STUDENT’S VIRTUAL PROJECTS IN THE PHYSICS LABORATORY PRACTICUM OF THE SPECIALIZED LICEUM.pdf Важнейшим аспектом, связанным с реализацией современной концепции непрерывного образования, является задача обеспечения преемственности методик, технологий и требований, применяемых в системах среднего и высшего образования. Понимание актуальности решения такой задачи и анализ современного состояния школьного и вузовского образования вызвали появление нового научного направления в педагогике, связанного с исследованием потенциала взаимодействия вузов и школ с целью модернизации системы образовании [1, 2]. В качестве одной из перспективных целей данное направление выдвигает становление инновационных образовательных сообществ и интеграцию ресурсов разных ступеней системы образования [1]. Для достижения поставленной цели используется экспериментальная площадка, в качестве которой наиболее оптимальным вариантом представляется система «университет - профильная школа». Взаимодействие между ними уже имеет достаточно показательную историю и большой накопленный опыт совместной деятельности. Учет всех значимых составляющих этого опыта, реалий современной образовательной системы, требований общества к субъекту и результату образовательного процесса позволит минимизировать временные и прочие затраты для решения задач по достижению цели. Как показывает анализ, в последние годы наблюдается значительное снижение качества школьного и вузовского образования в сфере физико-математических дисциплин [2]. Последнее вызывает большую озабоченность педагогического сообщества, поскольку именно эти дисциплины оказывают наиболее существенное влияние на формирование аналитического мышления обучаемых. Для любого развивающегося общества научно-технический прогресс, связанный с использованием новых технологий, просто немыслим в отсутствие большого количества специалистов с хорошей физико-математической подготовкой. Совершенно очевидно, что на сегодняшнем этапе развития системы образования имеется насущная потребность в разработке и совершенствовании методик, способных мотивировать современных школьников и студентов к изучению физики и математики. В этой связи в рамках упомянутого научного направления проводятся специальные исследования потенциала взаимодействия вузов и школ при обучении физике [Там же]. Приведенные в [2] результаты анализа экспертных высказываний представителей среднего и высшего образования позволили выяснить, что наряду с уже внедренными в жизнь принципами взаимодействия имеются практически неиспользуемые ресурсы: совместные исследовательские проекты школ и вузов, совместная деятельность школьников и студентов. Такое взаимодействие могло бы привести к появлению дополнительной мотивации обучаемых к исследовательской деятельности и к изучению соответствующих учебных предметов. Одновременно это способствовало бы формированию общего открытого образовательного пространства в системе «школа-вуз» [Там же]. Формирование подобного пространства является актуальной задачей в контексте идеи непрерывного образования. Реализация данной задачи позволит объединить образовательные ресурсы и технологии, обеспечивая плавный и согласованный переход «школа-вуз» в системе непрерывного образования. В рамках отдельной предметной области общее образовательное пространство может представлять собой как пересечение, так и объединение разноуровневых информационных пространств вуза и школы. Но для решения задачи формирования такого пространства в любом случае требуется особый подход, учитывающий одновременно конкретное содержание предметных областей, дидактические и психологические аспекты процесса обучения на разных стадиях, современный уровень требований к результатам образовательного процесса. При формировании общего образовательного пространства для такого предмета, как физика, необходимо учитывать одну из особенностей процесса обучения данной дисциплине, связанную с наличием важнейшего и обязательного компонента - лабораторного практикума. Практикум дает возможность учащимся самостоятельно наблюдать и исследовать физические процессы и явления, знакомит их с методами проведения и обработки результатов экспериментов. Наряду с традиционными средствами физического эксперимента в современном лабораторном практикуме школ и вузов все большее распространение находит виртуальный эксперимент, применяемый в качестве дополнительного дидактического средства. Сочетание реального и виртуального экспериментов является хорошим мотивационным фактором для учащихся и дает новые возможности при обучении физике. Но такое сочетание требует тщательного анализа и методической проработки в применении к конкретному учебному процессу [3-6]. Один из вариантов включения виртуального эксперимента в школьный лабораторный практикум заключается в использовании готовых компьютерных интерактивных моделей для проведения имитационного компьютерного эксперимента наряду с реальным физическим экспериментом [6, 7]. Интегрирование двух разновидностей эксперимента позволяет существенно расширить возможности для наблюдения, исследования и понимания физических процессов, активизировать деятельность учащихся по анализу фактов и выдвижению гипотез. Как показано в [6], интеграция имитационного виртуального и натурного экспериментов позволит обеспечить современное качество образования только при выполнении ряда дидактических условий: • включение моделирования в содержание обучения физике; • системное использование интерактивных моделей, связанное с продвижением ученика от работы по инструкции к исследовательской форме выполнения эксперимента; • увеличение доли проблемного, исследовательского и проектного методов обучения. В данном интегральном варианте эффективность и целесообразность проведения виртуального эксперимента во многом определяются сочетаемостью интерактивной компьютерной модели и реальной физической установки, используемой в лабораторном практикуме школы. Не всегда (и не только в визуальном плане) удается добиться взаимно однозначного соответствия реального и виртуального экспериментов. Поэтому, несмотря на большое количество уже существующих компьютерных интерактивных моделей, разработка программных средств, соответствующих и дополняющих парк реальных лабораторных установок, остается достаточно актуальной задачей. Зачастую сами учителя физики решаются на разработку собственных программ с целью решения стоящих перед ними конкретных дидактических задач [5]. Такой подход является весьма трудоёмким и требует не только больших временных затрат, но и хороших знаний информационных технологий. Другой вариант включения виртуального эксперимента в лабораторный практикум связан с проведением учащимися вычислительных экспериментов с использованием самостоятельно разработанных компьютерных программ на основе выбранных математических моделей физических процессов. Если в школьном практикуме проведение самостоятельных вычислительных экспериментов имеет достаточно ограниченный характер, связанный с отсутствием необходимых знаний по целому ряду дисциплин [6, 7], то в технических университетах такая практика вполне возможна и уже получила определенное развитие [8, 9]. Как показывает наш опыт, студенты младших курсов технического университета могут быть вовлечены в проблемно-проектную деятельность по проведению виртуальных физических экспериментов с разработкой собственных программных продуктов [9]. Организация такой деятельности имеет несколько позитивных моментов для образовательного процесса университета: выполнение виртуального проекта носит творческий и межпредметный характер, способствуя формированию целого спектра профессиональных компетенций; разработчики получают опыт создания программного продукта, что оказывается сильным побудительным мотивом для участников проектов [9, 10]. В качестве «побочного» результата проектной деятельности студентов появляются достаточно качественные программные разработки, которые могут быть использованы в физическом лабораторном практикуме как вуза, так и школы. Это значит, что при соответствующей проблемной постановке задач компьютерного моделирования студенты, участвующие в проектной деятельности, могут активно формировать общую информационно-образовательную предметную среду в системе «школа-вуз». Привлечение к постановке задач и руководству проектами преподавателей технического университета совместно с учителями профильных школ будет способствовать становлению инновационного образовательного сообщества и интеграции образовательных ресурсов. На кафедре общей физики Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) проводится педагогический эксперимент, связанный с внедрением в учебный процесс проблемно-проектных компьютерных технологий обучения [9]. В эксперименте на добровольных началах принимают участие студенты второго курса факультета прикладной математики и информатики НГТУ, уже имеющие определённые навыки программирования. Одним из направлений студенческих проектных разработок является создание программных продуктов, представляющих собой интерактивные компьютерные модели, позволяющие проводить имитационный эксперимент, связанный с существующими натурными прототипами - конкретными лабораторными установками. Такая компьютерная модель при её использовании должна расширить рамки реального физического эксперимента за счет возможностей дополнительной визуализации и увеличения диапазонов изменения параметров, определяющих особенности физических процессов. Над реализацией одного виртуального проекта обычно трудится бригада, состоящая из трех-четырёх студентов. Преподаватель при этом играет роль постановщика проблемы, консультанта и помощника. Процесс работы над проектом предполагает самостоятельное решение студентами целого ряда задач [9]: 1. Выбор и математическая формализация модели физического процесса. 2. Выбор метода решения уравнений модели. 3. Разработка эскиза графического интерфейса. 4. Разработка блок-схемы алгоритма. 5. Программная реализация. 6. Проведение тестовых виртуальных экспериментов. 7. Анализ результатов проведенных экспериментов. 8. Анализ собственных действий. 9. Составление отчета. 10. Презентация и защита проекта (готового программного продукта). В качестве примера рассмотрим реализованный бригадой студентов НГТУ (группа ПМ-84, студенты Нартова О.Ю., Свитлик Т.Ю., Шовкопляс Е.А.) виртуальный проект «Дифракция света на N щелях». Разработанный программный продукт выполнен в виде оконного Windows-приложения с удобным и простым пользовательским интерфейсом. Для создания продукта использовались: • среда быстрой разработки Embarcadero RAD Studio C++ Builder 2010, в том числе компоненты TMainMenu (создание меню); • библиотеки и компоненты AlphaControls (дизайн); • технология OpenGL (3D-модель); • объектно-ориентированный язык программирования С++ (программа). На рис. 1 изображена заставка компьютерной программы, появляющаяся на экране монитора при активизации соответствующего исполняемого файла. На заставке присутствуют название виртуальной лабораторной работы, информация о разработчиках, логотипы НГТУ и кафедры общей физики. На рис. 2 изображено главное окно программы с графическим интерфейсом пользователя. Стилизованное 3D-изображение экспериментальной установки включает в себя источник монохроматического излучения, препятствие в виде экрана с системой параллельных щелей и экран для наблюдения дифракционной картины. Световой луч, идущий от источника, и соответствующее перераспределение светового потока, возникающее после препятствия, изображаются в цветовой гамме видимого диапазона излучения в соответствии с выбранной длиной волны. Слева от установки воспроизводятся 2D-изображение дифракционной картины и график распределения интенсивности, соответствующий данной картине. Для удобства пользователя присутствует интерфейс, с помощью которого можно менять основные характеристики установки, а также регулировать настройки анимации (отображать график интенсивности, измерительную сетку, дифракционную картину, использовать интерактивную линейку, масштабировать изображения). Интерфейс позволяет интерактивно управлять процессом путем изменения нескольких характерных параметров: длина волны излучения, количество щелей, ширина щели, расстояние между щелями и расстояние от препятствия до экрана для наблюдения. Соответствующие изменения визуализируются изменением цвета, перераспределением интенсивности дифракционной картины и пространственным перемещением препятствия (удаляется или приближается к экрану для наблюдения). Все элементы управления располагаются в правой части окна и имеют удобную форму реализации в виде бегунков и чекбоксов (флажков). Реализуемый с помощью мыши инструмент «интерактивная линейка» позволяет производить измерение характерных расстояний между максимумами и минимумами дифракционной картины аналогично тому, как это происходит в реальном физическом эксперименте Применение данной компьютерной программы в сочетании с натурным экспериментом позволяет переходить от лабораторного эксперимента «Дифракция света», возможности которого по ряду характеристик ограничены, к имитационному виртуальному эксперименту, выполнение которого существенно расширяет диапазон изменения параметров, привносит дополнительные элементы наглядности и делает проводимое учебное лабораторное исследование с дидактической точки зрения более полноценным [6]. Подобные студенческие разработки включаются и используются в электронной образовательной среде НГТУ и Инженерного лицея НГТУ. В ряде случаев студенты, работающие над виртуальными проектами, сами являются выпускниками лицея. В результате организованной проектной деятельности студентов технического университета закладываются основы для формирования общей информационно-образовательной предметной среды по физике. Совместная постановка преподавателями университета и учителями лицея проблем и задач для компьютерного моделирования позволяет конкретизировать содержательную сторону студенческих проектных разработок так, чтобы готовый программный продукт вписывался в общее информационное образовательное пространство «профильный лицей-университет».

Скачать электронную версию публикации