4. Урок с применением компьютеров

Информационная технология обучения, основанная на применении современной передовой техники - компьютеров, позволяет по-новому решить многие педагогические задачи. В частности, в настоящее время разработано достаточно обучающих программ, позволяющих в концентрированной форме изучать и повторять материал по теме в темпе, который каждый ученик сам подбирает для себя в соответствии с индивидуальными особенностями и потребностями. Другие программы позволяют моделировать опыты, постановка которых в школе невозможна вследствие их сложности, например по атомной физике. Эти уроки - отражение весьма активного процесса компьютеризации экономики и всех сфер нашей жизни. Уроки этого типа привлекают учащихся, работа на компьютерах создает у них положительный эмоциональный настрой к учебе. Приводим описание трех уроков.

Урок, посвященный изучению движения тела по наклонной плоскости. Рассказывает о нем его автор- доцент РГПУ им. А. И. Герцена В. В. Лаптев (Санкт-Петербург).

Для урока используют две записанные на гибком магнитном диске или магнитофонной кассете компьютерные программы: <Динамика движения тела на наклонной плоскости> и <Кинематическая модель движения по наклонной плоскости и ее динамические характеристики>. Программы загружаю в компьютеры учащихся.

После объявления цели урока начинается работа с первой программой. Учащиеся анализируют силы, действующие на тело, лежащее на горизонтальной поверхности. Запустив программу, они с экранов дисплеев получают указания-запросы на ввод начальных условий эксперимента. Первый вопрос сформулирован так: <Угол наклона плоскости к горизонту ? (град)?> Поскольку для горизонтальной поверхности а = О, учащиеся вводят число <нуль> через клавиатуру. Далее последовательно программа запрашивает массу тела т (кг) и коэффициент трения м (отн. ед.). Ученики указывают через клавиатуру любые выбранные ими значения этих величин. Диалог заканчивается. Компьютер обрабатывает исходные данные и строит на экране дисплея схематическое изображение разобранной ситуации (рис. 23) в реальном соотношении сил. Состояние тела он описывает текстовым сообщением в нижней части экрана, а в левом верхнем углу высвечивается значение ускорения. Элементы изображения даются в цвете.

рис. 23 рис. 24 рис. 25 рис. 26

Предлагаю провести еще 3-5 аналогичных экспериментов для различных значений массы т и коэффициента трения м при а = 0. Учащиеся убеждаются в том, что во всех случаях сила реакции опоры остается равной силе тяжести, но меняются их абсолютные значения; коэффициент трения на результат не влияет.

Следующая группа экспериментов - изучение изменений в состоянии тела, происходящих при небольшом наклоне плоскости и достаточно большом коэффициенте трения. Ставятся вопросы: как направлены векторы силы реакции опоры N и силы тяжести . Как вычислить значения этих сил? Когда векторная сумма всех действующих сил равна нулю? Как в данном случае направлен вектор силы трения покоя ? Равно ли значение силы трения значению силы трения покоя ? Откуда получается условие покоя тела в текстовом сообщении на экране? Ответы на них учащиеся ищут самостоятельно, исследуя тенденции изменения анализируемых физических величин в зависимости от исходных данных.

В ходе работы учащиеся довольно быстро получают условия покоя тела (рис. 24) на наклонной плоскости и возникновения скольжения по ней (рис. 25). Появляется возможность обсудить результаты и их зависимость от исходных данных, а также выяснить ряд вопросов: возможен ли переход к скольжению при уменьшении или увеличении массы тела, если угол ? и коэффициент трения ? неизменны? Как зависит ускорение от коэффициента трения? Можно ли поддерживать и каким способом ускорение постоянным при увеличении угла наклона? Как получены выведенные на экран дисплея значения сил? Как аналитически доказать справедливость обнаруженных закономерностей?

Далее исследуется кинематика процесса скольжения (на это ориентирована вторая программа). На экране появляются заголовок <Движение тела по наклонной плоскости> и указание <Введите данные>. Начинается новый диалог с машиной. Учащиеся последовательно набирают на клавиатуре ответы на такие вопросы программы: угол наклона плоскости к горизонту ? (град)? Масса тела m (кг)? Коэффициент трения м (отн. ед.)? Высота наклона плоскости Н (м)? По окончании диалога на экране над осями координат перемещения s от времени t появляется заголовок графика, а на темно-синем прямоугольнике в правой части экрана - подчеркнутое пунктиром слово <Разметка>, под ним - строки сообщения. Они информируют о том, что вся размеченная длина горизонтальной оси равна указанному значению времени t , а вся размеченная длина вертикальной оси - значению перемещения s . Пересечение пунктирной линии, параллельной на графике оси времени t , с осью перемещения s , где окажется выведенным символ L , соответствует концу пути по наклонной плоскости. Вслед за этим программа начинает строить график зависимости s = f ( t ). Общий вид картины на дисплее показан на рисунке 26. По виду графика учащиеся отвечают на вопросы о характере движения тела.

Новый кадр на экране появляется вслед за нажатием любой клавиши клавиатуры. Экран окрашивается в цвет фона, и на нем высвечивается в цвете график скорости (строится по данным, ранее введенным в машину). Пунктир, параллельный оси скорости v , отмечает момент времени t 0 , в который тело выходит на горизонтальную поверхность. Его численное значение печатается на поле вывода информации. График скорости дает основание обсудить такие вопросы: является ли движение по наклонной плоскости и по горизонтальной поверхности просто ускоренным и замедленным или равноускоренным и равнозамедленным? Из чего это следует? Равны ли модули ускорения на наклонной плоскости и на горизонтальной поверхности? Если нет, то могут ли они быть когда-нибудь равными? Может ли время скольжения по горизонтали быть меньше времени спуска по склону?

Программа завершается имитацией скольжения. Переход к ней осуществляется тоже нажатием на любую клавишу клавиатуры. Экран очищается от прежнего изображения. На нем вычерчивается наклонная плоскость с заданным в диалоге углом наклона, высвечивается цветной прямоугольник для вывода информации, производится разметка и подписывание элементов рисунка, синтезируется изображение скользящего тела. Имитация движения осуществляется многократным выводом изображения тела в равноудаленные точки пути через интервалы времени, пропорциональные промежуткам, необходимым для прохождения элемента пути. В результате показывается все движение - равноускоренное на наклонной плоскости и равнозамедленное - на горизонтальной поверхности (вплоть до остановки). Эта часть программы формирует у учащихся зрительный образ изучаемого процесса, приближает модельный эксперимент к натурному.

Структура урока следующая: постановка задания и сообщение целей урока - 2-4 мин; работа с компьютером и занесение результатов наблюдений в тетради - 17-20 мин; дискуссия, формулирование выводов из экспериментов и установление физических закономерностей - 10-15 мин; подведение итогов и домашнее задание - 3-5 мин.

Предложенная программа изучения материала ценна тем, что позволяет сделать акцент на обсуждении физических проблем: 1) выяснение условия возникновения скольжения; 2) его связь с массой тела, коэффициентом трения и углом наклона плоскости; 3) особенности скорости и ускорения на наклонном участке пути и изменение их характера при переходе к горизонтальному участку.

Аналогичным образом можно изучать свободное падение тел, а также движение тел, брошенных под углом к горизонту.

Уроки по ядерной физике . Рассказывают о них Е. Ю. Диркова и М.Л. Фокин (г. Москва).

Мы разработали цикл компьютерных уроков по ядерной физике, потому что тема <Атомное ядро>, будучи одной из самых абстрактных и сложных для восприятия, недостаточно обеспечена учебным физическим экспериментом. Для этого подготовили обучающие программы <Изучение радиоактивного распада короткоживущего изотопа>, <Определение периода полураспада радиоактивного изотопа> и <Радиационные биотехнологии: предпосевное гамма-облучение семян> для персональных ЭВМ <Ямаха>.

Первая программа обеспечивает наблюдение статистических особенностей распада радиоактивного препарата, определение его активности и периода полураспада соответствующего изотопа. Модель препарата предстает на экране дисплея в виде прямоугольного поля светящихся точек - слоя нестабильных атомов. В момент распада ядра на месте точки вспыхивает звездочка. Через мгновение звездочка исчезает, и на фоне плотно расположенных точек остается хорошо различимое пустое место, как будто осколки распавшегося ядра вылетели за пределы моноатомной пленки. (Прототипом данной модели стал японский <атомный телефильм>, снятый с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокой разрешающей способности.) Сначала школьники знакомятся с печатной инструкцией (как для традиционного лабораторного практикума). Работа с обучающей программой ведется в диалоговом режиме. В программе предусматривается три этапа: предварительный контроль знаний учащихся, модельный эксперимент в виде серии опытов и обработка результатов наблюдений. Предварительный этап построен как подготовка ученика к решению задач, которые ему придется выполнить на завершающем этапе работы. В каждом из опытов ученик подсчитывает количество распадов за фиксированное время, отмеряемое таймером. Для расчета активности, периода полураспада и погрешности его определения ЭВМ используется в роли калькулятора. Результаты эксперимента и выводы учащиеся заносят в типовые печатные бланки (тиражируются с помощью принтера).

Обучающая программа <Определение периода полураспада радиоактивного изотопа> -это компьютерный вариант аналогичной лабораторной работы практикума (см.: Практикум по физике в средней школе: Дидактический материал/ Под ред. В. А. Бурова, Ю.И.Дика.- М.: Просвещение, 1987.-С. 186-188), выполнение которой затруднено отсутствием измерительного прибора <Радиометр школьный> и тем, что время убывания наполовину активности рекомендуемого препарата не есть период полураспада изотопа. В компьютерной программе экспериментальная установка представлена на экране условными блоками <Радиометр>, <Таймер>, <Радиоактивный препарат>. Снятие показаний приборов осуществляется нажатием клавиши. По результатам эксперимента ЭВМ строит кривую распада.

Программа <Радиационные биотехнологии: предпосевное гамма-облучение семян> предназначена для урока, посвященного применению радиоактивных изотопов. Длительность работы с ней - около 10 мин. Программа позволяет ученику исследовать влияние поглощенной дозы гамма-излучения на всхожесть семян различных сельскохозяйственных культур и путем <испытаний> выявить оптимальную стимулирующую дозу.

С помощью компьютера (нажатием клавиш) моделируются начальная всхожесть семян (рис. 27, а; ростки вверху), облучение партии семян, заложенных в контейнер, радиоактивным кобальтом б0 Со (рис. 27, б; контейнер слева), их высевание на опытном поле, прорастание семян (рис. 27, в). В результате серии испытаний (с разной дозой облучения) на экране дисплея появляется ряд точек, образующих график зависимости всхожести семян от поглощенной дозы (рис. 27, г; здесь В - всхожесть семян, Д -доза радиации в греях). Данная работа формирует представление о процедуре агротехнических испытаний, знакомит с закономерностями биологического действия ионизирующего излучения. Таким образом, эту программу можно охарактеризовать как межпредметную и политехническую.