КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА (ЯВЛЕНИЯ) КАК ИНДИВИДУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ ПО ФИЗИКЕ

Слепцов Афанасий Иванович

канд. пед. наук, преподаватель ЯКСЭ, г. Якутск

E-mail: amsai@mail.ru

Задача обучения состоит в обеспечении индивидуальной зоны творческого развития каждого ученика. При этом принципиальным является следующее положение: любой ученик способен найти, создать или предложить свой вариант решения любой задачи, относящейся к собственному обучению.

Учитывая, что любой ученик способен найти, создать или предложить свой вариант решения любой задачи, относящейся к собственному обучению, нами выявлено, что при обучении исследовательской деятельности учащихся по физике возможна одновременная разработка и реализация индивидуальных моделей исследовательской деятельности учащихся по физике, каждая из которых по своему уникальна и отнесена к личностному потенциалу каждого отдельно взятого ученика. При этом процесс разработки и реализации отдельных моделей для конкретного ученика может выступать, во-первых, как обеспечение личностного содержания образования ученика, во-вторых, может являться и содержанием обучения исследовательской деятельности учащегося по физике. Это обусловлено тем, что обучение исследовательской деятельности нами рассматривается как совместный творческий процесс учащегося и учителя, что предполагает взаимообогащение, взаимодополнение, взаимоприращение содержания личностного образования ученика и процесса обучения учащегося исследовательской деятельности по физике.

Системообразующим фактором разработанных нами 7 индивидуальных моделей исследовательской деятельности учащихся («Проблема-модель (схема)-расчет», «Физика объекта (явления)», «Теория-задача-эксперимент», «Эксперимент-самодельный прибор», «Задача (проблема)-эксперимент», «Эксперимент-видеосъемка-анализ», «Компьютерная модель объекта (явления)») выступает структура исследовательской деятельности: исследовательская задача, исследовательские действия и операции, действия оценки и контроля.

Остановимся на раскрытии содержания одной модели исследовательской деятельности учащихся по физике «Компьютерная модель объекта (явления)».

Многие исследователи отмечают, что развитие исследовательских умений учащихся в процессе обучения физике должно осуществляться при обязательном использовании компьютерных технологий. При этом важное место должно отводиться компьютерному моделированию. Сущность компьютерного моделирования заключается в получении количественных и качественных характеристик объекта познания по имеющейся модели. Компьютерное моделирование можно представить как совокупность математического и структурно-функционального моделирования [2].

К преимуществам компьютерного моделирования можно отнести: сокращение объема однообразных измерительных операций и математических вычислений; исследование разнообразных процессов, протекающих в реальном масштабе времени; высокую точность виртуальных измерений; возможность постановки виртуальных демонстрационных и лабораторных экспериментов практически по всем разделам физики.

Создание компьютерной модели исследуемого явления, проблемы или описанной в задаче физической ситуации, приближенной к реальным явлениям – это один из основных методов при обучении физике. При создании компьютерных моделей мы в основном пользуемся программой «Живая физика». Суть седьмой модели исследовательской деятельности заключается в применении этого метода в обучении учащихся исследовательской деятельности по физике.

Исследования, проводимые с использованием проектной среды «Живая физика» используют следующие возможности:

·     создание моделей физических ситуаций, представленных в условиях стандартных задач по механике;

·     моделирование физических ситуаций, представленных в условиях задач, дающее более четкое понимание задачи и позволяющее успешно решать задачи повышенной трудности;

·     проведение микроисследований на базе задач повышенной сложности;

·     работа в проектном режиме, активизирующая полученные знания и стимулирующая творческую и познавательную активность учащихся, включающая конструкторскую и исследовательскую деятельность.

Структуру исследовательской деятельности учащегося в данной модели можно представить так:

Исследовательская задача: смоделировать физическую ситуацию, описанную в условии задачи, или создать компьютерную модель натурного эксперимента;

Исследовательские действия и операции:

·     моделируется физическая ситуация, описанная в условии задачи (или натурный эксперимент воссоздается с помощью компьютерной модели);

·     проводится сравнение теоретического решения задачи и результатов моделирования на компьютере (или сравнение результатов натурного и компьютерного экспериментов);

Действия оценки и контроля: проводится оценка соответствия результатов теоретического решения задачи и компьютерного эксперимента (или соответствия результатов натурного и компьютерного экспериментов).

Приведем пример. В работе «Создание моделей физических ситуаций в условиях стандартных задач по механике» рассматриваются физические задачи по механике, которые сначала решаются теоретически. Затем создаются компьютерные модели ситуаций, представленных в условиях этих задач, с целью более четкого понимания задачи.

1.  На каком расстоянии от начала торможения остановится автомобиль, начальная скорость которого 72 км/ч, если коэффициент трения при торможении - 0,2?

Теоретическое решение: Уравнение движения автомобиля имеет вид

При этом

поэтому

В то же время из формул для равнозамедленного движения следует, что путь до остановки связан с ускорением и начальной скоростью соотношением

Тогда

где u₀ – начальная скорость автомобиля, m - коэффициент трения.

Подставляя численные данные, получаем

Компьютерная модель: При создании модели не надо пытаться, следуя условию задачи, создавать модель автомобиля, решать проблему крепления колес к кузову и т. п. Наиболее точная модель явления, описанного условием задачи, - это два бруска: один неподвижен, а другой по нему скользит. Излишнее усложнение модели может привести к различным ошибкам.

Создав модель ситуации, задаем значения начальной скорости автомобиля и коэффициента трения скольжения. Убеждаемся в том, что автомобиль проходит расстояние, соответствующее теоретическому решению.

2.  Какую скорость имеет тело, брошенное вертикально вверх со скоростью 10 м/с, в момент подъема на высоту, равную половине максимальной?

Теоретическое решение: Согласно формулам для равнозамедленного движения с ускорением g и начальной скоростью  высота поднятия тела равна:

Скорость тела на высоте, равной половине максимальной, т. е. на высоте 2,5 м находим из формулы:

откуда

Компьютерная модель: Моделируя эксперимент, надо создавать не только объект исследования (в данном случае шарик с начальной скоростью и поле тяготения), но и приборы для измерения (в данном случае - измеритель скорости и измеритель высоты).

Создав модель ситуации, сначала определяем максимальную высоту поднятия мяча. Затем при замедленном движении фиксируем такое значение скорости мяча, при которой высота поднятия мяча равна половине максимальной высоты.

3.  С какой начальной скоростью надо бросить вниз мяч с высоты h=2 м, чтобы он подпрыгнул на высоту 2h? Считать удар  о землю абсолютно упругим.

Теоретическое решение: Кинетическая энергия мяча  переходит в приращение его потенциальной энергии:

Тогда

откуда

Компьютерная модель: Создав модель ситуации, находим такое значение начальной скорости бросания мяча, при которой высота отскока мяча в любом случае в два раза больше высоты падения. Так как по условию задачи удар считается абсолютно упругим, коэффициент упругости материалов шара и плоскости считаем равным 1.

4.  Самолет летит со скоростью u=360 км/ч на высоте 490 м. Когда самолет пролетает над точкой А, с него сбрасывают снаряд (причем в этой точке он летит в горизонтальном положении a=0). Определить на каком расстоянии от точки А должен находится танк, в момент сбрасывания снаряда, чтобы снаряд попал в танк. Скорость танка равна 17,5 м/с.

Теоретическое решение: Направим ось X горизонтально, ось Y вертикально, начало координат выберем в точке B (точка, где снаряд попадает  в танк), а за начало отсчета времени момент сбрасывания   (см. рис. 1).

Запишем уравнения движения снаряда относительно осей X и Y:

(1)

Т.к.  (по условию), то  и  

Тогда уравнения (1) примут вид:

 (2),

 (3)

Т.к снаряд движется вниз, а ось Y направлена вверх, то  уравнение (3) примет вид:

Подставив это выражение в уравнение (2) , получаем:

Теперь узнаем, какое расстояние проехал танк за время t движения снаряда:

Искомое расстояние найдем, сложив расстояния S₁ и S₂:

Ответ: 1175м.

Компьютерная модель: Создав модель ситуации:

·     задаем начальные координаты танка (0,0) и самолета (1175,490) (рис. 2);

·     задаем значения начальной скорости танка (17,5 м/с) и снаряда (100 м/с);

·     убеждаемся в том, что снаряд точно попадает в цель.

Рис. 2. Компьютерная модель задачи 4

Итак, нами описаны содержательный и процессуальный компоненты технологии обучения учащихся исследовательской деятельности по физике, приведены примеры результатов выполнения исследовательской деятельности отдельными учащимися по индивидуальным моделям.

Итак, нами описано содержание одной индивидуальной модели исследовательской деятельности учащихся по физике. Предлагаемые нами индивидуальные модели исследовательской деятельности учащихся по физике являются ориентиром для конструирования учителями индивидуальных образовательных программ, поскольку дают структурные основания для формулирования личностно ориентированных образовательных целей, отбора форм и методов обучения, обеспечивающих творческую самореализацию учащихся. С результатами реализации индивидуальных моделей исследовательской деятельности учащихся по конкретным темам можно ознакомиться в работе автора статьи [3].

Список литературы:

1.Живая физика (Серия "Живая школа"): обучающая программа. http://www.int-edu.ru/soft/fiz.html. MSC.Software Key Curriculum Press Для 11 классов. Системные требования: IBM PC; операц. система Windows; ОЗУ 10 Мб; CD-ROM дисковод; мышь. E-mail: int@mtu-net.ru http://www.int-edu.ru .

2.Кощеева Е.С. Развитие исследовательских умений учащихся на основе использования схемотехнического моделирования в процессе обучения физике [Текст]: автореф. дис. … канд. пед. наук / Е.С. Кощеева. – Екатеринбург, 2003. – 22 с.

3.Слепцов А.И. Обучение учащихся исследовательской деятельности по физике (на примере сельских школ Республики Саха (Якутия)) [Текст]: дисс. … канд. пед. наук/ А.И. Слепцов. – М., 2010. – 275 с.