Учителю
Виртуальные лабораторные работы по физике.

Виртуальные лабораторные работы по физике.

Автор публикации: Румянцева М.В.

Дата публикации: 07.05.2015

Краткое описание: В статье дается описание назначения физического эксперимента, а именно виртуальных лабораторных работ. Отмечаются плюсы и минусы данных работ. Так же подробно описано электронное средство обучения «Физика. Электричество. Виртуальная лаборатория» (далее - ЭСО предназн

предварительный просмотр материала

Важное место в формировании исследовательской компетенции учащихся на уроках физики отводится демонстрационному эксперименту и фронтальной лабораторной работе. Физический эксперимент на уроках физики формирует у учащихся накопленные ранее представления о физических явлениях и процессах, пополняет и расширяет кругозор учащихся. В ходе эксперимента, проводимого учащимися самостоятельно во время лабораторных работ, они познают закономерности физических явлений, знакомятся с методами их исследования, учатся работать с физическими приборами и установками, то есть учатся самостоятельно добывать знания на практике. Таким образом, при проведении физического эксперимента у учеников формируется исследовательская компетенция.

Но для проведения полноценного физического эксперимента, как демонстрационного, так и фронтального необходимо в достаточном количестве соответствующее оборудование. В настоящее время школьные лаборатории по физике не достаточно оснащены приборами по физике и учебно-наглядными пособиями для проведения демонстрационных и фронтальных лабораторных работ. Имеющееся оборудование не только пришло в негодность, оно также морально устарело.

Но даже при полной укомплектованности лаборатории физики требуемыми приборами реальный эксперимент требует очень много времени на подготовку и его проведение. При этом из-за значительных погрешностей измерений, временных ограничений урока реальный эксперимент часто не может служить источником знаний о физических законах, так как выявленные закономерности имеют лишь приближенный характер, зачастую правильно рассчитанная погрешность превышает сами измеряемые величины. Таким образом, провести полноценный лабораторный эксперимент по физике при имеющихся в школах ресурсах затруднительно.

Ученики не могут представить некоторые явления макромира и микромира, так как отдельные явления, изучаемые в курсе физики средней школы невозможно наблюдать в реальной жизни и, тем более, воспроизвести экспериментальным путем в физической лаборатории, например, явления атомной и ядерной физики и т.д.

Выполнение отдельных экспериментальных заданий в классе на имеющемся оборудовании происходит при заданных определенных параметрах, изменить которые невозможно. В связи с этим невозможно проследить все закономерности изучаемых явлений, что также сказывается на уровне знаний учащихся.

И, наконец, невозможно научить учащихся самостоятельно добывать физические знания, то есть сформировать у них исследовательскую компетенцию, применяя только традиционные технологии обучения. Живя в информационном мире, невозможно проводить процесс обучения без использования информационных технологий. И на наш взгляд на это есть свои причины:

Главная задача образования в данный момент - формирование у учащихся умений и навыков самостоятельного приобретения знаний. Информационные технологии дают такую возможность.
Ни для кого не секрет, что в настоящий момент у учащихся пропал интерес к учебе, а в частности к изучению физики. А применение компьютера повышает и стимулирует интерес учащихся к получению новых знаний.
Каждый ученик - индивидуален. А использование компьютера в обучении позволяет учитывать индивидуальные особенности ученика, дает большой выбор самому ученику в подборе собственного темпа изучения материала, закрепления и оценивания. Оценивание результатов усвоения темы учеником через выполнение тестов на компьютере убирает личностное отношение учителя к ученику.

В связи с этим, появляется идея: Использовать информационные технологии на занятиях по физике, а именно при выполнении лабораторных работ.

Если проводить физический эксперимент и фронтальные лабораторные работы, используя виртуальные модели посредством компьютера, то можно скомпенсировать недостаток оборудования в физической лаборатории школы и, таким образом, научить учащихся самостоятельно добывать физические знания в ходе физического эксперимента на виртуальных моделях, то есть появляется реальная возможность формирования необходимой исследовательской компетенции у учащихся и повышения уровня обученности учащихся по физике.

Применение компьютерных технологий на уроках физики позволяет формирование практических навыков так, как виртуальная среда компьютера позволяет оперативно видоизменить постановку опыта, что обеспечивает значительную вариативность его результатов, а это существенно обогащает практику выполнения учащимися логических операций анализа и формулировки выводов результатов эксперимента. Кроме того можно многократно проводить испытание с изменяемыми параметрами, сохранять результаты и возвращаться к своим исследованиям в удобное время. К тому же, в компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов. Работа с этими моделями открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.

Ещё один позитивный момент в том, что компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощенной теоретической модели, что позволяет быстро и эффективно находить главные физические закономерности наблюдаемого явления. Кроме того, учащийся может одновременно с ходом эксперимента наблюдать построение соответствующих графических закономерностей. Графический способ отображения результатов моделирования облегчает учащимся усвоение больших объемов полученной информации. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков. Также необходимо учитывать, что далеко не все процессы, явления, исторические опыты по физике учащийся способен представить себе без помощи виртуальных моделей (например, диффузию в газах, цикл Карно, явление фотоэффекта, энергию связи ядер и т.д.). Интерактивные модели позволяют ученику увидеть процессы в упрощенном виде, представить себе схемы установок, поставить эксперименты вообще невозможные в реальной жизни.

Все компьютерные лабораторные работы выполняются по классической схеме:

- теоретическое освоение материала;

- изучение готовой компьютерной лабораторной установки или создание на компьютере модели реальной лабораторной установки;

- выполнение экспериментальных исследований;

- обработка результатов эксперимента на компьютере.

Компьютерная лабораторная установка, как правило, представляет собой компьютерную модель реальной экспериментальной установки, выполненную средствами компьютерной графики и компьютерного моделирования. В некоторых работах имеются лишь схема лабораторной установки и ее элементы. В этом случае, прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, лабораторную установку необходимо собрать на компьютере. Выполнение экспериментальных исследований представляет собой непосредственный аналог эксперимента на реальной физической установке. При этом реальный физический процесс моделируется на компьютере.

Особенности ЭОР « Физика. Электричество. Виртуальная лаборатория».

В настоящее время существует достаточно много электронных средств обучения, в которых имеются разработки виртуальных лабораторных работ. Мы в своей работе использовали электронное средство обучения «Физика. Электричество. Виртуальная лаборатория» (далее - ЭСО предназначено для поддержки учебного процесса по теме «Электричество» в общеобразовательных учебных заведениях (рис.1).

Рис.1 ЭСО.

Данное пособие создано группой ученых Полоцкого государственного университета. В использовании данного ЭСО имеются несколько преимуществ.

Простая установка программы.
Простой пользовательский интерфейс.
Приборы, полностью копируют настоящие.
Большое количество устройств.
Соблюдаются все реальные правила работы с электрическими цепями.
Возможность проведения достаточно большого количества лабораторных работ при разных условиях.
Возможность проведения работ, в том числе для демонстрации последствий не достижимых или нежелательных в натурном эксперименте (перегорание предохранителя, лампочки, электроизмерительного прибора; изменение полярности включения приборов и т.п.).
Возможность проведения лабораторных работ не в учебном заведении.

Общие сведения

ЭСО разработано для обеспечения компьютерной поддержки преподавания предмета «физика». Главная цель создания, распространения и применения ЭСО - повышение качества обучения за счет эффективного, методически обоснованного, систематического использования всеми участниками образовательного процесса на разных этапах учебной деятельности.

Учебные материалы, входящие в состав данного ЭСО соответствуют требованиям учебной программе по физике. Основу учебных материалов данного ЭСО составят материалы современных учебников физики а также дидактических материалов для выполнения лабораторных работ и экспериментальных исследований.

Понятийный аппарат, используемый в разрабатываемом ЭСО составлен на основе учебного материала действующих учебников по физике, а также рекомендуемых для использования в средней школе справочников по физике.

Виртуальная лаборатория реализуется как отдельное приложение операционной системы Windows.

Данное ЭСО позволяет проводить фронтальные лабораторные работы с использованием виртуальных моделей реальных приборов и устройств (рис.2).

Рис.2 Оборудование.

Демонстрационные опыты дают возможность показать и объяснить результаты тех действий, которые невозможно или нежелательно осуществлять в реальных условиях (рис.3).

Рис.3Нежелательные результаты опыта.

Предоставляется возможность организации индивидуальной работы, когда учащиеся могут самостоятельно ставить эксперименты, а также повторения опыта вне урока, например на домашнем компьютере.

Назначение ЭСО

ЭСО -компьютерный инструмент, используемый в обучении физике, необходимый для решения учебных и педагогических задач..

ЭСО может быть использовано для обеспечения компьютерной поддержки преподавания предмета «физика».

В состав ЭСО входят 8 лабораторных работ по разделу «Электричество» курса физики, изучаемого в VIII и XI классах средней школы.

С помощью ЭСО решаются основные задачи по обеспечению компьютерной поддержки следующих этапов учебной деятельности:

- объяснение учебного материала,

- его закрепление и повторение;

- организация самостоятельной познавательной деятельности учащегося;

- диагностика и коррекция пробелов в знаниях;

- промежуточный и итоговый контроль.

ЭСО может быть использовано в качестве эффективного средства для формирования у учащихся практических умений и навыков в следующих формах организации учебной деятельности:

- для выполнения лабораторных работ (основное назначение);

- в качестве средства организации демонстрационного эксперимента, в том числе для демонстрации последствий не достижимых или нежелательных в натурном эксперименте (перегорание предохранителя, лампочки, электроизмерительного прибора; изменение полярности включения приборов и т.п.)

- при решении экспериментальных задач;

- для организации учебно-исследовательской работы учащихся, решении творческих задач во внеурочное время, в том числе и в домашних условиях.

ЭСО может также использоваться в следующих демонстрациях, опытах и виртуальных экспериментальных исследованиях: источники тока; амперметр, вольтметр; изучение зависимости силы тока от напряжения на участке цепи; изучение зависимости силы тока в реостате от длины его рабочей части; изучение зависимости сопротивления проводников от их длины, площади поперечного сечения и рода вещества; устройство и действие реостатов; последовательное и параллельное соединение проводников; определение мощности, потребляемой электронагревательным прибором; плавкие предохранители.