МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
"Брестського державного університету імені А. С. Пушкіна"
Курсова робота:
"Аналогії та моделі - один з методів навчання фізики середньої школи"
Введення
Аналогія та моделі - один з методів наукового пізнання, який широко застосовується при вивченні фізики.
В основі аналогії лежить порівняння. Якщо буде виявлено, що два або більше об'єктів мають подібні ознаки, то робиться висновок і про подібність деяких інших ознак. Висновок за аналогією може бути як істинним, так і помилковим, тому він вимагає експериментальної перевірки.
Значення аналогій при навчанні пов'язано з підвищенням науково-теоретичного рівня викладу матеріалу на уроках фізики в середній школі, з формуванням наукового світогляду учнів.
У практиці навчання аналогією використовується в основному для пояснення вже введених важких понять і закономірностей.
Електромагнітні коливання і хвилі - теми шкільного курсу фізики, засвоєння яких традиційно викликає великі труднощі у учнів. Тому для полегшення вивчення електромагнітних процесів використовуються електромеханічні аналогії, оскільки коливання і хвилі різної природи підпорядковуються загальним закономірностям.
1. Метод моделювання у викладанні фізики основної школи
Моделювання, як спосіб наукового пізнання реальності, давно стало одним з найбільш потужних засобів науки. Саме слово "модель" було відомо дуже давно, початкове значення слова було пов'язане з архітектурою. В епоху середньовіччя воно позначало масштаб, в якому висловлювалися всі пропорції будівлі. Згодом поняттям моделі почали користуватися в наукових дослідженнях, коли безпосереднє вивчення яких-небудь явищ виявлялося неможливим або малоефективним. Початок моделювання, як методу теоретичного дослідження, поклав І. Ньютон, сформулювавши дві теореми про подібність, що дозволяють результати дослідів з опору тіл, що рухаються в рідкому середовищі, переносити на інші випадки, в книзі "Математичні начала натуральної філософії".
Метод моделювання має велике значення в сучасних умовах. Він заснований на побудові відповідної моделі об'єкта, вивченні її властивостей і перенесення отриманої інформації на сам об'єкт. Роль моделі полягає в тому, що вона - замінник об'єкта, посередник у відносинах між суб'єктом і об'єктом. Під моделлю розуміється умовний образ чи зразок досліджуваного об'єкта.
У природознавстві під фізичним моделюванням розуміється заміна вивчення деякого об'єкта або явища експериментальним дослідженням його моделі, що має ту ж фізичну природу.
Так як у Державному освітньому стандарті передбачено вивчення методів наукового пізнання у вигляді окремого розділу, то необхідно формувати у школярів уявлення про роль моделювання явищ і об'єктів, області застосування і меж застосування моделей. Безперечно, це вимагає перебудови всього навчального процесу в школі так, щоб учні отримали чітке уявлення про походження наукових знань і розуміли, як пов'язані між собою факти, поняття, закони і теоретичні висновки.
В курсі фізики поняття моделі може бути розглянуто у двох аспектах: модель як об'єкт пізнання і як засіб пізнання. Проілюструємо це. Для розгляду поняття моделі як об'єкта пізнання підходить наступна класифікація моделей, в якій всі моделі діляться на два великі класи: моделі матеріальні і моделі ідеальні (інформаційні). А інформаційні моделі в свою чергу діляться на: описово-інформаційні, математичні (формалізовані) і графічні.
Розглянемо можливі приклади моделей взаємодії двох електрично заряджених тіл.
Прикладом матеріальної моделі такої взаємодії можуть бути крутильні ваги Кулона, в яких кульки А і В заряджаються певним чином і грають роль заряджених тіл. А про величину сили взаємодії між зарядженими тілами судять по повороту тонкої срібною пружною нитки підвісу.
Описово-інформаційна модель: два різнойменно заряджених тіла притягаються, а два однойменно заряджених тіла відштовхуються, причому сила взаємодії залежить від відстані між тілами, середовища, в яку вони поміщені і величини заряду тел.
Прикладом математичної моделі є зв'язок між величинами в законі Кулона (записаному, наприклад, у скалярній формі в системі СІ): F = k (q1q2 / r ²)
Графічною моделлю (рис.1) служить, наприклад, залежність модуля сили взаємодії від відстані між двома тілами (при постійній величині зарядів тіл).
Рис.1
При розгляді моделі, як засобу пізнання частіше використовується розподіл моделей на матеріальні (предметні) і теоретичні. За рідкісним винятком, будь-який фізичний експеримент - це модель (матеріальна). А прикладом теоретичної моделі може служити модель гармонійної електромагнітної хвилі з курсу фізики основної школи.
Рис.2
Гармонічна електромагнітна хвиля (рис.2) - це що розповсюджується в просторі з кінцевою швидкістю гармонійне електромагнітне коливання. Гармонічна електромагнітна хвиля являє собою нескінченну синусоїдальну хвилю, в якій всі зміни напруженості електричного поля та індукції магнітного поля відбуваються за законом синуса або косинуса. Причому, коливання вектора напруженості E вектора індукції B в електромагнітній хвилі відбуваються перпендикулярно напрямку її поширення. У той же час вектори напруженості і індукції перпендикулярні один одному. Це означає, що хвиля рухається в напрямку, перпендикулярному площині, в якій коливаються вектори E і B.
На жаль, багато вчителів в даний час не готові до зміни акцентів у викладанні. В. Г. Розумовський зазначає, що не тільки учні, але часто вчителі забувають про "модельному" характер теоретичних знань, надають їм статус повної адекватності досліджуваної реальності, що надзвичайно сковує розвиток пізнавальних і творчих здібностей учнів. Змінити ситуацію може лише така організація навчального процесу в педагогічному вузі, коли розкриття модельного характеру пізнання в фізичній науці буде приділятися достатньо часу.
2. Взаємодія теоретичного та емпіричного методів дослідження
"Фізика - наука експериментальна ...". "Фізики - наука теоретична ...". Скільки разів в історії при подібному протистоянні істинна виявлялася десь посередині. Саме це і відбувається зараз в методиці викладання фізики. Від цих двох полярних поглядів переходять у доктрині тісної взаємодії теоретичних та емпіричних методів пізнання.
Що подібне рішення може дати для самої методики викладання фізики? Перш за все те, що раз ми визнаємо однаково високу ступінь важливості і теоретичних та емпіричних методів пізнання, а так само велику увагу приділяємо проблемам їх взаємодії, значить ми приділяємо особливу увагу тим методам наукового пізнання, які належать до класу як теоретичних, так і емпіричних. Це відбувається через те, що при вивченні вузько спеціальних методів пізнання ми даємо школярам лише знання про сам метод пізнання, і знання отриманих за допомогою цього методу. Зовсім по-іншому йдуть справи, коли ми підносимо загальні методи пізнання, а особливо на стільки загальні, що відносяться одночасно і до теоретичних та до емпіричних. Ми даємо учням сістемаобразующій чинник, ту нитку пізнання, на яку нанизуються її конкретні намистинки-знання. Тобто, вивчивши подібні методи пізнання, у школяра буде чітке уявлення про те, як було отримано, і як може бути отримано більшість наукових фактів, а це саме по собі не мало. А, освоївши подібні методи в достатній мірі, школяр зможе отримати сам або під керівництвом вчителя чималу частину наукових фактів.
Які методи наукового пізнання можна віднести до настільки привілейованої групи? Це, перш за все, філософські методи пізнання, такі як аналіз, синтез, моделювання і т. д. Зупинимося докладніше на методі моделювання. Отже, для якісного засвоєння знань з фізики школярам необхідно повною мірою розкрити суть методу моделювання, але якщо це філософські методи пізнання, не розкриваються вони в достатній мірі на інших шкільних предметах? Всі шкільні предмети хімія, природознавство, біологія, російська мова і навіть фізкультура працюють з моделями або зі знаннями, отриманими за допомогою методу моделювання, але навіть термін "модель" зустрічається більш-менш часто тільки в біології, та й там він вживається не в науково -пізнавальному сенсі, а в сенсі демонстраційного збільшеного макета. Предмета "методи наукового пізнання" в основній шкільній програмі, поки що, не існує. Залишається інформатика. Авторських програм з інформатики існує велика кількість, і в деяких з них проблемі моделювання приділяється дійсно гідне уваги, і метод моделювання розглядається в досить великому обсязі. Основним недоліком подібних програм є, мабуть, те, що метод моделювання вивчається в старших класах, зазвичай у десятому або навіть одинадцятому.
Підводячи підсумки, можна зробити наступний висновок: в курсі фізики необхідно в достатній мірі вивчати метод моделювання. При чому, бажано вивчати методи моделювання починаючи з перших занять з фізики і не випускати далеко з розгляду протягом всієї основної школи.
3. Класифікації моделей і їх значення у навчанні фізики
Моделі давно відіграють одну з головних ролей у навчанні фізики, про моделі написано багато наукових робіт, багато вчених, викладачів та вчителів створювали і створюють нові навчальні моделі, розроблено багато класифікацій моделей. Розглянемо деякі класифікації моделей, а так само спробуємо оцінити їх цінність для методики викладання фізики.
Існує безліч класифікацій моделей, що відрізняються один від одного ознаками, покладеними в основу класифікації, перерахуємо деякі з них.
Моделі поділяються:
• за способом пізнання: життєві, художні, науково-технічні;
• по галузі знань: біологічні, економічні, історичні і т.д.;
• по області використання: навчальні (наочні посібники), практичні (модель літака в турбодінаміческой трубі), науково-технічні (прискорювачі елементарних частинок), ігрові (економічні, військові), імітаційні (багаторазове повторення дослідів для оцінки результатів впливу реальної дійсності на зразок) ;
• з обліку фактора часу: динамічні та статистичні.
За способом реалізації та засобів моделювання існує досить багато класифікацій, розглянемо класифікацію представлену в книзі Кам'янецького та Солодухіна "Моделі та аналогії в курсі фізики середньої школи". Моделі поділяються на: матеріальні (предметні) та ідеальні (уявні). У свою чергу матеріальні моделі поділяються на: фізично подібні, просторово-подібні і математично подібні, а ідеальні моделі діляться на: моделі-уявлення та знакові моделі. На жаль, у методиці викладання фізики, можна зустріти й іншу класифікацію моделей за способом реалізації: фізичні та математичні, яка є не повним навіть у рамках викладання фізики. Так із цієї класифікації випадають, наприклад, хімічні рівняння та рівняння ядерних реакцій.
Наведені класифікації представляють інтерес для методики викладання фізики тільки в плані навчання учнів методом моделювання, і не представляють особливого інтересу при викладанні конкретних тем курсу. Зовсім інакше йде справа з класифікацією, заснованою на способах отримання моделей. Моделі можна розділити на моделі, отримані шляхом граничного переходу, моделі, отримані шляхом приписування і теоретичні конструкти.
За допомогою граничного переходу можна отримати моделі безпосередньо сприймаються явищ і об'єктів, шляхом розгляду цілого ряду явищ або об'єктів володіють цікавлять властивістю, наприклад в порядку його зростання, а потім сконструювати уявний об'єкт або явище, що володіє цією властивістю в нескінченній мірою, або позбавленим його. Таким чином, можна вводити поняття матеріальної точки або математичного маятника.
Шляхом приписування деяких властивостей об'єкту можна отримати моделі мікрооб'єктів або мікроявленій, не сприймаються безпосередньо органами чуття. Таким чином, можна отримати моделі ідеального або електронного газу. І, нарешті, теоретичні конструкти, такі як електрон або електромагнітне поле, вони не можуть бути отримані шляхом приписування, і лише подальший розвиток науки може підтвердити правомірність їх використання.
З даної класифікації можна отримати конкретні методичні рекомендації щодо впровадження моделей того чи іншого класу.
Для успішного запровадження моделі безпосередньо сприйманого макрооб'єкти або макроявищ, необхідно реалізувати спостереження подібних об'єктів / явищ з різними ступенями виразності цікавлять властивостей. Для побудови моделей мікрооб'єктів і мікроявленій отриманих шляхом приписування необхідно, на початку, на основі попереднього досвіду, шляхом абстрагування відкинути несуттєві боку, а що залишилися в полі розгляду властивості приписати моделі. І, нарешті, при введенні теоретичних конструктів, таких як електрон, квант або електромагнітне поле, існування яких, саме по собі, необхідно доводити, залишається використовувати історичний матеріал, який показує, як ці поняття з'явилися в історії науки.
4. Демонстраційна комп'ютерна модель "Електричний струм у металі"
У курсі "основи електродинаміки" основної школи є багато важливих для подальшого навчання і складних для розуміння учнів тим, це і ЕРС індукції, і напруженість електричного поля, і електромагнітні коливання. Однією з таких тем є електричний струм в металах, зупинимося докладніше на цій темі.
Складність теми полягає в тому, що для її якісного розкриття необхідно використовувати статистичні поняття, з якими школярі зустрічалися тільки при вивченні основ молекулярної фізики і, отже, володіють нею не повною мірою. У такому випадку статичні закономірності необхідно представляти через показ динаміки процесу.
Яким чином можна на максимально високому рівні пояснити дану тему? Використовуючи тільки плакати, ілюстрації з підручника та малюнки на дошці тему можна якісно розкрити тільки для учнів здатних оперувати поняттями високого ступеня абстракції. Для пояснення природи електричного струму в металах можна використовувати кінофільми по цій темі, але в більшості шкіл кінообладнання вже вийшло з ладу, та й самі кінострічки частково зіпсовані. Залишається розглянути два засоби навчання, що відносяться до нових інформаційних технологій - це відеофільми та комп'ютерні моделі.
Останнім часом сильно розвивалося виробництво навчальних відеофільмів. Вони володіють великим ступенем наочності, і зайняли гідну нішу в сфері навчання фізики. За даної теми існує кілька відеопосібники і у вчителя є можливість вибрати найбільш вдалий на його погляд.
Розглянемо комп'ютерні моделі. Комп'ютерні технології в навчанні бурхливо розвиваються в останні два десятиліття і на сьогоднішній день написано досить багато навчальних комп'ютерних програм. Зараз навчальні комп'ютерні програми пишуть: самі учні, під керівництвом вчителя, вчителя фізики та інформатики, а так само великі професійні авторські колективи. Очевидно, що останні більш поширені, більш відомі і мають більш високу маркетинговою підтримкою.
Звернемося до навчальних комп'ютерних програм, за що нами розглядається, найбільш відомих і популярних розробників.
Почнемо розгляд з продукту фірми 1С - "1С: Репетитор. Фізика 1,5", представленого на комп'ютері у вигляді розгорнутої книги, на "правій сторінці" якої розташовується навчальний текст, а на "лівій сторінці" відповідні тексту картинки, комп'ютерні моделі та відеоролики . Тему електричний струм в металах ілюструє рисунок 3 на якому відсутній зображення іонів кристалічної решітки і не відображено хаотичний рух електронів провідності.
Рис.3
Продукт фірми "Физикон" "Відкрита фізика 2.5" реалізовано у вигляді, більш звичного для даного класу програм, сторінки гіпертексту, в яку вставлено малюнки і комп'ютерні навчальні моделі. Тему електричний струм в металах ілюструє малюнки 4 і 5. "На малюнку 5: а - хаотичний рух електрона в кристалічній решітці металу; b - хаотичний рух з дрейфом, обумовленим електричним полем, масштаби дрейфу сильно перебільшені".
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
"Брестського державного університету імені А. С. Пушкіна"
Курсова робота:
"Аналогії та моделі - один з методів навчання фізики середньої школи"
Введення
Аналогія та моделі - один з методів наукового пізнання, який широко застосовується при вивченні фізики.
В основі аналогії лежить порівняння. Якщо буде виявлено, що два або більше об'єктів мають подібні ознаки, то робиться висновок і про подібність деяких інших ознак. Висновок за аналогією може бути як істинним, так і помилковим, тому він вимагає експериментальної перевірки.
Значення аналогій при навчанні пов'язано з підвищенням науково-теоретичного рівня викладу матеріалу на уроках фізики в середній школі, з формуванням наукового світогляду учнів.
У практиці навчання аналогією використовується в основному для пояснення вже введених важких понять і закономірностей.
Електромагнітні коливання і хвилі - теми шкільного курсу фізики, засвоєння яких традиційно викликає великі труднощі у учнів. Тому для полегшення вивчення електромагнітних процесів використовуються електромеханічні аналогії, оскільки коливання і хвилі різної природи підпорядковуються загальним закономірностям.
1. Метод моделювання у викладанні фізики основної школи
Моделювання, як спосіб наукового пізнання реальності, давно стало одним з найбільш потужних засобів науки. Саме слово "модель" було відомо дуже давно, початкове значення слова було пов'язане з архітектурою. В епоху середньовіччя воно позначало масштаб, в якому висловлювалися всі пропорції будівлі. Згодом поняттям моделі почали користуватися в наукових дослідженнях, коли безпосереднє вивчення яких-небудь явищ виявлялося неможливим або малоефективним. Початок моделювання, як методу теоретичного дослідження, поклав І. Ньютон, сформулювавши дві теореми про подібність, що дозволяють результати дослідів з опору тіл, що рухаються в рідкому середовищі, переносити на інші випадки, в книзі "Математичні начала натуральної філософії".
Метод моделювання має велике значення в сучасних умовах. Він заснований на побудові відповідної моделі об'єкта, вивченні її властивостей і перенесення отриманої інформації на сам об'єкт. Роль моделі полягає в тому, що вона - замінник об'єкта, посередник у відносинах між суб'єктом і об'єктом. Під моделлю розуміється умовний образ чи зразок досліджуваного об'єкта.
У природознавстві під фізичним моделюванням розуміється заміна вивчення деякого об'єкта або явища експериментальним дослідженням його моделі, що має ту ж фізичну природу.
Так як у Державному освітньому стандарті передбачено вивчення методів наукового пізнання у вигляді окремого розділу, то необхідно формувати у школярів уявлення про роль моделювання явищ і об'єктів, області застосування і меж застосування моделей. Безперечно, це вимагає перебудови всього навчального процесу в школі так, щоб учні отримали чітке уявлення про походження наукових знань і розуміли, як пов'язані між собою факти, поняття, закони і теоретичні висновки.
В курсі фізики поняття моделі може бути розглянуто у двох аспектах: модель як об'єкт пізнання і як засіб пізнання. Проілюструємо це. Для розгляду поняття моделі як об'єкта пізнання підходить наступна класифікація моделей, в якій всі моделі діляться на два великі класи: моделі матеріальні і моделі ідеальні (інформаційні). А інформаційні моделі в свою чергу діляться на: описово-інформаційні, математичні (формалізовані) і графічні.
Розглянемо можливі приклади моделей взаємодії двох електрично заряджених тіл.
Прикладом матеріальної моделі такої взаємодії можуть бути крутильні ваги Кулона, в яких кульки А і В заряджаються певним чином і грають роль заряджених тіл. А про величину сили взаємодії між зарядженими тілами судять по повороту тонкої срібною пружною нитки підвісу.
Описово-інформаційна модель: два різнойменно заряджених тіла притягаються, а два однойменно заряджених тіла відштовхуються, причому сила взаємодії залежить від відстані між тілами, середовища, в яку вони поміщені і величини заряду тел.
Прикладом математичної моделі є зв'язок між величинами в законі Кулона (записаному, наприклад, у скалярній формі в системі СІ): F = k (q1q2 / r ²)
Графічною моделлю (рис.1) служить, наприклад, залежність модуля сили взаємодії від відстані між двома тілами (при постійній величині зарядів тіл).
Рис.1
При розгляді моделі, як засобу пізнання частіше використовується розподіл моделей на матеріальні (предметні) і теоретичні. За рідкісним винятком, будь-який фізичний експеримент - це модель (матеріальна). А прикладом теоретичної моделі може служити модель гармонійної електромагнітної хвилі з курсу фізики основної школи.
Рис.2
Гармонічна електромагнітна хвиля (рис.2) - це що розповсюджується в просторі з кінцевою швидкістю гармонійне електромагнітне коливання. Гармонічна електромагнітна хвиля являє собою нескінченну синусоїдальну хвилю, в якій всі зміни напруженості електричного поля та індукції магнітного поля відбуваються за законом синуса або косинуса. Причому, коливання вектора напруженості E вектора індукції B в електромагнітній хвилі відбуваються перпендикулярно напрямку її поширення. У той же час вектори напруженості і індукції перпендикулярні один одному. Це означає, що хвиля рухається в напрямку, перпендикулярному площині, в якій коливаються вектори E і B.
На жаль, багато вчителів в даний час не готові до зміни акцентів у викладанні. В. Г. Розумовський зазначає, що не тільки учні, але часто вчителі забувають про "модельному" характер теоретичних знань, надають їм статус повної адекватності досліджуваної реальності, що надзвичайно сковує розвиток пізнавальних і творчих здібностей учнів. Змінити ситуацію може лише така організація навчального процесу в педагогічному вузі, коли розкриття модельного характеру пізнання в фізичній науці буде приділятися достатньо часу.
2. Взаємодія теоретичного та емпіричного методів дослідження
"Фізика - наука експериментальна ...". "Фізики - наука теоретична ...". Скільки разів в історії при подібному протистоянні істинна виявлялася десь посередині. Саме це і відбувається зараз в методиці викладання фізики. Від цих двох полярних поглядів переходять у доктрині тісної взаємодії теоретичних та емпіричних методів пізнання.
Що подібне рішення може дати для самої методики викладання фізики? Перш за все те, що раз ми визнаємо однаково високу ступінь важливості і теоретичних та емпіричних методів пізнання, а так само велику увагу приділяємо проблемам їх взаємодії, значить ми приділяємо особливу увагу тим методам наукового пізнання, які належать до класу як теоретичних, так і емпіричних. Це відбувається через те, що при вивченні вузько спеціальних методів пізнання ми даємо школярам лише знання про сам метод пізнання, і знання отриманих за допомогою цього методу. Зовсім по-іншому йдуть справи, коли ми підносимо загальні методи пізнання, а особливо на стільки загальні, що відносяться одночасно і до теоретичних та до емпіричних. Ми даємо учням сістемаобразующій чинник, ту нитку пізнання, на яку нанизуються її конкретні намистинки-знання. Тобто, вивчивши подібні методи пізнання, у школяра буде чітке уявлення про те, як було отримано, і як може бути отримано більшість наукових фактів, а це саме по собі не мало. А, освоївши подібні методи в достатній мірі, школяр зможе отримати сам або під керівництвом вчителя чималу частину наукових фактів.
Які методи наукового пізнання можна віднести до настільки привілейованої групи? Це, перш за все, філософські методи пізнання, такі як аналіз, синтез, моделювання і т. д. Зупинимося докладніше на методі моделювання. Отже, для якісного засвоєння знань з фізики школярам необхідно повною мірою розкрити суть методу моделювання, але якщо це філософські методи пізнання, не розкриваються вони в достатній мірі на інших шкільних предметах? Всі шкільні предмети хімія, природознавство, біологія, російська мова і навіть фізкультура працюють з моделями або зі знаннями, отриманими за допомогою методу моделювання, але навіть термін "модель" зустрічається більш-менш часто тільки в біології, та й там він вживається не в науково -пізнавальному сенсі, а в сенсі демонстраційного збільшеного макета. Предмета "методи наукового пізнання" в основній шкільній програмі, поки що, не існує. Залишається інформатика. Авторських програм з інформатики існує велика кількість, і в деяких з них проблемі моделювання приділяється дійсно гідне уваги, і метод моделювання розглядається в досить великому обсязі. Основним недоліком подібних програм є, мабуть, те, що метод моделювання вивчається в старших класах, зазвичай у десятому або навіть одинадцятому.
Підводячи підсумки, можна зробити наступний висновок: в курсі фізики необхідно в достатній мірі вивчати метод моделювання. При чому, бажано вивчати методи моделювання починаючи з перших занять з фізики і не випускати далеко з розгляду протягом всієї основної школи.
3. Класифікації моделей і їх значення у навчанні фізики
Моделі давно відіграють одну з головних ролей у навчанні фізики, про моделі написано багато наукових робіт, багато вчених, викладачів та вчителів створювали і створюють нові навчальні моделі, розроблено багато класифікацій моделей. Розглянемо деякі класифікації моделей, а так само спробуємо оцінити їх цінність для методики викладання фізики.
Існує безліч класифікацій моделей, що відрізняються один від одного ознаками, покладеними в основу класифікації, перерахуємо деякі з них.
Моделі поділяються:
• за способом пізнання: життєві, художні, науково-технічні;
• по галузі знань: біологічні, економічні, історичні і т.д.;
• по області використання: навчальні (наочні посібники), практичні (модель літака в турбодінаміческой трубі), науково-технічні (прискорювачі елементарних частинок), ігрові (економічні, військові), імітаційні (багаторазове повторення дослідів для оцінки результатів впливу реальної дійсності на зразок) ;
• з обліку фактора часу: динамічні та статистичні.
За способом реалізації та засобів моделювання існує досить багато класифікацій, розглянемо класифікацію представлену в книзі Кам'янецького та Солодухіна "Моделі та аналогії в курсі фізики середньої школи". Моделі поділяються на: матеріальні (предметні) та ідеальні (уявні). У свою чергу матеріальні моделі поділяються на: фізично подібні, просторово-подібні і математично подібні, а ідеальні моделі діляться на: моделі-уявлення та знакові моделі. На жаль, у методиці викладання фізики, можна зустріти й іншу класифікацію моделей за способом реалізації: фізичні та математичні, яка є не повним навіть у рамках викладання фізики. Так із цієї класифікації випадають, наприклад, хімічні рівняння та рівняння ядерних реакцій.
Наведені класифікації представляють інтерес для методики викладання фізики тільки в плані навчання учнів методом моделювання, і не представляють особливого інтересу при викладанні конкретних тем курсу. Зовсім інакше йде справа з класифікацією, заснованою на способах отримання моделей. Моделі можна розділити на моделі, отримані шляхом граничного переходу, моделі, отримані шляхом приписування і теоретичні конструкти.
За допомогою граничного переходу можна отримати моделі безпосередньо сприймаються явищ і об'єктів, шляхом розгляду цілого ряду явищ або об'єктів володіють цікавлять властивістю, наприклад в порядку його зростання, а потім сконструювати уявний об'єкт або явище, що володіє цією властивістю в нескінченній мірою, або позбавленим його. Таким чином, можна вводити поняття матеріальної точки або математичного маятника.
Шляхом приписування деяких властивостей об'єкту можна отримати моделі мікрооб'єктів або мікроявленій, не сприймаються безпосередньо органами чуття. Таким чином, можна отримати моделі ідеального або електронного газу. І, нарешті, теоретичні конструкти, такі як електрон або електромагнітне поле, вони не можуть бути отримані шляхом приписування, і лише подальший розвиток науки може підтвердити правомірність їх використання.
З даної класифікації можна отримати конкретні методичні рекомендації щодо впровадження моделей того чи іншого класу.
Для успішного запровадження моделі безпосередньо сприйманого макрооб'єкти або макроявищ, необхідно реалізувати спостереження подібних об'єктів / явищ з різними ступенями виразності цікавлять властивостей. Для побудови моделей мікрооб'єктів і мікроявленій отриманих шляхом приписування необхідно, на початку, на основі попереднього досвіду, шляхом абстрагування відкинути несуттєві боку, а що залишилися в полі розгляду властивості приписати моделі. І, нарешті, при введенні теоретичних конструктів, таких як електрон, квант або електромагнітне поле, існування яких, саме по собі, необхідно доводити, залишається використовувати історичний матеріал, який показує, як ці поняття з'явилися в історії науки.
4. Демонстраційна комп'ютерна модель "Електричний струм у металі"
У курсі "основи електродинаміки" основної школи є багато важливих для подальшого навчання і складних для розуміння учнів тим, це і ЕРС індукції, і напруженість електричного поля, і електромагнітні коливання. Однією з таких тем є електричний струм в металах, зупинимося докладніше на цій темі.
Складність теми полягає в тому, що для її якісного розкриття необхідно використовувати статистичні поняття, з якими школярі зустрічалися тільки при вивченні основ молекулярної фізики і, отже, володіють нею не повною мірою. У такому випадку статичні закономірності необхідно представляти через показ динаміки процесу.
Яким чином можна на максимально високому рівні пояснити дану тему? Використовуючи тільки плакати, ілюстрації з підручника та малюнки на дошці тему можна якісно розкрити тільки для учнів здатних оперувати поняттями високого ступеня абстракції. Для пояснення природи електричного струму в металах можна використовувати кінофільми по цій темі, але в більшості шкіл кінообладнання вже вийшло з ладу, та й самі кінострічки частково зіпсовані. Залишається розглянути два засоби навчання, що відносяться до нових інформаційних технологій - це відеофільми та комп'ютерні моделі.
Останнім часом сильно розвивалося виробництво навчальних відеофільмів. Вони володіють великим ступенем наочності, і зайняли гідну нішу в сфері навчання фізики. За даної теми існує кілька відеопосібники і у вчителя є можливість вибрати найбільш вдалий на його погляд.
Розглянемо комп'ютерні моделі. Комп'ютерні технології в навчанні бурхливо розвиваються в останні два десятиліття і на сьогоднішній день написано досить багато навчальних комп'ютерних програм. Зараз навчальні комп'ютерні програми пишуть: самі учні, під керівництвом вчителя, вчителя фізики та інформатики, а так само великі професійні авторські колективи. Очевидно, що останні більш поширені, більш відомі і мають більш високу маркетинговою підтримкою.
Звернемося до навчальних комп'ютерних програм, за що нами розглядається, найбільш відомих і популярних розробників.
Почнемо розгляд з продукту фірми 1С - "1С: Репетитор. Фізика 1,5", представленого на комп'ютері у вигляді розгорнутої книги, на "правій сторінці" якої розташовується навчальний текст, а на "лівій сторінці" відповідні тексту картинки, комп'ютерні моделі та відеоролики . Тему електричний струм в металах ілюструє рисунок 3 на якому відсутній зображення іонів кристалічної решітки і не відображено хаотичний рух електронів провідності.
Рис.3
Продукт фірми "Физикон" "Відкрита фізика 2.5" реалізовано у вигляді, більш звичного для даного класу програм, сторінки гіпертексту, в яку вставлено малюнки і комп'ютерні навчальні моделі. Тему електричний струм в металах ілюструє малюнки 4 і 5. "На малюнку 5: а - хаотичний рух електрона в кристалічній решітці металу; b - хаотичний рух з дрейфом, обумовленим електричним полем, масштаби дрейфу сильно перебільшені".
Рис.4
"Базовий курс фізики для школярів та абітурієнтів" представлений компанією "Медіа Хауз" представляє собою електронний підручник з малюнками, а так же набір комп'ютерних моделей. До теми електричний струм в металах можна віднести малюнок 6.
З вище наведеного аналізу можна зробити висновок про те, що в найбільш популярних навчальних програмних продуктах з фізики до теми "Електричний струм у металах" наведені лише ілюструють малюнки різного ступеня наочності і відсутні відеоролики та комп'ютерні моделі для даної теми.
Рис.5
Розглянемо, яким вимогам повинна задовольняти якісна комп'ютерна модель, що відбиває тему "електричний струм у металі". Модель повинна показувати хаотичний рух вільних електронів у відсутності зовнішнього електричного поля, відображати наявність дрейфовой швидкості під дією зовнішнього електричного поля, і зміна швидкості дрейфу при зміні зовнішнього поля.
На підставі вище наведених вимог була розроблена демонстраційна комп'ютерна модель, яка дає можливість продемонструвати рух електронів провідності в зовнішньому електричному полі.
При запуску програми на екрані комп'ютера з'являється вікно в якому зображені іони кристалічної решітки і електрони провідності, які хаотично рухаються і володіють дрейфовой швидкістю, що залежить від наявності та величини зовнішнього електричного поля. Програма дозволяє збільшувати, зменшувати і обнуляти величину електричного поля, а так само змінювати його напрям. У процесі хаотичного руху електрони не відчувають взаємодії з іншими електронами, а змінюють напрямок лише за "зіткненні" з іонами кристалічної решітки. Модель зображує середню миттєву швидкість руху електронів і швидкість дрейфу електронів. До обмежень моделі можна віднести те, що взято завідомо мала кількість електронів провідності: на 45 іонів кристалічної решітки зображено всього 15 вільних електронів, спотворено зображені розміри часток і відстані між ними, не відображено тепловий рух іонів, і т.д. Ці обмеження були навмисно закладені в модель, для її спрощення і більшої наочності.
5. Використання комп'ютерних моделей при навчанні фізиці
Сьогодні викладачі і вчителі фізики, стикаються з наступним рядом труднощів: постійне скорочення годин на природничі дисципліни, зниження фінансування навчального процесу, знос і вихід з ладу наявного устаткування. У поєднанні з підвищеними вимогами до рівня знань випускників навчальних закладів, і підвищеної завантаженістю навчаються ці труднощі можуть перерости в нерозв'язні проблеми, особливо в навчальних закладах невеликих міст.
Вирішенням подібних проблем може стати використання сучасних інтенсивних форм, методів і засобів навчання. Так використання методу проблемного навчання, методу модельних гіпотез, а також використання в процесі навчання теле-і відеоапаратури дозволить підвищити якість знань і знизити психологічне навантаження на учнів. Також у рішенні подібних проблем може допомогти використання в процесі навчання комп'ютерних технологій.
Навчальні програми, які можуть бути використані при викладанні фізики, можна розділити на: моделюють, обчислювальні, перевірочні та довідкові. Моделюючі програми - це програми представляють користувачеві комп'ютерну модель фізичного явища чи об'єкта. Вони можуть бути використані, коли демонстрація самого явища чи об'єкта неможлива у зв'язку з його дорожнечею, малої наочністю або небезпекою для життя. Обчислювальні програми розроблені для обробки та інтерпретації результатів експериментів. Подібні програми можуть виробляти за учнів складні розрахунки, будувати графіки та діаграми, вони особливо ефективні в поєднанні з вимірювальними модулями, такими як L-мікро. Перевірочні програми забезпечують перевірку знань шляхом тестування або шляхом покрокового рішення завдань. Вони відрізняються об'єктивністю та неупередженістю. Довідкові програми - це бази і банки даних, що надають учням доступ до довідкової навчальної інформації.
Розглянемо комп'ютерні моделі, як найпоширеніші комп'ютерні навчальні програми. Поява персональних комп'ютерів чверть століття тому дозволило розпочати нову еру використання комп'ютера в навчанні, з тих пір створено безліч комп'ютерних моделей. Ці моделі створювали професійні колективи програмістів, вчителі та викладачі, а також учні та студенти. Подібні програми охоплюють досить великий ряд явищ і об'єктів, відрізняються один від одного повнотою, якістю, охопленням, системністю і наочністю.
Звернемося до моделі створеної автором статті: "Відображення і заломлення світла на межі двох середовищ", та розміщеної в Інтернеті на сайті: http:// kmodels. narod. ru.
Для побудови моделі хвилі можна скористатися принципом Гюйгенса. Кожна точка фронту хвилі є джерелом вторинних хвиль, які поширюються на всі боки зі швидкістю поширення хвилі в середовищі.
Знаючи положення фронту хвилі в будь-який момент часу можна знайти положення фронту хвилі через проміжок часу Δt. Вторинні хвилі розповсюджуються від кожної точки хвильового фронту і являють собою сферичні поверхні радіуса v * Δt (v - швидкість розповсюдження хвилі в середовищі), тоді дотична поверхню до всіх вторинним хвилях буде новим фронтом хвилі в даний момент часу.
За допомогою цієї моделі можна описати заломлення і віддзеркалення світла на межі двох середовищ. Програма, що моделює ці явища, будуватиме початковий фронт хвилі, на його поверхні вибирати п'ять точок, кожна з яких буде джерелом вторинних сферичних хвиль, і будувати дотичну до цих хвилях, яка і буде новим фронтом хвилі. Заломлення світла розглядається при переході світла з середовища з показником заломлення n = 1 в середовище з показником заломлення n = 1,5 (наприклад, заломлення світла на межі: повітря - скло).
Програма також показує межі застосування моделі світлової хвилі, заснованої на принципі Гюйгенса. Паралельні промені світла, від нескінченно віддаленого джерела падають на отвір AB. Білим зображені півсфери, які дійсно могли мати місце, а червоним зображені вторинні хвилі, які передбачаються моделлю (принципом Гюйгенса), але на практиці не мають місця. Таким чином, програма наочно демонструє, що принцип Гюйгенса дозволяє знайти хвильову поверхню в довільний момент часу, якщо відома хвильова поверхня в попередній момент часу. Але він не дозволяє визначити межі розповсюдження світла, не пояснює прямолінійність поширення світла.
Це імітаційна програма, створена спеціально для демонстрації, з гранично спрощеним інтерфейсом і відсутністю можливості змінювати будь-які параметри. Її можна використовувати при поясненні таких тем, як: принцип Гюйгенса, закон відбиття і заломлення світла.
6. Інші види аналогій в шкільному курсі фізики. Використання аналогії при вивченні транзистора
В даний час транзистор як напівпровідниковий прилад знайшов широке застосування у всіх сферах людської діяльності. Популярність приладу підвищує інтерес учнів до нього і його технічного додатка. Модель транзистора, як і всяка аналогія, є наближенням приладу і має свої межі застосування (наприклад, з її допомогою неможливо показати власну і домішкових провідність; переміщення дірок і електронів і т. д.). Проте в головному модель і оригінал схожі: це тотожність включення їх схем і аналогічність роботи основних частин і, крім того, рівність нулю струму колектора при відсутності струму в базі.
Рис.6
Після ознайомлення учнів з основними елементами транзистора pnp-типу (емітером, базою і колектором) і механізмами правого і лівого pn-переходів, учням пропонується поспостерігати дані процеси на моделі. Для цього збирається установка, показана на рис. 6. (Запропонована В. С. Данюшенковим і С. Є. Каменецьким) Вона складається з аналога транзистора 1, двох відцентрових водяних насосів з електродвигунами 2 і скляних перехідників 3, з'єднаних між собою гумовими трубками.
Як аналог беруть модель водоструминного насоса, наявна в арсеналі кабінету фізики.
Джерелом змінної "напруги" для моделі (див. мал.8) служить вхід 4, який підключають до водопровідного крану. Міняючи за допомогою крана швидкість течії рідини в установці, регулюють тиск (напір) у ній. У цій установці тиск рідини служить аналогом напруги в електричному ланцюзі транзистора. Насоси виконують роль джерел постійного струму, трубки з водою - сполучних проводів, а скляна трубка 5 - постійного резистора R, включеного в ланцюг, показану на рис.7.
Рис. 7
Роботу основних елементів моделі необхідно показати учням.
Спочатку пояснюють роль струмів в правому і лівому pn-переходах та їх вплив на роботу транзистора. Для цього відкривають кран і створюють постійний натиск води в системі "емітер - база". Рідина через "емітерний" вхід надходить у порожнину аналога транзистора і зливається в отвір "бази". Джерело постійної напруги (насос) лівого переходу включають в такому напрямку, щоб потік води з "базового" отвори всмоктувався в "еміттерную" ланцюг і створював прямий струм, який залежить тільки від джерела напруги. Показують відповідну демонстрацію, змінюючи напір води в системі за допомогою крана і насоса (змінюють число оборотів двигуна). При цьому частина води надходить в "колектор". Це ілюструє диффундирования нерекомбінірованних в базі дірок в колектор.
Потім показують значення бази в транзисторі. Включають правий і лівий насоси аналога так, щоб потоки рідини в них циркулювали за годинниковою стрілкою. Тоді за "базі" будуть протікати два зустрічних потоку рідини. Мовою аналогією це означає, що значення сили струму в ланцюгах бази I б, емітера I е і колектора I до зв'язані співвідношенням: I б = I е-I к. Про співвідношення значень сили струму в транзисторі учні судять шляхом спостереження за показаннями витратомірів рідини, включених в "еміттерную" і "колекторних" ланцюги моделі. Витратомір представляє собою пристрій для вимірювання швидкості течії води і аналогічний амперметру. Оскільки швидкість руху рідини в "емітері" приблизно рівна швидкості руху рідини в "колекторі", можна зробити висновок про відсутність її руху в "базі", тобто про те, що I б = 0. Дійсно, так як концентрація інжектіруемих дірок з емітера багато більше їх концентрації на кордоні з базою (ширина бази дуже мала), то дірки інтенсивно дифундують до колектора. У той же час зворотний струм колекторного переходу багато менше струму, створюваного дірками емітера. Тому силу струму в ланцюзі колектора можна вважати рівною силі струму в ланцюзі емітера (I до
Потім розглядається використання транзистора як підсилювача потужності. При цьому розглядають два випадки: включення транзистора по схемі з загальною базою (рис. 3, а) і загальним емітером (рис. 3, б). Схему із загальним колектором не розглядають, оскільки вона мало чим відрізняється по дії від схеми з загальним емітером. Пояснюють розподіл сили струму між емітером, базою і колектором.
Посилення потужності можна здійснювати двома способами:
а) при постійній напрузі збільшувати силу струму,
б) при постійній силі струму збільшувати напругу.
Спочатку розглядають посилення потужності транзистора по струму в схемі із загальною базою (рис.3, а). Механізм цього процесу обговорювалося при вивченні правого pn-переходу і тому підсилювальне дію в даному випадку грунтується на рівності I к = I е. Потім переходять до вивчення посилення по струму в схемі з загальним емітером, Рис3, б (I к = I е + I б). Сутність процесу полягає в посиленні рекомбінації дірок в базі шляхом подачі напруги на емітерний і базовий входи транзистора. Демонстрацію здійснюють наступним чином. Насос "емітерного переходу" перемикають так, щоб він переміщував рідина проти годинникової стрілки. Тоді одна частина рідини від крана надійде по каналу "емітера" в порожнину "транзистора", а інша частина почне всмоктуватися насосом і переміщатися до "базі". Далі включають насос "колекторного переходу" (переміщують воду за годинниковою стрілкою) так, щоб струми в "базі" були направлені у бік аналога транзистора. Таким чином, виникне значний потік води на виході з "бази", який буде впливати на струмінь рідини, що витікає із "емітера", спрямовуючи її в "колекторний перехід".
Посилення потужності по напрузі засноване на відмінності опорів колекторного і емітерного pn-переходів, включених в протилежних напрямках. Емітерний перехід, на який подано пряму напругу зміщення, має малий опір, і падіння напруги на ньому Us мало. На колекторний ж перехід подається зворотне напруга зсуву, і опір його значно більше, тому в колекторний ланцюг може бути включена високоомних навантаження, опір якої R н значно більше опору емітерного переходу. Оскільки I к і I е. однакові, то падіння напруги на високоомній колекторної навантаженні U н = I до R
Для демонстрації явища можна скористатися моделлю, зібраної так, щоб насоси оберталися в одну сторону. По черзі беручи трубки 5 різного діаметру, демонструють роль навантаження в ланцюзі колектора для посилення потужності.
7. Висновок
Розглянуті аналогії і моделі дозволяють більш глибоко проникнути в процес навчання фізики середньої школи, що в свою чергу дає учням краще розуміти фізичні закони і процеси.
У даній роботі розглянута лише невелика частина аналогій, які можна використовувати на уроках фізики і на факультативних заняттях в середній школі.
Я вважаю, що аналогії найкраще розглядати не тільки на уроках фізики, але і надавати їм також велике значення на факультативних заняттях, гуртках, спецкурсах для учнів, яким важко піддається досліджуваний матеріал і для учнів, які хочуть більш глибоко зрозуміти фізичні процеси, явища і поняття.
Таким чином, метод аналогії розглядає нові питання, що порівнюються з вивченими раніше.
8. Література
1. Хижнякова Л. С., Синявіна А. А. Фізика: Механіка. Термодинаміка і молекулярна фізика: Учеб. для 7-8 кл. загаль. учрежд.-М.: Віта Пресс.-2000
2. Хижнякова Л. С., Синявіна А. А. Фізика: Основи електродинаміки. Елементи квантової фізики: Учеб. для 9 кл. загаль. учрежд.-М.: Віта Пресс.-2001
3. Каменецький С. Є., Солодухин Н. А. Моделі та аналогії в курсі фізики середньої школи: посібник для учітелей.-М.: Просвящение, 1982.-96 с.
4.Теория і методика навчання фізики в школі: Загальні питання: Учеб. Посібник для студ. вищ. пед. навч. закладів / С. Є. Каменецький, М. С. Пуришева, Н. Є. 5.Важевскій та ін; Під ред. С. Є. Каменецький, М. С. Пуришева .- М.: Видавничий центр "Академія", 2000.-368 с.
6. "Великий енциклопедичний словник Фізика" голів. ред. Прохоров А.М.. - М. "Велика Російська енциклопедія". - 1998.
7. Віників В.А. Теорія подібності і моделювання / М.: Вища школа 1986
8. Єрохін Р. Я. "Вибір моделі в процесі рішення фізичних завдань" Викладання фізики у вищій школі Науково-методичний журнал № 23 .- М. 2002
9. Каменецький С. Є. Солодухин Н. А. "Моделі та аналогії в курсі фізики середньої школи: посібник для вчителів." -М., 1982
10. Карнільцев І. Н. "Значення моделювання при постоновке демонстраційного експерименту з фізики" Викладання фізики у вищій школі Науково-методичний журнал № 23 .- М. 2002
11. "Основи філософії: Навчальний посібник для вузів" відповідь. Ред. Є. В. Попов .- М.: Гуманит. вид. Центр ВЛАДОС, 1997
12. Хижнякова Л.С., Синявіна А.А. "Фізика: Основи електродинаміки. Елементи квантової фізики: Учеб. Для 9 кл. Загаль. Уста." - М. Віта-Пресс .- 2001