Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ

Девяткин Е.М. 1
1 Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета
Анализ практического использования электронных средств обучения в учебном процессе при изучении физики показал, что они обладают большими дидактическими возможностями. Результатами использования электронных ресурсов по физике является активизация работы учащихся в связи с увеличением числа способов предъявления учебного материала. В статье рассматриваются критерии и свойства, которыми должны обладать электронные интерактивные ресурсы по физике. Обозначены многочисленные преимущества использования электронных образовательных ресурсов по физике по сравнению с традиционными средствами обучения. Показано, что использование технологии Flash совместно с системой управления обучением Moodle позволяет создать электронные образовательные ресурсы по физике, отвечающие этим критериям и обладающие большинством из необходимых свойств. Описанная в работе технология может применяться при организации электронного обучения физике. Рассмотрено несколько созданных электронных образовательных ресурсов, прошедших апробацию и успешно применяемых во многих учебных заведениях России и ближнего зарубежья, использующих приведенную в статье технологию.
электронное обучение
технология Flash
система управления обучением Moodle
электронный эксперимент по физике
компьютерное моделирование
1. Смирнов А.В. Новый курс «Информационные и коммуникационные технологии в физическом образовании» в системе подготовки бакалавров в педвузах / А.В. Смирнов, Н.В. Калачев, С.А. Смирнов // Физическое образование в вузах. – 2014. – Т. 20, № 3. – С. 20–27.
2. Чиганова Н.В. Технологии разработки электронно-образовательных ресурсов / Н.В. Чиганова, С.Л. Хасанова, Е.М. Девяткин // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 10–1. – С. 108–113.
3. Девяткин Е.М., Хасанова С.Л., Чиганова Н.В. Комплекс электронных лабораторных установок по общей физике // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 4. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=24956 (дата обращения: 21.11.2017).
4. Дмитриев В.Л. Применение облачных технологий, экспертных систем и принципа игрофикации при организации электронного обучения / В.Л. Дмитриев, Р.Х. Каримов // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 12–3. – С. 413–416.
5. Дмитриев В.Л. Организация электронного обучения на авторской образовательной платформе «облачная школа» / В.Л. Дмитриев, Р.Х. Каримов // Информатика и образование. – 2016. – № 4(273). – С. 25–28.
6. Каримов Р.Х. Использование принципа игрофикации при организации электронного обучения / Р.Х. Каримов // Электронное обучение в непрерывном образовании. – 2015. – Т. 1, № 1(2). – С. 68–72.
7. Гурский Д. Action Script 2.0: программирование во Flash MX 2004. Для профессионалов / Д. Гурский. – СПб.: Питер, 2004. – 1088 с.
8. Виртуальные лабораторные работы по физике [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mediadidaktika.ru/course/view.php?id=20 (дата обращения: 21.11.17).

Использование электронных интерактивных технологий в обучении с использованием разработанных программных средств, моделирующих физические процессы, решает задачи по организации диалога с образовательной средой и помогает учащемуся вникнуть в суть поставленных перед ним физических задач. Во время этого виртуального общения учащиеся учатся решать нетривиальные задачи на основе анализа получаемой информации, критически мыслить, принимать глубоко продуманные решения [1].

Применение виртуальных интерактивных средств обучения также создает условия для видов учебной деятельности, связанных с работой с массивами информации. Этими видами деятельности являются: фиксация, накопление, хранение, обработка данных об изучаемых объектах с использованием известных физических законов, оценка достоверности полученной информации, передача информации, управление моделями физических объектов, явлений и процессов с помощью возможностей, заложенных в них программными средствами.

Электронные интерактивные средства обучения – это средства обучения, использование которых обеспечивает создание доверительного общения между участниками учебного процесса и техническими средствами обучения в режиме реального времени. Анализ практического использования в учебном процессе при изучении физики интерактивных средств обучения показал, что они обладают большими дидактическими возможностями. Результатами их использования является активизация работы учащихся в связи с увеличением числа способов предъявления учебного материала. Включение в процесс обучения виртуальных физических демонстраций и интерактивных лабораторных работ, электронных презентаций и видеоматериалов, компьютерных анимаций и статичных изображений обеспечивает улучшенное восприятие учебной информации учащимися [2].

При использовании в учебном процессе электронных средств обучения повышается мотивация учащихся к учебно-познавательной деятельности, и преподаватель получает возможность изменения форм учебного взаимодействия с учащимися, управлять самостоятельной деятельностью при выполнении заданий, проводить индивидуализацию обучения, учитывая персональные возможности учеников. Наиболее важным этапом образовательного процесса является проведение физического эксперимента, обеспечивающего создание и методологию познавательной деятельности, формирование творческого подхода, направленного на получение знаний [3]. При использовании традиционных форм обучения такая возможность может быть реализована в результате выполнения комплекса лабораторных работ или же занятий практического характера.

Можно выделить следующие преимущества электронных обучающих ресурсов по физике: могут быть использованы в качестве тренажера для подготовки к выполнению реальных экспериментов, лабораторных работ и демонстраций по физике; могут заменить реальные лабораторные работы и демонстрации при отсутствии соответствующих приборов или их поломке; отсутствует привязка к конкретному оборудованию с единичным набором параметров, возможность использования широкого спектра значений физических величин; возможность размещения в сети Интернет и доступа к ним неограниченного числа пользователей; имеют интуитивно понятный интерфейс, использование технологии Drag-and-Drop; работают в режиме реального времени, позволяют производить масштабирование пространства и времени (рассматривать процессы микро- и макромира); позволяют выполнять эксперименты, которые в реальных учебных условиях являются недоступными; возможность параллельно выполнению лабораторных работ строить неограниченное число графиков функций различных зависимостей переменных эксперимента; возможность построения обратных задач по количеству переменных физической модели; возможность использования в дистанционном образовании при помощи, например, всемирно известной системой управления обучением LMS Moodle, обладающей громадными возможностями по организации электронного обучения, или образовательной платформы «облачная школа» [4–5]; стоимость приобретения и использования виртуальных лабораторных работ на несколько порядков меньше, чем приборов и принадлежностей для реальных физических установок.

Эффективность учебного эффекта зависит от определенных свойств обучающей виртуальной среды. Самыми важными свойствами, которые нужно учитывать при проектировании виртуальных учебных сред, являются следующие из них.

Избыточность отображает многообразие возможностей работы с виртуальной средой, позволяет обеспечить многогранность отношений с ней, так же как и с реальной физической окружающей средой, в которой выполняются законы и закономерности. Например, тело, лишенное опоры или подвеса, падает под действием силы тяжести.

Доступность наблюдению заключается в том, что процессы, не обнаруживаемые с помощью органов чувств, могут присутствовать в физической реальности. Наблюдатель с помощь свойств виртуальной учебной среды может рассматривать процессы как микромира, так и макромира с соответствующими процедурами масштабирования пространства и времени.

Доступность когнитивному опыту субъекта вызывает в субъективном мире представление в форме действительности. Доступность обучающей среды предусматривает определенную степень готовности субъекта к включению в среду, может предусматривать контакты человека со средой, которая соответствует возможностям познавательной деятельности с ней.

Насыщенность обучающей среды проявляется в наличии в ней учебных ресурсов, связанных с включением ученика в многогранный искусственный или естественный мир учебной деятельности. Включает механизм различений, обеспечивает многовариантность отношений, широкий спектр дидактических воздействий.

Пластичность дает возможность виртуальной среде работать в рамках реальных физических моделей, а параметрам процессам и явлений – принимать значения, которые при использовании их граничных значений не выводят систему за границы пределов измерений приборов или получать результаты соответствующие реальной действительности.

Автономность существования виртуальной обучающей среды обеспечивается ее доступностью при наличии минимально необходимых для ее функционирования ресурсов: компьютера, планшета или смартфона, подключенного к сети Интернет.

Синхронизированность среды определяет наличие индивидуальных темпоральных свойств, связанных с процессами модификации опыта ученика и проявляется в когерентности учебного эффекта. Это свойство среды тесно связано с проблемами восприятия времени и масштабом среды и потому является принципиальным для анализа дистанционных сред, которые являются, как известно, асинхронными и иногда специфически масштабируемыми.

Векторность определяет интегральное свойство среды вызывать направленность учебного эффекта в определенном спектре задач. Целостность характеризует единство и взаимосвязь природы среды со свойствами субъекта, проявляется в константе восприятия человека, который конструирует и конституирует среду как мир обучающей деятельности.

Мотивогенность характеризует возможности и механизмы воздействия на мотивационную сферу субъекта, моделируя его активность, погружая его в учебную деятельность. Это свойство виртуальных сред обеспечивается контентом среды, сюжетной линией и ролевым поведением ученика, которая в большей степени определяется спецификой личного опыта, новизной и необычностью материала, эмоциональной оценкой, значимостью для субъекта.

Иммерсивность является одним из самых важных свойств виртуальной обучающей среды, которое создает эффект присутствия или погружения в нее. Важным вопросом изучения является та грань, при которой стираются различия между виртуальной средой и материальным миром. Иммерсивность отображает возможности по привлечению субъекта учебного процесса к системе отношений, определенной содержанием среды. Обеспечивает психическое состояние учащегося, в котором он как субъект образовательного процесса воспринимает себя включенным в процесс обучения, взаимодействующим с определенной средой, которая обеспечивает ему постоянный поток стимулов и опыта. В свою очередь ученик может погрузиться в виртуальную среду, используя для этого внутренние механизмы. Поэтому учебу можно рассматривать как погружение в диалоговый опыт, который создается искусственной или естественной обучающей средой. Умение учиться – это умение ученика погрузиться в среду и действовать в ней, при отсутствии внешнего отвлекающего от процессов выполнения учебных заданий действия. Для достижения высокой степени иммерсивности используются так называемые системы виртуальной реальности.

Интерактивность является свойством виртуальной среды иметь возможность с помощью различных способов изменять или выбирать параметры входящих в систему физических тел, процессов и явлений и управлять ходом эксперимента с помощью имеющихся инструментов системы. Игрофикация обучающей среды заключается во внедрении игровых механик. Использование элементов игрофикации увлекает и мотивирует обучающихся к получению новых знаний [6].

Указанные свойства отображают особенности функционирования виртуальной обучающей среды как самоорганизующейся системы. В среде осуществляется совместная деятельность двух или больше систем, одна из которых является аутопоэтичной, то есть обеспечивает круговую рекурсивную организацию процессов сохранения собственных компонентов. Аутопоэтичные системы в теории конструктивизма являются такими, что сами себя поддерживают и сами себя воссоздают. Они характеризуются информационной и операционной замкнутостью и физической открытостью. С другой стороны, информационная замкнутость свидетельствует о том, что аутопоэтичная система является выборочной относительно информации, которая поступает извне, пропуская к зоне активности только ту информацию, которая не может навредить осуществлению циклов самовоспроизведения системы.

При создании электронных образовательных ресурсов по физике наибольшую сложность представляет разработка контента, моделирующего реальные физические модели. Для организации электронного обучения физике в работе использовалась технология Flash [7] совместно с системой управления обучением Moodle. Отличительной особенностью технологии Flash является гармоничное сочетание достаточно мощного графического редактора обладающего возможностями растрового и векторного проектирования изображений и встроенного языка объектно-ориентированного программирования Action Script. В созданных работах реализованы эффективные алгоритмы по управлению временными характеристиками физических процессов, позволяющие их запускать, приостанавливать на произвольное время и приводить к начальному состоянию. Для этих целей используются кнопки «Пуск», «Пауза» и «Стоп». Для задания параметров физических процессов используется инструмент NumericStepper. Для выбора одного параметра из нескольких используется компонента RadioButton. Для выбора нескольких параметров одновременно используется компонента CheckBox. Выполняемые процессы могут сопровождаться звуками с помощью имеющихся встроенных функций языка программирования. Для перемещения объектов по платформе электронной работы используется также широко известная технология Drag-and-Drop, позволяющая помещать клипы на требуемое поле в пределах установленных ограничений.

На рис. 1 представлена виртуальная интерактивная лабораторная работа «Определение ускорения свободного падения на телах Солнечной системы при помощи машины Атвуда». При отсутствии в лаборатории созданной в заводских условиях машины Атвуда она достаточно легко может быть реализована в условиях школьного кабинета физики. Для этого необходимы лишь блок, нить, набор грузов и секундомер. Проблемы начинаются при выполнении работы, так как время движения грузов должно быть измерено с большой точностью, порядка сотых долей секунды, что возможно только с использованием электронного блока с секундомером, подключенным к фотодатчику. С помощью использования ручного секундомера точность измерения времени оказывается на порядок хуже. Поэтому возникают большие погрешности измерений и неправдоподобные результаты. В данной виртуальной установке точность измерения времени составляет тысячную долю секунды. Причем таймер времени останавливается автоматически после прохождения грузами заданного пути. Отличительной особенностью установки является возможность ее воображаемого переноса на одно из тел Солнечной системы и нахождения ускорения свободного падения на нем.

На рис. 2 представлена электронная интерактивная работа «Определение скорости пули при помощи пружинного маятника. Неупругий удар». Основными объектами установки являются пружинный маятник, находящийся на идеально гладкой плоскости, и пуля, вылетающая из пистолета с неизвестной скоростью. После выстрела пуля испытывает неупругий удар с телом пружинного маятника, т.е. застревает в нем. В результате маятник начинает совершать гармонические колебания с амплитудой, которая определяется перемещающейся горизонтальной линейкой. Используя таймер времени, можно легко определить период колебаний и, соответственно, найти максимальные скорость и ускорение тела пружинного маятника. Установка также реализована с использованием технологии Flash.

dev1.tif

Рис. 1. Виртуальная интерактивная работа «Определение ускорения свободного падения на телах Солнечной системы при помощи машины Атвуда»

dev2.tif

Рис. 2. Электронная интерактивная работа «Определение скорости пули при помощи пружинного маятника. Неупругий удар»

dev3.tif

Рис. 3. Электронная интерактивная работа «Изучение движения электрона в магнитном поле»

На рис. 3 представлена созданная в программе Macromedia Flash виртуальная интерактивная работа моделирующая движение электрона в магнитном поле. Запуск электрона в магнитное поле осуществляется с помощью кнопки «Пуск». Предварительно с помощью соответствующего элемента на панели управления устанавливается значение магнитной индукции магнитного поля. Электрон влетает в магнитное поле под прямым углом, следовательно, траекторией его движения является окружность. Радиус окружности, по которой движется электрон, можно измерить с помощью перемещающихся вертикальной или горизонтальной линеек. Период обращения электрона определяется с помощью таймера времени. Для удобства наблюдения процесса движения электрона время замедляется в миллиард раз, т.е. таймер времени показывает значение времени в наносекундах. По измеренным параметрам можно легко рассчитать скорость электрона, влетевшего в магнитное поле. На базе данной установки можно решить обратную задачу, в которой известна скорость электрона и неизвестно значение индукции магнитного поля.

С помощью приведенной технологии можно создать бесконечное множество различных моделей, большинство из которых направлены на развитие у учеников умений и навыков. Другие помогают изучать физические явления, протекание которых в имеющихся в лаборатории условиях невозможно и позволяют получить результаты, которые находятся в полном соответствии с известными законами физики.

Описанная технология прошла многократное тестирование при организации электронного обучения физике. Создан учебный ресурс на базе LMS Moodle посвященный виртуальным моделям по физике, использующий возможности этой системы управления обучением [8]. К необходимым условиям использования электронных ресурсов данного типа относится наличие установленных на компьютере произвольного Web-Browser и Flash Player версии 8.0 или выше. Работа выполнена при поддержке гранта Стерлитамакского филиала БашГУ В17-79 «Разработка виртуальных учебных лабораторий и экспериментальных установок для средней общеобразовательной школы».


Библиографическая ссылка

Девяткин Е.М. ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 1. – С. 77-82;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36896 (дата обращения: 03.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074