Недавно принятый Федеральный государственный образовательный стандарт в качестве одной из основных задач обозначает организацию проектной учебно-исследовательской деятельности школьников. При изучении физики такая деятельность объективно связана главным образом с учебным физическим экспериментом. Основными причинами, затрудняющими выполнение требований ФГОС в условиях массовой школы, являются недостаточный уровень экспериментальной подготовленности [1] и необходимость значительных затрат личного времени учителя физики.
В современном учебном физическом эксперименте широко используется персональный компьютер, выполняющий функции основного измерительного прибора [3]. Компьютер в автоматизированной экспериментальной установке позволяет избежать большого числа однообразных измерительных операций, обеспечивает наглядность результатов экспериментальных исследований и высокую точность математических расчетов, сохранение результатов эксперимента на электронном носителе. В связи с этим актуальной является проблема формирования у будущих учителей физики экспериментальных умений, относящихся к натурному компьютерному эксперименту.
Сформированность интегральных умений натурного компьютерного эксперимента (НКЭ) можно характеризовать тремя уровнями [2]:
1) начальный – студент способен самостоятельно поставить НКЭ по его подробному описанию;
2) средний – студент может осуществить НКЭ, если владеет информацией о наиболее существенных его этапах;
3) высший – студент в состоянии разработать и выполнить НКЭ в соответствии с осознанной им проблемой.
Этим уровням соответствует, главным образом репродуктивная, продуктивная и творческая деятельность студента.
Чтобы обеспечить эффективное применение компьютера в учебном физическом эксперименте школы, достаточно овладения учителем лишь базовыми умениями НКЭ, которые определяют начальный уровень сформированности интегральных умений НКЭ. Следовательно, каждый выпускник педагогического вуза должен обладать как минимум базовыми умениями НКЭ.
К базовым мы относим следующие группы умений:
1) умения изготовления простейших электронных приборов по инструкции или описанию [6];
2) умения обеспечивать взаимодействие компьютера и электронного устройства;
3) умения проведения и демонстрации НКЭ в условиях реализации конкретной методики изучения физического явления на уроке.
Для формирования базовых умений целесообразно использовать современный ноутбук, снабженный встроенной звуковой картой и готовым программным обеспечением, позволяющим применять компьютер в качестве генератора сигналов звуковой частоты и спектроанализатора [3, 5, 7].
Цель настоящего исследования:
1) разработать методику диагностики базовых умений натурного компьютерного эксперимента;
2) оценить сформированность этих умений у выпускников педагогического вуза;
3) определить время, необходимое руководителю для выполнения учебно-исследовательского проекта по физике.
Для достижения этой цели проведен педагогический эксперимент [4], в котором приняли участие 9 студентов 5-го курса факультета информатики, физики и математики Глазовского педагогического института. Они уже получили необходимую экспериментальную подготовку. Каждый из них на лабораторных занятиях по экспериментальной физике [1], состоявшихся за год до педагогического эксперимента, изготовил несколько электронных приборов, освоил и воспроизвел на компьютере программное обеспечение, собрал компьютерную экспериментальную установку и выполнил на ней серию учебных опытов. В рамках экзамена по экспериментальной физике каждый студент разработал и продемонстрировал модель внеурочного занятия, на котором использовались изготовленные приборы и выполненные опыты. Ничего нового в плане применения компьютера для постановки физических опытов до окончания института испытуемые студенты не получат, следовательно, их подготовленность характеризует уровень сформированности умений НКЭ выпускника педагогического вуза.
Для оценки сформированности умений НКЭ студентам было предложено изготовить электронный стробоскоп с компьютерным управлением вспышками [3, 5], обеспечивающий фотографирование траектории с временными метками движущегося тела [5]. Критерием сформированности базовых умений НКЭ будем считать ситуацию, в которой студент за ограниченное рамками учебного процесса время самостоятельно по имеющемуся описанию подготовил и выполнил НКЭ, пригодный для использования на уроке физики.
Педагогический эксперимент проходил в течение двух дней и занял четыре учебных занятия продолжительностью по два академических часа каждое. Все студенты работали строго индивидуально. Рассмотрим деятельность студентов на учебных занятиях.
На первом занятии каждый студент получает краткую инструкцию, включающую шесть заданий (первая колонка таблицы), и электронные компоненты для изготовления стробоскопа. Студенты, изучив принципиальную схему усилителя (рис. 1), разрабатывают в компьютерной программе Sprint-Layout 5.0 печатную плату (рис. 2). Распечатав готовый рисунок платы на глянцевой бумаге, с помощью утюга переводят его на фольгированный гетинакс, осуществляют травление платы в водном растворе хлорного железа. На этом же занятии студенты скачивают из интернета программу компьютерного генератора, требования к которой представлены на рис. 3.
На втором занятии студенты осуществляют пайку электронного стробоскопа (рис. 4) и проверку его работоспособности. У пяти студентов прибор сразу начал работать и не нуждался в налаживании. Для большинства студентов такие этапы работы, как перевод печатной платы на гетинакс, травление платы, пайка электронных компонентов не вызвали особых затруднений. Это относится и к работе с программой генератора звуковой частоты.
На третьем занятии студенты на цифровой фотоаппарат фотографируют указанное преподавателем движение (свободное падение тела, движение по окружности или колебания) силиконового шарика со светодиодом, подключенным к компьютерному стробоскопу. Сделав стробоскопическую фотографию (рис. 5), они определяют заданную преподавателем характеристику движения: находят ускорение шарика при свободном падении в поле тяжести, доказывают закон сохранения механической энергии при движении шарика по окружности или исследуют зависимость периода колебаний маятника от длины нити.
Содержание и результаты деятельности студентов
|
Содержание работы |
Продукт |
Результат, затруднения |
|
1 |
2 |
3 |
|
1. Принципиальная схема транзисторного усилителя импульсов. Изучите принципиальную схему усилителя, подберите необходимые для изготовления прибора детали |
Рис. 1. Принципиальная схема прибора |
Студенты (100 %) безошибочно определяют тип используемых радиодеталей (резистор, транзистор, светодиод и др.), владеют приемами определения их номиналов |
|
2. Изготовление усилителя. Нарисуйте монтажную схему, разработайте печатную плату, изготовьте плату, спаяйте усилитель. Светодиод соедините с прибором длинными гибкими проводами |
Рис. 2. Монтажная схема прибора |
Выпускники владеют приемами изготовления монтажных и печатных плат (22 %). Затруднения связаны с учетом цоколевки радиоэлементов, ее безопасного для прибора определения |
|
3. Программа генератора звуковой частоты. В интернете найдите, скачайте и установите на указанный преподавателем компьютер бесплатную программу генератора звуковой частоты, обеспечивающую получение напряжения частотой 20–200 Гц на выходе звуковой карты |
Рис. 3. Требования к программе |
Студенты умеют находить и скачивать свободное программное обеспечение, устанавливать его на компьютер, быстро осваивают приемы работы с ним (100 %). Треть выпускников тестирует и сравнивает несколько вариантов программ, выбирая оптимальный |
|
4. Подключение усилителя к компьютеру. Определите разводку аудиоштекера, использующегося для подсоединения к разъемам звуковой карты. Припаяйте вход усилителя к штекеру, подключите питание к усилителю, запустите программу генератора звуковой частоты и пронаблюдайте вспышки светодиода |
Рис. 4. Элементы экспериментальной установки |
Большинство студентов (56 %) безошибочно выполняют пайку прибора, его подключение к компьютеру и тестирование экспериментальной установки. Затруднения связаны с неумением пользоваться разъемами, ошибками или небрежностью, допущенными при сборке схемы, неверным включением питания прибора |
|
5. Проведение эксперимента. Установите определенную частоту вспышек и на фотографируемом поле расположите линейку. На цифровой фотоаппарат сфотографируйте движение силиконового шарика со светодиодом, подключенным к компьютерному стробоскопу. По фотографии определите заданную преподавателем характеристику движения |
Рис. 5. Свободное падение тела |
Никому не удается самостоятельно выполнить задание. Затруднения связаны с непониманием сущности стробоскопического фотографирования, неумением создать условия для фотографирования с нужной выдержкой. Значительные трудности вызывает применение имеющихся теоретических знаний и полученных при решении задач по механике навыков к анализу реального физического явления |
|
6. Фрагмент школьного урока. Продемонстрируйте разработанный фрагмент школьного урока с использованием изготовленного вами компьютерного стробоскопа |
Рис. 6. Демонстрация опыта на уроке |
Студенты обладают умениями демонстрации и объяснения опытов (33 %). Однако значительные трудности вызывает построение методики формирования понятий школьного курса физики на основе нового эксперимента |
На четвертом занятии на основе полученных результатов студенты разрабатывают фрагмент школьного урока (рис. 6) и демонстрируют его своим товарищам и преподавателю.
Результаты выполнения студентами заданий по изготовлению стробоскопа и разработке методики его использования на школьном уроке представлены во втором и третьем столбцах таблицы. Наименьшее время студенты потратили на изготовление монтажной платы и пайку электронных компонентов. Каждый без исключения студент испытывает радость и положительные эмоции, когда собранное им устройство начинает работать. Больше времени студентам потребовалось на разработку методики применения компьютерного стробоскопа на школьном уроке. Это говорит о сформированности у студентов умений изготовления электронных устройств и управления взаимодействием компьютера и электронного устройства. Умения постановки и применения НКЭ в учебном процессе развиты на более низком уровне. Это объясняется тем, что в этой работе студент не следует четким инструкциям, а должен проявить творческую активность и высокую степень самостоятельности.
Проведенный педагогический эксперимент показал, что выпускники педагогического вуза за ограниченное рамками учебного процесса время в состоянии изготовить по принципиальной схеме несложный электронный прибор, на его основе выполнить довольно трудный натурный компьютерный эксперимент и разработать методику использования эксперимента на школьном уроке. Поэтому базовые умения НКЭ испытуемых выпускников в целом можно считать сформированными, а готовность их к руководству ученическими проектами по физике достаточной.
Таким образом, предложенная в настоящей работе методика диагностики базовых умений натурного компьютерного эксперимента позволяет оценить готовность выпускников педагогического вуза к организации проектной деятельности по физике в массовой школе и определить время, необходимое учителю и учащимся для выполнения учебно-исследовательского проекта по физике. Эта методика помимо диагностических выполняет обучающие функции, поэтому может быть использована для обучения студентов на занятиях по экспериментальной физике и учителей физики на курсах повышения квалификации.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РГНФ в рамках проекта проведения научных исследований («Образовательные ресурсы как средство организации учебно-исследовательской проектной деятельности в массовой школе»), проект № 14-36-01015.
Рецензенты:
Казаринов А.С., д.п.н., профессор кафедры информатики, теории и методики обучения информатике, ФГБОУ ВПО «Глазовский государственный педагогический институт им. В.Г. Короленко», г. Глазов;
Сафонова Т.В., д.п.н., профессор кафедры педагогики, ФГБОУ ВПО «Глазовский государственный педагогический институт им. В.Г. Короленко», г. Глазов.
Работа поступила в редакцию 28.04.2014.