Аналогии и модели - один из методов обучения физики средней школы (стр. 2 из 4)

Существует множество классификаций моделей, отличающихся друг от друга признаками, положенными в основу классификации, перечислим некоторые из них.

Модели делятся:

• по способу познания: житейские, художественные, научно-технические;

• по отрасли знаний: биологические, экономические, исторические и т.д.;

• по области использования: учебные (наглядные пособия), опытные (модель самолета в турбодинамической трубе), научно-технические (ускорители элементарных частиц), игровые (экономические, военные), имитационные (многократное повторение опытов для оценки результатов воздействия реальной действительности на образец);

• по учету фактора времени: динамические и статистические.

По способу реализации и средствам моделирования существует довольно много классификаций, рассмотрим классификацию представленную в книге Каменецкого и Солодухина "Модели и аналогии в курсе физики средней школы". Модели делятся на: материальные (предметные) и идеальные (мысленные). В свою очередь материальные модели делятся на: физически подобные, пространственно-подобные и математически подобные, а идеальные модели делятся на: модели-представления и знаковые модели. К сожалению, в методике преподавания физики, можно встретить и другую классификацию моделей по способу реализации: физические и математические, которая является не полной даже в рамках преподавания физики. Так из этой классификации выпадают, например, химические уравнения и уравнения ядерных реакций.

Приведенные классификации представляют интерес для методики преподавания физики только в плане обучения учеников методу моделирования, и не представляют особого интереса при преподавании конкретных тем курса. Совсем иначе обстоит дело с классификацией, основанной на способах получения моделей. Модели можно разделить на модели, полученные путем предельного перехода, модели, полученные путем приписывания и теоретические конструкты.

С помощью предельного перехода можно получить модели непосредственно воспринимаемых явлений и объектов, путем рассмотрения целого ряда явлений или объектов обладающих интересующим свойством, например в порядке его возрастания, а затем сконструировать мысленный объект или явление, обладающим этим свойством в бесконечной мере, либо лишенным его. Таким образом, можно вводить понятия материальной точки или математического маятника.

Путем приписывания некоторых свойств объекту можно получить модели микрообъектов или микроявлений, не воспринимаемых непосредственно органами чувств. Таким образом, можно получить модели идеального или электронного газа. И, наконец, теоретические конструкты, такие как электрон или электромагнитное поле, они не могут быть получены путем приписывания, и лишь дальнейшее развитие науки может подтвердить правомерность их использования.

Из данной классификации можно получить конкретные методические рекомендации по введению моделей того или иного класса.

Для успешного введения модели непосредственно воспринимаемого макрообъекта или макроявления, необходимо реализовать наблюдение подобных объектов/явлений с различными степенями выраженности интересующих свойств. Для построения моделей микрообъектов и микроявлений полученных путем приписывания необходимо, в начале, на основе предыдущего опыта, путем абстрагирования отбросить несущественные стороны, а оставшиеся в поле рассмотрения свойства приписать модели. И, наконец, при введении теоретических конструктов, таких как электрон, квант или электромагнитное поле, существование которых, само по себе, необходимо доказывать, остается использовать исторический материал, показывающий, как эти понятия появились в истории науки.

4. Демонстрационная компьютерная модель "Электрический ток в металле"

В курсе "основы электродинамики" основной школы есть много важных для дальнейшего обучения и сложных для понимания учащихся тем, это и ЭДС индукции, и напряженность электрического поля, и электромагнитные колебания. Одной из таких тем является электрический ток в металлах, остановимся подробнее на этой теме.

Сложность темы заключается в том, что для ее качественного раскрытия необходимо использовать статистические понятия, с которыми школьники встречались только при изучении основ молекулярной физики и, следовательно, владеют им не в полной мере. В таком случае статические закономерности необходимо представлять через показ динамики процесса.

Каким образом можно на максимально высоком уровне объяснить данную тему? Используя только плакаты, иллюстрации из учебника и рисунки на доске тему можно качественно раскрыть только для учеников способных оперировать понятиями высокой степени абстракции. Для объяснения природы электрического тока в металлах можно использовать кинофильмы по этой теме, но в большинстве школ кинооборудование уже вышло из строя, да и сами киноленты частично испорчены. Остается рассмотреть два средства обучения, относящихся к новым информационным технологиям – это видеофильмы и компьютерные модели.

В последнее время сильно развивалось производство учебных видеофильмов. Они обладают большой степенью наглядности, и заняли достойную нишу в сфере обучения физике. По рассматриваемой теме существует несколько видеопособий и у учителя есть возможность выбрать наиболее удачное на его взгляд.

Рассмотрим компьютерные модели. Компьютерные технологии в обучении бурно развиваются в последние два десятилетия и на сегодняшний день написано довольно много учебных компьютерных программ. Сейчас учебные компьютерные программы пишут: сами учащиеся, под руководством учителя, учителя физики и информатики, а так же большие профессиональные авторские коллективы. Очевидно, что последние более распространены, более известны и обладают более высокой маркетинговой поддержкой.

Обратимся к учебным компьютерным программам, по рассматриваемой нами теме, наиболее известных и популярных разработчиков.

Начнем рассмотрение с продукта фирмы 1С – "1С: Репетитор. Физика 1,5", представленного на компьютере в виде развернутой книги, на "правой странице" которой располагается учебный текст, а на "левой странице" соответствующие тексту картинки, компьютерные модели и видеоролики. Тему электрический ток в металлах иллюстрирует рисунок 3 на котором отсутствует изображение ионов кристаллической решетки и не отражено хаотическое движение электронов проводимости.

Рис.3

Продукт фирмы "Физикон" "Открытая физика 2.5" реализован в виде, более привычного для данного класса программ, страницы гипертекста, в которую вставлены рисунки и компьютерные учебные модели. Тему электрический ток в металлах иллюстрирует рисунки 4 и 5. "На рисунке 5: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем, масштабы дрейфа сильно преувеличены".

Рис.4

"Базовый курс физики для школьников и абитуриентов" представленный компанией "Медиа Хауз" представляет собой электронный учебник с рисунками, а так же набор компьютерных моделей. К теме электрический ток в металлах можно отнести рисунок 6.

Из выше приведенного анализа можно сделать вывод о том, что в наиболее популярных учебных программных продуктах по физике к теме "Электрический ток в металлах" приведены только иллюстрирующие рисунки разной степени наглядности и отсутствуют видеоролики и компьютерные модели для данной темы.

Рис.5

Рассмотрим, каким требованиям должна удовлетворять качественная компьютерная модель, отражающая тему "электрический ток в металле". Модель должна показывать хаотическое движение свободных электронов в отсутствии внешнего электрического поля, отражать наличие дрейфовой скорости под действием внешнего электрического поля, и изменение скорости дрейфа при изменении внешнего поля.

На основании выше приведенных требований была разработана демонстрационная компьютерная модель, которая дает возможность продемонстрировать движение электронов проводимости во внешнем электрическом поле.

При запуске программы на экране компьютера появляется окно в котором изображены ионы кристаллической решетки и электроны проводимости, которые хаотически двигаются и обладают дрейфовой скоростью, зависящей от наличия и величины внешнего электрического поля. Программа позволяет увеличивать, уменьшать и обнулять величину электрического поля, а так же изменять его направление. В процессе хаотического движения электроны не испытывают взаимодействия с другими электронами, а изменяют направление лишь при "соударении" с ионами кристаллической решетки. Модель изображает среднюю мгновенную скорость движения электронов и скорость дрейфа электронов. К ограничениям модели можно отнести то, что взято заведомо малое количество электронов проводимости: на 45 ионов кристаллической решетки изображено всего 15 свободных электронов, искаженно изображены размеры частиц и расстояния между ними, не отражено тепловое движение ионов, и т.д. Эти ограничения были намеренно заложены в модель, для ее упрощения и большей наглядности.

5. Использование компьютерных моделей при обучении физике

Сегодня преподаватели и учителя физики, сталкиваются со следующим рядом затруднений: постоянное сокращение часов на естественнонаучные дисциплины, снижение финансирования учебного процесса, износ и выход из строя имеющегося оборудования. В сочетании с повышенными требованиями к уровню знаний выпускников учебных заведений, и повышенной загруженностью обучающихся эти затруднения могут перерасти в неразрешимые проблемы, особенно в учебных заведениях небольших городов.