Нові інформаційні технології при вивченні статистичних закономірностей у процесі підготовки вчителів фізики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний педагогічний університет

імені М.П. Драгоманова

УДК 372.853

НОВІ ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ

ПРИ ВИВЧЕННІ СТАТИСТИЧНИХ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ

У ПРОЦЕСІ ПІДГОТОВКИ ВЧИТЕЛІВ ФІЗИКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата педагогічних наук

ГРИЦЕНКО Валерій Григорович

13.00.02 - теорія і методика навчання фiзики

Київ-1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському державному університеті iм.Б. Хмельницького, Міністерства освіти України, м.Черкаси.

Науковий керiвник: доктор фiзико-математичних наук, професор

ГУСАК АНДРIЙ МИХАЙЛОВИЧ,

Черкаський державний університет iм.Б.Хмельницького, завідувач кафедри теоретичної фізики та методики викладання фізики.

Офіційні опоненти: доктор педагогічних наук, професор, академік Міжнародної педагогічної академії

СЕРГЄЄВ ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ,

Запорізький державний університет, завідувач кафедри фізики та методики її викладання;

кандидат педагогічних наук

ЖУК ЮРІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ,

Інститут змісту і методів навчання, завідувач відділу дидактичних засобів.

Провідна установа: Інститут педагогіки і психології професійної освіти, лабораторія вищої освіти, АПН України, м. Київ.

Захист відбудеться " 25 " травня 1999 року о 13-45 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.053.03 в Національному педагогічному університеті імені М.П. Драгоманова, (252601, Київ, вул. Пирогова,9).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного педагогічного університету імені М.П. Драгоманова (252601, Київ, вул. Пирогова, 9).

Автореферат розісланий " 14 " квітня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Є.В. Коршак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Одним з головних завдань загальноосвітньої школи, які визначає державна національна програма "Освіта" (Україна XXI століття), є створення умов для формування освіченої, творчої особистості, реалізації та самореалізації її природних задатків і можливостей в освітньому процесі. У зв'язку з цим, у програмі, серед основних шляхів реформування освіти особлива увага приділена підготовці нової генерації педагогічних кадрів, підвищенню їх професійного та загальнокультурного рівня. Перспективним шляхом реалізації такої програми є впровадження в навчальний процес, як школи так і вузу, нових інформаційних технологій, що підвищують рівень освіти та удосконалюють якість навчання за рахунок інтенсифікації навчально-виховного процесу. На превеликий жаль стрiмкий розвиток обчислювальних засобiв як програмних, так i апаратних, не приводить до такого ж стрiмкого використання комп'ютерних методiв моделювання в навчанні фiзики. В наш час розвиток iнформатики часто замикається на саморозвитку, коли бiльшiсть програмних продуктiв i основнi сили програмiстiв нацiленi на обслуговування роботи самих комп'ютерiв, а не на їх широкомаштабне використання в сумiжних областях. Для змiни тенденцiї потрiбна пiдготовка вчителiв природничих наук, якi володiють комп'ютерними технологiями.

Істотньою особливістю нових інформаційних технологій навчання є орієнтація на індивідуальний підхід до навчання учня чи студента. Теоретико-методологічне підгрунтя даного підходу закладене в працях Л.С. Виготського, В.В. Давидова, Л.В. Занкова та ін. Розкриттю суті, структури та змісту навчально-пізнавальної діяльності учнів присвячено роботи Ю.К. Бабанського, Н.А. Менчинської, І.Т. Огороднікова, Д.І. Пеннера, М.М. Поташника, М.М. Скаткіна. Психологічні основи організації навчального процесу досліджувалися П.Я. Гальперіним, В.А. Крутецьким, І.Я. Ланіною, І.Я. Лернером, О.М. Леонтьєвим, В.О. Онищуком, А.В. Петровським, Н.Ф. Тализіною, Г.І. Щукіною та ін; деякі аспекти оптимізації наукової організації педагогічної праці висвітлено в працях С.І. Архангельського, Ю.К. Бабанського, О.Г. Молібога, І.П. Радченко, М.В. Черпінського та ін.

Психолого-педагогічні аспекти індивідуалізації вивчення основ наук висвітлено в працях П.Я. Гальперіна, Г.С. Костюка, З.І. Слєпкань, І.С. Якиманської та багатьох інших.

Психолого-педагогічні аспекти використання НІТ в навчальному процесі досліджувалися в роботах В.П. Зінченка, Ю.І. Машбиця, В.В. Рубцова, Н.Ф. Тализіної, І.М. Яглома та ін.

Проблемами розробки методики вивчення фізики в умовах системного використання НІТ і створенням педагогічних програмних засобів, які б відповідали розробленим методикам займалися Л.І. Анциферов, О.І. Бугайов, М.І. Жалдак, О.М. Желюк, Ю.О. Жук, В.О. Ізвозчиков, М.Б. Котляревський, О.В. Сергєєв, В.І. Тищук та ін. Разом з тим, у освіті є ще велика кількість невирішених проблем пов'язаних з розробкою методики застосування НІТ навчання, зокрема, стосовно вивчення статистичних закономірностей фізичних процесів.

Узагальнивши результати досліджень, які присвячені проблемам впровадження нових інформаційних технологій навчання у фізиці, ми прийшли до висновку що найбiльш перспективним шляхом застосування комп'ютерiв для вивчення фiзики є створення проблемних ситуацiй, коли студент чи учень не лише змiнює параметри готової моделюючої програми, але i приймає активну участь в її створеннi або модифiкацiї. Один iз засобiв iнтенсифiкацiї процесу вивчення фiзики в середнiй та вищiй школi ми вбачаємо у створенні комп'ютерного практикуму, який будується на тих же принципах, що i звичний лабораторний практикум з фiзики. При цьому роль експериментальних методiв відіграють методи комп'ютерного моделювання (метод Монте-Карло та метод молекулярної динамiки), а дослiджувана система є схематичною комп'ютерною моделлю, параметри якої змiнює "експериментатор".

Суперечності між сучасним станом теоретичного і методичного забезпечення системи навчання фізики у вищих педагогічних навчальних закладах і сучасними вимогами суспільства стосовно рівня фізико-математичної підготовки майбутніх вчителів, сідчать про актуальність обраної теми. Необхідність і можливість розв'язання цього протиріччя і визначають вибiр теми даного дослiдження.

Об'єкт дослiдження - спiльна дiяльнiсть студентiв i викладача в процесi навчання фiзики за допомогою засобів нових інформаційних технологій.

Предметом дослiдження є шляхи і засоби удосконалення процесу вивчення статистичних закономірностей у фiзиці з використанням НІТ.

Мета дослiдження: розробити методичну систему вивчення статистичних закономірностей у фізиці з використанням нових інформаційних технологій.

Концептуальні ідеї дослідження. Стрімке збільшення обсягу навчального матеріалу з одночасними тенденціями зменшення часу на його вивчення вимагають інтенсифікації процесу навчання. Це зумовлює потребу пошуку ефективних шляхів організації та управління процесом навчання, засобів контролю засвоєння знань, а також пошуку резервів підвищення якості навчання. На сьогодні джерелом таких резервів може бути застосування в процесі навчання комп'ютерної техніки.

В основу дослідження покладена гiпотеза: підвищенню результативності навчання фізики (зокрема, статистичних закономірностей) і активності пізнавальної діяльності майбутніх вчителів буде сприяти застосування засобів НІТ.

У вiдповiдностi до мети та висунутої гiпотези в процесi дослiдження необхiдно розв'язати наступні завдання:

1. Вивчити і проаналізувати сучасний стан і тенденції розвитку методики використання НІТ в процесі навчання фізики.

2. Розробити, науково обгрунтувати та експериментально перевірити методику застосування нових інформаційних технологій для покращення результативності вивчення статистичних закономірностей фізичних явищ.

3. Розробити систему лабораторних робіт і методику їх проведення для забезпечення вивчення курсу статистичної фізики з використанням персональних комп'ютерiв.

Методологічною основою дослідження є діалектиктичний підхід до процесів пізнання та навчання; суб'єктно-діяльнісний підхід; концепція розвиваючого навчання; стратегія диференціації підготовки майбутнього вчителя; комплексний підхід, що поєднує традиційні форми навчання та навчання з використанням НІТ.

Теоретичну основу дослідження становить сукупність психолого-педагогічних теорій, принципів, концепцій і закономірностей: теорія змісту освіти (І.Я. Лернер, В.С. Ледньов, М.М. Скаткін); теорія діяльності (С.Л. Рубінштейн, О.М. Леонтьєв, Г.І. Щукіна); психологічний механізм творчої діяльності (Я.А. Пономарьов); теорія пізнавального інтересу (Г.І. Щукіна, І.Я. Ланіна); теорія поетапного формування розумових дій (П.Я. Гальперін, Н.Ф. Тализіна); активне запам'ятовування з допомогою знаків (Л.С. Виготський, П.Й. Зінченко); крива забування Г. Еббінгауза; правило інтериорізації та екстериорізації для введення інформації та її використання в діяльності (О.М. Леонтьєв та ін.); технологія модульного навчання фізиці (О.В. Сергеєв); уявлення про методологічну ідею генералізації змісту фізики (В.Г. Разумовський, В.О. Фабрикант та ін.); теорія проблемного навчання (О.М. Матюшкін, М.І. Махмутов, Д.В. Вількеєв); концепція інформатизації освіти (А.П. Єршов, М.І. Жалдак, В.О. Ізвожчиков та ін.); концепція логіко-психологічних основ використання комп'ютерних засобів у процесі навчання (Ю.І. Машбиць, В.М. Монахов, В.В. Рябцев та ін.).

Етапи дослідження. Експериментально-дослідна робота проводилась на протязі 1992-1998 років на базі Черкаського державного університету та обласного інституту післядипломної освіти педагогічних працівників, в Черкаському фізико-математичному ліцеї, а також в загальноосвітніх школах I-III ступенів м. Сміла, с. Каврай Золотоніського району Черкаської області. Всього дослідженням було охоплено 768 осіб.

На першому етапі (1992-1993рр.) було проаналізовано праці педагогів, психологів, філософів, методистів з теми дослідження; обґрунтовано об'єкт, предмет, мету та основні завдання дослідження; проводився аналіз недоліків традиційної методики навчання фізики. Це сприяло зародженню ідеї даного дослідження. На цьому етапі дослідження проводився також аналіз впровадження комп'ютерної техніки та нових інформаційних технологій в процес навчання фізики як вищих навчальних закладів так і середніх шкіл.

На другому етапі (1993-1995рр.) здійснювався підбір необхідних програм для підтримки уроків фізики, вивчався матеріал, який може бути вдало використаний на них, розроблялась методика проведення комп'ютерних уроків, зокрема комп'ютерного лабораторного практикуму. Це дозволило більш конкретно виділити перелік програм, на основі яких здійснюється розробка комп'ютерного лабораторного практикуму, розробити вимоги до методики проведення. Одночасно проводилося створення власних моделей та алгоритмів для фізичних задач статистичного характеру для розв'язку за допомогою комп'ютера.

На третьому етапі (1995-1998рр.) здійснено апробацію розробленої методики, спрямованої на підвищення ефективності вивчення статистичних процесів у фізиці за допомогою комп'ютерного лабораторного практикуму; проведено формуючий експеримент, опрацьовано його результати.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що вперше ставиться питання про розробку методики вивчення статистичних закономірностей на заняттях з фізики у вищих навчальних закладах з використанням НІТ та необхідність і доцільність розробки спеціального методичного забезпечення, визначено шляхи і обґрунтовано методичні засоби, що дозволяють ефективно розв'язувати дану проблему.

Теоретична значущість дослідження полягає у розробці наукового обґрунтування методики навчання фізики з використанням нових інформаційних технологій; обґрунтуванні доцільності застосування вибраних методів комп'ютерного навчання фізики.

Практичне значення роботи становить розробка і апробація системи алгоритмів та методика їх використання з моделювання статистичних закономірностей на заняттях з фізики у вищих навчальних закладах, які сприяють осмисленному, активному і зацікавленому вивченню студентами програмного матеріалу, вдосконаленню якості фізико-математичної підготовки майбутніх вчителів.

Особистий внесок автора полягає у теоретичному обґрунтуванні доцільності застосування вибраних методів комп'ютерного навчання фізики; обґрунтуванні підходів, які об'єднують традиційні і комп'ютерні форми проведення занять з фізики; розробці та втіленні в навчальний процес комп'ютерного лабораторного практикуму, створенні моделей та завдань до нього; експериментальному обґрунтуванні результативності застосування комп'ютера для розвитку творчих здiбностей, самостiйного мислення майбутніх вчителів, сприяння закрiпленню фiзичних знань.

Розроблені комп'ютерні лабораторні роботи та задачі з рекомендаціями можуть бути використані викладачами педагогічних інститутів, учителями фізико-математичних шкіл, ПТУ і технікумів для проведення занять з фізики.

Результати дослідження будуть корисними для методистів інститутів післядипломної підготовки вчителів, студентів і викладачів педагогічних інститутів і університетів.

На захист виноситься:

1. Принципи моделювання статистичних закономірностей на заняттях з фізики та їх методичне забезпечення;

2. Методична система проведення лабораторно-практичних занять при вивченні статистичних закономірностей у фізиці з використанням НІТ. Система включає демонстраційні моделі; лабораторні роботи, що базуються на математичному моделюванні; систему завдань, які стосуються вдосконалення створюваних моделей;

3. Висновок про те, що навчально-дослідницька діяльність майбутніх вчителів фізики з використанням НІТ є ефективним засобом оптимізації та інтенсифікації процесу навчання.

Апробація результатів.

Матеріали дослідження обговорювалися на засіданнях кафедри теоретичної фізики та методики викладання фізики Черкаського державного університету. Матеріали дисертації були викладено під час виступів на Всеукраїнських науково-практичних конференціях: "Інтеграція науки у систему підготовки учителів" (Черкаси, 1995), "Шляхи удосконалення фундаментальної і професійної підготовки вчителів фізики" (Київ, 1995), "Методичі особливості викладання фізики на сучасному етапі" (Кіровоград, 1996), "Використання персональних ЕОМ у навчальному процесі вищих та середніх навчальних закладів" (Львів, 1996), "Інформаційні технології в науці та освіті" (Черкаси,1997), постійно діючих науково-методичних семінарах при Черкаському державному університеті. Результати дослідження впроваджено в школах м. Сміла Черкаської області, м. Черкаси, Черкаському державному університеті, Черкаському обласному інституті післядипломної освіти педагогічних працівників. Основні теоретичні положення і висновки дисертації знайшли відображення у 16 публікаціях. Зокрема, опубліковано дві статті в журналі "Фізика та астрономія в школі", статтю у збірнику наукових праць “Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання” НПУ ім. М. Драгоманова, статтю у Віснику Черкаського університету. За участю дисертанта опубліковано методичні рекомендації для студентів педвузів, збірник задач з молекулярної фізики для класів з природничим нахилом. Навчальний посібник зі статистичної фізики з елементами моделювання, який пройшов науково-методичну експертизу комісії Міністерства освіти України і отримав гриф “Рекомендований Міністерством освіти України”.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, що містить 211 найменуваннь. Робота викладена на 206 сторінках, містить 34 рисунки, 4 таблиці, 12 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дослідження, формулюються його об'єкт, предмет, мета, гіпотеза, завдання, методи дослідження, характеризується наукова новизна, теоретичне та практичне значення, формулюються основні положення, що виносяться на захист, вказується сфера апробації результатів дослідження.

У першому розділі "Предмет і теоретичні основи дослідження" здійснено теоретичний аналіз досліджуваної проблеми в сучасній загальноосвітній та вищій школах та розкрито підходи до втілення нових інформаційних технологій навчання.

На основі здійсненого аналізу науково-педагогічної літератури показано, що пiдвищенню ефективностi навчального процесу може сприяти застосування нових iнформацiйних технологiй навчання (НІТН). Ефективне викладання фiзики можливе лише при введеннi елементiв НІТН на таких етапах навчання, коли навчальний матерiал не дозволяє у повнiй мiрi використовувати традицiйнi методики. Зокрема, можна видiлити такi основнi напрямки використання засобiв обчислювальної технiки стосовно НІТН, якi доповнюють традицiйнi:

- унаочнення фiзичних об'єктiв (явищ, процесiв) як у формi фронтальних демонстрацiй, так i у формi операцiйних середовищ, призначених для iндивiдуального використання;

- супровiд демонстрацiйного та фронтального експерименту з допомогою засобів збору (приладовi iнтерфейси) та обробки даних вимiрювань фiзичних величин (електронні таблиці, тощо);

- закрiплення навчального матерiалу та контроль за його засвоєнням;

- створення можливостей для швидкого та зручного доступу до iнформацiї про об'єкти вивчення (навчаючі середовища, гiпертекстовi системи).

Здійснено аналіз рiзних пiдходів до комп'ютерного моделювання фізичних процесів на його основі виділяємо два основні підходи:

- детермiнiстичний (закономірний, передбачуваний);

- стохастичний (випадковий, заздалегідь непередбачуваний).

Розкрито сутність кожного методу моделювання, проаналізовано можливі точки дотику, зокрема, на прикладі моделі броунівської динаміки.

Показано, що інтенсифікація процесу навчання та його індивідуалізація на основі використання нових інформаційних технологій навчання сприяє покращенню професійної підготовки студентів, формуванню умінь і навичок комп'ютерного моделювання та їх успішному використанню як в педагогічній так і науковій діяльності.

Акцентується увага на тому, що комп'ютерне моделювання фізичних процесів, які важко або неможливо виконати і продемонструвати в навчальній лабораторії, здійснює їх візуалізацію, дає змогу вносити корективи в плин процесу.

У другому розділі "Моделювання статистичних закономірностей на заняттях з фізики - стохастичні методи" розкривається методика створення моделей деяких фізичних процесів з використанням ідей випадковості їх проходження. Визначається місце, засобів комп'ютерного навчання в методичній системі вивчення статистичних закономірностей. При цьому одним iз основних мотивiв створення комп'ютерних моделей та їх застосування є можливість видалення в комп'ютерному експериментi обмежень, якi присутнi в аналiтичних моделях. Звичайно, в аналiтичному розгляді задачi (якщо вiн взагалi можливий) ми вимушенi звертатись до рiзних наближень. З використанням методiв комп'ютерного моделювання ми отримуємо можливiсть вивчати складнi системи, які не дослiджуються аналiтично, їх внутрiшню поведiнку. В комп'ютерних експериментах є й iншi переваги. Вони можуть заповнити простiр мiж теорiєю та реальним експериментом. Деякi величини або їх залежностi неможливо або важко вимiряти в реальному експериментi. В комп'ютерному експериментi вони можуть бути обчисленi.

На деяких прикладах (броунiвського руху, взаємної дифузiї в твердих тiлах, законiв iдеального газу (рис.1), закону Ома, магнiтних властивостей речовини, явища радіоактивного розпаду (рис.2)) розглядаються особливостi моделювання певних фiзичних закономiрностей, в яких необхідно використовувати генератор випадкових чисел на кожному кроці алгоритму, адже ми досить часто маємо справу з процесами та подіями, характер яких випадковий і заздалегідь непередбачуваний. Алгоритми, що моделюють випадкові процеси і явища, називають імовірнісними або стохастичними (грец. stoohastikos - той, що вміє вгадувати). Стохастичні методи мають досить просту комп'ютерну реалізацію, велику швидкодію, але для отримання близьких до істиних величин необхідно забезпечити набір великої кількості статистичних даних. Також, результати, отримані за допомогою даних методів, здебільшого потребують обробки методами апроксимації.

У третьому розділі "Моделювання статистичних закономірностей на заняттях з фізики - детерміністичні методи" розкривається методика створення моделей деяких фізичних процесів з використанням альтернативного методу розгляду - детерміністичного. В цьому методі хаос (реалізований за допомогою генератора випадкових чисел), вводиться лише для початкових умов. Надалі еволюція мікростанів системи визначається однозначно (за допомогою законів Ньютона, законів відбивання, законів збереження імпульсу й енергії). Однак детермінованість подій на мікрорівні не заважає прояву статистичних закономірностей (“хаос із порядку”), які, однак, визначаються цілком детермінованими розподілами імовірностей.

Як приклади, наводяться принципи створення та реалізації наступних моделей: - модель імпульсного лазера; - проходження частинок (нейтронів) через тверде тіло; - комп'ютернi експерименти над реальним газом (рис.3): газовi закони, другий закон термодинамiки, проблеми нестiйкостi та необоротностi; утворення малих частинок нанометричних розмірів; ланцюжок атомів як модель твердого тіла; динаміка електронного газу.

У четвертому розділі "Принципи створення комп'ютерного фізичного практикуму" розкривається методика організації та проведення комп'ютерного лабораторного практикуму з різних розділів фізики. Організація проведення лабораторних робiт відбувається за аналогiєю зі звичайним лабораторним практикумом. На першому етапi роботи проводиться допуск, який передбачає знання студентом фiзичних основ явища, знання та розумiння алгоритму програми. На другому етапi роботи студенту пропонується змiнювати параметри програми (за певними рекомендацiями). Третiм етапом роботи є виконання завдань по модифiкацiї програми самим студентом (перед викладачем виникає завдання по пiдбору задач, якi б мiг розв'язати студент, вдосконалюючи вже iснуючу програму). Четвертий етап стосується лише тих завдань, в процесi розв'язку яких використовується генератор випадкових чисел. На цьому етапi проводиться обробка результатiв комп'ютерних "вимiрювань". П'ятий, пiдсумковий етап включає в себе демонстрацiю модифiкованих програм, а також короткий письмовий звiт, де сформульованi основнi експериментальнi результати i оцiнка похибок обчислень.

В запропонованих комп'ютерних лабораторних роботах розглядаються алгоритми в словесній формі, що дає можливість використовувати їх зі знанням будь-якої мови програмування. Перед кожним алгоритмом описується модель та коротко формулюється ідея. Перевірити правильність комп'ютерної реалізації алгоритму можна за допомогою тестового прикладу. Задачі максимально спрощені для кращого розуміння, тому до кожної додаються завдання, для виконання яких необхідно модифікувати готовий алгоритм. Такі завдання, можливо, наштовхнуть студента на постановку власних задач.

Звертаємо увагу, що алгоритми містять лише основні кроки, а введення початкових даних, виведення результатів ми свідомо випускаємо, щоб за дрібницями не загубити логіки програм. Проте для деяких дій, що не відносяться безпосередньо до алгоритмізації фізичної моделі, але суттєві при виконанні програми, зроблено виняток. Наприклад, нульовий крок містить підготовчі дії для виконання алгоритму, зокрема, ініціалізації генератора випадкових чисел та графічного режиму.

У п'ятому розділі "Організація та результати експериментального навчання" наводяться результати педагогічного експерименту. Педагогічний експеримент передбачав розробку і уточнення концепцій стосовно проблеми дослідження, підтвердження попередніх і заключних висновків. Також у завдання експерименту входило виявлення перешкод, які виникають в студентів та учнів під час використання нових засобів і прийомів організації їх пізнавальної діяльності, визначення умов впровадження НІТ у навчальний процес педвузів та загальноосвітніх шкіл.

Дослідження ефективності і результативності експериментального навчання проводилось в кількох напрямках.

При підготовці формуючого експерименту і після його завершення ми провели:

1) Оцінку доцільності проведення комп'ютерних лабораторних робіт та розв'язування задач за комп'ютером за допомогою анкет, в яких студенти та учні відмічали відносний рівень своїх знань до і після експерименту;

2) Опис студентами та учнями особливостей своєї роботи при розв'язуванні поставлених перед ними завдань, бачення ними ролі комп'ютера в цьому процесі і т. ін.

При виборі контрольних і експериментальних груп ми виходили з того, що рівень розвитку студентів, знання ними шкільного курсу фізики в експериментальних і контрольних групах не повинні суттєво відрізнятись. Рівень початкової підготовки студентів за спеціальністю встановлювався на основі проведення однієї і тієї ж контрольної роботи. Відповідні дані свідчать про те, що експериментальні групи за рівнем підготовки з фізики не сильніші за контрольні. Поряд з цим проведений аналіз контрольної роботи показав, що студенти в експериментальних (ЕГ) і контрольних (КГ) групах мають досить серйозні прогалини в опорних знаннях зі шкільного курсу фізики. Це спонукало нас до пошуку методів ліквідації наявних прогалин і більш повного і глибокого вивчення питань, тісно пов'язаних зі шкільним курсом фізики.

З цією метою було розроблено цілий ряд комп'ютерних лабораторних робіт, де, згідно логіки нашого дослідження, акцентувалася увага на вивченні статистичних закономірностей та використанні з цією метою методів комп'ютерного моделювання для моделювання фізичних процесів.

Враховуючи вище зазначене, ми на протязі навчального року періодично проводили контрольні роботи, які містили 10-12 питань по темі, охоплюючи її найбільш суттєві елементи - знання певних понять, формул, вміння застосовувати конкретні закони і т. ін.

Оскільки при порівнянні ефективності еспериментальної і традиційної методик викладання вибірки груп студентів випадкові і незалежні, члени кожної вибірки також незалежні між собою, властивість (рівень засвоєння навчального матеріалу) виміряна за шкалою порядку, яка має чотири категорії: відмінно, добре, задовільно, погано (с=4), то для перевірки нульової гіпотези виявилося припустимим застосування двостороннього критерію ².

Значення статистики обчислювали для кожної контрольної роботи за формулою

,

n₁ - кількість студентів в експериментальних групах; n₂ - кількість студентів в контрольних групах; Q_1i - кількість студентів в експериментальних групах, які мають нульовий (i=1), перший (i=2), другий (i=3), третій (i=4) рівень володіння знаннями за спеціальністю; Q_2i - кількість студентів в контрольних групах, які мають нульовий (i=1), перший (i=2), другий (i=3), третій (i=4) рівень володіння знаннями за спеціальністю. Для рівня значимості =0,05 і кількості ступенів вільності =с-1=4-1=3 критичне значення статистики Т_кр.=7,815.

Результати контрольних робіт свідчили про поступове зростання критерію статистики Т_е: Т_2 е=1,6; Т_3 е=3,78; Т_4 е=6,24, а вже для останніх двох контрольних робіт отримуємо значення Т_е статистики відповідно Т_5 е=8,2; Т_6 е=9,3 і оскільки Т_е>Т_кр., то за правилом прийняття рішення одержані результати дають достатні підстави стверджувати, що відмінності у розподілах студентів ЕГ і КГ за рівнями засвоєння навчального матеріалу є статистично значимими на рівні значимості =0,05.

З огляду на те, що викладання навчального матеріалу у ЕГ і КГ здійснювалося в одних і тих же умовах, але за різними методиками, то є достатні підстави стверджувати, що відмінності у рівнях засвоєння студентами експериментальних і контрольних груп навчального матеріалу зумовлені методикою його викладання. Таким чином, розроблена методична система використання НІТ на заняттях з фізики (а саме при вивченні статистичних закономірностей, зокрема, тих, які вивчаються в школі) відзначається більшою ефективністю, ніж традиційна.

Аналіз результатів теоретичного та експериментального досліджень підтвердив висунуті положення гіпотези і дозволив сформулювати наступні висновки:

1. Розв'язання проблем сучасної школи, як середньої так і вищої, неможливе сьогодні без використання найсучасніших технологій, в тому числі інформаційних. Завдяки впровадженню інформаційних технологій комп'ютер як інструмент пізнання - високоефективний засіб навчання підносить процес вивчення фізики на якісно новий рівень, полегшуючи процес сприйняття й усвідомлення великої кількості фізичних явищ, дає свій внесок в підвищення зацікавленості студентів до вивчення фахового предмету.

2. Спрямованість навчання фізики на використання НІТ як високо ефективного засобу навчання не лише забезпечує підвищення рівня професійної підготовки майбутніх вчителів, але й істотно впливає на їх мотиваційну сферу, зумовлюючи формування і переведення в коло пріоритетних професійних і навчально-пізнавальних мотивів вивчення фізики, мотивів, які забезпечують успішність оволодіння професійними знаннями і вміннями.

3. Особливе мiсце в циклi комп'ютерних експериментiв посiдають задачi, пов'язанi з використанням генератора випадкових чисел. На вiдмiну вiд задач механiки, в яких результат детермiнований початковими умовами, розглянуті нами задачi дозволяють учням "вiдкривати" на комп'ютері новi фiзичнi закони, для яких початкові умови взагалі несуттєві (вони “забуваються”), зате випадкові, хаотичні події, накладаючись, приводять до цілком детермінованих, передбачуваних взаємозв'язків між середніми величинами. Наприклад, параболiчний закон дифузiї для блукань броунiвських частинок, закони iдеального газу для хаотичного руху молекул, закон Кюрi для парамагнетикiв, iснування феромагнетизму (виникнення доменiв при охолодженнi) i т.iн.

4. Вивчення і використання запропонованої методики студентами, викладачами вузів, вчителями шкіл збагатить їх методичну базу стосовно активізації навчально-пізнавальної діяльності учнів у процесі вивчення фізики.

інформаційний статистичний комп'ютерний фізика

Основний зміст дисертації відображено в таких публікаціях

1. Гриценко В.Г., Гусак А.М. Використання методу Монте-Карло в шкільному комп'ютерному експерименті з фізики // Фізика та астрономія в школі. -1996. -№1. С. 34-36.

2. Гриценко В.Г., Гусак А.М. Моделювання задач електронної теорії металів // Фізика та астрономія в школі. -1997. -№4.С.12-14.

3. Гусак А.М., Гриценко В.Г., Запорожець Т.В. Статистична фізика - основні положення та моделі: Навчальний посібник. Черкаси: Редакційно-видавничий відділ ЧДУ, 1998. 288 c.

4. Гриценко В.Г., Гусак А.М., Ляховецький В.В. Використан-ня комп'ютерів при вивченні магнетизму - В зб. наук. праць “Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання”, Київ, “Комп'ютер у школі та сім'ї”, 1998. С. 146-152.

5. Гриценко В.Г., Леонцев С.О. Статистичні закономірності в комп'ютерній моделі реального газу // Вісник Черкаського університету: Серія природничі науки. -1998. Випуск 5. С. 48-55.

6. Гриценко В.Г., Ляховецький В.В., Гусак А.М. Моделюван-ня магнітних властивостей речовин // Інформаційні технології в науці та освіті: Матеріали всеукраїнської конференції молодих науковців Ч 2. - Черкаси, 1997. С. 82-91.

7. Гриценко В.Г., Ковальчук А.О., Гусак А.М. Моделювання статистичних закономірностей на заняттях з фізики // Використання персональних ЕОМ у навчальному процесі вищих та середніх навчальних закладів: Матеріали четвертої української науково-методичної конференції (13-15 листопада). - Львів, 1996. - С. 69-70.

8. Гриценко В.Г., Гусак А.М., Ляшенко Ю.О. Використання комп'ютерного лабораторного практикуму в системі підготовки майбутніх вчителів // Методичні особливості викладання фізики на сучасному етапі: Матеріали ІІ міжвузівської науково-практичної конференції (22-23 березня, частина 1). - Кіровоград. 1996. С. 119-120.

Використані в дисертації ідеї та розробки з опублікованих наукових праць належать автору.

АНОТАЦІЯ

Гриценко В.Г. Нові інформаційні технології при вивченні статистичних закономірностей у процесі підготовки вчителів фізики. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата педагогічних наук за спеціальністю 13.00.02 - теорія і методика навчання фiзики. Національний педагогічний університет, Київ, 1999.

У дисертації подана науково обґрунтована методика моделювання статистичних закономірностей в рамках комп'ютерного лабораторного практикуму. Описані програмно-методичні засоби, які доповнюють систему фізичного експерименту засобами комп'ютерного моделювання та дозволяють підвищити рівень і якість вивчення статистичних процесів. Основні положення дослідження відображено у 16 публікаціях.

Ключові слова: нові інформаційні технології, комп'ютерне моделювання, статистичні закономірності, комп'ютерний лабораторний практикум.

АННОТАЦИЯ

Гриценко В.Г. Новые информационные технологии при изучении статистических закономерностей в процессе подготовки учителей физики. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата педагогических наук по специальности 13.00.02 - теория и методика обучения физики. Национальный педагогический университет, Киев, 1999.

Диссертация посвящена проблемам воплощения новых информационных технологий обучения в современной общеобразовательный и высшей школах. В диссертации предоставлена научно обоснованная методика моделирования статистических закономерностей в рамках компьютерного лабораторного практикума по физике. Предлагается методика создания моделей некоторых физических процессов с использованием идей случайности их прохождения. Определяется место, средств компьютерного обучения в методической системе изучения статистических закономерностей. При этом одним из основных мотивов создания компьютерных моделей и их применения видится возможность удаления в компьютерном эксперименте ограничений, которые присутствующие в аналитических моделях. На конкретных примерах рассматриваются особенности моделирования некоторых физических закономерностей, в которых необходимо использовать генератор случайных чисел на каждом шагу алгоритма модели. Акцентируется внимание на особом месте в цикле компьютерных экспериментов задач, которые связаны с использованием генератора случайных чисел. В отличие от задач механики, в которых результат детерминирован начальными условиями, такие задачи позволяют учащимся "открывать" на компьютере новые физические законы, для которых начальные условия вообще несущественные (они “забываются"), зато случайные, хаотические события, накладываясь, приводят к целиком детерминированным, предполагаемым взаимосвязям между средними величинами. Раскрывается методика создания моделей некоторых физических процессов с использованием альтернативного метода рассмотрения детерминированного. Рассматриваются примеры, которые раскрывают сущность основных принципов создания и реализации детерминированных моделей с использованием элементов случайности. Раскрываются особенности организации и проведение компьютерного лабораторного практикума по различным разделам физики. Обращается внимание на то, что изучение и использование предложенной методики студентами, преподавателями вузов, учителями школ обогатит их методическую базу что касается активизации учебно-познавательной деятельности учеников в процессе изучения физики. Приводятся результаты проведенного педагогического эксперимента. Показано, что применение методов компьютерного моделирования подносит процесс обучения на значительно высший уровень, облегчая процесс восприятия и осознания большого количества физических явлений, дает свой вклад в повышение заинтересованности учащихся при изучении физики. Описанные программно-методические средства, которые дополняют систему физического эксперимента средствами компьютерного моделирования и позволяют повысить уровень и качество изучения статистических процессов.

Основные положения исследования отображены в 16 публикациях.

Ключевые слова: новые информационные технологии, компьютерное моделирование, статистические закономерности, компьютерный лабораторный практикум.

ANNOTATION

Grycenko V.G. Using the new informative technologies in the study of statistic regularities during physics teachers preparation. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of Sciences in the speciality 13.00.02 (theory and methods of physics teaching). National pedagogic university, Kiev, 1999.

The scientifically grounded methods of modelling of the statistical regularities in the frame of computer laboratory practical works are suggested. The new methodical means and corresponding software are described, they introduce the tools of computer modelling into the system of physical laboratory practical works and make the study of statistical regularities more profound. The main results of this work are formulated in 16 publications.

Key words: new information technologies, computer modeling, statistic regularities, computer laboratory practical work.

Размещено на Allbest.ru

...