Принципы использования метода компьютерного сканирования полей физических величин в учебном процессе

Для внедрения метода компьютерного сканирования полей физических величин в процесс обучения физике нами предлагается учебная экспериментальная установка, включающая компьютер, датчик физической величины и устройство сопряжения этого датчика с компьютером [1]. Метод экспериментального исследования полей посредством их сканирования является универсальным, так позволяет исследовать различные виды полей на базе одной экспериментальной установки. Иными словами, компьютер и блок сопряжения, входящие в состав измерительного комплекса, могут быть неизменными. Необходимой при переходе от экспериментального изучения поля одной физической величины к изучению поля другой является только замена датчика физической величины [4]. Использование метода сканирования при обучении физике опирается на общедидактические принципы научности, системности, доступности, наглядности. Проведенный нами анализ позволяет сформулировать частнодидактические принципы применения метода сканирования в учебном физическом эксперименте.

1.          Принцип освоения и использования метода сканирования учителем в демонстрационном эксперименте. Формирование понятия поля физической величины будет полным, если в демонстрационном эксперименте систематически применять метод сканирования, как универсальный метод экспериментального исследования полей физических величин.

Укажем предпосылки, позволившие сформулировать данный принцип. Сделаем это достаточно подробно, так как именно этот принцип мы считаем главным и именно по этой причине приводим его первым в списке. Физические величины в качественном отношении являются общими для множества объектов или явлений, а в количественном отношении индивидуальны для каждого из них. Введение физических величин в школьном курсе физики является достаточно сложным для преподавателя этапом обучения. На этой стадии формирования физического понятия учащиеся начинают использовать математический аппарат, с помощью которого представляются физические закономерности (связи между физическими величинами). В то же время обосновывается необходимость измерения этих величин, устанавливаются единицы измерения и происходит знакомство учащихся с приборами, предназначенными для измерения физических величин.

При определении физических величин уточняют и придают количественную форму тому, что непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Если величины не воспринимаются органами чувств, то их выражают через другие величины, на которые органы чувств реагируют. Оптимизация процесса формирования у школьников понятия физической величины является важным условием повышения эффективности обучения физике. Физические величины относятся к той категории понятий, в усвоении которых учащиеся испытывают особые трудности. Именно в области сведений о физических величинах в наибольшей степени обнаруживается формализм знаний у учащихся. Это связано с тем, что понятие «физическая величина» относится к категории сложных понятий, и с тем, что не всегда используются методы преподавания, учитывающие эту сложность (либо учитель сам недостаточно хорошо знает содержание и объем этого понятия).

Понятие физической величины неразрывно связано с физическим свойством материи и измерением. Окружающий нас мир обладает бесконечным числом физических свойств. Не все они могут быть оценены количественно. На уровне измерений физическая величина служит количественной характеристикой определенного физического свойства материи. Одновременно она может быть и качественной характеристикой, если раскрывает основное свойство данного объекта или явления.

Все методы измерения физических величин основаны на определенных законах и закономерностях проявления соответствующего физического свойства материи. Лишь в этом случае выполняется требование однозначности измерений, обязательно предъявляемое к любому методу измерений. Для установления зависимостей между физическими величинами нужно специально фиксировать условия, в которых протекает процесс. Затем от непосредственного наблюдения переходить к физическому эксперименту, стремясь определить зависимость одной величины от другой.

Представление о физической величине только как о количественной характеристике справедливо лишь при таком измерении, в результате которого получается число. В теории физические величины выполняют роль математических моделей соответствующих физических свойств. При этом физическому свойству ставится в соответствие математический объект (скаляр, вектор и т. д.). Развитие физической науки привело к созданию системы физических величин. Математические связи между ними показывают отношения между физическими объектами, позволяют совершенствовать физические величины как количественные характеристики и как математические модели реальных физических свойств материи. Таким образом, сложность понятия физической величины требует от учащихся обобщения знаний, опирающегося на идею математического описания явлений природы.

Понятие поля облегчает понимание многих физических явлений. Физическое поле представляет собой особую форму материи (систему, которая характеризуется непрерывным распределением физических величин в пространстве и обладает бесконечным числом степеней свободы). Для полного описания поля в любой момент времени требуется задание какой-либо физической величины в каждой точке пространства, то есть задание бесконечного числа величин. Является естественным, что трудно сформировать у учащихся представление об объекте, непрерывно распределенном в пространстве (в отличие от вещества, обладающего дискретным строением), о существовании которого мы можем судить лишь по взаимодействию его с другими объектами. Поэтому формирование понятия, например, электромагнитного поля в школьном курсе физики начинают в базовом курсе, а завершают в старших классах профильной школы. Важным моментом в этом случае является экспериментальное доказательство существования полей.

В школьном курсе физики понятие поля вводится и формируется при изучении двух видов полей: гравитационного и электромагнитного. Изучение их носит умозрительный характер, эксперимент чаще всего выполняет чисто иллюстративную функцию. Это объясняется тем, что понятия гравитационного и электромагнитного полей относятся к фундаментальным понятиям физики, которые с исчерпывающей полнотой могут быть сформированы только на основе всей совокупностью относящихся к ним фактов.

Согласно современным представлениям область пространства, в каждой точке которой существует определенная физическая величина, называется полем этой физической величины. Например, электрическое, магнитное и гравитационное поля — это области пространства, в каждой точке которых существует соответственно электрическая, магнитная или гравитационная сила; акустическое поле — часть среды, через которую проходит звуковая волна, то есть в каждой точке которой могут быть определены, например, звуковое давление, колебательная скорость и т. д.; тепловое поле — область среды, в которой распределено тепло, то есть каждая точка которой обладает определенной температурой; электромагнитное поле — область пространства, в которой распространяется электромагнитная волна, то есть в каждой точке которой может быть определена, например, интенсивность волны и т. д. Это абстрактное представление и должно в конечном итоге быть сформировано у учащихся. Однако физическое понимание требует, чтобы помимо знания определения, учащиеся были твердо убеждены в реальном существовании физических полей. Такая убежденность возникает только на основе доказательного учебного эксперимента.

Мы полагаем, что формирование понятия поля окажется более эффективным и полным, если в школьном курсе физики помимо привычных учителю полей более подробно рассматривать и другие поля, в первую очередь, волновые (звуковые и электромагнитные сантиметрового диапазона). Выбор этих полей обусловлен важностью волновых явлений для курса физики, доступностью необходимого для их экспериментального исследования учебного оборудования и возможностью создания требуемых условий учебного эксперимента. Экспериментальное доказательство реальности этих полей должно осуществляться методом визуализации.

2.       Принцип изучения и использования метода сканирования учащимися в индивидуальном эксперименте. Метод сканирования относится к общефизическим методам экспериментального исследования, поэтому учащиеся должны не только понимать его сущность, но и реально использовать его в учебном эксперименте.

Соблюдение данного принципа на этапе внедрения методики представляется нам довольно сложным, что связано с недостаточной обеспеченностью необходимым для индивидуального эксперимента учебным оборудованием. Принцип обеспечивает индивидуализацию и дифференциацию процесса обучения.

3.         Принцип единства визуализирующего и графопостроительного сканирования. Метод сканирования в учебном эксперименте необходимо использовать в двух вариантах: качественном(с целью визуализации распределений физических величин в области сканирования) и количественном(с целью получения числовых значений физических величин в исследуемых точках поля).

Качественный эксперимент позволяет сформировать образы распределений в сознании учащихся и способствует их запоминанию, количественный эксперимент способствует формированию понятия поля физической величины (знакомит с элементами математической теории поля).

4.         Принцип поточечного компьютерного сканирования. Количественное сканирование целесообразно реализовать в компьютерном полуавтоматическом варианте, при котором учащиеся последовательно ставят приемник в определенные точки исследуемого поля и записывают в память компьютера соответствующие значения физической величины.

Такое изучение предпочтительнее того, при котором используется полностью автоматическое сканирование (когда картина распределения сразу выводится на экран компьютера, как это происходит, например, в современных «обычных» компьютерных сканерах при сканировании документов).

Сформулируем оставшиеся три принципа.

5.         Принцип простоты, надежности конструкции и доступности учебного компьютерного сканера полей. Учебный сканер полей физических величин должен быть дешев, надежен, максимально прост и доступен для воспроизведения в школьных условиях.

6.           Принцип простоты, надежности и доступности программного обеспечения для компьютерного сканера. Программа компьютерного сканера должна обеспечивать получение, запись и сравнение не менее трех однотипных графиков распределений физических величин исследуемого поля; она должна отличаться простотой, надежностью и быть доступной учителю и учащимся.

7.           Принцип сочетания натурного и вычислительного экспериментов при сканировании полей. При изучении полей физических величин необходимо сочетать натурный эксперимент с вычислительным для создания запоминающихся наглядно-чувственных образов распределений в сознании учащихся.

Все перечисленные принципы положены в основу разработанной нами общей концепции метода сканирования в учебном процессе, разработки учебного оборудования, системы учебных экспериментов по сканированию волновых полей, содержания индивидуальных учебных исследований, методики организации деятельности учителя и учащихся по применению компьютерного сканирования в учебном процессе.

Литература:

1.    Данилов О. Е. Компьютерный сканер для учебных исследований волновых полей / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 8. — С. 93–99.

2.    Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.

3.    Данилов О. Е. Создание компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками для школьного кабинета физики / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 3. — С. 93–102.

4.    Майер В. В. Исследование волновых полей методом компьютерного сканирования / В. В. Майер, О. Е. Данилов // Учебная физика. — 2005. — № 1. — С. 153–186.