СИСТЕМА ДИДАКТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ПО ФИЗИКЕ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ИКТ

УДК 53 (076.5)
Д.А. Антонова, Е.В. Оспенникова, Н.А. Оспенников
СИСТЕМА ДИДАКТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ПО ФИЗИКЕ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ИКТ
Ключевые слова: учебный лабораторный эксперимент, применение ИКТ в лабораторном физическом эксперименте, коллекция цифровых образовательных ресурсов к лабораторному эксперименту.
В статье рассматривается обновленная практика обучения школьников на лабораторных занятиях по физике, базирующаяся на комплексном использовании компонентов ИКТ-инфраструктуры предметной среды. Предложен комплект дидактических и учебно-методических материалов, поддерживающих данную практику обучения. Приведены примеры материалов, входящих в данных комплект.
Анализ уроков информатизации системы общего среднего образования показал, что нельзя просто учителю-предметнику, имеющему базовую ИКТ-подготовку, предлагать использовать компьютерную технику и цифровые учебные ресурсы и с уверенностью ожидать от него активной работы по использованию этих средств в качественном преобразовании учебного процесса. Важно на начальном этапе информатизации профессиональной деятельности педагога продемонстрировать и предоставить ему «готовую» методику использования в учебной практике ИКТ-арсенала современной среды обучения. Необходимо показать, что новые информационные технологии могут быть органично встроены в учебный процесс, что при этом существенно возрастет эффективность этого процесса и качественно преобразуются его результаты. Такой подход к продвижению процессов информатизации является общим для любой социальной сферы. Об этом пишет Н. Карр в книге «Блеск и нищета информационных технологий» (М., 2005). Автор отмечает, что для фирм, обеспечивших некоторый «приличный» уровень информатизации, дополнительные вложения в ^ часто оказываются неэффективными, поскольку фирмы не знают, как адаптировать к ним свои бизнес-процессы и как получить в связи с этим конкурентные преимущества.
Учитель, ясно осознавший значимость и эффективность новой модели обучения, готов к следующему этапу своего профессионального роста: освоению опыта само-
40
© Антонова Д.А., Оспенникова Е.В., Оспенников Н.А.., 2012
стоятельного проектирования учебного процесса с использованием новых информационных технологий.
Анализ ИКТ-инфраструктуры учебной предметной среды, современных тенденций развития экспериментального метода изучения явлений природы, требований к уровню предметной ИКТ-компетентности учащихся средней общеобразовательной школы позволяет предложить новую практику организации учебного процесса на лабораторных занятиях.
Новая практика построения обучения на лабораторных занятиях по физике базируется на комплексном использовании компонентов ИКТ-инфраструктуры предметной учебной среды и ориентирована на решение следующих задач:
1) совершенствование системы знаний учащихся по предмету;
2) методологическая подготовка учащихся в области постановки современного физического эксперимента, а именно формирование умений:
а) в подготовке и проведении автоматизированного натурного физического эксперимента;
б) применении специальных и стандартных инструментов виртуальной среды с целью обработки данных лабораторного эксперимента;
в) проектировании и проведении компьютерного физического эксперимента (в ряде случаев моделирование физических ситуаций с помощью стандартных инструментальных программ);
4) формирование предметных ИКТ-компетенций учащихся в работе с ресурсами и инструментами виртуальной предметной среды обучения, необходимыми для подготовки к лабораторному занятию;
5) формирование обобщенных познавательных умений в работе с ресурсами и инструментами виртуальной предметной среды [1].
Реализация новой практики обучения поддерживается комплектом дидактических и учебно-методических материалов, которые ориентируют и учителя и учащихся на использование в учебном физическом эксперименте всех составляющих ИКТ-инфраструктуры школьной лаборатории. Ниже приведен перечень материалов, входящих в данный комплект.
Материалы для учащихся
1. Инструкция к натурному лабораторному эксперименту, в том числе к его автоматизированному варианту (полиграфический и цифровой форматы в MS Word).
2. Инструкция-презентация (например, в MS PP) к натурному лабораторному эксперименту (со звуковым сопровождением).
3. Видеоинструкция к натурному лабораторному эксперименту (с титрами, звуковым сопровождением и графическими иллюстрациями).
4. Компьютерная интерактивная модель лабораторного эксперимента:
• компьютерный эксперимент (в MS Ехсе1);
• компьютерный эксперимент из предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС (численный, имитационный);
• симуляции натурного физического эксперимента из предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС (или/и в авторской разработке).
5. Инструктивные указания к проведению компьютерного эксперимента (на основе обобщенного плана работы с компьютерной моделью).
6. Лист самоподготовки учащихся к лабораторному занятию (в MS Word), включающий задания по работе с компонентами предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС, а именно:
• задания на полноту усвоения учебной темы лабораторного занятия,
• задания на глубину усвоения материала занятия (задачи-упражнения, типовые задачи, нестандартные задачи),
• упражнения на отработку экспериментальных действий и операций,
• дополнительные задания для учащихся, закончивших эксперимент раньше времени и желающих выполнить работу на закрепление/расширение знаний и умений, а также работу творческого характера.
7. Тест вводного контроля знаний (в MS Word, MS РР, автономной тестовой оболочке или оболочке ДО, например в Moodk).
8. Тест итогового контроля знаний (в MS Word, MS РР, автономной тестовой оболочке или оболочке ДО, например в Moodk).
9. Цифровые версии справочных таблиц по теме лабораторной работы.
10. Образец отчета о выполнении натурного эксперимента (в MS Word и MS Ехсе1).
11. Образец отчета о выполнении компьютерного эксперимента (в MS Word и MS Ехсе1).
Материалы для учителя
12. Каталог медиа объектов по теме лабораторного занятия, сформированный на основе анализа ЦОР, ИУМК, ИИСС и интернет-ресурсов.
13. Презентация к вступительной беседе учителя с учащимися на лабораторном занятии.
14. Тренажеры (симуляторы) (для отработки отдельных действий и операций) для интерактивной доски (подбор из компонентов ЦОР, ИУМК, ИИСС или/и авторские разработки, в частности подготовка простейших вариантов тренажеров средствами MS PP).
15. Историческая справка об исследовании физического явления, изучаемого в лабораторном эксперименте (в MS Word или в MS PP с иллюстрациями).
16. УМК лабораторного занятия.
Состав комплекта и содержание его отдельных элементов обеспечивают реализацию ключевых функций виртуальной информационной среды (мультимедийность, мо-делинг, интерактив, производительность, интеллектуальность, коммуникативность). Избыточность дидактических материалов в комплекте по отношению к конкретному лабораторному занятию, обеспечивает:
а) широту охвата видов учебной деятельности школьников на лабораторном занятии;
б) возможность разработки вариативных моделей построения занятия с использованием в его структуре разных «композиций» элементов комплекта в зависимости от уровня и профиля подготовки учащихся;
в) достаточные условия для реализации индивидуального и дифференцированного подхода к обучению школьников;
г) учет и реализацию индивидуального стиля профессиональной деятельности педагога.
При разработке материалов комплекта необходимо ориентироваться на реализацию современных технологий обучения, в частности технологий формирования у учащихся обобщенных умений: в выполнении натурного физического эксперимента; проектировании и проведении компьютерного эксперимента; работе с другими учебными объектами предметной виртуальной среды [2].
Следует отметить «открытость» предложенного состава учебных и учебнометодических материалов в данном комплекте. Каждый учитель может включить в этот комплект новые материалы, реализующие эффективные педагогические и технологические решения организации учебного процесса на лабораторных занятиях.
Отметим, что в условиях непрерывного развития стандартного и специализированного программного обеспечения системы образования, а также с ростом уровня базовой ИКТ-компетентности учителей инструментарий для разработки материалов комплекта может меняться.
Ниже приведены примеры отдельных составляющих комплекта дидактических и методических материалов к лабораторному занятию, подготовленных студентами физического факультета Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета в рамках учебного курса «Педагогическое проектирование» [1].
I. Инструкция к натурному лабораторному эксперименту (полиграфический и цифровой форматы в MS Word) (проект студентки 5-го курса Д.З. Фатыко-вой.)
Лабораторная работа
Явление резонанса в цепи переменного тока
Цель: исследование зависимости силы тока от циклической частоты незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре, нахождение резонансной частоты.
Оборудование: генератор звуковой; вольтметр; миллиамперметр; катушка индуктивности; магазин сопротивлений; конденсатор; провода соединительные.
Теоретическое обоснование:
Рассмотрим электрическую схему на рис. 1, в которой последовательно соединенные конденсатор, резистор и катушка индуктивности подключены к генератору переменного напряжения.
С L
Рис. 1
В цепи возникают вынужденные колебания силы тока и напряжения. На амплитуду колебаний силы тока и напряжения на участке LRC оказывает влияние частота ю колебаний напряжения генератора. Это объясняется зависимостью сопротивлений таких элементов цепи, как конденсатор и катушка индуктивности от частоты вынужденных колебаний. При низкой частоте вынужденных колебаний емкостное сопротивление
х = будет очень большим, поэтому сила тока в цепи будет мала. В обратном пре' шC
дельном случае большой частоты колебаний значительно возрастает индуктивное сопротивление катушки Кь = а>Ь, и сила тока в цепи опять будет мала.
Полное сопротивление Z цепи, изображенной на рис. 1, определяется формулой:
г =„Ш2 +| ——
соС
Ясно, что максимальная сила тока в цепи будет соответствовать такой частоте а0 приложенного переменного напряжения, при которой индуктивное и ёмкостное сопротивления будут одинаковы:
1
о С
(2)
При равенстве реактивных сопротивлений катушки и конденсатора амплитуды напряжений на этих элементах также будут одинаковыми ис = и^ Колебания напряжения на катушке и конденсаторе противоположны по фазе, поэтому их сумма при выполнении условия (2) будет равна нулю. В результате напряжение иЯ на активном сопротивлении Я будет равно напряжению генератора и, а сила тока в цепи достигнет максимального значения:
/ = и.
т Я
Частота колебаний в этом случае определятся по формуле:
(3)
Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока и напряжения в колебательном контуре при приближении циклической частоты ю внешней переменной ЭДС к частоте т0 свободных незатухающих колебаний в контуре называется резонансом в электрической цепи переменного тока. Частота а = а0 называется резонансной циклической частотой. Резонансная частота не зависит от активного сопротивления Я.
График зависимости 1т от ю называется резонансной кривой. Резонансные кривые имеют тем более острый максимум, чем меньше активное сопротивление Я (рис. 2).
Рис. 2
Порядок выполнения:
1. Соберите схему, показанную на рис. 1 (С = 0,22 мкФ; катушка: L = 40 Гн, Я= 1000 Ом).
2
2. Изменяя частоту генератора от 200 Гц до 500 Гц через 20 Гц, с помощью амперметра измерьте силу тока в цепи и занесите полученные данные в табл. 1. Повторите эксперимент для других значений активного сопротивления: 500, 200 и 10 Ом. Целесообразно для фиксации и обработки результатов эксперимента использовать табличный процессор MS Excel.
3. Постройте графики зависимости на одной координатной плоскости силы тока в цепи от частоты генератора для различных значений сопротивления. По графикам определите резонансную частоту для каждого из значений сопротивления и найдите её среднее значение. Используйте для построения графиков миллиметровую бумагу. Графики можно построить с помощью MS Excel (рис. 3).
4. Рассчитайте по формуле (3) резонансную частоту и сравните полученное значение с экспериментальным значением.
Результаты эксперимента:
1. Построение резонансной кривой.
Таблица 1
Зависимость силы тока от частоты колебаний и активного сопротивления
(R=1000, 500, 200 и 10 Ом)
Частота v, Гц Сопротивление R, Ом
1000 500 200 10
Сила тока I, мА

Гоафик зависимости силы тока от частоты колебаний

\ -000
500 200 Ж -0
о?

&
°оо оооо оо
O-frOOCNCDO-frOO
(NMINnn'f'if'f
Рис. 3. Г рафик зависимости силы тока от частоты (MS Excel)
2. Экспериментальное значение:
^Оэксп
3. Теоретическое значение резонансной частоты при С = 0,22 мкФ и L = 40 Гн:
4. Расчет ошибки метода определения резонансной частоты:
= |_0----0^ >100% =
®0
5. Измерение силы тока. Оценка точности измерения силы тока.
Измеренное значение силы тока: 1изм =
Класс точности прибора: = 2.
Предел измерения силы тока: 1тах = дт = _^. т =
А А тах ^ инстр 1 до 1 тах
Цена деления амперметра: с = М0тсЧ = с /2 = Мсист = ^1иистр + ^1отсч =
Сила тока: 1 = (^м ± Мсист ) = 1 00% =
изм
Анализ результатов. Вывод
Сформулируйте вывод. Для этого проанализируйте цель эксперимента и ответьте на вопросы:
• Какова зависимость силы тока в контуре от частоты вынужденных колебаний в электрическом контуре?
• Какова резонансная частота?
• Как зависит величина силы тока при резонансной частоте от активного сопротивления?
Оцените точность измерения силы тока. Проанализируйте ошибку метода измерения резонансной частоты. Укажите пути повышения точности эксперимента.
Дополнительные задания:
I. Исследуйте поведение компьютерной модели «Вынужденные колебания в ЯЪС-контуре» (Физика, 10-11 классы. Подготовка к ЕГЭ / (М-во образования Российской Федерации; ГУ ФЦ ЭМТО. 1С. М., 2004).
Инструкция к работе с моделью
Анализ модели
1. Рассмотрите составляющие модели «Вынужденные колебания в КЪС-контуре» (рис. 4). Модель состоит из четырех интерактивных окон (векторной диаграммы, графика зависимости напряжения от частоты и окон ввода и вывода результатов). Модель сопровождается изображением схемы цепи колебательного контура.
2. Можно изменять следующие параметры модели экспериментальной установки:
• активное сопротивление (от 1,5 до 10 Ом);
• индуктивность (от 1 до 3 мГ н);
• электроемкость (от 50 до 100 мкФ);
• частоту колебаний (от 1000 до 6000 Гц).
3. Результаты виртуального эксперимента демонстрируются в виде изменений:
• направления и длины векторов напряжений на отдельных участках колебательного контура в векторной диаграмме;
• графика зависимости напряжения от частоты;
• значения резонансной частоты, индуктивного и емкостного сопротивлений.
Запустите модель. Произвольно изменяя параметры модели, обратите внимание на изменения векторной диаграммы и графика зависимости напряжения колебательного контура от частоты колебаний, а также изменения резонансной частоты, индуктивного и емкостного сопротивлений.
Рис. 4. Модель. Вынужденные колебания в RLC-контуре
Планирование и выполнение работы
Цели работы:
• исследование поведения модели при изменении циклической частоты свободных незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре и значений параметров цепи (активного, индуктивного и емкостного сопротивления);
• определение резонансной частоты.
Ход работы:
• пронаблюдать изменения резонансной кривой, векторной диаграммы и значений ХЬ ХС и значения а0 при изменении параметров контура: С, L, Я и ю;
• выяснить, при каких изменениях параметров контура меняется (увеличивается/ уменьшается) резонансная частота;
• выяснить, какие параметры контура влияют на величину напряжения в цепи при резонансе;
• зафиксируйте в тетради (или в электронном отчете с помощью клавиши Рг! Sc) несколько показательных графиков и диаграмм, характеризующих особенности поведения модели, запишите для каждого случая значение резонансной частоты и параметров контура.
Представление результатов работы
1. Сделайте выводы: об условии наступления резонанса, о зависимости вида резонансной кривой от параметров контура.
2. Объясните результаты работы модели, используя векторную диаграмму.
3. Подготовьте письменный отчет о работе с моделью (в тетради, в цифровом формате). В отчете укажите:
• цель работы,
• схему модели,
• выводы по работе с моделью и иллюстрации к выводам.
II. Исследуйте поведение модели «Резонанс в цепи переменного тока» (1С: Школа. Физика, 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий (CD) / М-во образования РФ: ГУРЦ ЭМТО: Дрофа: 1С: Формоза-Альтаир: РЦИ Перм. ГТУ. М., 2004
(www.repetitor.1c.ru) (рис. 5).
Рис. 5. Резонанс в цепи переменного тока
Инструктивные указания
Для выполнения работы используйте обобщенный план анализа виртуальной модели. На основе ОП самостоятельно исследуйте поведение модели. Представьте отчет о работе (традиционный или цифровой варианты). Подготовьте презентацию MS РР по результатам работы (по выбору).
II. Инструкция-презентация (MS PP) к натурному лабораторному эксперименту с аудиосопровождением и видеоинструкцией (фрагменты проекта студентов 5го курса О. Ю. Кутюхиной, Т. И. Давлетбаева.) (рис. 6)
Рис. 6 (начало)
Оборудование
реохорд
гальванометр (мА -50 мА) ^ і
набор резисторов (И
источник электропитания
переключатель однополюсный
комплект проводов соединительных

в)
Сборка экспериментальной установки
^|м|
д)
Рис. 6
Дополнительные задания (1)
Дополнительные задания (2)
Виртуальный эксперимент
1. Работа с конструктором:
Поиск:Конструктор «Начала электроники». Разработчик: КазГНУ им. Аль-Фараби. (http://www.elektronika.newmail.ru/)
ж)
2. Работа с конструктором:
Поиск: Открытая физика часть 2. / Электродинамика / Модели / Цепи постоянного тока
Конструктор «Цепи постоянного тока». Открытая физика. В 2 ч. / Под ред. СМ. Козела. - М.: ООО «Физикон», 2002
Рис. 6 (окончание)
ЛиШ
з)
III. Лист самоподготовки учащихся к лабораторному занятию (в MS РР),
включающий задания по работе с компонентами предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС (фрагменты проекта студентов 5-го курса Е.М. Кузнецовой, Т.С. Поповой) (рис. 7).
в)
г)
Рис. 7
д)
е)
Рис. 7
1У.Тест вводного контроля знаний (в MS РР) (фрагменты проектов студентов 5го курса Л.В. Андрухович, И.П. Рюминой, Е.М. Кузнецовой, Т.С. Поповой., рис. 8).
в) г)
Рис. 8
V. Компьютерная модель лабораторного эксперимента в М8 Ехсеї (проект студентов 5-го курса А.Е. Нельзина, А.П. Печеного) (рис. 9).
А в С о Е Р є н і
Мощность цепи постоянного
1 тока
2
3 измерить мощность и работу в цепи постоянного тока;
4 исследовать зависимость:
5 - полезной мощности от сопротивления нагрузки,
6 - мощности потерь от сопротивления нагрузки.
7 - полной мощности от сопротивления нагрузки
8
9 Оборудование:
10 источник электропитания
11 низковольтная лампа
12 вольтметр лабораторный на
13 амперметр лабораторный
14 переключатель однополюсный
15 провода соединительные
16 І I
17
18 \7V-i
19
20 + /Оч
21 —1 п
22 1 1
23 \
24 \
25 ґл>1 ]
26
27
28 Сзсема установки
29 І І І І І I
Рис. 9
А В С О Е Г е Н I
131
132 Зеодимиге лэрзляелгрйг:
133
134 Л = 3 Ом г = 3 Он
135
136 1 = 20 с • 10 Ом
137
138 Яе-зу/гатат:
139
140 Рн = Вт Рт = Вт
141
142 I = А Рп = Вт
143
144 и = В А = Д*
146
146
147
143
в)
Рис. 9
VI. Каталог учебных объектов ЦОР к лабораторной работе (приведен пример оформления каталога)
ИИСС «История научного эксперимента. Физика»
(ООО «Физикон», Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов
http:// school-collection. edu.ru/)
Поиск: Систематический каталог \ Физика \ модуль «Опыт Р.Бойля»\ модель опыта Р. Бойля (рис. 10).
Рис. 10
Содержание учебной работы:
• изучение содержания постановки опыта в его историческом контексте;
• выполнение компьютерного эксперимента (историческая версия) «Зависимость давления данной массы газа Р от его объема V (выполнение о эксперимента, построение графика функциональной зависимости, формулировка вывода).
Применение указанного комплекта дидактических материалов на лабораторных занятиях способствует совершенствованию знаний и учебных умений школьников, развитию их познавательной самостоятельности, обеспечивает рост эффективности учебного процесса.
Список литературы
1. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: метод. пособие. - М.: Бином: Лаборатория знаний, 2011. - 655 с.
2. Оспенникова Е.В. Использование коллекций ЦОР в проектировании учебных материалов / Оспенникова Е.В.и др. - М.: НФПК, 2008. - URL: (http://www.sсhool-collection.edu.ru).