автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Комплексное использование информационных и коммуникационных технологий в преподавании физики в школе

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Ездов, Александр Анатольевич, 1999 год

ОГЛАВНЕНИЕ 1, ВВЕДЕНИЕ

2. ГЛАВА L ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ДИССЕРТАЦИИ. ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕЗУЛЬТАТОВ

2.1. психолого-шдагошческие требования, предъявляемые к компьютерному программному обеспечению

2.2. Моделирование в курсе физики

2.2.1. Классификация моделей

2.2.2. Модели в обучении физике

2.2.3. Компьютерное моделирование в курсе физики

2.3. Обзор программного обеспечения

2.3.1. Классификация компьютерных обучающих программ

2.3.2. Компьютерный учебник

2.3.3. Справочники, базы данных учебного назначения

2.3.4. Предметно-ориентированная среда

2.3.5. Лабораторный практикум

2.3.6. Тренажеры и контролирующие программы

2.4. Использование новых информационно-технологических инструментов при постановке реального эксперимента

2.4.1. Состав компьютерной лаборатории

2.4.2. Обзор компьютерных лабораторных комплексов.

2.5. Выводы по главе

3. ГЛАВА П. МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ФИЗИКИ

3.1. Моделирование

3.1.1. Технологические и методические аспекты компьютерного моделирования

3.1.2. Работа со знаковыми моделями

3.1.3. Визуальное конструирование моделей как способ представления мысленных моделей

3.2. Решение физических задач

3.2.1. Помощь в алгебраических преобразованиях

3.2.2. Организация проверки решения^

3.2.3. Решение задач с помощью моделирования

3.2.4. Групповая работа при решению задач

3.2.5. Заданные тренажеры, проверяющие системы

3.3. Общеучебные умения

3.3.1. Школьные письменные работы по физике. Значение и способы организации

3.3.2. Создание текстов с использованием ИКТ

3.3.3. Проблемы использования дополнительных источников информации при изучении механики

3.3.4. Реализация принципа наглядности с помощью мультимедиа технологий

3.3.5. Рефераты. Презентации работ

3.3.6. Использование видео для анализа эксперимента

3.3.7. Способы структуризации учебной информации

3.4. Проведение реального эксперимента

3.4.1. Преимущества компьютерного сбора и обработки экспериментальных данных

3.4.2. Виды организации экспериментальной деятельности при изучении физики

3.4.3. Построение учебной деятельности при проведении физического эксперимента с использованием ИКТ Ю

3.5. Выводы по главе: общая характеристика методики

4. ГЛАВА Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ И КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРЕПОДАВАНИИ ФИЗИКИ

4.1. Изучение и обобщения педагогического опыта московских школ-эксперименгальных площадок ■ 1.

4.1.1. Городской педагогический эксперимент

I 4.1.2. Направления педагогического эксперимента

4.1.3. Опыт московских школ - экспериментальных площадок. Анализ экспериментальной работы

4.2. Экспериментальная педагогическая деятельность в УВК «Измайлово»

4.2.1. Теоретическое обоснование выбора формирующего педагогического эксперимента

4.2.2. Оценка сформированности навыка интерпретации графиков при равномерном прямолинейном движении

4.3. Использование ИКТ инструментов в образовательном процессе в школах Республики

Саха (Якутия)

4.3.1. Опыт работы

4.3.2. Участие школ г. Якутска в телекоммуникационном проекте по виртуальному моделированию в среде Живая Физика

4.4. Выводы по главе

Введение диссертации по педагогике, на тему "Комплексное использование информационных и коммуникационных технологий в преподавании физики в школе"

Механика -- один из древнейших разделов физики, считающийся научно наиболее разработанным, имеющий глубокие традиции, а как учебный предмет достаточно сложный для восприятия учащимися. Несмотря на то, что большинство механических явлений легко демонстрируемы, решение основной задачи механики (ОЗМ) - определение положения тела в любой момент времени в большинстве конкретных ситуаций представляет для школьников серьезную, порой непреодолимую проблему.

Трудности, возникающие у школьников при изучении механики, молено разделить на две группы: связанные с философским пониманием природы движения (например, при сравнении аристотелевской и галилеевской теорий возникновения движения, большинство учащихся занимают позицию Аристотеля); © связанные с владением математическим аппаратом и умением его активно применять.

Все основные понятия курса физики 9 класса в математическом виде занимают не более одной страницы -формул. В тоже время, в силу исторических причин, изучение механики в школе, более чем изучение других разделов физики, состоит в рассмотрении частных, достаточно специальных случаев общей теории. Движение тела под действием силы тяжести рассматривается отдельно для вертикально и горизонтально направленной скорости бросания. © Движение тела под действием нескольких сил изучается в школьном курсе в следующих вариациях: движение под действием одной, двух, трех и т.д. сил © движение для различных геометрических положений: вертикальное, горизонтальное, под наклоном к горизонту, по окружности.

При решении школьных задач по динамике применение физических знаний заканчивается чертежом с обозначением всех действующих на тело сил, выбором системы отсчета и записью закона движения в векторном виде. Далее школьнику необходимо произвести целый ряд математических операций: найти проекции векторов на оси, решить несколько треугольников, составить систему линейных и нелинейных уравнений, выразить неизвестные величины через известные, решить полученную систему и пр. Практика показывает, что очень часто ученики не могут справиться именно со вторым этапом - математическим.

Проблемой для овладения остаются: © умения работы с графической информацией, в частности, построение, чтение и анализ графиков функций первой и второй степеней, необходимых для изучения кинематики прямолинейного равномерного и равноускоренного видов движений; о умение производить операции над векторами.

Перечисленные операции используются уже с первых уроков изучения кинематики и являются доминирующими при решении задач по динамике.

В результате ОЗМ, как физическая задача и главная цель курса механики, в сознании школьников теряется за математическими вычислениями, что влечет непонимание физического материала.

Несмотря на всю сложность курса 9 класса, изучаемые в нем вопросы далеки от современных научных достижений (не обсуждаются, например, проблемы хаотических детерминированных систем, «странных» аттракторов и т.д.). Кроме того они абстрактны по отношению к физическим явлениям, происходящим в жизни: в воздушном пространстве тела не двигаются по параболе, ускорение тела при падении зависит от массы и т.д. Каждый шаг приближения идеальной модели к реальной связан с необходимостью привлег( чения качественно иного математического аппарата (интегрального и дифференциального счислений).

Найти выход из этого положения можно, перепоручив компьютеру решение дифференциальных уравнений и прочие сложные математических операции и вычисления. Современные информационно-технологические инструменты позволяют школьнику, используя простой интерфейс, задать начальные условия практически любой физической модели. Мощный анимационно-вычислительный аппарат компьютера приведет на экране эту модель в действие. Надежные и высокоточные компьютерные датчики позволяют зарегистрировать самые тонкие физические явления, а компьютерная программа сама обработает результаты эксперимента, построит график и произведет аппроксимацию данных.

Использование информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в преподавании дало новые возможности для организации самостоятельной работы учащихся. Акценты с заучивания информации смещаются на ее поиск, переработку, анализ и представление. Простота использования ИКТ позволяет с одной стороны индивидуализировать обучение, а с другой - сделать межличностные коммуникации важной частью учебного процесса.

Использование ИКТ повышает эффективность учебной деятельности за счет обеспечения больших возможностей для ее активных форм, предоставления большей самостоятельности учащимся, усиления мотивации.

Массово используемая технология дешевеет с каждым днем: компьютеры, программное обеспечение, компьютерная периферия экономически становятся доступны школе. Сегодня уже примерно в половине московских школ имеются современные компьютеры. Московское правительство выделяет каждый год средства на целенаправленные закупки для школ Москвы образовательного компьютерного программного обеспечения, компьютерных приборов для проведения естественнонаучного эксперимента и т.п. Количество школ, использующих ИКТ в образовательном процессе, постоянно увеличивается.

При этом принципиальную важность приобретает вопрос об оптимальных способах применения информационных и коммуникационных инструментов, в частности, в преподавании механики.

Учитель физики, решивший использовать в своей педагогической практике новые информационные технологии, оказывается перед достаточно большим списком программного обеспечения общего и образовательного назначения, видами компьютерных лабораторий и другого нового оборудования. Как известно, специфика компьютерной индустрии такова, что новые версии программных продуктов появляются примерно раз в год. Проблема подбора необходимого с точки зрения методики преподавания программного обеспечения становится сложной, требующей большого количества времени и специальных знаний.

С каждым новым компьютерным продуктом, безусловно, появляется документация, описывающая способы работы с ним. Сегодня в литературе описаны опыты использования конкретных образовательных продуктов (в том числе и по механике). Некоторые из них будут рассмотрены в первой главе данной работы. Однако, все еще отсутствует описание общей модели использования различных типов ИКТ в образовательном процессе и в изучении механики, в частности (с точки зрения технологических инструментов и методики преподавания). Учителю такое описания нужно для оперативного выбора необходимого средства реализации целей урока с точки зрения дидактической значимости, для построения той модели урока, которая по его мнению максимально соответствует этой теме, этому классу, этому ученику. Однако, на сегодня в практике преподавания физике в школе не используется потенциал ИКТ. Исходя из вышеизложенного становится актуальной проблема создания комплексной методики использования ИКТ в о бучении, физике.

Объектом данного исследования является процесс активного самостоятельного (при поддержке и помощи учителя) обучения.

Предмет исследования - методика организации самостоятельного обучения физике с использованием ИКТ.

Идея исследования - комплексное использование ИКТ в преподавании физики позволит облегчить организацию самостоятельного получения знаний учащимися, повысит степень самостоятельности обучения, усилив побудительные мотивы к проведению поиска, обработки и анализа физической информации.

Создание методики комплексного использования ИКТ при организации самостоятельной учебной деятельности школьников на уроках физики является целью данного исследования. В процессе его проведения предполагается решить следующие задачи: изучить описанный в литературе опыт использования ИКТ в преподавании физики и, особенно, механики; © проанализировать опыт учителей, использующих ИКТ в московских школах, школах России и за рубежом; © изучить наиболее известные компьютерные образовательные программные продукты и виды лабораторных компьютерных комплексов; • выявить основные способы использования ИКТ для изучения физики и взаимосвязь этих способов; ® классифицировать виды учебной деятельности, возникающие при использовании ИКТ; описать примеры проектной деятельности учащихся, в которых использование различных видов ИКТ наиболее эффективно; экспериментально проверить разработанную методику.

Для получения информации и проведения педагогического исследования использовались следующие методы: анализ литературы и источников Интернет по проблеме исследования; © анализ компьютерного обеспечения образовательного и общего назначения, компьютерных лабораторных комплексов;

• непосредственное внедрение ИКТ в учебный процесс, разработка и выбор наиболее эффективных приемов их использования;

• разработка и опробация проектов и лабораторных работ с использованием ИКТ; обсуждение промежуточных результатов исследования на научно-методических семинарах, педагогических советах, конференциях и заседаниях Московского городского клуба учителей «Технология» Института новых технологий образования (ИНТ); ® научно-методическая работа с учителями, администрацией школ и органов образования в рамках московских экспериментальных площадок по темам: «Образовательная область Технологии», «Москвоведение», «Вхождение школы в мировое образовательное пространство»; © проведение формирующего педагогического эксперимента; © проведение курсов повышения квалификации работников образования в Москве и других регионах России.

Научная новизна исследования и теоретическая значимость состоят в следующем: создана методика организации самостоятельной учебной деятельности школьников с использованием ИКТ на примере изучения механики в 7 и 9 классах средней общеобразовательной школы и школ с углубленным изучением предметной области «Естествознание». А именно: выявлены основные виды учебной деятельности при работе с электронными носителями информации, обоснован исследовательский характер их применения; предложена общая модель использования компьютерных физических датчиков в школьном лабораторном и полевом экспериментах в рамках изучения механики; проведена методическая разработка способов использования конструктивных элементов на уроках физики; предложены способы структуризации учебной информации учащимися на уроках физики с использованием технологии гипермедиа. Практическая значимость исследования состоит в следующем: выполнен и сделан доступным для школьных учителей обзор наиболее популярных учебных компьютерных продуктов по физике и, в частности, по механике; предложен ряд нестандартных приемов учебной деятельности на уроках физики при работе с текстовым редактором, снижающих нагрузку учащихся; изучены и описаны с учетом требований методики преподавания физики известные в мире и России компьютерные естественнонаучные лабораторные комплексы; разработана серия лабораторных работ по механике с использованием оснащенного компьютерными датчиками поля, а также работ по конструированию и проведению физического эксперимента с помощью технологических компьютерных конструкторов; описаны способы использования аналитического калькулятора для графических представления и интерпретации механических явлений в курсе средней школы.

Апробация исследования осуществлялась на конференции соросовских учителей г. Москвы, посвященной демонстрационному эксперименту (04.1998); второй Международной конференции по технологическому образованию, Новгород (01.1998); конференции «Информационные технологии в образовании 98/99», Москва (11.1998); конференции учителей технологии «Гипермедиа технологии в образовании», Екатеринбург (05.1998).

За разработку и практическую реализацию целостной концепции «Информационное образовательное пространства региона» (под руководством А.Л.Семенова) была получена премия Президента Российской Федерации в области образования за 1997 год.

Результаты исследования опубликованы в следующих работах.

1.А.А'.Ездов В.А.Ильин Е.Б.Петрова. Изучение хаотических колебаний в лабораторном практикуме. // Преподавание физики в высшей школе. N1. М:, 1994. -С. 40-52.

2.В.Е.Гершензон А.А.Ездов В.А.Ильин Д.Ю.Камнев Е.Б.Петрова. Автоматизация лабораторных работ физического практикума с помощью персональных компьютеров системы APPLE-II //.Преподавание физики в высшей школе N1,M., 1994 - С.28-33.

3.В.Е.Гершензон А.А.Ездов Д.Ю. Камнев М.Я.Кулакова. Использование устройства "TRAVERS" в лабораторном практикуме. // Преподавание физики в высшей школе N2 М., 1995.-С. 45-53.

4.А.А.Ездов. Лабораторные работы по физике с использованием компьютерных моделей. Информатика и образование N 1 М., 1996. - С.58-60.

З.А.А.Ездов Е.Н. Хохлова. Уроки ИВТ- в помощь физике и математике. // Преподавание физики в высшей школе N5, М,, 1996. - С. 36-51 б.А.А.Ездов Новые технологии проведения школьного естественнонаучного эксперимента. Информатика и образование. №4 М., 1998. - С. 13-16.

На защиту выносятся:

1.Методика организации видов учебной деятельности учащихся при изучении физики, инвариантная относительно конкретных учебных сред, базирующаяся на использовании информационных и коммуникационных технологий. Методика содержит описание видов учебной деятельности учащихся, взаимосвязь этих видов и способы их организации при: компьютерном моделировании, подготовке и проведении реального физического эксперимента, используя компьютерные лаборатории, использовании видео технологии для получения количественных результатов физического эксперимента.

2.Методика формирования общеучебных умений и достижения межпредметных целей в рамках изучения физики с использованием ИКТ.

Структура и содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем работы составляет 175 страниц, из них основного текста 164 страницы, 10 рисунков, 5 таблиц и 5 приложений общим объемом на 12 страниц. Список используемой литературы включает 90 наименований.

Заключение диссертации научная статья по теме "Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)"

4.4. Выводы по главе

В приведенной ниже таблице собраны основные характеристики трех направлений экспериментального обоснования: время и место проведения, указано количество участников, использованные методы и полученные результаты.

5. Заключение

В результате проведенного исследования достигнуты следующие результаты:

1 .Выполнен анализ существующих работ и результатов их применения в учебном процессе в области комплексного использования информационных и коммуникационных технологий в преподавании механики, который показал, что в современном образовании, накоплен значительный опыт эффективного использования их в учебном процессе.

2.Проведено сравнение существующих компьютерных естественнонаучных лабораторий, составлены их методические характеристики.

3.Построена инвариантная относительно конкретных учебных сред классификация видов учебной деятельности в курсе механики, базирующаяся на использовании информационных и коммуникационных технологий.

4.Описаны методики формирования общеучебных умений и достижения межпредметных целей в рамках курса физики с использованием ИКТ.

5.Проведены анализ и обобщение педагогического опыта, на основании которых создана классификация видов самостоятельной учебной деятельности школьников при изучении физики, используя ИКТ.

6.Показана педагогическая целесообразность разработанной методики использования ИКТ для организации самостоятельной деятельности школьников при обучении физике.

7.В рамках программы «Сеть Президентских школ» Республики Саха (Якутия) проведены курсы повышения квалификации работников образования по обучению использования ИКТ в преподавании физики

8.Проведены курсы для учителей по информационным технологиям и естественнонаучным дисциплинам города Екатеринбурга.

Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие выводы в соответствии с целью и идеей исследования:

1. Комплексное использование информационных и коммуникационных технологий позволяет облегчить организацию самостоятельного получения знаний учащимися.

2. Использование полученной методики формирует у школьников умения проводить физические исследования и самостоятельно осуществлять поиск, обработку, анализ и представление учебных знаний.

Для активного внедрения предложенной методики комплексного использования информационных и коммуникационных технологий в преподавание физики необходимо создать курс подготовки учителей. Для этого в рамках продолжения начатого исследования должно быть разработано содержание курсов повышения квалификации работников образования и специализированных курсов для студентов педагогических ВУЗов.

Список литературы диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Ездов, Александр Анатольевич, Москва

1. Агапова О.И., Кривошеев А.О. Ушаков А.С. О трех поколениях компьютерных технологий обучения. // Информатика и образование. 1994. № 2. с. 3440.

2. Анофрикова С.В. Не учить самостоятельности, а создавать условия для ее проявления./Физика в школе №3 1995г.

3. Анциферов Л.И. Использование управляющей функции ЭВМ в физическом эксперименте. Использование физического эксперимента и ЭВТ в учебном процессе: Сб. научных статей, Свердловск, 1987г. 112с.

4. Бем А.Я., Коржавина О.А. Применение ЭВМ в лабораторном практикуме по общей физике.(6) Использование физического эксперимента и ЭВТ в учебном процессе: Сб. научных статей, Свердловск, 1987г. 112с.

5. Беспалов А.Г., Ботунов И.И., Ватулкина Н.А. и др. Использование вычислительной техники в учебном процессе. Тезисы докладов научной конференции. ВГПИ 1989г.

6. Борк.А. Компьютеры в обучении: чему учит история // Информатика и образование. 1990. № 5. с. 110-118.

7. Бордовский Г.А., Извозчиков В.А., Слуцкий A.M., Тумалева Е.А. Электронно-коммуникативные средства, системы и технологии обучения. СПб.: Образование, 1995, 240 с.

8. Бугаев А.И. "Методика преподавания физики в средней школе", М., Просвещение, 1981. 288с.

9. Буклин П.С., Волков Б.И. и др. "ЭВМ в курсе общей физики", МГУ, 1982. 230с.

10. Бурсиан Э.В. "Задачи по физике для компьютера", М., Просвещение, 1991. 255с.

11. Вильяме Р., Маклин К. Компьютеры в школе. М.: Прогресс. 1988, 335 с.

12. Гадолина И.В., Константинова Т.Д., Пудиков А.Д. и др. Использование естественнонаучных дисков CD-ROM в образовательном процессе.(10) ИНФО №5 1995 год.

13. Гайтамиров A.M. Использование компьютера при изучении физики на факультативных занятиях. Материалы конференции "Образование-94". Москва. 5-7 июля 1994 г. с.24.1.16

14. Гершензон В.Е. Ездов А.А. Ильин В.А. Камнев Д.Ю. Петрова Е.Б. "Использование ПК системы APPLE II в физическом практикуме педагогического института". Сб. "Активные формы и методы обучения в ВУЗе ": Рязань, 1994г. С. 45-49

15. Гершензон В.Е. Ездов А. А. Ильин В.А. Камнев Д.Ю. ПетроваЕ.Б. "Автоматизация лабораторных работ физического практикума с помощью персональных компьютеров системы APPLE-II" Сб. "Преподавание физики в высшей школе" N1, Москва 1994. С. 28-33

16. Гершензон В.Е. Ездов А.А. Камнев Д.Ю. Кулакова М.Я. "Использование устройства "TRAVERS" в лабораторном практикуме" .Сб." Преподавание физики в высшей nmxne"N2 Москва 1995.С. 45-53

17. Голицина И.Н. Информационно-обучающая система как средство интеграции физики и астрономии в средней школе. Материалы IV Международной конференции "Применение новых компьютерных технологий в образовании". Троицк. 24-26 июня 1993 г. с.35-36.

18. ГребеневИ.В. Применение ЭВМ в процессе преподавания физики в спедней школе: учебное пособие, Нижний Новгород, ННГУ,1995. 73с.

19. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: в 2-х частях. Часть 1, М., Мир, 1990. 349с.

20. Ездов А.А. Ильин В.А. Камнев Д.Ю. Петрова Е.Б. "Использование ПК в лабораторной работе по изучению особенностей электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне волн.//Известия ВУЗов. Физика. N8. 1994. С. 112-11624

21. Ездов А.А. Уроки ИВТ- в помощь физике и математике. // Информатика и образование 1996. N 1. М. С. 58-60

22. Ездов А.А. Хохлова Е.Н. Уроки ИВТ- в помощь физике и математике. // Преподавание физики в средней школе. 1996. N5 М. С.36-51

23. Живая Физика. Справочное пособие. М.:ИНТ, 1997.-153с.

24. Занков JI.B. Избранные педагогические труды, М., «Просвещение», 1990г. С. 83-154 .

25. Захаров В.А. ЭВМ в учебном процессе, с. 10-11. Компьютеризация учебного процесса путь активизации учебно-познавательной деятельности студентов. Тезисы докладов научно-методической конференции. Омск. 1990.

26. Зыкин О.Г., Касимов И.Х., Любимов К.В. Обучающая программа "Повторим кинематику". Материалы IV Международной конференции "Применение новых компьютерных технологий в образовании". Троицк. 24-26 июня 1993 г. с.46-47.

27. Иванов В.В., Полунин В.Н., Сидорцов И.Г. и др. Пакет программ поддержки лабораторного практикума по физике. Материалы IV Международной конференции "Применение новых компьютерных технологий в образовании". Троицк. 24-26 июня 1993 г. с.49.

28. Извозчиков В. А., Мартынов В.П. Применение ЭВМ в эксперименте при обучении физике. Использование физического эксперимента и ЭВТ в учебном процессе: Сб. научных статей, Свердловск, 1987. 112с.

29. Извозчиков В.А., Ревунов А.Д. "ЭВТ на уроках физики в средней школе", М., Просвещение, 1988. 238с.

30. Каменецкий С.Е., Солодухин Н.А. "Модели и аналогии в курсе физики средней школы", М., Просвещение, 1982. 96с.

31. Карьер И. Программированное обучение и обучение с помощью компьютера. 15-16 с. Проблемы программированного обучения. Материалы первой советско-французского семинара, (под ред. Талызиной Н.Ф.) МГУ. 1973. 130с.

32. Кинелев. Образование и цивилизация. Доклад на пленарном заседании II Международного конгресса «Образование и информатика».// Информатика и образование №5 1996