CC BY
403ПРОБЛЕМЫ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ УЧЕБНОЙ СРЕДЫ
Н. А. Оспенников
ШКОЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В УСЛОВИЯХ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБУЧЕНИЯ
В статье обсуждаются автоматизированный и в иртуалъный эксперименты как новые стадии развития экспериментального метода познания явлений природы. Показывается, что соответственно этим тенденциям в большой науке должен совершенствоваться и школьный физический эксперимент. Рассматриваются функции виртуального эксперимента в обучении, определяются виды моделей, на основе которых он может базироваться. Проблема методики включения виртуального эксперимента в учебный процесс анализируется в тесной взаимосвязи с вопросом о месте и роли современного физического опыта в системе методов научного познания. Освещаются вопросы использования виртуального эксперимента и в составе традиционных объяснительно -иллюстративных методов обучения.
Статья будет полезна практикующим и будущим учителям в определении наиболее эффективных способов использования виртуальных моделей в обучении, а также в выборе объектов и способов самостоятельного проектирования учебных моделей к занятиям по физике.
Физика как наука изучает наиболее общие свойства и закономерности поведения материальных объектов и их систем. Значимы ее прикладные исследования. Фундаментальные основы физической науки, а также ее наиболее важные технические приложения составляют содержание физики как учебного предмета.
Методы предъявления содержания учебного курса физики разнообразны. К ведущим из них относится физический эксперимент. Это сложный метод, представляющий собой систему различных обучающих действий учителя, а также разнообразных приемов их исполнения. Данный метод имеет разновидности. Учебный физический эксперимент может быть демонстрационным и лабораторным. В перв ом случае он выступ ает как средство реализации наглядных методов обучения, во втором - как метод организации учебной деятельности школьников, направленной на освоение опыта самостоятельного изучения физических явлений.
Применяемый в сочетании с другими методами обучения учебный эксперимент фигурирует не только в своем естественном (... натурном!) варианте реализации. Например, при объяснении материала учителем информация об эксперименте в виде статичных иллюстраций появляется и на классной доске, и на красочном демонстрационном плакате, а теперь уже и на слайде презентации. Учащиеся имеют возможность познакомиться с результатами научных опытов на страницах школьного учебника. Авторы задачников и дидактических материалов по физике включают информацию об опытах в тексты уче б-ных задач и заданий для самостоятельной работы. Рисунки наблюдаемых в природе явлений, иллюстрации устройства и особенностей работы экспериментальных установок, изображения обнаруженных в опытах эффектов (... даже в условиях отсутствия в ряде случаев первичной натурной демонстрации физических явлений!) не вызывают фактом своего использования в обучении ни малейшего возражения. Почему? Ответ очевиден .
© Н.А. Оспенников, 2006
Роль и м есто этих способов предъявления учебной информации абсолютно понятна всем: читателю (слушателю) предъявляется «готовое» научное знание - научные факты, добытые ранее в натурном эксперименте.
Развитие системы средств обучения привело к использованию в преподавании ресурсов виртуальной образовательной среды. В этих условиях статичные иллюст рации физического эксперимента практически сразу «ожили». Появился новый вид учебной наглядности - виртуальный учебный эксперимент. Однако далеко не все приняли его как необходимое и полезное средство обучения.
1. Проблема использования виртуальных моделей в обучении
Базирующийся на качественных физических и математических моделях явлений природы виртуальный эксперимент как новое средство наглядности вроде бы не должен был вызывать серьезных возражени й. С одной стороны, анимационные эффекты в видеофильмах по физике успешно применялись и ранее, с другой - использование материальных или материализованных моделей реальных объектов (... как это следует из законов психологии познания!) всегда считалось весьма целесообразным приемом обучения, поскольку обеспечивало более глубокое усвоение учебного материала [9].
Очевидны и другие достоинства виртуального физического эксперимента. Такой эксперимент позволяет:
• изучать сложные физические явления на уровне доступном пониманию, исключая обращение к их нередко громоздкому математическому описанию;
• «исследовать» явление даже в тех случаях, когда проведение реального эксп е-римента затруднено или нецелесообразно (например, движение космических объектов, изучение поведения тел при больших давлениях, исследование микроскопических объектов, работа ядерного реактора и т.д.);
• останавливать и возобновлять эксперимент с целью анализа промежуточных р е-зультатов и возможного изменения его хода;
• изучать явление в динамике (т.е. наблюдать его развитие в пространствен времени);
• осуществить операцию, невозможную в натурном эксперименте - изменять пространственно-временные масштабы протекания явления;
• задавать необходимые условия проведения эксперимента и параметры исследуемой системы объектов, не опасаясь за ее состояние, а также безопасность и сохранность компонентов экспериментальной установки;
• сопровождать модельный эксперимент визуальной интерпретацией закономе р-ных связей между параметрами исследуемой системы (в форме динамичных графиков, диаграмм, схем и пр.);
• исследовать явление в «чистом» виде, точно воспроизводя требуемые условия его протекания;
• акцентировать благодаря эффектам мультимедиа внимание учащихся на главном в изучаемом явлении и способствовать тем самым более глубокому пониманию его сущности.
Известно, что моделинг - не единственная функция виртуальной среды, интерактив
- еще одна принципиально важная ее функция. В соответствии с этими новыми возмо ж-ностями виртуальной среды возник и стал развива ться как средство обучения интерактивный учебный эксперимент. Это уже не только «живая», но и управляемая пользователем «картинка» изучаемой реальности.
При использовании интерактива как функции новой среды обучения к ранее ук а-занным преимуществам виртуального эксперимента добавляются новые:
• обеспечение деятельностного подхода к обучению, ориентированного на разв и-тие ключевых компонентов учебной активности школьников: ее мотивационно-потребностной сферы (в частности интереса к учению), умения планировать свои действия, выполнять и контролировать качество их исполнения;
• развитие познавательной самостоятельности учащихся, определяющей успех в реализации их учебной активности;
• создание условий для творческой деятельности учащихся.
Качественная интерактивная модель физического эксперимента не только в сравн е-нии с его рисунком, сопровождаемым детальным описанием хода исследования, но и д а-же в сравнении с натурной демонстрацией позволяет существенно расширить объем учебной информации, потребляемой учащимся в единицу времени. Одна такая модель включает, как правило, все многообразие частных случаев поведения модельного объе к-та (объектов), отражает необходимые для изучения закономерные связи между его параметрами, иллюстрирует характер функциональной зависимости и динамику ее изменения при варьировании условий проведения эксперимента. Конечно, все это можно постараться изложить и на страницах учебника, лишая последний необходимой краткости, но продемонстрировать в естественных условиях на учебном занятии з а короткий пром е-жуток времени будет уже весьма затруднительно. Обычно при объяснении материала учитель на натурной установке демонстрирует лишь отдельные (... важнейшие!) эксп е-риментальные эффекты.
Из сказанного следует, что виртуальный эксперимент как новое средство обуч е-ния достоин серьезного внимания и разрабо тчиков, и преподавателей. В составе других средств обучения он должен, как кажется, обеспечивать безусловный рост эффективности учебной работы школьников. Практически нет сомнения в том, что натурный опыт, виртуальная модель явления, учебный текст (или устное объяснения учителя) - все это в комплексе - должно определять принципиально новое качество подачи учебного мат е-риала.
Тем не менее, н аряду с пониманием потенциальной полезности виртуального эксперимента существует тревога относительно возможности его чрезмерного и не вполне адекватного использования при обучении физике . Во-первых, реальной оказалась опасность замены одного негативного явления в преподавании предмета - «меловой физики»
- на другое - «экранную физику» (или «физику компьютерных моделей»). Во-вторых, интерактивные свойства новой среды обучения с необходимостью привели к тому, что виртуальный эксперимент стал использоваться не только как средство наглядности, но и как объект активной самостоятельной работы учащихся. При этом цели этой работы, как оказалось, не всегда являются адекватными роду деятельности обучаемых в виртуальной среде (... например, «доказать справедливость закона Ома для участка цепи», «проверить выполнение закона Ампера» вместо «исследовать поведение модели ... далее название» или «познакомиться с содержанием закона ..., используя модель ... далее название »). Отсутствие ясного понимания смысла деятельности в виртуальной среде (... а тем более его искаженное восприя тие!), безусловно, снижает образовательный эффект этой де я-тельности, а в итоге не позволяет учащимися в полной мере осознать назначение компьютера в научном познании и в обучении.
Проблема места и роли виртуального эксперимента в учебном процессе по физике уже не первый год обсуждается в методической науке. В ряде случаев она становится не только предметом жар ких дискуссий, но и непримиримой полемики. До сих пор, как и ранее, можно услышать мнения, с одной стороны, о безусловной полезности виртуального модельного эксперимента, с другой - об его исключительной «вредности» для процесса обучения физике (... и естествознания в целом!).
Служившаяся ситуация свидетельствует, на наш взгляд, о неполной ясности в понимании функций виртуального модельного эксперимента в обучении, что соответственно порождает ошибки в выборе рациональных способов его использования на практике.
Исходным вопросом, с которого следует начать обсуждение данной проблемы , является, на наш взгляд, вопрос о том, что представляет собой виртуальный учебный эксперимент.
2. Понятие виртуального учебного эксперимента.
При подготовке «живой» учебной картинки (компьютерной анимации) физического явления или его интерактивной модели для учебной виртуал ьной среды, фактически, используется уже о своенный в современной физике метод компьютерного моделиров а-ния. Другими словами, производство подобного учебного ресурса есть программная реализация решения вполне определенной математической задачи, количественно описывающей модель реального физического объекта или процесса.
Рассмотрим кратко в этом контексте суть и некоторые особенности метода компьютерного моделирования.
Отметим в начале, что м атематические модели, которые могут составить основу разработки компьютерных моделей физического явления, отличаются способами описания явления. Как известно, это может быть либо его аналитическое описание с использованием известных законов природы, либо правдоподобное аналитическое описание ( ... иногда такие математические модели называют имитационными!). Исследование математической модели явления может допускать строгое аналитическое решение поставленной задачи. Однако чаще из -за нелинейности уравнений, описывающих поведение модели, и большого числа переменных в данных уравнениях применяются численные методы их решения (численное моделирование).
Построенная исследователем математическая модель всегда являет собой лишь ту или иную сте пень подобия реальному физическому явлению, воспроизводимому при моделировании. Это может быть очень грубая модель, отражающая ограниченное число существенных свойств реального объекта, или модель, в которой реальный объект воссоздан в достаточно большом количестве его существенных характеристик. Чем выше степень подобия модели и реального объекта, тем сложнее будет поставленная для решения математическая задача.
Если разработанная модель явления удачна, то результаты исследования этой м одели, совпадут с известными эффектами, наблюда емыми в природе (другими словами, решение “тестовой задачи” для данной модели будет удовлетворите льным). Степень этого совпадения является показателем качества построенной модели. Хорошая модель, как правило, имеет достаточное число “степеней свободы” (число изменяемых параметров), благодаря чему можно исследовать некоторое множество вариантов ее поведения, в том числе в новых ранее не изученных условиях. Полученное при исследовании модели новое знание переносится на реальное явление и затем непременно проверяется в натурном эксперименте.
На современном этапе развития науки для исследования математи ческих моделей явления используется ЭВМ. Компьютер «заявил» себя как очень эффективный и соответственно востребованный инструмент познания. С его помощью могут быть успешно реализованы и аналитические, и численные методы решения математиче ских задач, описывающих поведение моделей физических явлений.
Численное моделирование определяется в науке как численный эксперимент, а для обозначения случая использования компьютера в качестве инструмента решения поставленной задачи используется понятие компьютерного или виртуального численного эксперимента (... далее для краткости - виртуального эксперимента). Компьютер в качестве
«исполнителя» численного эксперимента обеспечивает не только высокую скорость процессов исследования математических задач , но и позволяет успешно решать те из них, которые по целям исследования являются весьма сложными и трудоемкими.
В ходе виртуального эксперимента компьютер абсолютно точно выполняет п оставленную перед ним математическую задачу. Но важно понимать, что машина всегда работает только в рамках заложенной в нее математической модели явления. В такой ситуации можно моделировать, конечно, самые разнообразные условия протекания я в-ления, но при этом ничего кроме “старого нового знания” (другими словами, автомат и-зированного “открытия на кончике пера”) мы не получим. Это знание рождается как результат логико-математической обработки компьютером введенных в модель параметров. Полученное в результате моделирования знание носит гипотетический характер.
Значение метода моделирования при условии использования инструментов виртуальной среды трудно переоценить. Технические возможности компьютера позволяют достаточно полно описать математическую модель явления и «просчитать» в итоге широкий класс случаев ее поведения . При этом заложенное в “сознание” компьютера чи ело изменяемых параметров модели и соответственно возможность исследования различных вариаций ее поведения ограничивается только техническим характеристиками ЭВМ.
Компьютерный эксперимент ценен еще и тем, что создает для исследователя исключительно комфортные условия научной работы. Для удобства взаимодействия исследователя с программой, реализующей исследование математической модели явления, в алг о-ритм этой программы «закладывается» организация соответствующего интерфейса. Это могут быть: «окна» ввода начальных или граничных условий эксперимента; «окна» ввода параметров и констант, характеризующих моделируемое явление и реализацию модели в виртуальной среде; «окна» вывода результатов численного счета; отображение на экране монитора внешнего вида исследуемого объекта и пр. Результаты численного эксперимента оперативно визуализируются в виде серии значений искомых параметров явления, в виде графиков функций, диаграмм или в виде динамического графического изображения особенностей поведения исследуемого объекта в заданных условиях. Рациональные для восприятия и последующей интерпретации способы вывода результатов численного эксперимента определяются исследователем (автором-разработчиком модели).
Представленное выше краткое описание виртуального эксперимента как метода и с-следования необходимо спроецировать на учебную виртуальную среду и соотве тственно определить (... договориться!) о толковании понятия учебный виртуальный эксперимент.
Учебный виртуальный эксперимент - это виртуальный эксперимент, имеющий своей целью формирование у учащихся умений и навыков выполнения компьютерного эксперимента как метода познания. Такой эксперимент может включать в себя две стадии учебного исследования: 1) построение модели явления и разработка компьютерной программы ее реализации в виртуальной среде; 2) исследование модели.
Допустима (... и чаще всего имеет место!) в учебном процессе только од на из этих стадий, а именно - исследование «готовой» модели [8].
Учебный виртуальный эксперимент в этом качестве рассматривается как метод обучения. Он может использоваться как самосто ятельно, так и в составе с другими методами.
2. Понятие учебной виртуальной модели. Виды и направления использования в обучении.
Понятие «виртуальная модель» широко используется в педагогической лексике. Его смысл интуитивно понятен. Т ем не менее , у точним толкование данного понятия , п о
крайней мере, в пределах настоящей статьи.
Виртуальная модель - это модель, реализация и исследование которой осуществляется с помощью компьютера (т.е. средствами виртуальной информационной среды).
Учебная виртуальная модель - это виртуальная модель, предназначенная для предъявления учащимся предмета учения (элементов «готового» научного знания -концептуального, процессуального) и формирования у них со ответствующих познавательных умений, в том числе умений в выполнении компьютерного эксперимента как метода познания явлений природы.
Отличительной особенностью учебной виртуальной модели является специфические для обучения способы визуализации существен ных свойств моделируемого я в-ления, а также способы организации интерфейса программы, поддерживающего самостоятельную работу учащихся с данной моделью.
Учебные виртуальные модели относится к средствам обучения. Их использов а-ние возможно в составе разнообразных методов обучения.
Как видно, в определении понятия учебной виртуальной модели заложена информация об ее образовательном назначении . С одной стороны, «готовая» виртуальная модель явления может использоваться в обучении с целью формирования у учащихся опыта учебного исследования (см. выше понятие «учебный виртуальный эксперимент»). В этом качестве со всей очевидностью доминирует ее методологическая функция (... эта функция обозначена и обсужда лась ранее в работах [2, 4, 8 и др.] ). С другой стороны, такая модель может служить одним из эффективных способов предъявления и отработки у учащихся «готового» знания (его концептуальной и процессуальной составляющих). В этом случае обнаруживают себя дидактические функции виртуальной учебной модели.
При анализе дидактических функций виртуальных моделей наиболее очевиден их иллюстративный потенциал. Действительно, «живая к артинка» объекта или процесса, поясняющая содержание различных элементов научного знания (фактов, понятий, законов, элементов физических теорий), очень полезна в обучении. Такие модели выполняют те же функции, что и традиционные (ст атичные) иллюстрации, только более полно и более качественно. Однако не следует ограничивать дидактические возможности виртуальных моделей только их иллюстративным потенциалом. Спектр этих функций на самом деле гораздо шире.
Виртуальная модель в обучении может с успехом использоваться:
1) как средство непосредственного предъявления компонентов «готового» знания (т.е. «заложенной» в модель учебной информации о свойствах объектов реального мира);
2) как средство наглядности, сопровождающее другие способы предъявления «готового» знания:
• концептуального:
<* при изучении содержания научных экспериментов,
* для иллюстрации сущности эмпирических понятий; при анализе эмпирических закономерностей протекания природных явлений;
<* при изложении компонентов теоретического знания: идеализированного объекта теории, теоретических понятий, принципов и постулатов, мы с-ленных экспериментов и следствий теории;
> для визуального отображения элементов на учно-технического знания (устройства и принципа действия отдельных приборов и их взаимодейс т-
вующих систем, способов и приемов работы с приборами и техническими устройствами);
• процессуального (для иллюстрации содержания, порядка и правил выполнения действий и операций);
3) как тренажер (средство отработки у учащихся отдельных познавательных умений и формирования навыков);
4) как средство контроля уровня сформированное™ знаний и умений учащихся [4].
Дидактические функции «готовых» виртуальных моделей и их методологическая
функция (формирование опыта проведения численного эксперимента ) дают нам в сов о-купности полное представление об их учебном назначении. Отметим, что здесь и далее имеются в виду только динамические версии этих моделей. Статичные виртуальные м одели (фактически, рисунки) в данной статье не рассматриваются.
Для реализации всего спектра функций вирту альных моделей в обучении следует обеспечить необходимое и достаточное разнообразие их возможных видов. Насколько успешно решается данная проблема в области производства программных продуктов для средней школы можно судить по составу и содержанию виртуальных моделей, имеющихся в электронных учебных изданиях. Перечень виртуальных моделей наиболее популярных электронных изданий по физике представлен в справочно-методическом пособии [5]. Анализ показывает, что данные модели существенно отличаются по видам. Более того, модели раз ных видов представлены в учебны х изданиях в разном весовом соотношении.
Для полной и объективной оценки разнообразия учебных моделей предметной виртуальной среды является важным решение вопроса об их классификации. Построение классификации позволит уточнить перспективные направления дальнейшего развития медиатеки виртуальных учебных моделей, а также указать на наиболее эффективные способы их использования в обучении.
При построении классификации важно выделить существенные для обучения «основания деления» виртуальных моделей на видовые группы. Это в первую очередь те из оснований, которые отвечают на ключевые вопросы учебного моделирования: что моделируется? как осуществляется моделирование (способы и инструменты) ? каковы учебные задачи, которые могут быть поставлены перед учащимися в работе с учебной моделью? Соответственно представляется разумным построение как минимум трех наиболее существенных классификаций.
Первая классификация виртуальных учебных моделей по физике может быть связана с выбором объекта моделирования. Это могут быть виртуальные модели:
1) реальных объектов и процессов:
• естественной природы;
• второй природы (инструментов, приборов, машин, технических комплексов и реализуемых на них технологических процессов);
2) идеализированных объектов, отображающих сущность (ядро) физических теорий;
3) действий и операций исследователя с объектами природы и техники.
Модели первого вида предназначены для формирования у учащихся компонентов эмпирического и научно-технического знаний. Они позволяют отобразить явления в виртуальной среде в варианте близком к реальности. При этом глубина детализации в отображении свойств объектов, особенностей их поведения может быть различной.
Демонстрация таких моделей может служить замещением показа реальных объек-
тов и процессов в случаях, когда натурные наблюдения в ходе учебного процесса не предусмотрены, а выполнение соответствующего эксперимента в условиях школьной лаборатории затруднительно. Не менее полезны такие модели и в качестве средства сопровождения натурных опытов, поскольку за счет мультимедийного инструментария вирт у-альной среды они позволяют успешно акцентировать внимание учащихся на главном существенном в наблюдаемом явлении.
Роль моделей этого вида трудно переоценить в формировании у учащихся верных представлений о содержании эмпирических понятий. Виртуальная модель явления, как правило, ярко и убедительно демонстрирует его внешние и существенные признаки. Именно эти признаки, как известно, фиксируются в определении эмпирических понятий.
Виртуальные модели первого вида могут служить также качественной иллюстрацией справедливости эмпирических закономерностей протекания природных процессов.
С помощью этих моделей целесообразно изучать устройство разнообразных технических объектов, а также особенности их работы.
Модели второго вида используются для формирования у учащихся теоретических представлений. Эти модели фактически являют собой компьютерные версии нашего теоретического знания о «природе вещей» (виртуальные модели: идеального газа, электромагнитного поля, строения атома и др.). С их помощью можно добиться более глубокого понимания учащимися:
• структуры идеализированного объекта;
• сущности теоретических понятий, принципов и постулатов теории, описыва ю-щих поведение идеализированного объекта;
• основных следствий теории.
Модели третьего вида предназначены для формирования у учащихся практических умений (предварительная подготовка). При разработке таких моделей в виртуальной среде воспроизводится с той или иной долей подобия не только собственно исследуемый объект, но и соответствующие действия пользователя с этим объектом. Компьютер в такой ситуации обеспечивает согласованное решение двух математических задач, одна из которых описывает физическую модель объекта, а другая - возможные действия исследователя с материализованными (визуальными) компонентами этой модели. Для пол ь-зователя наглядное отображение результатов этого решения на экране монитора создает фактически ситуацию «виртуальной реальности». Такие учебные про граммы называют симуляторами. Симулятор может работать в демонстрационном («виртуальный иссл е-дователь») и интерактивном (пользователь) режимах.
Второй классификацией виртуальных учебных моделей может быть классифик а-ция, в которой основанием деления являе тся тип математической модели, выбранной для количественного описания явления . Это мо гут быть математические модели, пре д-полагающие:
1) аналитическое описание явления на основе известных экспериментальных зак о-нов (или уравнений теории);
2) правдоподобное аналитическое описание явления на основе изначально иных математических уравнений, но включающих те же характеристики, что и исследуемое явление (при правильном выборе такие уравнения в своем решении могут достаточно хорошо описывать особенности протекания моделируемого явления).
Модели второго вида получили название имитационных моделей. За моделями первого вида какого-либо определенного названия не закрепилось.
Данная классификация учебных моделей имеет для системы образования особое значение, поскольку затрагивает проблему моделирования физических явлений в вирт у-альной среде не только профессиональными разработчиками электронных изданий, но и рядовыми пользователями. Действительно, построение простых имитационных моделей
физических явлений (в особенности с применением стандартных инструментальных пакетов и специализированных инструментов учебной деятельности) является задачей вполне доступной и для непрофессиональных разработчиков (учащихся, учителей). Для учащихся - это возможность в ситуации соответствующей уровню их подготовки по информатике реализовать в своей учебной деятельности обе стадии компьютерного эксперимента как метода познания (см. выше) . Для учителя - возможность самостоятельно создавать учебные модели, реализующие его авторский по дход к организации учебного процесса в виртуальной среде. Не следует, конечно, исключать возможность построения учащимися и уч ителями, имеющими хороший уровень подготовки по информатике, сложных моделей обоих видов.
В рамках данной классификации можно с достаточной долей условности рассмотреть модели, в основе математического описания которых лежат количественные соотношения весьма далекие от соотношений, отражающих реальные свойства и закономе р-ности поведения моделируемого объекта. Такие модели можно опре делить как грубую имитацию лишь отдельных характеристик объекта. Единственной целью такого моделирования является создание на экране некоего яркого образа, внешне подобного реальному явлению. При этом выделяются, как правило, единичные, но существенные для восприятия (... распознавания!) особенности поведения изучаемого объекта. Примером таких моделей могут служить некоторые компьютерные анимации. В условиях развития стандартных офисных приложений и инструментов визуального программирования (MS РР, Flash Macromedia,Visual Java и др.) создание простейших визуальных имитаций объектов природы и техники становится вполне доступным видом моделирования. При этом следует заметить, что понятие численного компьютерного эксперимента к таким виртуальным моделям неприменимо.
Третья классификация учебных виртуальных моделей связана с характером учебной задачи, которая ставится перед пользователем при работе с моделью. Это могут быть модели, предназначенные:
1) для усвоения элементов «готового знания»;
2) для учебного исследования:
• по плану, разработанному пользователем;
• в соответствии с заранее подготовленным учебным сценарием (при этом степень «жесткости» сценария может варьироваться).
Содержание учебной задачи существенным образом определяет тип интерфейса программы, реализующей компьютерный эксперимент.
Модели первого вида отличаются специфическим учебным интерфейсом, вкл ю-чающим, как правило, ограниченное число «рычагов управления». Это кнопки «старт», «стоп», «пауза». В интерфейс таких моделей включают «инструменты» для наблюдения явления с разных позиций наблюдателя и в различных пространственно-временных масштабах. В ряде случаев могут варьироваться некоторые условия протекания явления. По запросу пользователя (... или без такового!) представляется подробная справка, включающая описание наблюдаемых на экране монитора эффектов, пользователю также предъявляются поясняющие ситуацию графики, диаграммы, схемы, рисунки и пр.
При такой организации интерфейса практически закрыт доступ к управлению алг о-ритмом программы, реализующей численный эксперимент. Модель этого вида носит существенно предъявляющий (... демонстрационный!) характер. Назовем такие модели виртуальными демонстрациями. Интерактивная составляющая таких демонстраций м о-жет варьироваться от минимума (кнопки «старт», «стоп», «пауза») до вполне з аметного числа управляющих кнопок, задающих порядок и свойства предъявления пользователю «готового» знания.
Модели второго вида, как правило, имеют более сложный интерфейс, так или иначе сходный с интерфейсом виртуального эксперимента, реализуемого в научных исследованиях (см. выше) . В отличие от моделей первого вида в таких моделях открыт доступ к управлению алгоритмом исполнения программы решения соответствующей математич е-ской задачи (блоку ввода данных, блоку обработки данных и бло ку вывода результатов на экран) [6]. Уровень доступа к управлению моделью может быть разным, и этим отличается сложность учебного исследования.
Пользователь сам планирует цели и порядок исследования такой модели. В случае сложных моделей, возможна поддержка процесса планирования в форме «встроенного» в учебную программу сценария исследования модели. В таких случаях в программе, реализующей модель, выделяются, как правило, относительно самостоятельные части или этапы. При этом в рамках каждой части (этап а) пользователь может планировать свои действия вполне самостоятельно. Количество частей или этапов исследования модели , представленных в сценарии, определяет степень «дробления» действий пользователя и задает соответственно тот или иной уровень «жесткости» внешнего управления ходом исследования.
Интерфейс моделей второго вида не отображает ни коим образом «готовое» научное знание. Результаты работы такой модели обучаемому заранее неизвестны. Они не являются очевидными и требуют от учащегося творческог о подхода к решению поста в-ленной задачи. Результатом работы с такой моделью является открытие субъективно н о-вого знания.
Представленные выше классификации виртуальных моделей охватывают, как нам кажется, достаточное для учебной практики их разнообразие. Различные сочетания указанных в данных классификациях видовых признаков моделей порождают множество их конкретных вариантов. Некоторые из возможных сочетаний показаны на рис. 1. Отметим, что на данном рисунке представлена своеобразная матрица видовых приз наков учебных моделей, которая набором формальных сочетаний «ячеек» определяет весь спектр разновидностей виртуальных моделей.
При разработке конкретной виртуальной модели необходимо задать ее вид по к а-ждому из указанных выше оснований классификации. Вно вь созданная виртуальная модель в зависимости от сочетания ее видовых признаков будет выполнять в обучении специфический для нее комплекс функций.
Отдельным часто используемым при проектировании моделей сочетаниям их вид о-вых признаков может быть присвоено вполне определенное название.
Введем ряд терминов, обозначающих виды конкретных учебных моделей.
А. Учебные виртуальные модели, для которых характерны видовые признаки 1.1 в сочетании с признаком 3.1. (независимо от вида модели в рамках классификации 2) (см. рис. 1) назовем виртуальными демонстрациями.
К таким моделям относится, например, виртуальная демонстрация физического опыта (наблюдения, эксперимента). Это модель, которая иллюстрирует проведение естественнонаучного опыта и не допус кает при этом вмешательства пользователя в алг о-ритм программы, реализующей ее работу. После запуска такой модели пользователю демонстрируется весь ход опыта от начала и до конца в соответствии с заранее разр а-ботанным сценарием.
Возможны два варианта виртуальной демонстрации физического опыта:
• виртуальная демонстрация явления (пользователю предъявляется модель явления в естественных условиях его протекания);
• виртуальная демонстрация физического эксперимента (пользователю предъявляется модель работы экспериментальной установки и наблюдаемого на ней эффекта).
Рис. 1.
Возможны также виртуальные демонстрации технических объектов.
Интерактивная составляющая любых виртуальных демонстраций сводится к управлению запуском модели, порядком и некоторыми особенностями способов пред ъ-явления «готового» знания, носителем которого является данная модель.
Отметим, что в зависимости от выбора признаков по классификации 2 (2.1 - 2.2 или 2.3) демонстрационные возможности таких моделей будут существенно отличаться.
Б. Учебные виртуальные модели с видовыми признаками 1.2 в сочетании с признаком 3.1. (см. рис. 1) назовем виртуальными демонстрациями структуры и свойств идеализированного объекта теории. Математическое описание такой модели в соответствии с классификацией 2 также может быть любым. По интерактивным сво й-ствам эти модели аналогичны моделям, рассмотренным в пункте А.
В. Учебные виртуальные модели с видовыми признаками 1.3 в сочетании с любыми признаками классификации 2 и 3 (см. рис. 1) назовем виртуальными симуляциями.
Виртуальная симуляция деятельности человека в условиях, приближенных к реальным, чрезвычайно эффективна в учебных целях.
Согласно классификации 3 целевые ориентиры виртуальных симуляций могут с у-щественно различаться. Одни симуляторы могут предлагать учащимся образцы деятел ь-
ности в «готовом» виде и осуществлять затем отработку действий в однотипных условиях (тренаж ) (см. признак 3.1, рис. 1). Возможно использование виртуального симулятора и с целью организации учебного исследования (см. признак 3.2, рис. 1).
Соответственно целесообразно пользоваться следующими терминами для обозн а-чения моделей этого вида:
• виртуальная симуляция ...указывается вид деятельности (тренаж),
• виртуальная симуляция ... указывается вид деятельности (учебное исследование).
При проектировании таких моделей в зависимости от того, какой признак реализуется из классификации 3, подбираются соответственно признаки 2.1 - 2.3 из классификации 2, (см. рис. 1), т.е. определяется вид математической модели для разработки алг о-ритма программы, реализующей данную симуляцию. Отметим, что при сочетании признаков 1.3 - 2.1 (или 2.2) - 3.2 (виртуальная симуляция, реализуемая как учебной исследование), мы получаем модель, которая очень удачно сочетает в себе возмо жности полноценного виртуального эксперимента и имитацию реальны х действий пользователя с объектом исследования. Это, без условно, ценно в учебном плане, так как позволяет за счет эффектных визуальных приемов сосредоточить внимание обучаемых на существенных свойствах исследуемого объекта. В ряде случаев такой подход целесообразен и в научном познании. Надо отметить, что модели этого типа являются наиболее сложными и трудоемкими для разработки.
Что касается конкретных примеров учебных симуляций, то следует сказать, что в курсе физики достаточно популярны виртуальные симуляции физических опытов (наблюдений и экспериментов). Модели этого вида в той или иной степени имитируют деятельность ученого по «добыванию» научных фактов. Такая виртуальная симуляция в варианте «тренаж » имеет своей целью не только изучение особенностей устройства и работы конкретной опытной установки, но и ориентирована на практическую подгото в-ку учащихся к проведению отдельных этапов натурного физического опыта. С помощью такого симулятора возможно формирование у учащихся э кспериментальных умений и навыков: 1) выполнения отдельных действий и операций (предъявление образца действия и тренаж), 2) проведения конкретного физического эксперимента в целом (демонстрация образца деятельности и тренаж). Разработанные на основе математических моделей вида 2.1 и 2.2. ( рис.1) такие симуляторы будут эффективны и при проведении учебных исследований - учебных виртуальных экспериментов, включающих только второю стадию поиска (работу с «готовой» моделью).
При изучении прикладных вопросов курса физики буду т интересны и полезны для учащихся виртуальные симуляции работы с техническими устройствами (инструментами, приборами, машинами, технологическими комплексами т.п.). Симуляции этого вида также допускают и режим тренажера, и режим исследования технического объекта на «виртуальном стенде».
Разнообразие видов виртуальных моделей и обилие их конкретных реализаций в предметной образовательной среде нередко приводит учителя, начинающего о сваивать практику их использования в обучении, в замешательство. Поэтому важно не только построить классификации этих моделей и обозначить их конкретные варианты , но и пок а-зать, как эти модели могут использоваться в обучении при решении вполне определе н-ных образовательных задач.
Рассмотрим проблему использования виртуаль ных моделей в системе методов учебного исследования и методов предъявления учащимся «готового» знания.
3. Натурный и виртуальный эксперименты в системе уровней и стадий научного познания.
Как уже отмечалось, наряду с дидактическими функциями виртуально го физич е-
ского эксперимента должна рассматриваться и реализовываться в обучении его иная -методологическая - функция. Данная функция первична: виртуал ьный эксперимент есть, прежде всего, метод научного познания. Однако в школьной образовательной ср еде виртуальный опыт начал «функционировать» сразу и только как средство об учения (... более того, преимущественно как средство иллюстрации!). В связи с этим в метод и-ческой науке справедливо ставится и обсуждается вопрос о необходимости использов а-ния виртуа льного эксперимента в его исходной ипостаси - как метода познания - и включения его в этом качестве в учебные исследования школьников [2, 3, 4, 8].
Формирование у учащихся представлений о назначении и содержании виртуального эксперимента не должно осущес твляться в отрыве от их представлений о классич е-ском натурном эксперименте и его роли в научном познании.
Ранее в работах [3, 4, 6, 7, 8 ] уже рассматривалось место и роль натурного эксп е-римента в структуре научного и учебного познания (рис. 1, 2), обсуждались также направления развития современного физического эксперимента как метода познания в у с-ловиях развития средств ИКТ. Резюмируем позиции авторов.
Современный научный опыт относится к сложным научным методам. В настоящее время и наблюдения, и экспериментальные исследования невозможно представить без использования компьютерных технологий, существенно облегчающих труд ученого. Особенного активно компьютер применяется в научном эксперименте. По мере сове р-шенствования электронно-вычислительной техники мощность этого инструмента познания возрастает, появляются новые возможности его использования. Это и 1) компьютерная диагностика состояния исследуемого объекта, и 2) машинная обработка данных эк с-перимента (математические расчеты, графическая интерпретаци я, перевод информации в другую знаковую систему, поиск и классификация информации и пр.), и 3) автоматическое управление работой технических устройств, реализующих экспериментальные действия ученого. Виртуальная среда с ее инструментарием может испол ьзоваться, как отмечалось выше, для моделирования реальных физических объектов с целью предв а-рительного исследования на модели особенностей их поведения , а также для выдвиж е-ния модельных гипот ез о сущности физических явлений и предварительной проверки этих гипотез в компьютерном эксперименте (см. выше).
Современный школьник, осваивающий экспериментальный метод познания, до л-жен познакомиться с особенностями проведения как классических, так и современных физических экспериментов. В процессе учебных демонстраций на уроке и на лабораторных занятиях необходимо показать учащимся основные направления использования компьютерных технологий в экспериментальном изучении явлений природы.
Элементы основных методов применения ИКТ и в проведении эксперимента, и в познании в целом должны стать в школьном курсе физики предметом целен а-правленного изучения. Это важнейшая часть подготовки современного школьника в области современной методологии научного познания.
Так, например, в школьной лаборатории может быть организован так наз ываемый автоматизированный физический эксперимент. Лабораторная установка в этом случае должна быть снабжена системой датчиков, диагностирующих состояние и сследуемого объекта (координату, скорость, время, температуру, значение с илы тока и пр.), а в ряде случаев и управляющих ходом эксперимента. Данные эксперимента обрабат ываются и выводятся на экран в реальном масштабе времени и в рациональной графической форме (диаграмма, график, таблица и др.). Основное внимание учащихся в такой работе соср е-доточено на проект ировании различных вариантов проведения эксперимента, накопл е-
нии данных, их анализе и интерпретации, формулировке выводов.
Рис. 2
Производство и поставка в средние школы комплектов оборудования для автом а-тизированного физического эксперимента осуществляется уже в настоящее время. В случае отсутствия такого оборудования автоматизированный эксперимент может быть организован в режиме реального времени в так называемой Internet -лаборатории - лаборатории удаленного доступа к натурным экспериментальным установкам.
Интересным направлением использования компьютерных технологий в лабораторном исследовании является применение инструментальных пакетов (ИП), предназначенных для обработки данных эксперимента. Спектр таких инструментальных пакетов на сегодня достаточно широк: от простых до профессиональных (Excel, Grapher, Mathcad, Mat-lab и др.) В первую очередь пакетами наиболее простых инструментальных программ при проведении эксперимента начинают пользоваться школьники, ранее освоившие этот опыт (в курсе информатики или в процессе самообразования). При наличии специальных дидактических материалов, поддерживающих самостоятельную работу учащихся с конкретными инструментальными пакетами, процедура их использования в лабораторном экспер и-
менте постепенно осваивается, как показывает практика, всеми обучаемыми.
Рис. 3
Наконец, еще одним направлением использования компьютера как средства познания является проведение виртуального эксперимента. Такой эксперимент, как отмечалось выше, целесообразен как на эмпирическом, так и теоретическом этапах познания, а также при проведении прикладных исследований. В первом случае виртуальная модель может использоваться с целью разработки (корректировки) методики экспериментал ь-ного исследования: проектирование модели экспери ментальной установки, апробация возможных режимов ее работы; во втором - в качестве эффективной реализации в новой информационной среде мысленного эксперимента как метода теоретиче ского познания явлений пр ироды, а также для численного анализа возможных с ледствий теории; в третьем случае - при выполнении прикладных исследований с целью выявления на и-лучших режимов поведения технических объектов и особенностей протекания технол 0-гических процессов в заданных условиях.
На современном этапе для реализации метода моделирования в познании создаются универсальные моделирующие среды, в которых можно провести не один десяток ви р-туальных экспериментов. Такие среды представляют собой математическое описание наших модельных представлений о природе. Они содержат целые классы моделей раз-
личных объектов и реализуют с той или иной степенью приближения их взаимодействие между собой на основе уже известных в науке законов. С помощью инструментов, входящих в состав таких сред , можно создавать более сложные модели из уже «готовых» базовых моделей среды, а также разрабатывать принципиально новые модельные объекты (например, МаШЬ, 81ха1ит-2000 [1] и др.). Такие среды являются мощной инструментальной поддержкой как эмпирических, так и теоретических методов познания явлений природы, а также методов прикладных исследований.
Вполне очевидно, что для реализации в обучении методологической функции виртуального эксперимента необходима разработка как учебных инструментальных сред, так и отдельных интерактивных моделей учебно-исследовательского назначения. Такие среды и модели (более простые по содержанию и способам манипуляции в сравнении с теми, к оторые применяются в научном познании ) призваны обеспечить учебно -исследовательскую деятельность школьников в необходимом соответствии с содержанием и логикой научного и научно-технического исследований.
Рассмотрим натурный и виртуальный эксперименты в системе уровней и стадий научного познания. В виде системы целей обучения обозначим функции экспериментов того и другого видов, а также ряд вспомогательных функций виртуальной среды в освоении методологии научного познания (методологический аспект). Параллельно укажем на возможности использования виртуальной среды с целью предъявления уча-
щимся «готового» знания, являющегося результатом соответствующих стадий познания явлений природы (дидактический аспект) (см. табл.).
В таблице, представленной ниже, продемонстрированы отличия в назначении и характере использования виртуальных моделей различных видов (см. 2 и 3 столбцы).
Современный физический эксперимент в структуре методов научного и учебного познания в условиях использования средств ИКТ
Уровни и стадии познания Функции виртуальной среды и средства их реализации
Эмпирический уровень1 Научное (учебное) исследование Усвоение «готового» знания.
Выполнение оп ытов (наблюдений, экспер и-ментов) - сбор научных фактов. Автоматизированный нату р-ный опыт Цель: • регистрация и обработка да н-ных натурного опыта (наблюдения, эксперимента) средствами вирт у-альной среды. Виртуальная демонстрация явления2 Цель: • предъявление «готовых» научных фактов (в форме данных «виртуал ьного наблюдения»)
1 Основные стадии эмпирического уровня научного познания схематически отображены на рис. 2
2 Демонстрация с помощью виртуальной модели внешних признаков явления при его протекании в естественных условиях.
Продолжение табл.
Виртуальный эксперимент (реализующий связь эмпирич еского и теоретического уровней познания, а также научного познания и пр и-кладных технических исследов а-ний):
1. Моделирование явления на основе уравнений теории или их еле д-ствий
Цели:
• построение модели явл ения с помощью языков программирования, ИП, учебных инструме н-тальных сред, в частности учебных конструкторов ( сборка м одели из «готовых» элементов)
• исследование особенностей п о-ведения «готовой» модели при различных значениях ее параме т-ров и в различных условиях.
2. Моделирование работы эксп е-риментальной установки на основе уравнений теории или их еле д-ствий ( виртуальный аналог н а-турных стендовых испытаний)
Цели:
• построение модели установки с помощью языков программирования, ИП, учебных инструме н-тальных сред, в частности учебных конструкторов ( сборка м одели из «готовых» элементов),
• определение рациональных схем и эффективных реж имов проведения натурных испытаний.
Виртуальная симуляция физ и-ческого эксперимента (учебное исследование)
Цели:
• исследование особенностей п о-ведения «готовой» модели явления при различных значениях ее параметров и в различных условиях,
• определение на основе иссл е-дования «готовой» модели экспериментальной установки рациональных схем и эффективных режимов проведения ее натурных испытаний.
Виртуальная демонстрация физич е-ского эксперимента
Цели:
• изучение конкретной экспериме н-тальной ус тановки на ее виртуальной модели, знакомство с методикой пр о-ведения эксперимента,
• предъявление «готовых» научных фактов (в форме данных виртуального модельного эксперимента), в том числе в ситуациях варь ирования условий «протекания» моделируемого явления.
Виртуальная симуляция наблюдения3
(тренаж)
Цели:
• изучение средств наблюдения, о с-воение методики наблюдения С ПОМ 0-щью данных средств,
• имитация деятельности наблюдат еля по «добыванию» научных фактов (в форме данных виртуального наблюдения) с целью освоения учащимися наблюдения как метода познания,
Виртуальная симуляция физическ ого эксперимента (тренаж)
Цели:
• изучение конкретной экспериме н-тальной установки на ее вирт уальной модели, практическое освоение эл е-ментов методики проведения соотве т-ствующего физического эксперимента,
• имитация деятельности экспер и-ментатора по «добыванию» н аучных фактов (в форме данных виртуального эксперимента) с целью освоения уч а-щимися эксперимента как метода п о-знания, формирование экспериме н-тальных умений и навыков:
выполнения от дельных эксп е-риментальных действий и оп е-раций (тренаж),
проведения физического эксп е-римента в целом.
3 Например, для случаев наблюдений с помощью оптических приборов (микроскопа, телескопа и пр.), геофизических наблюдений и т.п.
Продолжение табл.
Эмпирическая си с-тематпзацня нау ч-ных фактов. Работа с базами данных Цели: • обработка и сопоставление да н-ных различных серий н атурных опытов с использованием инстр у-ментов виртуальной среды ( представление и сравнение данных в виде графиков, диаграмм, та блиц, граф-схем и пр.) • проектирование при необход и-мости повторных серий экспер и-ментов по уточнению эмпирич е-ской классификации данных. Автоматизированный н атурный эксперимент Цель: • получение и обработка дополнительных данных. Виртуальная демонстрация явления. Виртуальная демонстрация физического эксперимента Цель: • иллюстрация внешних и существенных признаков явлений, опред е-ляющих осо бенности их отдельных групп (при введении эмпирических п 0-нятий). Виртуальная симуляция физическ ого эксперимента (тренаж) Цель: • варьирование внешних признаков явления с целью выделения и осозн а-ния наиболее сущ ественных из них (при изучении эмпирических по нятий, определяющих особенности разли ч-НЫХ групп явлений).
З.Обобщение нау ч-ных фактов - выявление эмпирических закономерностей. Работа с базами данных Цели: • обработка данных серии одн о-родных натурных опытов с испол ь-зованием инструментов виртуал ь-ной среды, представление данных в виде диаграмм, графиков функци о-нальных зависимостей, выя вление вида зависимости, расчет коэфф и-циентов пропорциональности и пр.; • выявление (уточнение) границ применимости закона; • проектирование при необход и-мости повторных серий эк спери-ментов по уточнению вида завис и-мости. Автоматизированный н атурный эксперимент Цель: • получение и обработка дополн и-тельных данных для уточнения вида зависимости и границ применим ости эмпирического закона. Виртуальная демонстрация физического эксперимента Цели: • предъявление «готовых» научных фактов (в форме серии данных виртуальных экспериментов) с графической визуализацией вида фун кциональной зависимости между параметрами моделируемого явления; • анализ вида зависимости, иллюс т-рация физического смыс ла коэффициентов пропорциональности; • предъявление «готовых» научных фактов (в форме данных ви ртуального эксперимента), иллюстрирующих гр а-ницы применимости э мпирической закономерности. Виртуальная симуляция физическ ого эксперимента (тренаж) Цель: • имитация действий эксперимент а-тора по «добыванию» научных фактов в ситуации варьирования условий «протекания» моделируемого явления с целью изучения и осво ения метода обобщения опытных данных.
4.Эмпирическое объяснение и предсказание явлений (решение качес твенных и количественных задач на основе эмпирич е-ских законов). Виртуальный эксперимент: 1. Моделирование явления на основе выявленных эмпирических закон о-мерностей Виртуальная демонстрация физического эксперимента Цели: • предъявление «новых» фактов (в форме данных виртуального экспер и-мента) как еле дствий эмпирического закона,
Продолжение табл.
Цели: • построение модели явл ения с помощью языков программиров а-ния, ИП, учебных инструментальных сред, в частности учебных конструкторов (сборка модели из «готовых» элементов), • исследование особенностей поведения модели при разли чных значениях ее параметров и в ра з-личных ус ловиях для выявления следствий эмпирических законов. 2. Моделирование работы эксп е-риментальной установки на основе известных эмпирических за конов (виртуальный аналог нату р-ных стендовых испытаний) Цели: • построение модели установки с помощью языков программирования, ИП, учебных инструме н-тальных сред, в частности учебных конструкторов ( сборка м одели из «готовых» элементов), • прогнозирование эф фективных схем и режимов проведения н а-турных испытаний. Автоматизированный натурный эксперимент Цель - проверка следствий эмп и-рического закона: • получение новых экспериме н-тальных данных, предсказываемых законом; • проверка справедливости час т-ных закономерностей, следующих из данного закона. • иллюстрация «справедливости» ч а-стных закономерностей, следующих из данного закона. Виртуальная симуляция физическ ого эксперимента (тренаж) Цели: • имитация (с целью освоения) действий экспериментатора по «добыванию» «новых» фактов (в форме данных ви р-туального эксперимента) как следс т-вий эмпирического закона, • имитация (с целью освоения) действий эксперимент атора по проверк е «справедливости» частных закономе р-ностей, следующих из данного закона.
Теоретический уровень4
Формирование баз иса теории: А. Эмпирического б а-зиса ( опытных фа к-тов, п вслуживших толчком для возникновения теория): Автоматизированный натурный эксперимент Цель: • получение принципиально н о-вых данных, объяснение которых в рамках известных теорий от сутст-вует. Виртуальная демонстрация я вления Виртуальная демонстрация физического эксперимента Цель: • предъявление «новых» нау чных фактов (в форме данных виртуального опыта), объяснение которых в рамках известных теорий отсутствует.
4 Основные стадии теоретического уровня научного познания схематически отображены на рис. 3
Продолжение табл.
Виртуальная симуляция физическ ого эксперимента (тренаж) Цель: • имитация (с целью освоения) действий экспериментатора по «добыванию» «новых» фактов (в форме данных ви р-туального эксперимен та), объя снение которых в рамках извес тных теорий отсутствует.
Б. Теоретического базиса - разработка модели явления (иде а-лизированного объе к-та), введение понятий, формулировка при н-ципов и пост улатов, описывающих ее свойства и поведение. Виртуальный м ысленный эк с-перимент Цели: • разработка модели мысле иного эксперимента в виртуальной среде с использованием ИП и ли языков программир ования, учебных инструментальных сред, в частн ости учебных конструкторов (сборка модели из «готовых» элеме н-тов) (первое приближение), • предварительная проверка справедливости модельных пре д-ставлений о сущности исследуемого явления - оценка прогностич е-ского и объясняющего потенци алов модели. Виртуальная демонстрация идеализированного объекта теории Цели: • иллюстрация структуры идеализированного объекта и его свойств; • уяснение сущности теоретич еских понятий, принципов и постулатов те 0-рии, описывающих поведение идеал и-зированного объекта
2. Построение нау ч-ной теории на на й-денном основании в форме логической или логико-математической системы утве р-ждений (уравнений теории) Виртуальный м ысленный эк с-перимент Цели: • последовательные уточн ения математической модели явления и их реализация в виртуальной ср еде с использованием ИП и ли языков программирования, • дополнительное исследов ание свойств модели в ее новых пр и-ближениях, • анализ и интерпретация ос о-бенностей поведения мод ели с целью подготовки теор етически оснований для полного аналитического описания явления в форме системы уравнений. Виртуальная демонстрация идеал и-зированного объекта теории Цель: • изучение особенностей пов едения «готовой» модели идеализированного объекта с целью иллюстрации положений теории, соответствующих анал и-тическому описанию явления (сист еме уравнений теории).
3.Получение выво д-ного теоретического знания (следствий теории): применение теории для объяснения явлений той ил и иной группы, пре дсказание явлений. Виртуальный эксперимент: 1. Моделирование явлений на основе уравнений теории или ее следствий Цели: • разработка моделей явлений на основе уравнений теории или их следствий с помощью языков программирования, ИП, учебных инструментальных сред, в частности Виртуальная демонстрация идеал и-зированного объекта теории Цели: • изучение особенностей пов едения «готовой» модели идеализированного объекта при различных значен иях ее параметров с целью иллюстрации следствий теории,
Продолжение табл.
учебных коне трукторов ( сборка модели из «готовых» элементов),
• исследование особенн остей поведения моделей при различных значениях из параметров и в ра з-личных условиях и формулировка следствий теории,
• планирование натурного эксперимента по проверке следствий теории и уточнению границ ее применимости.
2. Моделирование работы эксп е-риментальной установки на основе уравнений теории или их еле д-ствий ( виртуальный аналог н а-турных стендовых испытаний)
Цели:
• построение модели установки с помощью языков программирования, ИП, учебных инструме н-тальных сред, в частности учебных конструкторов ( сборка м одели из «готовых» элементов),
• определение эффекти вных схем и режимов проведения н а-турных испытаний.
Автоматизированный натурный эксперимент
Цель - проверка следствий теории:
• получение новых данных, предсказываемых теорией в ранее не исследованных условиях протекания исследуемого явления,
• проверка справедливости новых закономерностей, следующих из теории.
• определение границ примен и-мости модельных представлений о сущности явления (границ прим е-нимости теории).
• сопоставление результатов моделирования с результатами натурных опытов с целью выяснения границ применимости теории,
• постановка задач проверки следствий теории в натурном опыте.
Виртуальная демонстрация физического эксперимента
Цель:
• предъявление «новых» фактов (в форме данных виртуального экспер и-мента) как следствий теории.
Виртуальная симуляция физическ ого эксперимента (тренаж)
Цель:
• имитация (с целью освоения) действий экспериментатора по «добыванию» «новых» фактов (в форме данных ви р-туального эксперимента) как следс т-вий физической теории.
Как видно из содержания таблицы физический эксперимент в его натурном и виртуальном вариантах реализации могут использоваться при изучении курса физики весьма разнообразно. Это определяется не только избранным статусом данного мет ода (исследовательским или обучающим ), но и этапом познания (его уровнями и ст а-диями).
Вариативность целей виртуального эксперимента в учебном познании позволяет утверждать, что для успешной реализации всех его ранее обозначенных функций
(... дидактических и методологической!) необходима целенаправленная разработка его разн ообразных видов. Это должны быть и модели, которые будут обеспечивать работу школ ьников, направленную на качественное усвоение «готового» знания, и модели, которые будут поддерживать их учебно-исследовательскую деятельность в соответствии с содержанием и л огикой научного познания.
Эффективность применения моделей того и другого клас сов в значительной ст е-пени зависит от качества их интерфейса. Модели первого класса предполагают орг а -низацию сугубо учебного интерфейса . Интерфейс моделей второго класса должен не только создавать условия для взаимодействия учащегося-исследователя с программой (для управления моделью, для сбора и обработки данных виртуального эк с-перимента), но и обеспечивать визуализацию наиболее существенных особенностей протекания моделируемого явления. Необходимо придать специфический (... обучающий !) характер интерактивной составляющей моделей для учебного исследов а -ния. Это могут быть: справочные материалы, обобщенные планы исследования, творческие задания различных уровней сложности, тестирование по итогам работы и пр.
Независимо от рода деятельности (усвоение «готов ого знания» или учебное и с-следование) н аличие заданий для самостоятельной работы учащихся с модельным объектами виртуальной среды является ключевым условием успешности обучения. Разработка таких заданий также необходима как ранее была необходима и осуществлялась подготовка заданий для самостоятельной работы учащихся с объектами уче б-ной книги - текстом, рисунками, таблицами, графикам и т.д. [6].
К сожалению, не все учебные модели , уже реализованные в виртуальной образ о-вательной среде, позволяют сформулиров ать целесообразные учебные задания. Это серьезная проблема области педагогического проектирования . При создании моделей для учебной среды разработчик должен ясно представлять себе: в какие виды де я-
телъности будет включена данная мо делъ и на достижение ка ких целей эта де я-телъностъ может быть направлена . Могут проектироваться как универсальные (... полифункциональные!), так и одноцелевые уче бные модели.
В настоящей статье мы попытались продемонстрировать виды и варианты и с-
пользования виртуального эксперимента и ряда других компонентов виртуальной среды в системе уровней и стадий естественнонауч ного познания. Полагаем, что эта информация поможет и профессиональным разработчикам виртуальной учебной среды и учителям физики в деле создания виртуальных моделей и планирования направлений их использования в обучении.
4. Примеры виртуальных мод елей различных видов.
В четвертой заключительной части статьи рассмотрим отдельные примеры ви р-туальных моделей различных видов .
I. Учебный виртуальный эксперимент и дополняющие его компоненты учебной виртуальной среды, предназначенные для усвоения «готового зн ания»:
1) виртуальные демонстрации физических явлений (рис. 1) как средство изучения:
> внешних признаков явлений,
> содержания эмпирических понятий;
проявлений эмпирически х законов в природе и технике;
<* эмпиричес ких оснований изучаемой теории ;
Модель: «Фазы Луны» Открытая астраномия, 2.0 (CD). - М.: ООО «Физикон», 2001
Анимация: Сложение перемещений / Виртуальная школа «Кирилла и М ефодия». Медиатека по физике (ОБ) - М.: «Кирилл и Мефодий», «Нью Медиа Дже-нерейшн», 2003.
2) виртуальные демонстрации физического эксперимента как иллюстрация содержания и логики проведения соответствующего натурного эксперимента и, в том числе содержания постановки исторических опытов, включающая:
визуализацию натурной установки и порядка ее работы,
- предъявление результатов эксперимента (в форме таблиц, схем, диаграмм, гр а-фиков функциональной зависимости);
Постоянный электрический ток / Виртуальная физика «STRATUM 2000» (CD) / Д.В. Баяндин, О.И. Мухин. - РЦИ ПГТУ г. Пермь
Анимация: Опыт с трубкой Ньютона / Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». М едиатека по физике (ОБ) - М.: «Кирилл и Мефодий», «Нью Медиа Дженерейшн», 20 03.
Анимация: Эксперимент по проверке закона
Бойля-Мариотта / Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Медиатека по физике (ОБ) - М.: «Кирилл и Мефодий», «Нью Медиа Джен ерейшн», 2003.
3) виртуальные демонстрации технических объектов (приборов, машин, технологических комплексов), включающие:
> визуализацию устройства технического объекта и его отдельных частей; принципа и порядка работы, области и правил использования;
Анимация: Турбореактивный двигатель / Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Медиатека по физике (ОБ) - М.: «Кирилл и Мефодий», «Нью Медиа Дженерейшн», 2003.
Модель «Ядерный реактор» / Открытая физика. Ч. 2 (ОБ) / Под ред. С.М. Козела. - М.: ООО «Физикон», 2002.
4) виртуальная симуляция физического эксперимента (тренаж) - «пошаго-
вое» отображение содержания и логики проведения соответствующего натурного эксп е-римента и, в том числе исторических опытов, включающая:
<* визуализацию натурной установки и возможных режимов ее работы,
> интерактивную процедуру подготовки установки к эксперименту, процедуру сбора фактов (в форме данных виртуального эксперимента), обработку данных эксперимента, их представление в форме таблиц, схем, ди а-грамм, графиков функциональной зависимости;
Опытная проверка закона Гей-Люссака / Виртуальные лабораторные работы по физике / В.В.Монахов, Л.А.Евстигнеев - СПб, 2001-2003.
5) виртуальные демонстрации идеализированного объекта теории как средство иллюстрации элементов физических теорий:
> структуры идеализированного объекта;
> теоретических понятий, постулатов и принципов, описывающих его поведение; содержания мысленных экспериментов , в том числе исторических , подтве р-ждающих справедливость исходной теоретической модели явления;
> следствий теории,
© Тепловое движение в твердых телах
Тепловое движение в твердых телах
О ° ° О DOOq ОООО °о Оа Q О О О о О О о о с о D а о о о о 00 оо° о о о О О О О q о о оао ooqoo 00OqDO DO 1у...(Пп1Э
ЇЄІ,ІПЄ|)ЛТУ1)Л термостата V* ||
1
ВЫХОД
Газовые законы / Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Медиатека по физике (ОБ) - М.: «Кирилл и Мефодий», «Нью Медиа Д женерейшн», 2003.
Тепловое движение в твердых телах / Виртуальная физика «STRATUM 2000» (CD) / Д.В. Баяндин, О.И. М ухин. - РЦИ ПГТУ г. Пермь
Модель « Магнитное поле соленоида» / Открытая физика. Ч. 2 (ОБ) / Под ред. С.М. Козела. - М.: ООО «Физикон», 2002.
Модель «Относительность промежутков врем е-ни» / Открытая физика. Ч. 2 (ОБ) / Под ред. С.М. Козела. - М.: ООО «Физикон», 2002.
Модель «Взаимодействие точечных зарядов» / Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Медиатека по физике (ОБ) - М.: «Кирилл и Мефодий», «Нью Медиа Дженерейшн», 2003.
6) виртуальные симуляции работы технических устройств (тренаж ) как
средство изучения и первичного практического освоения их правил сборки и использования:
1>*1 Вольтметр аналоговый
Тренажер «Вольтметр аналоговый» / Виртуальная физика «STRATUM 2000»
(CD) / Д.В. Баяндин, О.И. М ухин. - РЦИ ПГТУ г. Пермь 2. Учебный виртуальный эксперимент и учебные инструментальные среды,
предназначенные для учебного исследования:
1) автоматизированный натурный эксперимент, включающий:
сбор и обработку данных,
- представление результатов в виде динамических таблиц, схем, графиков функциональных зависимостей;
2) базы данных наблюдений и экспериментальных исследований , включая данные ф ундаментальных исторических экспериментов (в различном визуальном отобр а-жении: таблицы, схемы, графики, видеохроника, и т.д.) (в электронных учебных пособиях для средней школы примеров не найдено);
3)виртуальная симуляция физического эксперимента (исследование) - «пошаговое» отображение содержания и логики проведения соответствующего натурного эк с-перимента и, в том числе исторических опытов, включающая:
> визуализацию натурной установки и выбор режима ее работы,
> имитацию процедуры подготовки установки к эксперименту,
имитацию действий по управлению работой установки и снятия показаний пр и-боров (сбор фактов в форме данных виртуального эксперимента),
> самостоятельную обработку данных эксперимента, их представление в форме таблиц, схем, диаграмм, графиков функц иональной зависимости с использов а-нием встроенного инструментария;
Модель «Опыт Эрстеда» / Виртуальная физика «STRATUM 2000» (CD) / Д.В. Баяндин, О.И.
Мухин. - РЦИ ПГТУ г. Пермь
4) инструментальные среды и математические пакеты для моделиров ания, включая учебное конструирование из «готовых» базовых моделей (учебные конструкторы):
> физических явлений,
технических объектов и их систем (в частности экспериментальных устано вок для проведения эксперимента).
Конструктор электрических цепей I «Начала электроники» (http:IIwww.listsoft.ruI?id=2184)I
Конструирование оптических систем. / Виртуальная физика «STRATUM 2000» (CD) / Д.В. Баяндин, О.И. Мухин. - РЦИ ПГТУ г. Пермь
Конструктор «Цепи постоянного тока » / Открытая физика. Ч. 2 (ОБ) / Под ред. С.М. Козела. - М.: ООО «Физикон», 2002.
Конструктор «Стеклянная призма»
/ Физика, 7-11 классы. Практикум (ОБ). - М.: ООО «Физикон», 2005
5) виртуальный эксперимент (исследование «готовой» численной модели явления, построенной на основе уравнений соответствующей теории или ее следствий):
> для исследования особенностей поведения модели физического явления при различных значениях ее параметров и в различных условиях;
* для исследования особенностей поведения моделей технических объектов и их систем (в частности для проведения эксперимента);
Модель «Броуновское движение» / Виртуальная физика «STRATUM 2000» (CD) /Д.В. Баяндин, О.И. Мухин. - РЦИ ПГТУ г. Пермь
Цепи постоянного тока / Виртуальная физика «STRATUM 2000» (CD) / Д.В. Баяндин,
О.И. Мухин. - РЦИ ПГТУ г. Пермь
Как видно, спектр примеров виртуальных моделей очень разнообразен. Анализ даже их небольшого ряда показывает, разработка наиболее простых версий таких моделей вполне доступна и учителям, и учащимся. Подготовкой учебных моделей могут активно заниматься и студенты педагогических вузов.
Представленные в настоящей статье классификация учебных модел ей и направл е-ния их использования в обучении помогут будущим педагогам и практикующим учит елям сориентироваться в выборе темы для педагогического проектирования компонентов виртуальной среды. Предметную основу для разработки учебных моделей может составить практически любая тема школьного курса физики. При проектировании моделей следует обратить внимание на предварительный анализ классических вопросов методики формирования у учащихся предметного знания ( концептуального, процессуального). Необходимо помнить, что учебный сценарий модели и ее интерфейс должны быть постро ены с учетом современных технологий фо рмирования у учащихся предметных знаний и умений.
Библиографический список
1. Баяндин, Д. В., Мухин, О. И. Система активных обучающих сред «Виртуальная школа» / Методическое пособие для учителя и руководство по использованию программного продукта). Пермь: изд-во ПГТУ, 2002. - 72 с.
2. Баяндин, Д. В., Кубышкин, А. В., Мухин, О. И. О вариативности содержания, формы и методики подачи учебного материала при и спользовании компьютера // XII междунар. конф. «Информационные технологии в образовании» (Сб. трудов). Ч. III. М.: МИФИ, 2002. - С.34-35.
3. Оспенникоеа, Е.В. Основы технологии развития исследовательской самостоятельн ости школьников. Эксперимент как вид учебного исследования: Учебное пособие / Перм. гос. пед. ун-т. - Пермь, 2002. - 375 с.
4. Оспенникоеа, Е.В. Методологическая функция виртуального лабораторного экспер и-мента // Информатика и образование. - 2002, № 11. - С.83-89.
5. Оспенникоеа, Е. В., Беляева, Н. А., Худякова, А. В. Мультимедийные информационные ресурсы по физике для средней общеобразовательной школы / Справочные материалы для учителя физики. Пермь: изд-во ПГПУ, 2004. - 140 с.
6. Оспенникоеа, Е. В., Худякова, А. В. Обновление системы учебных объектов среды обучения в условиях информатизации образования и проблема организации познавательной деятельности школьников в новой информационной среде // Вестник ПГПУ. Серия «ИКТ в образовании». - 2005. - Вып. 1. - с. 50 - 67
7. Попов, С.Е. Методическая система подготовки учителя в области вычислительной ф и-зики: Монография. - Нижний Тагил: НТГСПА, 2005. - 227 с.
8. Старовиков, М.И. Введение в экспериментальную физику: Учебное пособие. - Бийск: НИЦ БПГУ им. В.В. Шукшина, 2003. -190 с.
9. Талызина, Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний. - М.: Изд-во Московского ун-та, 1975. - 342 с.
Статья подготовлена в рамках проекта «Информатизация системы образования», реализуемого Национальным фондом подготовки кадров по заказу Министерства образо вания и науки Российской Федер ации. Проект финансируется из средств Международного банка реконструкции и развития.
