Компьютерные модели и виртуальные лаборатории на уроках физики

С широким внедрением информационных технологий в учебный процесс, у многих педагогов возникли вопросы: «А нужен ли вообще компьютер на уроках физики? Не вытеснят ли компьютерные имитации реальный эксперимент из учебного процесса?». Педагоги нашей школы считают, что использование компьютера на уроках оправдано, прежде всего, в тех случаях, в которых он обеспечивает существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Я с ними полностью согласна. Одним из таких случаев является использование компьютерных моделей и виртуальных лабораторий.

В чем же заключается преимущество компьютерного моделирования по сравнению с натурным экспериментом? Компьютерное моделирование позволяет наглядно иллюстрировать эксперименты и явления, воспроизводить их тонкие детали, которые могут быть незамечены наблюдателем при реальных экспериментах. Использование компьютерных моделей и виртуальных лабораторий предоставляется как уникальная возможность визуализации упрощённой модели реального явления.

При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному явлению. Кроме того, компьютер позволяет моделировать ситуации, нереализуемые экспериментально.

Например, при изучении темы «Ядерный реактор» в 11 классе я использую модель «Работа ядерного реактора» из учебного электронного издания «Физика 7-11 класс. Практикум» компании ФИЗИКОН, которая ярко и наглядно представляет процессы, происходящие при работе ядерного реактора. Работа учащихся с компьютерными моделями и виртуальными лабораториями, чрезвычайно полезна, так как они могут ставить многочисленные эксперименты и даже проводить небольшие исследования. Интерактивность открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Процесс компьютерного моделирования для учащихся увлекателен и поучителен, так как результат моделирования всегда интересен, а в ряде случаев может быть весьма неожиданным. Создавая модели и наблюдая их в действии, учащиеся могут познакомиться со многими  явлениями, изучить их на качественном уровне, а также провести небольшие исследования. Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую или химическую лабораторию.

Тем не менее, при выполнении компьютерных лабораторных работ у школьников формируются навыки, которые пригодятся им и для реальных экспериментов – выбор условий экспериментов, установка параметров опытов и т.д. Все это превращает выполнение многих заданий в микроисследования, стимулирует развитие творческого мышления учащихся, повышает их интерес к предметам естественно-научного цикла. Работа учащихся с компьютерными моделями полезна потому, что, благодаря возможности изменения в широких пределах начальных условий экспериментов, компьютерные модели позволяют им выполнять многочисленные виртуальные опыты. Некоторые  модели  позволяют одновременно с ходом экспериментов наблюдать построение соответствующих графических зависимостей, что повышает их наглядность. Подобные  модели имеют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

В качестве примера можно привести модель «Равноускоренное движение тела» из выше названного диска. В данной модели, кроме движущегося спортсмена, который в соответствии с заданными начальными условиями тормозит, разворачивается и набирает скорость в противоположном направлении, соответственно изменяется длина и направление вектора его скорости, а также в динамическом режиме строятся графики координаты, модуля перемещения и проекции скорости. К тому же, такая самостоятельная исследовательская деятельность настолько для них интересна и увлекательна, что вопросы обеспечения дисциплины и внимания вообще не возникают.

Конечно, компьютерные демонстрации будут иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора. Поскольку количество компьютеров и наполняемость классов в нашей школе невелика, то я имею возможность  широко применять информационные технологии  в учебном процессе. При этом я использую компьютеры для самостоятельной подготовки учащихся (изучение конспектов, просмотр видеозаписей, проведение практических работ). Провожу классные лабораторные работы (в компьютерном классе), самостоятельные практические работы учеников (решение примеров из базы данных вопросов и задач), готовлю материалы для проведения контрольной работы в традиционном («бумажном») варианте в классе, для подготовки к занятию или контрольной работе, для выполнения учащимися творческих работ под руководством учителя, а также самостоятельно. Компьютерные модели легко вписываются в традиционный урок и позволяют учителю организовывать новые виды учебной деятельности.

В качестве примеров приведу три вида уроков с использованием моделей, опробованных мной на практике.

Урок закрепления знаний — решение задач с последующей компьютерной проверкой полученных ответов. Можно предложить учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве домашнего задания задачи, правильность решения которых они смогут проверить, поставив компьютерные эксперименты. Самостоятельная проверка полученных результатов при помощи компьютерного эксперимента усиливает познавательный интерес учащихся, делает их работу творческой, а в ряде случаев приближает её по характеру к научному исследованию. В результате, на этапе закрепления знаний многие учащиеся начинают придумывать свои задачи, решать их, а затем проверять правильность своих рассуждений, используя компьютер. Составленные школьниками задачи можно использовать в классной работе или предложить остальным учащимся для самостоятельной проработки в виде домашнего задания.

Урок обобщения и систематизации знаний — исследовании. Учащимся предлагается на этапе обобщения и систематизации нового материала самостоятельно провести небольшое исследование, используя компьютерную модель или виртуальную лабораторию, и получить необходимые результаты. Компьютерные модели и виртуальные лаборатории позволяют провести такое исследование за считанные минуты. Конечно, учитель формулирует темы исследований, а также помогает учащимся на этапах планирования и проведения экспериментов.

Урок комплексного применения ЗУН - компьютерная лабораторная работа. Для проведения такого урока необходимо, прежде всего, разработать соответствующие раздаточные материалы, то есть бланки лабораторных работ. Задания в бланках работ следует расположить по мере возрастания их сложности. Вначале имеет смысл предложить простые задания ознакомительного характера и экспериментальные задачи, затем расчетные задачи и, наконец, задания творческого и исследовательского характера. Отмечу, что задания творческого и исследовательского характера существенно повышают заинтересованность учащихся в изучении предметов  и являются дополнительным мотивирующим фактором. По указанной причине уроки последних двух типов особенно эффективны, так как ученики получают знания в процессе самостоятельной творческой работы. Эти знания необходимы им для получения конкретного, видимого на экране компьютера, результата. Учитель в таких случаях является лишь помощником в творческом процессе формирования знаний.

В последнее время много говорится об индивидуальном подходе при обучении учащихся. Как же можно осуществить индивидуальный подход  при использовании компьютерных моделей в учебном процессе? При индивидуальной работе учащиеся с большим интересом «возятся» с предложенными моделями, пробуют их регулировки, проводят эксперименты. Рассмотрим виды заданий к компьютерным моделям с точки зрения их использования при работе с одаренными и слабоуспевающими учащимися. Например, ознакомительные задания, простые компьютерные эксперименты, экспериментальные и качественные задачи больше подойдут для слабых учащихся. В то время как расчётные задачи с последующей компьютерной проверкой подходят и для слабых и для одаренных учащихся. В этом случае всё зависит от сложности предлагаемых задач.

А вот неоднозначные задачи, задачи с недостающими данными, творческие, исследовательские и проблемные задания больше подходят для сильных учащихся. Хотя, если учитель может оказать существенную помощь слабым учащимся, то и они могут одолеть некоторые из этих заданий. Наиболее способным учащимся можно предлагать исследовательские задания, то есть задания, в ходе выполнения которых им будет необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, позволяющих подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. Самым сильным ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности. Отметим, что на уроках большим и неизменным успехом, как у сильных, так и у слабоуспевающих учащихся пользуются творческие задания на придумывание собственных задач.

Кроме того, я широко применяю информационные технологии не только на уроках, но и на дополнительных занятиях. В частности при подготовке учащихся к итоговой аттестации в форме ЕГЭ.