Методика проблемного изучения раздела Гидро-аэростатика в основной школе с использование информационно-коммуникационных технологий
Содержание
Введение……………………………………………………………………………...6
1 Технология проблемного обучения в общеобразовательном учреждении……8
Основные категории теории проблемного обучения………………………….8
Методы проблемного обучения……………………………………………….12
Вопросы методики проблемного обучения…………………………………..16
Информационно-коммуникационные технологии в преподавании
физики……………………………………………………………………………….24
Информационно-коммуникационные технологии: содержание, сущность, значение…………………………………………………………………………24
Методика применения информационно-коммуникационных технологий на уроках физики…………………………………………………………………..28
Методика проблемного преподавания раздела «Гидро- и аэростатика»…...35
Анализ основных понятий и законов раздела «Гидро- и аэростатика»…….35
Методика использования электронного учебника для организации проблемного изучения раздела «Гидро-аэростатика»……………………….42
Проверка эффективности разработанной методики (педагогический эксперимент)……………………………………………………………………62
Заключение………………………………………………………………………….65
Список использованных источников……………………………………………...66
Приложение…………………………………………………………………………68
Введение
По объему учебного материала и времени, отводимого программой на ее изучение, тема «Гидро- и аэростатика» является очень значимой. Вопросы гидростатики и аэростатики изучают в школе один раз, в VII классе, а в старших классах в лучшем случае их только повторяют. Следовательно, содержание основных понятий и законов должно быть усвоено учащимися седьмых классов глубоко и прочно. Это нелегкая задача, если учесть, что общее развитие и математическая подготовка учащихся VII класса весьма ограничены, а учебный материал сложен.
Раздел «Гидро- и аэростатика» включен в раздел «Механика», входящий в ЕГЭ. Вопросы: Давление. Атмосферное давление. Закон Паскаля. Архимедова сила, представлены в первой части А – контрольно-измерительных материалов.
В современной школе много внимания уделяют использованию информационно-коммуникационных технологий. Умение находить, обрабатывать и сохранять информацию на сегодняшний день является весьма ценным. Анализ собеседований с учителями физики и анкетирование показало, что только 55% знакомы с возможностями использования информационных средств в преподавании физики.
Настоящая дипломная работа посвящена выявлению условий и средств, позволяющих эффективно использовать информационно-коммуникационные технологии для организации проблемного изучения раздела «Гидро- и аэростатика».
Объектом исследования учебный процесс в основной школе.
Предметом исследования - использование компьютерных и телекоммуникационных технологий в процессе обучения физике на примере изучения раздела «Гидро- и аэростатика».
Цель исследования - разработать методику проблемного изучения раздела «Гидро и -аэростатика» в общеобразовательном учреждении на основе информационно-коммуникационных технологий.
Задачи исследования:
Изучить учебную и методическую литературы по физике.
Изучить и проанализировать литературу по дидактике и психологии обучения.
Проанализировать литературу об использовании информационно-коммуникационных технологий.
Провести научно-методический анализ основных структурных элементов раздела «Гидро и -аэростатика».
Изучить и проанализировать литературу по теории и технологии проблемного обучения.
Разработать методику проблемного изучения раздела «Гидро- и аэростатика» на основе информационно-коммуникационных технологий.
Разработать и написать электронный учебник «Гидро- и аэростатика».
Составить методическое руководство по использованию электронного учебника.
Проверить эффективность разработанной методики в практике общеобразовательной школы.
Гипотеза: использование информационно-коммуникационных технологий позволяет повысить качество знаний учащихся и обеспечить более высокий уровень развития их интеллектуальных способностей.
Практическая значимость обеспечивается содержащимися в дипломе теоретическими положениями и выводами, которые могут найти применение в деятельности общеобразовательных школ с целью изучения раздела «Гидро- и аэростатика» на основе информационно-коммуникационных технологий.
1 Технология проблемного обучения в
общеобразовательном учреждении
1.1 Основные категории теории проблемного обученияМетодологическую основу теории проблемного обучения составляют два положения, сформулированные на основе исследований психологии мышления: 1) закономерности мышления и закономерности процесса усвоения знаний в значительной степени совпадают; 2) процесс мышления осуществляется прежде всего как процесс решения проблем [1; 2]. В настоящее время, когда новая технология хранения и обработки информации совершила революцию в организации умственного труда [16], актуальны исследования, направленные на выявление возможностей проблемного обучения в условиях информационных технологий в общеобразовательных учреждениях. Важно это потому, что сама технология проблемного обучения подчинена закономерностям умственного развития учащихся.
Остановимся вначале на анализе некоторых категорий теории и технологии проблемного обучения.
Под проблемным понимают процесс обучения, детерминированный системой проблемных ситуаций, в основе которого лежит особый вид взаимодействия учителя и учащихся, характеризующийся систематической учебно-познавательной деятельностью учащихся по усвоению новых знаний и новых способов действия путем решения учебных проблем [15]. Иными словами, проблемное обучение представляет собой специально организуемый учителем процесс, основным отличием которого от традиционного является целенаправленное использование учителем проблемных ситуаций, возникающих объективно (по логике учебного предмета) и создаваемых преднамеренно.
Одной из основных категорий теории проблемного обучения является категория «проблемная ситуация». В понимании этой категории многие авторы имеют сходные позиции: проблемная ситуация представляет собой явно или смутно осознанное затруднение, пути преодоления которого требуют поиска новых знаний и новых способов действий. В такого рода проблемных ситуациях и берет начало процесс мышления. Он начинается с анализа самой проблемной ситуации. В результате ее анализа формулируется учебная проблема.
Проблемная ситуация создается учителем путем предъявления учащимся проблемной задачи, которая, как известно, содержит два компонента: условие и требование. Главная трудность в решении любой проблемной задачи состоит в том, что между изначально данными (условием и требованием) решаемой задачи существуют значительные различия, иногда – явные противоречия. Последние неизбежны, прежде всего, потому, что в начале неизвестны существенные взаимосвязи, объединяющие в одно целое оба указанных компонента задачи [20].
Задача – явление объективное, для ученика она существует с самого начала в материальной форме (в звуках или знаках), и превращается задача в субъективное явление лишь после ее восприятия и осознания учеником. Мышление разрешает встающую перед человеком задачу благодаря тому, что оно раскрывает не данное в условиях, неизвестные свойства и отношения объектов и явлений, входящих в проблемную ситуацию.
Из сказанного следует, что мышление начинается только в условиях проблемной ситуации, то есть когда объективное противоречие задачи принимается учеником как учебная проблема.
Учебную проблему следует понимать как явление субъективное, существующее в сознании ученика в идеальной форме, в мысли, так же как любое суждение, пока оно не станет логически завершенным и не будет выражено (в форме предложения) в звуках языка или знаках письма. Различие между задачей и учебной проблемой состоит также в их структуре. В условии задачи содержатся такие элементы, как данное и требование (найти неизвестное). Основными элементами учебной проблемы являются известное и неизвестное (найти связь, отношение между известным и неизвестным). Известное знание проблемы включает не только данное задачи, но и более широкий круг ранее усвоенных знаний, личный опыт ученика, на основе которых можно определить характер неизвестного [15].
Задача как дидактическая категория отличается от учебной проблемы как категории психолого-дидактической тем, что она является как бы оболочкой, внешним выражением последнего. Объективное противоречие задачи превращается с субъективное противоречие учения, в учебную проблему лишь в том случае, если при соприкосновении субъекта с объектом последнее превращается в сознании ученика в противоречие между известным и неизвестным,
Исходя из изложенного, мы придерживаемся мнения, согласно которому учебная проблема есть отражение (или форма проявления) логико-психологического противоречия процесса усвоения, определяющее направление умственного поиска, возбуждающее интерес к исследованию (объяснению) сущности неизвестного и ведущее к усвоению нового понятия или нового способа действия.
Гносеологическое различие понятий состоит в том, что объективное противоречие задачи в сознании ученика превращается в проблему, в логическое противоречие.
Психологическая суть учебной проблемы состоит в том, что она является содержанием проблемной ситуации, возникающей в процессе учения школьника. Как психолого-дидактическая категория учебная проблема несет в себе новое знание и новый способ усвоения этого знания (и процесс, и результат) и определяет структуру мыслительного процесса.
Из сказанного следует, что учебная проблема для учителя является средством управления познавательной деятельностью ученика и формирования его мыслительных способностей. Для субъекта познания – ученика – учебная проблема служит стимулом активизации мышления, а процесс его решения – способом превращения знаний в убеждения.
Успешное решение задачи основано, прежде всего, на выявлении этой связи или отношения между обоими ее компонентами. Такая взаимосвязь между условием и требованием называется основным отношением задачи, а сами эти условия и требование называются двумя членами основного отношения.
Любое отношение объективно не само по себе. Беспредметные отношения не существуют. Они всегда суть отношения между чем-то или кем-то. Сказанное относится и к основному отношению задачи. Процесс выявления основного отношения осуществляется через раскрытие отношения между ними (членами отношения). Вычленение, выделение или выявление какого-либо объекта есть мысленный процесс анализа, а раскрытие какого-либо отношения, взаимосвязи между анализируемыми объектами или их свойствами есть мыслительный процесс синтеза. Следовательно, весь процесс решения задачи человек осуществляет путем ее анализа через синтез, который был назван С.Л. Рубинштейном как главный всеобщий механизм мышления [20].
Формулирование учебной проблемы – в отличие от проблемной ситуации – означает, что теперь познающему удалось хотя бы предварительно и приблизительно расчленить данное (известное) и искомое (неизвестное). Это расчленение выступает в словесной формулировке – в учебной проблеме.
Главная трудность в решении любой проблемной задачи состоит в том, что между изначально данными, то есть условием и требованием, решаемой задачи существуют значительные различия, иногда – явные противоречия. Последние неизбежны, прежде всего, потому, что вначале неизвестны существенные взаимосвязи, объединяющие в одно целое оба указанных компонента задачи.
Традиционная методика организации проблемного обучения в настоящее время представлена в трудах отечественных и зарубежных исследователей. Использование в проблемном обучении новых информационных технологий обучения, которые, как известно, представляют собой синтез современных достижений педагогической науки и средств информационно-вычислительной техники, предполагает научные подходы к организации учебно-воспитательного процесса с целью его оптимизации и повышения эффективности, а также постоянное обновление материально-технической базы образовательных учреждений.
Исследователями отмечается развитие следующих направлений новых информационных технологий обучения:
1) универсальные информационные технологии (текстовые редакторы, графические пакеты, системы управления базами данных, процессоры электронных таблиц, системы моделирования электронных систем и т.п.);
2) компьютерные средства телекоммуникаций;
3) компьютерные обучающие и контролирующие программы, компьютерные учебники;
4) мультимедийные программные продукты [23].
Таким образом, новые информационные технологии в сфере образования выступают одним из ведущих факторов формирования личности, как при традиционном, так и при инновационном подходе к организации учебного процесса. Особенно велика роль новых информационных технологий при организации проблемного обучения, поскольку они позволяют существенно повысить информационную емкость учебного процесса. Именно информационной емкостью определяется уровень проблемности учебного процесса при проблемном обучении. На наш взгляд, разработка технологии проблемного обучения на основе новых информационных технологий является магистральным путем решения тех задач, которые поставлены обществом перед современной школой.
1.2 Методы проблемного обученияВ практике обучения знание закономерностей процесса обучения преломляется и претворяется учителем в жизнь через систему упорядоченной и взаимосвязанной деятельности учителя и учащихся, то есть методы обучения, а также формы организации учебных занятий [1].
При рассмотрении системы методов проблемного обучения следует исходить из того, что в настоящее время общество заинтересовано в овладении молодым поколением опытом творческой деятельности и творческим отношением к выполняемой им работе [13]. И поскольку этот опыт нельзя передать изучением творческого процесса как такового, перед школой возникает задача вовлечения учащихся в творческий процесс. Формирование опыта творческой деятельности следует осуществлять постепенно на протяжении всех лет обучения. Постепенность овладения опытом творческой деятельности определяет и различие методов, используемых для развития творческих способностей школьников.
Основным методом обучения опыту творческой деятельности является исследовательский. Назначение этого метода заключается в организации поисковой, творческой деятельности учащихся по решению проблем и проблемных задач.
Для успешного применения исследовательского метода учитель должен построить по своему предмету систему проблемных задач и проблем исследовательского характера. При решении этих заданий учащиеся должны пройти в большинстве случаев все этапы процесса исследования: наблюдение и изучение фактов и явлений; выявление непонятных явлений, подлежащих исследованию (постановка учебных проблем); выдвижение гипотез; построение плана исследования; осуществление плана (выяснение связей изучаемого явления с другими); формулирование решения, объяснения; проверка решения; практические выводы.
Поскольку исследовательский метод является основным (в том смысле, что его нельзя подменить другими), при котором обеспечивается максимальная самостоятельность обучаемых, встает вопрос о роли учителя в этом процессе.
На наш взгляд, при использовании исследовательского метода учитель должен:
1. Построить систему заданий, которая бы обеспечила творческое применение учащимися имеющихся у них знаний при решении основных проблем изучаемого курса. Задания должны составляться (или варьироваться) с учетом уровня подготовленности класса и усложняться по мере овладения учащимися опытом творческого усвоения учебного материала.
2. Контролировать и направлять ход работы учащихся, проверять итоги работы и организовать их обсуждение.
Умелое применение учителем исследовательского метода играет определенную роль в развитии творческих способностей учащихся до уровня, обеспечивающего дальнейшее самостоятельное продвижение в получении знаний и творческое их применение в своей практической деятельности. Именно поэтому исследовательский метод мы ставим на высшую ступень иерархической лестницы методов проблемного обучения.
Исследовательский метод предполагает готовность ученика к целостному решению проблемной задачи. Однако любое новое и сложное содержание поддается усвоению только поэлементно и пооперационно. Отсюда возникает задача подготовки учащихся к целостному подходу в решении проблемы, то есть к использованию исследовательского метода. Названная задача решается применением в учебном процессе эвристического или частично-поискового метода.
В этом случае затруднения учащихся при решении задачи преодолеваются ее расчленением на серию подзадач, заменой сложной задачи сходной, но более простой, чтобы затем вернуться к первой.
Наиболее распространенной и поэтому известной формой этого метода является эвристическая беседа, состоящая из серии взаимосвязанных вопросов, каждый из которых служит шагом на пути к решению проблемы и большинство которых требует от учащихся не только воспроизведения своих знаний, но и осуществления небольшого поиска. Эвристическая беседа отличается от репродуктивной. Вначале учитель ставит проблемную задачу. Возникает проблемная ситуация, на основе анализа которой учащиеся (самостоятельно или с помощью учителя) формулируют учебную проблему. Если проблема оказалась недоступной для решения, учитель членит ее на серию взаимосвязанных вопросов, каждый из которых является шагом к решению. Каждый из вопросов или часть их представляют подпроблемы, которые надо решать творчески. Остальные вопросы носят репродуктивный характер, но они нужны для актуализации данных, важных для решения. В конечном итоге все шаги последовательно должны привести к решению проблемы.
При эвристической беседе роль учителя состоит в том, что он направляет поиск, последовательно ставит проблемы (подпроблемы), формулирует противоречия, строит шаги этой беседы, а ученики самостоятельно ищут решение возникающих на каждом этапе подпроблем.
К эвристическому методу можно отнести и тот случай, когда в поиске решения проблемных задач учащиеся высказывают предположение или гипотезу, а ее анализ осуществляет учитель.
Следует четко отличить эвристический метод от исследовательского, предполагающего поиск решения целостной проблемной задачи. В то же время, без этапа частичных поисков овладеть опытом творческой деятельности невозможно.
Поскольку процесс овладения опытом творческой деятельности длителен и постепенен, вначале он должен проявиться в наиболее простых формах. В данном случае речь идет о простых формах участия учащихся в решении проблемных задач, выражающегося, в частности, в том, чтобы учащиеся видели перспективу и эталон культуры мышления, к которому им можно будет стремиться. Здесь следует говорить об образце хотя бы внешнего проявления творческой мысли, который показывает учитель. Эти функции выполняет метод проблемного изложения.
Сущность данного метода заключается в том, что он знакомит учащихся не только с решением проблем и их использованием, но и с логикой самого процесса решения. Различают два вида проблемного изложения:
1. Учитель с помощью имеющихся средств обучения показывает историческую логику поиска проблемы, подлежащей усвоению.
2. Доказывает истинность сообщаемых знаний не в историческом плане, а с помощью современной системы доказательств.
Доказательное изложение учителем нового материала является одним из действенных факторов повышения эффективности процесса обучения и формирования на этой основе убеждений учащихся.
В ходе проблемного изложения учитель ставит проблемы, разъясняет гипотезы, строит мысленный эксперимент, делает выводы из различных вариантов решения и показывает необходимость их проверки. Иными словами, структура проблемного изложения в общих чертах аналогична структуре других методов проблемного обучения. Главное различие состоит в том, что все эти этапы проходит сам учитель. В отличие от информационного, проблемное изложение предусматривает не только восприятие, осознание и запоминание учеником излагаемого материала, но и обеспечивает то, что ученик следит еще за логикой доказательств, за движением мысли учителя, контролирует ее убедительность.
Проблемное изложение предполагает также участие самих учащихся в процессе поиска истины в форме прогнозирования следующего шага рассуждения или эксперимента. Как показывает практика, по мере развития учащихся это их соучастие в ходе проблемного изложения увеличивается.
Рассмотренные три метода формирования опыта творческой деятельности составляют систему методов проблемного обучения. Применение каждого метода предусматривает разную активность учащихся в решении учебной проблемы. Максимальная активность обеспечивается при исследовательском методе. Поэтому говорят, что высший уровень проблемности достигается при исследовательском методе обучения.
Следует оговорить, что в практике обучения часто встречается сочетание всех трех методов проблемного обучения.
1.3 Вопросы методики проблемного обученияПоскольку «главной причиной медленного внедрения достижений педагогической науки и новых методов обучения, новых дидактических идей в практику является низкий методический уровень организации и проведения урока» [60, с. 170], в своей работе основное внимание мы уделяем рассмотрению вопросов, касающихся именно проблемного урока.
Взяв за основу получивший всеобщее признание принцип проблемности, все разновидности уроков можно разделить на проблемные и непроблемные.
Проблемным можно считать урок, на котором учитель целенаправленно создает ситуации для организации поисковой деятельности учащихся при приобретении или закреплении новых знаний и способов деятельности.
Особенностью проблемного урока является то, что повторение пройденного материала в большинстве случаев сливается с изучением нового. При этом осуществляется непрерывное повторение знаний и умений в новых связях и отношениях, за счет чего происходит возрастание объема знаний и их углубление.
Проблемный урок исследован многими авторами. В своей практике за основу характеристики проблемного урока с некоторыми уточнениями и дополнениями мы взяли подход, предложенный М.И. Махмутовым [15].
По основной дидактической цели уроки можно делить на три типа:
– урок изучения нового материала;
– урок совершенствования знаний, умений и навыков;
– уроки контрольные.
Урок изучения нового материала – основной тип урока – решает ряд важных дидактических задач: усвоение новых понятий и законов, овладение новыми способами деятельности. Урок этого типа включает все звенья учебного процесса:
– создание у учащихся стимулов к учению; восприятие нового материала, приобретение новых знаний; усвоение законов науки и формирование научных понятий; закрепление знаний и привитие умений и навыков; применение знаний, умений и навыков; проверка усвоения.
Содержанием второго типа урока является совершенствование знаний, умений и навыков учащихся.
Уроки третьего типа служат для оценки результатов работы учащихся, уровня усвоения системы понятий, сформированности умений и т.д.
Каждый из трех типов уроков в зависимости от видов деятельности учителя и учащихся можно разделить на виды. Проблемные уроки по видам формально мало чем отличаются от непроблемных. Отличие касается структуры и системы методов, используемых на уроке.
Основными структурными элементами проблемного урока являются:
1. Актуализация имеющихся знаний учащихся.
2. Усвоение новых знаний и способов действий.
3. Формирование умений и навыков.
Данная структура относится к внешним показателям учения, то есть не является показателем мыслительной деятельности учащихся. Внутреннюю часть структуры проблемного урока составляют:
1. Возникновение проблемной ситуации и постановка проблемы.
2. Выдвижение предположений и обоснование гипотезы.
3. Доказательство гипотезы.
4. Проверка правильности решения проблемы.
Структура проблемного урока, представляющая собой сочетание внешних (логика процесса обучения) и внутренних (логика продуктивной мыслительной деятельности) элементов процесса обучения, создает возможности управления самостоятельной учебно-познавательной деятельностью ученика [3].
Для успешного решения основной задачи на проблемном уроке – организация и управление деятельностью учащихся по приобретению новых знаний и действий – учитель должен знать взаимосвязь внешних и внутренних элементов структуры проблемного урока. Отсюда возникает необходимость раскрытия этих вопросов перед студентами в курсе дидактики.
Актуализация имеющихся знаний.
Понятие «актуализация» многоаспектное. Необходимо его отличить от обычного репродуктивного повторения. Цель актуализации состоит в том, что имеющиеся знания следует сделать актуальными в данный момент, то есть активизировать работу памяти и подготовить опорные знания ученика для успешного восприятия и усвоения новых. Второй аспект актуализации затрагивает личностную сторону деятельности ученика: возбуждение интереса к рассматриваемой проблеме, создание эмоционального настроя, оценку готовности отдельных учеников к восприятию нового материала. Третий аспект – контроль учителя за состоянием знаний ученика, его умений и навыков. Виды деятельности ученика на этапе актуализации: устное или письменное изложение приобретенных ранее знаний, самостоятельная работа репродуктивного характера или решение задач, примеров и другие. Иными словами, понятие актуализация – более широкое, чем опрос, который может быть включен как составной элемент первого.
На этапе актуализации чаще всего создается проблемная ситуация, реже – формулируется учебная проблема. Следовательно, основная задача этого этапа состоит в подготовке учеников к самостоятельной поисковой деятельности или к активному восприятию нового материала (в зависимости от целей, поставленных учителем).
Усвоение новых знаний и способов действия.
Уже в названии этого элемента проблемного урока отражено его содержание: именно здесь усваиваются новые знания, раскрываются сущность новых понятий и способы умственной деятельности ученика. В связи со сказанным следует четко определить роль учителя на этом этапе. Его деятельность должна быть направлена на создание проблемной ситуации (в случае, если она не возникла при актуализации), формулировку учебной проблемы (или ее корректировку), помощь ученикам по выявлению новых данных или устранению некоторых логических ошибок, управление деятельностью учеников. Методы работы учителя могут быть самыми разнообразными: рассказ, лекция, беседа, демонстрация опыта или кинофильма и т. д.
Деятельность учащихся направлена на усвоение новых знаний в условиях проблемной ситуации. Эта задача может решаться ими как логическим путем, так и интуитивно (в зависимости от сложности учебной проблемы и уровня подготовленности учащихся). Методы работы: работа с учебной и справочной литературой, самостоятельное наблюдение или эксперимент, решение задач, составление схемы или чертежа экспериментальной установки и другие.
Формирование умений и навыков.
При постановке и решении учебных проблем учащиеся разрешают противоречия учебного познания. На этой основе происходит превращение знаний в убеждения. Однако глубокое усвоение полученных знаний происходит лишь в процессе его применения на практике. Поэтому важнейшим элементом проблемного урока следует считать этап формирования умений и навыков, при котором происходит отработка знаний и умений, а также умственных и практических действий.
К третьему этапу проблемного урока в большинстве случаев относят проверку правильности решения учебной проблемы. При сравнении внешней структуры урока с его внутренней структурой видно, что этап формирования умении и навыков (элемент внешней структуры) совпадает с этапом проверки правильности решения проблем (элемент внутренней структуры). Отсюда максимальная самостоятельность учащихся на данном этапе урока. Роль учителя должна заключаться в подготовке оптимального количества соответствующих изученному материалу заданий, предъявление последних учащимся (с учетом уровня их развития), управление процессом решения.
Как правило, домашнее задание не включается в дидактическую структуру проблемного урока как самостоятельный элемент и может быть задано на любом этапе.
Практика показывает, что не все элементы внешней и внутренней структуры урока могут быть равномерно представлены на каждом из них. Может чередоваться и их последовательность. В отличие от уроков непроблемных, в проблемных в течение одного урока все элементы внутренней структуры могут повторяться по нескольку раз в каждом элементе внешней структуры.
Кроме рассмотренных, в практических целях важно выделить еще методическую структуру урока, элементами которого являются различные учебные ситуации, характерные для конкретного предмета.
Учитель должен знать, что элементами дидактической (внешней) структуры урока являются дидактические задачи урока, элементами логико-психологической (внутренней) структуры – этапы познавательной деятельности (мыслительного процесса), а элементами методической структуры – формы, виды деятельности учителя и учащихся. Их органическое сочетание и представляет собой триединую структуру проблемного урока.
Дидактическая и логико-психологическая структуры урока должны даваться учителю как теория, как объяснение правил организации урока. Творчество учителя состоит в том, что исходя из этих правил, содержания учебного материала, дидактической цели и уровня подготовки учащихся к учению, методическую структуру проблемного урока он строит сам.
Известно, что каждая тема школьного курса физики, как правило, посвящена изучению основ той или иной теории, следствий из теории или ее практических применений. Внутри рассматриваемой теории изучаются ее законы. В свою очередь, законы устанавливаются (открываются) на основе рассмотрения явлений и фактов окружающей действительности или иллюстрируются последними. Явления и факты описываются на основе физических понятий.
Исходя из того, что уроки первого типа – уроки изучения нового материала – включают все звенья учебного процесса, в своем исследовании мы обращаем особое внимание на рассмотрение специфики уроков этого типа, посвященных проблемному изучению соответствующего элемента структуры курса физики.
Представить характерные особенности уроков физики первого типа позволяет проблемный урок по изучению физических явлений.
В методике преподавания физики установлено, что общая структура изучения физических явлений содержит следующие элементы: наблюдение явления; выявление характерных особенностей явления; установление связей данного явления с другими, ранее изученными, и объяснение природы явления; введение новых величин или постоянных, характеризующих изучаемое явление; установление количественных закономерностей, относящихся к рассматриваемому явлению; практическое применение явления для объяснения окружающей действительности.
Какова же методическая структура проблемного урока, посвященного изучению физических явлений?
При раскрытии этого вопроса следует выделить по меньшей мере два случая: изучение явления, с которым учащиеся раньше не встречались – новое явление, и изучение явления, которое известно учащимся по аналогии с явлениями другой физической природы (например, колебательные явления, вызванные силами тяготения или силами электромагнитной природы).
При изучении новых явлений этап актуализации как самостоятельный вообще отсутствует. Урок начинается с наблюдения явления. При этом перед учащимися учитель ставит вопросы, позволяющие активизировать процесс наблюдения. Такое организуемое и направляемое учителем наблюдение возбуждает у учащихся интерес к изучаемому. Наблюдение может быть организовано в форме демонстрационного или лабораторного эксперимента. В последнем случае учащиеся вынуждены усваивать не только новые знания, но также – новые способы действия.
Накопление новых наблюдаемых фактов, сопровождаемое вопросами учителя (или самих учащихся), подводит учащихся к необходимости выявления характерных особенностей явления. Обычно на этом этапе возникает проблемная ситуация, анализ которой позволяет сформулировать учебную проблему.
В целях решения учебной проблемы учащиеся начинают выдвигать предположения и пытаются их обосновать. При этом устанавливается связь данного явления с другими. Именно здесь возникает необходимость актуализации имеющихся у учащихся знаний и способов действия, поскольку объяснение природы изучаемого явления возможно с опорой на более обширные знания учащихся, чем те, которые они получают при анализе нового явления. Здесь учащиеся вновь сталкиваются с недостаточностью имеющихся знаний для объяснения явления. Возникает необходимость введения новых величин. На этом и частично на этапе установления количественных закономерностей происходит доказательство гипотезы и формулировка ответа учебной проблемы.
На этапе формирования умений и навыков проверяется правильность решения проблемы, где новое физическое явление получает практическое подтверждение и применение. При этом происходит закрепление, уточнение, углубление знаний о явлении.
2 Информационно-коммуникационные технологии
в преподавании физики
2.1 Информационно-коммуникационные технологии:
содержание, сущность, значение
Современные мультимедийные компьютерные программы и телекоммуникационные технологии открывают учащимся доступ к нетрадиционным источникам информации – электронным гипертекстовым учебникам, образовательным сайтам, системам дистанционного обучения и т.п., это призвано повысить эффективность развития познавательной самостоятельности и дать новые возможности для творческого роста школьников.
В современных условиях интенсивного развития информационных технологий 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.
Развитие информационных и коммуникационных технологий идет настолько быстро, что существующие педагогические исследования не успевают проанализировать новые методы, формы и средства обучения физике.
Обеспечение сферы образования методологией и практикой разработки и оптимального использования новых информационных технологий (НИТ), направленно на :
совершенствование механизмов управления системой образования на основе использования автоматизированных банков данных научно- педагогической информации, информационно-методических материалов, а также коммуникационных сетей;
совершенствование методологии и стратегии отбора содержания, методов и организационных форм обучения, воспитания, соответствующих задачам развития личности обучаемого в современных условиях информатизации общества;
создание методических систем обучения, ориентированных на развитие интеллектуального потенциала обучаемого, на формирование умений самостоятельно приобретать знания, осуществлять информационно-учебную, экспериментально-исследовательскую деятельность, разнообразные виды самостоятельной деятельности по обработке информации;
создание и использование компьютерных методик контроля, оценки и диагностики уровня знаний обучаемых.
Информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) – это «широкий спектр цифровых технологий, используемых для создания, передачи и распространения информации и оказания услуг (компьютерное оборудование, программное обеспечение, телефонные линии, сотовая связь, электронная почта, сотовые и спутниковые технологии, сети беспроводной и
кабельной связи, мультимедийные средства, а также Интернет)».
Информационные технологии обучения – это все технологии, использующие специальные технические средства (ЭВМ, аудио, кино, видео). Когда компьютеры стали широко использоваться в процессе образования, появился термин «новая информационная технология обучения».К ИКТ относятся: ЭВМ, ПЭВМ; комплекты терминального оборудования для ЭВМ всех классов, локальные вычислительные сети, устройства ввода–вывода информации, средства ввода и манипулирования текстовой и графической информацией, средства архивного хранения больших объемов информации и другое периферийное оборудование современных ЭВМ; устройства для преобразования данных из графической или звуковой форм представления данных в цифровую и обратно; средства и устройства манипулирования аудиовизуальной информацией (на базе технологии Мультимедиа и систем «Виртуальная реальность»); современные средства связи; системы искусственного интеллекта; системы машинной графики, программные комплексы (языки программирования, трансляторы, компиляторы, операционные системы, пакеты прикладных программ и пр.) и др.
Прежде всего, информационно-коммуникационные технологии обеспечивают возможность проведения дистанционных уроков, показа видеоматериалов и анимационных материалов, находящихся на различных образовательных серверах, работы над учебными проектами, асинхронной информационно-коммуникационной связи, организации дистанционных олимпиад по физике и т.п. При этом серверы дистанционного обучения обеспечивают интерактивную связь с учащимися через Интернет, в том числе, и в режиме реального времени. Информационно-коммуникационные технологии обеспечивают доступ к базам данных по различным областям знаний.
Роль средств новых информационно-коммуникационных технологий в образовании велика. Ускорение научно-технического прогресса, основанное на внедрении в производство гибких автоматизированных систем, микропроцессорных средств и устройств программного управления, роботов и обрабатывающих центров, поставило перед современной педагогической наукой важную задачу – воспитать и подготовить подрастающее поколение, способное активно включиться в качественно новый этап развития современного общества, связанный с информатизацией. Решение вышеназванной задачи – выполнение социального заказа общества – коренным образом зависит как от технической оснащенности учебных заведений электронно-вычислительной техникой с соответствующим периферийным оборудованием, учебным, демонстрационным оборудованием, функционирующим на базе ИКТ, так и от готовности обучаемых к восприятию постоянно возрастающего потока информации.
По этой причине становится актуальной разработка определенных методических подходов к использованию ИКТ для реализации идей развивающего обучения, развития личности обучаемого. В частности, для развития творческого потенциала индивида, формирования у обучаемого умения осуществлять прогнозирование результатов своей деятельности, разрабатывать стратегию поиска путей и методов решения задач – как учебных, так и практических.
Не менее важная задача обеспечения психолого-педагогическими и методическими разработками, направленными на выявление оптимальных условий использования ИКТ в целях интенсификации учебного процесса, повышения его эффективности и качества.
Актуальность вышеперечисленного определяется не только социальным заказом, но и потребностями индивида к самоопределению и самовыражению в условиях современного общества этана информатизации.
ИКТ позволяет интенсифицировать образовательный процесс и способствует созданию методик, ориентированных на развитие личности обучаемого. Выделим основные особенности этого процесса:
- незамедлительная обратная связь между пользователем и ИКТ;
компьютерная визуализация учебной информации об объектах, явлениях, закономерностях, как реально протекающих, так и "виртуальных";
архивное хранение достаточно больших объемов информации с возможностью ее передачи, а также легкого доступа и обращения пользователя к центральному банку данных;
автоматизация процессов вычислительной информационно-поисковой деятельности, а также обработки результатов учебного эксперимента с возможностью многократного повторения фрагмента или самого эксперимента;
автоматизация процессов информационно-методического обеспечения, организационного управления учебной деятельностью и контроля за результатами усвоения.
Реализация вышеперечисленных явлений на основе ИКТ, позволяет организовать такие виды деятельности как:
регистрация, сбор, накопление, хранение, обработка информации об изучаемых объектах, явлениях, процессах, в том числе реально протекающих, и передача достаточно больших объемов информации, представленной в различных формах;
интерактивный диалог – взаимодействие пользователя с программной (программно-аппаратной) системой, характеризующееся в отличие от диалогового, предполагающего обмен текстовыми командами (запросами) и ответами (приглашениями), реализацией более развитых средств ведения диалога (например, возможность задавать вопросы в произвольной форме, с использованием "ключевого" слова, в форме с ограниченным набором символов); при этом обеспечивается возможность выбора вариантов содержания учебного материала, режима работы;
управление реальными объектами (например, учебными роботами, имитирующими промышленные устройства или механизмы);
управление отображением на экране моделей различных объектов, явлений, процессов, в том числе и реально протекающих;
автоматизированный контроль (самоконтроль) результатов учебной деятельности, коррекция по результатам контроля, тренировка, тестирование.
Ввиду того что вышеперечисленные виды деятельности основаны на информационном взаимодействии между обучаемым (обучаемыми), преподавателем и средствами новых информационных технологий и вместе с тем направлены на достижение учебных целей, назовем ее информационно-учебной деятельностью.
Использование ИКТ позволяет решать следующие педагогические цели и задачи:
Развитие личности обучаемого, подготовка индивида к комфортной жизни в условиях информационного общества подразумевает:
развитие мышления, (например, наглядно-действенного, наглядно-образного, интуитивного, творческого, теоретического видов мышления);
эстетическое воспитание (например, за счет использования возможностей компьютерной графики, технологии Мультимедиа);
развитие коммуникативных способностей;
формирование умений принимать оптимальное решение или предлагать варианты решения в сложной ситуации (например, за счет использования компьютерных игр, ориентированных на оптимизацию деятельности по принятию решения);
формирование и развитие умений осуществлять экспериментально-исследовательскую деятельность (например, за счет реализации возможностей компьютерного моделирования или использования оборудования, сопрягаемого с ЭВМ);
формирование информационной культуры, умений осуществлять обработку информации (например, за счет использования интегрированных пользовательских пакетов, различных графических и музыкальных редакторов).
Реализация социального заказа, обусловленного информатизацией современного общества включает в себя:
подготовка специалистов в области информатики и вычислительной техники;
подготовка пользователя средствами новых информационных технологий.
Интенсифицировать все уровни учебно-воспитательного процесса:
повышение эффективности и качества процесса обучения за счет реализации возможностей ИКТ;
обеспечение побудительных мотивов (стимулов), обусловливающих активизацию познавательной деятельности (например, за счет компьютерной визуализации учебной информации, вкрапления игровых ситуаций, возможности управления, выбора режима учебной деятельности);
углубление межпредметных связей за счет использования современных средств обработки информации, в том числе и аудиовизуальной, при решении задач различных предметных областей.
Направления внедрения средств информационно-коммуникационных технологий в образование подразумевает их использование в качестве:
Средства обучения, совершенствующего процесс преподавания, повышающего его эффективность и качество. При этом обеспечивается:
реализация возможностей программно-методического обеспечения современных ПЭВМ и др. в целях сообщения знаний, моделирования учебных ситуаций, осуществления тренировки, контроля за результатами обучения;
использование объектно-ориентированных программных средств или систем (например, системы подготовки текстов, электронных таблиц, баз данных) в целях формирования культуры учебной деятельности;
реализация возможностей систем искусственного интеллекта в процессе применения обучающих интеллектуальных систем.
Инструмента познания окружающей действительности и самопознания.
Средства развития личности обучаемого.
Объекта изучения (например, в рамках освоения курса информатики).
Средства информационно-методического обеспечения и управления учебно-воспитательным процессом, учебными заведениями, системой учебных заведений.
Средства коммуникаций (например, на базе асинхронной телекоммуникационной связи) в целях распространения передовых педагогических технологий.
Средства автоматизации процессов контроля, коррекции результатов учебной деятельности, компьютерного педагогического тестирования и психодиагностики.
Средства автоматизации процессов обработки результатов эксперимента (лабораторного, демонстрационного) а управления учебным оборудованием.
Средства организации интеллектуального досуга, развивающих игр.
2.2 Методика применения информационно-коммуникационных технологий на уроке физики
Исторически сложилось так, что в первую очередь внедрение компьютерной техники шло в области естественной науки, промышленности высоких технологий. Этим во многом обусловлено то, что с компьютером в наших школах плотно знакомы учителя физики, математики, биологии. Во внедрении компьютерных учебных технологий в этих предметах и были сделаны значительные успехи.
Основными компьютерными технологиями на уроках физики можно назвать:
Компьютерное моделирование;
Проведение модельных лабораторных работ;
Использование гипертекстовый (контекстно-связанных) учебных пособий;
Контроль знаний, тестирование;
Это деление довольно условно. Большинство программных средств объединяет в себе эти технологии. Среди них можно назвать такие как "Открытая физика", "Физика в картинках" (компания Физикон), "1С: Репетитор. Физика" (фирма 1С), "Курс физики для школьников и абитуриентов" (фирма МедиаХауз), "Физика в текстах, решениях и демонстрациях для школьников и абитуриентов" (Росучприбор) и многие другие. На уроке может быть организован как отдельный этап с использованием компьютерных средств, так и возможно проведение полностью компьютеризированного урока, правда, существуют нормы времени работы за компьютером, по которым это делать не рекомендуется.
При обучении физике в средней школе, преподаватель обычно сталкивается со следующими трудностями:
учащиеся не могут представить некоторых явлений, таких как явления микромира и мира с астрономическими размерами;
при изучении некоторого материала изучение его затрудняется незнанием учащимися математического аппарата, с помощью которого материал может быть изучен на высоком теоретическом уровне (например, незнание основ дифференциального и интегрального исчислений при изучении механики);
для изучения явления в школе не может использоваться какое-либо оборудование по причине его дороговизны, громоздкости или небезопасности (например, явления ядерной и квантовой физики);
явление вообще нельзя наблюдать (например, демонстрация CPT-симметрии).
Обычно подобные вещи изучаются либо на пропедевтическом уровне, либо объясняются "на пальцах", либо вообще не изучаются, что ,безусловно, сказывается на уровне подготовки учеников.
Численное моделирование - сравнительно новый научный метод, получивший развитие благодаря появлению ЭВМ. Суть метода заключается в следующем: на основе известных законов уже изученных явлений создается математическая модель - абстрактный объект, подчиняющийся тем же законам. Математическая модель, описанная на языке ЭВМ, получает возможность "ожить". Изменяя некоторые входные параметры, экспериментатор может проследить за изменениями, происходящими с моделью. Изменяя время, можно пронаблюдать явление в динамике, причем масштаб времени модели может быть значительно меньше реального, что позволяет в течение нескольких минут пронаблюдать явление, на наблюдение которого в реальности пришлось бы затратить годы. Основное преимущество метода заключается в том, что он позволяет не только пронаблюдать, но и предсказать результат эксперимента при каких-то особых условиях. Благодаря этой возможности описанный метод нашел применение в биологии, химии, социологии, экологии, физике, экономике и многих других сферах знания.
Метод численного моделирования имеет следующие преимущества перед другими традиционными методами:
дает возможность смоделировать эффекты, изучение которых в реальных условиях невозможно, либо очень затруднительно по технологическим причинам, позволяет моделировать и изучать явления, предсказываемые любыми теориями;
является экологически чистым и не представляет опасности для природы и человека;
обеспечивает наглядность;
доступен в использовании.
Как было уже отмечено, кроме демонстраций, возможно применение компьютерного моделирования для проведения лабораторных работ, экспериментальных установок в которых явления представлены компьютерными моделями. Осуществление такого рода работ может быть продиктовано сложностью, дороговизной или небезопасностью оборудования и самого эксперимента. Нередко проблемы, связанные с оборудованием, с которыми сталкивается преподаватель при проведении рядового лабораторного практикума, могут быть решены заменой его компьютерной лабораторной работой, хотя это, безусловно, имеет свои минусы.
Еще одна специфическая роль моделирования на компьютере может быть реализована в классах с углубленным изучением предмета, так как требует немалого времени, - это решение задач, близких к реальным условиям, но которые не могут быть решены с достаточной точностью аналитически. По сути- это задачи на решение численными методами. Подобного рода задачи собраны в задачнике "Задачи по физике для компьютера." Э.В. Бурсиана.
Такие занятия могут проводиться как практикум, в ходе которого ученики должны составить математическую модель изучаемого явления, реализовать ее на компьютере, а затем выполнить с такой моделью ряд экспериментов. При этом активизируются знания теоретического материала, ученик активно вовлекается в творческую деятельность, что существенно увеличивает результативность учебного процесса.
Практикум организуется как совокупность занятий по изучению основ физических теорий, математических методов, выполнить и в ходе теоретических занятий должны уяснить, как модели практикума могут быть реализованы, какие эффекты существенны в данном явлении, какие- не очень, и ими можно будет пренебречь, для каждой модели необходимо записать соответствующие законы физики.
Все это способствует закреплению у учеников знаний законов и более глубокому их пониманию, совершенствует навыки работы с математическим аппаратом. "Обратный эксперимент" способствует также развитию у учащихся теоретического мышления.
Помимо этого могут быть достигнуты и побочные, не имеющие к физике прямого отношения цели,- практикум по физическому моделированию не возможен без изучения методов вычислительной математики, и, конечно, основ программирования ЭВМ.
В методическом плане практикум по компьютерному моделированию преследует следующие цели:
изучение физических законов;
изучение математических методов физики;
развитие теоретического мышления у учащихся;
развитие представлений о макро- и микромирах и явлениях в них;
воспитания у учащихся чувства рационального.
Такие практикумы имеют тесные межпредметные связи с курсами алгебры и начал математического анализа и основ информатики и вычислительной техники.
Применение современных информационно-коммуникационных технологий значительно повышает эффективность самообразования. В электронный вид переведены многие, всемирно известные, энциклопедии и словари, существует большое количество электронных книг и учебников. Растет популярность дистанционного образования, когда задания и методические рекомендации обучающийся получает через Интернет или по электронной почте. Однако, как показывает практика, компьютер пока не стал полноценным средством обучения в школе. Это связано не только с проблемами, обозначенными в научной литературе. В частности, для достижения положительного эффекта от применения информационных технологий необходимо соблюдение определенных условий:
временное. Каждый предмет школьной программы имеет свои организационно-методические и содержательные особенности, в соответствии с которыми должен быть выбран момент "включения" в него информационных технологий;
техническое. Технические характеристики персональных компьютеров различны. В зависимости от круга задач, которые предполагается решать, необходимо подобрать компьютер и дополнительные устройства (такие как сканер, принтер, модем, наушники, микрофон и т.п.). Круг задач определяет предмет, в изучении которого применяется компьютер. Например: для работы на уроках изобразительного искусства или черчения потребуется более мощный компьютер чем, скажем, на уроках математики или информатики;
организационное. При включении информационных технологий в процесс изучения предмета встает вопрос настройки программного обеспечения и наладки оборудования. Далеко не каждый учитель владеет навыками необходимыми для комплексного обслуживания компьютерного оборудования или для самостоятельной разработки образовательных средств. Поэтому очевидна потребность учителя в квалифицированном помощнике (например, в лице лаборанта или учителя информатики).
При соблюдении этих условий, по оценкам специалистов, современные информационные технологии могут служить действенным дидактическим средством. Проблемы применения компьютерных средств в процессе обучения во многом связаны с готовностью современного учителя к восприятию персонального компьютера как дидактического средства.
С самых первых дней развития Интернет в образовании, прежде всего, разрабатывался проектный метод обучения на основе информационно-коммуникационных средств, которые рассматривались как асинхронная текстовая коммуникация [4]. При этом учащийся обучается в удобное для него время, а учебный материал может поступать к нему с помощью электронной почты или появлялся на учебном сайте в определенное время.
В настоящее время интенсивно разрабатывается сочетание активных методов обучения с интерактивной обучающей средой и компьютеро-опосредованной коммуникацией, такими, как веб, телеконференции, видеоконференции, чат.
Перед учителем, использующим информационно-коммуникационные технологии на уроках и во внеурочное время, всегда стоит задача найти особые методы для того, чтобы заинтересовать учащегося, получающего доступ к Интернет, определенными вопросами, например, из физики. Для выделения не просто доступной и понятной, но интересной и полезной для учащегося информации, рекомендуется использовать метод проектной работы, создание учебно-исследовательских заданий [18].
Информационно-коммуникационные образовательные проекты, как правило, всегда межпредметны, то есть требуют привлечения знаний из разных предметных областей.
В настоящее время практически отсутствуют методики применения информационно-коммуникационных технологии в процессе обучения физике, не существует информационно-методических пособии для учителей физики по методике применения Интернет.
Можно выделить минимальный набор умений, необходимый учащемуся для работы в Сети:
Умение пользоваться поисковыми системами и каталогами.
Умение целенаправленно находить нужную информацию.
Умение сохранять найденную информацию на дискетах и жестком диске.
Умение анализировать и обобщать полученную информацию.
3 Методика проблемного преподавания раздела «Гидро- и аэростатика»
3.1 Анализ основных понятий и законов раздела
«Гидро- и аэростатика»
По объему учебного материала и времени, отводимого программой на ее изучение, тема «Гидро- и аэростатика» наиболее объемная и, пожалуй, наиболее ответственная. Вопросы гидростатики и аэростатики изучают в школе один раз, в VII классе, в старших же классах в лучшем случае их будут только повторять. Следовательно, основной учебный материал этой главы должен быть усвоен учащимися седьмых классов достаточно глубоко и прочно. Это нелегкая задача, если учесть, что общее развитие и математическая подготовка учащихся VII класса весьма ограниченны, а учебный материал сложен.
Ранее учебный материал по гидро- и аэростатике излагался раздельно. Однако опыт показал, что многие важные общие понятия, относящиеся к жидкостям и газам, учащиеся лучше воспринимают и усваивают при их сопоставлении и сравнении. Кроме того:
параллельное изучение некоторых свойств жидкостей и газов и относящихся к ним законов (Паскаля и Архимеда) позволяет сократить время на изучение без ущерба для качества знаний учащихся. Это одна из очень важных особенностей существующей программы. Другая, пожалуй, еще более существенная
особенность заключается в том, что некоторые основные вопросы освещены на основе представлений о молекулярной структуре жидкостей и газов. Так, например, учащимся показывают, что основным законом гидро- и аэростатики является закон Паскаля, а этот закон есть прямое следствие свободной подвижности молекул жидкостей и газов. Все остальные теоретические вопросы темы могут быть объяснены на основе закона Паскаля и действия силы тяжести.
В разделе гидро- и аэростатика изучаются следующие основные понятия и законы:
Давление в жидкости и газе. Закон Паскаля.
Сообщающиеся сосуды.
Атмосферное давление.
Гидравлические машины. Пневматические машины и инструменты.
Архимедова сила.
Плавание тел.
Данные вопросы составляют основу для последующих курсов. Знание данных понятий и законов способствует усвоению материала в старших классах в таком разделе, как молекулярная физика.
Рассмотрим кратко основное содержание раздела и методику преподавания отдельных вопросов.
Изучение раздела «Давление жидкостей и газов» можно начать с напоминания учащимся о некоторых свойствах, присущих только жидкостям и газам. Различие в свойствах твердых тел и жидкостей обусловлено особенностями их молекулярного строения и характером движения молекул, на что и следует еще раз обратить внимание учащихся. Здесь полезно напомнить, что в твердых телах молекулы связаны с положениями равновесия; в жидкостях же отсутствуют такие положения равновесия, все молекулы в них свободно подвижны относительно друг друга. В газах подвижность молекул проявляется еще в большей степени. Особым характером движения молекул жидкостей и газов объясняется такое их свойство, как текучесть. Введя понятие текучести, необходимо показать это свойство на примерах. Так, пролитая из сосуда жидкость быстро растекается, а вода в стакане приходит в движение, если слегка подуть на ее поверхность. Благодаря подвижности вода в реках под действием силы тяжести течет с высоких мест в более низкие. Наконец, вследствие подвижности жидкость, сохраняя постоянный объем, принимает форму сосуда, в который она налита.
Закон Паскаля, как нетрудно показать учащимся, есть следствие свободной подвижности молекул жидкости и газа.
Объяснение лучше начать с газа. Молекулы газа находятся в непрерывном беспорядочном движении. Если бы не было стенок сосуда и не было силы притяжения к Земле, то все молекулы газа разлетелись бы в разные стороны. Сжимаемый со всех сторон стенками сосуда газ в свою очередь сам производит давление на эти стенки и на всякое находящееся в нем тело. Вследствие того что молекулы газа движутся беспорядочно, а число их в сосуде огромно, давление в газе всюду одинаково, поэтому газ в целом находится в равновесии.
Далее переходим к рассмотрению жидкостей. Молекулы жидкости также обладают свободной подвижностью. Вследствие этого в любой точке сжатой жидкости в отсутствие силы тяжести давление, как и в газе, одинаково. Здесь мы говорим о распределении давления внутри сжатой жидкости. Сжать жидкость можно, действуя на нее поверхностными силами, например в закрытом сосуде с помощью поршня. Механизм давления в жидкости, конечно, иной, чем в газах. Действуя на жидкость поверхностными силами, уменьшаем объем ее. При этом в жидкости возникают упругие силы (силы отталкивания между молекулами), они и обусловливают давление во всех точках жидкости, а также давление на стенки сосуда. Так как молекулы жидкости свободно подвижны, то это давление одинаково во всех точках объема, занимаемого жидкостью.
На основе опытов, описанных в учебнике для одной жидкости, установлено, что в сообщающихся сосудах жидкость при равновесии устанавливается на одном уровне, затем этому факту дано теоретическое обоснование. Теоретическое обоснование несложное, для развития логического мышления давать его учащимся очень полезно.
В этом обосновании исходят из того положения, что давление на одном и том же уровне жидкости одинаково. Отсюда следует, что высоты столбов жидкостей над этим уровнем в обоих коленах сообщающихся сосудов одинаковы.
Условие равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах закрепляют на задачах, имеющих к тому же и практический интерес (водомерное стекло, фонтан в пустоте, артезианский колодец и др.).
В качестве домашнего задания учащимся можно предложить изготовить прибор, на котором можно демонстрировать поршневое и весовое давление, закон Паскаля, давление на дно и стенки сосуда, сообщающиеся сосуды. Для всех учащихся изготовление такого прибора может оказаться сложным, поэтому следует поручить изготовить один - два прибора группе учащихся-активистов. Для того чтобы учащиеся дома или в классе могли изготовить сообщающиеся сосуды и провести с ними опыты, нужно снабдить их стеклянными и резиновыми трубочками.
С устройством шлюзов и водопровода учащиеся знакомятся самостоятельно по учебнику. Полезно показать кинофильмы «Шлюзы», «Водопровод».
Равновесие различных жидкостей в сообщающихся сосудах в программу не входит, однако в сильном по составу учащихся классе этот вопрос может быть рассмотрен.
Учащимся уже известно, что воздушную оболочку, окружающую Землю, называют атмосферой.
Сравнивая атмосферу с водой в океане или в море, устанавливают существование атмосферного давления. Затем показывают несколько простых опытов: поднятие воды за поршнем в трубке, фонтан в пустоте и др. И объясняют их фактом существования атмосферного давления.
Для закрепления понятия атмосферного давления предлагают ряд качественных задач, приведенных в учебнике в конце параграфа «Существование воздушной оболочки Земли».
Изучение атмосферного давления можно углубить, используя для этого знания элементов молекулярно-кинетической теории.
Молекулярное движение приводит к частичному рассеянию атмосферы Земли. Чем слабее планета притягивает свою атмосферу, тем быстрее происходит это рассеяние. Можно сообщить учащимся интересные сведения о том, что на Луне, и Меркурии сила тяжести соответственно в 6 раз и в 2,5 раза меньше, чем на Земле. Поэтому их атмосфера рассеялась в космическое пространство.
Опыт Торричелли относится к числу основополагающих опытов физики, его необходимо показать учащимся. Однако он запрещен для демонстраций и на сегодняшний день данные вопрос рассматривается лишь чисто теоретически.
Атмосферное давление измеряют высотой столба ртути, измеренного сантиметрами или миллиметрами. Давление вне трубки на уровне ртути в чашке равно атмосферному давлению. Но так как в трубке над ртутью воздуха нет, то давление столба ртути в трубке тоже равно атмосферному давлению.
Практическое применение закона Паскаля показывают на устройстве и действии гидравлической машины. Гирке и Шпрокхоф в книге «Эксперимент по курсу элементарной физики», ч. 2 (Учпедгиз, 1959), рекомендуют изготовить модель гидравлической машины из шприцев разного диаметра. Поршни в этих шприцах хорошо пригнаны к цилиндрам и движутся с небольшим трением. Если учащиеся математически недостаточно подготовлены, целесообразно общий вывод заменить числовыми расчетами.
Закон Паскаля и его применение, в устройстве и работе гидравлической машины учащиеся должны хорошо усвоить – это основной учебный материал. Но нет никакой необходимости заставлять учеников заучивать различные технические устройства: гидравлический пресс, тормоз, пневматические машины и инструменты. Весь этот материал в учебнике содержится под рубрикой «Для дополнительного чтения». Надо, конечно, побуждать учащихся читать дополнительные статьи в учебнике, но оценивать знания учащихся по дополнительному материалу не следует.
Там, где это возможно, нужно обязательно показать короткометражные фильмы. Можно продемонстрировать фильм «Гидравлический пресс» и кинофрагменты «Автотормоза» и «Отбойный молоток», а также использовать вторую часть фильма «Применение сжатого воздуха».
Необходимо использовать таблицы по физике: гидравлический пресс, схема гидравлического тормоза автомобиля, пневматический отбойный молоток и др.
Для общего развития учащихся и привития им интереса к физике полезно на уроках заслушивать небольшие доклады учащихся об устройстве и работе каких-либо технических сооружений, связанных с проходимым на уроке материалом, полезно включать в доклады исторические сведения, исторические опыты и задачи и т. п.
Существующая программа по физике не содержит закона Архимеда, вместо него включено понятие архимедовой силы.
Дело в том, что название «закон Архимеда» имеет лишь историческое значение, так как этот закон есть следствие распределения давления в весомой жидкости. Закон Паскаля с учетом действия силы тяжести позволяет хорошо объяснить все явления гидростатики и аэростатики, и нет никакой необходимости вводить еще один новый закон.
Если вопрос о давлении внутри жидкости усвоен учащимися хорошо и они научились рассчитывать давление на дно и стенки сосуда, то изучение архимедовой силы уже не представит каких-либо затруднений.
При этом можно использовать один из возможных методов изучения: индуктивный, дедуктивный или эвристический. В обоих случаях надо использовать жизненный опыт. Учащиеся знают, что под водой сравнительно легко можно поднять довольно тяжелые предметы, которые в воздухе поднять невозможно. Если погрузить под воду кусок дерева и выпустить там его из рук, он всплывает. Резиновый шар, наполненный легким газом, если его выпустить из рук, может высоко улететь.
Из опытов делают вывод: на тело, погруженное в жидкость, действует сила снизу вверх, выталкивающая тело из жидкости
Для разъяснения причины возникновения этой силы рисуют на классной доске схему опыта и, опираясь на знания учащихся объясняют, что сила давления на нижнюю поверхность погруженного в жидкость тела всегда больше, чем сила давления на верхнюю его поверхность. Разность этих сил давлений и является той силой, которая выталкивает тело из жидкости.
Вопрос об условиях плавания тела в жидкости можно рассмотреть сначала в общем виде. Для этого учащиеся имеют достаточные знания.
На тело, погруженное в жидкость или газ, действуют две силы: сила тяжести Р, направленная вертикально вниз, и сила F, выталкивающая тело из жидкости или газа, направленная вертикально вверх.
Под действием этих сил тело будет двигаться в сторону большей силы. При этом возможны три случая:
если F<P, тело будет опускаться на дно, тонуть;
если F~P, тело висит, или «парит», внутри жидкости (газа);
если F>P, тело всплывает.
Все три случая можно показать на приборе, носящем старинное название картезианский водолаз». (Картезий – переиначенная на латинский лад фамилия Декарта )
Полая фигурка из стекла (или просто маленькая пробирка) имеет внизу отверстие. Частично она наполнена водой, частично воздухом и плавает на поверхности воды в сосуде, вверху которого под закрывающей, его резиновой перепонкой также находится некоторое количество воздуха.
Если нажать пальцем на перепонку, воздух в сосуде сжимается и сильнее давит на воду, вследствие чего некоторое количество воды входит В' пробирку, Сжимая находящийся в ней воздух. Пробирка становится тяжелее, отчего она начинает «парить» внутри воды или даже опускаться на дно.
Раздел «Гидро- и аэростатика» включен в раздел «Механика», входящий в ЕГЭ, и представлен следующими вопросами:
Давление. Атмосферное давление.
Закон Паскаля. Архимедова сила.
Вопросы в большей мере представлены в первой части КИМ ЕГЭ.
Анализирую результаты предстоящих лет, можно сделать вывод, что задания данного раздела зачастую вызывают сложности при выполнении, что обусловлено тем, что материал проходится в 7 классе и только один раз.
3.2 Методика использования электронного учебника для
организации проблемного изучения раздела «Гидро-аэростатика»
Стремительный процесс компьютеризации образования на основе использования компьютерных систем, открывает в образовании путь электронным учебникам. Этот термин наиболее устойчив, и к этому типу разработок относятся большинство компьютерных курсов учебного назначения. Учебник, в классическом понимании, это книга для учеников или студентов, в которой систематически излагается материал в определенной области знаний на современном уровне достижений науки и образования.
Необходимо определить отличительные признаки электронного учебника от печатного.
1. Любой печатный учебник (на бумажном носителе) рассчитан на определенный начальный уровень подготовки учащихся и предполагает конечный уровень обучения. По многим общеобразовательным предметам имеются учебники базавого курса, профильного курса, факультативные и др. Электронный учебник по конкретному учебному предмету может содержать материал нескольких уровней сложности. При этом он будет весь размещен на одном лазерном компакт-диске, содержать иллюстрации, анимацию и видеопояснения к тексту, а также задания для проверки знаний в интерактивном режиме для каждого уровня.
2) Наглядность в электронном учебнике значительно выше, чем в печатном. Например в учебнике по географии России на бумажном носителе обычно представлено около 50 иллюстраций. В новом мультимедийном учебнике по этому же курсу имеется около 800 слайдов. При создании электронных учебников наглядность обеспечивается также использованием таких мультимедийных технологий как анимации, звукового сопровождения, гиперссылок, видеосюжетов и т.п.
3) Электронный учебник обеспечивает многовариантность, многоуровневость и разнообразие проверочных заданий, тестов. Электронный учебник позволяет все задания и тесты давать в интерактивном и обучающем режиме. При неверном ответе учебник выдает гиперссылку на верный ответ с разъяснениями и комментариями.
4) Многие электронные учебники являются по своей структуре открытыми системами т.е. их можно дополнять, корректировать, модифицировать в процессе эксплуатации.
5) В зависимости от целей разработки электронный учебник может иметь различную структуру. Например, для использования на уроках можно создавать электронный учебник, поддерживающий учебную программу по конкретному предмету, а учебный материал подавать согласно имеющемуся тематическому планированию. Можно разрабатывать электронный учебники без привязки к тематическому планированию, а просто следуя учебному плану по конкретному курсу. Можно создавать электронные учебники по принципу вертикального изучения учебного материала, например, функции и графики изучаются в школе с 7 по 10 классы. На бумажных носителях имеется четыре учебника для соответствующих классов, в каждом из которых имеется учебный материал по функциям и графикам. Электронный учебник может объединить весь изучаемый материал по этой теме с 7 по 10 классы, в результате вместо четырех учебников можно обучаться по одному. Такой электронный учебник можно использовать для самостоятельных занятий, для подготовки к сдаче экзаменов, на уроках.
На сегодняшний день оценка качества создаваемых и используемых в образовательном процессе электронных мультимедийных пособий является очень актуальным, так как единого научно-методического обеспечения и стандартов в данной области не существует, что отрицательно сказывается на качестве программного обеспечения учебного назначения, существующего на современном рынке программного обеспечения. В то же время они вызывают к себе повышенный интерес являясь современным научно-методическим обеспечением учебного процесса и способу самообразования.
В соответствии с Инструкцией Минобразования, электронное учебное пособие представляет собой совокупность текстовой, графической, речевой, музыкальной, видео-, фото- и другой информации, а также печатной документации пользователя. Электронное учебное пособие может быть выполнено на любом электронном носителе или размещено как в локальной так и глобальной компьютерной сети.
Современный электронный учебник - это целостная дидактическая система, основанная на использовании компьютерных технологий и средств всемирной сети Интернет, ставящая целью обеспечить обучение школьников и студентов по индивидуальным и оптимальным учебным программам с управлением процессом обучения.
Выделим следующие критерии, позволяющие оценить степень прогресса электронных учебников в сравнении с традиционными методами обучения:
формы представления учебной информации:
способы навигации и поиска;
методы контроля знаний;
организация обратной связи с преподавателем.
Принципами разработки современных электронных учебников являются:
представление информации с использованием всего спектра мультимедиа-данных таких как текст, графика, аудио, видео, анимация;
развитые возможности поиска информации и навигации в сочетании с обширной информационно-справочной системой;
объективная и всесторонняя система контроля знаний;
возможности интерактивной связи ученика и преподавателя с использованием сетевых технологий.
Отличия электронного учебника от традиционных курсов обучения:
Специфическая система управления процессом обучения, включающая в себя средства нелинейного структурирования и оптимизации учебного материала, средства диагностики и коррекции знаний, разветвленную сеть обратной связи и т.п.;
Словесные методы, позволяющие значительно ускорить познавательные процессы;
Графические средства, обеспечивающие процессу обучения высокий уровень наглядности;
Средства мультимедиа, позволяющие организовать лабораторный практикум.
Электронный учебник позволяет решать следующие основные задачи:
получать сведения об учебной программе и тематическом плане учебной дисциплины, последовательности занятий и логике изучения тем;
индивидуально просматривать, изучать или повторять учебный, методический и информационно-справочный материал;
наглядно представлять на дисплее компьютера весь дидактический материал и наглядные пособия (схемы, рисунки, таблицы, графики, текст и т.д.);
осуществлять самоконтроль (с автоматизированным выставлением оценок) усвоения содержания учебных тем;
получать информацию о рекомендованной учебной, научной и методической литературе;
распечатывать образцы планов проведения и методические разработки по всем темам и видам занятий;
размножать раздаточные материалы (планы, таблицы, задания и т.д.) необходимые для проведения занятий со слушателями;
получать методические рекомендации по проведению тех или иных форм учебных занятий (частные методики);
узнавать сведения о некоторых технологиях, применяемых в информационной деятельности и другие сведения.
Здесь перечислены не все задачи, которые составляли бы необходимый и достаточный уровень для электронного учебника, но эти являются наиболее актуальными.
Электронный учебник, являясь гипертекстовым документом, сталкивает пользователей и создателей с рядом сложностей:
Необходимо предусмотреть возможность работы по локальной сети с учебником, возможность размещения его в сети Интернет.
Защита системно-обучающей функции, чтобы случайные ошибки пользователей не меняли содержание учебника.
Необходимость ужесточения требования к психолого-педагогическим аспектам, обратить внимание на коммуникативные режимы.
Основным недостатком электронных учебников является трудность чтения больших текстов с экрана компьютера, в результате чего ухудшается восприятие информации. Для решения этой проблемы во многих учебниках реализованы два режима обучения: текстовый и звуковой. Текстовый режим можно назвать усовершенствованным аналогом книги, а звуковой – аналогом хорошо проиллюстрированной лекции или учебного видеофильма. Оба режима являются различными способами представления одного и того же материала.
Выделяют еще целый ряд недостатков, которые приписывают электронному учебнику:
необходимость владения определенной информационной культурой как учащимися, так и преподавателями;
при использовании сетевых образовательных технологий необходимо наличие локальной сети или доступа в сеть Интернет;
необходимость наличия сравнительно дорогостоящей компьютерной техники или возможность доступа к современному персональному компьютеру каждого члена общества, желающего получить образование;
отсутствие в большинстве случаев концепции, которая лежит в основе издания электронного учебника или иного пособия;
мультимедийные средства, используемые в большом количестве при создании электронных учебников, часто являются избыточными.
Несмотря на такое обилие недостатков, электронный учебник имеет большое количество преимуществ.
Достоинства электронного учебника:
Повышается производительность труда преподавателя.
Работа с электронными учебниками активизирует самостоятельное мышление учащихся.
Индивидуальный темп обучения. Под этим подразумевается не только «индивидуализация» по времени, так как обучение при классно-урочной системе подчинено жестким временным рамкам, но и вариантность развернутости учебного материала, учет типа памяти, темперамента и мышления учащегося.
Режим электронных конференций позволяет эффективно производить чтение проблемных лекций.
Электронный учебник восприимчив к новой информации, оперативно можно вводить нововведения, связанные с реформированием общественно-политической, экономической жизнью.
Обеспечение каждого учащегося несколькими альтернативными учебниками по каждому курсу, включая зарубежные источники.
Существенное повышение эффективности обучения за счет использования информационных технологий.
Осуществление широкого контроля учебной деятельности, в том числе и самостоятельной работы обучающихся.
Приобщение к использованию современных информационных технологий как обучающихся, так и преподавателей.
Использование мультимедийных возможностей, позволяющее сделать содержание более наглядным, понятным.
Возможность снабдить учебный материал динамическими рисунками, использование которых позволяет обучаемому экспериментировать, рассматривать изучаемое явление с разных сторон.
Возможность моделировать.
Возможность быстро и эффективно тестировать или как-нибудь иначе проверять знания учеников.
Возможность организовывать самостоятельную работу учеников, давать подсказки, справки и многое другое.
Использование гипертекстовых ссылок, позволяющее мгновенно отыскать нужное понятие, в считанные доли секунды «перелистать» многие страницы изучаемого текста.
Пожалуй, одно из самых главных достоинств – возможность организовывать виртуальную лабораторную работу, которую по тем или иным причинам невозможно провести в реальной обстановке.
Электронный учебник аккумулирует в себе все основные дидактические, методические, научные и информационно-справочные материалы, необходимые преподавателям для подготовки и проведения всех видов и форм занятий, а так же слушателям для самостоятельного изучения учебных тем или подготовки к занятиям, проводимым под руководством преподавателя, и получения дополнительных информационно-справочных сведений по учебной дисциплине. Кроме того, он предоставляет возможность слушателям качественно решать задачи самоконтроля усвоения материалов по учебной дисциплине, а преподавателям - объективно осуществлять текущий и итоговый контроль за успеваемостью учеников.
Таким образом, существует большое количество преимуществ электронного учебника над печатным, поэтому проблема создания качественного электронного учебника является актуальной в настоящее время.
Методика использования электронного учебника в разделе
«Гидро- аэростатика»
Электронный учебник эффективен для организации самостоятельной работы учащихся, а при наличии компьютерного класса и для работы в классе. Учебник сокращает затраты времени на подготовку к урокам и проведению контрольных работ (при работе в компьютерном классе).
Информационная база учебника включает в себя практически все классы задач курса и постоянно пополняется новыми. Поэтому, учебник может быть использован как источник задач, имеющих максимально полное объяснение, для решения в классе и выполнения контрольных работ. В последнем случае, задания на контрольную работу учащийся списывает с экрана компьютера, а функция объяснения отключается набором кодового слова преподавателем или самим учащимся. Объяснения включаются набором другого кодового слова, известного только учителю. Проверка решения осуществляется учебником по конечной формуле в общем виде.
Учебник позволяет применить методику опережающего домашнего задания, состоящую в том, что в конце текущего занятия выдаётся задание на изучение теории и решение задач, на тему, которая будет изучаться в классе на следующем уроке. Методика эффективна при обучении физике в 11-ом классе и подготовке к ЕГЭ. Применение этой методики требует наличия у учащегося высокой мотивации изучения физики, например, заинтересованности в успешной сдаче ЕГЭ или в изучении физики сверх школьной программы. Возможность выдачи упреждающего задания обуславливается тем, что объяснения решений задач "невозможно не понять" при самостоятельном изучении, благодаря применению развитого гипертекста и корректно построенной виртуальной структурно-логической схеме курса. В случае применения обычного учебника, самостоятельно научиться решению задач на новую тему для многих учащихся весьма затруднительно. В предлагаемом электронном учебнике имеется функция проверки решения, позволяющая учащемуся находить источник неверного решения в общем виде и самостоятельно устранять допущенную ошибку.
В своей дипломной работе я создал электронный учебник в программной среде SunRav. Данная программа предназначена для создания и редактирования электронных учебников. Я выбрал это программное средство потому что оно легко доступно для любого ученика, во многих школах предоставляется возможность работы с лицензионной версией программы, и конечно же наш вуз предоставляет такую возможность работы.
Давление газов. Закон Паскаля
Закон Паскаля, как нетрудно показать учащимся, есть следствие свободной подвижности молекул жидкости и газа. Мы говорим о «свободной подвижности молекул». Дело в том, что и в твердых телах молекулы подвижны, однако они только колеблются около центров равновесия. В жидкостях же и особенно в газах молекулы могут как угодно перемещаться друг относительно друга, поэтому говорят, что они обладают свободной подвижностью.
Объяснение начинаем с газа. Молекулы газа находятся в непрерывном беспорядочном движении. Если бы не было стенок сосуда и не было силы притяжения к Земле, то все молекулы газа разлетелись бы в разные стороны. Сжимаемый со всех сторон стенками сосуда газ в свою очередь сам производит давление на эти стенки и на всякое находящееся в нем тело. Вследствие того что молекулы газа движутся беспорядочно, а число их в сосуде огромно, давление в газе всюду одинаково, поэтому газ в целом находится в равновесии.
Далее переходим к рассмотрению жидкостей. Молекулы жидкостей также обладают свободной подвижностью. Вследствие этого в любой точке сжатой жидкости в отсутствие силы тяжести давление, как и в газе, одинаково. Здесь мы говорим о распределении давления внутри сжатой жидкости. Сжать жидкость можно, действуя на нее поверхностными силами, например в закрытом сосуде с помощью поршня. Механизм давления в жидкости, конечно, иной, чем в газах. Действуя на жидкость поверхностными силами, уменьшаем объем ее. При этом в жидкости возникают упругие силы (силы отталкивания между молекулами), они и обуславливают давление во всех точках жидкости, а также давление на стенки сосуда. Так как молекулы жидкости свободно подвижны, то это давление одинаково во всех точках объема, занимаемого жидкостью. Вопрос этот труден для учащихся, поэтому в учебнике он не рассмотрен.
В целях конкретизации можно привести следующий пример.
Невесомая пластина в любом месте внутри покоящейся жидкости будет находиться в равновесии, Так как давление жидкости на нее со всех сторон одинаково. Эта же пластинка в реке или в водопроводной трубе стала бы двигаться из мест, где давление больше, в места, где оно меньше.
Итак, свободная подвижность молекул газа и жидкости приводит к выравниванию давления во всех точках внутри газа и жидкости. В этом, как уже указывалось, заключается содержание закона Паскаля.
В технике, как известно, жидкости и газы наряду с твердыми телами используют в качестве передатчиков внешних давлений. Примером этого служат все гидравлические и пневматические машины. Поэтому закон Паскаля следует дать учащимся в другой, более распространенной формулировке:
«Давление, производимое на жидкость или газ, содержащиеся в замкнутом сосуде, передается во все стороны без изменения величины».
Демонстрируется учащимся видеофрагмент «Закон Паскаля»
Рисунок 3.1- Фрагмент электронного учебника
Перейдя по ссылке учащимся представляется видео урок с демонстрацией опытов.
Рисунок 3.2- Фрагмент видео урока
На рисунке изображена стеклянная трубка, один конец которой закрыт тонкой резиновой пленкой. В трубку вставлен поршень. При вдвигании поршня объем воздуха в трубке уменьшается, т. е. газ сжимается. Резиновая пленка при этом выгибается наружу, указывая на то, что давление воздуха в трубке увеличилось.
Наоборот, при увеличении объема этой же массы газа число молекул и каждом кубическом сантиметре уменьшится, от этого уменьшится число ударов о стенки сосуда – давление газа уменьшится. Действительно, при вытягивании поршни из трубки объем воздухе, увеличивается, пленка прогибается внутрь сосуда, указывая на уменьшение давления воздуха в трубке. Такие же явления наблюдались бы, если бы вместо воздуха в трубке находился любой другой газ.
Итак, при уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается при условии, что масса и температура газа остаются неизменным».
А как изменится давление газа, если нагреть его при постоянном объеме? Мы знаем, что скорость движения молекул газа при нагревании увеличивается. Двигаясь быстрее, молекулы будут ударять о стенки сосуда чаще. Кроме того, каждый удар молекулы о стенку сосуда станет сильнее. Вследствие чего стенки сосуда будут испытывать большее давление.
Следовательно, давление газа в закрытом сосуде тем больше, чем выше температура газа, при условии, что масса газа не изменяется.
Из этих опытов можно сделать общий вывод, что давление газа тем больше, чем чаще и сильнее молекулы ударяют о стенку сосуда.
Сообщающиеся сосуды.
На основе опытов описанных в учебнике для одной жидкости, установлено, что в сообщающихся сосудах жидкость при равновесии устанавливается на одном уровне, затем этому факту дано теоретическое обоснование. Теоретическое обоснование несложное, поэтому мы даем его для логического мышления учащихся.
В этом обосновании исходим из того положения, что давление на одном и том же уровне жидкости одинаково. Отсюда следует, что высоты столбов жидкостей над этим уровнем в обоих коленах сообщающихся сосудов одинаковы.
Ученикам предлагается перейти по следующим ссылкам, представленным в учебнике
Рисунок 3.3- Фрагмент электронного учебника с указанием гиперссылок
Перейдя по ссылкам, учащимся предлагаются видеофрагмент урока о сообщающихся сосудах, а так же демонстрация опытов. Здесь учащиеся сами производят действия, например, для того чтобы налить в стеклянную трубку воду, как это показано на рисунке, необходимо кликнуть левой клавишей мыши по сосуду и передвинуть его в сторону трубки. Учащие сами производят эти опыты, при этом затрачивая минимум времени и усилий, а такая наглядность дает более глубокое представление о сообщающихся сосудах.
Рисунок 3.4 - Демонстрация опыта
Условие равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах закрепляем на задачах.
С устройством шлюзов и водопровода учащиеся знакомятся самостоятельно.
Атмосферное давление
Учащимся уже известно, что воздушную оболочку, окружающую землю, называют атмосферой.
Сравнивая атмосферу с водой в океане или в море, устанавливаем существование атмосферного давления. Показываю простой опыт: поднятие воды за поршнем в трубке, и объясняю его фактом существования атмосферного давления.
Для закрепления понятия атмосферного давления предлагаю ряд качественных задач, приведенных в учебнике.
Очень важен параграф, в котором описан Торричелли.
Опыт Торричелли относится к числу основополагающих опытов физики, его необходимо показать учащимся.
Рисунок 3.5- Фрагмент электронного учебника с указанием гиперссылки
Опыт Торричелли дает представление об устройстве чашечного ртутного барометра.
Устройство барометра-анероида следует детально рассмотреть в классе. Такой прибор имеется во всех школах, и его широко используют в практике. Так же барометр-анероид представлен в книге и можно посмотреть видеофрагмент.
Рисунок 3.6 - Фрагмент электронного учебника – гиперссылка
С помощью барометра-анероида легко установить, что давление атмосферы даже на первом и последнем этажах школы различное.
Наряду с барометром учащиеся должны иметь представление о назначении и устройстве манометра.
Манометр – измерительный физический и технический прибор, о нем учащиеся должны иметь достаточно четкие представления. В книге представлены характеристики устройства и можно посмотреть видеофрагмент о манометрах.
Рисунок 3.7 - Фрагмент электронного учебника
Гидравлические машины. Пневматические машины и инструменты.
Практическое применение закона паскаля показываем на устройстве и действии гидравлической машины.
Закон Паскаля и его применение в устройстве и работе гидравлической машины учащиеся должны хорошо усвоить – это основной учебный материал. В учебнике представлены видеофрагменты об устройстве и работе гидравлической машины.
Архимедова сила
Дело в том, что название «закон Архимеда» имеет лишь историческое значение, так как этот закон есть следствие распределения давления в весомой жидкости. Закон Паскаля с учетом действия силы тяжести позволяет хорошо объяснить все явления гидростатики и аэростатики, и нет никакой необходимости вводить еще один новый закон.
Учащиеся знают, что под водой сравнительно легко можно поднять довольно тяжелые предметы, которые в воздухе поднять невозможно. Если погрузить под воду кусок дерева и выпустить там его из рук, он всплывает.
Показываем на опыте, который представлен в учебнике в видеофрагменте, следующий опыт.
Рисунок 3.8 – Демонстрация опыта
Подвесив к динамометру груз, наблюдаем растяжение пружины. Погружаем тело в воду, обнаруживаем сокращение пружины.
Из опыта делаем вывод: на тело, погруженное в жидкость, действует сила снизу вверх, выталкивающая тело из жидкости.
Архимедова сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объёма этого тела. Но она не зависит, например, от плотности вещества тела, погружаемого в жидкость.
Предлагается рассмотрение решения задачи по данной теме и вопросы для первичного закрепления знаний. Используя интернет-ресурсы, можно повторить основные понятия раздела.
Электронный учебник Сила архимеда
Рисунок 3.9 - Фрагмент электронного учебника - гиперссылка
Плавание тел
Вопрос об условиях плавания тела в жидкости сначала рассмотрим в общем виде.
На тело, погруженное в жидкость или газ, действуют две силы
1) сила тяжести F, направленная вертикально вниз, и
2) сила F, выталкивающая тело из жидкости или газа, направленная вертикально вверх.
Под действием этих сил тело будет двигаться в сторону большей силы. При этом возможны три случая:
1)если сила тяжести Fтяж больше архимедовой силы FA, то тело будет опускаться на дно, тонуть, т. е. если
1) Fтяж FA ,то тело тонет;
2)если сила тяжести Fтяж равна архимедовой силе FA, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, т. е. если
Fтяж = FА, то тело плавает;
3)если сила тяжести Fтяж меньше архимедовой силы FА, то тело будет подниматься из жидкости, всплывать, т. е. если
Fтяж FА , то тело всплывает.
В учебнике представлены картинки, и так же можно посмотреть видеофрагмент о плавании тел.
Рисунок 3.10 - Фрагмент электронного учебника
Для закрепления первичных знаний, в конце параграфа представлены вопросы и упражнения. Дается задание учащимся изготовить прибор для демонстрации некоторых гидростатических явлении.
Описанный выше материал позволяет получить представления о работе с электронным учебником при изучении раздела «Гидро- аэростатика». Основные методические идеи автора реализованы в учебнике.
Данный электронный учебник позволяет решать следующие основные задачи:
индивидуально просматривать, изучать или повторять учебный, методический и информационно-справочный материал;
наглядно представлять на дисплее компьютера весь дидактический материал и наглядные пособия (схемы, рисунки, таблицы, графики, текст и т.д.);
осуществлять самоконтроль усвоения содержания учебных тем;
получать информацию о рекомендованной учебной, научной и методической литературе;
размножать раздаточные материалы (планы, таблицы, задания и т.д.) необходимые для проведения занятий со слушателями;
- узнавать сведения о некоторых технологиях, применяемых в информационной деятельности и другие сведения.
Проверка эффективности разработанной методики
(педагогический эксперимент)
В период прохождения педагогической практики с 4.02.2013 по 30.03.2013 г. и с 11.11.2013 по 5.01.2014 г. в МОУ Лицей №7 г. Саранск в 7 и старших классах, был проведен педагогический эксперимент на основании предложенной в моей дипломной работе методики проблемного изучения раздела «Гидро- и аэростатика» с использованием информационно-коммуникационных технологий.
Информационные технологии позволяют повысить информационную емкость учебного процесса – урока, организовать исследование, что является основой проблемного обучения.
Учащимся был предложен электронный учебник, в котором представлен теоретический материал раздела «Гидро- и аэростатика». Рассмотрены следующие темы: «Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля», «Давление в жидкости и газе», «Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда», «Сообщающиеся сосуды», «Вес воздуха. Атмосферное давление», «Почему существует воздушная оболочка Земли», «Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли», «Барометр-анероид», «Атмосферное давление на различных высотах», «Манометры», «Поршневой жидкостный насос», «Гидравлический пресс», «Действие жидкости и газа на погруженное в них тело», «Архимедова сила», «Плавание тел», «Плавание судов», «Воздухоплавание».
Данные темы представлены с иллюстрацией рисунков, демонстрация опытов, видео уроков, тестовые задания, задачи, контрольные работы, итоговый тест по всему разделу.
Электронный учебник активно использовался при объяснении нового материала. Так как демонстрации опытов представлены в учебнике, это позволяло экономить врем. Видео файлы, видео уроки и дополнительный материал дают более глубокое представление законов и явлений. При актуализации знаний ответы на вопросы можно легко найти и повторить. В конце параграфа представлены тестовые задания для закрепления первичных знаний. Все это позволяет повысить мотивацию обучения.
При контроле знаний учащимся предлагаются тестовые задания, которые также облегчают работу учителя. Результаты тестирования можно узнать, как только учащийся завершает выполнение теста.
Кабинет физики был оснащен компьютерами, интерактивной доской, что позволяло эффективно использовать все возможности электронного учебника.
Как показал анализ опроса учителей физики, а также результаты собственных наблюдений, раздел «Гидро- и аэростатика» является одним из самых интересных и важных, так как вопросы гидростатики и аэростатики изучают в школе один раз, в VII классе.
Для проведения экспериментального обучения были выбраны экспериментальный и контрольный классы примерно одинакового уровня развития. После изучения данного раздела, в контрольных классах - традиционной методикой, а в экспериментальных – методикой разработанной в ходе исследования, был проведен контрольный тест. Для выяснения эффективности применения разработанной методики и сравнения двух групп были взяты оценки успеваемости из начала и конца эксперимента
Таблица 1 - Результаты на начало эксперимента
Оценка
Отлично Хорошо Удовлетворительно Неудовлетворительно
кол.
чел. % кол.
чел. % кол.
чел. % кол.
чел. %
КГ 4 16 12 48 9 36 0 0
ЭГ 5 18 11 39 12 43 0 0
Рисунок 3.11 - Результаты успеваемости в начале эксперимента
По таблице 1 можно увидеть количество учащихся участвовавших в эксперименте в обеих группах, а для наглядного просмотра по рисунку – 3.11 уровень успеваемости обозначенных в процентах на начало эксперимента. По итогам тестирования выявилось, что контрольный класс подтвердил свои обычные оценки.
Таблица 2 - Результаты на конец эксперимента
Оценка
Отлично Хорошо Удовлетворительно Неудовлетворительно
кол.
чел. % кол.
чел. % кол.
чел. % кол.
чел. %
КГ 5 20 13 52 7 28 0 0
ЭГ 7 25 14 50 7 25 0 0
Рисунок 3.12 - Результаты успеваемости на конец эксперимента
Судя по полученным результатам, следует отметить, что изменения произошли в обеих группах и притом в положительную сторону. В каждой группе увеличилось число «отлично» и уменьшилось число «удовлетворительно». Но более заметные изменения уровня успеваемости можно увидеть в экспериментальной группе, так как сравнивая с контрольной группой, число процентов значительно выше. Это можно увидеть из таблицы 2 и из процентного соотношения на рисунке 3.12.
Анализ полученных результатов показал, что учащиеся экспериментальных классов имеют лучшую подготовленность, чем в контрольных классах. Обучение по разработанной методике позволяет обеспечить творческое усвоение учащимися программного материала, следовательно, их лучшее умственное развитие. Учащиеся также подтвердили важность и необходимость применения информационно-коммуникационных технологий в изучении физики, в частности данный электронный учебник при изучении раздела «Гидро- аэростатика».
На основе этого можно сделать вывод, что обучение по разработанной методике способствует более успешному и качественному усвоению знаний учащимися.
Заключение
Дипломной работы был разработан и написан электронный учебник «Гидро- и аэростатика», который содержит теоретический материал раздела. Рассмотрены следующие темы: «Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля», «Давление в жидкости и газе», «Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда», «Сообщающиеся сосуды», «Вес воздуха. Атмосферное давление», «Почему существует воздушная оболочка Земли», «Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли», «Барометр-анероид», «Атмосферное давление на различных высотах», «Манометры», «Поршневой жидкостный насос», «Гидравлический пресс», «Действие жидкости и газа на погруженное в них тело», «Архимедова сила», «Плавание тел», «Плавание судов», «Воздухоплавание».
Данные темы представлены с иллюстрацией рисунков, демонстрация опытов, видео уроков, тестовые задания, задачи, контрольные работы, итоговый тест по всему разделу.
Данный электронный учебник позволяет решать следующие основные задачи:
индивидуально просматривать, изучать или повторять учебный, методический и информационно-справочный материал;
наглядно представлять на дисплее компьютера весь дидактический материал и наглядные пособия (схемы, рисунки, таблицы, графики, текст и т.д.);
осуществлять самоконтроль усвоения содержания учебных тем;
получать информацию о рекомендованной учебной, научной и методической литературе;
размножать раздаточные материалы (планы, таблицы, задания и т.д.) необходимые для проведения занятий со слушателями;
- узнавать сведения о некоторых технологиях, применяемых в информационной деятельности и другие сведения.
В ходе исследования были решены следующие задачи:
- изучена и проанализирована учебная и методическая литература по физике, по дидактике и психологии обучения, литература об использовании информационно-коммуникационных технологий, литература по теории и технологии проблемного обучения,
- проведен научно-методический анализ основных структурных элементов раздела «Гидро и -аэростатика»;
- разработана методика проблемного изучения раздела «Гидро- и аэростатика» на основе информационно-коммуникационных технологий;
- разработан и написан электронный учебник «Гидро- и аэростатика»;
- составлено методическое руководство по использованию электронного учебника.
Проведен педагогический эксперимент, анализ полученных результатов которого показал, что учащиеся экспериментальных классов имеют лучшую подготовленность, чем в контрольных классах. Обучение по разработанной методике позволяет обеспечить творческое усвоение учащимися программного материала, следовательно, их лучшее умственное развитие. Учащиеся также подтвердили важность и необходимость применения информационно-коммуникационных технологий, в частности данный электронный учебник при изучении раздела «Гидро- аэростатика».
На основе этого можно сделать вывод, что обучение по разработанной методике способствует более успешному и качественному усвоению знаний учащимися.
Доказана гипотеза о том что, использование информационно-коммуникационных технологий позволяет повысить качество знаний учащихся и обеспечить более высокий уровень развития их интеллектуальных способностей.
Список использованных источников
1. Абушкин, Х.Х. Проблемное обучение – учителю /Х.Х. Абушкин. – Саранск: Мордов. кн. изд-во, 1996. – 176 с.
2. Абушкин, Х.Х Некоторые вопросы теории проблемного обучения в условиях новых информационных технологий /Х.Х. Абушкин //Совершенствование учебного процесса на основе новых информационных технологий: межвузовский сборник научно-методических трудов. Вып.6 /под ред. Х.Х. Абушкина, Т.В. Кормилицыной/ Мордов. гос. пед. ин-т. – Саранск, 2006. С. 4-7.
3. Абушкин, Х.Х. Проблемный урок: структура, содержание, технология /Х.Х. Абушкин //Организация проблемного обучения в школе и вузе: межвузовский сборник научных статей. Вып.2 /под ред. Х.Х. Абушкина /Мордов. гос. пед. ин-т. – Саранск, 2003. С. 4-12.
4. Абушкин, Х.Х. ЭВМ в подготовке учителя: Тезисы доклада на девятой региональной научно-методической конференции «Оптимизация учебного процесса»/ Х.Х. Абушкин, Г.М. Киселев.- Н.Новгород: НГУ, 1994.-110с.
5. Банк Тестов.RU. Сайт для создания и прохождения тестов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.banktestov.ru6. Громцева, О.И. Контрольные и самостоятельные работы по физике. 7 класс: к учебнику А.В. Перышкина «Физика. 7 класс» / О.И. Громцева. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство «Экзамен», 2013. – 109, [3] с.
7. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://school-collection.edu.ru/8. Коджастерова, Г.М. Технические средства обучения и методика их использования: Учебное пособие для студентов высших пед. учеб.заведений/ Г.М. Коджастерова, К.В. Петров. – М.: Издательский центр «Академия», 2001. - 256с.
9. Ланкин В., Григорьева О. Электронный учебник: возможности, проблемы, перспективы. // Высшее образование в России, 2008, №2.
10. Лернер, И.Я. Проблемное обучение /И.Я. Лернер. - М.: Знание, 1974.
11. Матюшкин, А.М. Проблемные ситуации в мышлении и обучении /А.М. Матюшкин. - М.: Просвещение, 1972. – 179 с.
12. Махмутов, М.И. Проблемное обучение: Основные вопросы теории /М.И. Махмутов. - М.: Педагогика, 1975. – 368 с.
13. Машбиц, Е.И. Психологические основы управления учебной деятельностью /Е.И. Машбиц. - М.: Просвещение, 1987. – 206 с.
14. Мощанский В.Н. Формирование мировоззрения учащихся при изучении физики. -М.: Просвещение, 1989. - 192 с.
15. Перышкин, А.В., Родина, Н.А. Физика: Учеб. для 6-7 кл. сред. шк. – 9-е изд. – М.: Просвещение, 1987. – 319 с.
16. Перышкин, А.В. Физика. 7 кл.: учеб.для общеобразоват.учреждений / А.В. Перышкин. – 2-е изд.,стереотип. – М. : Дрофа, 2013. – 221, [3] с.
17. Роберт И.В. Современные информационные технологии в образовании./ И. В. Роберт– М.: Школа-Пресс, 2007.
18. Рубинштейн, С.Л. О мышлении и путях его исследования /С.Л. Рубинштейн. – М.: Изд-во АН СССР, 1958. – 246 с.
19. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. -М.: Просвещение,1987. – 191с.
20. Талызина, Н.Ф. Методика составления обучающих программ/ Н.Ф. Талызина. - М.: Изд-во Московского ун-та, 1980. – 47с.
21. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы /С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурышева и др. – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 368 с.
22. Теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы /С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурышева и др. – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 384 с.
23. Технические средства обучения и методика их использования /Г.М. Коджаспирова, К.В. Петров. – М.: Издательский центр «Академия», 2001. – 256 с.
24. Тыщенко О.Б. Новое средство компьютерного обучения - электронный учебник // Компьютеры в учебном процессе, 2008, № 10,
стр. 89-92.
25.Усова А.В. Формирование у школьников научных понятий в процессе обучения. -М.: Педагогика, 1986. - 176 с.