Коваль Павло
Науковий керівник: канд.ф-м наук, доцент О. В. Волчанський
Кіровоградський державний педагогічний університет
імені Володимира Винниченка
Анотація. В статті розглядається проблема підвищення ефективності викладання навчального матеріалу на заняттях з розділу «Атомна і ядерна фізика» курсу загальної фізики студентам природничих спеціальностей педагогічних університетів. Наводяться приклади використання комп’ютера для удосконалення лекційних демонстрацій.
Ключові слова. Інформаційні технології, інтернет-ресурси, квантова фізика, навчальний процес.
Актуальність. Сучасні тенденції розвитку освіти в Україні свідчать про необхідність широкого впровадження в педагогічну практику компетентнісно орієнтованих технологій, які сприятимуть набуттю молоддю професійних та життєво важливих вмінь і навичок. Принципово новий підхід до фізичної освіти дозволяють реалізувати інформаційні і комунікаційні ресурси, які надає мережа Інтернет. Цей підхід базується на новому рівні використання наочності, вільному доступі до великих масивів наукової інформації, оперативному спілкуванні, використанні ефективних інструментів пізнавальної і дослідницької діяльності. Тому використання Інтернет-ресурсів у навчальній діяльності є актуальною проблемою фундаментальної і професійної підготовки майбутніх учителів фізики [1] .
Постановка проблеми. Формування професійної компетентності суб’єкта буде ефективним тільки у відповідному освітньому середовищі, забезпечення якого вимагає застосування особливих підходів, створення спеціальних умов з урахуванням специфіки діяльності студентів.
Реальні експерименти в галузі квантової фізики вимагають використання складного і коштовного обладнання: лазерів, спектральних апаратів, установок з отримання низьких температур та глибокого вакууму, потужних магнітних полів і багато чого іншого, що недоступно для навчальних лабораторій більшості вітчизняних ВНЗ.
Водночас використання комп’ютерного моделювання і віртуальних лабораторних робіт дозволяє підготувати студентів до проведення експериментів в галузі квантової фізики.
Аналіз останніх досліджень. Науковці в галузі методики фізики В.Ю. Биков, М.І. Жалдак, Ю.О. Жук, А.П. Кудін, В.В. Лапінський, В.П. Сергієнко, М.І. Шут та інші приділяють значну увагу застосуванню інформаційно-комунікаційних технологій в підготовці майбутніх учителів фізики. В працях зазначених дослідників наведені концепції, рекомендації, висновки стосовно використання комп’ютерних технологій в освітньому процесі загальноосвітньої школи та вищих навчальних закладів.
ІКТ дають можливість у навчальному процесі проводити, так звані, обчислювальні експерименти, в тих випадках коли реальні експерименти ускладнені, або можуть дати непередбачуваний результат [2]. Створення комп’ютерних аналітичних та графічних моделей фізичних явищ дозволяє гармонійно поєднати класичні дидактичні принципи і відтворювати досліджуване явище у довільному масштабі часу, проводити імітаційне моделювання явищ, які є недоступними для класичних методів спостереження [3].
Метою даної статті є розкриття можливостей інтернет ресурсів для вивчення квантової фізики та методика їх використання.
Застосування в навчанні комп’ютерних технологій дає змогу: підвищити загальний інтерес до вивчення фізики в цілому, за допомогою образів та моделей формувати природничо-наукову картину світу; розвивати образне мислення студентів завдяки використанню широких можливостей надання інформації; розвивати творче мислення студентів унаслідок використання динамічних багатомірних методів обробки і надання інформації [1].
Використання комп’ютерних технологій навчання фізики передбачає: інтенсифікацію всіх рівнів навчально-виховного процесу, підвищення його ефективності та якості, їх здібностей до комунікативних дій, умінь експериментально-дослідницької діяльності, підвищення мотивації навчання; розвиток творчого потенціалу студентів.
На сьогоднішній день вивчення фізики занурюється стає все більш деталізованим за допомогою ІКТ: викладач використовує комп’ютер для наочності експерименту як невід’ємну частину дослідницької установки, для пояснення основних термінів, процесів та понять працює з комп’ютером для моделювання досліджуваних явищ. Зокрема вивчення квантової фізики все більше спирається на моделювання фізичних процесів за допомогою комп’ютера, або ж використання веб-ресурсів [4].
Виклад основного матеріалу. Під час викладу нового матеріалу комп’ютер дає змогу супроводжувати його динамічними ілюстраціями, комп’ютерними моделями, текстами і відео фрагментами. Комп’ютерні моделі оживляють матеріал, забезпечують демонстрацію того, що не вдається показати в натуральному експерименті чи важко сприймається на статичних малюнках [1].
За допомогою використання багатьох інтернет-ресурсів можна використати вже змодельовані процеси квантової фізики. Це можливо за використанням так званих онлайн лабораторій Phet та Quantum interactive, які є одними з основних онлайн-лабораторій.
Наведемо приклад використання названих ресурсів при вивченні теми «Квантові властивості світла», зокрема для дослідження законів фотоефекту.
При поглинанні світлової енергії тілами частина енергії перетворюється в електричну енергію, внаслідок чого в тілах може виникати або електрорушійна сила, або електричний струм, або зміна електричного опору тіл, або ж випромінювання фотоелектронів (зовнішній фотоефект).
Для спостереження зовнішнього фотоефекту і вивчення його законів традиційно використовують схему, в якій металева пластинка Р (катод) під’єднана до негативного полюса батареї Е, другий її полюс з’єднаний через реостат (потенціометр) К і гальванометр G з пластинкою N (анодом). Обидві пластинки Р і N вміщено в балон, з якого викачано повітря, щоб зіткнення електронів із молекулами газу не спотворювали спостережувані явища, а також щоб запобігти окисненню пластинок Р і N.
Дослідження залежності сили струму від прикладеної зовнішньої напруги та сили струму від інтенсивності світла, а також залежності енергії електрона від частоти світла можна провести у онлайн-лабораторіх Phet, що значно зекономить час підготовки досліду та матеріальні затрати для закупівлі обладнання. Для виконання досліду, необхідно:
- Перейти на сайт https://phet.colorado.edu/.
- На даному ресурсі можливе проведення дослідів без реєстрації, для цього потрібно натиснути кнопку „PlaywithSimulations“.
- З меню „Simulations“ потрібно обрати пункт „Physics“.
- Обрати пункт „Physics“.
- Обрати розділ „QuantumPhenomena“ та дослід „PhotoelectricEffect“.
Віртуальний дослід Photoelectric Effect з точністю повторює суть реального експерименту, але дає змогу побачити студенту одразу три динамічні графіки: 1. графік залежності сили струму від прикладеної зовнішньої напруги; 2. графік залежності сили струму від інтенсивності світла; 3. графік залежності енергії електрона від частоти світла. Напругу між катодом та анодом можна змінювати переміщенням повзунка, що розташований на джерелі струму. Змінивши матеріал катода, напругу, довжину хвилі світла, або ж інтенсивність випромінювання можна одразу побачити зміну на всіх трьох вищезгаданих графіках. Графіки будуються автоматично та в режимі реального часу, що значно зменшує час на обрахунки. Віртуальна візуалізація експерименту дає змогу побачити студенту потік фотонів та фотоелектронів за різних умов проведення досліду, що є неможливим під час проведення реального експерименту. Таким чином реалізуються основні принципи навчання: принцип наочності та принцип доступності.
Отже, використання комп’ютерних моделей дають зручну можливість для дослідження складних систем при вивченні явищ квантової фізики. При цьому навчальний процес організовується у формі навчально-дослідницької діяльності, що передбачає організацію різних форм роботи та підвищення рівня самостійності здобуття знань суб’єктами навчання, що сприяє підвищення рівня розвитку їх інтелектуальних здібностей.
Список літератури
- Базурін В.М. Інтернет-технології у розвитку дослідницьких умінь майбутніх учителів математики і фізики [Електронний ресурс] / В.М.Базурін. – Режим доступу : http://intkonf.org/bazurin-vm-internet-tehnologiyi-u-rozvitkudoslidnitskih-umin-maybutnih-uchiteliv-matematiki-i-fiziki/.
- Калапуша Л.Р. Комп’ютерне моделювання фізичних явищ і процесів : [навч. посіб.] / Л.Р. Калапуша, В.П. Муляр, А.А. Федонюк. - Луцьк : Вежа, 2007. - 190 с.
- Кудін А. П. Впровадження електронних систем навчання в НПУ імені М. П. Драгоманова [Електронний ресурс] / А. П. Кудін // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Інформатизація вищого навчального закладу.. – 2014. – Режим доступу до ресурсу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/VNULPIVNZ_2014_803_3.
- Шут М.І. Теоретико-методичні особливості використання сучасних комп’ютерно орієнтованих засобів навчання загальної фізики [Електронний ресурс] / М.І. Шут, В.П. Сергієнко. – Режим доступу: http://www.ime.edu-ua.net/em1/content/04svptgp.html