Психолого-педагогічні аспекти комп’ютерного моделювання при вивченні розділу "Геометричної оптики"

спостерігати багаточисленні динамічні зображення складних процесів становить значний інтерес не тільки для студентів, але й для викладачів.

Доповнені комп'ютерною мультиплікацією, подібні демонстрації повинні суттєво скоротити затрати часу в роботі лектора на громіздкі малюнки і пояснення, покращити розуміння фізичних принципів роботи технічних пристроїв студентами за рахунок покращення наочності матеріалу, що викладається. По-друге, дуже важливим застосування комп'ютерних демонстрацій є ілюстрація ключових для розуміння логіки розвитку фізики експериментів, натурна постановка яких в рамках лекції неможлива.

Моделювання на ЕОМ фізичних процесів, що недоступні для масового спостереження, робить їх наочними і дає можливість демонструвати широкій аудиторії. [26]

Застосування класу ПЕОМ, дозволяє в аудиторії розв'язувати фізичні задачі, які практично неможливо запропонувати студентам в межах звичайних практичних занять (наприклад, задачі, що потребують великої кількості складних розрахунків, або задачі, які не мають аналітичного розв'язку і потребують для розв'язання застосування числових методів).

Комп'ютерні роботи, що не так давно офіційно увійшли до програми курсу фізики, демонструють хороші можливості для створення проблемних ситуацій на практичних заняттях.

Використання ЕОМ на практичних заняттях з фізики поряд з традиційними методиками може дати певні наслідки і буде ефективним з точки зору дидактики.

Розв'язавши задачу, студент набирає за допомогою клавіатури відповідь, перевіряє її на екрані дисплея і, переконавшись, що помилок немає, відправляє її в оперативну пам'ять ЕОМ, яка аналізує відповідь. Якщо задача розв'язана вірно, то студенту видається чергове контрольне завдання або чергова доза навчального матеріалу.

У випадку, якщо у відповіді виявлена помилка, то ЕОМ видає студентові (учневі) на екран пояснення: яка допущена помилка і що потрібно зробити. Цей процес повторюється до того часу, поки студент самостійно не закінчить розв'язок контрольного завдання. Студент може запросити допомогу у ЕОМ або у викладача. Всі дії студента (учня) (кількість зроблених спроб розв'язку, затрачений час тощо) фіксується ЕОМ. Всі статистичні дані про хід навчання передаються викладачеві.

Застосування персональних комп'ютерів у навчальному процесі дозволяє:

1) інтенсифікувати процес навчання і підвищити його ефективність за рахунок можливості опрацювання великого об’єму навчальної інформації;

2) розвивати пізнавальну активність, самостійність, підвищувати інтерес до дисципліни, яка вивчається;

3) встановлювати зворотній зв'язок, необхідний для керування навчальним процесом, систематично контролювати знання і вміння та підвищувати якість перевірки знань;

4) удосконалювати форми і методи організації самостійної роботи студентів;

5) індивідуалізувати процес навчання у масовій аудиторії зі збереженням цілісності, що дозволяє враховувати індивідуальні особливості студента, розвивати їх здібності;

6) здійснювати принцип алгоритмізації навчальної діяльності.

Крім того, застосування ЕОМ у навчальному процесі є не тільки як засіб навчання, але і як предмет вивчення. Засвоюючи за допомогою ЕОМ певний навчальний курс, студент одночасно оволодіває навичками роботи з електронно-обчислювальною технікою, яка відіграє все зростаючу роль у всіх сферах народного господарства [28]. Проте це не значить, що всі завдання удосконалення навчального процесу можна вирішити за допомогою ЕОМ. Основним критерієм тут повинен бути принцип педагогічної доцільності. Форми і методи навчання, які стимулюють пізнавальну активність студентів, повинні вибиратися залежно від конкретного змісту навчального матеріалу і від конкретної дидактичної мети, що ставиться і може бути найбільш ефективно досягнута за допомогою саме таких форм і методів.

Педагогічні задачі комп'ютерізації семінарських занять з методики фізики можна класифікувати, відзначає Гуревич Ю.Л. [27], за трьома основними напрямками:

– формування операційного стилю мислення у всіх студентів;

– підвищення ефективності навчального процесу при вивченні методики викладання фізики із застосуванням ЕОМ;

-                     суттєва активізація розумової діяльності студентів за допомогою програм, що оперативно збирають інформацію з робочих студентських місць і аналізують її.

Важливо не забувати, що незалежно від насичення комп'ютерами кабінету методики і техніки фізичного експерименту, все ж основною ланкою на семінарському занятті, яка регулює взаємодію в системі «Студент – ЕОМ», залишається викладач, який володіє методологією і методикою навчального процесу в умовах широкого застосування ЕОМ і загальної комп'ютерної грамотності.

У даному розділі найбільш повна відповідність специфіці ЕОМ має місце у випадках тренування і контролю, що, як правило, є окремими елементами методичної підструктури практичного, лекційного чи семінарського заняття, але час від часу кожному з них (або обом одночасно) присвячуються повні заняття тренувально-контролюючого типу. Ці заняття можуть бути як аудиторними, так і позааудиторними, виконуваними в рамках самостійної роботи.

В застосуванні до автоматизованого навчання поняття «самостійна робота» може практикуватися скоріше як режим чи як компонент дидактичних умов навчання.

В процесі передлабораторного заняття студенти попередньо моделюють лабораторні умови: «збирають» апаратуру, знімають покази приладів, проводять обчислення і інтерпретують результати. На постлабораторних заняттях частина часу витрачається студентами на введення результатів (отриманих в лабораторіях) в ЕОМ для перевірки їх достовірності, а час, що залишився, використовується для обговорення специфічних індивідуальних проблем з викладачем. Заняття, які розширюють рамки лабораторних, присвячуються моделюванню експериментів, які вже виконувались в лабораторних умовах, якщо їх важко повторити з причини тривалості в часі, а також складного чи дорогого обладнання.

Останній тип занять – заняття в режимі «тренажер» – дозволяють відтворювати реальну обстановку, що виникла, наприклад, в кабіні пілота, в космічному кораблі тощо. Цей режим вимагає використання особливих терміналів, які імітують специфічне обладнання. Крім того, заняття в цьому режимі багато в чому перегукуються з лабораторними і тому спеціальний розгляд їх не доцільний.

Закінчуючи розгляд різних форм заняття, потрібно зауважити щодо неповноти їх представлення. Зокрема, ми спеціально не надавали уваги екскурсіям, конференціям, заняттям-дискусіям і багатьом іншим організаційним формам, що входять до навчального процесу. Будь-яка з цих форм потенційно може бути автоматизована. Однак їх автоматизація не завжди доречна. Краще зберегти ці форми як колективні для активізації навчального процесу. Тому їх аналіз не такий важливий в рамках даного дослідження.

Геометрична оптика – граничний випадки хвильової оптики. Підставою для такого твердження є те, що в процесі розвитку класичної електродинаміки було показано, що формули геометричної оптики можуть бути отримані з рівнянь Максвелла, як граничний випадок, що відповідає переходу до зникаюче малої довжини хвилі. Геометрична оптика вивчає закони поширення оптичного випромінювання на основі подання про світлові промені. А світловий промінь – це лінія, уздовж якого поширюється світлова енергія, світловий промінь перпендикулярний фронту світлової хвилі. Користуватися поняттям променя можна лише в тих випадках, коли не треба враховувати дифракційних явищ, тобто коли довжина світлової хвилі λ, багато менше розмірів перешкод, різних неоднорідностей на шляху поширення світла.

Мал. 2.2.1.

Якщо в базовому курсі фізики явища відбиванняя й заломлення світла розглядали тільки як експериментальний факт.

То в старших класах цього ж явища розглядають як прояв хвильових властивостей світла при взаємодії з речовиною. Теоретичний висновок законів відбивання й заломлення світла здійснюють із залученням принципу Гюйгенса на підставі вихідного положення: світло – електромагнітна хвиля.

Мал. 2.2.2.

Це в більш наглядному вигляді можна продемонструвати за допомогою компютерних програм.

Принцип Гюйгенса вводять саме в цьому місці курсу як правило, що дозволяє, виходячи з положення хвильового фронту в який-небудь момент часу, знайти положення хвильового фронту для найближчого моменту часу (мал. 2.2.1.). Необхідність залучення цього додаткового принципу обумовлена недостатньою математичною підготовкою учнів. Але за допомогою комп'ютера цей процес можна спростити і прискорити.

У навчальній і методичній літературі звичайно приводять доказу законів відбиття й переломлення світла, що майже цілком відтворюють докази самого X. Гюйгенса. З розгляду трикутників АCВ і ADВ (мал. 2.2.2.) знаходять співвідношення між кутами (закон відбивання). З розгляду трикутників АDВ і АСВ (мал. 2.2.3.) визначають співвідношення між кутами α і β (закон заломлення).

Мал. 2.2.3.

Дійсно, ВР = υ1τ = AВ Sin α = υ2τ = А В Sin β

(де υ1 – швидкість світла в першому середовищі, υ2 – швидкість світла в другому середовищі), звідки

Якщо позначити відношення  через п 2.1, то одержують закон заломлення в звичайній формі

Величина п 2.1 (постійна для даних двох середовищ) не залежить від кутів α і β; її називають відносним показником заломлення другого середовища відносно першого.

Важливо показати, що, користуючись принципом Гюйгенса, ми не тільки знаходимо закон заломлення, який можна перевірити експериментально, але й одержуємо можливість пояснити фізичний зміст показника заломлення п: показник заломлення дорівнює відношенню швидкості світлової хвилі в першому середовищі до швидкості її в другому середовищі. А також показати приклади, які б довели важливість введених понять.

Після розгляду законів відбивання й заломлення світла вивчають явище повного відбивання світла (мал. 2.2.4.). Учні повинні засвоїти, що повне відбивання спостерігають при переході світла з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне (візьмемо для простоти випадок переходу світла зі скла в повітря), наглядніше це продемонструвати за допомогою ЕОМ. Для цього випадку граничний кут повного відбивання α0 визначають із формули

де п – показник заломленняскла щодо повітря. При вивченні повного відбивання світла цікаво й важливо розглянути його технічні застосування – волоконну оптику, світловоди й т. п.

Доцільно вирішувати завдання, за допомогою яких насамперед заглиблюється поняття про фізичну сутність показника заломлення, а також закон заломлення світла.

Можливо тут виконання фронтальної лабораторної роботи з вимірювання показника

Мал. 2.2.4. заломлення скла й додатково цікаві спостереження й досліди, виконані за допомогою комп'ютера.

2.3 Організація та проведення педагогічного експерименту (Методика викладання геометричної оптики за допомогою комп'ютерного моделювання)

Педагогічний експеримент полягає у планомірній зміні умов педагогічного процесу і реєстрації відповідних наслідків. Умову, яку експериментатор спеціально і планомірно змінює, щоб оцінити її вплив на той чи інший аспект педагогічного процесу, називають незалежною змінною. Аспект педагогічного процесу, який змінюється у відповідь на зміну незалежної змінної, називається залежною змінною. Якщо, наприклад, експериментальне перевіряється ефективність нового методу навчання, то сам цей метод є незалежною змінною, а якість знань учнів – залежною.

Експеримент – це контрольоване педагогічне спостереження, з тією різницею, що експериментатор спостерігає наслідки змін, які сам цілеспрямовано викликає у педагогічному процесі. Ще однією особливістю експерименту є тісний зв'язок з теорією він не тільки спрямовується певною теоретичною гіпотезою, але саме його проведення стає можливим лише тоді, коли дослідник має попередні уявлення про природу процесу, який вивчається, про чинники, що його детермінують. Педагогічний експеримент вимагає обґрунтування робочої гіпотези, складання детального плану її перевірки, точної фіксації результатів, ретельного аналізу отриманих даних, формулювання остаточних висновків.

Ефективність застосування ЕОМ в експериментально-дослідницькій роботі зумовлюється тим, що вони забезпечують: велику точність результатів та їх достовірність, оскільки програмні засоби дають можливість застосовувати методи, які знижують нагромадження похибок при округленні й обчисленні проміжних величин; скорочення кількості складних, дорогих і унікальних приладів; підвищення якості й інформативності дослідження за рахунок ретельнішої обробки даних; збільшення кількості об'єктів, що контролюються, та підвищення емоційного впливу; скорочення циклів дослідження на основі прискорення підготовки і проведення експерименту, оперативного використання результатів аналізу, зменшення часу обробки та систематизації даних.

Комп'ютеризація експерименту розширює обізнаність учнів з досліджуваним фізичним явищем, формує навички і надає їм упевненості у використанні сучасних експериментальних методів, ознайомлює з передовими способами пізнання, видами контролю за технологічними процесами на виробництві, дає змогу по-новому підійти до методики постановки шкільного фізичного експерименту.

Підвищення ефективності і якості навчання фізики тісно пов'язане з удосконаленням існуючих і пошуком нових методів та засобів навчання, що забезпечували б високий рівень її вивчення.

Використання ЕОМ особливо ефективне під час вивчення питань квантової фізики, оскільки вчитель за їх допомогою може звертатися до тих аспектів, які раніше були недоступні учням через складність, недостатню наочність, громіздкість математичного апарату, обмеженість проведення шкільного фізичного експерименту тощо [14]. З метою усунення недоліків, що мають місце під час вивчення розділу «Геометричної оптики», в дипломній роботі розроблені навчальні комп'ютерні моделі (НКМ): «Відбивання і заломлення світла»,» Дзеркала», «Тонка лінза», «Система двох лінз»,» Око як оптичний інструмент», «Мікроскоп», «Зорова труба Кеплера», їх використання, на мою думку, дає змогу вчителю зробити матеріал більш наочним, організувати самостійну роботу учнів на уроці, активізувати їхню розумову діяльність.

Перевагою цих моделей є те, що вони написані для графічного середовища Windows. Тому в процесі використання, можна швидко засвоїти правила керування програмою, сконцентруватися на явищі або процесі що розглядається, якомога менше думати про способи спілкування з ЕОМ.

Насамперед, надзвичайно зручно використовувати комп'ютерні моделі в демонстраційному варіанті при поясненні нового матеріалу або при рішенні задач. Погодьтеся, що набагато простіше і наочніше показати, як промінь рухається на границі повітря-середовище и середовище-повітря, використовуючи модель «Відбивання і заломлення світла.» (Модель 1, в додатках ком пакт-диск), ніж пояснювати це за допомогою дошки, крейди та не завжди справних приладів, чи наявності потрібних умов для демонстрації.

Модель 1. Відбивання і заломлення світла.

В геометричній оптиці закони відбивання і заломлення світла на границі розділу двох прозорих середовищ формулюється на основі поняття світлових променів. Комп'ютерна модель дозволяє вивчати закони відбивання і заломлення світла на границі повітря-середовище и середовище-повітря. При цьому показник заломлення n середовища може змінюватись від 1 до 2. Модель являється комп'ютерним варіантом приладу для вивчення законів відбивання і заломлення світла.

Промінь світла направляється на плоску границю двох середовищ або зі сторони повітря, або зі сторони досліджуваного середовища. В обох випадках кут падіння можна змінювати в межах від 0 до 90°. На екрані дисплея висвічується відбитий і заломлений промені, напрямок яких можна визначити по круговій градусній шкалі.

Зверніть увагу, що при падінні світла на границю розділу зі сторони середовища (n > 1) під кутом, перевищуючим деяке значення α0, заломлений промінь відсутній. Це явище називається повним внутрішнім відбиванням, а кут α0 – граничним кутом повного внутрішнього відбивання (α0 = αпр). При падінні світла на цю же границю зі сторони повітря заломлений промінь не може відклонитися від перпендикуляра до границі розділу на кут, перевищуючий α0.

Зображення предмета в плоскому дзеркалі (Модель 2. Плоске дзеркало) формується за рахунок променів, відбитих від дзеркальної поверхні. Предмет і його уявне зображення розташовуються симетрично щодо дзеркала, розмір зображення дорівнює розмірові предмета.

Комп'ютерна модель ілюструє хід променів у плоскому дзеркалі. Зверніть увагу, що якщо предмет розташовується перпендикулярно до дзеркала, то його уявне зображення виявляється перевернутим. Якби предмет розташовувався паралельно дзеркальної поверхні, то його уявне зображення виявилося би прямим.

Модель дозволяє змінювати положення предмета щодо дзеркала або за допомогою миші.

Модель 2. Плоске дзеркало

Модель 3. Сферичне дзеркало

Комп'ютерна модель 3 (Сферичне дзеркало) ілюструє хід променів при відображенні від ввігнутого і опуклого сферичних дзеркал і утворення зображень (прямих і перевернених, дійсних і уявних). Можна змінювати оптичну силу дзеркала F–1 і відстань d від предмета до дзеркала. На екрані за допомогою стандартних променів будується зображення предмета, і висвічуються значення відстані f від дзеркала до зображення і лінійного збільшення Γ = – (f / d). Для прямих зображень Γ > 0, для перевернених Γ < 0.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8