Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Создание компьютерной образовательной среды (КОС) по физике как средства обучения 11
1.1. Методологическая проблема обучения решению задач по физике 11
1.2. Психолого-педагогический аспект обучения моделированию задач физики 14
1.3. Применение информационных технологий в учебном процессе 18
1.3.1. Методический анализ компьютерных программ по физике 24
1.3.2. Методология проектирования обучающих программ 32
1.4. Классификация задач по физике для автоматизированного моделирования в КОС 37
1.5. Выводы 41
Глава 2. Методологическое обоснование и назначение основных компонентов среды компьютерного моделирования задач (СКМЗ) по физике 42
2.1. Формализм представления задачи 42
2.1.1. Структура среды компьютерного моделирования задач физики 44
2.1.2. Алгоритм представления задачи в редакторе данных 45
2.1.3. Алгоритм решения задачи в редакторе схем 49
2.1.4. Методологическое назначение панели решений 52
2.2. Визуальные элементы компонентной цепи в редакторе схем 53
2.2.1. Создание компонентов моделей и банка данных в среде компьютерного моделирования задач физики 57
2.3. Методика выделения объектов из условия задачи 60
2.3.1. Методика присвоения моделей объектам в редакторе схем 66
2.3.2. Контроль ошибок в среде компьютерного моделирования задач-СКМЗ 69
2.3.3. Пример решения задачи в СКМЗ 70
2.3.4. Методология решения вычислительных задач и назначение СКМЗ 75
2.4. Выводы 81
Глава 3. Организация обучения моделированию и решению задач в КОС по физике 82
3.1. Структура КОС 82
3.1.1. Интерфейс пользователя 85
3.2. Использование методов обучения в КОС 90
3.2.1. Основные дидактические концепции обучения с применением КОС 96
3.2.2. Организация познавательной деятельности учащихся с применением КОС 104
3.3. Выводы 114
Глава 4. Экспериментальное исследование и проверка эффективности применения компьютерной образовательной среды (КОС) по физике в учебном процесс 7. 115
4.1. Исследование проблем применения компьютерных технологий в обучении физике 115
4.2. Определение образовательного эффекта КОС по физике в учебном процессе 118
4.2.1. Оценка пользовательских интерфейсов КОС 122
4.2.2. Оценка уровня знаний учащихся при использовании КОС (Экспериментальная проверка эффективности применения КОС в обучении физике) 126
4.3. Выводы 137
Заключение 137
- Методологическая проблема обучения решению задач по физике
- Формализм представления задачи
- Структура КОС
Введение к работе
Актуальность исследования. В связи с массовым оснащением компьютерами школ по общероссийской программе компьютеризации, усилился интерес к использованию компьютеров в предметном обучении. Компьютер как техническое средство открывает достаточно большие возможности для совершенствования учебного процесса. Однако, использование компьютера в обучении по предметам, в частности, физике не получило широкого распространения и носит ограниченный характер. С одной стороны, это связано с недостаточной методической разработкой программных средств и обучающих программ. Выявление данной проблематики прослеживается в диссертационных исследованиях A.M. Короткова, Л.Ю. Кравченко, Е.А. Локтюшиной, Н.А. Гомулиной, А.С. Каменева, Ш.Д. Махмудовой. С другой стороны, мы считаем, что предлагаемые разработчиками компьютерные программы по физике, в большем количестве являются закрытыми для пользователя: содержат готовый банк задач, тестов, теорию и демонстрации, которые не всегда сочетаются с методикой преподавания учителя и зачастую не увязаны с учебным процессом ни организационно, ни методически. Программы же, позволяющие достичь открытости для пользователя обычно не поддерживают решение физических задач или достаточно громоздки в обучении, требуют знания языков программирования - Pascal, С, Delphi или численных методов - Mathcad, Excel. Поэтому остается актуальным поиск общих подходов и методов, повышающих эффективность обучения физике с помощью компьютера. В частности, актуальна проблема создания такой среды, в которой органично сочетаются традиционные и компьютерные методы обучения. Одним из эффективных методов обучения решению физических задач, является метод компьютерного моделирования, который интегрирует дидактические возможности в обучении решению задач и является средством развития умственных и творческих способностей учащихся. А внедрение новых образовательных технологий в учебный процесс позволяет наряду с традиционными методами решения задач использовать моделирование.
Анализ результатов контрольных работ школьников и студентов показывает, что основной проблемой изучения предмета «физика» являются трудности, связанные с решением задач. Причинами ошибок, допускаемых при решении, являются затруднения в первичном восприятии задачи, затруднения в определении условия и требования задачи, их соотнесения, т.е. в неумении проводить анализ задачи, определять ориентировочную основу действий. По этой причине большинство учащихся начинают считать физику очень трудным предметом, и теряют интерес к уроку и предмету. Поэтому актуальным выходом, позволяющим добиться эффективного образовательного результата - получить навык решения вычислительных задач, индивидуализировать обучение и самостоятельно осуществлять подбор необходимых задач, для корректировки знаний, контроля или решения домашних заданий, является моделирование. Использование данного метода на уроках физики требует разработки методики и создания компьютерной образовательной среды - КОС по физике, которая сочетает традиционные и компьютерные средства, позволяющие решать конкретные педагогические задачи.
Настоящая работа посвящена созданию компьютерной образовательной среды с возможностью моделировать физические задачи, вопросам повышения эффективности преподавания физики путем разработки методики решения вычислительных задач в КОС.
Цель исследования. Заключается в разработке КОС, ее содержания и методики использования в учебном процессе для активизации познавательной деятельности, повышения уровня усвоения знаний, улучшения умения решать задачи по физике.
Объект исследования. Процесс обучения физике в школе и ВУЗе.
Предмет исследования. Создание компьютерной образовательной среды (КОС) с элементами моделирования физических задач в обучении физике в школе и вузе.
Гипотеза исследования: если при обучении физике использовать компьютерную образовательную среду, то произойдет активизация
познавательной деятельности учащихся, повысится уровень усвоения знаний, улучшится умение решать задачи.
В соответствии с целями и гипотезой были определены следующие задачи:
Провести анализ компьютерных обучающих программ и программных средств по физике. Определить их достоинства и недостатки, выявить проблематику их использования в школе.
Исследовать и определить приемлемую классификацию задач по физике для компьютерного моделирования.
Разработать методику, позволяющую формализовать решение вычислительных задач в среде моделирования, для развития у обучаемых навыков алгоритмизации, логического, системного "и творческого мышления, конкретизации полученных элементов знания.
Разработать банк задач по кинематике и динамике и теоретический материал к этим разделам, позволяющий научиться моделировать и решать вычислительные задачи физики.
Выявить различие в методике традиционного решения задач по физике и методике компьютерного моделирования.
Определить возможность применения компьютерного моделирования в рамках учебного процесса по физике.
Методическая основа.
Теоретический анализ психолого-педагогической, предметной и методической литературы, школьных и вузовских стандартов и учебных пособий, обучающих компьютерных программ; анализ и синтез педагогического опыта: анкетирование, тестирование, наблюдение и опрос; педагогический эксперимент и физические методы его обработки.
Методы педагогического исследования.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:
изучение и анализ литературы по дидактическим, педагогическим, психологическим и техническим проблемам, связанным с информатизацией образования;
изучение и анализ обучающих программ и программных средств по физике;
анкетирование;
педагогический эксперимент;
Научная новизна
Предложен способ использования КОС для активизации познавательной деятельности учащихся при решении задач по физике
Выявлен способ наполнения банка задач по физике с использованием классификатора задач.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что:
Разработана методика построения КОС, позволяющая формализовать решение задач по физике.
Разработана методика обучения решению задач по физике в КОС.
Проведен сравнительный анализ методики решения вычислительных задач в среде моделирования и при традиционном подходе.
Проведен сравнительный анализ компьютерных обучающих программ и выделены критерии эффективности применения их в учебном процессе. Практическая значимость работы определяется тем, что:
Разработана классификация задач для компьютерного моделирования.
Создано наполнение для Компьютерной образовательной среды по физике, состоящее из банка задач и теоретического материала, позволяющего научиться моделировать и решать задачи.
Защищаемые положения.
Методика проектирования программно-педагогических средств компьютерной образовательной среды - КОС по физике.
Методика моделирования и решения задач по физике по разделу «Механика» - кинематика и динамика.
З. Методика наполнения банка задач по физике с использованием классификатора задач.
Обоснованность и достоверность научных результатов и выводов обеспечена:
Использованием методов математического моделирования для расчета экспериментальных данных для получения наглядной и качественной интерпретации их результатов.
Использованием методов математической статистики для обработки экспериментальных данных.
Системным подходом к описанию и изучению объекта исследования, достаточной представительностью выборки обучаемых.
Апробация результатов исследования. Основные положения работы докладывались на международной и всероссийской конференции: «Научная сессия ТУСУР - 2004» (г. Томск, отмечен дипломом первой степени), «Информатизация учебного процесса в образовательных учреждениях» (г. Томск). По основным результатам выполненных исследований опубликовано 14 научных работ, из них две работы входят в перечень ВАК для защиты кандидатских и докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений, изложенных на 156 страницах. Работа содержит 52 рисунка и 11 таблиц.
В первой главе «Создание Компьютерной образовательной среды - КОС по физике как средства обучения» исследована проблематика методологии изучения физики в школе. Проблема повышения методологического уровня преподавания физики рассматривается как актуальная уже в течение длительного времени. Анализ проблемы показывает, что основной процент учащихся испытывает затруднения с решением задач. В последнее время для повышения эффективности обучения предлагаются компьютерные обучающие программы. Проведен всесторонний " анализ современных компьютерных программ по физике, выделена проблематика их
использования в учебном процессе. Нами определено, что основным условием применения компьютерных технологий в учебном процессе является их открытость для пользователя - учителя, ученика, студента, которая позволяет учесть собственную методику преподавания учителя - дает возможность, без знания языков программирования, наработать свой банк задач, индивидуализировать обучение и научить решать задачи. К сожалению, таких обучающих программ нет или они требуют знания языков программирования. Выходом из данной ситуации является использование на уроках физики компьютерного моделирования, которое приближает решение задачи к реальному процессу и позволяет в рамках одной задачи организовать вычислительный эксперимент. Главным требованием применения принципов моделирования ~в образовательных целях является их ~ педагогическая целесообразность. Использование данного метода должно быть оправдано с педагогической точки зрения. Поэтому проведен всесторонний анализ принципов этого метода и показаны его педагогические возможности. Конкретизированы классы задач, которые компьютерная среда моделирования позволяет решать.
Во второй главе «Методологическое обоснование и назначение основных компонентов среды компьютерного моделирования задач физики» рассматривается структура среды моделирования и методологическое назначение редакторов и панелей, позволяющих выстроить решение задачи, с помощью формализации.
Разработана методика, позволяющая выделять из условия задачи моделируемые объекты, на основании нее сделан алгоритм решения задачи в среде моделирования. Определены критерии присвоения математических моделей объектам. Проведен сравнительный анализ методологии традиционного подхода решения задач и при компьютерном моделировании.,
В третьей главе «Организация обучения моделированию и решению
задач в КОС по физике» показана обучающая структура КОС по физике.
Рассмотрен педагогический сценарий, который включает описание связей
между составными частями КОС - текстами теоретического материала и
непосредственно моделированием задач различного уровня сложности, интерактивными репликами и комментариями на действия учащихся, запросы о помощи и консультации, справочной информации. Проведен анализ действующих методов обучения физики с помощью КОС. Показана методика применения КОС по физике в учебном процессе, способствующая активизации познавательной деятельности учащихся и повышению качества образования. Проанализирована возможность реализации основных дидактических концепций обучения в учебном процессе физики с применением КОС. В связи с появлением компьютеров возник новый вид процесса проблемного обучения - проблемно-компьютерное обучение, которое позволяет достичь нового педагогического эффекта. В данном случае, компьютерное занятие не предполагает стопроцентного использования своего времени на работу с компьютером. Поэтому рассмотрен процесс взаимодействия преподавателя, учащихся и использования КОС.
В четвертой главе «Экспериментальное исследование и подтверждение эффективности использования Компьютерной образовательной среды по физике» приводится описание проведенного педагогического эксперимента и экспериментальные данные, подтверждающие эффективность использования КОС по физике в учебном процессе.
В заключении излагаются выносимые на защиту результаты диссертационного исследования, их соотношение с общей целью, гипотезой и поставленными задачами, указываются пути дальнейшего исследования и развития темы.
Приложения содержат дополнительные и вспомогательные материалы, дополняющие основное содержание диссертации.
Методологическая проблема обучения решению задач по физике
Психология уже свыше ста лет занимается исследованием процессов решения задач человеком. В результате этих исследований открыто много закономерностей и найдены важные характеристики решений задач.
С точки зрения психологии, процесс решения задачи -— это процесс ее перемоделирования, т. е. построение цепи моделей исходной задачи [16]. Конечными звеньями этой цепи являются задачи-модели, методы, решения которых известны.
В науке метод моделирования заключается в том, что для исследования какого-либо явления или объекта выбирают или строят другой объект, в каком-то отношении подобный исследуемому. Построенный или выбранный объект изучают и с его помощью решают исследовательские задачи, а затем результаты решения этих задач переносят на первоначальное явление или объект [11].
Внедрение новых образовательных технологий в учебный процесс позволяет наряду с традиционными методами решения задач использовать компьютерное моделирование, которое интегрирует дидактические возможности в обучении решению задач и является методом развития умственных способностей учащихся [17]. Компьютер согласно современному толковому словарю английского языка - это «программируемый цифровой обработчик всевозможных данных» [18]. Используя положение о том, что в процессе изучения физики учащиеся должны овладеть обобщенными методами решения типовых задач, опираясь на физические знания, можно предположить, что и к использованию компьютера для передачи и обработки информации можно готовить еще в школе. В школьном курсе физики учащиеся изучают некоторые модели, но не осознают их подлинной сущности: изучают их просто как явление, числа, геометрические фигуры, не объединяют их общим понятием «модель», «моделирование» [10].
Известный психолог С.Л. Рубинштейн считает [19], что средства познания, используемые при решении задач, сводятся к переформулированию задачи, а основная форма мышления, осуществляющая это переформулирование, есть анализ условий и требований задачи, когда объект в процессе мышления включается во все новые связи, и в силу этого выступает во все новых качествах, которые фиксируются в новых понятиях; из объекта, таким образом, как бы вычерпывается каждый раз все новое содержание, он как бы поворачивается каждый раз новой стороной, в нем проявляются все новые свойства. С.Л. Рубинштейн характеризовал решение задач как процесс их переформулирования, в котором непрерывно производится анализ условий и требований задачи, через синтетический акт их соотнесения. Переформулирование задачи, считает он, и является способом ее моделирования.
В.В. Давыдов считает [20-21], что перевод некоторого объекта в форму модели позволяет обнаружить в нем такие свойства, которые невыявляемы при непосредственном оперировании с ним. Он указывает, что в процессе решения задач, используемые средства познания выступают в форме моделирования.
Л.М. Фридман [22-23], Д.Н. Богоявленский [24-25], ГЛ. Балл [26] в - результате изучения генезиса задач делают вывод о том, что задачи можно рассматривать как знаковые модели проблемных ситуаций. Н.Ф. Талызина, рассматривая формирование общих приемов решения задач [27], обращает внимание на то, что необходимо исходить из понимания мышления не как некой готовой формальной функции, которая применяется при решении задач, а из понимания мышления как содержательной системы актов, формирующихся в процессе решения соответствующих задач и проходящих ряд закономерно сменяющих друг друга этапов. При этом она отмечает, что успешность формирования действий определяется качеством их ориентировочной основы, ее содержанием и структурой. Для построения ориентировочной основы действий при решении задач необходимо найти структурную единицу, которая составляет сущность любой задачи этого класса, что соответствует методу моделирования.
Формализм представления задачи
В повседневной жизни мы имеем дело с объектами и процессами разной природы. Для изучения их функционирования мы стараемся рассмотреть и понять их. Поскольку нас интересуют определенные вопросы, то мы рассматриваем объект не целиком, как он есть, а отдельные его свойства и функции.
Моделью объекта называется любой другой объект, отдельные свойства которого полностью или частично совпадают со свойствами исходного. При другом определении под моделью понимают физический или абстрактный образ моделируемого объекта, удобный для проведения исследований и позволяющий адекватно отображать интересующие исследователя физические свойства и характеристики объекта [93].
Полнота модели определяется тем, сколько и каких свойств исходного объекта в ней отражено. Модель создается для исследования свойств и характеристик конкретного объекта. Используя построенную модель, можно уже на ранней стадии разработки в удобной и безопасной среде оценить, насколько удачны выбранная структура и параметры системы. Можно выделить несколько целей и задач, ради которых создаются модели, и проводится ряд типов исследований с помощью моделирования:
Модель как средство осмысления помогает выявить взаимозависимости переменных, характер их изменения во времени и пространстве, найти существующие закономерности. Модель как средство прогнозирования позволяет научиться предсказывать поведение объекта и управлять им, испытывая различные варианты управления на модели.
Модели как основа для поиска оптимальных параметров и характеристик, исследования задачи.
Модели- тренажеры - выступают как эффективное средство обучения и подготовки к профессиональной работе в реальных условиях. Моделирование - это замещение исследуемого объекта (оригинала) его
условным образом или другим объектом (моделью) и изучение свойств оригинала путем исследования свойств модели [93,94].
Полнота модели определяется тем, сколько и каких свойств исходного объекта в ней отражено. При реальном моделировании используется возможность исследования различных характеристик либо на существующем объекте целиком, либо на его части. Реальное моделирование является наиболее адекватным, но при этом его возможности, с учетом особенностей реальных объектов, ограничены и для моделирования сложных систем оно сопряжено с большими временными и материальными затратами. Все это привело к развитию абстрактного моделирования. Абстрактное моделирование часто является единственным способом исследования объектов, которые либо практически не реализуемы в заданном интервале времени, либо существуют вне условий, возможных для их физического создания [95].
Наиболее мощным и универсальным методом абстрактного моделирования является математическое моделирование, которое в большинстве случаев позволяет отказаться от реального моделирования. При этом для моделирования с помощью персонального компьютера, обычно используют не абстрактные модели, а их подмножество - компьютерные модели.
Для моделирования задачи выполняют ряд формализованных шагов, которые приводят в конечном итоге к ее решению. Формализация совокупность познавательных операций, обеспечивающих отвлечение от значения понятий и смысла выражений научной теории с целью исследования ее логических особенностей, дедуктивных и выразительных возможностей [96].
Логические особенности формализма - непротиворечивость, разрешимость, полнота, означают, что формализм предполагает содержательное мышление в качестве средства построения и исследования, используя собственные дедуктивные и выразительные возможности. Играет важную роль в систематизации знаний, позволяет вычленить и уточнить логическую структуру теории, обеспечить стандартизацию понятийного аппарата, является ценным орудием мышления, позволяющим получить новые результаты.
Структура КОС
В третьей главе показана обучающая структура КОС по физике. Рассмотрен педагогический сценарий, который включает описание связей между составными частями КОС - текстами теоретического материала и непосредственно моделированием задач различного уровня сложности, интерактивными репликами и комментариями на действия учащихся, запросы о помощи и консультации, справочной информации. Проведен анализ действующих методов обучения физики с помощью КОС. Показана методика применения КОС по физике в учебном процессе, способствующая активизации познавательной деятельности учащихся и повышению качества образования. Проанализирована возможность реализации основных дидактических концепций обучения в учебном процессе физики с применением КОС.
Из основных . тенденций развития образования в мировой педагогической практике представляются «...наиболее существенными следующие [37]:
усиление практической направленности содержания курсов естественнонаучного цикла; изучение явлений, процессов, объектов, веществ, окружающих учащихся в их повседневной жизни;
изменение акцентов в учебной деятельности, нацеленных на интеллектуальное развитие учащихся за счет уменьшения доли репродуктивной деятельности; использование заданий, проверяющих различные виды деятельности, увеличение веса заданий на применение знаний для объяснения окружающих явлений; учет знаний, которые учащиеся получают вне учебных заведений из различных источников» [60, с.4].
Являясь значимой частью общего образования, физическое образование, рассматриваемое с предметной стороны, включает следующие основные группы целей [117]: освоение знаний о фундаментальных физических законах и принципах, лежащих в основе современной физической картины мира; методах научного познания природы;
овладение умениями проводить наблюдения, планировать и выполнять эксперименты, выдвигать гипотезы и строить модели, применять полученные знания по физике для объяснения разнообразных физических явлений и свойств веществ; практического использования физических знаний; оценивать достоверность естественнонаучной информации;
развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе приобретения знаний и умений по физике с использованием различных источников информации и современных информационных технологий;
использование приобретенных знаний и умений для решения практических задач повседневной жизни.
Для решения современных образовательных задач и учебных целей, в основе которых лежат применение новых информационных технологий, покажем комплекс программно-педагогических средств - ППС по физике в КОС. Под комплексом ППС в КОС подразумеваются следующие модули;
электронный гипертекстовый учебник;
среда компьютерного моделирования задач - СКМЗ;
методическая поддержка учителя;
задачник
поисково-справочный блок
