе. — М.:Аркти, 2006. — 163 с.
- Данилов О. Е. Подготовка и осуществление компьютерной визуализации в процессе создания учебной модели // Молодой ученый. — 2015. — № 2. — С. 45–48. — URL https://moluch.ru/archive/82/14904/ (дата обращения: 09.03.2019).
- Пахомова Н. Ю. Метод учебного проекта в образовательном учреждении. — М.: Аркти, 2005. — 112 с.
- Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования: офиц. сайт [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://минобрнауки.рф/документы/2365 (дата обращения: 07.03.2019).
