Педагогические
науки/5. Современные методы преподавания.
К.т.н.
Чаленко А.В., студент Плужник И.О., студент Лыштван Е.В.
Восточноукраинский
национальный университет им. В. Даля, Украина
Влияние информационных и компьютерных технологий на методику преподавания
физики в вузе
Аннотация. Реализация возможностей современных информационных и
компьютерных технологий влечет за собой расширение спектра учебной
деятельности, совершенствование существующих и возникновение новых
организационных форм и методов обучения физике, изменение критериев отбора
содержания учебного материала по физике.
Информационные и компьютерные
технологии необходимо использовать в качестве инструмента измерения,
отображения и воздействия на предметный мир, что приводит к интенсификации процессов
интеллектуального развития и саморазвития личности студента, формированию
умений формализовывать знания о процессе, самостоятельно извлекать знания,
осуществлять «микрооткрытия» в процессе изучения физики.
Ключевые
слова: информационные технологии, компьютерные технологии,
компьютерное моделирование.
Введение. XXI век – век высоких информационных
и компьютерных технологий. В настоящее время
все шире начинают использоваться новейшие информационные технологии и средства
телекоммуникаций не только в научных исследованиях и управлении различными
социальными, экономическими и политическими процессами, но и в системе
образования. Происходит расширение масштабов новых форм образования с
применением информационных технологий и компьютерных сетей. На современном
этапе традиционная система образования оказалась неспособной удовлетворить
потребности людей в постоянном получении и совершенствовании знаний, которые
оставались бы актуальными в любой момент времени. Ценность профессиональных
навыков уменьшается с той же скоростью, с которой происходит обновление
фактической информации. Одновременно происходит все большее обособление центров
накопления информации, вследствие чего возникает фактическое неравенство людей
в получении знаний.
Педагогическая
мудрость, поиск форм, методов, приёмов использования информационных и компьютерных
технологий помогли сделать образовательный процесс более эффективным,
осуществить личностно-ориентированный подход в обучении физике, добиться
высокой степени его дифференциации.
При этом нельзя забывать, что информационные
и компьютерные технологии есть постоянно
меняющийся во времени и развивающийся объект, а с другой – необходимо
учитывать, что эти технологии должны осуществлять информационную поддержку при
их применении в конкретной учебной работе, в частности, при преподавании курса
физики на инженерных специальностях вуза, не нарушая содержание учебного
материала [1, 2].
Постановка задачи. Компьютеризация
образования ставит актуальной проблему разработки и внедрения в учебный процесс
по физике новых информационных и компьютерных технологий обучения.
Новизна исследования заключается в разработке и совершенствовании форм,
методов, приёмов работы по использованию новых информационных технологий в
учебном процессе, в создании и накоплении необходимого комплекса
программно-методического обеспечения, в решении проблемы психолого-педагогической
адаптации студентов в процессе усвоения учебного материала по физике с использованием
компьютерных технологий.
Объектом экспериментирования является учебно-воспитательный процесс,
направленный на совершенствование методики преподавания физики и повышение
качества знаний студентов.
Педагогическая цель, которую мы поставили перед собой, заключается в
следующем:
·
повышение качества
знаний студентов;
·
совершенствование
методики проведения занятий по физике с применением информационных и компьютерных
технологий;
·
обеспечение
дифференцированного подхода к студентам в учебном процессе;
·
обеспечение условий для адаптации студентов в современном информационном
обществе.
Цель работы заключается в
разработке научно обоснованной системы образовательной деятельности с
использованием компьютерного инструментария и информационных технологий в
преподавании физики. Для достижения поставленных целей необходимо решить
следующие задачи:
·
совершенствовать
накопленные компьютерные программные продукты по всем разделам физики.
Создавать новые компьютерные программные продукты для учебного процесса в вузе;
·
продолжать разработку
методик использования информационных
и компьютерных технологий в преподавании физики; совершенствовать
технологию применения разработанных методик в учебном процессе вуза; широко
внедрять накопленные программно – методические материалы в учебный процесс;
·
совершенствовать
профессиональную компетентность преподавателей;
·
обобщать и передавать
опыт работы преподавателей вузов;
·
проводить психолого-педагогические
исследования и диагностику деятельности преподавателя и студента с целью
определения степени влияния педагогических технологий на умственное, психическое
и физическое состояние участников учебного процесса.
Результаты. Разработана
учебно-методическая система с использованием современных информационных и
компьютерных технологий в преподавании физики, показано влияние данных
технологий на методику преподавания физики в вузе. В качестве компонент данной
учебно-методической системы выделяют:
1.
Теоретические
основы обучения физике в вузе с использованием информационных технологий как совокупность
обобщенных положений.
2.
Компьютерные
технологии обучения физике в вузе как совокупность электронных средств –
компьютера, компьютерных сетей, компьютерных телекоммуникаций, других средств
связи и способов их функционирования, используемых для реализации
образовательного процесса по физике в вузе.
Компьютерные технологии обучения физике в вузе включают:
·
обучающие
программы по физике;
·
электронные (компьютерные)
учебники по физике;
·
контролирующие
программы;
·
электронные
лабораторные практикумы по физике;
·
мультимедиа (мультимедиа
средства) по физике;
·
использование в
вузе компьютерных сетей для реализации учебного процесса по физике.
3.
Методика
использования информационных технологий обучения физике в вузе как совокупность
методов, приемов целесообразного использования новых информационных технологий
обучения физике в вузе.
4.
Учебные программы,
учебно-методические материалы при обучении физике в вузе, составленные с учётом
использования информационных и компьютерных технологий.
5.
Лабораторный
практикум для курса общей физики в вузе при использовании информационных и
компьютерных технологий в учебном процессе.
В настоящее время компьютер – помощник человека, который по некоторым
параметрам далеко превзошел его. Это относится к скорости выполнения различных
вычислений, возможности осуществления быстрого поиска нужной информации, ее
обработки в соответствии с жестко детерминированным алгоритмом и т.д. Важнейшим
направлением развития информационной технологии является использование
компьютеров в образовании.
Традиционные методики постепенно утрачивают свою эффективность, поэтому
необходимо внедрять в учебный процесс современные педагогические технологии.
Преимущество их состоит в повышении познавательной активности студентов,
выработки интереса к знаниям, развитии творческой инициативы. К таким
технологиям относятся информационные и компьютерные технологии.
Изменяется роль преподавателя, основная задача которого – аналитическая
деятельность, что в условиях информационного общества невозможно без применения
информационных технологий. При этом преподаватель перестаёт быть основным
источником информации и занимает позицию человека, организующую самостоятельную
деятельность студента и управляющего ею. Студент изучает, а преподаватель
создаёт условия для обучения.
Основными причинами перехода от старой методики преподавания к методике
с использованием информационных и компьютерных технологий относятся:
·
неуклонное
сокращение количества учебных часов, что вызывает многообразие и быструю смену
тем лекционных и практических занятий;
·
отсутствие связей между физикой и
специальными дисциплинами;
·
дороговизна и отсутствие современных
учебных пособий, особенно общего методического характера.
Наиболее перспективным способом выхода из сложившейся ситуации является
системное использование информационных и компьютерных технологий для
модернизации содержания курса физики, неотделимой от модернизации методики обучения
и самообучения студентов.
К основным преимуществам влияния компьютерных технологий на методику
преподавания физики в вузе можно отнести:
·
новые
возможности приобретения и распространения знаний по физике;
·
расширение доступа к национальным и
мировым образовательным ресурсам;
·
новые роли обучающегося – повышение
требований по самоорганизации, собственной ответственности за конечный
результат образования;
·
новые условия для постоянного
диалога со студентом для преобразования информации в знание и понимание.
Одним из эффективных методов изучения физических систем является метод
компьютерного моделирования. Часто компьютерные модели проще и удобнее
исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная
постановка которых затруднена или может дать непредсказуемый результат.
Большинство применяемых нами аналитических средств, таких как дифференциальное
исчисление, больше всего подходит для исследования линейных задач. Однако
множество природных процессов являются нелинейными, так что малые изменения в
одной переменной могут привести скорее к большим, чем к малым изменениям в
другой переменной. Поскольку нелинейные задачи удаётся решить аналитическими
методами только в отдельных случаях, компьютер даёт нам новый инструмент для
исследования нелинейных явлений. Так же компьютерное моделирование значительно
упрощает решение систем со многими степенями свободы или многими переменными.
В настоящее время компьютерное моделирование можно смело сравнивать с
лабораторным экспериментом. Структура лабораторного эксперимента выглядит
следующим образом:
·
образец;
·
физический прибор;
·
калибровка;
·
измерение;
·
анализ данных.
Этот же процесс можно рассмотреть на компьютере:
·
модель;
·
программа для компьютера;
·
тестирование программы;
·
расчёт;
·
анализ данных.
Отправным пунктом моделирования является разработка идеализированной
модели рассматриваемой физической системы. Затем необходимо определить алгоритм
для реализации данной модели на компьютере. Программа моделирует физическую
систему и описывает вычислительный эксперимент. Вычислительный эксперимент
служит мостом между лабораторными экспериментами и теоретическими расчётами.
Таким образом, мы можем получить точные значения, моделируя идеализированную
модель, у которой нет никакого лабораторного аналога.
Если студент освоит какой-либо математический пакет (MatLab, MathCad, Maple, Matematica и др.), то он будет готов решать сложные
задачи, не боясь громоздких расчетов. Он овладеет навыками представления
результатов исследований в наглядной графической форме, а также будет уметь
оформлять эти результаты в форме аккуратных содержательных отчетов. При изучении естественно-научных и технических
дисциплин компьютер может эффективно использоваться как часть экспериментальной
установки, учебной автоматизированной системы управления, в качестве
программируемого источника сигналов и регистрирующего устройства [3,4].
Наиболее любознательные студенты
сталкиваются при изучении физики с характерной трудностью – недостатком
математических знаний или сложностью вычислений. Огромное число интересных
задач, физическое содержание которых понятно, не могут быть решены, т.к. даже
при наличии соответствующих знаний нужно иметь ввиду, что подавляющее
большинство интегралов не вычисляются через элементарные и специальные функции,
а аналитическое решение известно лишь для некоторых классов дифференциальных
уравнений. Повсеместное распространение компьютеров дает возможность решать
многие задачи численными методами, в основе которых – замена интегрирования
суммированием и производных конечными разностями. В такой постановке задачи
становятся доступными студенту. Единственное, что требуется – машина, умеющая
считать.
Системы компьютерной
математики Maple, Mathematica, Mathlab и Mathcad существенно облегчают диалог
человека с компьютером при решении математических задач. Систему Mathcad
выделяет среди вышеупомянутых систем чрезвычайно удобный интерфейс и
превосходная графика. Для овладения Mathcad, в отличие от языков
программирования Pascal, Fortran не нужны ночные бдения в течение недель и
месяцев. Метод решения конкретной задачи можно изучить прямо сейчас и тут же
применять. Запоминать нужно минимальное количество сведений. Для написания программ
с использованием Mathcad требуется намного меньше времени, чем при использовании
упомянутых языков программирования, благодаря большому набору встроенных
функций. Все это важно для студента с психологической точки зрения, поскольку
истинные знания и умения появятся не сразу, а когда-то потом, может быть через
годы упорного труда усердной учебы. Происходит девальвация понятия «сейчас» и
все откладывается на «потом». А ведь жизнь не откладывается, она идет, она и
есть то, что происходит сейчас. В этом смысле система Mathcad увеличивает цену
полученных знаний, позволяет их применять, не откладывая интересующие вопросы в
долгий ящик. Благодаря этому знания, полученные при изучении курса физики,
становятся мощным инструментом познания окружающего мира, а не набором
сведений, необходимых для решения задач по физике и головоломок на олимпиадах
[5,6].
При обучении физике наиболее
естественным является использование компьютера, исходя из особенностей физики
как науки. Например, образцы задач, предлагаемых студентам, имеют целью
продемонстрировать на конкретных примерах разнообразие математических средств
Mathcad, а выбор физической тематики произволен в том смысле, что хотя по всем
разделам курса физики можно составить достаточно много интересных задач,
полностью отразить программу курса физики – такой цели данный материал не имеет.
Предлагаем примеры задач, которые могут самостоятельно решить студенты с
применением математических средств Mathcad:
·
вычисление средней квадратичной скорости молекул с помощью
функции пользователя;
·
способы распределения молекул по половинкам сосуда;
·
распределение Максвелла;
·
броуновское движение;
·
гармонический анализ;
·
моделирование колебаний математического маятника;
·
применение принципа суперпозиции для расчета сил
электростатического взаимодействия в случае большого числа зарядов;
·
расчет электрической цепи с помощью правил Кирхгофа;
·
нелинейные элементы в электрической цепи;
·
моделирование опытов Резерфорда и т.д.
Выводы. В связи с повсеместным распространением компьютеров и появлением информационных технологий, можно и нужно существенно изменить характер и уровень преподавания физики в вузе. Целесообразность широкого применения информационных и компьютерных технологий можно мотивировать следующим образом:
·
информационные
и компьютерные технологии делают изучение физики более легким, поскольку
избавляет студента от массы рутинной вычислительной работы;
·
информационные
и компьютерные технологии делают изучение физики более интересным, поскольку
позволяет рассмотреть множество интересных и ранее недоступных вопросов на
очень высоком и профессиональном уровне;
·
информационные
и компьютерные технологии интуитивно понятны, легко осваиваются на практике и
не требуют для изучения и применения чтения толстых книг, ведения конспектов и
заучивания сложных правил;
·
информационные
и компьютерные технологии соответствуют психологии студента в том смысле, что
решение интересующей проблемы можно получить в течение короткого периода
времени, а не тренировать у компьютера усидчивость.
С учетом вышеизложенного
представляется необходимой разработка новых задач, по крайней мере, для студентов
специальности «Физика» и «Прикладная физика». Представленный материал можно
рассматривать как идею создания сборника задач по физике для студентов
инженерных специальностей.
Использование компьютера при обучении физике позволило проводить
различные эксперименты физического, химического, химико-физического и
химико-биологического направления, развивать у студентов навыки научно-исследовательской
деятельности, формировать познавательный интерес к курсу физики, повышая
мотивацию и развивая научное мышление.
Таким образом, информатизация образования ведет, к изменению
существенных сторон дидактического процесса. Изменяется деятельность студента и
преподавателя. Студент может оперировать большим количеством разнообразной
информации, интегрировать ее, имеет возможность автоматизировать ее обработку,
моделировать процессы и решать проблемы, быть самостоятельным в учебных
действиях и другое. Преподаватель также освобождается от рутинных операций,
получает возможность диагностировать учащихся, следить за динамикой обучения и
развития студента.
Следует сказать, однако, что масса преподавателей, несмотря на
стремительное развитие информационных технологий, не готова к переходу от
классно-урочной формы обучения и от объяснительного традиционного обучения к
использованию информационных и компьютерных технологий в образовании.
Электронная техника пока используются в основном как вспомогательное средство
обучения. В определенной мере преподаватели правы: компьютер и новые
информационные технологии постепенно будут менять дидактический процесс и,
вероятно, не заменят полностью традиционные технологии обучения. Тем не менее
внедрение информационных и компьютерных технологий способно вывести образование
на качественно новый уровень и оказать влияние на методику преподавания естественно-научных и технических дисциплин.
Литература: