Модельний підхід до вивчення фізичних явищ by Валентина Судець (kpschool1)

Міністерство освіти і науки України Департамент освіти і науки Хмельницької обласної державної адміністрації Управління освіти і науки Кам’янець-Подільської міської ради Кам’янець-Подільська спеціалізована загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів №1 з поглибленим вивченням німецької мови Хмельницької області

Теличко І.І., вчитель

МОДЕЛЬНИЙ ПІДХІД ДО ВИВЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ЯВИЩ (посібник)

2014

Анотація Теличко І.І., Модельний підхід до вивчення фізичних явищ. – Кам’янецьПодільський: Кам’янець-Подільська спеціалізована загальноосвітня школа ІІІІ ступенів №1 з поглибленим вивченням німецької мови Хмельницької області, 2014. - 57 с. В посібнику подано різні форми і методи організації та здійснення моделювань фізичних явищ та процесів як засобу активізації пізнавальної діяльності учнів. Основна мета посібника – допомогти учителю у підготовці та проведенні уроків. Рецензент: Оптасюк С.В., кандидат фізико-математичних наук Рекомендовано: методичним об’єднанням природничих дисциплін СЗОШ №1, протокол №2 від 23.10.2014 р.

ЗМІСТ ВСТУП ..................................................................................................................... 3 1. Реалізація можливостей міжпредметних зв’язків в ході моделювання фізичних явищ та процесів ................................................................................... 4 2. Комп'ютерні моделі та педагогічні програмні засоби ................................. 13 3. Методичні особливості відбору матеріалу для моделювання .................... 21 4. Моделювання фізичних явищ та процесів в ході експериментальної діяльності ............................................................................................................. 29 5. Розвиток експериментальних досліджень з фізики на основі моделювальних технологій навчання ............................................................... 35 ВИСНОВКИ ........................................................................................................... 43 СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ...................................................... 46 ДОДАТКИ .............................................................................................................. 52

ВСТУП Актуальність обраної теми пов’язана з тим, що моделювання сьогодні використовують для дослідження будь-яких явищ, процесів чи систем шляхом побудови й вивчення їхніх моделей, тобто об'єктів, що є уявно наведеними або матеріально реалізованими, кожний з яких, відображаючи чи відтворюючи об'єкт-оригінал, здатний заміщувати його так, що його вивчення дає нову інформацію про об'єкт-оригінал. Такий стан справ вимагає якісно нового підходу до організації навчально-пізнавальної діяльності учнів. Об’єктом дослідження визначено процес навчання учнів на уроках фізики загальноосвітніх закладів. Предмет дослідження – форми і методи організації та здійснення моделювань фізичних явищ та процесів як засобу активізації пізнавальної діяльності учнів. Метою дослідження є обґрунтування, розроблення, реалізація та перевірка технологій моделювання як одного із засобів організації навчально-пізнавальної діяльності учнів на уроках фізики. Методологічну основу дослідження складають основні положення теорії пізнання, відображення, принципу єдності свідомості і діяльності, діалектична концепція розвитку, що обумовлює появу нової якості в процесі зміни кількісних характеристик явища. Наукова новизна дослідження полягає: 1. У розкритті психолого-педагогічних особливостей моделювання фізичних явищ та процесів в ході експериментальної діяльності учнів. 2. У виявлені шляхів та методів підвищення рівня знань та сформованості умінь учнів. Практична

цінність

дослідження

полягає

виявленні

умов

ефективного застосування моделювання фізичних явищ та процесів в ході експериментальної діяльності учнів на уроках фізики.

1. Реалізація можливостей міжпредметних зв’язків в ході моделювання фізичних явищ та процесів У сучасній школі навчання фізики слід розглядати як інноваційний процес, що має чітко виражені практичні і прогностичні функції, які полягають у науковій розробці змісту, структури, форм, методів і засобів навчання фізики в їх оптимальному поєднанні в конкретній технології навчання фізики. Основою інноваційних процесів при навчанні фізики є удосконалення форм, методів та засобів організації навчання фізики та їх науково обґрунтоване оптимальне поєднання в інноваційних технологіях навчання фізики [25]. Сучасні освітні технології це потужний інструмент для розвитку прогресу в усіх сферах суспільного розвитку в тому ж числі і в педагогіці. Технології, які пов’язані з моделюванням явищ та процесів – це педагогічні технології, що використовують технічні та програмні засоби з метою інтенсифікації навчання. Розвиток нових освітніх технологій відкриває широкі можливості для удосконалення

шкільних

програм,

розширення

діапазону

матеріалу,

глибшого розуміння суті фізичних явищ та процесів. Моделювальні технології

можуть

використовуватися

по-різному

залежності

від

поставленого завдання. Зокрема це може бути розв'язування задач, викладення нового матеріалу, демонстрацій під час викладення нового матеріалу, виконання різноманітних розрахункових завдав обчислення похибок під час проведення лабораторних робіт та й навіть, в конання самих лабораторних робіт. Інтерес, який посилився останнім часом до методу моделювання, пов'язаний з посиленням інтересу до логіки науки, взагалі. Аналіз таких методів не є чимось зовнішнім щодо науки, це необхідна умова її розвитку. З досвіду використання моделей у фізиці дізнаємося, що процес дослідження явищ йшов двома шляхами: а) від наочних моделей до загальних фізичних теорій; 4

б) від загальних фізичних теорій до наочних моделей. Так, Максвелл на першому етапі створення своєї теорії електромагнітного поля широко використовував механічні моделі. Саме за допомогою використання технологій, які пов’язані з моделюванням явищ та процесів, вдалося в шкільному лабораторному фізичному практикумі створити ряд лабораторних робіт, які проводяться за допомогою як нового обладнання фізичного кабінету, так і за допомогою комп'ютерної техніки. Це дає можливість розвивати в учнів дослідницькі нахили у розв'язуванні конкретних фізичних задач, сприяє формуванню в них вміння робити власні припущення та формулювати гіпотези стосовно, розглядуваного явища та перевіряти їх правильність на основі реального експерименту. Питання використання засобів математики при вивченні фізики дуже актуальне на сьогодні, бо, як стверджують вчителі фізики, є чимало роботи, коли їм "доводиться ліквідовувати суттєві прогалини у математичній освіті учнів" [56]. Однак, не треба вважати, що це проблема лише математиків. Міжпредметні зв'язки необхідно встановлювати також вчителям фізики. Зауважимо також, що проблема невміння учнів застосовувати математичний апарат не починається на уроках фізики основної школи, коли виявляється, що школяр не може розв'язати задачі, бо не має достатньої математичної підготовки. Це проблема всієї системи освіти. Для подолання названих недоліків необхідне, найперше, детальне вивчення цієї проблеми та її діагностування. Говорячи про науку, обов'язково слід торкатися питання про експеримент, оскільки посідає чільне місце у фізиці. Хоча часто, найфундаментальнішим принципом науки називають детермінізм. Дійсно, без звернення до нього, дослід втратив би свою раціональну основу, доцільність, а фізика втратила б свою роль у встановленні та систематизації найважливіших законів руху матерії, бо зникла б сама систематичність [58]. Стосовно математики, то вона спирається на експеримент опосередковано – 5

через інші науки. Лише зараз, в останні десятиріччя, з'явилося поняття математичного експерименту. Таким чином, саме математика є "носієм детермінізму" у фізиці, вона формалізує розумову діяльність дослідника, що дозволяє використовувати засоби математики у різних галузях науки, як напрацьовані розумові прийоми математичного моделювання, які дозволяють знаходити не лише значення шуканих величин, а й суть зв'язків між ними. Математичною моделлю вважатимемо опис якогось класу явищ зовнішнього світу, виконаний за допомогою математичної символіки [56]. Таким чином, означено, що та сама математична модель може описувати явища зовсім різного фізичного змісту та, можливо, й інших галузей науки. Щодо

математичної

символіки,

то

цей

засіб

скороченого

запису

математичних понять та операцій, хоч і не вносить нічого нового в спосіб мислення, однак полегшує виконання операцій аналізу та синтезу, дозволяє вичленувати головне. Нерідко фізика використовує також поняття фізичної моделі, що у прямому розумінні слова, процес, який має однакову фізичну природу з досліджуваними процесами, але разом з тим є зручнішим для відчуття та вимірювання. Інколи поняття фізичної моделі вживають не у власному розумінні слова, тоді використовують процес, що має фізичну природу, відмінну від фізичної природи досліджуваного процесу. Таке моделювання точніше

називати

аналоговим

моделюванням

або

аналоговими

обчислювальними машинами. Оскільки співвідношення у математичних моделях відображають суть відповідних явищ, то очікується, що й співвідношення в аналоговій моделі відповідатиме співвідношенням в досліджуваному процесі [47]. При вивченні електричного поля точкового заряду користуються аналогією натягнутої мембрани. Більш виражена дидактична мета аналогової моделі інтерференції поперечних хвиль у воді, при вивченні інтерференції у хвильовій оптиці. Ті ж явища інтерференції світлових хвиль інколи вивчають за допомогою фізичної моделі – інтерференції радіохвиль - що, як відомо, 6

мають ту саму природу. Підставою для створення аналогової моделі став той факт, що математичною моделлю будь-якої хвилі (поперечної чи повздовжньої) є рівняння, що містить періодичну функцію. Цей факт отримуємо з того, що визначальною властивістю хвилі приймається періодичність відносно часу та фазової координати, незалежно від її природи. Варто також зазначити, що аналогові комп’ютери найчастіше використовують в прикладній фізиці та техніці [33]. Експеримент

виконує

не

тільки

науково-дослідницьку,

але

навчально-виховну роль. Важливим засобом навчання є задачний матеріал фізики, який вчить виконанню математичного моделювання при заданих наперед результатах вимірювання (англійське "задача" - problem - проблема). Це вміння потім використовується при виконанні лабораторних робіт з фізики. Математична модель може створюватися трьома шляхами: а) у результаті безпосереднього спостереження явища, його прямого вивчення та осмислення; моделі, отримані таким методом, називають феноменологічними; б) у результаті деякого процесу дедукції, коли нова модель одержується як окремий випадок деякої загальної моделі; такі моделі називають асимптотичними; в) у результаті деякого процесу індукції, коли нова модель є природним узагальненням "елементарних" моделей. Такі моделі називають моделями ансамблів. Наприклад, усі моделі механіки Ньютона є феноменологічними. Вони підсумовують тисячолітні зусилля людей зрозуміти та осмислити природу найпростіших видів руху – механічного. Будь-який опис об'єкта, системи починається з уявлення про його стан на даний момент. Тепер це зветься фазовим станом чи фазовими координатами, фазовим вектором. Фазовий стан матеріальної точки 7

визначається її координатами та величинами швидкостей. В основі кожної моделі лежать закони збереження – вони зв'язують між собою зміну фазових координат системи та зовнішні сили. Успіх дослідження, аналізу явища, успіх відкриття багато в чому залежить від того, наскільки точно дослідник "вгадає" ті фазові змінні, які беруть участь у формулюванні закону. Поняття сили існувало до Ньютона. Те, що сила впливає на характер руху, знали до Ньютона. Деякі з його попередників підійшли впритул до відкриття таємниці руху. Одним з них був Й. Кеплер. Але тільки Ньютону вдалося перейти межу, за якою лежало геніальне відкриття. Він був першим, хто зрозумів і сформулював закон збереження імпульсу. Виявляється, що сила визначає зміну швидкості, а не саму швидкість, тобто зміну координат, як гадали до Ньютона. Поряд з цим виявилося інше відкриття: модель тяжіння. Сила взаємодії між тілами пропорційна їх масам та обернено пропорційна квадрату відстані. Найважливіше полягало в тому, що маса в законі збереження імпульсу виконує роль певного розмірного коефіцієнта пропорційності. Маса фігурує і в законі всесвітнього тяжіння. Виявляється, що обидві величини, зовсім різного змісту, мають ту саму суть. І це твердження є абсолютно точним дослідним фактом – тотожністю гравітаційної та інертної мас. Спільними зусиллями математиків та фізиків було створено сучасну систему моделей фізики. Найбільш цікавим та важливим видається створення не просто сукупності моделей, а саме системи. Сучасна фізика – це система логічно зв'язаних фізичних моделей. Визначну роль у цьому процесі відіграв розвиток ідей асимптотичного аналізу. Нові моделі, тобто нові теорії, не відкидали старих, а включали їх як окремий випадок. Одне з найвизначніших відкриттів початку XX ст. – це створення спеціальної теорії відносності й релятивістської механіки. Механіка Ньютона отримується з неї так само граничним переходом. Так, поряд з феноменологічними моделями почали виникати ще й моделі асимптотичні. Подальше

накопичення

знань

приводило 8

до

виникнення

нових

феноменологічних

моделей,

ті

моделі,

котрі

раніше

були

феноменологічними, поступово перетворювались на асимптотичні моделі. Кількість асимптотичних моделей відображає в якійсь мірі зрілість науки. Вона показує вже досягнуту глибину розуміння зв'язків між окремими фактами та явищами. Третій тип моделей – це моделі ансамблів, що дозволяють визначити поведінку деякої системи об'єктів за інформацією про поведінку елементів та силах їхньої взаємодії. У загальному випадку процес математичного моделювання можна умовно поділити на чотири етапи [31]: 1. Формування законів, які зв'язують об'єкти моделі. Запис в математичній термінології якісних уявлень про зв'язки між об'єктами моделі. 2. Дослідження математичних задач, до котрих приводить математична модель. Основним питанням тут є розв'язання безпосередньої задачі, тобто отримання, в результаті аналізу, моделі вихідних даних (теоретичних наслідків) для подальшого їх зіставлення з результатами спостережень явищ, що вивчаються. 3. З'ясування того, чи задовольняє прийнята (гіпотетична) модель критерій практики (у певній точності спостережень). Якщо математична модель така, що ні при якому виборі характеристик, умови точності не можна задовольнити, то модель непридатна для дослідження явищ, що вивчаються. 4. Наступний аналіз моделі у зв'язку з накопиченням даних про явища, які вивчаються, та модернізація моделі. Усі елементи математичного моделювання наявні в навчальній діяльності

учнів

особливим

чином.

Лабораторний

практикум,

крім

загальнонаукових цілей, спрямований на формування у школяра навичок та умінь зіставлення моделі вихідних даних з результатами спостережень явищ, що вивчаються, тобто виконувати безпосереднє вимірювання й здійснювати відбір суттєвого. Вже найперший етап експерименту орієнтує його на гіпотетичну математичну модель. Сама постановка експерименту передбачає 9

"замикання" системи навколо фазових змінних математичної моделі. Розглянемо елементи теорії моделювання, зокрема фізичного і математичного. Саме ці два види моделювання широко використовують у навчальному процесі не тільки як суто ілюстративний засіб, а й як прийом навчання, що дає можливість дістати певні кількісні характеристики фізичних явищ і процесів [32]. Теоретичною основою фізичного моделювання є теорія подібності і теорія розмірності фізичних величин. Перша досліджує необхідні й достатні умови, при яких фізичні явища будуть подібні. За цією теорією два фізичні явища вважаються подібними, якщо, знаючи величини, які характеризують одне явище (швидкість перебігу процесів, тиск, температуру, густину середовища тощо), можна знайти відповідним перетворенням величини, що характеризують інше явище. Розрізняють такі види фізичної подібності: механічну (подібність швидкостей, прискорень, мас, сил), теплову (подібність температур, теплових потоків), гідро- і аеродинамічну (подібність густин, коефіцієнтів в'язкості, коефіцієнтів опору), електричну (подібність електричних і магнітних полів, струмів, напруг, опорів). При цьому вважають, що в усіх видах фізичних подібностей протягом усього часу дослідження природа досліджуваних явищ і речовин не змінюється, а також витримується геометрична подібність моделі й оригіналу. У складних явищах може відбуватися одночасно кілька процесів. Якщо кожний з них подібний, то явище в цілому подібне. За результатами досліджень, проведених на моделі, можна визначити величини (параметри), властиві оригіналу, якщо будують відомі коефіцієнти подібності

відповідних

фізичних

величин

(коефіцієнти

масштабного

перетворення). В моделюванні експериментатор може, вибираючи умови дослідження, допускати деяку довільність, тоді як при безпосередньому дослідженні оригіналу умови досліду цілком фіксовані і не завжди бувають доступні для

виконання відповідних вимірювань. Однак критерії подібності накладають і певні обмеження на вибір умов, за яких здійснюється моделювання. Теорія подібності лежить в основі фізичного моделювання, тобто такого моделювання, коли модель і досліджуваний об'єкт мають однакову природу. В основу математичного моделювання покладено аналогію фізичних явищ, яка розглядається як найбільш загальний випадок подібності, властивий і для явищ різної природи. Досить ефективно використовують на практиці

аналогії

(електромеханічна

між

електричними

аналогія),

між

механічними

електричними

явищами тепловими

(електротермічна аналогія) та ін. В усіх подібних аналогіях за модель, як правило, вибирають електричні явища. Тому такий вид математичного моделювання називають ще електричним. Як приклад розглянемо моделювання механічних явиш за допомогою електричних [30]. Для цього треба скласти певні групи аналогій між величинами, що характеризують ці явища. На практиці в основному використовується дві групи аналогій. Першу групу запропонував у середині XIX ст. відомий англійський фізик Джеймс-Клерк Максвелл. Йому вдалося мовою рівнянь Лагранжа викласти теорію електромагнітних явищ, поклавши, що узагальненій координаті х відповідає електричний заряд q, масі т — індуктивність котушки L, час t в обох системах проходить однаково. Знаючи закономірні зв'язки між основними величинами (х, т, t), які характеризують механічні явища, та основними величинами, що характеризують електромагнітні явища (q, L, t), можна знайти відповідність між іншими фізичними величинами. Відома й друга група електромеханічних аналогій, у якій координаті х відповідає значення магнітного потоку Ф, масі т — ємність конденсатора С. Час t. як і в першій системі аналогій, проходить в обох явищах однаково. Першу групу аналогій називають аналогією за напругою, другу – аналогією

за

струмом.

Ця

назва

походить

електродинаміки, які моделюють силу в механіці. 11

від

фізичних

величин

На практиці застосовуються й інші групи аналогій. Так, наприклад, у деяких електромоделюючих мережах першого роду (аналогові мережі), які широко використовуються для розрахунків різноманітних механічних конструкцій, довжина (балки, стержня і т. д.) моделюється електричним опором, діюча сила — силою струму. У випадку математичного моделювання (на основі аналогій) потрібно відмежуватися од якісних характеристик моделі та досліджуваного об'єкта і перейти від іменованих чисел до абстрактних [21]. Після здобуття результату — знову перейти до іменованих чисел. Для побудови електричної моделі треба спочатку скласти в загальному вигляді рівняння об'єкта моделювання, потім підібрати електричне коло так, щоб структура його рівнянь була тотожною структурі рівнянь об’єкта, вибрати перехідні масштаби між аналогічними величинами моделі й оригіналу і дістати формули для визначення параметрів досліджуваного об'єкта. Таким чином, бачимо, що сама будова навчального процесу свідчить про тісний зв'язок між засобами математики та фізикою. Для досягнення максимального успіху при вивченні фізики необхідне розуміння структурної глибини цього зв'язку та вміння використати її переваги. Аналізуючи розвиток методу моделювання в тісному зв'язку з розвитком фізичної науки, можна зробити висновок, що більш глибоке проникнення в структуру будови матерії пов'язане зі створенням нових моделей і використанням їх у процесі пізнання.

2. Комп'ютерні моделі та педагогічні програмні засоби Сучасний розвиток науки та техніки вніс у розвиток моделювання новий зміст, але одночасно поставив перед ним серйозні випробовування. З одного боку, кібернетика виявила нові можливості і перспективи цього методу в розкритті загальних закономірностей і структурних особливостей систем різної фізичної природи, що належать до різних рівнів організації матерії, форм руху. З іншого ж боку, теорія відносності й особливо, квантова механіка, вказали на неабсолютний, відносний характер механічних моделей, на труднощі, пов’язані з моделюванням. Зростаючій інтерес філософії й методології пізнання до теми моделювання викликаній тим значенням, яке метод моделювання отримало у сучасній науці, і особливо в таких її галузях, як фізика, хімія, біологія, кібернетика, не кажучи вже про багато технічних наук [59]. Високі темпи науково-технічного прогресу приводять до неперервного збільшення об'єму знань, які мають опанувати люди. Разом з тим істотно підвищуються вимоги до якості й строків підготовки спеціалістів різних профілів. В даний час комп'ютеризація процесу навчання розглядається як комплексна проблема, яка охоплює усі рівні освіти, починаючи з роботи зі школярами й закінчуючи дипломним проектуванням. Звертаючись до досвіду комп'ютерного навчання в зарубіжних країнах, необхідно відмітити виключну інтенсивність впровадження нових інформаційних технологій в навчальний процес, чому в значному ступені сприяє поява компактних й дешевих ПК, обладнаним розвинутим програмним забезпеченням. Навчально-моделююча програма — програма для комп’ютера, що реалізує певну модель навчання і виконує наступні функції:  надає учню порцію навчального матеріалу, тексти самостійних завдань і запитань;  аналізує відповіді учня й оцінює рівень знань;  реалізує індивідуальну роботу у зручному для учня темпі. Більшість навчальних програм забезпечують гнучке керування 13

 пізнавальною діяльністю учнів, адаптацію до індивідуальних особливостей на основі автоматичного збору й обробки даних про хід процесу навчання; вони дозволяють створювати ігрові й змагальні ситуації для підвищення рівня мотивації учнів, спонукаючи ще набувати необхідні навички, щоб виграти у партнера-комп’ютера. Відмітимо декілька типів навчаючих програм:  тренувальні програми (drill and practice programs) розраховані на формування "жорстких" зв'язків між знаннями й навичками шляхом багаторазового повторення, "натаскування" й практичного підкріплення;  покрокові програми (step-by-step programs) послідовно ведуть учня від засвоєння одних елементів до інших з урахуванням рівня його індивідуальних

досягнень

(найбільш

широко

таких

програмах

використовується принцип: спочатку дається правило, а потім приклад задачі, яка розв'язується згідно цьому правилу);  настановчі програми (tutorial programs) дають консультацію учню, вказують на пропущені ним помилки, виправляють відповіді, генерують підказки та інше;  програми розраховані на самостійну творчу діяльність учня (discovery learning), які передбачають, що учень буде самостійно виявляти, "відкривати" той або інший принцип, закон чи правило. У англомовних публікаціях, присвячених застосуванню комп’ютера в якості засобу навчання, вже більше 20 років використовуються акроніми САІ (Computer Assisted Instruction - навчання з використанням комп’ютера), СМІ (Computer Manager Instruction керування навчальним процесом за допомогою комп’ютера) й CAL (Computer Assisted Learning вивчання з допомогою комп’ютера),

які

мають

деякі

змістовні

відмінності,

відображаючи

специфічну номенклатуру навчально-методичних прийомів, однак по суті означають одне й те ж — можливості застосування комп’ютера в якості ефективного засобу навчання [54]. Перші публікації, присвячені 14

можливостям САІ, були

вельми

оптимістичні й у них комп'ютерам відводилась роль терплячих вчителіввихователів, прискіпливих екзаменаторів й невтомних джерел знань. Наступний досвід застосування комп'ютерів у навчальному процесі однак не виправдав максималістичних сподівань ентузіастів САІ. Виявилось, що передача комп'ютеру усіх функцій вчителя неможлива, а сам комп'ютер може найбільш ефективно діяти на кінцеві результати навчання тільки у взаємодії з іншими засобами. Разом з тим досвід комп'ютерного навчання у США й Англії підтвердив, що в умовах САІ значно скорочується час, необхідний для засвоєння навчального матеріалу, зростає цікавість учнів до вивчення предметів, підсилюється зворотній зв'язок "навчання – вчитель", а, отже, підвищується й ефективність контрольно-оцінювальних й стимулюючих функцій навчального процесу. Ці ж особливості комп'ютерного навчання відмічають вчені й інших країн. Значну

цікавість

представляє

класифікація

засобів

викладення

матеріалу в середовищі САІ. Так в навчальному режимі (Tutorial Mode) програмні засоби ПК розраховані на засвоєння учнями тієї або іншої теми шляхом показу серії ретельно підготованих кадрів (Frames), відображаючи специфіку теми, що вивчається. Характер навчання при цьому подібний навчанню за допомогою програмованих текстів, коли зміст матеріалу й діяльності учня з його засвоєння розбивається на ряд послідовних кроків [13]. Зміст кожного такого кроку учні бачать на екрані монітору, після чого їм пропонується дати відповідь від якої залежить зміст наступного кадру й т.д. Темп подібного навчання залежить від індивідуальних здібностей учня, тобто при даному підході досягається диференційований підхід до навчання. В умовах СМІ комп'ютер може виконувати функції керування. На початку навчальної програми здійснюється тестування учня й тільки після цього йому пропонується для вивчення той чи інший матеріал, що найбільш точно відповідає рівню підготовки учня, встановленого тестуванням. При цьому відповіді учня записуються й зберігаються у зовнішній пам'яті ПК, що дозволяє викладачу слідкувати за успіхами кожного учня окремо й групи в 15

цілому, а також виявляти виниклі труднощі й своєчасно вносити необхідні корекції в учбовий процес. Окремим

напрямом

використання

тренажерного

режиму

комп'ютерного навчання DPS (Drill and Practice Software), в якому комп'ютер пропонує учню вирішувати певну задачу. По ходу розв’язування комп'ютер виконує функції консультанта, скеровуючи учня у випадку помилки на вірний шлях розв’язування. Потім пропонується наступна задача й процес навчання повторюється. Даний режим виявився особливо ефективним при роботі з відстаючими учнями. Особливу увагу в навчальних закладах закордонних країн приділяється моделюючим можливостям комп'ютера. Все більш швидкими темпами розробляються навчальні програми, які імітують дійсні експерименти, складні фізичні процеси та явища, різні життєві ситуації та інше. Прикладами таких засобів можуть слугувати пакети "Flight Simulator", що моделюють літакокерування, "Phindal Construction Set" (моделюючий методи побудови різних машин та механізмів), "Operation Flog" (який дозволяє моделювати процеси розтину й анатомування жаби за допомогою усіх необхідних для цього медичних приладів й препаратів), "Cell Defense" (що розкриває функціонування імунної системи людини), "Robot Odyssey" (що дозволяє учню моделювати збирання інтегральних схем й збирати складні електронні пристрої) та інші. На даний час кількість навчаючих систем, що з'явилися на міжнародному ринку вимірюється тисячами, однак проблеми комп'ютерного навчання виявились набагато складнішими, ніж передбачалось в початковий період [36]. Більшість цих систем мало враховує дидактичні аспекти навчання. На початковому етапі комп'ютеризації навчання це неминуче, однак

вже

сьогодні

виникає

цілий

ряд

проблем,

що

потребують

розв’язування. В зв'язку з цим ведеться інтенсивний пошук нових методів й засобів підвищення ефективності процесу комп'ютерного навчання. Один з перспективних засобів в цьому напрямку – це створення 16

автоматизованих навчальних систем (АНС) на основі ПК [45]. Така АНС є організаційно-технічною системою, яка призначена для керування процесом навчання й реалізована у вигляді людино-машинного комплексу в інструментальному середовищі локальної обчислювальної мережі, основним режимом функціонування якої є адаптивний діалог між групою користувачів (учнів) й автоматизованим навчальним курсом (АНК), який має вигляд деякої об'єктно-орієнтованої програми. Досвід розробок й використання АНС показує, що весь процес автоматизованого проектування процесу навчання зручно представляти у вигляді ієрархії трьох рівнів концептуального, дидактичного й операційного. На концептуальному рівні формується психологічна модель процесу навчання, яка може не залежати від конкретного змісту предметних областей. Сюди відноситься проектування інтерфейсів між учнем та АНС, засобів розв’язування задач та інше. На дидактичному рівні проектується спосіб керування

навчальним

процесом.

Нарешті,

на

операційному

рівні

здійснюється проектування курсу знань з даної дисципліни, тобто відбувається

генерація

сценарію й керування ним за принципами,

визначеними на вищестоящих рівнях ієрархії. За своїм призначенням АНС повинна забезпечувати адаптацію процесу навчання до індивідуальних характеристик учнів, звільнюючи вчителя від ряду трудомістких й рутинних операцій з представлення навчальної інформації й контролю знань, сприяти розробці об'єктивних методів контролю знань й полегшувати накопичення передового навчальнометодичного досвіду. При проведенні занять у середовищі АНС зростає активність учнів, які самостійно пророблюють великий об'єм навчальної інформації, а також можливості вчителя з керування навчальним процесом в класі. Ці показники якісно покращуються при використанні останніх досягнень у галузі проектування й експлуатації локальних обчислювальних мереж. Тому програмні засоби середовища АНС є сукупністю програм, що забезпечують

створення

ведення 17

баз

знань,

функціонування

автоматизованих навчальних курсів, а також реалізацію концепції мережі ЕОМ. Центральним моментом ефективності роботи у середовищі АНС є спосіб створення й реалізації автоматизованих навчальних курсів (АНК). Під АНК розуміється програма ПК, призначена для досягнення навчальної мети та яка входить у структуру АНС, яка включає в себе навчально-методичний матеріал, задачі й питання, засоби оцінки відповідей учня, а також іншу необхідну для процесу навчання інформацію [28]. Принципова різниця навчаючої системи від іншої (технічної, керуючої, інформаційної) полягає в тому, що наявність різних структурних елементів системи само по собі не забезпечує ефективного досягнення результатів, а необхідна активність керованого учня. При проектуванні цілеспрямованої керуючої системи вказується кінцевий стан, в який потрібно перевести учня, й визначає спосіб, за допомогою якого будуть змінюватись й вимірюватись стани цього об'єкту. Загальна класифікація педагогічних програмних засобів подана на схемі 2. Означені

типи

педагогічних

програмних

засобів

реалізують

репетиторські функції учителя-предметника. Комп'ютерні репетиторські програми, слугуючи засобом індивідуалізації та диференціації навчального процесу, сприяють подоланню прогалин у знаннях учнів та формалізму у навчанні. Репетиторська програма в своєму мінімальному об'ємі орієнтована на певне поняття, властивість, закон. За своєю змістом вона може бути: 

навчально-контролюючою (повідомлення та контроль знань);



інформаційною (довідка з певного питання);



тестуючою (діагностика рівня засвоєння матеріалу);



моделюючою

(оволодіння

певними

дослідження моделі реального процесу чи явища).

навичками

на

основі

Схема 2. Види педагогічних програмних засобів. В залежності від структури та змісту комп'ютерна модель може використовуватися педагогом на різних етапах уроку для учнів з різним рівнем знань, який вони, за допомогою цієї ж програми, можуть визначити [22]. Весь процес роботи з програмою організовується, як правило, через меню користувача і підказки. Головне меню містить: 

діагностичні завдання для визначення рівня знань учня;



навчання;



допомогу.

Навчання може відбуватися на різних рівнях: нижчому, оптимальному, 19

вищому. Нижчий рівень відповідає репродуктивному відтворенню того, що вивчено. Середній – вмінню застосовувати знання в стандартних ситуаціях. Вищий – умінню застосовувати знання в нестандартних ситуаціях. Основна ідея використання тренувальних імітаційно-моделюючих програм полягає в тому, що учням замість реального фізичного об'єкта пропонується дослідження його моделі, реалізованої на комп’ютері [28]. При цьому комп'ютер не тільки імітує явища, але й одночасно виконує роль інструмента для його вивчення. Подальша еволюція всіх проявів людської життєдіяльності та науки зокрема спричинили і розвиток моделювання, який на початковому етапі полягав в розширенні сфери його впливу. Модель та моделювання поступово перетворилися в інструмент, що забезпечував застосування наукових даних високого рівня для розв’язку конкретних прикладних задач. Це спричинило до виникнення особливої форми експериментального дослідження – модельного експерименту. На відміну від звичайного експерименту, де засоби експерименту так чи інакше взаємодіють з об’єктом дослідження, тут взаємодії немає, оскільки експериментують не безпосередньо з об’єктом, а з його замінником. При цьому об’єкт замінник і експериментальна установка об’єднуються, зливаються в діючій моделі в єдине ціле. Модель входить в експеримент не лише заміщуючи об’єкт дослідження, вона може заміщувати і умови, в яких вивчається деякий об’єкт. Сучасний етап розвитку моделювання надав йому великого значення та втілив застосування моделей в різних розділах науки, зокрема фізиці, хімії, біології, кібернетиці, та багатьох інших.

3. Методичні особливості відбору матеріалу для моделювання Більшість видів моделювання, які використовуються в наукових дослідженнях, можна використати в навчально-виховному процесі з фізики. Вони взаємно доповнюють один одного, а разом узяті, збагачують методи навчання, забезпечуючи можливість всебічного пізнання учнями об’єктивної істини. Відомий методист Є.М. Горячкін наголошував, що під живим спогляданням слід розуміти: а) певний досвід і знання, які учні здобули в щоденному житті; б) експеримент, який демонструють вчитель або самі учні на уроці [51]. Однак слід врахувати, що деякі явища, наприклад рентгенівські промені, фотоефект, будова атома учням трапляються в щоденному житті дуже рідко або майже зовсім не трапляються. У цьому разі живим спогляданням для учнів буде лише те, що демонструє вчитель на уроках фізики. Але є такі теми, до яких експеримент в умовах школи неможливий. Основні причини такого стану речей: 1. Надзвичайно великі або дуже малі розміри установки чи системи, яку необхідно продемонструвати в класі (різні типи прискорювачів елементарних частинок, атомний реактор, шлюзи водоканалу, гребля гідроелектростанції, ядро атома). 2. Дуже швидкий, або досить повільний перебіг процесів (ланцюгова ядерна реакція, явище радіоактивності, рух планет, сталість площини коливання маятника при добовому обертанні Землі). 3. Шкідливий вплив деяких явищ і процесів на організм людини (радіоактивні речовини, гамма-промені, рентгенівські промені). 4. Досить

великі

значення

деяких

параметрів

системи

(тиск,

температура). 5. Відносна складність окремих приладів і установок, висока їхня вартість. Отже,

демонстраційний

експеримент

треба

застосовувати

загальноосвітній школі як першу ступінь пізнання фізичних явищ або 21

ілюстрацію їх практичного використання. Проте в умовах школи неможливо використати його з усіх тем курсу фізики. Якщо в школі немає можливості для безпосереднього ознайомлення учнів з предметами в натурі, потрібно використовувати спеціально виготовлені копії. Досить ефективно можуть бути використані, як показує практика, різноманітні демонстраційні моделі. В поєднанні з основними приладами ці моделі допомагають формувати в учнів певні фізичні поняття, уявлення, краще розуміти причини фізичних явищ і процесів. А це в свою чергу збуджує інтерес до знань, прагнення до свідомого засвоєння. Більшість приладів, які використовуються в демонстраційному та лабораторному фізичному експерименті – це фізичні моделі тих приладів і установок, з якими учень зустрінеться в майбутньому в своїй практичній діяльності [45]. Під час викладання фізики часто зустрічаються й такі випадки, коли за допомогою існуючих приладів можна показати лише застосування даного явища, а механізм його не розкривається. Таке пояснення не викликає в учнів належних емоцій і не сприяє глибокому засвоєнню матеріалу. Вдало сконструйовані моделі можуть бути хорошим доповненням до основних приладів. За їх допомогою можна проілюструвати, показати в динаміці певні явища, пояснити механізм їх виникнення і зробити правильні наукові висновки. При викладанні шкільних предметів, у тому числі й фізики, слід додержувати основних дидактичних принципів навчання – від простішого до складнішого, від конкретних спостережень і прикладів до узагальнень. Тому моделі доцільно використовувати і тоді, коли можна продемонструвати безпосередньо дане явище, але для розуміння учнів воно ставить певну трудність. Так, наприклад, вивчаючи тему “Основи молекулярно-кінетичної теорії”,

доцільно

використати

одну

механічних

моделей

для

демонстрування броунівського руху, а пізніше організувати спостереження кожним учнем безпосередньо самого явища за допомогою мікроскопа. 22

Під час вивчення на уроках деяких складних машин, механізмів, приладів доцільно розглянути їх спочатку на моделях. Сучасні машини надзвичайно складні. Основні їх вузли, як правило закриті, і недоступні для безпосереднього спостереження. А модель дає змогу звернути увагу учнів на основне, абстрагуватися від другорядного. Часто буває доцільно, а іноді й необхідно, використовувати відповідні моделі під час розв’язування фізичних задач (найчастіше розрахункових і експериментальних задач з механіки, електрики, оптики, атомної і ядерної фізики). Позакласна робота учнів з фізики, зокрема їх технічна творчість, також не мислима без моделювання. Конструювання різноманітних моделей дає великі можливості для здійснення зв’язку теорії з практикою; ознайомлення учнів з основами сучасного

промислового

та

сільськогосподарського

виробництва,

систематизації знань учнів, розвиває в них творчість і винахідливість – риси необхідні людині для життя в суспільстві. Велику увагу моделям приділяли В. Томсон, Г. Лоренц, Г. Герц, Г. Гельмгольц, М.О. Умов та інші видатні фізики. Так, наприклад, М.О. Умов розцінював модель як важливий засіб пізнання явищ об'єктивної дійсності і особливо тих, які людина не може безпосередньо сприймати своїми органами відчуття. Він вважав, що моделі мають загальнонауковий характер, що вони можуть використовуватися не тільки у фізичних дослідженнях, а й в інших науках. Умов будує фізико-механічну модель живої матерії, модель психічних явищ, будучи цим самим одним з попередників творців сучасної кібернетики [8, с. 184-200]. Багато зробив учений для розкриття методології моделювання, дослідив евристичну роль моделей, їх еволюцію і правила побудови. Наочні моделі відіграли важливу роль у ядерній фізиці, зокрема в дослідженні поведінки атомного ядра при його перетвореннях. Так, Нільс Бор, вивчаючи механізм передачі енергії в атомі, запропонував модель ядра у 23

вигляді краплі рідини. Збудженому стану ядра атома відповідає нагріта крапля, тобто явище радіоактивності зіставляється з явищем випарування рідини. Під час випаровування частинка рідини перемагає сили молекулярної взаємодії. Аналогічно протон або α-частинка, вилітаючи за межі ядра, має подолати сили, що цементують ці частинки в ядрі. Пізніше Бор цю мислену модель доповнив матеріальною (речовою). У чашкоподібну заглибину стола помістив стальні кульки. Самі по собі вони не могли викотитись із заглибини. Але якщо опустити в заглибину ще одну кульку, то решта починала переміщатися, а іноді одна з них викачувалася назовні. За допомогою краплинної моделі ядра вченим вдалося теоретично пояснити основні риси ядерної ланцюгової реакції, передбачити цікаві явища. Наприклад, Френкель прийшов до висновку про можливість спонтанного розпаду, важких ядер. Бор дослідив властивості ізотопу урану235, імовірність поділу якого значно вища, ніж найпоширенішого в природі урану-238. Пізніше було запропоновано нові ядерні моделі, зокрема, модель фермі-газу, оболонкова модель, узагальнена, або колективна, модель ядра, оптична модель [38]. У 1950—1952 pp. датські фізики-теоретики Oгe Бор (син Нільса Бора) і Б. Моттельсон запропонували узагальнену модель ядра, за що у 1975 р. їм було присуджено Нобелівську премію. У цій моделі враховано дві форми руху нуклонів у ядрі — рух окремих нуклонів і колективну форму руху. З історії розвитку фізики відомо багато фактів, коли теорія передувала моделі. У цьому випадку модель булі потрібна, щоб з'ясувати відповідні положення абстрактних теорій. У процесі розвитку науки одну модель доводиться замінювати іншою, досконалішою. Це відбувається, зокрема, тоді, коли з'являються такі наукові факти, які вже не можна пояснити за допомогою старої моделі, а отже, і на основі теорії, за якою створено цю модель. Щоб проілюструвати це твердження, можна розповісти, як розвивалися модельні уявлення про першу елементарну частинку — електрон. На кінець XIX ст. вже було достатньо 24

наукових фактів, що свідчили про існування електрона. Існування атомів електрики стверджували праці Фарадея з електролізу, хоча далі він не розвинув цієї ідеї. Фарадей писав, що про атоми дуже легко говорити, але важко скласти певні уявлення про їхню природу. Максвелл також додержував погляду про атомарну структуру електрики, хоча, як і Фарадей, електричним зарядам надавав другорядного значення, висуваючи на перший план поняття поля. Разом з тим, як писав Г. А. Лоренц (1853—1928 pp.), слід вважати, що теорія електронів бере свій початок від великої теорії електрики, з якою назавжди пов'язані імена Фарадея і Максвелла [13]. У 1881 p., майже одночасно, Г. Гельмгольц і Дж. Стоней, аналізуючи явища

електролізу

Фарадея,

прийшли

до

висновку

про

існування

елементарного заряду. У 1891 р. Стоней запропонував назвати цей елементарний заряд «електроном». У квітні 1897 р. Дж. Дж. Том сон на засіданні Лондонського королівського

товариства доповів про

свої

перші експериментальні

результати з визначення e/m для β-променів. Отже, факт існування елементарного електричного заряду було встановлено. Перед вченими постало

завдання:

продовжуючи

дальше

експериментальне

вивчення

електрона, створити його теорію. Другу модель електрона було запропоновано в 1904 р. німецьким фізиком-експериментатором А. Бухерером (1863—1927 pp.), який вважав, що електрон не має сталої форми. У стані спокою він має форму сфери, а рухаючись, деформується в напрямі швидкості, набираючи форми еліпсоїда обертання. При цьому загальний об'єм його зберігається. У 1904 р. Г.А. Лоренц запропонував третю модель електрона, за якою електрон, рухаючись, набував також форми еліпсоїда обертання, сплюснутого в напрямі руху. Модель Г.А. Лоренца із всіх існуючих на той час моделей, а отже, і відповідних теорій, давала найбільш правильні результати. Однак дальший розвиток моделі електрона, а отже, і його теорії, пішов зовсім іншим шляхом, 25

не тим, основи якого були закладені М. Абрагамом, А. Бухерером, Г. Лоренцом. У 20-х роках нашого століття виникла квантова механіка, розвиток якої істотно змінив наше уявлення про закони руху електрона в цілому. Так, наприклад, відомо, що французький фізик Луї де Бройль у 1923 р. прийшов до висновку: частинки мають таку саму дуалістичну природу, як і світло. А отже, і електрону, якого вважали частинкою, відповідає певна довжина хвилі. Якщо Томсон уперше визначив заряд і масу електрона, то його син Джордж Томсон і кількома місяцями раніше К.-Дж. Девіссон у 1923—1925 pp. експериментально визначили довжину хвилі електрона. За ці дослідження їм у 1937 р. було присуджено Нобелівську премію. Це був досить тонкий експеримент. Як

зазначали

фізики

того

часу,

досліди

були

тріумфом

експериментальної майстерності. Завдяки їм вдалося визначити нові величини: спін електрона і його магнітний момент, введені в 1925 р. нідерландськими фізиками С. Гаудсмітом і Д. Уленбеком для пояснення деяких спектральних закономірностей. Головними віхами в дальшому розвитку теорії електрона були нерелятивістська теорія Паулі, хвильове рівняння Дірака, а також відкриття аномального магнітного моменту електрона та його пояснення квантовою електродинамікою [17]. Уже навіть в цих відкриттях виявляється «невичерпність» електрона. Таким чином, новітня фізика об'єднала поняття, які в класичній фізиці вважалися несумісними, суперечливими, такі, як атомізм і суцільність, непроникність і взаємне проникнення, корпускули і хвилі. З розвитком квантової механіки ставало все більш очевидним, що ніякої класичної теорії структури електрона бути не може, і певні надії, що покладали вчені в цьому відношенні на квантову механіку, не справдилися. Наразі існують дуже серйозне побоювання, що й ця, якщо так можна сказати, «квантова технологія» не придатна для виготовлення настільки тонких речей, 26

як електрони. Ймовірно, закони внутрішньої структури електрона більш делікатні, ніж закони квантової механіки. Науковці порівнюють сучасну квантову теорію з слюсарним інструментом, яким фізики намагаються оперувати в делікатному часовому механізмі елементарних частинок [20, с. 59]. Він говорить, що доводиться захоплюватися кмітливістю фізиків, які навіть за допомогою цього грубого інструменту продовжують добувати все нові й нові відомості про елементарні частинки та їхню структуру. Однаковою мірою ці труднощі стосуються також електрона. Згідно з уявленнями сучасної квантової механіки, електрон складається з ядра та цілої системи оболонок. Оболонка 1 — велика за розмірами, її радіус 10-13. Вона є власне електромагнітним полем електрона, яке було відоме ще до встановлення квантової механіки. Оболонка II є атмосферою піонів (10-15м). Ближче до ядра — оболонка III — атмосфера нуклонів і антинуклонів (масштаб комптонівської довжини нуклонів (10-16м). Ще на менших відстанях (10-18 м) допускається існування слабких взаємодій — оболонка IV. Потім іде так званий гравітаційний радіус (10 -57м), який був обчислений академіком М.О. Марковим. Квантова теорія відсунула проблему моделі електрона в область виключно малих масштабів. Оскільки «асмосфера» електрона має досить малу густину, то часто в науці, а також навчальному процесі, користуються точковою моделлю електрона. Це дало змогу використати електрон і як снаряд для вивчення структури більш важливих частинок. З розвитком науки наші уявлення про структуру елементарних частинок ставатимуть все багатшими і повнішими. «Я глибоко впевнений у тому,— пише Дірак,— що стан, якого досягла фізика в наш час, є перехідним, тобто є лише одним із ступенів еволюції нашої картини природи» [32]. У наукових дослідженнях з фізики велике значення має також матеріальне моделювання. Так, наприклад, відомий фізик В.К. Аркадьев на основі матеріальних моделей проводив дослідження характеру дифракційних картин від предметів значних розмірів, розміщених від екрана за десятки або 27

сотні кілометрів. В окремих випадках для пояснення відповідних процесів і явищ у новій фізиці використовуються моделі, які не менш наочні, ніж моделі класичної фізики. Так, наприклад, пояснюючи суть електромагнітних і ядерних сил за допомогою ідеї про віртуальний обмін фотонами, можна говорити, що коли один електрон відштовхується од другого, відбувається обмін фотонами. Фотони випускаються однією частинкою і поглинаються іншою. Таким чином, квантова теорія, яка, як часто говорять, покінчила з фізичними моделями, в дійсності дає більш конкретну картину електромагнітної взаємодії, а ніж це робила класична теорія. Модель для пояснення природи ядерних сил запропонував японський фізик Хідекі Юкава, припустивши, що взаємодія між нуклонами ядра відбувається за рахунок віртуального обміну піонами. Однак ті специфічні особливості мікросвіту, що виявляються у вигляді квантових особливостей мікрооб'єктів, а також принцип неозначеності, який з погляду квантової механіки має загальний характер, накладають певні обмеження на використання механічних моделей при поясненні відповідних явищ мікросвіту. У зв'язку із цим виникла потреба будувати і використовувати такі моделі, – які доповнювали б або навіть взаємовиключали одна одну. Ці моделі відображають тільки окремі сторони явища мікросвіту. Знаючи наближений характер цих моделей і чого саме в них не вистачає, наука продовжує ними користуватися і дістає цінну інформацію. Використовуючи то одну, то іншу модель, яка з часом навіть заперечує попередню, вчений отримує цілісне уявлення про мікрооб'єкт або атом. Як з окремих мозаїк створюється цілісна картина, так і з окремих моделей виникає загальне уявлення про даний об'єкт.

4. Моделювання фізичних явищ та процесів в ході експериментальної діяльності учнів Одним із засобів реалізації нових інформаційних технологій навчання є сучасні персональні комп’ютери, інтелектуальні термінали з розвиненою периферією, різноманітне програмне забезпечення і мережа комунікацій. Створені педагогічні програмні засоби допомагають реалізувати особистісноорієнтований підхід до процесу навчання, здійснити контроль знань учнів зі зворотним зв’язком, діагностику та оцінювання результатів, самоконтроль і самокорекцію; тренаж і самопідготовку, наочність подання динамічних процесів, моделювання та імітацію явищ, які важко відтворити в реальних умовах,

проведення

експериментальних досліджень з використанням

комп’ютерної техніки, створення інформаційних баз даних з вільним доступом, які необхідні в навчальній діяльності, розвиток творчих здібностей учнів. Усе це дало змогу перейти від фрагментарного застосування комп’ютерної техніки до синтезованих методів, що полягають у переведенні курсів навчальних дисциплін на нову технологію навчання з широким використанням інформаційних технологій. Це прискорює процес передачі і переробки інформації,

підвищує якість її засвоєння, допомагає глибше

зрозуміти суть фізичних явищ. Аналіз численних публікацій вітчизняних і зарубіжних авторів [2, 13, 15; 47], практики роботи багатьох навчальних закладів показав, що застосування

комп’ютерної

техніки

курсі

фізики

стає

могутнім

підсилювачем інтелектуальних можливостей учнів і вчителів, дає змогу інтенсифікувати навчальний процес, надати йому динамізму, гнучкості, піднімаючи його на якісно новий рівень. Успіх застосування зазначених технологій

визначається

якістю

комп’ютерних

засобів,

оптимальним

поєднанням традиційних і програмованих методів навчання, дидактичними можливостями технічних пристроїв і програм, які є у розпорядженні вчителя та учнів. Необхідно зауважити, що не всі проблеми і завдання педагогічного процесу можна виконати лише за допомогою комп’ютерної техніки. 29

Основним критерієм тут є принцип педагогічної доцільності.

Адже

комп’ютер – це не просто ще один технічний засіб навчання, а насамперед – сукупність нових пізнавальних прийомів, для оволодіння якими потрібні значні інтелектуальні зусилля [28]. Досить успішно вдалося

застосувати комп’ютерну техніку для

експериментальних досліджень, де за допомогою навчально-контролюючих програми здійснювалось інструктування учнів про порядок та методи виконання завдань, встановлювався рівень їх підготовки до заняття, видавались вказівки щодо підготовки та способів проведення експерименту, а потім контролювалось його виконання; моделювались складні явища і процеси

(рис.

2.1);

оперативно

здійснювалось

опрацювання

експериментальних результатів. Його використання в навчальних закладах дало змогу виконати одне із завдань експерименту – ознайомлення з основними принципами автоматизації процесу збирання і опрацювання фізичної

інформації

сучасному

експерименті. Одним завдань,

які

найважливіших

виникають

під

час

переходу до широкого використання обчислювальної техніки на уроках фізики, кількості

створення

програмних

достатньої засобів,

які

спрямовані на комп'ютерну підтримку

Рис. 1. Моделювання фізичних процесів

цих занять. Широкі можливості сучасних інформаційних засобів дають змогу розглядати їх як один із дієвих засобів підвищення ефективності експериментальної підготовки на уроках фізики. Сама ж технологія є важливим

чинником

розвитку

лабораторного

практикуму,

оскільки

впровадження комп’ютерної техніки націлює педагогічну діяльність в умовах експериментальної діяльності на досягнення запланованих результатів найбільш раціональними засобами. Саме застосування комп’ютерної техніки 30

значно допомогло усунути істотні недоліки у постановці фізичного експерименту. Зокрема, модернізація змісту навчального експерименту з фізики потребувала постановки нових лабораторних робіт, які актуалізували б важливі поняття і закони курсу, сприяли б поглибленню експериментальної підготовки учнів [45]. Але низку явищ і властивостей деяких речовин технічно не вдавалось відтворити на експериментальних установках через їх абстрактність. Адже вони пов’язані з мікротілами, які рухаються надто швидко. Водночас чим абстрактніше поняття, тим його

засвоєння

потребувало більшої конкретизації. Деякі явища неможливо наочно відтворити через недоступність їх спостереження в лабораторних умовах. Виходячи з цього, ми використовували програмовані засоби типу модельного середовища, які забезпечували інтерактивну взаємодію учня з моделлю явища, надавали можливість побачити те, що в умовах лабораторії відтворити традиційними засобами не вдавалося. На рис. 1 зображено фрагмент дії програми для відтворення роботи двигуна внутрішнього згоряння, яка використовувалась в ході демонстрації «Вивчення теплових та холодильних машин». На рис. 2.2 подано фрагмент роботи програми для вивчення

внутрішньої

будови

речовини.

Вивчення

будови

кристалічних

тіл

комп’ютера,

як

за

допомогою

показали

спостереження,

наші

виявилось

ефективнішим, ніж на механічних і

Рис. 2. Програма для вивчення внутрішньої будови речовини

електронних

моделях.

Адже

розроблена

модельноімітаційна

система давала змогу учневі після

вивчення теорії та одержання автоматизованого допуску, закласти необхідні параметри у пам’ять комп’ютера, імітуючи різні умови процесу, і відтворювати

невидимі

звичайних 31

умовах

ситуації.

Комп’ютерне

моделювання дозволило учням спостерігати зміну структури кристалічних ґраток залежно від зовнішніх впливів. Функціональна частина програмного засобу виконувала розрахунки параметрів процесу росту кристалів мідного купоросу. На основі такого підходу в процесі постановки досліду «Вивчення електромагнітних коливань і хвиль» в курсі фізики використовувалась моделююча програма «Вільні електромагнітні коливання в коливальному контурі і залежність їх частоти від електроємності та індуктивності контура» (рис. 3). Розроблена програма давала змогу учневі закласти необхідні параметри у пам’ять комп’ютера, імітуючи різні умови процесу, і відтворювати невидимі в звичайних умовах ситуації. При цьому експеримент осмислювався

поглиблено

–

він

відтворювався з усіх боків, учень мав змогу

практично

застосовувати

знання, оскільки можна було відразу і оперативно

провести

відповідний

експеримент за допомогою приладів [46]. Як показала практика, значний

Рис. 3. Моделююча програма

ефект для процесу формування експериментальний способів діяльності дає використання комп’ютерного моделювання в якості тренажера-інструкції перед проведенням експерименту за допомогою приладів. Учень спочатку спостерігає

на

екрані

комп’ютера

основні

етапи

проведення

експериментального дослідження, а потім за допомогою відповідного лабораторного

обладнання

його

відтворює.

Фрагмент

комп’ютерної

програми, яку використовували з цією метою в ході демонстрації «Спостереження атмосферного тиску» показано на рис. 4. Комп’ютерне моделювання

під час проведення експериментальних

досліджень дало змогу значно підвищити науковий рівень експерименту, забезпечивши дослідницьку діяльність учнів на теоретичному й емпіричному 32

рівнях пізнання [22]. Це дозволило провести експеримент на достатньому рівні усвідомленості фізичної суті явища, розуміння його істотних сторін. Розроблені програмні засоби дають змогу ефективно використовувати основні можливості

сучасної

обчислювальної

техніки, створювати адекватне освітнє середовище.

Проведення

експериментальних використанням Рис. 4. Тренажер-інструкція

нових

досліджень

інформаційних

технологій дало змогу досягти таких

результатів:  скоротився обсяг громіздкої монотонної роботи, що виконувалася учнями і вчителями; вивільнився час для активних, цікавих, творчих видів навчальної діяльності;  для учнів комп’ютер став звичним інструментом, завдяки якому активізувалася їх взаємодія з джерелом інформації; комп’ютер правив за невід’ємний засіб для виконання учнями широкого кола наукових і практичних завдань;  підвищився інтерес учнів до фізики за рахунок зміни видів діяльності, створення пізнавальної новизни. Це підтвердило порівняння успішності в групах, які працювали за традиційною методикою та тих, де було впроваджено комп’ютерний навчально-контролюючий комплекс. За даними хронометражу, проведеного автором, час, який учні витрачали на опрацювання результатів за допомогою засобів обчислювальної техніки скоротився у 2 – 3 рази (40 хв. під час опрацюванні результатів за допомогою калькуляторів і 15 хв. – за допомогою комп’ютера).

Зросла

кількість

учнів,

що

звітували

за

лабораторні

дослідження в день їх виконання. Використання комп’ютерної техніки під час експериментальних досліджень створило умови для покращення експериментальної діяльності 33

учнів [5]. Зрозуміло, що в наступній професійній діяльності в учнів може виникнути потреба планувати свою діяльність з дозуванням часу на звертання до комп’ютера, поєднувати традиційні професійні прийоми і можливості комп’ютерної техніки, використовувати нові види програмних засобів. Навички такого виду діяльності будуть закладені під час експериментальних досліджень з використанням комп’ютерної техніки. Таким чином, в ході дослідження виявлено такі функції комп’ютерної техніки

у експериментальній підготовці учнів: дидактичну, виховну,

розвивальну,

інформаційну,

контролюючу,

планувальну.

Сучасна

комп’ютерна техніка використовується для моделювання недоступних в навчальних умовах фізичних явищ та процесів, автоматизації розрахунків і опрацювання результатів експерименту. Експериментальна діяльність з використанням нових інформаційних технологій сприяє формуванню таких якостей особистості, як охайність, витримка, самостійність і наполегливість. Ці функції дають усі підстави вважати навчальні інформаційні засоби тим середовищем,

без

проникнення

яке

неможливе

високоефективне

функціонування сучасної системи експериментальних досліджень.

5. Розвиток експериментальних досліджень з фізики на основі моделювальних технологій навчання Ефективно організувати будь–який навчальний процес можна лише тоді, коли учитель буде мати постійну та надійну інформацію про стан навчально-пізнавальної функціонування

діяльності

лабораторного

учня.

Забезпечити

практикуму

та

результативне усієї

системи

експериментальної підготовки учнів неможливо без ефективного зворотного зв’язку, який важко, а іноді й неможливо забезпечити в рамках традиційних форм контролю. Не дивлячись на актуальність цієї проблеми, вона поки що недостатньо розроблена. Тут, насамперед, можна виділити два основних аспекти:

а)

проблеми,

які

пов’язані

розробленням

методичного

забезпечення побудови, організації та проведення ефективного контролю й оцінювання діяльності учнів; б) питання реалізації розроблених методик безпосередньо у вигляді надійних і якісних (із позицій професійного програмування) програмних засобів. Непродуктивною ланкою в системі управління експериментальною діяльністю є організація допусків учнів до виконання експериментальних досліджень. Він має бути ґрунтовним і водночас коротким, щоб залишалося більше часу для проведення експерименту і опрацювання результатів [45]. Прийнятним способом такої перевірки достатності опорних знань наразі є автоматизоване

тестове

опитування.

Таке

об’єктивізацію

контролю,

активізує

розумову

опитування діяльність

забезпечує учнів,

не

порушуючи ходу навчального процесу і водночас є оперативним (забезпечує можливість швидко проводити контроль, опрацьовувати і виправляти його результати). Крім завдань, тест містить зразок відповіді. У цьому основна відмінність тестування від інших способів контролю. Порівнюючи відповіді з зразком, учитель може об’єктивно судити про якість засвоєння вивченого матеріалу й оперативно здійснювати корекцію пізнавальної діяльності учнів. До завдань і їх якісних показників ставилися високі вимоги (усне опитування дає змогу скорегувати відповідь), оскільки запитання і відповідь жорстко 35

фіксувалися. Аналіз літературних джерел [2; 46; 50], досвіду роботи навчальних закладів показав, що більшою мірою реалізувати такі особливості тестового контролю дає змогу методика В.С. Аванесова [1]. За цією методикою, педагогічний тест – це система завдань специфічної форми, певного змісту, зростаючих труднощів, яка створена з метою об’єктивного оцінювання структури й якісного вимірювання рівня підготовленості учнів, [1, c. 5]. Тести складалися на основі завдань чотирьох основних форм: закритої

та

відкритої,

на

відповідність

встановлення

правильної

послідовності дій та комбінацій із них. Розроблення тестових завдань потребувало насамперед дотримання вимог теорії тестів до вимірювачів знань, а також урахування різних видів контролю результативності навчання. Тестові завдання економічні в часі: учневі не доводиться витрачати час на самостійне формулювання відповідей і на розширений їх письмовий виклад, він зосереджує увагу на обдумуванні суті відповіді. Мета тестування – оперативно встановити рівень знань із теорії досліджуваного явища і методів його вивчення, усвідомлення учнями мети експерименту і способу його постановки, володіння прийомами вимірювання величин, опрацювання передбачуваних результатів. Така перевірка крім того що

охоплювала

найважливіші

питання

теоретичного

практичного

характеру, які пов’язані зі специфікою експериментальної діяльності, посилювала дидактичну функцію контролю. Тести складалися в альтернативній, багатоваріантній і розподіленій формах.

Виходячи

необхідності

поступового

зростання

частки

самостійності та активності учня (від виконання самостійних лабораторних робіт за зразком до варіативно–творчих), змінювався рівень складності тестів, поступово посилювалась їх пошукова спрямованість. Тестова методика попереднього контролю-допуску до виконання лабораторних робіт давала змогу за короткий час охопити контролем усіх учнів класу, запропонувавши кожному індивідуальні тестові завдання. 36

Стандартизований характер тестів, що готуються завчасно, полегшував роботу учителів. У деяких роботах ми обмежувались традиційними формами попереднього контролю, оскільки лабораторні роботи та творчі завдання на цьому етапі діяльності мали індивідуальний характер за змістом, термінами виконання тощо. І це не суперечить одному з основних принципів ефективного застосування методу тестування – забезпечення його органічної єдності й оптимального поєднання з традиційними методами педагогічного контролю. Поєднувалися тестовий контроль, усне опитування у вигляді співбесіди за змістом лабораторної роботи або результатах творчого завдання, використовувались завдання для підсумкового контролю рівня експериментальної підготовки учнів [45]. Тести допуску розроблялися на основі структурування масиву навчальної інформації, що закладена у зміст кожного експериментального дослідження,

складання

плану

тесту,

добору

відповідних

завдань.

Структурно-логічна побудова тестового завдання відображає такі основні елементи

знань,

які

необхідні

для

свідомого

виконання

учнями

експериментальної роботи: основні поняття, що використовуються в процесі експериментальної діяльності, порядок виконання дослідів й опрацювання результатів. Далі розроблявся план тесту, за яким проводилася приблизна розкладка завдань до кожного елемента діяльності. Кількість завдань, що виділялася на кожний елемент, залежала від його значимості в підготовці учня до виконання роботи. Під час складання і добору завдань, ми керувалися певними вимогами. Перша вимога – кількість завдань: їх мало бути в декілька разів більше від запланованої. Після поглибленого аналізу підібраних завдань деяку частину з них було вилучено після дослідної перевірки. Завдань мала залишатися така кількість, щоб у тесті кожне завдання можна було замінити іншим, не порушивши дидактичних вимог до тестувань. Адже для кожного компонента засвоєння або прийому розумової діяльності завжди можна скласти однопланову програму цілісної логічної структури [46]. Крім того, кожне 37

завдання будувалося таким чином, щоб, не змінюючи його форми й основного формулювання, можна було змінювати зміст. Ці два принципи побудови завдань значною мірою забезпечували надійність тестів, а отже, сприяли достатній об'єктивності педагогічного тестового контролю. Якщо раніше на варіацію завдань у процесі тестування витрачалося багато часу через недосконалість техніки, а в безмашинному варіанті контролю це було майже неможливим, то використання сучасних комп'ютерів дало змогу оперативно змінювати варіювання завдань [5]. Така гнучка і різноманітна структура

завдань

відкривала

можливість

здійснювати

тестування

інтенсивно, своєчасно та підвищуючи активність учнів. Первісна апробація тестових завдань щодо їх змісту, характеру, складності, послідовності проводилася в безмашинному варіанті на другому етапі педагогічного експерименту. Апробація тестових завдань супроводжувалась експертним оцінюванням. Після цього було здійснено їх подання і статистичне опрацювання результатів тестування на базі комп'ютерного класу з метою експериментального обґрунтування тестів. Розроблений з цією метою пакет прикладних програм дав змогу індивідуалізувати контроль знань учнів перед виконанням експериментальних досліджень.

Фрагмент

роботи

тестової програми зображено на рис. 5, а її програмна частина наведена в додатку. Модулі цих програм

генерували

тестові

завдання допуску, забезпечували оперативний кожного

учня

аналіз і

помилок

всього

класу,

Рис. 5. Фрагмент діагностичної комп’ютерної програми

давали змогу вести «електронний

журнал» успішності, щоб коригувати процес експериментальної підготовки з фізики. За таких умов підвищувалась ефективність зворотного зв’язку в системі «учень – учитель». 38

За змістом такий контроль містив рівневі тестові завдання. Тестовий контроль у даному разі об’єднував усі форми навчання (підсистеми загальної системи базової підготовки з фізики), забезпечував корекцію їх змісту і методики з метою поглиблення знань учнів. Учні, що працювали з тестовими завданнями, зазначали під час бесід, що вони: а) швидше зрозуміли і засвоїли порядок виконання досліджень, оскільки завдання змушували їх думати над тим, що, для чого і коли треба робити; б) витрачали менше часу на оформлення кожного дослідження і за рахунок цього змогли більше часу приділити постановці експерименту; в) перевірили свої знання. Підвищенню ефективності управління навчальним процесом сприяла автоматизація контролю за достовірністю виконання учнями лабораторних робіт, проведених ними розрахунків фізичних величин, що визначаються в дослідженні. опрацювання

Для

цього

результатів

було

розроблено

програму

експериментальних

оперативного

досліджень

(основний

фрагмент програми наведений у додатках). Програма давала змогу за лічені хвилини отримати кінцевий результат [45] у вигляді числового значення шуканої

фізичної

величини

або

графіка досліджуваної залежності для будь–якої лабораторної роботи. Після попередньої

перевірки

експериментальні результати можна Рис. 6. Опрацювання результатів експериментальних досліджень

реєструвати в автоматизованій системі інформаційно-довідкового

забезпечення експерименту та оформлялись у вигляді таблиць і графіків. Для лабораторної роботи «Експериментальне вивчення закону Бойля–Маріотта» (рис. 6) наведено фрагмент роботи програми для опрацювання та інтерпретації результатів експериментальних досліджень. Окрім власне навчання, застосування комп’ютерної техніки під час експериментальної діяльності було ефективним і для його інформаційно39

довідкового забезпечення. При наявності в лабораторії комп’ютерного класу існує можливість фіксувати і зберігати всю інформацію про взаємодію учасників навчально–виховного процесу, а саме: реєструвати готовність учнів напередодні виконання лабораторної роботи працювати з приладами; вести «електронний журнал» успішності; учителеві оперативно перевіряти і фіксувати експериментальні результати; формувати банк контрольних результатів лабораторних робіт, довідкових даних про обладнання і досліджувані об’єкти лабораторії тощо. Саме у здатності до автоматичної реєстрації всіх етапів і результатів навчальної діяльності, зменшенні непродуктивних затрат часу учителів і учнів полягає принципова відмінність навчального процесу з комп'ютерною підтримкою від його традиційних форм. З якою б метою не проводився контроль знань, він є допоміжним елементом навчального процесу, і затрати часу на проведення фактично непродуктивні. Особливо це проявляється на етапі звітування учнями про експериментальні дослідження, де витрачається надто багато часу на перевірку формальних моментів діяльності учнів. Цього часу потім не вистачає для методичного керівництва процесом експериментувань учнів на інших етапах виконання лабораторних робіт. Використання комп’ютерних програм сприяло можливості позбавити учителя від нетворчої праці, вивільненню часу для індивідуального спілкування з учнями на всіх етапах виконання досліджень. Такий підхід забезпечував значне скорочення часу на контроль, що давало можливість охопити ним одночасно всіх учнів класу; забезпечити його об’єктивність і систематичність;

здійснювати

оперативний

зворотній

зв’язок,

який

пронизував весь навчальний процес [50]. Створена універсальна система для організації експериментальної діяльності учнів відповідала вимогам доступності для користувачів (учителів і учнів), що не є професійними програмістами; забезпечувала необхідний набір сервісних функцій з оперативного копіювання, зберігання й обробки 40

навчальної інформації, що використовується; була відкритою для доповнення іншими програмними засобами (це забезпечувало адаптацію до конкретних умов експериментування), відповідала усім сучасним дидактичним вимогам до програмних засобів такого типу. Нами використовувалось прикладне програмне забезпечення, яке максимально спрощувало операції введення і виведення інформації та наочність інтерпретації результатів. Робота компонентів програмного комплексу може здійснюватися в режимі автора, учителя, учня, диспетчера. Режим «Введення і коригування тестів» забезпечує для вчителя високий рівень технологічності підготовки тестів. Адже він мав змогу підбирати, змінювати, оперативно вводити різноманітні тестові завдання і формувати тести. Це дало змогу реалізувати нескінченний потенціал заміни завдань, практично виключало формальне користування відомими результатами попередніх опитувань, що стосується найпоширеніших недоліків окремих існуючих автоматизованих систем контролю. Тій самій меті служить і збереження у пам’яті комп’ютера (без дублювання на екрані дисплею) проміжних оцінок за відповіді на кожне завдання. Програмне забезпечення давало змогу учням безпосередньо з клавіатури комп’ютера просто і швидко ввести правильну відповідь на завдання [28]. Це зроблено з тією метою, щоб учень приділяв основну увагу творчій роботі з обдумування відповіді, а не її формуванню. Контроль знань із застосуванням комп’ютера – це не просто передача функцій контролю машинам, вони в процесі контролю мають бути лише технічним засобом, що надає допомогу як учителеві, так і учневі. Робота з обчислювальною технікою потребує від учнів чітких завершених відповідей, у скрутних випадках вони позбавлені підтримки учителя, як це буває за традиційних

форм

контролю,

адже

оцінювальний

режим

сучасних

комп’ютерів досить жорсткий, формалізований. Тому після тестування практикувалися співбесіди зі учнями, особливо на початковій фазі експериментувань. Тестове опитування у такому поєднанні приводило до зростання потоку інформації від учня до учителя. Це сприяло ефективному 41

регулюванню навчального процесу. Співбесіди проводилися під час заключних занять переважно зі учнями, які бажали підвищити оцінку, за результатами тестування. Постійний контроль знань стимулював регулярність самостійної роботи учнів, формував необхідні навички інтелектуальної праці. Як виявилося в ході проведених досліджень, факт існування системи контролю сприяв плануванню діяльності, організовував та спрямовував роботу учнів. Це досягалося не стільки через побоювання, наприклад, одержати незадовільну оцінку, скільки внаслідок систематичної роботи із з’ясування сильних і слабких сторін у розвитку особистості учня, знаходження прогалин у знаннях та їх найшвидшої ліквідації. Систематична перевірка стала зовнішнім чинником для появи внутрішніх стимулів до навчання. При цьому оцінка досягала своєї мети, бо сприймалася як об’єктивна. Такий підхід до організації навчально-пізнавальної діяльності дає змогу спостерігати фізичні явища на моделях, дію установок у динаміці з використанням режиму мультиплікації. Це розширювало діапазон видів тестових

завдань,

давало

моделями–тренажерами

змогу

учневі

установок

експериментальних досліджень.

під

користуватися час

динамічними

самопідготовки

до

ВИСНОВОК Витоки досліджуваної теми сягають своїм корінням бронзової доби періоду який можемо вважати відправною точкою у вивченні моделей та процесу

моделювання.

роботі

було

розглянуто

основні

аспекти

методологічного значення моделювання у науковому пізнанні. Подальша еволюція всіх проявів людської життєдіяльності та науки зокрема спричинили і розвиток моделювання, який на початковому етапі полягав в розширенні сфери його впливу. Модель та моделювання поступово перетворилися в інструмент, що забезпечував застосування наукових даних високого рівня для розв’язку конкретних прикладних задач. Це спричинило до виникнення особливої форми експериментального дослідження модельного експерименту. На відміну від звичайного експерименту, де засоби експерименту так чи інакше взаємодіють з об’єктом дослідження, тут взаємодії немає, оскільки експериментують не безпосередньо з об’єктом, а з його замісником. При цьому об’єкт замісник і експериментальна установка об’єднуються, зливаються в діючій моделі в єдине ціле. Модель входить в експеримент не лише заміщуючи об’єкт дослідження, вона може заміщувати і умови, в яких вивчається деякий об’єкт. Якщо на початку своєї еволюції практика моделювання залежала від фізичної природи об’єкту, то подальший розвиток спричинив до її виходу за межі порівняно обмеженого кола механічних явищ і взагалі, відношення системи в межах форми руху матерії. Виниклі математичні моделі, котрі відрізняються за своєю фізичною природою від модельованого об’єкту, дозволили подолати обмежені можливості фізичного моделювання. Моделювання перетворилося в метод пізнання поведінки об’єкта, предмета через аналіз вже відомих властивостей, що дозволяє отримати знання про ще невідомі властивості. Можливості ж сучасної обчислювальної техніки та програмно-математичного забезпечення дозволяють досліджувати ці властивості при все можливих варіаціях 43

параметрів, оптимальні за тим чи іншим критерієм, і розв’язувати множину інших найрізноманітніших задач. Таким чином моделювання є одним з пріоритетних засобів навчання фізики у школі. Так як цей засіб підвищує рівень освіти та удосконалює рівень знань за рахунок інтенсифікації навчально-виховного процесу. Нажаль існує багато перепон на шляху впровадження різного виду моделей в навчальний процес. Для успішного використання модельного підходу до вивчення фізичних явищ необхідна наявність комп’ютерної техніки. Не в кожній школі є комп’ютерна техніка потрібного рівня. А якщо і є то на сьогоднішній день дуже мало вчителів, які могли б створити відповідні моделюючі програми, які могли б реально допомогти дітям засвоїти потрібний матеріал. Ця проблема існує завдяки тому, що моделюючі програми повинні бути мультимедійними. А створювати мультимедійні програми досить важко. Але в будь якому разі комп’ютерне моделювання є одним з видів моделювання. І воно має посісти одне з провідних місць у системі засобів навчання, зокрема фізичного навчання. Сучасний етап розвитку моделювання надав йому великого значення та втілив застосування моделей в різних розділах науки, зокрема фізиці, хімії, біології, кібернетиці, та багатьох інших. На основі результатів виконаної роботи можна зробити наступні висновки: –

використання дослідного моделювання фізичних явищ та

процесів дозволяє вчителю фізики суттєво поліпшити засвоєння учнями матеріалу уроку, підтримувати їх увагу на належному рівні, розвивати в них дослідницькі нахили та предметну компетентність; –

в ході використання засобів новітніх технологій на уроках фізики

підвищується

якість

засвоєння

програмного

розумові здібності учнів та їхня компетентність;

матеріалу,

розвиваються

–

застосування

дослідного

моделювання

фізичних

явищ

та

процесів дозволяє учням перевіряти власні припущення на практиці, варіювати параметрами під час досліджень, отримувати та трактувати отримані

результати,

будувати

графічні

залежності

між

фізичними

величинами; –

під час використання моделювання фізичних явищ та процесів

для здійснення демонстрацій та дослідів суттєво зменшується час на їх проведення; –

під час вивчення фізики не варто занадто захоплюватися

комп’ютерними моделюваннями фізичних явищ, а використовувати їх лише тоді коли демонстрація реальних дослідів неможлива із-за складності перебігу самого процесу, чи відсутності устаткування для його проведення. Проведений педагогічний експеримент підтвердив справедливість висунутого

припущення

про

підвищення

результативності

навчання

внаслідок компетентного використання дослідного моделювання фізичних явищ та процесів в навчальному процесі.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 1. Аванесов В.С. Композиция тестових заданий. Учеб. кн. 3 изд., доп. – М.: Центр тестирования, 2002. – 240 с. 2. Атаманчук П.С. Інноваційні технології управління навчанням фізики.

–

Кам’янець-Подільський:

Кам’янець-Подільський

державний

педагогічний університет, інформаційно-видавничий відділ, 1999. - С. 78-92. 3. Атаманчук П.С., Криськов А.А., Мендерецький В.В. Збірник задач з фізики / За ред., П.С. Атаманчука. – К., Школяр, 1996. - 304 с. 4. Атаманчук П.С., Кух А.М. Тематичні завдання еталонних рівнів з фізики

(7-11

класи):

Навчально-методичний

посібник.

Кам’янець-

Подільський: Абетка-Нова, 2004.- 132 с. 5. Атаманчук П.С., Мендерецький В.В. Управління продуктивною навчально-пізнавальною діяльністю на основі об’єктивного контролю // Педагогіка і психологія. – 2004. – №3. – С. 5-18. 6. Атаманчук П.С., Семерня О.М. Методичні основи управління навчанням

фізики:

Монографія.

Кам’янець-Подільський:

Кам’янець-

Подільський державний університет, інформаційно-видавничий відділ – 2005. – 196 с. 7. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навчальний посібник для вищих навчальних закладів / В.В. Атаманюк. – Київ: Кондор,– 2006. – 528 с. 8. Батораєв К.Б. Кібернетика та метод аналогій. - М: Наука, 1965. - 76 с. 9. Биp С. Кибеpнетика и упpавление пpоизводством. - М.: Наука, 1965. - 86 с. 10. Блудов М.І. Бесіди з фізики / за ред. Л.В. Тарасова. – К.: Рад. шк., 1989. – 56 c. 11. Богомолов А.С. Античная философия. - М.: МГУ, 1985. - 189 с. 12. Бугаев А.М. Методика преподавания в средней школе / А.М. Бугаев. – М.: Просвещение, 1989. – 81 с. 46

13. Вайзер

Г.А.

Результаты

педагогических

исследований

на

материалах курса физики / Г.А. Вайзер // Физика в школе. – 1991. – №2. – С. 27-31. 14. Витрувій Марк. Десять книг про архітектуру / Пер. Ф. А. Петровського М., 1936. - 214 с. 15. Веденов А.А. Моделювання елементів мислення. - М.: Наука, 1988. - 83 с. 16. Грабарь

М.И.

Применение

математической

статистики

педагогических исследованиях / М. И. Грабарь, К. А. Краснянская. - М.: Педагогика, 1997.- 136 с. 17. Голин Г. М. Физики о преподавании физики. - М.: Знание, 1979. - 64 с. 18. Горбань М. В. Моделювання як засіб виховання уваги учнів в процесі навчання фізики / М. В. Горбань // Фізика та астрономія в школі. – 2000. – №1. – С. 4-9. 19. Горев Л. А. Занимательные опыты по физике в 6-7 классах средней школы. – М.: Просвещение, 1985. - 82 с. 20. Границы науки: о возможностях альтернативных моделей познания. – М., 1991. - 45 с. 21. Гриценко В.Г. Моделювання задач електронної теорії металів / В.Г. Гриценко, A.M. Гусак // Фізика та астрономія в школі. – 1997. – №4. – С. 1214. 22. Грищенко В.Г. Модульне моделювання фізичних процесів на комп'ютеризованих уроках / В.Г. Грищенко // Збірник наукових праць Кам’янець-Подільського державного педагогічного університету: Серія педагогічна: Дидактика природознавчо-математичних дисциплін та освітніх технологій. – Кам’янець-Подільський державний педагогічний університет, інформаційно-видавничий відділ, 1999. – вип.5. – С.115-117. 23. Губанова А.О., Поведа Р.А. Ілюстрація законів внутрішнього фотоефекту // Збірник наукових праць Кам’янець-Подільського державного 47

педагогічного університету. – 2001. – Вип. 7. - С. 26-29. 24. Девдоpиани А.С., Гpейсух В.С. Pоль кібернетичних методів у вивченні перетворень пpиpодних комплексів. - М.: Известия АН СССP, 1978. - 83 с. 25. Державна національна програма «Освіта» (Україна XXI століття) Заходи щодо реалізації Державне! національної програми «Освіта» (Україна XXI століття); Затв. Постановою Кабінету Міністрів України від 03.11.93. №896 / / Освіта. -1993. - №44-46. 26. Державний стандарт базової і повної середньої освіти /Освіта України, - 2004.-№5. 20 січня 2004 р. – С. 9-10. 27. Експеримент. Модель. Теорія. - М., Беpлін: Наука, 1982. - 231 с. 28. Зеленський О. М. Комп’ютерне моделювання як засіб активізації пізнавальної діяльності учнів / О. М. Зеленський. // Фізика та астрономія в школі. – 2000. – №1. – С. 32-34 29. Ідельсон Н. І. Етюди з історії небесної механіки. - К., 1996. - 54 с. 30. Калапуша Л. Р Організація самостійної роботи учнів з фізики на основі використання елементів методу моделювання / Л. Р. Калапуша, В. М. Савош, О. Т. Мартинюк. // Фізика та астрономія в школі. – 2000. – №1. – С. 17-22. 31. Калапуша Л.Р. Моделювання у вивченні фізики / Л.Р. Калапуша. – К.: Рад. шк., 1982. – 158 с. 32. Каменецкий С.Е. Модели и аналогии в курсе физики средней школы / С.Е. Каменецкий, Н.А. Солодухин. — М.: Просвещение, 1982. – 96 с. 33. Кобель Г.П. Моделювання як засіб активізації пізнавальної діяльності учнів на уроках фізики / Г.П. Кобель. – К.: Радянська школа, 1985. – 82 с 34. Каплун С. П. Деякі аспекти моделювання під час розв'язування задач з фізики / С.П. Каплун // Фізика та астрономія в школі. – 1999. – №1. – С. 50-52. 35. Коршак Є.В., Шут М.І., Грищенко Г.П. Проект концепції освіти з 48

фізики та астрономії 12-річної школи //Фізика та астрономія в школі. – 2001. – №3. – С. 24-26. 36. Костюкевич

Д.Я.

Методичні

засади

організації

сучасного

освітнього середовища з фізики в загальноосвітніх навчальних закладах: Монографія / Д.Я. Костюкевич, А.М. Кух. – Кам’янець-Подільський: ПП Буйницький О.А. 2006. – 228 с. 37. Кочеpгін А.Н. Моделювання мислення. - М.: Наука, 1969. - 97 с. 38. Кравець В.П. Історія класичної зарубіжної педагогіки

та

шкільництва. – Тернопіль, 1996. – 243 с. 39. Криськов А.А., Криськов Ц.А. Деякі особливості викладання фізики в навчальних закладах інноваційного типу // Збірник наукових праць Кам’янець-Подільського державного педагогічного університету. – 2001. – Вип. 7. - С. 130-135. 40. Кух А.М. Моделювання системи фахової підготовки викладача фізики // Наук. зап.: Вип. 66. – Серія: Педагогічні науки. – Кіровоград: РВВ КДПУ імені В.Винниченка. – 2006. – Ч. 1. – С. 87–93. 41. Ломоносов М.В. Сборник статей и материалов /Отв. ред. Фигурский Н.А., Соловьев Ю.И. –М.:,Л., 1961. – Т – 5. 42. Лешкевич Т.Г. Философия науки: традиции и новации. – М., 2001. 38 с. 43. Локк Д. Сочинения в 3-х томах.– М.: Мысль, 1985. 44. Михайлов Б.П. Витрувій та Еллада. Основи античної теорії архітектури. - М, 1967. - 235 с. 45. Мендерецький В.В. Навчальний експеримент в системі підготовки вчителя фізики: Монографія. – Кам’янець-Подільський: К-ПДУ, ред.-вид. від., 2006. – 256 с. – Бібліогр.: с. 232-255. 46. Методичні основи організації і проведення навчального фізичного експерименту: Навч. посіб. / П.С. Атаманчук, О.І. Ляшенко, В.В. Мендерецький, А.М .Кух. – Кам’янець-Подільський: Буйницький О.А., 2006. – 216 с. 49

47. Павлюк Л.П. Метод наочного моделювання як засіб засвоєння нової наукової фізичної інформації / Л.П. Павлюк // Фізика та астрономія в школі. – 1999. – №5. – 42 с. 48. Програми для загальноосвітніх навчальних закладів. Фізика. Астрономія 7-12 класи. – Київ: Перун, 2005. - 79 с. 49. Ратніков В.С. Фізико-теоретичне моделювання: Основи, розвиток, раціональність / В.С. Ратніков. – К.: Наук, думка, 1995. – 124 с. 50. Семерня

О.М.

експериментальних

задач

Дидактичні еталонного

особливості характеру

використання навчанні

фізики

старшокласників // Зб. наук. пр. Кам’янець–Поділ. держ. ун-ту. – Кам’янець– Подільський: Кам’я-нець–Поділ. держ. ун–т, інформ.–вид. від., 2004, – Вип. 10. – С. 41–46. 51. Сергеев А.В. Становление и развитие истории методики преподавания физики в средней школе как научной дисциплины: Автореф. дисс. ... д– ра пед. наук. — Л., 1989. – 33 с. 52. Степин

В.С.

Научное

познание

ценности

техногенной

цивилизации // Вопросы философии. – 1989. – №10. - 56 с. 53. Степин В.С., Кузнєцова Л.Ф. Научная картина мира в культуре техногенной цивилизации – М., 1994. - 145 с. 54. Фридман Л.М. Наглядность и моделирование в обучении / Л.М. Фридман. – М.: Знание, 1984. – 80 с. 55. Фpолов І.Т. Гнесеологічні проблеми моделювання. - М: Наука, 1981. - 111 с. 56. Швай О.Л. Міжпредметні зв'язки на основі використання елементів математичного моделювання / О. Л. Швай // Фізика та астрономія в школі. – 1996. – №2.– С. 8-10 57. Швырев В.С. Анализ научного познания: основное направления, формы, проблемы. – М., 1988. - 96 с. 58. Шодиев Д.М. Мысленный эксперимент в преподавании физики: Кн. Для учителей / Д.М. Шодиев. – М.: Просвещение, 1987. – С.72-80. 50

59. Штофф В.А. Моделювання і філософія М.: Наука, 1966. - 53 с.

ДОДАТКИ Додаток 1

Модель рідинного манометра

Додаток 2

Модель для демонстрування правила Ленца

Додаток 3

Демонстрація індукційного струму

Додаток 4

Модель для демонстрації виробництва,передача та використання електричної енергії

Додаток 5

Демонстрування лабораторної роботи по визначенню ККД нагрівника

Додаток 6

Модель гідравлічного пресу