Компьютерная визуализация как наглядный метод теоретического изучения полей физических величин



Компьютерная визуализация как наглядный метод теоретического изучения полей физических величин

Данилов Олег Евгеньевич, кандидат педагогических наук, доцент

Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко

В статье рассмотрены элементы дидактической модели формирования понятия поля физической величины с помощью метода компьютерной визуализации. Методика применения компьютерной визуализации, предлагаемая автором, рекомендована для использования учителям физики общеобразовательных школ. Ее наиболее важная отличительная черта — это использование графических динамических и статических изображений полей физических величин (компьютерных моделей) для демонстрации свойств физических полей (реальных объектов).

Ключевые слова: компьютерная визуализация, метод компьютерной визуализации, обучение физике, методика обучения физике, наглядность, наглядные методы, поле физической величины, формирование понятия, дидактические принципы.

В процессе формирования понятия поля с помощью компьютерного моделирования его графические образы выступают в качестве наглядного способа компактного представления и изображения знания [1; 2; 3]. Использование компьютерной визуализации в этом случае выступает как средство активизации психических функций обучающихся (их мышления), а также облегчает понимание учебного материала. В создаваемых с помощью компьютера графических представлениях абстрактно-логическая информация переводится в зрительный образ так, чтобы этот образ способствовал его переводу в словесно-логическую форму. Именно таким образом научная визуализация способствует обобщению явлений, помогает раскрыть научные понятия, подводит обучающихся к пониманию понятий и закономерностей, сущность которых преподаватель раскрывает затем словесно-логическим способом. Считается, что при таком обучении компьютерная визуализация повышает скорость мышления. Она позволяет обучающимся вместо длинной цепочки рассуждений и умозаключений, содержащих мысленные образы, использовать в мышлении более привычные для них зрительные образы, состоящие из пространственных объектов.

Ниже рассмотрим элементы дидактической модели формирования понятия поля физической величины с помощью метода компьютерной визуализации в общеобразовательной школе.

Конкретно-чувственное восприятие поля физической величины. Сначала приведем некоторые психологические аспекты процесса познания для того, чтобы понять механизм формирования понятия поля в сознании обучающихся. Познание является довольно сложным процессом, в котором можно выделить два уровня: чувственный и рациональный. В результате взаимодействия органов чувств с внешним миром и внутренних процессов человек получает ощущения, восприятия, представления. Полученные с помощью чувств данные фиксируются и перерабатываются на рациональном уровне познания в форме понятий, суждений и умозаключений. Такой процесс называют абстрактным мышлением.

Ощущение представляет собой элементарный чувственный образ, в котором отражаются свойства предметов окружающего мира. Оно субъективно по форме, так как всегда является ощущением конкретного субъекта познания, и объективно по своему содержанию, так как отражает объективную реальность. Восприятие (на нем сделан акцент на первом этапе формирования понятия в нашей модели) — это конкретно-чувственный наглядный образ предмета изучения, возникающий при воздействии этого предмета на органы чувств человека. Оно представляет собой целостный образ, сформированный на основе некоторых операций над отдельными ощущениями. Восприятие, в отличие от ощущения, осмыслено. Полагают, что восприятие направляется целями и задачами учебной деятельности и носит активный характер, который выражается в устойчивом внимании и интересе к предмету изучения, в стремлении к ясному и точному его осмыслению. Учитель своими действиями при обучении должен стремиться поставить предмет изучения в такие условия, когда он воспринимается учащимися наилучшим образом и с различных сторон. На основе восприятия накапливается фактический материал, обобщение которого приводит к тем или иным суждениям.

При формировании учителем восприятия учащихся складывается их представление о предмете изучения (конкретное, целостное воспроизведение в сознании ранее воспринятой информации). Представление связано непосредственно с памятью. Оно вызывается ассоциативно и является некоторым обобщением, дающим возможность проводить мыслительные операции с предметом изучения или его свойствами без контакта с ними. Представление носит абстрактный характер.

Исходя из выше сказанного, можно сделать вывод, что, так как поле, чаще всего, не дано человеку непосредственно в ощущениях, необходимо использовать для формирования его понятия визуализацию — такой способ представления информации, в котором абстрактные мыслительные образы могут быть представлены в виде графических объектов, доступных для непосредственного наблюдения обучающимися.

Анализ существенных признаков понятия «поле физической величины». Также может быть осуществлен на базе компьютерных средств обучения. При таком анализе обучающий проводит сканирование поля (перемещает указатель в области виртуального пространства, где размещается модель поля), то есть получает значения физической величины в различных точках этого пространства (значения выводятся на экран компьютера). Важно при этом объяснить обучающимся, что этот анализ проводится на примере пространственной компьютерной модели, а не реально существующего поля. В сознании обучающихся должен быть зафиксирован факт, заключающийся в том, что, если каждой точке некоторой области пространства можно сопоставить некоторое значение физической величины, то можно говорить о поле физической величины в данной области пространства (пространственном распределении физической величины).

Формирование содержания понятия «поле физической величины». Содержание — это совокупность существенных признаков, относимых к данному понятию. По содержанию понятия могут быть конкретными и абстрактными. Конкретные — понятия о самих предметах, абстрактные — об их признаках, отвлеченных от предметов. Конкретные понятия имеют четкий объем и четкую совокупность существенных признаков. Например, когда учитель говорит о физическом поле (например, гравитационном), учащиеся должны достаточно хорошо представлять себе, о каком объекте окружающего мира идет речь. А если он говорит о поле физической величины (например, о поле гравитационной напряженности), то имеет в виду некую абстракцию — математическую модель. Иными словами, «гравитационное поле» будет понятием конкретным, а «поле гравитационной напряженности» — абстрактным. Таким образом у обучающихся должно быть сформировано представление о поле физической величины, как об инструменте математического описания физического поля. Ясно также и то, что графические образы в определенных ситуациях будут едва ли не единственным способом визуального представления полей физических величин. Например, если для описания поля, изучение которого предусмотрено школьной программой, используются дифференциальные уравнения, которые в школьном курсе математики не изучаются, то у обучающего нет возможности представить информацию о поле в виде символов, таблиц и т. п. Единственный вариант в этом случае — графическое изображение поля.

Формирование объема понятия «поле физической величины». Объем понятия — это то множество предметов, которое относится к данному понятии. Эти предметы должны обладать одинаковыми признаками. Признаки легко воспринимаются обучающимися, если они становятся видимыми. Например, векторы во всех точках поля имеют одинаковую длину и одно направление. Следовательно, это поле является однородным. Если картина поля иная, то оно неоднородно. Еще проще обстоит дело со статическими и нестатическими полями, когда обучающиеся «своими глазами видят», изменяется поле с течением времени или нет. Учитывая это, можно говорить о том, что формирование объема понятия поля физической величины с помощью метода компьютерной визуализации обеспечивает значительно большую наглядность и доступность обучения, чем традиционная методика.

Уточнение признаков понятия «поле физической величины». На этой стадии формирования понятия обращается внимание обучающихся на то, что, несмотря на дискретный характер модели (поля физической величины), реальный объект (физическое поле), который соответствует модели, является непрерывным. Иными словами, пространство модели дискретно (состоит из структурных элементов — точек), реальное же пространство, согласно современным научным представлениям, является непрерывным.

Уточнение соответствия между содержанием и объемом понятия «поле физической величины». Объем и содержание понятия связаны между собой. Эта связь выражается в законе обратного отношения объема и содержания понятий: чем больше объем понятия, тем оно менее содержательно, и, наоборот, чем меньше объем понятия, тем оно более содержательно. Закон обратного отношения объема и содержания понятий не является универсальным логическим законом. Он имеет отношение лишь к таким понятиям, которые представляют собой разновидности родовидовых отношений. Здесь учителю важно обратить внимание учащихся на то, что существует много видов полей физических величин. Для того, чтобы знать классификацию полей, нужно понимать, по какому признаку была произведена эта классификация. Например, если физическая величина, описывающая поле, является векторной, то поле называют векторным (полем векторной величины), а если она является скалярной, то и поле называют скалярным (полем скалярной величины). Учителю необходимо проиллюстрировать с помощью компьютерных моделей свой рассказ о всех видах полей, которые приводятся в школьном учебнике.

Качественный анализ связей диалектического характера, которые имеются у понятия «поле физической величины» с другими понятиями. Вспомним некоторые положения психологии. Внешний мир подчиняется объективным динамическим и статистическим закономерностям. Для достижения поставленных учителем целей, необходимо, чтобы сознание обучающихся содержало такое когнитивное отражение действительности, которое соответствовало бы законам этого внешнего мира. Это отражение состоит из образов, представлений, значений и смыслов слов и разнообразных символов, имеющих множество ассоциативных взаимных связей. Известно, что эти образы, представления и т. п. группируются в комплексы (схемы), обеспечивающие извлечение различных видов информации из воспринимаемых учащимися сигналов, идущих от объектов внешнего мира.

Искаженная, неполная или ошибочная когнитивная схема, возникающая в сознании учащегося, приводит к искаженному, частичному или ошибочному восприятию информации. Обучение в этом случае можно рассматривать как процесс формирования таких когнитивных схем, соответствующих тем видам информации, которые обучающемуся необходимо научиться воспринимать и перерабатывать. Мониторингу усвоения связей в таких схемах учитель должен уделять достаточное внимание. В нашем случае это обусловлено тем, что нахождение отношений между формируемым понятием и другими понятиями вызывает у обучающихся значительные трудности.

Виды связей между понятиями известны уже достаточно давно, к ним относятся:

— логические (родовидовые, соподчиненные, тождественные, синонимичные, противоположные, противоречащие);

— связи типа часть-целое;

— причинно-следственные связи;

— функциональные связи;

— количественные;

— атрибутивные;

— связи типа цель-средство;

— временные;

— пространственные.

Ограничим анализ связей понятия с другими, только кратким анализом связей с образующими его понятиями: «поле» и «физическая величина». Наиболее важно здесь обратить внимание учащихся на то, что понятие «поле» является более фундаментальным, чем «поле физической величины», а «физическая величина» есть не что иное, как характеристика поля (его атрибут). Там, где значения этой величины больше, поле «сильнее».

Формирование умений использовать знания о поле физической величины в учебно-познавательной деятельности. Такие умения формируются при проведении натурных экспериментов по изучению полей и решении физических задач. Если говорить о решении задач, то в этом случае иллюстративную функцию, которую выполняет метод визуализации, трудно переоценить. Качественные компьютерные иллюстрации являются более информативными в сравнении с иллюстрациями, выполненными вручную на доске или бумаге.

Применение знаний о поле физической величины при изучении конкретных явлений. На этой стадии важная роль отводится такому процессу обучения, при котором применяются в сочетании натурные и численные эксперименты [5]. Наиболее показательным является в этом случае изучение волновых полей.

Классификация и систематизация соответствующих видовых понятий поля физической величины. Эта классификация логично вытекает из видовых представлений полей физических величин. Например, для изображений полей, как уже было сказано ранее, справедливо следующее: с помощью векторов и векторных линий представляются векторные поля, с помощью точек и изолиний — скалярные поля.

Формирование понимания значения и места понятия поля физической величины в физической науке. Учителю важно дать понять учащимся, что они знакомятся с методом, позволяющим количественно описать поле, то есть получить распределение характеризующей поле физической величины в области пространства, где это поле существует. Этот метод является общефизическим и применяется при изучении различных разделов физической науки.

В заключении отметим, что предложенная дидактическая модель предоставляет учителю возможность получить стартовые ориентиры для планирования собственной деятельности по формированию понятия поля физической величины в сознании обучающихся с помощью метода компьютерной визуализации этого поля.

На наш взгляд, визуализация достаточно органично может быть реализована с помощью компьютерного моделирования поля. Компьютерное моделирование имеет большое значение в современной системе обучения физике. Оно, как и любое другое моделирование с целью познания окружающего мира, основано на построении модели объекта изучения, рассмотрении ее свойств и переносе полученной при изучении модели информации на сам объект. Роль компьютерной модели состоит в том, что она является заменителем объекта, посредником в отношениях между субъектом и объектом познания. Использование компьютерных моделей при обучении формирует у обучающихся представление о современных методах познания окружающего мира.

Под компьютерной моделью поля в данном случае мы подразумеваем визуализированный образ пространственного распределения физической величины, доступный обучающимся для наглядно-чувственного восприятия. Следовательно, можно говорить о том, что в этом случае, когда модель выступает в роли объекта познания, обучающиеся знакомятся с одним из видов информационных моделей — графической моделью. Нужно обратить внимание обучающихся на то, что эта модель строится на основе другой — математической модели, а, опираясь на знания о графической модели, можно построить описательно-информационную модель [4].

Важно, чтобы при использовании компьютерных моделей обучающий дал понять обучающимся, что они имеют дело с модельным характером теоретических знаний и не должны придавать им статус полной адекватности реальности. Нужна такая организация учебного процесса, при которой раскрытию модельного характера изучаемых объектов будет уделено достаточно внимания. Ожидаемого эффекта обучения можно достичь, если продемонстрировать обучающимся реальные физические поля, то есть сочетать численный эксперимент с натурным экспериментом [4]. При таких демонстрациях обучающиеся получат возможность убедиться в том, что картина реального поля может существенно отличаться от демонстрируемой им компьютерной модели (а, значит, и от математической модели тоже), так как на ее вид могут оказать существенное влияние факторы, которые совсем не учитывались (ими просто пренебрегли) в идеализированном объекте — теоретической модели поля. В этом случае модель рассматривается уже как средство познания, о чем тоже в доступной форме нужно сообщить учащимся. Естественно, что учитель должен обратить внимание учащихся на следующее: нельзя считать, что, например, экспериментальные методы исследования полей лучше, а теоретические хуже (или наоборот). Важны и эмпирические методы познания, и теоретические. Нужно применять и те, и другие, в их тесном взаимодействии.

На наш взгляд, необходимо применять метод компьютерной визуализации систематически, так как он является универсальным методом исследования полей любых физических величин. Инновационные технологии обучения (а технология применения метода компьютерной визуализации относится к таковым) требуют от обучающего определенных усилий для того, чтобы он смог успешно их освоить. В этом случае определенную помощь учителю могут оказать дидактические модели процесса обучения, одна из которых и была описана в этой статье. Такие модели могут быть очень полезны для педагогов-практиков, так как они дают конкретные рекомендации в сфере управления процессом обучения.

Литература:

1. Данилов О. Е. Компьютерная визуализация полей физических величин в учебном процессе / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 6. — С. 97–106.
2. Данилов О. Е. Компьютерная визуализация учебной информации по физике / О. Е. Данилов // Школьная педагогика. — 2016. — № 2. — С. 26–30.
3. Данилов О. Е. Подготовка и осуществление компьютерной визуализации в процессе создания учебной модели / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2015. — № 2. — С. 45–48.
4. Данилов О. Е. Создание систем виртуальной реальности для обучения физике / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 4. — С. 20–27.
5. Данилов О. Е. Сочетание натурного и вычислительного экспериментов в обучении физике / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — № 19. — С. 10–11.