Применение новых информационных и телекоммуникационных технологий в школьном физическом и астрономическом образовании

В диссертационном исследовании Медведева О.Б. [225] определены понятия сетевого методического объединения, сетевого методиста, разработаны модели системы методической поддержки учителей физики и естествознания, проанализирован опыт применения глобальных компьютерных телекоммуникаций (ГКТ) в обучении физике и естествознанию. Показано, что «… предложенная методика применения средств ГКТ в процесс обучения физике и естествознанию повышают качество обучения этим дисциплинам» [225, С. 185].

В результате проведенного теоретического анализа психолого-педагогической и методической литературы выявлено, что исследования влияния новых информационных технологий на процесс обучения достаточно разнообразны и многочисленны по темам, тем не менее, исследования целесообразности взаимосвязи программно-педагогических средств и поддержки ППС через Интернет не проводились. Не исследовались вопросы значения применения современных информационных и телекоммуникационных технологий в учебном процессе для повышения познавательной самостоятельности учащихся.

Исследователями не рассмотрены такие важнейшие вопросы, как:

учебно-методический анализ использования современных программно-педагогических и телекоммуникационных средств в обучении физике и астрономии;

состояние и проблемы учебно-методического сопровождения образовательного процесса с использованием учебно-методических сайтов и порталов по физике и астрономии;

подготовка педагогических кадров для работы по внедрению новых информационных технологий в учебный процесс, повышение информационной культуры учителей физики и астрономии.

Не рассмотрены также и более частные вопросы методики использования телекоммуникационных средств в обучении физике и астрономии: общение с помощью электронной почты, участие в телеконференциях и учебных форумах, участие в дистанционных олимпиадах. Не исследованы вопросы сотрудничества между учителями и учащимися разных учебных заведений и разных регионов по достижению общей цели при выполнении телекоммуникационных учебно-исследовательских проектов.

Не рассмотрены методические особенности организации дистанционного обучения как учащихся, так и учителей, дистанционного повышения квалификации учителей, на базе компьютерных телекоммуникаций в физике и астрономии.

Использование программно-педагогических и телекоммуникационных средств в преподавании астрономии и физики

Компьютеризация астрономического и физического образования становится предметом все более широких исследований.

Чаще всего разные исследователи рассматривают отдельные аспекты применения ИКТ в образовании, и в частности, в обучении физике и астрономии. Методологическим основам проблемы использования компьютеров на уроках физики посвящены работы Л.И. Анциферова, Г.А. Бордовского, В.А. Извозчикова, А.С. Кондратьева, В.В. Лаптева и др. [42, 156, 183 и др.]. Часть авторов показывает, что наиболее перспективным использованием компьютерной техники на уроке является применение в качестве инструментального средства. Так, например, В.В. Клевицкий [173] рассматривает возможности проведения компьютеризованного физического эксперимента для индивидуализации обучения. В [173] показано, что применение компьютеризованного физического эксперимента наиболее актуально там, где это вносит качественно новые результаты, по сравнению с традиционным, натурным экспериментом, например, в задачах, в которых исследуются быстро протекающие процессы, задачах, в которых точность традиционного оборудования школьного кабинета недостаточна, и т.п. Компьютер может использоваться для обработки данных и регистрации большого массива экспериментальных данных, как средство коммуникации. Это отражает и тенденции использования компьютера в современной астрономии.

Современного астронома чаще можно увидеть не у окуляра телескопа, а перед монитором компьютера. Причем не только теоретика, но и наблюдателя. Применения компьютера в астрономии, как и других науках, чрезвычайно разнообразны. Это и автоматизация наблюдений, и обработка их результатов. Современные астрономы видят изображения небесных объектов не в окуляре, а на мониторе - приемником излучения обычно служит прибор с зарядовой связью (ПЗС) - ПЗС матрица. Компьютеры также необходимы для работы с большими каталогами информации, поступающей с космических телескопов, все данные о наблюдениях передаются по Интернет. Важнейшим средством современной науки физики является компьютерный эксперимент, компьютерное моделирование. Использование компьютера на уроках физики и астрономии позволяет познакомить учащихся со всеми этими направлениями.

Именно вопросу использования компьютера на уроках физики в качестве средства, моделирующего различные физические процессы, посвящены исследования И.В. Гребенева, М.Я. Кулаковой, А.В. Смирнова и др. [97, 190, 337 и др.].

Горбунова И.Б. [95] отмечает, что в настоящее время внимание специалистов сосредоточено на разработке различных учебных компьютерных моделей, моделирующих сред и различных видов программ для вычислительного эксперимента. Горбунова И.Б. показывает, что создание учебных программ, учебных и методических материалов, а также учебников и учебных пособий нового типа, ориентированных на активное использование компьютерных технологий, «имеет особое значение для преподавания физики, поскольку именно здесь компьютер открывает принципиально новые возможности как в организации учебного процесса, так и в исследовании конкретных явлений в тех случаях, когда традиционные методы оказываются малоэффективными» [95, С.38]. Это позволяет считать компьютерное обучение одной из важнейших современных тенденций в методике преподавания физики.

В диссертационном исследовании Нуркаевой И.М. [254] выявлены физические опыты и явления из школьного курса физики, демонстрацию которых рекомендуется проводить на компьютере, и предложены соответствующие моделирующие программы, описывающие эти опыты.

Белоозеров Л. рассмотрела узкоспециальный вопрос применения телекоммуникационных технологий для организации проектной работы в обучении астрономии на примере «Глобальный международный эксперимент «Эратосфен» по измерению длины земного меридиана» [29].

Необходимо проанализировать влияние, которое может обеспечить применение мультимедиа технологий на процесс обучения физике и астрономии. Вначале необходимо провести аналитический обзор информации, выяснить, что означают слова системы мультимедиа и каковы способы применения мультимедиа в обучении в целом и в физике и астрономии в частности.

При этом появляется необходимость определить основные понятия. «MEDIA» это среды. Но насколько они должны быть интегрированы, чтобы образовать новое качество систему мультимедиа, а не быть просто программами, работающими и с графикой, и со звуком? В настоящее время под «мультимедиа» понимают компьютерные интегрированные системы, в которых кроме текста имеются анимации, звук, видео. Мультимедиа синтез трех стихий: информации цифрового характера (тексты, графика, анимация), аналоговой информации визуального отображения (видео, фотографии, картины и пр.) и аналоговой информации звука (речь, музыка, другие звуки). Таким образом, мультимедийный учебник это учебник, содержащий гипертекст и компьютерные технологии мультимедиа - технологии передачи графики, звука, видеоинформации и т.п. в любой комбинации.

Гипертекст - это система веб-страниц, связанных между собой системой ссылок (гиперссылок). При этом имеется возможность быстрого перемещения с одной страницы на другую по гиперссылке. Гипертекст меняет традиционное представление об учебнике как наборе последовательных смысловых страниц. Современные компьютерные обучающие курсы по физике и астрономии построены именно на технологии мультимедиа и гипертекста. Опрос, проведенный осенью 2001 г. на сайте http://edu.km.ru/ компании «Кирилл и Мефодий», в котором приняли участие 148 человек, выявил пожелания, каким должен выглядеть в идеале образовательный мультимедийный диск CD-ROM. Он должен:

- иллюстрировать, дополнять базовый учебник считают 23% всех участников;

- быть оригинальным электронным учебником - считают 29%;

- полностью заменять бумажный учебник - 24%;

- являться составной частью комплекса средств обучения -47 %;

- другие ответы- 2%.

Карпушова И.Б., Сапрыкина Г.А., Старцева Н.А. [166, 322] подробно рассмотрели технологию создания программно-педагогических средств естественнонаучного цикла с психологической точки зрения. Ими была предложена таблица использования возможностей персонального компьютера (ПК) для интенсификации процесса усвоения учебного материала (Табл.1).

Из этого вытекают следующие требования к педагогическим программным средствам (ППС) по физике и астрономии: современные компьютерные курсы должны быть мультимедийными, многоуровневыми, содержать гипертекст, современную графику, основываясь на современных технологиях Java, Macromedia Flach, компьютерные модели должны быть по возможности интерактивными. На основе таблицы, представленной в [166], составлена таблица использования современных мультимедийных компьютерных курсов с элементами дистанционного обучения, в которую добавлены характеристики современных мультимедийных ППС, ориентированных на работу в сети Интернет (комплекс виртуальных лабораторий и интерактивных моделей, глоссарий, каталоги и путеводители, предметный и именной указатели, тренирующе-тестирующий блок) (табл. 1).

Светлицкий С.Л. [324] рассмотрел вопросы комплексного использования натурного и вычислительного эксперимента с применением мультимедийных технологий при изучении темы «Дифракция» на уроках физики. Он же разработал и внедрил авторский мультимедийный программный пакет «Дифракция», содержащий моделирующую программу, а также тестер (базу данных) с контрольными качественными и количественными задачами. Светлицкий С.Л. показал, что «использование средств наглядности служит не только для создания у обучаемых образных представлений, но и для формирования важнейших физических понятий, для понимания отвлеченных связей и зависимостей изучаемых физических явлений» [324, С. 11].

В то же время необходимо отметить, что на современном этапе процесса информатизации учебных курсов физики и астрономии выявлен целый ряд проблем, наиболее актуальными из которых, с нашей точки зрения, являются:

отсутствие системы методической поддержки и методических пособий, методического сопровождения, дидактической обоснованности электронных мультимедийных курсов по физике;

отсутствие практически во всех мультимедийных курсах по физике и астрономии виртуальной физической лаборатории, позволяющей самостоятельно учителю и учащемуся создавать интерактивные модели (за исключением компьютерной среды «Живая Физика»);

отсутствие трехмерной (3D) анимации с программой типа 3D StudioMax для более реального отражения физических процессов и явлений в интерактивных моделях.

Предполагается, что электронным учебником будут пользоваться учащиеся, знакомые с технологией пользования информационными ресурсами Интернет, имеющие необходимые пользовательские умения работы в Интернет, умеющие пользоваться браузерами Internet Explorer или Netscape Navigator.

Какие же основные системы, на наш взгляд, должен включать электронный учебник будущего?

Электронный учебник должен отвечать задачам формирования нового содержания общего образования и новых моделей учебной деятельности, использующих информационные и телекоммуникационные технологии, моделей формирования и применения информационно-коммуникативной компетенции учащихся в учебной деятельности, учитывающих вариативность и индивидуализацию общего образования.

В связи с этим актуальной является задача создания электронных мультимедийных курсов, включающих в себя следующие системы [338]:

* ядро (управляющий модуль) курса;

* иллюстрированный учебно-справочный комплекс;

* комплекс виртуальных лабораторий и интерактивных моделей;

* тестирующий комплекс, интегрированный с базой данных задач;

* поисковый комплекс;

* систему помощи;

* систему методической поддержки;

* систему поиска аналогичной информации в Интернет.

В электронный мультимедийный курс обязательно должны входить сетевая и Интернет-версия курса.

Исследования целесообразности взаимосвязи современных программно-педагогических средств и поддержки мультимедийных курсов через Интернет не проводились. Не исследовались различные пути использования современных телекоммуникационных технологий, например, дистанционных олимпиад для обучения физике и астрономии. Не исследовались вопросы повышения продуктивности использования новых информационных и телекоммуникационных технологий в учебном процессе преподавания физики и астрономии.

Психолого-педагогический аспект активизации познавательной самостоятельности при применении новых информационных технологий

Самостоятельную познавательную деятельность учащихся в самом обобщенном (глобальном) виде можно представить как систему, включающую в себя следующие «…основные компоненты: 1) содержательную сторону (знания, выраженные в понятиях или образах восприятия и представлений); 2) оперативную (разнообразные действия, оперирование умениями, приемами как во внешнем, так и во внутреннем плане действий); 3) результативную сторону (новые знания, способы решений; новый социальный опыт, идеи, взгляды, способности и качества личности)» [272, С.108].

Самостоятельная познавательная деятельность учащихся при применении новых информационных технологий может выступать в двух аспектах: 1) в присвоении учащимся готовых знаний, готовых образцов, правильных, точных и экономичных умственных и практических действий для того, чтобы на основе их включиться в решение творческих задач; 2) в создании чего-то своего, индивидуального, того, что в обучении выражается в самостоятельном решении учеником теоретических и практических задач» [272, С.152].

Проблемой формирования познавательной самостоятельности школьников занимаются многие дидакты, психологи и методисты. Наиболее важные результаты получены в фундаментальных исследованиях Л.П. Аристовой, И.Я. Лернера, Н.А. Половниковой, Т.И. Шамовой и др., где разработаны теоретический аспект проблемы, уровни и показатели познавательной самостоятельности, условия перехода с одного уровня на другой, показаны пути решения этой проблемы [13, 208, 278, 382 и др.].

Разработке проблемы развития познавательной самостоятельности школьников способствуют исследования, посвященные формированию познавательных интересов и потребностей. Это работы Б.Г. Ананьева, В.В. Давыдова, Л.В. Занкова, Г.И. Щукиной и др. [7, 101, 145, 397 и др.]. В работах Г.И. Щукиной дан теоретический анализ процесса развития познавательного интереса, установлена зависимость уровней познавательной самостоятельности от уровней развития познавательных интересов [397].

История становления проблемы познавательной самостоятельности рассматривается в работах Егорова С.Ф., Половниковой Н.А. и др. [123, 278 и др.]. До 60-х годов познавательная активность и самостоятельность часто рассматривались как синонимы. Так в работах Данилова М.А. [105, 106] была подчеркнута генетическая связь самостоятельности и активности. Он показал, что «самостоятельность и активность как в возникновении, так и в развитии не разъединимы» [105, С.33]. В работах Л.П. Аристовой, В.А. Крутецкого, Г.Н. Кулагиной, Л.Я. Лернера, Т.И. Шамовой и др. [13, 207, 208, 189, 207, 208, 382 и др.] показано разграничение понятий «активность» и «самостоятельность». Л.П. Аристова рассматривает активность познания как проявление преобразовательного отношения субъекта к окружающим явлениям и предметам, как проявление преобразовательного, творческого отношения индивида к объектам познания и предполагает наличие таких компонентов активности, как избирательность подхода к объектам познания, постановку после выбора познания, постановку после выбора объекта цели, задачи, которые надо решать, преобразование объекта в последующей деятельности [13]. Семенов Н.А. показывает, что познавательная самостоятельность является составной частью понятия познавательная активность [329].

В.С. Данюшенков познавательную активность определяет как «… вид общей активности, характеризующий свойство личности, выражающее состояние ученика в учебно-познавательной деятельности, мобилизующее его внутренние силы, направленные на ускоренное отражение свойств предметов познания (процесс мышления) и свое самосовершенствование, то есть развитие» [107, С. 150].

И.Я. Лернер, показывая различия между понятиями «познавательная активность» и «познавательная самостоятельность», подчеркивает, что для познавательной самостоятельности характерно творческое начало, готовность к поисковому труду, а познавательная активность может быть направлена только на усвоение знаний, их закрепление и воспроизведение. Он выдвигает утверждение, что нельзя быть самостоятельным, не будучи активным, но активность может и не сочетаться с самостоятельностью [208].

Шамова Т.И. показывает, что учащийся может работать под диктовку учителя, выполняя задание, при этом нет проявления самостоятельности. При введении различий между активностью внутренней (мыслительной) и внешней (моторной), показывается, что активизация познавательной деятельности учащихся связана, прежде всего, с активностью мышления [382].

Таким образом, в исследованиях разных авторов показано, что любая деятельность школьника предполагает и выражает ту или иную степень его активности. Самостоятельность же предполагает способность ученика самому организовать свою деятельность в соответствии с поставленной или возникшей задачей.

Факторами, определяющими развитие самостоятельности, по мнению Г.Д. Кирилловой, являются:

- взаимосвязь коллективной, индивидуальной и фронтальной работы, которые обеспечивают отдельным ученикам возможность выполнять более сложные задания;

- опережающая функция, ориентирующая школьника на перспективу, необходимость для ее достижения приобретения знаний, умений;

- усложнение структуры операциональной деятельности и мотивации включения в активную работу при выполнении самостоятельных заданий на разных этапах усвоения системных обобщенных знаний и умений (аналитическом, систематизации и обобщения, применения к новому материалу);

- выполнения каждым учеником заданий репродуктивного, конструктивного, творческого характера на разных этапах овладения материалом.

«В результате знания и умения, сформированные на разном уровне обобщения, свидетельствуют и о разном уровне проникновения в сущность содержания учебного материала, и о различии в операционной структуре познавательной деятельности, а также уровне их самостоятельности» [169, С.64].

М.И. Махмутов под познавательной самостоятельностью понимает наличие интеллектуальной способности обучаемого и его умений самостоятельно вычленять существенные и второстепенные признаки предметов, явлений и процессов действительности, путем абстрагирования и обобщения раскрывать сущность новых понятий [221].

Разные исследователи по-разному определяют «познавательную самостоятельность». Для удобства анализа сведем определение понятия «познавательная самостоятельность» разных исследователей в табл. 2. «Исследования, посвященные педагогическим аспектам понятия познавательная самостоятельность».

Разные авторы по-разному рассматривают критерии уровней познавательной самостоятельности, показатели познавательной самостоятельности. Это и понятно, так как логика определенных рамок исследований, сама тематика, приводит к необходимости определения уровней познавательной самостоятельности на различных этапах обучения по-разному.

Имеются работы, в которых авторами дана попытка определения уровней познавательной самостоятельности и выявления средств их диагностики. Так, И.Я. Лернер рассматривает уровни познавательной самостоятельности в связи с исследованием процесса решения системы познавательных задач. «Установленные уровни могут быть описаны следующим образом:

1. Умение самостоятельно и доказательно делать один или несколько непосредственных выводов из одного какого-либо данного условия задачи.

2. Умение доказательно придти к нескольким параллельным и изолированным друг от друга непосредственным выводам на основе нескольких различных данных условия.

3. Умение сделать доказательно один или несколько опосредованных выводов из одного или нескольких данных условия, но при этом все выводы изолированы друг от друга.

4. Умение делать опосредованные выводы на основе выявления связи между различными данными условия» [208, С.29].

При диагностике уровней познавательной самостоятельности Е.В. Перистая концентрирует внимание на изучении двух важнейших компонентов - самостоятельности мышления и навыков самостоятельной учебной работы [270]. Она эмпирически выявляет четыре уровня познавательной самостоятельности, находящихся в зависимости от параметров. Прямые параметры, характеризующие свойство самой познавательной самостоятельности - это умения делать выводы, доказывать, проводить аналогии, планировать, делать выписки, оформить тезисы, конспектировать, работать с литературой. Косвенные параметры, характеризующие изменения, сопутствующие развитию познавательной самостоятельности, - это объем знаний, систематичность усвоенных знаний, осмысленность приобретенных знаний, занятия по предмету в свободное время [270]. Н.А. Половникова выделяет уровни «развития познавательной самостоятельности (копирующий, воспроизводяще-творческий и конструктивно-творческий)» [279, С.34].

Ф.В. Берукштене рассматривает уровни познавательной самостоятельности в зависимости от мотивационной и эмоциональной сторон [35]:

Познавательная самостоятельность согласно исследованию Шамовой Т.И. включает три группы умений [382]:

интеллектуальные;

общие навыки учебного труда;

специальные (предметные) умения.

Т.И. Шамова выделяет три уровня познавательной самостоятельности. «Наиболее оптимальным является введение трех уровней познавательной самостоятельности школьников: репродуктивного, частично-поискового и исследовательского» [382, С.41].

«Репродуктивный характер учебно-познавательной деятельности предполагает усвоение готовых знаний и образцов деятельности. Адекватным методом преподавания для данного вида деятельности является объяснительно-иллюстративный, отличающийся информативным характером передачи знаний школьникам.

Творческий характер поисковой деятельности всегда связан с овладением знаниями и способами деятельности до уровня применения их в разных ситуациях. В данном случае адекватными являются информационно-поисковые методы обучения, поскольку именно они обеспечивают учащихся в самостоятельный поиск и способствуют их творческому развитию» [382, С.42].

Подобный подход к структуре познавательной самостоятельности позволяет анализировать разные уровни активности и самостоятельности учащихся и строить систему управления познавательным процессом при преподавании физики и астрономии.

В последнее время появились исследования влияния использования информационных технологий в образовательном процессе на развитие познавательной деятельности. Вопрос компьютерного моделирования как средства развития самостоятельной познавательной деятельности студентов вуза в процессе обучения общеобразовательным дисциплинам рассматривался Прокубовской А.О. [291].

Ряд исследователей рассматривали вопросы активизации познавательной деятельности при обучении физике. А.А. Черкас рассматривал вопрос активизации познавательной деятельности учащихся посредством самостоятельного исследовательского лабораторного эксперимента, рассматривая при этом активизацию как средство развития мышления учащихся [380].

Проблему целостного подхода к формированию познавательной активности, личности ученика в процессе преподавания физики исследовал Данюшенков В.С. [107].

Активная познавательная деятельность учащихся, возникающая при применении новых информационных и телекоммуникационных технологий в обучении физике и астрономии, может возникать и протекать при соблюдении определенных условий, связанных с содержанием, формами и методами обучения.

Исследование достижения учащимися уровней познавательной самостоятельности учащихся при применении новых информационных и телекоммуникационных технологий, соответствующих поисковому характеру учебно-познавательной деятельности учащихся: информационно-эвристический, проблемное изложение и организация исследовательской деятельности, не проводились. Тем не менее, именно исследование достижения уровней познавательной самостоятельности учащихся при применении новых информационных и телекоммуникационных средств обучения физике и астрономии может дать ответ на вопрос, насколько эффективно формирование новых моделей учебной деятельности, использующих информационные и телекоммуникационные технологии. Проведенный анализ позволил выявить ряд зависимостей между уровнями познавательной самостоятельности учащихся и применением ИКТ в обучении физике и астрономии, сформировать авторский подход к данной проблеме. Насколько эффективен комплекс программно-педагогических и телекоммуникационных средств по астрономии? Именно сравнение уровня познавательной самостоятельности учащихся в школах, в которых преподают учителя, прошедшие повышение квалификации в плане применения компьютерных и коммуникационных технологий, сможет дать ответ на вопрос, насколько та или иная методика повышения квалификации эффективна.

1. Проведен анализ психолого-педагогической и методической литературы, а также диссертационных исследований, посвященных проблеме использования новых информационных и телекоммуникационных технологий в образовании в целом, и вопросам применения ППС и телекоммуникационных средств в обучении астрономии и физике. Этот анализ показал, что:

* исследования влияния информационных и телекоммуникационных технологий на процесс обучения разнообразны и многочисленны, тем не менее, не исследовались вопросы повышения продуктивности использования современных мультимедийных курсов в учебном процессе для повышения познавательной самостоятельности учащихся;

* не исследовались вопросы целесообразности взаимосвязи ППС и поддержки мультимедийных курсов через Интернет;

* не рассматривались также и более частные вопросы методики использования телекоммуникационных средств в обучении астрономии и физике: общение с помощью электронной почты, участие в телеконференциях и учебных форумах, участие в дистанционных олимпиадах.

* не исследовались в достаточной мере вопросы сотрудничества между учителями и учащимися разных учебных заведений и разных регионов по достижению общей цели при выполнении телекоммуникационных учебно-исследовательских проектов, дистанционных олимпиад.

2. Проведенный анализ научно-методических исследований по проблеме познавательной самостоятельности выявил, что уровни познавательной самостоятельности (репродуктивный, частично-поисковый и исследовательский) соответствуют характеру познавательной деятельности учащихся.

3. Было выдвинуто предположение о том, что комплексное применение новых информационных и телекоммуникационных технологий может влиять на повышение познавательной самостоятельности учащихся.

В настоящей главе рассматриваются предпосылки комплексного использования программно-педагогических и телекоммуникационных средств в целях развития познавательной самостоятельности учащихся. В настоящее время особенность стратегии развития образования основывается на необходимости перехода к личностно-ориентированной педагогике с учетом тенденций компьютеризации. В главе рассматриваются вопросы определения дидактических требований на основе современных технических изменений к программно-педагогическим средствам, учебным сайтам по физике и астрономии, образовательным порталам, телекоммуникационным средствам обучения.

Анализ существующих компьютерных мультимедийных курсов и методика их применения в курсах астрономии и физики в средней школе

Вопрос использования новых информационных технологий в обучении астрономии и физике в средней школе является очень важным и актуальным. Современные программно-педагогические средства и телекоммуникационные средства развиваются с калейдоскопической быстротой. Поэтому необходимо определить дидактические требования к современному понятию «электронный учебник», к комплексу программно-педагогических и телекоммуникационных средств обучения астрономии и физике, рассмотреть вопросы методики применения программно-педагогических и телекоммуникационных технологий в преподавании астрономии и физики.

В настоящее время в обучении физике широко применяются различные ППС - программно-педагогические средства обучающие компьютерные программы и программные среды.

С появлением компьютеров в классах стала меняться методика преподавания астрономии и физики, все больше используются проектная и исследовательская формы учебной деятельности, индивидуализация обучения [79]. Применение компьютера на уроке физики эффективное средство познавательной деятельности учащихся, которое открывает для учителя широкие возможности по совершенствованию урока.

Используя учебные имитационные компьютерные программы, учитель может представить изучаемый материал более наглядно, показать модели физических экспериментов, для которых нет оборудования в школе. Например, «Задачник по физике. Оптика. Волны» позволяет учащимся наблюдать имитационные эксперименты по интерференции и дифракции, «Физика в картинках» позволяет показывать «Зоны Френеля», «Опыт Майкельсона», опыты по поляризации света. С помощью астрономической программы «PcSpace v. 2.2» возможно путешествие на космическом корабле по нашей Галактике. Можно «долететь» до любой звезды и посмотреть, как с нее выглядит звездное небо. Программа RedShift 4 является универсальным планетарием.

Компьютерная программа по физике может смоделировать работу ядерного реактора или эволюцию звезд. Кроме того, компьютерное моделирование существенно экономит время на самих уроках, упрощает процесс подготовки учителя к уроку, экономит время учителя.

Для учителя физики и астрономии важно ориентироваться в основных ППС, а также знать, для каких дидактических целей они могут использоваться. Кратко невозможно проанализировать особенности всех современных компьютерных дидактических средств по физике и астрономии, такое разнообразие имеется на сегодняшний день. В настоящее время внимание специалистов и фирм, занимающихся разработкой различных обучающих компьютерных программ, сосредоточено на разработке компьютерных дисков, содержащих анимационные модели, интерактивные модели, обучающие компьютерные среды.

Мы понимаем под анимацией модель, в которой возможно отражение физического явления, процесса, движение объектов без влияния пользователя на это движение, процесс, явление.

Под интерактивной моделью мы понимаем такую анимацию, на параметры которой можно влиять в процессе изучения. С методической точки зрения с помощью интерактивных моделей можно сконструировать компьютерную лабораторную работу.

Под обучающей компьютерной моделирующей средой мы понимаем интерактивную среду, в которой можно создавать самостоятельные интерактивные эксперименты, моделировать процессы и явления.

Важными могут быть ответы на следующие первоочередные вопросы.

1. Какие обучающие компьютерные программы и имитационные программы, моделирующие физические эксперименты, имеются на сегодняшний день, и для какой учебно-дидактической цели они могут использоваться в первую очередь?

2. Какие программно-педагогические средства содержат анимации, какие - интерактивные модели, а какие моделирующие компьютерные среды?

3. Как можно организовать учебный процесс с использованием компьютера в кабинете физики и астрономии?

Анализ имеющихся ППС по астрономии позволяет сделать вывод, что не создан современный мультимедийный курс астрономии, содержащий интерактивные модели, тренирующе-тестирующий блок, интегрированный с базой задач и тестов, поисковый блок, содержащий предметный и именной указатели, глоссарий. Мультимедийный курс должен быть ориентирован на работу не только на локальном компьютере, но и в локальных сетях и Интернет.

Анализ имеющихся ППС по физике позволяет сделать вывод, что в настоящее время созданы различные современные мультимедийные курсы по физике. В дальнейшем надо создать мультимедийный курс, в котором кроме интерактивных моделей, учебно-справочного блока, тестирующего комплекса, имеется виртуальная лаборатория, в моделирующей среде которой учитель и учащиеся смогут самостоятельно создавать интерактивные модели.

По своему дидактическому назначению ППС можно разделить на следующие группы:

1. Демонстрационные программы. Предназначаются для наглядного представления учебного материала, для иллюстрации новых понятий.

2. Обучающие программы. Предназначаются для ознакомления учащихся с новым материалом, для формирования основных понятий, отработки основных умений и навыков путем их активного применения в различных учебных ситуациях. Эти программы направляют обучение, исходя из имеющихся у обучаемого знаний и его индивидуальных особенностей.

3. Контролирующие. Позволяют учителю проводить текущий и итоговый контроль знаний учащихся. Позволяют оперативно оценить знания больших групп учащихся.

4. Обучающе-контролирующие ППС. Это самый распространенный вид программно-педагогических средств.

5. Тренажеры. Используются для закрепления новых понятий, отработки операционных навыков. Такие программы обеспечивают достижение целей путем предъявления школьнику одних и тех же заданий и требований. Наиболее целесообразно применять, если требуется довести отработку темы или совокупности навыков до совершенства.

С другой стороны принято выделять:

1. Конструкторы или компьютерные моделирующие среды. При этом учитель и учащиеся могут, не прибегая к программированию, самостоятельно создавать и исследовать модели объектов, движение тел в различных полях.

2. Имитационно-моделирующие ППС. Это современные программно-педагогические средства, которые моделируют сложные процессы. В таких ППС могут быть лабораторные компьютерные работы, а также модели таких процессов, которые невозможно проводить на уроках. Компьютерная программа сможет смоделировать работу ядерного реактора или эволюцию звезд. Некоторые ППС могут содержать интерактивные модели, в которых учитель или учащийся может изменять параметры модели и более глубоко исследовать соответствующий процесс.

Программно-педагогические средства позволяют:

* «индивидуализировать и дифференцировать процесс обучения;

* осуществлять контроль с диагностикой ошибок, обратную связь;

* проводить самоконтроль и самокоррекцию учебной деятельности;

* высвобождать учебное время за счет выполнения компьютером рутинных вычислительных работ;

* визуализировать учебную информацию;

* моделировать и имитировать изучаемые процессы или явления;

* проводить лабораторные работы в условиях имитации на компьютере реального опыта или эксперимента;

* формировать умение принимать оптимальное решение в различных ситуациях;

* развивать определенный вид мышления (например, наглядно-образного, теоретического);

* усиливать мотивацию обучения (например, за счет изобразительных средств программы или вкрапления игровых ситуаций);

* формировать культуру познавательной деятельности и др.» [260, С.231].

Термин «учебная компьютерная среда» употребляют многие исследователи. Сметанников А.Л. считает, что «учебная компьютерная среда» применяется «… для изучения отдельных тем и разделов дисциплин, усвоение которых направлено на формирование функциональных навыков умственных действий. Суть их заключается в том, что учащемуся предоставляется математическая, информационная или структурная модель обучаемого объекта, явления или процесса (среда)» [336, С.22 ].

Под термином обучающая компьютерная моделирующая среда мы понимаем интерактивную среду, в которой можно изучать поведение среды (объекта, явления или процесса), самостоятельно создавать интерактивные эксперименты. Так в компьютерной среде «Живая Физика» учащиеся могут изучать движение тел в любых полях, например гравитационном или электромагнитном [48].

Современные ППС и телекоммуникационные средства обучения должны удовлетворять дидактическим требованиям:

1) соответствия содержанию обязательного минимума физического образования и одновременного превышения этого минимума;

2) интерактивности моделей;

3) обратной связи;

4) обеспечения условий для формирования исследовательских умений;

5) единства обучающей и контролирующей функций;

6) разнообразия видов и дифференцированности заданий;

7) соответствия возможностям учащихся и создания условий для индивидуального роста.

В последнее время, в связи с развитием технических возможностей современных компьютеров, стало реальным соединение всех вышеперечисленных свойств ППС в одном мультимедийном учебном компьютерном диске. Именно к таким поколениям ППС относятся «Открытая Физика» [72].

Несмотря на то, что новый компьютерный курс «Открытая Физика» ориентирован на индивидуальную, самостоятельную работу школьников, он может с успехом использоваться и на уроках физики. В данном компьютерном мультимедийном курсе имеются более 100 анимационных и интерактивных моделей, позволяющих в динамике проиллюстрировать изучаемое физическое явление, лабораторные работы, задачи, тесты, в том числе снабженных подробными решениями.

Сначала учащийся должен дать ответ на поставленный вопрос, а затем проверить правильность полученного результата, выполнив компьютерный эксперимент. Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. До компьютерного эксперимента целесообразно проводить реальный физический эксперимент [31].

Модели дают возможность в широких пределах изменять условия физических экспериментов (массы, скорости, ускорения, жесткости пружин, температуры, характер протекающих процессов и т.д.).

Например, в компьютерной модели «Изобарный процесс» в компьютерном курсе «Открытая физика 2.0» моделируется изобарный процесс, т.е. процесс квазистатического расширения или сжатия идеального газа при постоянном давлении. Давление газа можно выбирать. Приводится график зависимости для изобарного процесса, выводится энергетическая диаграмма, на которой указываются количество теплоты Q, полученной газом, произведенная работа A и изменение его внутренней энергии U

В компьютерной модели «Вынужденные колебания» демонстрируются вынужденные колебания груза на пружине. Изменяющаяся по гармоническому закону внешняя сила приложена к свободному концу пружины. Внешняя сила начинает действовать на колебательную систему при нажатии кнопки «Старт»; поэтому компьютерная модель позволяет продемонстрировать не только установившиеся вынужденные колебания, но и процесс установления (переходный процесс). В модели можно изменять массу груза m, жесткость пружины k и коэффициент вязкого трения b. Выводятся графики зависимости от времени координаты и скорости груза и другие параметры колебаний, при этом одновременно показывается резонансная кривая. Можно обратить внимание учащихся на то, что установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте вынуждающей силы и показать, что резонанс наступает, когда эта частота приближается к собственной частоте колебательной системы (рис.2).

Такая интерактивность перед учащимися открывает огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Следует отметить, что в компьютерных моделях воссоздаются реальные количественные условия физических экспериментов. Это в значительной степени способствует выработке у учащихся ощущения реальных масштабов физических явлений и процессов.

Безусловно, компьютерные лабораторные работы рекомендуется проводить только после реальных физических экспериментов. Методику проведения компьютерной лабораторной работы приведем на примере компьютерной лабораторной работы «Взаимодействие параллельных токов». После простых по подготовке к демонстрации опытов «Взаимодействие двух параллельных токов» с лентами из алюминиевой фольги, подробно разобранных в книге «Демонстрационный эксперимент по физике. Том 2» [109, С.76 - 78], акцентирования внимания учащихся на то, что силовые линии магнитного поля вокруг проводника с током являются концентрическими окружностями и лежат в плоскости, перпендикулярной этому проводнику и проведения фронтального эксперимента по взаимодействию двух круговых токов, используя проволочные мотки, ключ, штатив, цветные соединительные провода и источник постоянного тока на 4 В, рекомендуется ознакомиться с соответствующей интерактивной моделью

После ответов на контрольные вопросы в тестовой форме выполняются задания. Например, задание № 1 «По двум бесконечным параллельным проводникам протекают токи 1 А и 2 А в разных направлениях. Расстояние между проводниками 0,8 м. Определить величину и направление индукции магнитного поля на расстоянии 0,8 м от каждого проводника. Провести компьютерный эксперимент и проверить Ваш ответ».

Предполагается, что учащиеся могут данное задание выполнить, решая задачу, а затем проводят компьютерный интерактивный эксперимент и проверяют свое решение. Учащимся рекомендуется объяснять, что данный компьютерный интерактивный эксперимент - учебный. В науке компьютерное моделирование применяют для решения сложных задач, например, для анализа эволюции звезд различной массы и химического состава.

Методика проведения компьютерной лабораторной работы «Взаимодействие параллельных токов» приведена в Приложении № 1.

Нами была разработана методика самостоятельного составления компьютерных лабораторных работ, используя интерактивные модели из мультимедийного курса «Открытая Физика 2.5». Для этого рекомендуется использовать тот же алгоритм для создания лабораторных работ, который применен в данном мультимедийном курсе. В качестве примера была взята сложная тема для усвоения учащихся из термодинамики - «Работа газа». Именно по данной теме в мультимедийном курсе имеется интерактивная модель, используя которую и можно разработать компьютерную лабораторную работу, в ходе решения задач которой необходимо делать компьютерные эксперименты. Сначала рекомендуется разобрать теорию вопроса, затем ответить на контрольные вопросы, потом выполнить задачи, при решении которых необходимо провести компьютерный эксперимент и проверить полученный результат.

Таким образом, разработана структура тестов и заданий, проверяемых компьютерным экспериментом. Разработаны методические рекомендации по самостоятельному конструированию компьютерных лабораторных работ с помощью интерактивных моделей по физике, рекомендации включены в мультимедийный курс «Открытая Физика 2.5».

В курсе «Открытая Физика» компанией ФИЗИКОН использована Интернет технологии (Java, HTML, Internet Explorer в качестве броузера и т.д.), что позволяет использовать этот учебный диск для проектов дистанционного образования в сети Интернет по паролю доступа в образовательный портал «Открытый Колледж» (http://www.college.ru). Именно это делает компьютерный курс исключительно интересным для методической работы учителя [87, 92]. Каждый учащийся может получить индивидуальный контрольный тест из базы данных, созданный в трех вариантах сложности, получить электронную консультацию по решению теста, при этом задания формируются индивидуально, в зависимости от возраста и уровня знаний ученика, ведется журнал достижений [91, 92]. На рис.4 показана структура формирования тестов (количество вопросов, тема, уровень сложности может варьироваться).

Если учащийся не смог ответить на тест, он после консультации с виртуальным учителем и возврата в текст электронного учебника вторично получает уже принципиально другой набор тестовых заданий. А поскольку база данных задач на сервере значительна, то решение всех тестовых задач каждым учащийся носит объективный характер и может быть оценено учителем на каждом занятии с выставлением соответствующей отметки уже в журнал класса. Кроме этого, учитель может и сам воспользоваться огромным количеством тестов из базы данных, это намного превышает количество тестов, опубликованных лабораторией аттестационного тестирования Московского института открытого образования (МИОО). Кроме этого, многие тесты достаточно сложны и интересны.

При использовании на уроке данных курсов для учителя открываются широкие возможности для учителя по совершенствованию структурирования урока. Учитель в зависимости от уровня подготовки учащихся и изучаемого материала может подобрать из курса иллюстрации физических процессов и явлений, задачи, тесты, лабораторные работы.

Наблюдения при различных условиях опыта «живых» моделей физических явлений с последующим обсуждением и теоретическими оценками вызывает у учащихся повышенный интерес и создает в классе атмосферу коллективного творчества.

Обобщая выше сказанное, можно сделать вывод о том, что учитель на уроке может использовать учебные компьютерные курсы для:

* демонстраций и иллюстраций текстов, формул, фотографий при изучении нового материала;

* иллюстрации методики решения сложных задач, в том числе сопровождения решения каждой сложной задачи интерактивной моделью происходящего в ней физического процесса («Курс физики XXI века»);

* решения экспериментальных задач с использованием анимационных экспериментов;

* проведения лабораторных работ;

* контроля над уровнем знаний учащихся по методике дифференцированного обучения;

* текущего контроля знаний с использование современных технологий дистанционного обучения;

* самостоятельного создания компьютерного эксперимента в компьютерной среде «Живая Физика».

Практика использования указанных программно-педагогических средств на уроках физики показывает, что, если учащимся предлагать интерактивные модели для самостоятельного изучения, то учебный эффект оказывается чрезвычайно низким. Для эффективного вовлечения учащихся в учебную деятельность с использованием интерактивных компьютерных моделей необходимы индивидуальные раздаточные материалы с заданиями и вопросами различного уровня сложности. Кавтрев А.Ф. перечислил основные виды заданий, которые можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями [161]:

Ознакомительное задание. Это задание предназначено для того, чтобы помочь учащемуся осознать назначение модели и освоить её регулировки. Задание содержит инструкции по управлению моделью и контрольные вопросы.

Компьютерные эксперименты. В рамках этого задания учащемуся предлагается провести несколько простых экспериментов с использованием данной модели и ответить на контрольные вопросы.

Экспериментальные задачи. Это задачи, для решения которых учащемуся необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов.

Тестовые задания. Это задания с выбором ответа, в ходе выполнения которых учащийся может воспользоваться компьютерной моделью.

Исследовательские задания. Учащемуся предлагается самому спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые подтверждают или опровергают некоторую закономерность. Наиболее способным учащимся предлагается самостоятельно сформулировать ряд закономерностей и подтвердить их экспериментом.

Творческие задания. В рамках таких заданий учащиеся сами придумывают задачи, формулируют их, решают, а затем ставят компьютерные эксперименты для проверки полученных ответов.

Перечисленные задания помогают учащимся быстро овладеть управлением компьютерной моделью, способствуют осознанному усвоению учебного материала и пробуждению творческой фантазии. Особенно важно то, что учащиеся получают знания в процессе самостоятельной работы, так как эти знания необходимы им для получения конкретного наблюдаемого на экране компьютера результата. Учитель на таком уроке выполняет лишь роль помощника и консультанта.

Мультимедийных курсов по астрономии, содержащих интерактивные модели, нет. Разработка такого мультимедийного курса по астрономии, соответствующего школьному астрономическому образованию, имеющему методическую поддержку через Интернет, и явилась частью данного исследования.

Таким образом, можно предложить использование компьютера в кабинете физики различными способами:

1) с целью демонстрации, обучения и тестирования готовые обучающие и демонстрационные программы, современные мультимедийные интерактивные компьютерные диски;

2) в качестве компьютерных проектных сред;

3) для готовых компьютерных лабораторных комплексов при проведении экспериментов, демонстраций, измерения физических величин, для лабораторных работ. Например, набор «ЛЕГО-лаборатория» (русская версия ИНТа), компьютерная карта «ФизЛаб» с функциями осциллографа, генератора сигналов переменного тока и самописца, компьютерная лаборатория Philip Harris, состоящая из набора датчиков и предназначенная для проведения демонстрационных экспериментов и лабораторных работ, лабораторный многоцелевой измерительный комплекс L-микро фирмы СНАРК;

4) в качестве самостоятельных проектных исследований с использованием АЦП (аналого-цифровых преобразователей) и компьютера;

5) для телекоммуникационных технологий обучения физике и астрономии.

В параграфе дана характеристика программно-педагогических средств для различных операционных систем (DOS, WINDOS, MAC) по физике и астрономии, рассмотрены основные способы применения ППС на уроках, основные виды заданий и способы их использования на уроках, а также рассмотрены различные возможности применения компьютеров в учебных целях. Показано, что не существует мультимедийного курса по астрономии, отвечающего современным дидактическим требованиям.

II.2. Методика применения телекоммуникационных средств в преподавании астрономии и физики

Проблеме использования телекоммуникационных технологий в образовании посвящены исследования Медведева О.Б., Полат Е.С., Сметанникова А.Л., Смирнова А.В. и др. [225, 276, 336, 337, 115 и др.].

С самых первых дней развития Интернет в образовании, прежде всего, разрабатывался проектный метод обучения на основе телекоммуникационных средств, которые рассматривались как асинхронная текстовая коммуникация [358]. 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 телекоммуникационные 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 или астрономии. Для выделения не просто доступной и понятной, но интересной и полезной для учащегося информации, рекомендуется использовать метод проектной работы, создание учебно-исследовательских заданий [61].

...