Использование информационно-коммуникативных технологий и элементов интеграции как средства повышения эффективности обучения учащихся на уроках физики

Технологии использования ИТ в системе профессионального образования. Инновационная роль виртуальных лабораторных работ и компьютерных практикумов. Универсальные лаборатории, как сложные моделирующие системы. Организация дидактического эксперимента.

Рубрика Педагогика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 02.10.2015
Размер файла 769,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Можно надеяться, что приведенная классификация и примеры программ помогут разработчикам виртуальных компьютерных лабораторий в выборе вида реализации программы. Большинство ссылок в данной статье ведут на Интернет-страницы с описанием программ, снимками экрана (screenshots), возможностью скачать их ознакомительные демо-версии или даже рабочие приложения на языке Java.

3. Методика решения физических задач с применение ИТ

3.1 Решение физических задач как основной метод обучения физике

Решение физических задач - один из основных методов обучения физике. С помощью решения задач сообщаются знания о конкретных объектах и явлениях, создаются и решаются проблемные ситуации, формируются практические и интеллектуальные умения, сообщаются знания из истории науки и техники, формируются такие качества личности, как целеустремленность, настойчивость, аккуратность, внимательность, дисциплинированность, развиваются эстетические чувства, формируются творческие способности.

В период ускорения научно-технического прогресса на каждом рабочем месте необходимы умения ставить и решать задачи науки, техники, жизни. Поэтому важнейшей целью физического образования является формирование умений работать со школьной учебной физической задачей, особенно с применением информационно-коммуникационных технологий.

Последовательно это можно сделать в рамках предлагаемой ниже программы, целями которой являются:

· развитие интереса к физике, к решению физических задач;

· совершенствование полученных в основном курсе знаний и умений;

· формирование представлений о постановке, классификации, приемах и методах решения школьных физических задач.

Программа факультативного спецкурса.

Программа факультативного спецкурса согласована с содержанием программы основного курса. Она ориентирует студента колледжа на дальнейшее совершенствование уже усвоенных знаний и умений, на формирование углубленных знаний и умений.

Для этого вся программа делится на несколько разделов.

Первый раздел носит в значительной степени теоретический характер. Здесь студенты колледжей

· знакомятся с минимальными сведениями о понятии «задача»,

· осознают значение задач в жизни, науке, технике,

· знакомятся с различными сторонами работы с задачами. В частности, они должны знать основные приемы составления задач, уметь классифицировать задачу по трем-четырем основаниям и применять для решения различные компьютерные программы .

В первом разделе при решении задач особое внимание уделяется

ь последовательности действий,

ь анализу физического явления,

ь проговариванию вслух решения,

ь анализу полученного ответа.

Если в начале раздела для иллюстрации используются задачи из механики, молекулярной физики, электродинамики, то в дальнейшем решаются задачи из разделов курса физики старших классов (1, 2 курс колледжа). При повторении обобщается, систематизируется как теоретический материал, так и приемы решения задач, принимаются во внимание цели повторения при подготовке к государственному экзамену. Возможно шире должны использоваться задачи, связанные с профессиональными интересами школьников, задачи межпредметного содержания. При работе с задачами систематически обращается внимание на мировоззренческие и методологические обобщения: потребности общества и постановка задач, задачи истории физики, значение математики для решения задач, ознакомление с системным анализом физических явлений при решении задач и т. д.

При изучении первого раздела программы учитель использует разнообразные приемы и методы:

· рассказ и беседа учителя,

· выступления школьников,

· подробное объяснение примеров решения задач, с возможным презентационным показом решения некоторых задач с помощью виртуальной доски,

· коллективная постановка экспериментальных задач, возможный показ виртуального эксперимента,

· индивидуальная и коллективная работа по составлению задач,

· конкурс на составление лучшей задачи, знакомство с различными задачниками и т.д.

При подборе задач в первом разделе программы необходимо использовать возможно шире задачи разнообразных видов. Основным при этом является развитие интереса учащихся к решению задач, формирование определенной познавательной деятельности при решении задачи.

В итоге школьники должны уметь классифицировать предложенную задачу, составлять простейшие задачи, последовательно выполнять и проговаривать этапы решения задачи средней трудности.

Второй раздел. При решении задач по механике, молекулярной физике, электродинамике главное внимание обращается

· на формирование умений решать задачи,

· на накопление опыта решения задач различной трудности.

Развивается самая общая точка зрения на решение задачи как на описание того или иного физического явления физическими законами. Содержание тем подобрано так, чтобы формировать при решении задач основные методы данной физической теории.

В механике это описание движения материальной точки (модели тела) законами Ньютона и описание движения физической системы законами сохранения. Идея относительности механического движения рассматривается при решении системы задач, описании явления в разных системах отсчета.

В молекулярной физике описание трех состояний вещества осуществляется на основе положений молекулярно-кинетической теории и их следствий, термодинамический метод раскрывается в применении его для описания процессов с идеальным газом, в решении комбинированных задач на явления превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое.

В электродинамике плодотворность идеи объяснения изучаемых физических явлений на основе рассмотрения движения зарядов и существования электромагнитного поля должна подчеркиваться при решении всех задач. Конкретным проявлением этой идеи является описание явлений теми или иными конкретными законами.

Содержание программных тем[25] обычно состоит из трех компонентов:

1. в ней определены задачи по содержательному признаку,

2. выделены характерные задачи или задачи на отдельные приемы,

3. даны указания по организации определенной деятельности с задачами.

Подбор задач осуществляется учителем исходя из конкретных возможностей учащихся. Рекомендуется прежде всего использовать задачники из предлагаемого списка литературы. В необходимых случаях используются школьные задачники. При подборе задач большее внимание, чем в основном курсе, уделяется задачам технического и краеведческого содержания, занимательным и экспериментальным задачам. Повышение познавательного интереса школьников достигается как подбором задач, так и методикой работы с ними.

На занятиях применяются коллективные и индивидуальные формы работы: постановка, решение и обсуждение решения задач, подготовка к олимпиаде, подбор и составление задач на тему и т. д. Предполагается также выполнение домашних заданий по решению задач [26,27].

Расчетные задачи решаются по формулам, и учитель вправе требовать знания формул. Это же предполагает и программа в требованиях к знаниям и умениям обучаемых. Отсюда и вытекает отдельный этап в подготовке к решению задач - обучение учащихся анализировать формулы [28, 29, 30].

Алгоритм анализа формулы может быть следующим:

1. Правильно прочитать формулу.

2. Назвать величины, входящие в формулу, и единицы их измерения.

3. Указать взаимосвязь между величинами, входящими в формулу, уметь графически изображать эту взаимосвязь.

4. Обосновать формулу с точки зрения причинно-следственных связей.

5. Указать и обосновать практическое применение формулы.

После усвоения формулы учитель может предложить обучаемым общие требования по умению работать с формулой, необходимой для решения задач по данной теме.

Умение работать с формулой предполагает:

1. Знание формулы.

2. Умение анализировать формулу.

3. Знание опытов, подтверждающих справедливость формулы, умение рассказать об этих опытах (использовать алгоритм рассказа «об опытах»).

4. Знание формулировки закона, если формула - математическое выражение закона.

5. Знание и рассказ о практическом применении данной формулы (в приборах, механизмах, машинах, быту).

6. Составление и решение стандартных задач с использованием данной формулы (формул).

7. Умение выражать из формул величины и проверять их единицы измерения.

8. Умение графически изображать зависимость между величинами, входящими в формулу, и по графикам устанавливать взаимосвязь между величинами.

Понятия «сложность задачи» и «трудность задачи» часто в методике преподавания физики применяются как понятия-синонимы, поскольку ими характеризуется и субъективная сторона задачи - сможет ли ее решить школьник или не сможет (рисунок 8).

Трудность задачи в большей степени характеризует процесс ее решения, чем содержание, сложность же - наоборот.

Наряду с субъективными признаками рассматриваемых понятий имеются и объективные. Их можно выделить исходя из анализа структуры физической задачи, который может выглядеть так [31]:

- Структура задачи

В личностно-ориентированном подходе решения задачи с применением ИТ процесс обучения организуется на основе следующих принципов:

1. знание и учет особенностей учащихся;

2. успешное обучение учащихся на доступном для них уровне;

3. сотрудничество учителя и ученика в процессе обучения;

4. эффективная организация самостоятельной работы учащихся на занятиях.

Принципиальным отличием занятий с учащимися при решении задач, является освоение ими способа самостоятельного поиска и конструирования решений, является необходимость в визуализации учителем своих умственных действий в частности с применением информационно-коммуникационных технологий. Одним из способов такой визуализации является фиксация в памяти учащихся виртуальных презентаций, обучающихся программ решения задач, и программ которые полностью являются пакетом учебных мультимедийных компьютерных программ и Internet-систем дистанционного обучения в области естественных наук, ориентировочной основы его действий, направленных на поиск решения задачи. Например в таблице 2 можно увидеть соответствие моделей и понятий (кинематика), которые можно использовать при решении задач [32].

Таблицы 3

Соответствие моделей и понятий (кинематика)

МОДЕЛЬ

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Прямолинейное равномерное движение

Перемещение (начальная точка, конечная точка), путь, скорость, время движения.

Прямолинейное равноускоренное движение

Перемещение (начальная точка, конечная точка), путь, скорость (начальная скорость, конечная скорость), время движения (начальный момент времени, конечный момент времени), ускорение.

Равномерное движение по окружности

Перемещение (начальная точка, конечная точка), путь, скорость, время движения, угол поворота, количество оборотов, частота, угловая скорость, период, центростремительное ускорение.

Смешанная модель

Понятия включенных моделей + участок движения, интервал движения, средняя скорость, средняя путевая скорость.

Пример алгоритма решения задач (кинематика равномерного движения)

· - причитать условие;

· - нарисовать чертеж (тело, направление его движения, начальное и конечное положение);

· - обозначить на чертеже необходимые моменты времени и отрезки движения;

· - выписать для каждого промежутка движения формулу равномерного движения;

· - подставить в формулы все известные величины;

· - решить полученную систему уравнений.

Для подготовленных школьников можно организовать работу с компьютерной обучающей программой. Курс содержит электронный гипертекстовый учебник и справочник, включающий в себя основной и дополнительный теоретический материал и достаточно полный комплект сложных задач, которые предлагается решать в интерактивном режиме, пошагово. Модели изучаемых явлений и возможности анимации позволяют разобраться и в условии предложенной задачи, и в методах ее решения.

В школах с современным компьютерным классом учитель может организовать сначала вводное занятие для быстрейшего овладения навыками общения с программой, а затем - занятия по обучению решению задач и проверке знаний, причем оценить успехи школьника позволит дневник. Полезно провести вводный курс работы, а затем уже предлагать учащимся самостоятельно работать с отдельными задачами в кабинете информатики, на дополнительных занятиях или дома с последующим обсуждением или разбором содержания задач и методик их решения. Задачи сопровождаются анимацией, развернутым табло выбора возможных вариантов и т.д (РИСУНОК .

Рисунок 8. - Классификация физических задач, решаемых с помощью компьютера

В каждый из этих ресурсов могут входить анимации, интерактивные модели, видеофрагменты, виртуальные лаборатории. Но только в компьютерных средах пользователь имеет возможность самостоятельно создавать принципиально новую модель. Но в некоторые мультимедийные курсы входят компьютерные среды. Так в мультимедийный курс Физика 7 - 11 класс [33].

Анимация - способ организации графической информации, позволяющий отображать динамические процессы. Анимацией называется модель, в которой возможно отражение явления, процесса, движение объектов без влияния пользователя на это движение, процесс, явление [34].

Интерактивной моделью называют такую анимацию, параметры которой можно изменять. Название «интерактивные модели» произошло от английского interactive - взаимодействие. В интерактивных моделях объединяются моделинг, коммуникативность и производительность. Мультимедиа файлы без интерактива превращаются в обычные технические средства обучения - видеофрагменты, коллекцию звуковых файлов, коллекцию рисунков. С помощью интерактивных моделей можно сконструировать компьютерную лабораторную работу.

Компьютерной моделирующей средой (виртуальной лабораторией) называют интерактивную среду, в которой можно создавать самостоятельные интерактивные эксперименты, моделировать процессы и явления.

3.2 Методика пошагового формирования физических понятий, при решении задач с помощью ИКТ.

Мы составили авторскую методику формирований физических понятий при решении задач с использованием информационно-коммуникационных технологий используя работы Усовой А.В., И Шардакова, Тулькибаевой Н.Н. и Карасевой Э.М. [35, 36, 37, 38]

1 этап. Актуализация содержания понятия

На этом этапе происходит актуализация содержания понятия силы как физической величины, характеризующей действие одного тела на другое, сформированное у них после изучения школьной физики. Это действие выражается в изменении скорости движения тел или приводит к их деформациям. Вопрос о деформации тел при их непосредственном соприкосновении достаточно подробно изложен в учебниках. Измерение скорости движения тел при взаимодействии показывают на ряде наглядных опытов.

На занятии СРОП (самостоятельная работа обучающегося под руководством преподавателя) по теме: «Кинематика», каждый студент получает задание для самостоятельной работы, с указанием вопросов, на которые он дает ответы, до начала изучения темы: «Динамика системы материальных точек». В задании указывается время в течение которого вопрос должен быть подготовлен по данной теме [39, 40].

Задание.

1. Определение понятия «сила».

2. Ее обозначение.

3. Единицы измерения, в определенных системах измерения.

4. Формула, выражающая связь силы с другими величинами.

5. Способы измерения величины силы.

6. Известные виды сил.

7. Классификационная схема «Силы в механике

- Определение понятия. Студентам объясняют, как дается определение понятия «сила». Обращают внимание на указания его ближайшего рода и видового отличия [41,42].

Ближайшим родовым понятием служит «взаимодействие», а видовым отличием воздействие на себя и на другие объекты. Так строится определение: «Силой, действующей на тело, называют физическую величину, являющуюся мерой механического действия на это тело со стороны какого-либо другого тела». Студентам напоминают о существовании в науке четырех видов сил (взаимодействий): сила тяготения (гравитационная), электромагнитные силы, ядерные силы и слабые взаимодействия. В классической механике рассматривают проявление сил первых двух типов.

- Применение понятий в решении элементарных задач учебного характера. При решении первых тренировочных задач внимание обращают на знание и понимание зависимости и операции с единицами измерения. Важно помнить, что второй закон Ньютона, справедлив только в инерциальных системах отсчета.

Последующие задачи служат для формирования понятия о векторном характере величин, входящих в формулу второго закона Ньютона. При этом повторяют, как определять направление векторных величин.

При изучении темы «Силы в природе» студенты получают понятие о типах сил. В соответствии с этим решают задачи на закон всемирного тяготения, закон Гука, законы трения [43].

На занятии СРСП (самостоятельная работа студента с преподавателем) преподаватель выясняет уровень подготовленности студентов по теме «Законы Ньютона», изученной в средней школе и сформированности понятия «сила».

Цель занятия: выявить знания; выполнить их анализ с позиции научности знаний; принять решение о способах развития имеющихся знаний: показать их не соответствие с научными, предпринять меры по коррекции знаний у студентов; показать их соответствие на определенном уровне - включить в процессе дальнейшего развития; научить выделять существенные признаки изучаемого понятия; установить связи между ранее изученными понятиями и подготовить к изучению новых понятий.

Формы работы: итоговая беседа; решение комбинированных задач.

Структура занятия.

Беседа с целью анализа (повторения) понятия «сила».

Студентам объясняют, как дается определение понятия «сила». Обращают внимание на указания его ближайшего рода и видового отличия.

Решение задач и упражнений, в которых присутствует понятие «сила».

- Уточнение и закрепление в памяти существенных признаков понятия. Можно предложить студентам упражнения на выявление общих существенных свойств класса наблюдаемых объектов (рисунок 10).

Рисунок 9. - Интерактивная модель«Результат действия силы»

Существенными признаками для понятия сила является действие или взаимодействие. Исследованиями ученых доказано, что сила есть действие над телом, либо взаимодействие тел между собой независимо от рода ее происхождения.

Очень важно в объектах, предлагаемых студентам, при наличии общих существенных признаков, умение выделять несущественные признаки,

Пример. Связь между какими явлениями показывает ІІ закон Ньютона, через какие величины записывается ІІ закон Ньютона.

Пример. Выберите из списка те величины, связь между которыми показывает закон Гука: «ускорение, масса, жесткость, объем, плотность, скорость, удлинение».

2 этап. Установление связи данного понятия с другими

От последовательности введения понятий масса и сила зависит и подход к изучению закона, описывающего причинно-следственную связь между явлениями [44]. Если первоначально вводится понятие силы, то следующим устанавливается зависимость ускорения от силы, а затем введение понятия массы из постоянства для данного тела отношения . Отсюда для второго закона Ньютона получается выражение (рисунок 11).

Рисунок 10. Взаимодействие двух тел разной массы

При такой методике основное содержание второго закона динамики - зависимость ускорения от приложенной к телу силы - устанавливается до введения понятия массы. В этом случае второй закон Ньютона содержит утверждение о пропорциональности ускорения силе, и в то же время он используется для определения массы. Такая последовательность введения понятий имела место еще в работах Л. Эйлера, и далее ее разрабатывал Д. Максвелл. В настоящее время такой метод введения понятия - к понятию силы переходят, после введения понятия массы опираясь на второй закон Ньютона. Выявлению связей между величинами способствует анализ формул и теоретические рассуждения [45,46,47].

Связь между понятиями «масса», «работа» и «энергия» осуществляется также посредством теоретических рассуждений, построение графиков зависимости между величинами, анализа выведенных формул, таких как , , .

Из формул видно, что масса связана с понятиями работы и энергии так же, как и сила - прямо пропорционально. Эти выводы студенты должны сделать самостоятельно. Можно предложить студентам построить диаграмму (рисунок 12).

3 этап. Обогащение понятия

На этом этапе происходит обогащение понятия силы [48]. Перед студентами ставится проблема: во всех ли системах отсчета выполняется закон инерции? В связи с этим дается понятие об инерциальной и неинерциальной системах отсчета, а также студентов знакомят с силами действующими в неинерциальной системе отсчета

Обогащение понятия силы у обучающихся происходит как на лекционных занятиях так и на лабораторных занятиях, выполняемых обучающимися самостоятельно или под руководством преподавателя.

С понятием «сила» студенты впервые знакомятся в школьном курсе физики, далее оно продолжает формироваться в курсе физике высшей школы. Обогащение понятия происходит по мере изучения всего курса. Для того чтобы детально проследить процесс обогащения понятия, возникает необходимость поиск

Связь силы с ранее изученными понятиями

Работая с электронным учебником, студент наглядно представляет все физические процессы, которые в реальных условиях не могут быть выполнены [49].

Наглядность - это особый вид познавательной деятельности по отношению к конкретным предметам и явлениям, «это тот практический, реальный анализ и синтез, который представляет первую ступень познавательной деятельности и в этом смысле предшествует умственному анализу и синтезу, совершающему в словесном плане» [50, стр. 102].

Процесс формирования понятий и овладение умениями самостоятельно приобретать знания осуществляется интегративно и в основе своей имеет такие ориентиры: работа с учебником; выполнение наблюдений и опытов; работа аналитико-вычислительного характера (анализ формул, установление характера функциональной зависимости между величинами, определение единиц измерения величин на основе анализа формул, установление соотношения между единицами измерения физических величин и т.д.)

Наблюдение в учебном процессе является одним из важных методов познания учащимися окружающей действительности, необходимым элементом процесса формирования понятий [51, 52].

Наблюдение лежит в основе эмпирического мышления, которое отражает внешние свойства понятия и полностью опирается на наглядные представления. На этой ступени познания студентов оформляются в различных символических и знаковых системах (словесных и вещественных) сами представления, происходит первичная «идеализация» определенных сторон материальной жизни, и прежде всего тех, которые могут наблюдаться и констатироваться непосредственно в восприятии.

Для того чтобы у обучающихся вырабатывалось устойчивое умение осознанно, самостоятельно планировать наблюдения был создан в совместной деятельности преподавателя и студентов план деятельности наблюдения [53,54].

План деятельности наблюдения

1. Ознакомиться с заданием СРС.

2. Выбрать объект наблюдения.

3. Сформулировать цель наблюдения.

4. Выбрать способ фиксирования наблюдаемого (словесное описание, рисунок или система рисунков, построение графика).

5. Составить план наблюдения.

6. Выяснить условия, необходимые для наблюдения.

7. Создать условия, необходимые для наблюдения.

8. Выполнить наблюдение, сопровождаемое фиксированием получаемой информации.

9. Выполнить анализ результатов наблюдения.

10. Сформулировать выводы и их фиксирование.

При формировании понятия «сила» организуется наблюдение за объектами, которые демонстрирует преподаватель.

Пример. Провести фронтальный эксперимент по выявлению существования двух методов измерения сил.

Цель: пронаблюдать, объяснить существование двух методов измерения сил.

Предварительная беседа. Следует обратить внимание студентов на то, что существует два метода измерения сил: статистический, в которых измеряемая сила уравновешивается известной силой; динамический, путем сравнения изменений движения одного и того же эталонного тела, вызываемых измеряемой силой и силой, принятой за единичную.

В ходе демонстрации может быть составлена таблица, содержащая исходные данные и результаты эксперимента.

А. Экспериментальные и практические работы
Под экспериментом понимают научно поставленный опыт, позволяющий следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Экспериментальный метод дает возможность установить причинно-следственные связи между явлениями, характеризующими свойства тел и явлений [55-58].
При проведении экспериментов самостоятельно у студентов развивается теоретическое мышление, которое «подхватывает» и идеализирует экспериментальную сторону работы, вначале придавая ей форму предметно-чувственного познавательного эксперимента, а затем и эксперимента мысленного, осуществляемого в форме понятия и через понятие.
Перед выполнением первых лабораторных работ студентам можно предложить решить самостоятельно тренировочные упражнения в определении цены деления шкалы лабораторных динамометров, верхнего и нижнего пределов измерения, а также в отсчете показаний приборов [59, 60].
Использование таких заданий перед выполнением лабораторной работы повышает ее эффективность.
Система самостоятельных работ должна способствовать решению основных дидактических задач - приобретению учащимися глубоких знаний, развитию у них познавательных способностей, формированию умения самостоятельно приобретать, расширять и углублять знания, применять их на практике [61, 62].
4 этап. Уточнение и закрепление в памяти существенных признаков понятия
Решение этой задачи достигается организацией специальных групп упражнений.
1) По варьированию несущественных признаков.
2) По дифференцировке сходных понятий.
3) По применению контробраза.

Суть упражнения по варьированию несущественных признаков заключается в том, что в объектах, предлагаемых вниманию, при наличии общих существенных признаков имеются свои индивидуальные различия, индивидуальные (несущественные) признаки. Студенты должны из всего разнообразия признаков выделить существенные.

Упражнения на уточнение и закрепление в памяти существенных признаков понятия «сила» решаются на практических занятиях.

Пример. Через блок перекинута веревка, на которой укреплены грузы m1=3 кг и m2=1 кг. Вся система находится в лифте, поднимающемся с ускорением а0=2,2 м/с2, направленным вверх. Определить силу натяжения нити пренебрегая трением, массой блока и давлением блока на ось.

Выполнение этого упражнения способствует различению понятий «инерциальной» и «неинерциальной» системы отсчета, а также это упражнение является упражнением с применением контробраза, которое предупреждает возникновения смешения сходных понятий «инерциальной» и «неинерциальной» системы отсчета и способствует уточнению признаков формируемых понятий. После такого рода упражнений студенты хорошо усваивают основные признаки понятий и затем успешно ими оперируют при решении задач.

Пример. Подготовка сообщений по истории физики. При подготовке таких сообщений студенты прослеживают развитие понятия, его обогащение. В памяти студента остаются существенные признаки понятия.

5 этап. Применение понятий в решении элементарных задач учебного характера

Цель данного этапа - выработка у учащихся умения оперировать понятием в решении элементарных задач [63, 64, 65]. При решении этих задач одновременно достигается уточнение и закрепление знаний учащихся о связях и отношениях данного понятия с другими, ранее усвоенными понятиями, а также дальнейшая их дифференцировка [66, 67]. Этот этап реализуется на практических занятиях и на занятиях СРОП (защита индивидуальных задач).

При решении первых тренировочных задач внимание обращают на знание и понимание зависимости и операции с единицами измерения. Важно помнить, что второй закон Ньютона , справедлив только в инерциальных системах отсчета.

Последующие задачи служат для формирования понятия о векторном характере величин, входящих в формулу второго закона Ньютона. При этом уточняется правило определения направления векторных величин и отрабатывается умение работы с проекциями векторов.

При изучении темы «Силы в природе» обучающиеся должны получить понятие о типах сил. В соответствии с этим решают задачи на закон всемирного тяготения, закон Гука, законы трения [68,69,70].

В задачах, в которых идет речь о физических явлениях, происходящих внутри системы ускоренно движущихся тел, решение, основанное на применении второго закона Ньютона, упрощается, если рассматривать явление в неинерциальной системе отсчета, связанной с ускоренно движущимся телом. Соответственно двум движениям тела - поступательному и вращательному - применяют как поступательно движущиеся, так и вращающиеся неинерциальные системы отсчета. В поступательно движущихся неинерциальных системах отсчета второй закон Ньютона выражается уравнением .

Важное значение имеет формирование у студентов обобщенных умений решать задачи, выработка общего подхода к ним. Выражением такого общего подхода являются методические указания.

Пример. Решая элементарные задачи на тему: «Движение тел под действием постоянной силы тяжести и упругих сил» используют методические указания:

Важно помнить, что второй закон Ньютона, выражаемый уравнением

, справедлив только в инерциальных системах отсчета.

В подавляющем большинстве задач, в которых рассматривают движение тел относительно поверхности Земли, систему отсчета, связанную с Землей, можно считать практически инерциальной. Тогда следует считать инерциальной и всякую другую систему отсчета, которая движется поступательно и без ускорения относительно Земли.

Сила тяжести равна , где m-- масса тела, -- ускорение свободного падения в системе отсчета, связанной с Землей. Вследствие суточного вращения Земли сила тяжести немного отличается от силы, с которой тело притягивается к Земле. Однако при решении задач этим различием обычно пренебрегают, полагая систему отсчета, связанную с Землей, инерциальной.

Во многих задачах динамики можно пренебречь силами трения, возникающими при движении тел, и считать, что тела находятся лишь под действием силы тяжести и упругих сил реакции связей (давлений опор, натяжений нитей и т. д.). Здесь, ограничимся лишь теми случаями, когда размеры тел оказываются несущественными для решения задачи, т. е. будем рассматривать тела как материальные точки.

4. Для решения задач динамики составляется уравнение движения материальной точки, выражающее второй закон Ньютона. При этом рекомендуется следующий порядок действий:

4.1. Сделать чертеж и на нем изобразить все силы, действующие на данное тело.

Выражение «на тело действует сила» всегда означает, что данное тело взаимодействует с другим телом, в результате чего приобретает ускорение. Следовательно, к данному телу всегда приложено столько сил, сколько имеется других тел, с которыми оно взаимодействует.

Чтобы правильно определить направление сил, действующих на тело, надо помнить, что сила тяжести направлена вниз по линии отвеса, сила реакции опоры при отсутствии трения -- по нормали к соприкасающимся поверхностям в точке их касания в сторону тела, сила натяжения нити -- вдоль нити в сторону точки подвеса.

4.2. Записать второй закон Ньютона в векторной форме.

4.3. Если силы действуют не по одной прямой, то выбирают две взаимно перпендикулярные оси (два направления) х и у, лежащие в плоскости действия сил. Спроектировав все векторы, входящие в уравнение, на эти оси, записывают второй закон в виде двух скалярных уравнений:

, (1)

В случае прямолинейного движения одну из осей (х) направляют вдоль ускорения , а другую (у) -- перпендикулярно вектору . Тогда ах = РaР, ау = 0 и уравнения (1) упрощаются:

, (2)

5. Если в задаче рассматривается движение системы связанных между собой тел, то уравнение движения записывают для каждого тела в отдельности. Кроме того, записывают уравнения, выражающие так называемые кинематические условия, связывающие ускорения отдельных тел системы (например, равенство по модулю ускорений двух грузов, висящих на нерастяжимой нити, перекинутой через блок). Таким образом, получают систему уравнения, число которых равно числу неизвестных.

Если тела связаны нитью, массой которой можно пренебречь, то силу натяжения нити считают одинаковой по всей ее длине. Действительно, предположив, что на участок нити длиной l действуют со стороны соседних частей силы , запишем по второму закону Ньютона

где m -- масса рассматриваемого участка нити. Полагая m = 0, получим . Если нить перекинута через блок, то равенство выполняется только в том случае, когда можно пренебречь массами нити и блока, а также силами трения, возникающими при вращении блока.

На занятиях по СРОП студенты сдают задачи, которые они получили в качестве индивидуального задания по определенному перечню тем, отведенных на самостоятельное изучение, обеспеченных учебно-методической литературой и рекомендациями. Задания находятся в таблице, в которой каждый студент в соответствии со своим номером (его можно получить у преподавателя) получает список задач.

6 этап. Применение понятия в решении задач творческого характера

Реализация этого этапа включает применение формируемого понятия при решении расчетно-вычислительных и качественных задач, в которых требуется: а) предсказать ход явлений по заданным условиям; б) предсказать, как изменятся результаты при других условиях; в) разработать новый вариант опыта, демонстрирующего данное явление [71].

Пример.

Определите жесткость пружины динамометра для лабораторных работ. Задача может быть представлена в виде фронтального эксперимента.

Пример.

На занятии во время демонстрации упругих свойств ученик растянул пружину на какую-то длину. Учитель перехватил пружину в этом положении и растянул ее на столько же. В каком случае совершена большая работа и во сколько раз? Задачу решить аналитически и графически.

7 этап. Классификация понятия

Цель этого этапа уточнить и обобщить знания о понятии. Целью является ознакомление с сущностью и правилами классификации понятия, раскрыть значение систематизации накопленных знаний.

При классификации очень важно определить основание деления - существенный признак, по которому более общее (родовое) понятие делится на виды. Первоначальные сведения по классификации понятий начинают формироваться у учащихся в VII-VIII классах. Однако, как правило, при изучении школьного курса физики учителя не уделяют должного внимания построению классификационных схем, поэтому данная работа продолжается под руководством преподавателя.

При классификации деление последовательно производится сверху донизу. Составляется стройная и развернутая система, и каждый ее член получает в этой системе свое место.

Классификация помогает вырабатывать строгую терминологию. Так при изучении понятия «сила» учащимся можно предложить следующие задания:

1. Определить отношения понятий «единица измерения силы», «ньютон», «дина». Указать родовое понятие и его виды, изобразить их отношения с помощью схемы (рисунок.13);

Рисунок 11. - Задание 1 на установление отношений соподчинения.

2. Определить отношения понятий «виды сил», «гравитационные», «электромагнитные», «ядерные силы - сильные взаимодействия», «ядерные силы - слабые взаимодействия» и изобразить его с помощью схемы (рисунок 14 ).

Один из примеров классификации представлен в таблице 6. В ней представлены виды сил, их основные признаки, вычислительные формулы и условия их применимости. Студентам предлагается выполнить задание, В котором родовым понятием будет размерность силы или законы Ньютона и занести в классификационную схему (табл. 4).

Таблица 4

Общие подходы к решению типичных задач по теме «Законы Ньютона»

Ситуация

Действующие силы

Уравнение движения

в векторной форме

в проекциях

1

2

3

4

5

1

а)

б)

а)

б)

2

3

б)

б)

a)

б)

8 этап. Вторичное более полное определение понятия

На основе новых признаков понятия таких как «мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, взаимодействие материальных тел» вводится обогащение определение, дополняющее первоначальное. «Сила - это физическая векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате, которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму или размеры». О существенных признаках силы говорить, лишь опираясь на второй закон Ньютона, невозможно. Ведь силы являются либо функцией расстояния (сила упругости Fx = -kx, сила тяготения , кулоновская сила ), либо функцией скорости движения тела относительно других тел (сила сопротивления в вязкой среде , ), либо функцией скорости тела относительно системы отсчета (сила Лоренца ). Выделенные этапы являются узловыми моментами в знании студентов о понятии силы.

9 этап. Опора на данное понятие при усвоении нового понятия

Этот этап подразумевает применение данного понятия при изучении нового.

Опираясь на понятие «сила» происходит усвоение понятия «работа».

Обоснование целесообразности определения работы на основе рассмотрения произведения силы на перемещение. Понятие механической работы всегда связано с упорядоченным процессом движения тел под действием сил - это служит некоторым основанием для специального рассмотрения этого произведения.

При определении понятия «потенциальная энергия» в вузе внимание обучающихся обращают на то, что:

- потенциальная энергия относится не к одному телу, а ко всей системе тел и представляет собой энергию взаимодействия тел;

- потенциальную энергию можно определить для тех сил взаимодействия, работа которых не зависит от формы траектории, вдоль которой происходит перемещение, а зависит только от начального и конечного положений тела. Силы, обладающие такими свойствами, называются консервативными (потенциальными).

При усвоении понятия «напряженность гравитационного поля» также опираются на понятие «силы». Напряженность гравитационного поля в рассматриваемой точке численно равна силе, с которой поле притягивает материальную точку единичной массы, помещенную в данную точку поля:

.

При закреплении нового материала на занятии полезно использовать учебник для связи нового материала с пройденным ранее, но родственным, логически связанным с ним. При этом происходит не только закрепление вновь изученного, но и расширение и углубление старого материала, который может предстать в несколько новом свете. Это особенно полезно при формировании основных понятий курса общей физики -- силы, массы, энергии, теплоты и т.д.

10 этап. Новое обогащение понятия

Вводится понятие «неинерциальной системы отсчета», системы отсчета движущейся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета. Следовательно, для описания движения тел в неинерциальной системе отсчета необходимо наряду с силами взаимодействия учитывать неинерциальные силы, обусловленные ускоренным движением системы. Таким образом, понятие «сила» обогащается, и обучающиеся знакомятся с новыми видами сил: с силой инерции и силой Кориолиса.

Для обогащения понятия можно также использовать межпредметные связи физики и экологии, биологии, анатомии, географии [72,73,74,75].

11 этап. Установление новых связей и отношений

К моменту завершения изучения в вузе курса физики обучающиеся знают различные виды силы, формулы для определения силы. Однако все эти знания для студентов технических специальностей вузов разобщены. Возникает необходимость в их систематизации и обобщении. Это может быть осуществлено в процессе обзорного повторения в форме обобщающего семинара или обзорной лекции [76, 77,78].

План обобщающего семинара.

Цель.

1. Систематизация знаний о понятии «сила» .

2. Осознать суть существенных признаков понятия «сила».

3. Установить связь понятия «сила» с ранее изученными понятиями и подготовить к изучению новых понятий.

Формы работы:

Итоговая беседа; обзорные лекции; решение комбинированных задач; просмотр учебных кинофильмов; телепередача.

Структура занятия.

1. Беседа с целью анализа (повторения) понятия «сила».

2. Решение задач и упражнений.

3. Рефераты или сообщения учащихся и их обсуждения.

4. Просмотр фильмов.

5. Подведение итогов.

Мы рассмотрели основные этапы формирования понятия «сила», однако все вышеизложенные ступени можно применить к любому физическому понятию, которое изучается в курсе общей физики.

3.3 Принципы работы с компьютерной обучающей программой по решению задач

Решение задачи в программе разбито на 4 основных этапа: анализ условия задачи; выбор хода решения задачи; составление системы уравнений, описывающих рассматриваемое явление, состояние; непосредственное решение - преобразование полученной системы уравнений и вычисление требуемых величин. Каждый из этапов решения сопровождается рядом вопросов и указаний.

В программе предусмотрены вопросы, позволяющие достаточно подробно объяснить решение задачи, а также вопросы, обращающие внимание не только на ключевые моменты решения задач, но и на методы их решения.

В программу включены как теоретические вопросы, требующие знание теории, так и вопросы, требующие выполнение простых действий, например, найти проекции векторов, записать и преобразовать выражение для нахождения некоторой величины и т.п. Помимо вопросов в программе предусмотрены объяснения наиболее трудных для студентов моментов в решении задачи.

Ответив на поставленный программой вопрос правильно, студент переходит к следующему. В случае неверного ответа он имеет возможность прочитать комментарий, объясняющий (поясняющий), в чём состоит ошибка, а также теоретический материал, необходимый для получения правильного ответа.

Получив неверный ответ на предложенный вопрос, программа выводит сообщение об ошибке, предлагает воспользоваться подсказкой и снова попробовать ответить на вопрос. Таким образом, программа позволяет студентам проверить свои теоретические знания, умения использовать их на практике при решении задач, повторить теоретический материал.

3.4 Рекомендации к самостоятельной работе при использовании компьютерной программы для решения задач

Чтобы применять ИКТ не только на занятиях, но для самостоятельного изучения разделов физики необходимы некоторые рекомендации для работы с компьютерной программой, которые и были нами разработаны.

Приступая к работе с компьютерной программой, необходимо изучить теоретический материал по соответствующей теме курса физики и руководствоваться следующими рекомендациями [79].

1. Работа с программой начинается с выбора уровня задач. Это можно сделать самостоятельно или проконсультироваться с преподавателем.

Если Вы приступили к решению задачи, которая, на Ваш взгляд, оказалась трудной (легкой), постарайтесь до решать ее до конца, а затем выберите задачу более низкого (высокого) уровня сложности.

2. При ответе на вопросы, предлагаемые программой, старайтесь указать тот ответ, выбор которого Вы можете обосновать. В случае неправильного ответа внимательно прочитайте подсказку внизу окна.

Не старайтесь угадать ответы и как можно быстрее закончить работу с программой.

Помните, что основная задача программы - помочь Вам разобраться с основными принципами решения физических задач и научить отвечать на вопросы, аналогичные тем, которые может задать преподаватель при собеседовании по задачам контрольных работ.

3. При работе с программой записывайте свои ответы (решение) в соответствии с рекомендациями, изложенными в таблице 5.

Таблица 5

Схема оформления решения

Факультет Курс Группа

Ф.И.О. студента

Тема занятия

Задача №

Записать полное условие задачи

Решение

1

2

1. Анализ условия

Перечислить рассматриваемые в задаче объекты, указать их состояния и характеристики объектов и состояний

2. План решения

Составить план решения

3. Реализация плана решения

Записать названия и математические выражения используемых законов, аргументируя их выбор.

4. Система уравнений, ее решение

Записать систему уравнений и выполнить ее решение

5. Ответ,

Записать ответ. Если необходимо, то дать анализ ответа

Порядок работы с программой

1. Выберите задачу для решения.

2. Попытайтесь на основе примерных планов, представленных в левой нижней области экрана, разработать план решения выбранной задачи. Запишите его в тетрадь.

3. Попытайтесь самостоятельно на основе составленного Вами плана решить задачу. Если не удается самостоятельно решить выбранную задачу, воспользуйтесь предлагаемой программой.

4. Проверьте свое решение с помощью программы. Последовательно отвечая на вопросы программы, при необходимости внесите коррективы в решение.

5. Решение задачи, а особенно основные моменты решения, а также необходимые теоретические пояснения запишите в тетрадь.

6. Сравните полученные Вами выражение и числовой ответ, с ответом данным в программе.

4. Организация и результаты дидактического эксперимента

4.1 Задачи эксперимента. Критерии эффективности проверяемой программы

Изучение курса физики предполагает решение задач. Решение физических задач способствует закреплению знаний и тренировке в применении изучаемых законов, формирует особый стиль умственной деятельности, особый метод подхода к физическим явлениям. Последнее тесным образом связано с методологией физики как науки.

Решение задач представляет наибольшую сложность для студентов при изучении физики. Умение решать задачи способствует повышению уровня усвоения и понимания физической теории, в связи с этим большое значение имеет формирование у студентов умений и навыков решения физических задач. Важную роль в формировании таких умений и навыков, помимо практических аудиторных занятий, имеет решение задач с помощью компьютера.

Решению задачи должна предшествовать проработка соответствующего раздела теоретической части изучаемого курса. Решение физической задачи представляет собой последовательность научно-обоснованных действий, в результате которых должен быть получен ответ на вопрос задачи.

Анализируя решения разного рода задач по различным дисциплинам, можно сделать вывод, что последовательность действий при их решении практически одинакова. При решении физической задачи с помощью компьютера основными этапами являются:

1) анализ условия задачи;

2) составление плана решения задачи определение роли компьютера, взависимости от рода задачи (качественная -презентации, фильмы, модели; вычислительная - модели, программы Microsoft Excel, экспериментальная -модели);

3) реализация плана решения (возможно получить результаты с помощью введения исходных данных в действующую виртуальную модель) ;

4) составление системы уравнений и нахождение искомых величин;

5) анализ полученного результата.

Итак, решение любой задачи начинается с анализа ее условия. Условие любой физической задачи представляет собой описание некоторого объекта (или системы объектов) и описание физического явления, в котором участвует объект, с некоторыми известными и неизвестными физическими величинами, характеризующими и объект, и явление.

Очевидно, что применение информационной технологии в процессе обучения методики преподавания физики, в частности для решения физических задач по традиционным программам, используемым в профессиональном обучении возможно лишь эпизодически, при изучении отдельных тем. Для более полного и систематического применения информационной технологии в процессе обучения физике необходимо переработать программы в соответствии с учетом возможностей компьютера.

В работе мы рассматривали формирование понятия «силы» при решении физических задач в двух группах в одной группе по традиционной методике, т.е. решении задач без применения информационных технологий, а в другой группе обучающиеся решали задачи с использованием компьютерных технологий.

4.2 Методика проведения дидактического эксперимента и общий анализ его результатов

Был произведен расчет коэффициентов усвоения понятия «сила» с использованием поэлементного анализа до применения формирования понятия «сила» посредством решения задач с помощью информационных технологий. Результаты зафиксированы в протоколе анализа усвоения понятия «сила» студентами до изучения курса общей физики (при обучении в колледже) (табл. 6, 7).

профессиональный образование физика

Таблица 6

Протокол анализа усвоения понятия «сила» (до применения методики, экспериментальные группы, 252 учащихся).

Содержание вопроса

Варианты ответов, их краткая характеристика

Всего студ. давших данный вариант ответа

% от общего количества ответов

1

2

3

4

5

1.

Что называется силой? Как вы понимаете смысл этого слова?

Ответ полный, верный (указаны все признаки силы)

42

16,7

Ответ неполный:

179

71,0

а) указано только изменение движения

55

21,8

б) указано только действие одного тела на другое.

123

48,8

1. Ответ неверный:

30

11,9

а) вместо определения силы дано другое определение

22

8,7

б) понятие силы связано с давлением одного тела на другое.

8

3,2

2

Какие виды силы вы знаете?

1) тяжести

159

63,1

2) трения

121

48,0

3) гравитационные

19

7,5

4) упругости

101

40,1

2

Какие виды силы вы знаете?

5) инерции

77

30,6

6) инерции центробежная

68

27,0

7) инерции переносная

79

31,3

8) инерции поступательная

64

25,4

9) инерции Кориолисова

72

28,6

10) равнодействующая (результирующая)

68

27,0

11) реактивная

42

16,7

12) сопротивления среды

42

16,7

13) центростремительная

60

23,8

14) консервативные

29

11,5

15) неконсервативные

26

10,3

16) квазиупругие

20

7,9

17) центральные

21

8,3

18) диссипативные

54

21,4

19) внешние

69

27,4

20) внутренние

55

21,8

21) движущая

59

23,4

2

Какие виды силы вы знаете?

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.