Сетевой журнал "Интернет и образование"

Изучение темы «Световые явления» с помощью компьютерных моделей

Разработка системы уроков по физике с использованием компьютерных моделей по теме "Световые явления" позволяет обеспечить возможность каждому ученику освоить тему «Световые явления» с использованием электронной моделью недоступного оборудования.

Источники:

«Открытая физика» и «Физика 7-11» компания «Физикон»

Применение компьютерных моделей в процессе изучения темы "Световые явления" в 8-м классе

Методические особенности изучения темы "Световые явления" в 8-м классе

Изучение световых явлений имеет большое познавательное и политехническое значение. Окружающий мир человек воспринимает и познаёт, прежде всего, благодаря свету и зрительным ощущениям. На законах оптики основана оптическая и осветительная техника. Знание элементов оптики необходимо при изучении других образовательных предметов. Немаловажное значение эти знания имеют и для борьбы с предрассудками и суевериями.

Световые явления изучаются в базовом курсе физики на качественном уровне. Из количественных зависимостей изучают только закон отражения света и связь между фокусным расстоянием и оптической силой линзы. Поэтому число решаемых расчётных задач очень ограничено.[6] Это связано, прежде всего, с недостаточным математическим аппаратом учащихся: они имеют недостаточные навыки построения и измерения углов транспортиром, синус угла формулируется для восьмиклассников как отношение противолежащего катета к гипотенузе, чего не достаточно для вычислений по закону преломления. Использование компьютерных моделей помогает увеличить число расчётных задач, так как позволяет автоматически выполнять расчёты, облегчает построение и измерение углов. В задачниках представлены задачи, в основном с использованием углов в 30º, 45º, 60º, 90º. Компьютерные модели позволяют использовать для решения задачи с использованием углов, градусная мера которых является любым целым числом.

В учебнике [8] и задачнике [7] предлагается ряд задач, в которых нужно при помощи зеркал направлять световые лучи (Осветить дно колодца, расставить зеркала в перископе, установить зеркало автобуса так, чтобы водителю было видно заднюю дверь). Как правило, решая такие задачи в тетради, учащиеся многократно переделывают чертёж, упускают соблюдение закона отражения. Решение их при помощи компьютерной модели позволяет не только подобрать нужное положение зеркал, но и не даст нарушить закон отражения. После получения нужного рисунка учащимся предлагается измерить получившиеся углы падения и отражения и только после этого переносить чертёж в тетрадь.

Опыты по отражению и преломлению проводятся при помощи оптического диска. Компьютерная модель «Отражение и преломление» [18] тоже представлена в виде оптического диска. Это позволяет учащимся повторить опыты, показываемые учителем, облегчает понимание того, как использовать модель. Школьное оборудование не позволяет каждому ученику поработать с оптическим диском, а компьютерная модель позволяет каждому ученику изучить и проверить законы отражения и преломления света самостоятельно.

При изучении световых явлений используются такие физические модели, как «точечный источник», «световой луч». Компьютерные лаборатории позволяют моделировать точный источник, прожектор, дающий пучок параллельных лучей, источник света сложной формы, длинный источник, а также поведение одного светового луча и пучка расходящихся лучей при попадании их на границу раздела двух сред, стеклянную призму, линзу, зеркало и т.д.

При изучении законов преломления, очень важно показать, что преломление зависит от свойств граничащих сред. Это очень сложно демонстрировать с использованием оптического диска. Компьютерная модель «Отражение и преломление» [18] позволяет при фиксированном угле падения изменять показатель преломления среды и наблюдать изменение преломленного луча.
Кроме того, модель позволяет показать, что с увеличением угла падения увеличивается и угол преломления. Это можно проследить как на качественном уровне, изменяя на модели угол падения и наблюдая за изменением угла преломления, так и оценить количественно. Для этого можно попросить учащихся составить таблицу значений угла преломления при заданных углах падения, а потом сделать вывод о том, что с увеличением угла падения, угол преломления тоже увеличивается.

Для того чтобы показать, что при нормальном падении луча преломление не происходит, учащимся предлагается с помощью модели найти угол падения, при котором угол преломления минимален.

При изучении темы «Линзы. Изображения, даваемые линзой» компьютерные модели позволяют работать с линзами с разной оптической силой, что не всегда возможно обеспечить в школьной лаборатории. При изучении данной темы очень важно, чтобы учащиеся научились выполнять рисунки, получать изображение, даваемое линзами. В компьютерной лаборатории построение изображения в собирающей линзе происходит автоматически. Это не очень благоприятно сказывается на формировании навыка выполнения чертежей. Поэтому при изучении этой темы рекомендуется комбинировать работу в тетради и работу в компьютерной лаборатории. Совсем отказываться от компьютерной лаборатории не следует, так как в ней реализован инструмент «Глаз», который позволяет «увидеть» получаемое изображение, что на начальном этапе может помочь при характеристике получаемых изображений.
Кроме того, использование компьютерных моделей позволяет формировать умения и навыки работы с таблицами. Развивает внимание, терпение, навык работы в группе.

Всё это учитывалось при разработке уроков по теме «Световые явления» с использованием компьютерных моделей.

Проведение системы уроков с использованием компьютерных моделей

Нами была разработана и проведена система уроков с использованием компьютерных моделей по теме «Световые явления» в 8 классе.

Параллельно теме «Световые явления» в курсе физики происходило изучение темы «Введение в информационное моделирование» в курсе информатики. Это дало возможность использовать компьютерные модели как на уроках физики, так и на уроках информатики. В результате этого, помимо использования компьютерных моделей, учащиеся усвоили понятие модели, процесс создания модели, области применения компьютерных моделей.
Ниже представлена таблица тематического планирования, содержащая тему урока, предмет и компьютерную модель, используемую на уроке.

При составлении уроков был проведён методический анализ изучения темы «Световые явления» в 8-м классе, составлено поурочное планирование, изучены компьютерные модели на дисках «Физика 7 - 11» и «Открытая физика» компании «Физикон» по теме «Оптика». Все модели были отнесены к группам, в соответствии с представленной в работе классификацией, и, в зависимости от классификации, была определена возможность использования той или иной модели на конкретном этапе урока. Также учитывались место компьютерной модели в уроке и общее число используемых моделей, таким образом, компьютерные модели использовались наряду с традиционными методами там, где они могли дать большую результативность при усвоении материала.

Данное планирование можно использовать, при отсутствии возможности проводить уроки физики совместно с уроками информатики.
При проведении уроков использовались компьютерные модели с возможностью вычислений, и компьютерные лаборатории раздела "Оптика" [19]. Работа с компьютерными моделями проходила в основном на этапе закрепления изученного материала при решении задач.

Рассмотрим более подробно, как реализовывалась работа с компьютерными моделями на каждом из уроков.

Урок 1
Первый урок физики проходит без использования компьютера. Но уже на нём рассматриваются физические модели: точечный источник, световой луч, которые на следующих уроках выступают в роли объектов компьютерного моделирования.

Урок 2
На уроке информатики учащихся знакомят с понятием модели, классификацией информационных моделей, этапами создания компьютерной модели, показывают примеры компьютерных моделей. Также учащимся говорится о том, что они будут работать с физическими компьютерными моделями и записывается алгоритм работы с моделью, содержащей вычисления.

Урок 3
На этапе закрепления используется модель «Отражение преломление» из «Открытой физики». Компьютерная модель используется для решения задач.
Перед началом работы учащиеся на уроке знакомятся с понятиями: падающий луч, угол падения, отраженный луч, угол отражения и законами отражения.
Учащимся говорится о том, что явление отражения света и закон отражения света могут представляться в виде компьютерной модели. С помощью этой модели можно решать сложные задачи, требующие точных чертежей, которые не всегда возможно выполнить в тетради. Но для того, чтобы использовать модель, нужно узнать, как она работает и подтвердить, что она правильно работает. Для этого ребятам предлагается провести анализ модели при помощи алгоритма и сделать вывод о том, соблюдается или нет закон отражения света в модели. Учителю необходимо сразу сориентировать учащихся на то, что модель описывает 2 закона, один из которых им не известен, поэтому на вопросы нужно отвечать только по знакомым величинам. Так как учащиеся работают с моделью первый раз, то возможно фронтальное выполнение задания. В приложении 6 выполнен анализ модели.

1. Название модели. Какой объект, явление (процесс) или система моделируется?
2. Каким способом или способами объект, явление или система моделируется? (рисунок, график зависимости…)
3. Какими параметрами описывается моделируемый объект или процесс?
4. Какие из параметров меняются, а какие остаются постоянными?
5. Назовите и запишите пределы изменения этих величин, с каким шагом они изменяются.
6. Какие реальные объекты, процессы и системы могут быть описаны при помощи этой модели?
7. На какие физические модели опирается компьютерная модель?
8. Какие из параметров модели можно исключить? Почему можно допустить такое упрощение?
9. Какие зависимости можно проверить (какие процессы описать) с помощью модели?
10. Реши задачи в тетради, а затем проверь их решение при помощи модели:
    1. Углы падения лучей 60°, 30°, 40°. Каковы соответствующие углы отражения лучей?
    2. Угол падения светового луча 25°. Каков угол между падающим и отраженным лучами?
    3. Угол между падающим и отраженным лучами 70°. Под каким углом падает свет?
11. Запиши вывод о том, по каким физическим законами работает модель? Каков математический вид этих законов?

После ответов на вопросы по плану, ребятам предлагается решить следующие задачи:

1. Углы падения лучей 37°, 86°, 69°. Каковы соответствующие углы отражения лучей? (1 балл).
2. При каких углах падения, падающий и отражённый лучи составляют между собой углы 90°, 60°, 56°, 78°, 154°. (2 балла).
3. Угол между зеркалом и падающим на него лучом составляет 48°. Чему равны угол отражения и угол падения? (2 балла).
4. При каком угле падения угол между падающим и отражённым лучом максимален? Чему он равен? (3 балла).
5. При каком угле падения падающий и отражённый лучи совпадают? (3 балла)

Количество баллов, набранное учащимся равно его оценке за урок.

Первое, с чем сталкиваются учащиеся при работе с компьютерными моделями, это алгоритм работы с моделью. Прежде чем предлагать учащимся работу с данным алгоритмом, учителю необходимо проанализировать, какие из пунктов обязательны, какие можно не предлагать при работе с данной, конкретной моделью. Работа по алгоритму на проведённых уроках успешнее всего проходила при совместной работе всего класса. Возникал дух соревнования «Кто быстрее найдёт ответ на вопрос» и поэтому работа проходила всегда динамично с включением в деятельность всего класса.

При работе с компьютерной моделью «Отражение и преломление» у учащихся возникали проблемы с определением градусной меры угла отражения. Модель представляет собой диск, проградуированный от 0º до 360º начиная сверху против часовой стрелки. И если для того чтобы определить градусную меру угла падения достаточно посмотреть на цифру, совпадающую с началом луча, то для определения градусной меры угла отражения и преломления нужно определить цену деления шкалы диска и, сосчитав количество делений, получить число. Для того чтобы предупредить данную проблему, можно при работе с алгоритмом, при определении шага, с которым изменяется угол падения, обратить внимание учащихся на то, какими способами его можно изменить, и тут же определить цену деления шкалы диска.

Решение предложенных проверочных задач проходит у каждой группы в своём темпе, что позволяет дифференцировать работу учащихся, предложить более сильным ученикам больше задач либо более сложные задачи. Решая предложенные задачи, учащиеся набирали баллы, которые затем переводились в оценку. Во время проведения уроков выяснилось, что решение задач, оцениваемых учителем первоначально в 3 балла, далось учащимся легче, чем решение задач, оцениваемых в 2 балла. Большинство учащихся успело решить все задачи. Но здесь возник вопрос об оформлении решения задач. Понятно, что задачи не являются сложными и решаются довольно быстро, особенно с помощью компьютерной модели, часто при помощи подбора. Поэтому засчитывать за правильный ответ просто число нельзя. Необходимо, чтобы учащийся переносил в тетрадь чертёж и объяснял полученный результат. И об этом следует сказать учащимся перед выполнением работы. Подчеркнуть, что для получения 3 баллов недостаточно числа, необходимо объяснение наблюдаемого явления.

Урок 4
На четвёртом уроке, на этапе закрепления для решения задач используется компьютерная лаборатория «Уголковый отражатель».
Для начала, учащимся предлагается инструкция (представлена в файле уголковый отражатель) и тестовое задание.
Тестовое задание

1. Откройте лабораторию «Уголковый отражатель».
2. Очистите поле, удалив все объекты.
3. Расставьте на рабочем поле объекты как показано на рисунке 1. (Примечание: нельзя нанести рассеянный свет и световой луч, пока не нанесён точечный источник).

           
Рис.1                                               Рис.2

1. Переместите объекты так, как изображено на рисунке 2.
2. Нажмите кнопку Пуск.
3. Сфотографируйте результат и вставьте его документ MS Word. Сохраните документ под именем «Отчёт».

Затем учащимся предлагается решить задачи и оформить отчет, который сохраняется и проверяется учителем в электронном виде или распечатывается. Будет полезно распечатать отчеты и вложить каждому ребенку в тетрадь. Так как перенос рисунка с монитора в тетрадь займет много времени.
Задания:

1. Высота Солнца такова, что его лучи составляют с горизонтом угол 40°. Сделайте чертёж колодца. Как нужно расположить зеркало в точке А, чтобы «солнечный зайчик» попал на дно колодца (рис. 3). (Для построения угла используйте инструмент  "транспортир")
   А
   

Рис. 3

1. На рисунке 4 изображена схема перископа – прибора предназначенного для наблюдения из бункера или подводной лодки, находящейся на небольшой глубине. Перенесите чертеж на рабочее поле и дополните его так, чтобы луч, идущий от источника, попал в глаз.
   

Рис. 4

1. Как должно располагаться зеркало в точке В, чтобы водитель автобуса в точке А мог наблюдать за дверью С (рис. 5). Перенесите чертёж на рабочее поле и выполните необходимые построения.
   А              В
    С     Рис. 5
2. Каких минимальных размеров должно быть зеркало для того, чтобы человек мог полностью видеть своё отражение?

Когда учащиеся начинают работу в компьютерной лаборатории, очень важно, чтобы они усвоили работу с основными инструментами. Для этого им нужно предложить подробное Тренировочное задание. Кроме того, инструкция по работе в лаборатории всегда должно быть под рукой.
По результатам анкетирования, работа в компьютерных лабораториях понравилась учащимся больше всего. Это можно объяснить большими возможностями для творческой активности. Решая одни и те же задачи, каждая группа получает свой вариант решения, в зависимости от первоначального рисунка. Причём учащиеся проявляют большую заинтересованность результатами работы соседних групп и по возможности нужно дать им познакомиться с этими результатами. Для этого можно оформить выставку отчётов или дать группам выступить со своими отчётами.

Урок 5
На пятом уроке на этапах изучения нового материала и его закрепления предлагается использовать модель «Отражение и преломление света». Учащиеся уже работали с этой моделью и могут использовать её как инструмент исследования. При изучении закона преломления света учащимся предлагается работа по заполнению и анализу данных таблицы Они заполняют таблицу, используя данные, выдаваемые компьютерной моделью, и на основе анализа полученных результатов совместно с учителем формулируют законы отражения. Подобная работа позволяет формировать умения и навыки работы с таблицей.
Задания:

1. При каком угле падения падающий и преломленный лучи совпадают?
2. Луч света падает на плоскую границу раздела 2 сред. Угол падения равен 40°, угол между отраженным и преломленным лучом 110°. Чему равен угол преломления?
3. Куда нужно целиться: выше или ниже предмета, плавающего в толще воды, если мы хотим попасть по нему.

Урок 6
На шестом уроке учащимся предлагается работа в компьютерной лаборатории «Уголковый отражатель». Им нужно изучить ход лучей в треугольной призме и выполнить предложенные задания. Для изучения хода лучей им достаточно установить на рабочем поле призму и направить на неё луч от источника. Полученный рисунок нужно перенести в тетрадь, предварительно измерив углы падения и преломления.
Задание:
В каждом из 3 ящиков находятся 1 или 2 треугольные призмы, показан ход лучей через эти призмы. Необходимо нарисовать расположение призм в ящиках.

Рис.6
При изучении хода лучей в треугольной призме учащиеся работают полностью самостоятельно. Обязательным условием выполнения здания является измерение всех углов падения и преломления. В компьютерной лаборатории учащиеся измеряют углы при помощи инструмента «Транспортир», а при переносе рисунка в тетрадь при помощи обычного транспортира. Таким образом, работа в компьютерной лаборатории упрощает процесс построения луча, проходящего через призму, но, тем не менее, при переносе рисунка в тетрадь у учащихся формируются навыки измерения и построения углов транспортиром.
Изучив тему, учащиеся сразу получают возможность применить знания при решении задач. При работе в компьютерной  лаборатории учащимся очень нравиться процесс поиска решения. Это делает выполнение задания запоминающимся и положительно влияет на усвоение материала.

Урок 7
На седьмом уроке учащиеся знакомятся с видами линз, величинами, характеризующими свойства линз: фокусным расстоянием и оптической силой линзы, учатся изображать линзу на рисунке, получать изображение, даваемое линзой. Данный урок проходит без использования компьютерных моделей.

Урок 8-9
Восьмой и девятый уроки нацелены на формирование навыка выполнения чертежей изображений, даваемых линзами, характеристики этих изображений. Работая с компьютерной моделью «Построение хода лучей в собирающей линзе», учащиеся заполняют таблицу в тетради.

Сразу нужно обратить внимание учащихся на то, что таблица заполняется в тетради постепенно и что под рисунок нужно оставить место. Наиболее продуктивно такая работа пройдёт, если параллельно с работой за компьютером учащиеся будут выполнять лабораторную работу из учебника «Построение изображения при помощи линзы». Модель позволяет выбирать вид линзы – собирающая или рассеивающая, поэтому обе части таблицы можно заполнять, работая в одной лаборатории.

Работая в компьютерной лаборатории «Построение хода лучей в собирающей линзе», учащиеся знакомятся с инструментом «Глаз», который позволяет увидеть изображение, даваемое линзой. Учащиеся с большим интересом работают с этим инструментом, ставят самостоятельные опыты, перемещая предмет относительно линзы и наблюдая за изменением изображения. Чтобы такая работа не происходила хаотично и бесконтрольно, учащимся было предложено заполнить таблицу.

При проведении уроков в качестве предмета использовали объект «сложный источник света», для удобства определения характеристик изображения. Надо отметить, что объекты «длинный источник», «сложный источник» при их использовании устанавливаются по обе стороны главной оптической оси, что усложняет процесс построения изображения. Поэтому перед работой с моделью нужно обратить на это внимание учащихся. Кроме того, автоматически происходит построение только действительных изображений, а мнимые приходится достраивать даже в модели. Учащиеся испытывают сложности при перенесении рисунка в тетрадь. При этом они делают следующие ошибки:

1. Изображают линзу и предмет полностью, то есть стремятся воспроизвести в тетради точный рисунок. Поэтому нужно подчеркнуть, что изображение на экране модель явления преломления лучей при переходе через линзу и рисунок в тетради тоже должен носить модельный, схематичный характер.
2. Рисуют схему, не соблюдая фокусные расстояния и положение предмета относительно фокуса. Это приводит к искажению получаемого изображения. Здесь тоже необходимо подсказать учащимся, что существенными для получения изображения является фокус линзы и положение предмета относительно фокуса. Кроме того, сразу нужно обратить внимание учащихся на то, что для построения изображения необходимо построить два луча.
3. Делают мелкий, неразборчивый чертёж. Это происходит оттого, что учащиеся сначала переносят в тетрадь всю таблицу, а затем начинают её заполнять. Необходимо перед работой правильно сориентировать их. Так как учащиеся все изображения выполняют для одной и той же линзы, меняя только положение предмета относительно фокуса, то лучше, если это отразится и на рисунках.

Отдельно нужно сказать о том, что в тетради все рисунки нужно делать  карандашом и линейкой. Для этого необходимо, чтобы у учащихся было удобное место. Работая по 3 – 4 человека за компьютером, они стремятся выполнить рисунки, расположив тетрадь на коленях, поэтому учителю нужно следить за тем, что и как рисуют учащиеся в тетради.
Положительным моментом является также то, что работа в компьютерной лаборатории позволяет учащимся сначала построить изображение на компьютере, а затем уже готовое правильное изображение перенести в тетрадь. Это избавляет учащегося перечерчивать неправильно построенные в тетради изображения, при этом продолжается формирование навыка выполнять чертежи и рисунки. Назвать построение изображения в компьютерной среде также нельзя назвать простой задачей, так как этот процесс не является полностью автоматическим и требует от учащихся определенных усилий.
Таким образом, при проведении уроков, компьютерные модели использовались на различных этапах урока. К сожалению, не удалось использовать компьютерные модели на этапе повторения и при выполнении домашнего задания.
Использование компьютерных моделей позволило предложить учащимся задания различного типа: расчётные задачи, задачи на построение, заполнение таблицы и другие, и различные по сложности. Причём большинство учащихся справлялось со всеми заданиями.
Во многих случаях использование компьютерных моделей позволяет уменьшить количество времени на выполнение задания, а также облегчить его выполнение. Но, тем не менее, использование компьютерных моделей не мешает формированию умений и навыков, сопутствующих изучению данной темы традиционными методами.

Список литературы

1. Гутник Е.М., Рыбакова Е.В., Шаронина Е.В., "Тематическое и поурочное планирование к учебнику А.В. Перышкина "Физика. 8 класс", М., "Дрофа", 2001
2. Ерохин Р. Я. «Выбор модели в процессе решения физических задач» // "Преподавание физики в высшей школе. Научно-методический журнал" № 23.- М. 2002
3. Захарова И.Г.,"Информационные технологии в образовании", М., "ACADEMIA", 2003

1. Кавтрев А. Ф., "Компьютерные модели в школьном курсе физики"// "Компьютерные инструменты в образовании", СПб., "Информатизация образования", N2, 1998.
2. Каменецкий С.Е., Орехов В.П., "Методика решения задач по физике в средней школе. Пособие для учителей", М., "Просвещение", 1971
3. "Теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы: Учебное пособие для студентов педагогических ВУЗов" / Каменецкий С.Е., Пурышева Н.С., Носова Т.И. и др.; Под ред. Каменецкого С.Е., М, Издательский центр «Академия», 2000

1. Лукашик В.И., Иванова Е.В., "Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений", М., "Просвещение", 2001

1. Перышкин А.В., Родина Н.А., "Физика. Учебник для 8 класса средней школы", М., "Просвещение", 2001

1. "Новые педагогические и информационные технологии в системе образования"/Под ред. Полат Е.С. – М., 1999
2. Семакин И.Г. "Информатика. Базовый курс: учебник для 7-9 классов", М., "Бином. Лаборатория знаний", 2005
3. "Методика преподавания физики в 7 – 8 классах средней школы: Пособие для учителя"/ А.В. Усова, В.П. Орехов, С.Е. Каменецкий и др.; Под ред. Усовой А.В., - М.: Просвещение, 1990

12. Брыксина О. Ф., Проектирование образовательного процесса http://www.sipkro.ru/pedsovet2005/IT_proektirovanie.htm
13. Кавтрев А.Ф.,"Методика использования компьютерных моделей на уро­ках физики".  http://college.ru/modules.php?name=Teacher&param=viewlink&cid=98
14. Кавтрев А.Ф.,"Опыт использования компьютерных моделей на уроках физики в школе "Дипломат". http://college.ru/modules.php?name=Teacher&param=viewlink&cid=99
15. Львовская Г.Ф. "Формы проведения уроков физики с компьютерной поддержкой. Задачи и особенности таких уроков" http://college.ru/modules.php?name=Teacher&param=viewlink&cid=3
16. Метод моделирование в преподавании физики http://kmodel.narod.ru
17. Открытый Колледж http://www.college.ru
18. Мультимедийный диск "Открытая физика 2.6" © ФИЗИКОН
19. Мультимедийный диск "Физика 7-11" © ФИЗИКОН