Методика использования компьютерных моделей на примере курса квантовой физики в 11 классе

Необходимо отметить, что сильно усложняет работу с  компьютерным курсом "Открытая физика 1.0" ограниченное число задач и  вопросов, которыми авторы сопровождают модели. Опыт работы показывает, что каждая модель должна сопровождаться, по крайней мере, десятком задач различной сложности, тогда работа с курсом даст действительно высокий учебный эффект. Было бы идеально, если бы к компьютерному курсу прилагался задачник с вопросами и задачами, содержание которых было бы согласовано с функциональными возможностями моделей. Наличие такого задачника существенно упростило бы работу учителя по использованию данного курса на уроках физики и позволило бы активно рекомендовать его учащимся для домашней работы.

Тем не менее, даже на сегодняшний день, компьютерный курс "Открытая физика 1.0", безусловно, является чрезвычайно полезным при изучении физики как в классе, так и при индивидуальной работе. А вот как эффективно использовать этот курс на уроках, а также как составлять задания к компьютерным моделям и формировать из них лабораторные работы, мы рассмотрим в следующей главе.

Итак, подведём итоги. Можно ли преподавать физику с  использованием компьютерных моделей? Разумеется, да. Более того, роль компьютерного моделирования в учебном процессе будет повышаться по мере появления новых компьютерных программ. Однако, качественный скачок в этой области будет возможен только тогда, когда разработчики компьютерных программ осознают, что для получения действительно эффективных программ им необходим тесный контакт с учителями, которые хорошо знакомы с компьютерными технологиями и активно используют эти технологии при работе с учащимися.

Методика применения компьютерных моделей в школьном курсе физики

 

Прежде всего чрезвычайно удобно использовать компьютерные модели в качестве демонстраций при объяснении нового материала или при решении задач. Согласитесь, что гораздо проще и нагляднее показать, как электрон в соответствии с моделью Бора перескакивает в атоме с орбиты на орбиту, что сопровождается поглощением или испусканием кванта, используя компьютерную модель, чем объяснять это при помощи доски и мела. А если учесть, что данная модель позволяет одновременно с переходом электрона на другую орбиту показать в динамическом режиме соответствующий переход на диаграмме электронных уровней, а также вид соответствующей спектральной линии, то становится ясно, что данную демонстрацию невозможно обеспечить другими средствами. Конечно подобная демонстрация будет иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора, или в кабинете имеется проекционная техника, позволяющая отобразить экран компьютера на стенной экран большого формата подобно кодослайду (указанная техника начинает появляться в школах города). В противном случае учитель может предложить учащимся самостоятельно поработать с моделями в компьютерном классе (такая возможность уже не является экзотикой) или в домашних условиях, что иногда бывает наиболее реально.

Разумеется дети с большим интересом повозятся с предложенными моделями, испробуют все регулировки, как правило, не особенно вникая в физическое содержание происходящего на экране. Как показывает практический опыт обычному школьнику может быть интересна в течение 3-5 минут в зависимости от красочности и сложности, а затем неизбежно возникает вопрос: А что делать дальше?

К сожалению авторы программ не продумали методику использования моделей в процессе индивидуального обучения, задачи и вопросы, которые прилагаются к моделям крайне не многочисленны и не всегда удачны, то есть выбора практически нет. Что же делать, чтобы урок в компьютерном классе был не только интересен по форме, но и дал максимальный учебный эффект? Учителю необходимо заранее подготовить план работы для учащихся с выбранной для изучения компьютерной моделью, сформулировать задачи, согласованные с возможностями модели, а также желательно предупредить учащихся, что им будет необходимо ответить на вопросы или написать небольшой отчёт о проделанной работе. Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока раздаёт учащимся указанные материалы в распечатанном виде. Какие же виды учебной деятельности можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями?

• Прежде всего это знакомство с моделью, то есть небольшая исследовательская работа - экскурс по устройству модели и её функциональным возможностям, в которую входит знакомство с основными регулировками модели. В ходе этой работы учитель в компьютерном классе, переходя от ученика к ученику, помогает освоить модель, поясняя наиболее сложные моменты и задавая вопросы, отвечая на которые учащиеся глубже вникают в суть происходящего на экране.
• После того как компьютерная модель освоена в первом приближении, имеет смысл предложить учащимся выполнить от одного до трех компьютерных экспериментов. Эти эксперименты позволят учащимся научиться уверенно управлять происходящем на экране и вникнуть в смысл демонстраций.
• Далее, если модель позволяет, можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи, для решения которых не обязательно производить вычисления, а необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач.
• На данном этапе, когда учащиеся уже достаточно хорошо овладели моделью и углубили свои знания по изучаемому явлению, имеет смысл предложить 2 - 3 задачи не требующих длительного решения, которые необходимо решить без использования компьютера, а затем проверить полученный ответ, поставив эксперимент на компьютере. Задачи, правильность решения которых можно проверить, используя компьютерную модель. При составлении таких задач необходимо учитывать как функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров заложенных авторами модели. Следует отметить, что, если эти задачи решаются в компьютерном классе, то их решение не должно превышать 5 - 8 минут. В противном случае работа с компьютером становится мало эффективной. Задачи, требующие более длительного решения, имеет смысл предлагать в виде домашнего задания. Задачи, требующие более длительного решения, имеет смысл предлагать для предварительной проработки в виде домашнего задания и только после этого использовать их в компьютерном классе.
• Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательские задачи, то есть задачи, в ходе решения которых учащимся необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. Самым продвинутым ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности.
• Творческие задания лучше предложить ученикам в виде домашнего задания. В рамках таких заданий учащиеся самостоятельно придумывают и решают задачи, а затем проверяют свои результаты в компьютерном классе.

Как начинать работать с компьютерным курсом

 

Идеально начинать работать с компьютерным курсом "Открытая физика 1.0" в индивидуальном режиме с одним или двумя учениками. Можно также попробовать использовать курс при работе с небольшой группой учащихся в рамках факультативных занятий. Это наиболее мягкие режимы, которые позволят вам хорошо освоить компьютерный курс, а также понять основные сложности, связанные с таким способом преподавания и, возможно, разработать собственные приёмы и методики использования курса на уроках. После того, как вы достаточно хорошо освоите компьютерные модели курса, можно начинать демонстрировать опыты с их использованием при объяснении материала в классе, если, конечно, у вас есть возможность использовать монитор с экраном не менее 17 дюймов или мультимедийный проектор.

К сожалению, в данной версии компьютерного курса отсутствует  функция сохранения числовых значений параметров экспериментов, поэтому  у вас не будет возможности  подготовить серию опытов с выбранными вами параметрами и заранее записать их в долговременную память компьютера, чтобы затем показать на уроке. Начальные  условия опытов имеет смысл подобрать заранее и записать их для себя на бумаге, чтобы на уроке не возникало заминок или невразумительных экспериментов. На уроке же вам придётся заново устанавливать выбранные значения параметров, что при работе в классе не всегда удобно. Поэтому, если для вас не важны начальные условия хотя бы некоторых экспериментов, то лучше оставить их такими, какими предлагают авторы курса. В этом случае, после открытия окна модели для демонстрации эксперимента достаточно нажать кнопку "Старт".

При использовании  моделей для демонстрации экспериментов, постарайтесь привлечь кого-нибудь из учащихся в качестве помощника, так как, особенно на первых порах, вам будет достаточно сложно манипулировать мышью и одновременно давать необходимые пояснения классу. Конечно, необходимо заранее подготовить подробный план демонстраций и объяснить помощнику, что и в какой момент от него потребуется. Лучше всего дать ему список экспериментов с указанием начальных условий, тогда он сможет подготовить очередной опыт, пока вы обсуждаете с классом результаты предыдущего эксперимента или какой-нибудь другой вопрос.

И только после того как компьютерный курс вами будет  более или менее освоен, имеет смысл начинать с ним работать в компьютерном классе с большой группой учащихся

Как проводить  первые уроки в компьютерном классе

 

Следует особо отметить, что на первых уроках в компьютерном классе, желательно присутствие, особенно в течение первых 10-15 минут, учителя информатики или коллеги, знакомого со спецификой класса, так как наверняка будут возникать технические сбои и неполадки, даже если накануне вы всё проверили и убедились в полной исправности оборудования и программного обеспечения.

В компьютерном классе с большой группой ребят лучше  начинать с фрагмента урока длительностью  не более 10-15 минут, причём обязательно  следует учесть, что все правила  работы, а также задания, которые  учащиеся будут должны выполнить, необходимо разъяснить им до того, как они сели за компьютеры. Это даже лучше сделать  не в компьютерном классе, а в  кабинете физики. После того, как ваши ученики окажутся перед экранами компьютеров, общаться с ними будет возможно только индивидуально. Многолетний опыт показывает, что ребята так сильно увлекаются работой (не обязательно продуктивной), что учителя они просто не слышат, как бы громко он к ним ни обращался.

Только после  того, как вы проведёте несколько  фрагментов уроков и на своём опыте  ощутите основные преимущества и  трудности такого преподавания, имеет смысл попытаться провести целый урок в компьютерном классе. Для этого вам лучше разработать подробный план урока, а также сформулировать вопросы и задания к компьютерным моделям, которые будут предложены учащимся для изучения, причём вряд ли целесообразно предлагать для изучения на одном уроке более двух-трёх моделей. Для того чтобы урок дал максимальный эффект, необходимо вопросы и задания к моделям заранее распечатать и раздать учащимся в начале урока. Часть разработанных нами заданий, которые вы можете использовать на своих уроках, содержится на дискете данного методического комплекта. Содержание дискеты приведено в приложении.

При разработке плана урока  постарайтесь учесть, что длительность работы ребят за компьютерами не должна превышать 30 минут, так как они обязательно должны в конце урока оформить небольшой отчёт (можно в виде ответов на заготовленные вами вопросы) с осмыслением выполненной работы. Возможно, стоит обсудить всей группой основные трудности и обменяться мнениями о полученных результатах. Компьютерные уроки без указанной концовки, как показывает опыт, менее эффективны.

Заметим, что на первых уроках, возможно, следует выделять учащимся время на не запланированные вами эксперименты. Пусть они познакомятся даже с не относящимися к теме урока  моделями (ведь на первых порах им всё  интересно), иначе они обязательно  будут пытаться делать это украдкой. После этого стоит обсудить с  учащимися следующие вопросы:

• Какие модели с их точки зрения самые интересные?
• Что они узнали нового, поработав с той или иной моделью?
• Какие опыты они поставили и какие получили результаты?

Цель обсуждения - показать, что поставить осмысленный опыт и получить результат совсем не просто и здесь есть чему поучиться. Возможно, даже имеет смысл объявить конкурс на самый интересный опыт. Пусть ребята вволю поэкспериментируют и как следует освоят интерфейс курса. Это вам сэкономит время на последующих уроках.

Конечно, если вы смелый и  решительный учитель, то можете сразу  попытаться провести целый урок в компьютерном классе. Но, в таком случае, постарайтесь психологически подготовиться к тому, что урок будет скомкан или вообще сорван как по техническим причинам, так и по причинам того, что ни вы, ни ваши ученики к такому старту, возможно, окажетесь не готовы.

 

 

Компьютерные  модели для курса «Квантовая физика 11 класс»

 

Краткое описание моделей, примеры  теории и задач входящих в компьютерный курс Квантовой физики:

 

• Фотоэффект. Компьютерная программа предназначена для изучения законов фотоэлектрического эффекта. Предусмотрена возможность выбора ряда параметров: длины волны и интенсивности падающего света, величины и знака напряжения между анодом и фотокатодом. Программа позволяет измерить задерживающий потенциал и определить красную границу фотоэффекта.

 

Теория:

Фотоэффектом называют вырывание  электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г. Герцем (1887 г.). Теория фотоэффекта была развита А.Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.

 

Согласно квантовых представлений  свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия Е которых пропорциональна

частоте n:

E=hn,

где h=6.63*10^-34Дж*с - постоянная Планка.

 

Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода А. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением:

Это уравнение объясняет  основные закономерности фотоэффекта:

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла  в секунду, прямо пропорционально световому потоку Р.

2. Максимальная кинетическая  энергия фотоэлектронов линейно  возрастает с частотой света n и не зависит от падающего светового потока.

Если между фотокатодом  и анодом вакуумного фотоэлемента создать  электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения U₀ анодный ток прекращается. Величина Uз определяется соотношением: