14.09.2023

Обучение компьютерному моделированию статья. Применение компьютерного моделирования в процессе обучения розова наталия борисовна

В статье рассматриваются вопросы организации учебных исследований с применением методов компьютерного моделирования. Анализируются общие характеристики учебного исследования как метода обучения, адекватного в целом информатизации образования. Описываются особенности компьютерного моделирования как метода научного исследования. Конструируется обобщенная структура учебного исследования с применением методов компьютерного моделирования, основанная на этапах учебного исследования и общей схеме построения модели. Конкретизируются особенности постановки цели, формулирования гипотезы, разработки системы задач, проведения эксперимента. Общая логика учебного исследования с применением методов компьютерного моделирования раскрывается в виде этапов формирования теоретических представлений об объекте исследования и определения существенных свойств, определения списка параметров для формального описания модели, выбора инструментального средства компьютерного моделирования, построения модели и проведения эксперимента. В заключение статьи приводятся примеры постановки учебных исследований, реализуемых с применением методов компьютерного моделирования.

учебный проект

учебное исследование

компьютерное моделирование

1. Королёв А.Л. Компьютерное моделирование. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 230 с.

2. Коротков А.М. Теоретико-методическая система подготовки учащихся к обучению в компьютерной среде: дис…. д-ра пед. наук. - Волгоград, 2004. - 341 с.

3. Леонтович А.В. Об основных понятиях концепции развития исследовательской и проектной деятельности учащихся // Исследовательская работа школьников. - 2003. - № 4. - С. 18–24.

4. Лецко В.А. Дидактические условия использования компьютера как средства обучения будущих учителей решению поисковых задач: дис.… канд. пед. наук. - Волгоград, 1995. - 158 с.

5. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Учеб. пособие для студ. пед. вузов и системы повыш. квалиф. пед. кадров / Е.С. Полат, М.Ю. Бухаркина, М.В. Моисеева, А.Е. Петров / Под ред. Е.С. Полат. - М.: Издательский центр «Академия», 1999 . - 224 с.

6. Петров А.В. Методологические и методические основы личностно-развивающего компьютерного образования: Монография. Волгоград: Перемена, 2001. 266 с.

7. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. - Изд. 2-е, испр. - М.: Физматлит, 2001. - 320 с.

8. Сергеев А.Н. Компьютерные технологии как средство личностного развития в процессе обучения: новые возможности // Известия Волгоградского государственного педагогического университета. Серия «педагогические науки»: научный журнал. - 2005. - №1(10). - С. 80–85.

9. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 343 с.

Информационные технологии широко применяются в учебном процессе. В 1985 г. в структуру школьного и вузовского образования был включен учебный курс информатики, в рамках которого большое внимание уделялось формированию алгоритмического мышления и программированию для ЭВМ. Одновременно с этим велась разработка и программных средств образовательного назначения по целому спектру учебных дисциплин. Компьютер и обучающие программы рассматривались как новое средство обучения, обеспечивающее формирование знаний и умений обучающихся с учетом возможностей индивидуализации и дифференциации, осуществление контроля, отработку устойчивых навыков выполнения определенных операций . В дальнейшем представления о возможностях и путях использования в образовании информационных технологий расширились и несколько изменились. Компьютер стал пониматься как элемент более широкой, целостной дидактической компьютерной среды , а ведущей идеей информатизации образования стало понимание того, что новые информационные технологии должны обеспечивать прежде всего разработку и реализацию новых педагогических технологий, адекватных запросам сегодняшнего дня .

Таким образом, в настоящее время мы можем говорить, что достижение целей информатизации образования невозможно лишь посредством использования средств информатизации, применения компьютера как средства работы с информацией в ранее сложившихся моделях обучения. Вместе с появлением технических средств должны меняться и методы обучения, адекватные социальному запросу на изменение образования. Во многом эти методы связаны с технологиями проектного обучения, предполагающими активную позицию ученика.

Как указывается в трудах Е.С. Полат, проектная деятельность обучающихся представляет собой совместную учебно-познавательную, творческую или игровую деятельность, имеет общую цель, согласованные методы, способы деятельности, направлена на достижение общего результата деятельности. Непременным условием проектной деятельности является наличие заранее выработанных представлений о конечном продукте деятельности, этапов проектирования и реализации . Е.С. Полат отмечает, что проект всегда начинается с постановки значимой в исследовательском, творческом плане проблемы (задачи), требующей интегрированного знания, исследовательского поиска для ее решения .

Учебный проект, таким образом, становится методом организации учебного исследования, мотивационной основой для его проведения. Исследование естественным образом становится составной частью учебного проекта, так как для достижения целей проекта требует получения новых знаний, что понятно и очевидно для обучающихся .

Анализируя особенности исследовательской деятельности учащихся, А.В. Леонтович указывает на то, что целью учебного исследования является приобретение учащимся функционального навыка исследовательской деятельности как универсального способа освоения действительности, развитие способности к исследовательскому типу мышления, активизации личностной позиции учащегося в образовательном процессе на основе приобретения субъективно новых знаний. При этом эффективная организации и реализация учебного исследования напрямую зависит от проектирования исследования. Учебное исследование предполагает наличие основных этапов, характерных для исследования в научной сфере: 1) постановка проблемы; 2) изучение теории, связанной с выбранной темой; 3) выдвижение гипотез; 4) подбор методик исследования и практическое овладение ими; 5) сбор собственного материала, его анализ и обобщение; 6) формулирование выводов .

Принимая описанные А.В. Леонтовичем этапы проведения исследований, мы считаем необходимым обратить внимание на то, что все современные исследования (как в учебном процессе, так и в «большой» науке) реализуются с применением информационных технологий. Как минимум это относится к этапам изучения информационных источников, сбора, хранения и обработки собственных данных, оформления результатов исследования. При этом есть основания утверждать, что в наибольшей степени возможности информационных технологий реализуются в ситуациях, когда исследовательская деятельность предполагает использование методов, основанных на моделировании изучаемых предметов и явлений в компьютерной среде.

В чем особенность исследовательской работы, проводимой с применением методов компьютерного моделирования? Моделирование как построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений является важнейшим методом исследования. Главная особенность таких исследований заключается в том, что моделирование - метод опосредованного познания, при котором изучаемый объект-оригинал находится в некотором соответствии с другим объектом-моделью, причем модель способна в том или ином отношении замещать оригинал на некоторых стадиях познавательного процесса. Процесс моделирования предполагает наличие: 1) объекта исследования; 2) исследователя, перед которым поставлена конкретная задача; 3) модели, создаваемой для получения информации об объекте и необходимой для решения поставленной задачи .

А. Л. Королёв в общей схеме построения модели выделяет следующие основные этапы.

На основе существующей проблемы формулируется задача исследования, включающая в себя описание объекта моделирования.
Выполняется анализ объекта моделирования: устанавливается, из каких элементов состоит объект, как они взаимодействуют между собой. Устанавливаются свойства объекта, актуальные для решения поставленной задачи. Выявляются факторы, определяющие эти свойства.
Выполняется собственно создание модели, при этом производится выбор вида модели и способа ее построения.
Решается вопрос об интерпретации результатов моделирования (если это необходимо), т.е. о том, как результаты эксперимента с моделью будут перенесены на реальный объект.
Проводятся эксперименты с моделью, осуществляется проверка ее адекватности (степени соответствия по моделируемым свойствам между моделью и объектом).
Выполняется корректировка или переработка модели (в случае ее недостаточной адекватности).
Модель применяется для решения поставленной задачи .

С появлением компьютерной техники моделирование получило новый и очень мощный ресурс своей реализации, так как традиционные аналитические способы построения моделей дополнились возможностями проведения компьютерных вычислений. При этом вычисления производятся автоматически, в соответствии с заданным алгоритмом и не требуют вмешательства человека.

А.А. Самарским было предложено разбить процесс компьютерного моделирования на три этапа: «модель - алгоритм - программа». Данная методология получила развитие в виде технологии вычислительного эксперимента для проведения теоретических исследований. Основой вычислительного эксперимента является математическое моделирование и использование компьютерных технологий .

Развитие идей А.А. Самарского видится и в аспекте применения программных средств для подготовки моделей - алгоритмы могут разрабатываться не только в виде компьютерных программ для известных систем программирования, но и пошаговых указаний для различных математических пакетов, а также специализированных средств компьютерного моделирования. Применение специальных пакетов компьютерного моделирования позволяет быстро строить модели, проводить с ними эксперименты, анализировать и визуализировать результаты моделирования. Реализация моделей не требует применения какой-либо системы программирования, что позволяет значительно снизить трудоемкость разработки моделей и временных затрат на разработку.

Проведение учебного исследования с использованием методов компьютерного моделирования предполагает, таким образом, построение и исследование модели изучаемого объекта. Опираясь на общую структуру учебного исследования, описанную А.В. Леонтович, а также на схему построения модели, предложенную А.Л. Королёвым, мы можем описать обобщенную структуру учебного исследования, реализуемого с применением методов компьютерного моделирования.

Реализация учебного исследования с применением методов компьютерного моделирования начинается с определения проблемы (темы) исследования. На основе анализа проблемы проводится описание объекта исследования, формулируются цель, гипотеза и задачи.

Цель учебного исследования, проводимого с применением методов компьютерного моделирования, может определяться как изучение объекта исследования в аспекте его понимания (понять, как устроен конкретный объект или процесс, каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром), управления (научиться управлять объектом или процессом, определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях) или прогнозирования (предсказать прямые и косвенные последствия воздействия на объект или процесс заданными способами).

Гипотеза формулируется как предположение об объекте исследования, проверка которого может быть проведена в ходе эксперимента с компьютерной моделью.

Задачи учебного исследования с применением методов компьютерного моделирования будут включать в себя:

1) формирование теоретических представлений об объекте исследования (структуре и свойствах объекта), определение существенных свойств для изучения объекта согласно целям моделирования;

2) определение списка параметров, позволяющих описать модель на формальном языке математики (список величин, от которых зависят поведение или структура моделируемого объекта и параметры, которые необходимо получить в результате моделирования согласно поставленным целям);

3) выбор инструментального средства компьютерного моделирования (системы программирования, табличных процессоров, пакетов компьютерной математики, специальных пакетов для моделирования процессов различного типа) согласно методу решения математической модели (численное, статистическое или имитационное моделирование);

4) построение модели и проведение эксперимента для проверки или опровержения гипотезы.

В ходе проведения эксперимента осуществляются проверка адекватности модели реальному объекту, сбор и анализ экспериментальных данных, изучаются свойства объекта, находятся его оптимальные параметры и режимы работы, при необходимости уточняется модель. По итогам проведенного эксперимента формулируются выводы о правомерности выдвинутой гипотезы, условиях и границах применимости полученных результатов.

Для иллюстрации описанной выше структуры учебного исследования, реализуемого с применением методов компьютерного моделирования, приведем примеры постановки учебных исследований, реализованных при нашем руководстве студентами факультета математики, информатики и физики Волгоградского государственного социально-педагогического университета.

1. Тема: «Движение тела, брошенного под углом к горизонту». Проблемная ситуация: известно, что без учета сопротивления окружающей среды тело, брошенное под углом к горизонту, движется по траектории параболы. Очевидно, что при наличии сопротивления будет меняться дальность полета тела. Но будет ли при этом меняться и характер траектории движения тела?

Объект исследования - траектория движения материального тела, брошенного под углом к горизонту. Цель исследования: выявить характер влияния сопротивления среды на траекторию движения материального тела. В качестве гипотезы исследования может быть выдвинуто предположение о том, что траектория движения зависит от сопротивления среды.

Задачи исследования: выявление параметров, определяющих траекторию движения материального тела; построение математической модели; осуществление численного моделирования путем составления программы для системы программирования Turbo Delphi; визуализация результатов моделирования (построение траектории движения в прямоугольной системе координат); проведение численного эксперимента для ряда значений коэффициентов сопротивления; анализ полученных результатов и формулирование выводов.

В результате проведения исследования было выявлено, что дальность и траектория движения тела, брошенного под углом к горизонту, зависят от его массы, начальной скорости, угла бросания, сопротивления среды. Изменение значений коэффициентов сопротивления среды влияет на вид траектории движения: без учета сопротивления среды траектория описывается параболой, а с учетом сопротивления среды - кривой, которая от параболы отличается. Указанные результаты позволили сделать заключение о том, что выдвинутая гипотеза является правомерной, от сопротивления среды зависит не только дальность полета тела, но и траектория его движения.

2. Тема: «Динамика развития популяций». Проблема: в некоторой экологической системе существуют популяции двух видов особей, потребляющих общий ресурс и находящихся в конкурентной борьбе за его использование. Возможно ли устойчивое совместное сосуществование популяций, или одна из популяций обязательно вытеснит другую?

В качестве объекта исследования рассматривается динамика развития популяций. Цель исследования: на основе логистической модели межвидовой конкуренции изучить влияние межвидовой конкуренции на развитие популяций. Гипотеза - совместное существование двух популяций возможно, если межвидовая конкуренция популяций слабее, чем внутривидовая конкуренция.

В процессе проведения исследования решаются следующие задачи: реализация логистической модели межвидовой конкуренции двух популяций с непрерывным размножением с помощью универсальной системы моделирования MVS (Model Vision Studium); обеспечение визуализации результатов моделирования (в виде графиков искомых функций); проведение эксперимента с целью определения возможных вариантов развития двух конкурирующих популяций.

В результате экспериментов было установлено, что если межвидовая конкуренция слабее, чем внутривидовая, то возможно совместное существование двух популяций; полное вытеснение одной из них возникает в случае, если влияние одной из популяций оказывается сильнее, чем конкуренция внутри другой популяции. Полученные результаты позволили сделать заключение о подтверждении выдвинутой гипотезы.

Таким образом, методология проведения исследований с использованием методов компьютерного моделирования позволяет по-новому подойти к организации и проведению учебного исследования, описать проектно-исследовательский метод обучения на уровне педагогической технологии. Построение компьютерных моделей и проведение вычислительных экспериментов дают возможность обучающимся выступить в роли исследователя, получив опыт анализа проблем, поставки целей исследования, формулирования гипотез и задач. Само исследование предстает как процесс подтверждения или опровержения гипотезы при помощи обоснованных методов, применяемых в «большой» науке. Подобный характер учебной деятельности обучающихся способствует не только освоению новых знаний и умений в области информатики и других дисциплин, но также приобретению опыта планирования и реализации собственных исследований, обоснования полученных в ходе исследования результатов.

Рецензенты:

Гермашев И.В., д.т.н., профессор кафедры информатики и информатизации образования ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный социально-педагогический университет», г. Волгоград;

Сергеев А.Н., д.п.н., профессор кафедры информатики и информатизации образования ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный социально-педагогический университет», г. Волгоград.

Библиографическая ссылка

Маркович О.С. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В УЧЕБНОМ ИССЛЕДОВАНИИ: РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21724 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Обучение компьютерному моделированию в школьном курсе информатики

В нашей исследовательской работе мы предполагаем, что наиболее эффективным с точки зрения развития творческих способностей учащихся является материал, связанный с информационным моделированием. Прежде чем проверить эту гипотезу рассмотрим место и значение компьютерного моделирования, цели и задачи обучения компьютерному моделированию и понятия, формируемые при обучении моделированию.

Место и значение компьютерного моделирования в школьном курсе информатики

В обязательном минимуме содержания образования по информатике присутствует линия "Моделирование и формализация", которая наряду с линией информации и информационных процессов, является теоретической основой базового курса информатики.

Не следует считать, что тема моделирования носит чисто теоретический характер и автономна от всех других тем. Большинство разделов базового курса имеют прямое отношение к моделированию, в том числе и темы, относящиеся к технологической линии курса. Текстовые и графические редакторы, СУБД, табличные процессоры, компьютерные презентации следует рассматривать как инструменты для работы с информационными моделями. Алгоритмизация и программирование также имеют прямое отношение к моделированию. Следовательно, линия моделирования является сквозной для многих разделов базового курса.

По мнению Бешенкова С.А. и др. темы "Информация и информационные процессы" и "Формализация и моделирование" являются ключевыми в курсе информатики. Данные темы объединяют в единое целое такие традиционные темы курса, как "Алгоритмы и исполнители", "Информационные технологии" и др. .

Создатели авторских курсов "Информатика в играх и задачах" и "Информатика-плюс" считают, что основная задача школьного курса информатики - формирование и развитие умения анализировать и строить информационно-логические модели.

Бояршинов М.Г. полагает целесообразным введение в рамках предмета информатики курса компьютерного моделирования, целью которого будет являться ознакомление учащихся с приемами решения задач физики, химии, математики, экономики, экологии, медицины, социологии, дисциплин гуманитарного направления, конструкторских и технологических проблем с помощью современной вычислительной техники .

Кузнецов А.А., Бешенков С.А., Ракитина Е.А. считают, что основными компонентами курса информатики, которые придают ему системный характер, являются "Информационные процессы", "Информационные модели", "Информационные основы управления". Решение задачи всегда начинается с моделирования: построения или выбора ряда моделей: модель содержания задачи (формализация условий), модель объекта, выбранная в качестве рабочей для решения этой конкретной задачи, модель (метод) решения и модель процесса решения задачи.

Таким образом, изучение информационных процессов, как и вообще любого феномена внешнего, мира, основано на методологии моделирования. Специфика информатики в том, что она использует не только математические модели, но и модели всевозможных форм и видов (текст, таблица, рисунок, алгоритм, программа) - информационные модели. Понятие информационной модели придает курсу информатики тот широкий спектр межпредметных связей , формирование которых является одной из основных задач этого курса в основной школе. Сама же деятельность по построению информационной модели - информационное моделирование является обобщенным видом деятельности, который характеризует именно информатику .

Одним из эффективных методов познания окружающей действительности является метод моделирования, который является мощным аналитическим средством, вобравшим в себя весь арсенал новейших информационных технологий.

Обобщающий характер понятия "информационное моделирование" обусловлен тем, что при работе с информацией мы всегда либо имеем дело с готовыми информационными моделями (выступаем в роли их наблюдателя), либо разрабатываем информационные модели.

Информационное моделирование является не только объектом изучения в информатике, но и важнейшим способом познавательной, учебной и практической деятельности. Его также можно рассматривать как метод научного исследования и как самостоятельный вид деятельности.

Зубко И.И. информационное моделирование определяет как "новый общенаучный метод познания объектов окружающей действительности (реальной и идеальной), ориентированный на использование компьютера". Моделирование рассматривается как способ познания, с одной стороны, и как содержание, которое должно быть усвоено учащимися, с другой. Автор считает, что наиболее эффективно обучение учащихся информационному моделированию возможно в случае реализации на практике метода проектов интегрирующего в себе исследовательскую, самостоятельную и творческую работу в самых разных вариантах .

Галыгина И.В. считает, что обучение информационному моделированию целесообразно проводить на основе следующих подходов:

модельного, в соответствии, с которым моделирование рассматривается как инструмент познания, объект изучения и средство обучения;

объектного, подразумевающего выделение и анализ разных типов объектов: объекта изучения, информационной модели как нового объекта, объектов языка моделирования, используемых для построения модели.

Информационное моделирование в педагогике может рассматриваться в трех аспектах, как:

инструмент познания, поскольку получение новых знаний о реальном объекте, соответствующей информационной модели, объектах языка моделирования, используемых для описания этой модели, происходит в процессе построения и исследования модели;

средство обучения, так как процесс обучения в большинстве случаев связан с оперированием информационными моделями изучаемого объекта, такими как словесное описание, графическое изображение,

формульное представление закономерностей и др.;

объект изучения, поскольку информационная модель может рассматриваться как самостоятельный информационный объект, с присущими ему особенностями, свойствами, характеристиками.

Основное отличие данных аспектов с точки зрения обучаемого заключается в том, что в первом случае в процессе познавательной деятельности обучаемый сам строит модель изучаемого объекта на базе собственного опыта, знаний, ассоциаций. Во втором случае обучаемому предоставляется модель изучаемого объекта, разработанная учителем, автором учебного пособия или создателем научной теории. В последнем случае совокупность моделей является изучаемым объектом.

Включение в содержательную линию "Моделирование и формализация" базового курса информатики модуля "Информационное моделирование" позволит создать прочную основу для:

сознательного использования информационных моделей в учебной деятельности;

знакомства учащихся с методикой научной исследовательской деятельности;

последующего углубленного изучения информационного моделирования в профильных курсах информатики .

Титова Ю.Ф. считает, что важнейшей образовательной функцией является развитие творческого потенциала учащихся. Опыт творческой деятельности формируется через решение проблемных задач разной направленности и, в частности, через исследовательскую деятельность. Одним же из важнейших инструментов исследовательской деятельности является моделирование. Автором была разработана методика обучения моделированию в базовом курсе информатики, сочетающая теоретический материал, в основе которого лежит формализованный подход к разработке и исследованию моделей, и комплекс исследовательских задач, обеспечивающий интеграцию знаний из различных образовательных областей. Автор считает, что применение данной методики обеспечит развитие у учащихся широкого спектра интеллектуальных умений, таких как абстрагирование и конкретизация, обобщение, классификация, анализ, осмысление результатов своих действий.

Глава 1. Модели и моделирование в науке и обучении.

1.1 Модели и моделирование в современной науке.

1.2 Применение моделей в процессе обучения школьников.

1.3 Компьютерное моделирование в обучении.

Глава 2. Психологические и педагогические основы компьютерного обучения.

2.1 Психолого-педагогические аспекты компьютерного обучения.

2.2 Особенности учебной деятельности и управления ею на основе компьютерного обучения.

Глава 3. Методика организации и проведения уроков по физике в 10 классе средней общеобразовательной школы при изучении темы «Молекулярная физика» с применением компьютерного моделирования.

3.1 Анализ состояния компьютерного моделирования в разделе «Молекулярная физика».

3.2 Характеристика экспериментальной программы компьютерного моделирования динамики систем многих частиц и возможности ее использования в учебном процессе.

3.3 Методика организации и проведения уроков физики в 10 классе при изучении раздела «Молекулярная физика» на основе экспериментальной программы.

4.1 Задачи эксперимента и организации его проведения.

4.2 Анализ результатов педагогического эксперимента.

Введение диссертации по педагогике, на тему "Применение компьютерного моделирования в процессе обучения"

Одним из важнейших направлений развития общества является образование. Образование «работает» на будущее, оно определяет личные качества каждого человека, его знания, умения, навыки, культуру поведения, мировоззрение, тем самым создавая экономический, нравственный и духовный потенциал общества. Информационные технологии являются одним из главных инструментов в образовании, поэтому разработка стратегии их развития и использования в сфере образования составляет одну из ключевых проблем. Следовательно, использование вычислительной техники приобретает общегосударственное значение. Многие специалисты полагают, что в настоящее время компьютер позволит осуществить качественный рывок в системе образования, так как учитель получил в свои руки мощное средство обучения. Обычно выделяют два основных направления компьютеризации. Первое ставит цель обеспечить всеобщую компьютерную грамотность, второе - использовать компьютер в качестве средства, повышающего эффективность обучения.

В системе обучения различают два вида деятельности: обучающую и учебную. Н.Ф. Талызина и Т.В. Габай предложили рассматривать роль компьютера в обучении с точки зрения той функции, которую он выполняет.

Если компьютер выполняет функцию управления учебной деятельностью, то его можно рассматривать как обучающее средство, заменяющее педагога, так как компьютер моделирует обучающую деятельность, задает вопросы и реагирует на ответы и вопросы школьника как педагог.

Если компьютер используется только как средство учебной деятельности, то взаимодействие его с учащимися осуществляется по типу «пользователь ЭВМ». В данном случае компьютер не является средством обучения, хотя он и может сообщать новые знания. Поэтому, когда говорят о компьютерном обучении, то имеют в виду использование компьютера как средства управления учебной деятельностью.

Несмотря на то, что пока нет единой классификации обучающих программ, многие авторы выделяют среди них следующие пять типов: тренировочные, наставнические, проблемного обучения, имитационные и моделирующие, игровые. Компьютерные модели имеют наиболее высокий ранг среди выше указанных. Согласно В.В. Лаптеву , «компьютерная модель - это программная среда для вычислительного эксперимента, объединяющая в себе на основе математической модели явления или процесса средства интерактивного взаимодействия с объектом эксперимента и развитие средства отображения информации. Компьютерные модели - основной объект для вычислительной физики, отличительным методом которой является вычислительный эксперимент точно так же, как отличительным методом экспериментальной физики является натурный эксперимент». Академик В.Г. Разумовский отмечает, что «с введением в учебный процесс компьютеров возрастают возможности многих методов научного познания, особенно метода моделирования, который позволяет резко повысить интенсивность обучения, поскольку при моделировании выделяется сама суть явлений и становится ясной их общность».

Современное состояние компьютерного обучения характеризуется большим набором обучающих программ, значительно отличающихся по качеству. Дело в том, что на начальном этапе компьютеризации школ учителя, использовавшие компьютерное обучение, создавали свои обучающие программы, а поскольку они не являлись профессиональными программистами, то и созданные ими программы были малоэффективными. Поэтому, наряду с программами, обеспечивающими проблемное обучение, компьютерное моделирование и так далее, имеется большое число примитивных обучающих программ, не влияющих на эффективность обучения. Таким образом, задачей учителя становится не разработка обучающих программ, а умение использовать готовые качественные программы, отвечающие современным методическим и психолого-педагогическим требованиям.

Одним из главных критериев дидактической значимости моделирующих программ является возможность проведения исследований, которые ранее в условиях школьного физического кабинета были неосуществимы. В содержании физического школьного образования есть ряд разделов, натурный эксперимент в которых лишь качественно описывает изучаемое явление или процесс. Применение компьютерных моделей позволило бы провести и количественный анализ данных объектов.

Одним из таких разделов школьной физики является молекулярная физика, состояние компьютерного обучения в котором мы и проанализируем. Изучая его, учащиеся встречаются с качественно новой формой движения материи - тепловым движением, в котором, кроме законов механики, действуют и законы статистики. Натурные эксперименты (броуновское движение, диффузия, взаимодействие молекул, испарение, поверхностные и капиллярные явления, смачивание) подтверждают гипотезу молекулярного строения вещества, но не позволяют наблюдать механизм происходящих физических процессов. Механические модели: опыт Штерна, доска Гальтона, установка для демонстрации газовых законов дают возможность проиллюстрировать закон Максвелла распределения молекул газа по скоростям и получить экспериментально соотношения между давлением, объемом и температурой, необходимые для вывода газовых законов.

Применение современной электронной и электронно-вычислительной техники позволяет существенно дополнить постановку и проведение эксперимента. К сожалению, число работ по данной теме очень незначительно.

В работе описано применение компьютера для демонстрации зависимости скорости молекул различных газов от температуры, расчет изменения внутренней энергии тела при испарении, плавлении и кристаллизации, а также использование компьютера при обработке лабораторных работ. Здесь же дано описание урока по определению КПД идеального теплового двигателя на основании цикла Карно.

Методика постановки эксперимента с применением электронной и электронно-вычислительной техники описана В.В. Лаптевым . Схема эксперимента выглядит так: измеряемые величины->датчики-^аналого-цифровой преобразователь-микрокалькулятор МК-В4 или ЭВМ «Yamaha». По этому принципу сконструирована универсальная электромеханическая установка для изучения в школьном курсе физики газовых законов.

В книге А.С.Кондратьева и В.В.Лаптева «Физика и компьютер» разработаны программы, анализирующие в виде графиков формулу максвеллов-ского распределения молекул по скоростям, использования распределения Больцмана для расчета высоты подъема и исследование цикла Карно.

И.В. Гребенев представляет программу, моделирующую теплоперенос путем столкновения частиц двух тел .

В статье «Моделирование лабораторных работ физического практикума» В.Т. Петросяна и других содержится программа моделирования броуновского движения частиц, число которых задается экспериментом .

Наиболее полной и удачной разработкой раздела молекулярной физики является учебный компьютерный курс «Открытая физика» ТОО НЦ ФИЗИ-КОН. Представленные в нем модели охватывают весь курс молекулярной физики и термодинамики. Для каждого эксперимента представлены компьютерная анимация, графики, численные результаты. Программы хорошего качества, удобны для пользователя, позволяют наблюдать динамику процесса при изменении входных макропараметров.

В то же время, на наш взгляд, данный компьютерный курс более всего подходит для закрепления пройденного материала, иллюстрации физических законов, самостоятельной работы учащихся. Но применение предложенных экспериментов в качестве компьютерных демонстраций затруднено, так как они не имеют методической поддержки, невозможно управлять временем протекающего процесса.

Следует отметить, что к настоящему времени «не выработано установившегося взгляда на конкретное указание: где и когда нужно применять компьютер в процессе обучения, не наработано практического опыта по оценке воздействия компьютера на эффективность обучения, нет установившихся нормативных требований к виду, типу и параметрам аппаратно-программных средств учебного назначения» .

Вопросы о методической поддержке педагогических программных средств поставил И.В. Гребенев .

Важнейшим критерием эффективности компьютерного обучения следует, вероятно, считать возможность получения учащимися в диалоге с ЭВМ нового, важного знания по предмету, путем такого уровня или при таком характере познавательной активности, которые невозможны при безмашинном обучении, при условии, конечно, что их педагогический эффект и окупает затраты времени учителя и учащегося».

Значит, чтобы использование ЭВМ приносило реальную пользу, необходимо определить, в чем существующая методика несовершенна, и показать, какие свойства компьютера и каким образом способны повысить эффективность обучения.

Анализ состояния компьютерного моделирования свидетельствует о том что:

1) компьютерное моделирование представлено небольшим количеством программ вообще и в частности тех, которые моделируют физические процессы, исходя из положений молекулярно-кинетической теории (MKT);

2) в программах, моделирующих на основе MKT, нет никаких количественных результатов, а имеет место лишь качественная иллюстрация какого-либо физического процесса;

3) во всех программах не представлено связи микропараметров системы частиц с её макропараметрами (давлением, объёмом и температурой);

4) не существует разработанной методики проведения уроков с использованием компьютерных моделирующих программ по ряду физических процессов MKT.

Это и определяет актуальность исследования.

Объект исследования - процесс обучения в средней общеобразовательной школе.

Предметом исследования является процесс применения компьютерного моделирования при обучении физике в средней общеобразовательной школе.

Цель исследования - изучить педагогические возможности компьютерного моделирования и разработать методическое обеспечение использования компьютерных моделирующих программ на материале школьного курса физики.

Исходя из цели исследования, в работе ставились следующие задачи:

1) провести целостный анализ возможностей использования компьютерного моделирования в процессе обучения;

2) определить психолого-педагогические требования к учебным компьютерным моделям;

3) проанализировать отечественные и зарубежные компьютерные программы, моделирующие физические явления и дающие реальный обучающий эффект;

4) разработать компьютерную моделирующую программу на материале физического содержания среднего общего образования (раздел «Молекулярная физика»);

5) проверить применение экспериментальной компьютерной моделирующей программы и оценить ее дидактико-методический результат.

Гипотеза исследования.

Качество знаний, умений и информационная культура учащихся могут повыситься, если в процессе обучения физике использовать компьютерные моделирующие программы, методическое обеспечение которых заключается в следующем:

Адекватно теоретическим основам компьютерного моделирования в процессе обучения определены задачи, место, время, форма использования учебных компьютерных моделей;

Осуществляется вариативность форм и методов управления деятельностью учащихся;

Осуществляется обучение школьников переходу от реальных объектов к моделям и обратно.

Методологическую основу исследования составляют: системный и деятельностный подходы к исследованию педагогических явлений; философские, кибернетические, психологические теории компьютерного моделирования (A.A. Самарский, В.Г. Разумовский, Н.В. Разумовская, Б.А. Глинский, Б.В. Бирюков, В.А. Штофф, В.М. Глушков и другие); психолого-педагогические основы компьютеризации обучения (В.В. Рубцов, Е.И. Маш-биц) и концепции развивающего образования (Л.С.Выготский, Д.Б.Эльконин, В.В.Давыдов, Н.Ф. Талызина, П.Я. Гальперин). Методы исследования:

Научно-методический анализ философской, психологической, педагогической и методической литературы по исследуемой проблеме;

Анализ опыта учителей, анализ собственного опыта преподавания физики в средней школе и методики физики в вузе;

Анализ моделирующих компьютерных программ по молекулярной физике отечественных и зарубежных авторов с целью определения содержания программы;

Моделирование физических явлений в молекулярной физике;

Компьютерные эксперименты на базе отобранных моделирующих программ;

Анкетирование, беседа, наблюдение, педагогический эксперимент;

Методы математической статистики.

База исследования: школы № 3, 11, 17 г. Вологды, Вологодский государственный естественно-математический лицей, физико-математический факультет Вологодского государственного педагогического университета.

Исследование осуществлялось в три этапа и имело следующую логику.

На первом этапе (1993-1995 гг.) была определена проблема, цель, задачи и гипотеза исследования. Анализировалась философская, педагогическая и психологическая литература с целью выявления теоретических основ разработки и использования компьютерных моделей в процессе обучения.

На втором этапе (1995 - 1997 гг.) проводилась опытно-экспериментальная работа в рамках изучаемой проблемы, предлагались методические разработки использования на уроках физики компьютерных моделирующих программ.

На третьем этапе (1997 - 2000 гг.) проводился анализ и обобщение опытно-экспериментальной работы.

Достоверность и обоснованность полученных результатов гарантируется: теоретико-методологическими подходами к исследованию проблемы компьютерного моделирования в обучении; сочетанием качественного и количественного анализа результатов, включающего применение методов математической статистики; методами, адекватными цели и предмету исследования; научно-обоснованными требованиями к разработке компьютерной моделирующей программы.

Последнее требует некоторого пояснения. Нами разработана программа моделирования динамики систем многих частиц, расчёт движения которых базируется на алгоритме Верле, используемом X. Гулдом и Я. Тобочни-ком. Данный алгоритм прост и даёт точные результаты даже при малых промежутках времени, а это очень важно при изучении статистических закономерностей. Оригинальный интерфейс программы позволяет не только видеть динамику процесса и изменять параметры системы, фиксируя результаты, но и даёт возможность изменить время эксперимента, остановить эксперимент, сохранять данный кадр и с него начинать последующую работу над моделью.

Исследуемая система состоит из частиц, скорости которых задаются случайным образом и которые взаимодействуют друг с другом по законам механики Ньютона, а силы взаимодействия между молекулами отображаются кривой Леннарда-Джонсона, то есть в программе заложена модель реального газа. Но, изменяя начальные параметры, можно привести модель к идеальному газу.

Представленная нами программа компьютерного моделирования позволяют получить численные результаты в относительных единицах, подтверждающие следующие физические закономерности и процессы: а) зависимость силы взаимодействия и потенциальной энергии частиц (молекул) от расстояния между ними; б) распределение Максвелла по скоростям; в) основное уравнение молекулярно-кинетической теории; г) законы Бойля-Мариотта и Шарля; д) опыты Джоуля и Джоуля-Томсона.

Выше указанные эксперименты могут подтвердить справедливость метода статистической физики, так как результаты численного эксперимента соответствуют результатам, полученным на основании законов статистики.

Педагогический эксперимент подтвердил эффективность методики проведения уроков с использованием компьютерных моделирующих программ.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования:

1. Осуществлено комплексное описание компьютерного моделирования, применяемого в процессе обучения (философское, кибернетическое, педагогическое).

2. Обоснованы психолого-педагогические требования к компьютерным учебным моделям.

3. Применен метод компьютерного моделирования динамики многих частиц, который позволил впервые в школьном курсе молекулярной физики создать компьютерную модель идеального газа, позволяющую продемонстрировать связь микропараметров системы (скорость, импульс, кинетическая, потенциальная и полная энергия движущихся частиц) с макропараметрами (давление, объем, температура).

4. На основе программ компьютерного моделирования в методике физики осуществлены следующие численные эксперименты: получено основное уравнение молекулярно-кинетической теории; показана связь температуры с кинетической энергией поступательного движения частиц (молекул); смоделированы опыты Джоуля и Джоуля-Томсона для идеального и реального газов.

Практическая значимость исследования заключается в том, что отобранное содержание и разработанные компьютерные моделирующие программы могут быть использованы в средней общеобразовательной школе для проведения численного эксперимента по ряду вопросов молекулярной физики. Разработана и проверена в эксперименте методика проведения уроков по молекулярной физике с использованием моделирующих компьютерных программ. Материалы и результаты исследования могут быть также применены в процессе обучения студентов педвузов и повышения квалификации учителей физики и информатики.

Апробация основных материалов и результатов» полученных в ходе исследования, проводилась

На международной электронной научно-технической конференции (Вологда, 1999);

На межвузовской научно-практической конференции «Социальные аспекты адаптации молодежи к меняющимся условиям жизни» (Вологда, 2000);

На второй региональной научно-методической конференции «Современные технологии в высшем и среднем профессиональном образовании» (Псков, 2000);

На шестой Всероссийской научно-практической конференции «Проблема учебного физического эксперимента» (Глазов, 2001);

При преподавании физики в средних школах города Вологды, на занятиях по методике преподавания физики со студентами ВГПУ, на семинарах аспирантов ВГПУ и преподавателей кафедры общей физики и астрономии.

На защиту выносятся:

1. Теоретические подходы к применению компьютерного моделирования в процессе обучения и его методическое обеспечение.

3. Методика организации и проведения уроков физики в 10-м классе средней общеобразовательной школы при изучении темы «Молекулярная физика» на основе компьютерной моделирующей программы.

Структура диссертации.

Структура диссертации определена логикой и последовательностью решения поставленных задач. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии.

Заключение диссертации научная статья по теме "Общая педагогика, история педагогики и образования"

В результате проведенного теоретического и экспериментального исследования удалось определить направления совершенствования преподавания курса молекулярной физики в 10 классе на основе использования учебных компьютерных моделей динамики систем частиц. Особое внимание при этом было обращено на разработку методических рекомендаций по включению работы с моделями в уроки и подготовку примерных сценариев данных уроков, основанных на применении компьютерных моделей.

Это позволило повысить эффективность обучения, реализовать индивидуальный подход, развить такие качества личности, как наблюдательность, самостоятельность, сформировать элементы информационной культуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленными задачами исследования получены следующие основные результаты:

1. Проведенный анализ литературы по изучению моделей и моделирования позволил выделить ряд теоретических положений, характеризующих их с гносеологических, кибернетических и др. позиций. Моделирование является универсальным методом познания мира. И модели, как результат процесса моделирования, имеют многоаспектное значение. Применение моделей позволяет упростить сложные природные явления, выделив при этом наиболее сложные стороны объекта. Это дает возможность, как правило, воспользоваться математическим языком описания, наиболее приспособленным для переработки информации, получить доступные экспериментальной проверке количественные результаты, и соотнести эти результаты с реальным объектом. Процесс обучения является своеобразным аналогом процесса научного познания. А поскольку научному познанию свойственно упрощать описание реальных объектов посредством модельных представлений, то и использование моделей и моделирования в обучении следует признать обоснованным. Моделирование широко применяется при обучении в школе, особенно современная его форма - компьютерное моделирование. Компьютерные модели сочетают в себе достоинства учебных моделей, особенно такие, как возможности абстрагирования и исследования поведения динамических систем, с имитационными свойствами компьютера и разнообразными способами обработки, хранения и получения информации. Поэтому слияние достоинств моделирования с возможностями компьютера позволяет получить достаточно сильный эффект в обучении, который мы назвали познавательным резонансом в обучении.

2. Изложенные выше положения стали теоретической основой обучения с использованием компьютерного моделирования. Это обоснование полиаспект-но: оно включает информационный, психологический и дидактический аспекты.

Информационный аспект предполагает:

Возможность получения новой разнообразной информации;

Реализацию выбора информации;

Развитие информационной культуры учащихся.

Психологический аспект реализации возможностей компьютерного моделирования в обучении отражает:

Особый характер отношений ученика с окружающими объектами (тройственность взаимоотношений между учеником, учителем и компьютером), который дает возможность более вариативного подхода к построению учебной деятельности;

Более широкие возможности реализации индивидуального подхода;

Влияние на познавательный интерес школьников;

Психические особенности восприятия, памяти, мышления, воображения;

Новые возможности коммуникативной организации обучения.

Дидактический аспект применения компьютерных моделей в школе состоит в том, что появляется возможность

Реализовать основные дидактические принципы обучения;

Использовать различные формы организации процесса обучения;

Разработать и реализовать цели обучения;

Отобрать содержание изучаемого материала в соответствии с используемыми компьютерными моделями;

Получить качественно новые результаты обучения.

3. На основании изучения психолого-педагогической литературы можно выделить три основные группы проблем, связанных с применением компьютеров: первая связана с теоретическим обоснованием обучения, вторая представляет собой проблему создания обоснованной технологии компьютерного обучения, а третья объединяет психолого-педагогические аспекты проектирования обучающих программ. Анализ путей решения этих проблем позволил нам выделить ряд требований, соблюдение которых необходимо при проектировании учебных компьютерных программ. Эти требования включают психологические особенности восприятия, памяти, мышления школьников, организацию учебной деятельности, реализацию диалоговых свойств компьютера. При разработке компьютерных учебных программ должны быть учтены такие аспекты, как содержание программы, дидактические цели, реализуемые ею, обучающие функции, место и время включения программы в учебный процесс, методическое обеспечение, учет возрастных особенностей развития детей.

4. Изучение свойств моделирующих программ отечественного и зарубежного производства позволило выделить среди них пригодные для использования в процессе обучения молекулярной физике в средней общеобразовательной школе. Отечественный учебный компьютерный курс «Открытая физика» ТОО НЦЦ ФИЗИКОН состоит из набора качественных демонстраций, позволяющих наблюдать динамику молекулярных и термодинамических процессов. Но наиболее полно компьютерное моделирование хаотического движения молекул газа представлено в работе X. Гулда и Я. Тобочника «Компьютерное моделирование в физике». Данная программа, моделирующая динамику систем многих частиц, позволит установить связь микропараметров движущихся частиц с макропараметрами газа.

5. На основании модели динамики систем многих частиц, предложенной X. Гулдом и Я. Тобочником, нами разработана компьютерная моделирующая программа и система заданий для изучения основ молекулярно-кинетической теории с использованием компьютера. При создании интерфейса программы мы опирались на те требования компьютерным моделирующим программам, которые были рассмотрены в первой и второй главах. Нами было отобрано содержание программы, определены дидактические задачи, учтены возможные ошибки школьников и помощь для их устранения. Полученная компьютерная модель является динамичной, структурно-системной, вариативной и обладает такими свойствами как наглядность, информативность, простота управления, цикличность программы.

6. Разработана методика целостного изучения раздела «Молекулярная физика», охватывающая весь объем материала по относительно самостоятельной теме. Занятия строятся на вариативности компьютерной модели, которая предусматривает разнообразные формы включения моделирующей программы в урок, различные способы общения между учителем, учеником и компьютером, возможности изменять структуру компьютерного обучения.

7. Экспериментальная проверка разработанной методики проведения уроков с компьютерной поддержкой показала ее эффективность. Был проведен сравнительный анализ качества знаний учащихся контрольных и экспериментальных классов с использованием методов статистики. Нами установлено, что качество знаний учащихся экспериментальной группы выше, чем учащихся контрольной группы, а следовательно данная методика позволяет реализовать индивидуальный подход, дает возможность развить познавательный интерес, интеллектуальную деятельность школьника, самостоятельность, сформировать элементы информационной культуры.

Мера помощи учителя;

Учет санитарно-гигиенических требований по работе с компьютером.

Список литературы диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Розова, Наталия Борисовна, Вологда

1. Агапова, О. Проектно-созидательная модель обучения / О.Агапова, А.Кривошеев, А.Ушаков // Alma Mater (Вестн. высш. шк.). 1994 - №1. - С. 19.

2. Балыкина, E.H. Новые информационные технологии обучения общественным наукам / Е.Н.Балыкина // Пути применения электронно-вычислительной техники в научно исследовательской работе: Сб. науч. ст. (Материалы творч. дискус.). - М., 1991. - С.95 - 99.

3. Балыкина, E.H. Технология производства компьютерных учебных программ по историческим дисциплинам / Е.Н.Балыкина // Опыт компьютеризации исторического образования в странах СНГ: Сб.ст. / Под ред.: В.Н.Сидорцова, Е.Н.Балыкиной. Минск, 1999. - С. 135-149.

4. Беллман, Р. Динамическое программирование / Р.Беллман М., 1960. - 400с.

5. Белостоцкий, П.И. Компьютерные технологии: Соврем, урок физики и астрономии / П.И.Белостоцкий, Г.Ю.Максимова, Н.Н.Гомулина // Первое сент. 1999 - №20. - С. 3. - (Физика).

6. Бергер, Н. М. Развитие статистических представлений в молекулярной физике / Н.М.Бергер // Физика в шк. 1993. - N5. - С. 38-42.

7. Берсенева, Н.Б. Состояние компьютерного моделирования в курсе молекулярной физики и термодинамики средней школы / Н.Б.Берсенева // Сб. науч. работ студентов и аспирантов ВГПУ. Вологда, 1996. - Вып.4. - С. 307310.

8. Беспалько, В. П. Слагаемые педагогической технологии / В.П.Беспалько -М.: Педагогика, 1989. 192с.

9. Билл, Г.А. Теоретический анализ обучающих программ: Сообщ. 1: Новое исследование в педагогических науках / Г.А.Билл, А.М.Довченко, Е.И.Машбиц // 1965.-Вып. 4.-С.

10. Бирюков, Б.В. Моделирование / Б.В.Бирюков // Философ, энциклопед. слов. -М., 1989. С.373-374.

11. Бирюков, Б. В. Модель / Б.В.Бирюков // Философ.энциклопед. слов. М., 1989. - С.373-374.

12. Буховцев, Б. Б. Новое учебное пособие для 9 класса / Б.Б.Буховцев, Ю.Л. Климонтович, Г.Я. Мякишев // Физика в шк. 1971. - № 1. - С. 22-23.

13. Буховцев, Б. Б. Физика-9: Учеб. для 9 кл. сред. шк. / Б.Б.Буховцев, Ю.Л. Климонтович, Г.Я. Мякишев. -М.: Просвещение, 1971. 271 с.

14. Буховцев, Б.Б. Физика-9: Учеб. для 9 кл. сред. шк. / Б.Б.Буховцев, Ю.Л. Климонтович, Г.Я. Мякишев. М.: Просвещение, 1986. - 271 с.

15. Буховцев, Б.Б. Физика: Учеб. для 10 кл. сред. шк. / Б.Б.Буховцев, Ю.Л. Климонтович, Г.Я. Мякишев. -М.: Просвещение, 1990.

16. Ваграменко, Я.А. О сертификации компьютерных учебных программ / Я.А.Ваграменко // Информатизация базового гуманитарного образования в высшей школе: Тез. докл. межвуз. науч. метод, конф. - М., 1995. - С. 55 - 57.

17. Вильяме, Ф. Компьютеры в школе / Ф.Вильямс, К.Маклин. М., 1998. - 164 с.

18. Вопросы компьютеризации учебного процесса: из опыта работы: Кн. для учителя / Сост. Н.Д. Угринович; Под ред. Л.П. Шило. М.: Просвещение, 1987. - 128 с.

19. Габай, Т.В. Автоматизированная обучающая система с точки зрения психолога / Т.В.Габай // Психолого-педагогические и психофизиологические проблемы компьютерного обучения: Сб.науч. тр. М., 1985. - С. 25-32.

20. Габай, Т.В. Педагогическая психология: Учеб. пособие / Т.В.Габай. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. - 160 с.

21. Гамезо, М.В. О роли и функции знаков и знаковых моделей в управлении познавательной деятельности человека // Теоретические проблемы управления познавательной деятельности человека. -М., 1975.

22. Гварамия, Г. Опыт разработки компьютерных учебных пособий по физике / Г. Гварамия, И.Маргвелашвили, Л.Мосиашвили// ИНФО. 1990. - №6. - С. 79.

23. Гладышева, Н.К. Статистические закономерности формирования знаний и умений учащихся / Н.К.Гладышева, И.И.Нурминский. М.: Педагогика, 1991. -221с.

24. Глинский, Б.А. Моделирование как метод научного исследования. Гносеологический анализ / Б.А.Глинский, Б.С.Грязнов, Б.С. Дынин, Е.П. Никитин. М.: МГУ, 1965. - 248с.

25. Глушков, В.Н. Гносеологическая природа информационного моделирования / В.Н.Глушков // Вопросы философии. 1963.- №10 - С. 13-18.

26. Глушков, В.Н. Мышление и кибернетика / В.Н.Глушков // Вопр.философии. 1963. -№1. - С.36-48.

27. Гребенев, И.В. Использование школьных ПЭВМ для формирования важнейших понятий молекулярной физики / И.В.Гребенев // Физика в шк. -1990. №6. -С. 44-48.

28. Гребенев, И.В. Методические проблемы компьютеризации обучения в школе / И.В.Гребенев // Педагогика. 1994.-№5. - С. 46-49.

29. Гулд, X. Компьютерное моделирование в физике. Ч. 1 / Х.Гулд, Я.Тобочник. -М.: Мир, 1990.-353 с.

30. Давыдов, В.В. Проблемы развивающего обучения: опыт теоретического и экспериментального психологического исследования / В.В.Давыдов. М.: Педагогика, 1986. - 240с.

31. Данилин, А.Р. Применение обучающих программ в школе / А.Р.Данилин, Н.И.Данилина. Свердловск: Изд-во Свердлов.пед.ин-та, 1987. - 35 с.

32. Демушкин, A.C. Компьютерные обучающие программы / А.С.Демушкин, А.И.Кириллов, Н.А.Сливина, Е.В.Чубров //Информатика и образование. 1995. - №3. - С. 15-22.

33. Джалиашвили, 3.0. Компьютерные тесты по истории с элементами диалога / 3.0.Джалиашвили, А.В.Кириллов // НИТ в образовании: Тр.И Междунар. конф. T.III: Историческая информатика. Минск, 1996. - С. 13 - 16.

34. Дусавицкий, А.К. Развитие личности в учебной деятельности/

35. A.К.Дусавицкий М.: Дом педагогики, 1996. - 208 с.

36. Загвязинский, В.И. Методология и методика дидактического исследования /

37. B.И.Загвязинский. -М.: Педагогика, 1982.- 160с.

38. Зворыкин, Б.С. Методика преподавания физики в средней школе: Молекулярная физика. Основы электродинамики / Б.С. Зворыкин М.: Просвещение, 1975. - 275 с.

39. Зорина, Л.Я. Дидактические основы формирования системности знаний старшеклассников / Л.Я. Зорина. М., 1978. -128 с.

40. Изучение физики в школах и классах с углубленным изучением предмета. 4.1: Методич. Рекомендации / Сост. А.Д. Глейзер. М., 1991.

41. Ингенкамп, К. Педагогическая диагностика / К. Ингенкамп. М.: Педагогика, 1991. - 240с.

42. Кабардин, О.Ф. Из опыта преподавания в 9 классе раздела "Молекулярная физика" / О.Ф.Кабардин // Физика в шк. 1975. - №5. - С. 34; №6. - С. 28.

43. Кавтрев, А.Ф. Компьютерные программы по физике для средней школы / А.Ф. Кавтрев // Компьютерные инструменты в образовании. 1998. - №1. - С. 42-47.

44. Каменецкий, С.Е. Модели и аналогии в курсе физики средней школы /

45. C.Е.Каменецкий, Н.А.Солодухин. -М.: Просвещение, 1982. 96с.

46. Каптелинин, В.Н. Психологические проблемы формирования компьютерной грамотности школьников / В.Н. Каптелинин // Вопр. психологии. 1986. - №5. - С. 54-65.

47. Катышева, И.А. Вопросы компьютеризации образования / И.А.Катышева // Вопр. психологии. 1986. - № 5. - С. 73.

48. Кикоин, А.К. Физика-9: Проб. учеб. / А.К.Кикоин, И.К.Кикоин, С.Я.Шамаш, Э.Е.Эвенчик. М.: Просвещение, 1979. - 224 с.

49. Кикоин, А.К. Физика-9: Проб. учеб. / А.К.Кикоин, И.К.Кикоин, С.Я.Шамаш, Э.Е.Эвенчик. М.: Просвещение, 1982. - 224 с.

50. Кикоин, А.К. Физика-9: Проб. учеб. / А.К.Кикоин, И.К.Кикоин, С.Я.Шамаш, Э.Е.Эвенчик. М.: Просвещение, 1984. - 224 с.

51. Кикоин, А.К. Физика 10: Учеб. для 10 кл. шк. (классов) с углубленным изучением физики / А.К.Кикоин, И.К.Кикоин, С.Я.Шамаш, Э.Е.Эвенчик. М.: Просвещение, 1992. - 189 с.

52. Кикоин, И.К. Некоторые вопросы методики изложения молекулярной физики в 9 классе / И.К.Кикоин // Физика в шк. 1980. - №5. - С.31-37.

53. Клаус, Г. Введение в дифференциальную психологию учения: Пер. с нем. / Г. Клаус; Под ред. И.В. Равич Щербо. - М.: Педагогика, 1987. - 176 с.

54. Козелецкий, Ю. Психологическая теория решений / Ю. Козелецкий. М.; 1979.- 504 с.

55. Колпаков, А. Компьютерные технологии / А.Колпаков // Народ. образование.-2000. №6. - С. 154-157.

56. Компьютер в обучении: психолого-педагогические проблемы: Круглый стол // Вопр. психологии. 1986. - №6. - С.42-66.

57. Кондратьев, A.B. Физика и компьютер / A.B. Кондратьев, В.В. Лаптев. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. - 328с.

58. Коновалец, Л.С. Познавательная самостоятельность учащихся в условиях компьютерного обучения / Л.С. Коновалец // Педагогика. 1999. - №2. - С. 4650.

59. Корнев, Г.П. Модели физических тел и явлений / Г.П. Корнев. Магадан, 1977.- 123 с.

60. Кочергин, А.Н. Моделирование мышления / А.Н. Кочергин. М.: Политиздат, 1969. - 224с.

61. Кривошеев, А.О. Компьютерная поддержка систем обучения /

62. A.О.Кривошеев // Проблемы информатизации высшей школы: Бюл. 1998. - № 1-2 (11-12).-С. 179-183.

63. Кривошеев, А.О. Конкурс «Электронный учебник» / А.О.Кривошеев, С.С. Фомин // Компьютерные технологии в высшем образовании М.: Изд-во МГУ, 1994.

64. Кубицкий, В.А. Демонстрационные и лабораторные опыты при введении понятия температуры / В.А.Кубицкий // Физика в шк. 1983 - №5. - С. 66-68.

65. Кузнецова, Ю.В. Спецкурс «Компьютерное моделирование в физике» / Ю.В. Кузнецова // Физика в шк. 1998. - №6. - С. 41.

66. Лалле, Р. Педагогическая технология в университетах развивающихся стран. Перспективы / Р. Лалле // Вопр. образования. 1987. - №3. - С. 25-38.

67. Лаптев, В.В. Современная электронная техника в обучении физике в школе /

68. B.В.Лаптев. Л.: Изд-во Ленинград, ордена Трудового Красного Знамени гос. пед. ин-та им. А.И. Герцена, 1988. - 84с.

69. Леонтьев, А.Н. Деятельность. Сознание. Личность / А.Н.Леонтьев. -М.: Политиздат, 1975. 304 с.

70. Лейтес, Н.С. Теплов и психология индивидуальных различий / Н.С.Лейтес // Вопр. психологии. 1982. - №4.

71. Луппов, Г.Д. Молекулярная физика и электродинамика в опорных конспектах и тестах: Кн. для учителя / Г.Д.Луппов. М.: Просвещение, 1992. -256 с.

72. Львовский, М.В. Преподавание физики с использованием компьютеров / М.В. Львовский, Г.Ф. Львовская // Информатика в шк. 1999. - №5. - С. 49-54.

73. Ляудис, В.Я. Психология и практика автоматизированного обучения / В.Я. Ляудис, O.K. Тихомиров // Вопросы психологии. 1983. - №6. - С. 16-27.

74. Манина, Е. Опыт применения компьютерного тестирования на уроках физики / Е. Манина // Наука и шк. 1999. - №4. - С. 56-57.

75. Матюшкин, A.M. Актуальные вопросы компьютеризации в обучении /

76. A.M. Матюшкин // Вопр. психологии. 1986. - №5. - С. 65-67.

77. Машбиц, Е.И. Диалог в обучающей системе /Е.И. Машбиц,

78. B.В. Андриевская, Е.Ю. Комиссарова.- Киев: Б.И., 1987. 140 с.

79. Машбиц, Е.И. Диалог в обучающей системе / Е.И. Машбиц, В.В. Интерьерский, Е.Ю. Коммиссарова. Киев: Выща школа, 1989. - 184 с.

80. Машбиц, Е.И. К характеристике модели решений учебных задач / Е.И. Машбиц // Вопр. психологии. 1973. - №6. - С. 53-58.

81. Машбиц, Е.И. Компьютеризация обучения: проблемы и перспективы / Е.И. Машбиц. М.: Знание, 1986. - 80 с. - (Новое в жизни, науке, технике: Педагогика и психология; №1).

83. Машбиц, Е.И. Психологические основы управления учебной деятельностью / Е.И. Машбиц Киев: Высш. шк., 1987. - 223 с.

84. Машбиц, Е.И. Психолого-педагогические аспекты компьютеризации / Е.И. Машбиц // Вестн. высш. шк- 1986. № 4. - С.39-45.

85. Машбиц, Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения / Е.И. Машбиц- М.: Педагогика, 1988. 192 с.- (Педагогич. наука -реформе шк.).

86. Минина, Е.Е. Дидактические условия использования компьютерных технологий преподавания физики в средней школе: Автореф. дис. канд. пед. наук / Е.Е. Минина.- Екатеринбург, 1994 17 с.

87. Михайлычев, Е. Типология дидактических тестов при разработке и экспертизе/ Е. Михалычев // Alma Mater (Вестн. высш. шк.). -1997.- №2 С. 16-17.

88. Молотков, Н.Я. Углубление основных концептуальных положений термодинамики / Н.Я. Молотков // Физика в шк. 1997. - N6 - С. 50-53.

89. Монахов, В.М. Информационная технология обучения с точки зрения методических задач реформы школы / В.М. Монахов // Вопр. психологии-1988.-№2.-С. 27-36.

90. Мултановский, B.B. Об изучении понятия температура и основных положений молекулярно-кинетической теории / В.В. Мултановский, A.C. Василевский // Физика в школе, 1988. - №5. - С. 36-39.

91. Мякишев, Г.Я. Идеальный газ и понятие температуры / Г.Я. Мякишев, Н.В. Хрусталь, С.Я. Шамаш, Э.Е. Эвенчик // Физика в шк. 1986. - №5 - С. 4546.

92. Мякишев, Г.Я. О различных способах вывода уравнения состояния идеального газа в курсе физики средней школы / Г.Я. Мякишев // Физика в школе.- 1980.-№5.-С. 37-41.

93. Мякишев, Г.Я. Физика. Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, H.H. Сотский,-М.: Просвещение, 2001- 336 с.

94. Мякишев, Г.Я. Физика: Учеб. для углублен, изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков. М.: Дрофа, 1998. - 350 с.

95. Немцев, A.A. Компьютерные модели и вычислительный эксперимент в школьном курсе физики: Автореф. дис. . канд. пед. наук / A.A. Немцев СПб., 1992.- 17 с.

96. Новик, И.Б. Гносеологическая характеристика кибернетических моделей / И.Б. Новик // Вопр. философии.- 1963.- №8. С. 92-103.

97. Новик, И.Б. О моделировании сложных систем: Филос. очерк / И.Б. Новик-М.: Мысль, 1965.-335 с.

98. Орлов, В.А. Тесты по физике для 9-11 классов / В.А. Орлов. М.: Школа-Пресс, 1994.-96 с.

99. Основы компьютерной грамотности/ Е.И. Машбиц, Л.П. Бабенко, JI.B. Верник; Под ред. A.A. Стогния- Киев: Высш. шк.: Головное изд-во, 1988.-215 с.

100. Основы педагогики и психологии высшей школы: Учеб. пособие / Под ред. A.B. Петровского-М.: Изд-во МГУ, 1986.-304 с.

101. Падерина Е.В. Возможность использования компьютера при обучении физике / Е.В. Падерина // Физика в шк. 2000. - №6. - С.27-34.

102. Педагогика: Учеб. пособие для студентов пед. вузов и колледжей / Под ред. П.И. Пидкасистого М.: РПА, 1996 - 604с.

103. Петросян, В.Г. Моделирование лабораторных работ физического практикума/ В.Г. Петросян, P.M. Газарян, Д.А. Сидоренко // Информатика и образование.- 1999. №2.- С. 59-67.

104. Пилюгин, В.В. Машинная графика и автоматизация научных исследований/ В.В. Пилюгин, JI.H. Сумароков, К.В. Фролов // Вестн. АН СССР.- 1985.-№10.-С. 50-58.

105. Программы средней общеобразовательной школы. Физика. Астрономия-М.: Просвещение, 1992. 219 с.

106. Программы средней общеобразовательной школы. Физика. Астрономия. Типовые программы для школ (классов) с углублённым изучением физики. Физика. Математика. Специальный курс по электротехнике и радиотехнике-М.: Просвещение, 1990 62 с.

107. Пурышева, Н.С. О формировании статистических представлений в классах с углубленным изучением физики / Н.С. Пурышева, С.И. Десненко // Физика в шк. 1993. - №5. - С.42-45.

108. Рабочая книга социолога. М.: Наука, 1976. - 512 с.

109. Разумовская, Н.В. Компьютер на уроках физики / Н.В.Разумовская // Физика в шк. 1984. - №3. - С. 51-56.

110. Разумовская, Н.В. Компьютерное моделирование в учебном процессе: Автореф. дис.канд. пед. наук/ Н.В. Разумовская СПб., 1992. - 19 с.

111. Разумовский, В.Г. ЭВМ и школа: научно-педагогическое обеспечение / В.Г. Разумовский // Совет, педагогика. 1985. - № 9. - С.12-16.

112. Роберт, И.В. Перспективные направления исследований в области применения информационных и коммуникационных технологий в образовании / И.В. Роберт // Среднее проф. образование. 1998. - №3. - С. 20-24.

113. Розова, Н.Б. Компьютерное моделирование на уроках физики при изучении темы «Молекулярная физика и термодинамика». Проблемы учебного физического эксперимента: Сб. науч. тр. / Н.Б. Розова М., 2001.- Вып. 13.- С. 79-81.

114. Розова, Н.Б. Формирование информационной культуры школьников как фактор адаптации к разным видам деятельности / Н.Б. Розова // Социальные аспекты адаптации молодежи к меняющимся условиям жизни: Конф. -Вологда, 2000. С. 91-92.

115. Рубцов, В.В. Компьютер как средство учебного моделирования / В.В. Рубцов, А. Марголис, А.Пажитнов // Информатика и образование. 1987. -№5. - С.8-13.

116. Рубцов, В.В. Логико-психологические основы использования компьютерных учебных средств в процессе обучения / В.В. Рубцов // Ин-т психологии: Публ.-М. 1990.

117. Русан, С. Алгоритмическое обучение и развитие интуиции / С. Русан // Вестн. высш. шк. 1990. -№11. - С. 50.

118. Савельев, А.Я. Автоматизированные обучающие системы / А.Я. Савельев // Тр. МВТУ (354) / Под ред.: А.Я. Савельева, Ф.И. Рыбакова.- М., 1981.

119. Салмина, Н.Г. Виды и функции материализации в обучении / Н.Г. Салмина.-М., 1981. 134 с.

120. Салмина, Н.Г. Знак и символ в обучении / Н.Г. Салмина М., 1988 - 287 с.

121. Сборник дидактических заданий по физике: Учеб. пособие для техникумов / Г.И. Рябоволов, Р.Н. Дадашева, П.И. Самойленко 2-е изд.- М.: Высш. шк., 1990.-512 с.

122. Свитков, JI. П. Еще раз о температуре ее определение и шкала измерений / Л.П. Свитков //Физика в шк. - 1986. - №5. - С. 46-48.

123. Свитков, Л.П. Изучение понятия о температуре / Л.П. Свитков // Физика в шк.- 1976.- №5. С. 38-42.

124. Свитков, Л.П. Изучение термодинамики и молекулярной физики / Л.П. Свитков-М.: Просвещение, 1975 128 с.

125. Сенько, Ю. Диалог в обучении / Ю. Сенько // Вестн. высш. шк 1991-№5. - С.35-40.

126. Сидорцов, В.Н. Эффективность и пределы применения ЭВМ в обучении истории в вузе: итоги эксперимента / В.Н. Сидорцов, E.H. Балыкина // Нар. просвещение. 1990.- №12.- С. 73-75.

127. Смирнов, A.B. Социально-экологические проблемы информатизации образования / A.B. Смирнов // Наука и шк 1998. - №2 - С.38-43.

128. Смолянинова, О.Г. Организация компьютерных уроков по физике в системе развивающего обучения: Автореф. дис. .канд. пед. наук / О.Г. Смолянинова.- СПб., 1992. 17 с.

129. Талызина, Н.Ф. Внедрению компьютеров в учебный процесс научную основу / Н.Ф. Талызина // Совет, педагогика - 1985 - №12.- С. 34-38.

130. Талызина, Н.Ф. Пути и возможности автоматизации учебного процесса / Н.Ф. Талызина, Т.В. Габай.- М., 1977. 412 с.

131. Талызина, Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний / Н.Ф. Талызина. -М., 1975.-343с.

132. Теория и практика педагогического эксперимента: Учеб. пособие / Под ред.: А.И. Пискунова, Г.В. Воробьева. М.: Педагогика, 1979 - 207с.

133. Тихомиров, O.K. Основные психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения / O.K. Тихомиров // Вопр. психологии 1986.- №5. - С. 67-69.

134. Тульчинский, М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе: Пособие для учителей / М.Е. Тульчинский М.: Просвещение, 1972 - 240 с.

135. У санов, В.В. Изучение газовых законов с учетом особенностей эмпирического и теоретического уровней научного познания / В.В. У санов, Ю.Р. Алиев, М.П. Папиев // Физика в шк. 1984. - №5.- С. 21-27.

136. Физика: Учеб. пособие для 10 кл. школ и классов с углубл. изучением физики / Под ред. A.A. Пинского. М.: Просвещение, 1993 - 420 с.

137. Филимонов, Г.А. Компьютер в учебной физической лаборатории/ Г.А. Филимонов, А.Н. Горленков // Применение новых компьютерных технологий в образовании: Тез. междунар. конф. Троицк, 1991.

138. Фокин, M.JI. Построение и использование компьютерных моделей физических явлений в учебно-воспитательном процессе: Автореф. дис. .канд. пед. наук / М.Л. Фокин М, 1989. - 17 с.

139. Фролова, Т.В. Педагогические возможности ЭВМ. Основные проблемы. Перспективы / Т.В. Фролова. Новосибирск: Наука. Сиб. Изд., 1988. - 172 с.

140. Харитонов, А.Ю. Формирование информационной культуры учащихся основной школы в процессе обучения физике: Автореф. дис. .канд. пед. наук/ А.Ю. Харитонов Самара, 2000. - 13с.

141. Шахмаев, Н.М. Физика: Учеб. для 10 кл. средней шк. / Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев. М.: Просвещение, 1992.- 240 с.

142. Шахмаев, Н.М. Элементарный курс физики. Ч. 2: Основы молекулярной физики и электродинамики: Эксперимент, учеб. для 9 кл. средней шк. / Н.М. Шахмаев. М.: Просвещение, 1979.

143. Шеншев, JI.B. Компьютерное обучение: прогресс или регресс? /Л.В. Шеншев // Педагогика. 1992. - №11-12. - С. 13-19.

144. Штофф, В.А. Моделирование и философия / В.А. Штофф. М.; Л.: Наука, 1966.-301 с.

145. Шутикова, М.И. К вопросу классификации моделей / М.И. Шутикова // Наука и шк.- 1998. №2. - С. 44-49.

146. Щукин, Е.Д. Некоторые вопросы преподавания молекулярной физики/ Е.Д. Щукин // Физика в шк. 1986. - №5. - С. 42-45.

147. Эвенчик, Э.Е. Об изучении молекулярно-кинетической теории идеального газа/ Э.Е. Эвенчик, С.Я. Шамаш // Физика в шк 1986 - №5- С. 48-50.

148. ЭВМ уходит в завтра // Наука и жизнь. 1985. - №8. - С. 15-19.

149. Эльконин, Д.Б. Из книги "Избранные труды" / Д.Б. Эльконин // Вестн. MA "Развивающее обучение". 1996. - №1. - С.56-63.

150. Adams, Т. Computers in learning: a coat of many colors // Computer Education. 1988. V.12. -№1. p. 1-6.

151. Cohen, V.B. Criteria and evaluation of microcomputer courseware // Educational Technology. 1983. №1.

152. Eysenck Heredity and environment: the state of debate// Educational analysis. 1982. №2.

153. Kulhavy R.W. Feedback in written instruction // Review of Educational Research. 1977. V. 47.

154. Papert S. Mindstorms: children, computers and power full ideas, N.Y.: Basic Book Inc., 1980.-279p.

Практические занятия являются одной из важнейших составляющих медико-биологического образования. Эксперименты in vivo и in vitro широко используются, чтобы помочь студентам в приобретении практических экспериментальных навыков, однако не менее важной задачей является закрепление и осмысление фактического материала, полученного на лекциях, семинарах, и из учебников. Хотя применение лабораторных животных для этой цели стало традицией, у этого подхода есть свои недостатки. Попробуем перечислить некоторые из них:

Постановка эксперимента достаточна сложна и подчас требует значительных затрат времени.

Из предыдущего пункта следует, что для данного промежутка времени может быть проверено только ограниченное число препаратов

Эксперимент может быть ресурсоемким, и экономические соображения могут оказаться превалирующими в организации исследования

Эксперимент на животных всегда сопряжен с морально-этическими ограничениями, тема которых также обсуждается в настоящем реферате.

Компьютерное моделирование, применяемое в медицинском образовании, может быть разбито на следующие категории:

- компьютерные текстовые симуляторы создают словесное описание ситуации, в которой пользователь выбирает один из нескольких предопределенных ответов. Основываясь на полученном ответе, компьютер генерирует следующую ситуацию. Будучи основанными только на текстовой информации, такие симуляторы относительно просты для программирования и нетребовательны к компьютерным ресурсам. Однако в настоящее время эти критерии становятся менее актуальными и сегодня текстовые симуляторы используются относительно редко.

- компьютерные графические симуляторы воссоздают на дисплее графическое изображение ситуации, часто чтобы объяснить фармакокинетические и фармакодинамические процессы связанные с приемом препарата. Обычно используется только “мышь” в качестве интерфейсного устройства. Хотя такие симуляции способствуют пониманию и усвоению материала обычно они не развивают у студентов практических навыков. Главная цель их использования состоит в объяснении неких абстрактных концепций в доступной и недорогой форме. Такие симуляторы особенно подходят для моделирования физиологических и фармакологических процессов.

Sniffy – TheVirtualRat

В качестве одного из примеров моделирования лабораторного животного можно привести известную программу Sniffy - The Virtual Rat, которая позволяет симулировать поведение настоящей крысы, но без всех недостатков использования реального животного. Программа позволяет студентам воспроизводить классические эксперименты по изучению физиологии обучения (выработка условных рефлексов и т.д.). Возможна реализация собственного плана эксперимента, использование различных стимулирующих факторов и т.д. Можно отметить продуманный пользовательский интерфейс и великолепно выполненную компьютерную графику, которая очень похоже симулирует движения реальной крысы.

Моделирование лабораторной крысы в действии - Sniffy The Virtual Rat

Rat cvs (Cardiovascular System)

Программа Rat CVS моделирует эксперимент по воздействию различных препаратов на сердечно-сосудистую систему крысы. Программа позволяет регистрировать изменения системного артериального давления, давления, создаваемого в левом желудочке, венозного давления, силу и частоту сердечного сокращения. Возможно также моделирование спинальной крысы. Экспериментатору возможно производить инъекции различных препаратов в требуемых дозах (дигоксин, атенолол, изопреналин, лозартан и т.д.), стимулировать нервную систему (блуждающий нерв и т.д.). Все это сопровождается визуализацией изменения параметров сердечно-сосудистой системы в реальном времени.

Программа может быть использована как для обучения студентов, так и для контроля – можно “вводить” крысе неизвестные препараты с целью их определения студентом. Rat CVS разработана John Dempster, University of Strathclyde.

Rat CVS - введение адреналина в дозе 10 мкг/кг

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

240 руб. | 75 грн. | 3,75 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Розова Наталия Борисовна. Применение компьютерного моделирования в процессе обучения: 13.00.01, 13.00.02 Розова, Наталия Борисовна Применение компьютерного моделирования в процессе обучения (На примере изучения молекулярной физики в средней общеобразовательной школе) : Дис. ... канд. пед. наук: 13.00.01, 13.00.02 Вологда, 2002 163 с. РГБ ОД, 61:03-13/523-2

Введение

Глава 1. Модели и моделирование в науке и обучении 14

1.1 Модели и моделирование в современной науке 14

1.2 Применение моделей в процессе обучения школьников 26

1.3 Компьютерное моделирование в обучении 33

Глава 2. Психологические и педагогические основы компьютерного обучения 50

2.1 Психолого-педагогические аспекты компьютерного обучения 50

2.2 Особенности учебной деятельности и управления ею на основе компьютерного обучения 58

3.1 Анализ состояния компьютерного моделирования в разделе «Молекулярная физика» 74

3.2 Характеристика экспериментальной программы компьютерного моделирования динамики систем многих частиц и возможности ее использования в учебном процессе 83

3.3 Методика организации и проведения уроков физики в 10 классе при изучении раздела «Молекулярная физика» на основе экспериментальной программы 92

4.1 Задачи эксперимента и организации его проведения 128

4.2 Анализ результатов педагогического эксперимента 140

Заключение 147

Введение к работе

Несмотря на то, что пока нет единой классификации обучающих программ, многие авторы выделяют среди них следующие пять типов: тренировочные, наставнические, проблемного обучения, имитационные и моделирующие, игровые. Компьютерные модели имеют наиболее высокий ранг среди выше указанных. Согласно В.В. Лаптеву , «компьютерная модель - это программная среда для вычислительного эксперимента, объединяющая в себе на основе математической модели явления или процесса средства интерактивного взаимодействия с объектом эксперимента и развитие средства отображения информации... Компьютерные модели - основной объект для вычислительной физики, отличительным методом которой является вычислительный эксперимент точно так же, как отличительным методом экспериментальной физики является натурный эксперимент». Академик В.Г. Разумовский отмечает, что «с введением в учебный процесс компьютеров возрастают возможности многих методов научного познания, особенно метода моделирования, который позволяет резко повысить интенсивность обучения, поскольку при моделировании выделяется сама суть явлений и становится ясной их общность».

Методика постановки эксперимента с применением электронной и электронно-вычислительной техники описана В.В. Лаптевым . Схема эксперимента выглядит так: измеряемые величины- датчики- аналого-цифровой преобразователь-микрокалькулятор МК-В4 или ЭВМ «Yamaha». По этому принципу сконструирована универсальная электромеханическая установка для изучения в школьном курсе физики газовых законов.

И.В. Гребенев представляет программу, моделирующую теплоперенос путем столкновения частиц двух тел .

Наиболее полной и удачной разработкой раздела молекулярной физики является учебный компьютерный курс «Открытая физика» ТОО НЦ ФИЗИКОЙ. Представленные в нем модели охватывают весь курс молекулярной физики и термодинамики. Для каждого эксперимента представлены компьютерная анимация, графики, численные результаты. Программы хорошего качества, удобны для пользователя, позволяют наблюдать динамику процесса при изменении входных макропараметров.

Вопросы о методической поддержке педагогических программных средств поставил И.В. Гребенев . «Важнейшим критерием эффективности компьютерного обучения следует, вероятно, считать возможность получения учащимися в диалоге с ЭВМ нового, важного знания по предмету, путем такого уровня или при таком характере познавательной активности, которые невозможны при безмашинном обучении, при условии, конечно, что их педагогический эффект и окупает затраты времени учителя и учащегося».

Анализ состояния компьютерного моделирования свидетельствует о том, что:

2) в программах, моделирующих на основе МКТ, нет никаких количественных результатов, а имеет место лишь качественная иллюстрация какого-либо физического процесса;

4) не существует разработанной методики проведения уроков с использованием компьютерных моделирующих программ по ряду физических процессов МКТ.

Это и определяет актуальность исследования.

Объект исследования - процесс обучения в средней общеобразовательной школе.

Исходя из цели исследования, в работе ставились следующие задачи:

1) провести целостный анализ возможностей использования компьютерного моделирования в процессе обучения;

2) определить психолого-педагогические требования к учебным компьютерным моделям;

Гипотеза исследования.

Осуществляется вариативность форм и методов управления деятельностью учащихся;

Осуществляется обучение школьников переходу от реальных объектов к моделям и обратно.

Методологическую основу исследования составляют: системный и деятельностный подходы к исследованию педагогических явлений; философские, кибернетические, психологические теории компьютерного моделирования (А.А. Самарский, В.Г. Разумовский, Н.В. Разумовская, Б.А. Глинский, Б.В. Бирюков, В.А. Штофф, В.М. Глушков и другие); психолого-педагогические основы компьютеризации обучения (В.В. Рубцов, Е.И. Маш-биц) и концепции развивающего образования (Л.С.Выготский, Д.Б.Эльконин, В.В.Давыдов, Н.Ф. Талызина, П.Я. Гальперин).

Методы исследования:

Моделирование физических явлений в молекулярной физике;

Компьютерные эксперименты на базе отобранных моделирующих программ;

Анкетирование, беседа, наблюдение, педагогический эксперимент;

Методы математической статистики.

Исследование осуществлялось в три этапа и имело следующую логику.

На третьем этапе (1997 - 2000 гг.) проводился анализ и обобщение опытно-экспериментальной работы.

Последнее требует некоторого пояснения. Нами разработана программа моделирования динамики систем многих частиц, расчет движения которых базируется на алгоритме Верле, используемом X. Гулдом и Я. Тобочни-ком. Данный алгоритм прост и даёт точные результаты даже при малых про межутках времени, а это очень важно при изучении статистических закономерностей. Оригинальный интерфейс программы позволяет не только видеть динамику процесса и изменять параметры системы, фиксируя результаты, но и даёт возможность изменить время эксперимента, остановить эксперимент, сохранять данный кадр и с него начинать последующую работу над моделью.

а) зависимость силы взаимодействия и потенциальной энергии частиц (молекул) от расстояния между ними;

б) распределение Максвелла по скоростям;

в) основное уравнение молекулярно-кинетической теории;

г) законы Бойля-Мариотта и Шарля;

д) опыты Джоуля и Джоуля-Томсона.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования:

2. Обоснованы психолого-педагогические требования к компьютерным учебным моделям.

Апробация основных материалов и результатов» полученных в ходе исследования, проводилась

На международной электронной научно-технической конференции (Вологда, 1999);

На защиту выносятся:

Структура диссертации.

Модели и моделирование в современной науке

В настоящее время модели и моделирование, как один из методов познания окружающего мира, широко применяются в науке, технике и в обучении.

Термин «модель» происходит от латинского слова modulus, что означает мера, образец, норма. Целостное представление человека о мире в большинстве случаев находит отражение в его сознании в виде определенной физической модели.

В современной философии даются следующие определения понятий модели и моделирования .

«Модель (франц. modele) в логике и методологии науки - аналог (схема, структура, знаковая система) определенного фрагмента природной или социальной реальности, продукт человеческой культуры, концептуально - теоретического образования и т. п. - оригинала модели. Этот аналог служит для хранения и расширения знания (информации) об оригинале, его свойствах и структурах, для преобразования или управления им. С гносеологической точки зрения модель - это «представитель», «заместитель» оригинала в познании и практике. Результаты обработки и исследования модели при определенных условиях, выясняемых в логике и методологии, и специфических для различных областей и типов моделей, переносятся на оригинал . «Моделирование - метод исследования объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей, реально существующих предметов и явлений (органических и неорганических систем, инженерных устройств, разнообразных процессов - физических, химических, биологических, социальных) и конструируемых объектов для определения либо улучшения их характеристик, рационализации способов их построения, управления ими и т.п.» . В зависимости от типа моделей различают предметное и знаковое моделирование. При предметном моделировании исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные геометрические, физические или функциональные характеристики оригинала. Например, при аналоговом моделировании с помощью энергетических моделей изучают механические, акустические, гидродинамические и другие явления, поскольку функционирование модели и оригинала описывается одними и теми же дифференциальными уравнениями.

«При знаковом моделировании моделями служат схемы, чертежи, формулы, предложенные в некотором алфавите (естественного или искусственного языка) и т.п.» . Моделирование является одним из важных методов познания, поэтому относится к гносеологической категории. Результаты, полученные при исследовании моделей, могут переноситься на оригинал, если модель отображает свойства оригинала.

В основу данной классификации положен способ воспроизведения в модели свойств оригинала. Все модели разделяются на два класса: материальные и идеальные. К материальным относятся модели, существующие объективно и созданные человеком для воспроизведения структуры и сущности изучаемого процесса или явления.

Для пространственно подобных моделей обязательным условием является геометрическое подобие их оригиналу, т.к. они отражают пространственные свойства и отношения объекта. К этой группе относятся различные макеты, модели технических устройств, кристаллических решеток и т.д.

В физически подобных моделях необходимо сходство ее физической природы с оригиналом и тождественность законов движения. Такие модели отличаются от отображаемой ими натуры лишь изменением пространственной или временной шкалы. К этой группе относятся действующие модели разнообразных технических устройств, например, электрических двигателей и генераторов, кораблей, самолетов и т.д.

Математически подобные модели функционирования объектов исследования должны описываться одинаковыми математическими уравнениями и, как правило, не имеют с оригиналом физического и геометрического подобия. К математическим моделям относятся аналоговые, структурные, цифровые, кибернетические модели.

Психолого-педагогические аспекты компьютерного обучения

В последние годы отечественные и зарубежные психологи обратили внимание на роль индивидуальных особенностей учащихся в процессе обучения . Поиск путей сохранения и дальнейшего развития индивидуальности ребенка, его потенциальных возможностей, способностей привели к разработке концепций индивидуализации обучения. Содействие средствами индивидуализации выполнению учебных программ каждым учащимся, предупреждение неуспеваемости учащихся; формирование общеучебных умений и навыков при опоре на зону ближайшего развития каждого ученика; улучшение учебной мотивации и развитие познавательных интересов; формирование личностных качеств: самостоятельности, трудолюбия, творчества - суть индивидуализации обучения. Главное достоинство состоит в том, что индивидуализация позволяет полностью адаптировать содержание, методы и темпы учебной деятельности ребенка к его особенностям, следить за его действиями на каждом этапе решения задачи, вовремя вносить корректировку в деятельность учащегося и учителя, приспосабливать их к постоянно меняющейся, но контролируемой ситуации со стороны ученика и учителя. Все это позволяет ученику работать экономно, контролировать затраты своих сил, достигать более высоких результатов.

Технология индивидуализации обучения охватывает все звенья учебного процесса - цели, содержание, методы и средства. Характеристики индивидуализированного обучения - гуманистические по своей философской основе; факторы развития: био-, социо- и психогенные; принцип управления- система «репетитор», подход к ребенку - гуманно-личностный, организационные формы - академические, индивидуально- групповые; преобладающий метод - программированный, саморазвивающий, творческий. Один из вариантов осуществления индивидуализации обучения - разработка идей адаптивного обучения. Оно учитывает как возрастные, так и индивидуальные особенности учащихся. Адаптация может основываться на информации, собранной с учетом опыта обучения каждого учащегося либо запрограммированной заранее. Адаптивная система, запрограммированная заранее, обычно реализует обучение по разветвленной программе, где в зависимости от характера допущенной ошибки указывается, какие вспомогательные воздействия выдаются. Адаптивные обучающие системы, как правило, учитывают: а) правильность ответа, б) причины, вызвавшие затруднения при выполнении учебных заданий.

Развитие техники, разработка различного рода технических устройств позволяют соединять возможности технологии индивидуализации обучения с использованием современной вычислительной техники.

Компьютерное обучение на основе гибкой и оперативной адаптации к индивидуальным особенностям каждого ученика способно предупреждать возникновение психологического дискомфорта, снижение самооценки, снижение учебной мотивации, так как способно максимально учитывать индивидуальность обучающегося.

Л.В. Шеншев описывает три варианта адаптивного обучения. Первый вариант - концепция максимальной адаптивности английского кибернетика Г. Паска. Второй - теория частичной адаптивности американского психолога Н. Краудера. Третий - концепция минимальной адаптивности Б.Скиннера. Авторы теорий адаптивного обучения схожи в оценке причин низкой эффективности традиционного обучения и в выборе устранения этих причин. Концепции адаптивного обучения предъявляют к учебному процессу некоторые требования:

1. Оперативная адаптация к индивидуальным особенностям учеников, учет темпа обучения, диагностика причин затруднений, своевременная корректировка учебного материала.

2. Непрерывное и целенаправленное управление аффективно-мотивационной сферой ученика, стабилизация его состояния. 3. Поддержание непрерывного диалога, стимулирование активности учащихся.

4. Автоматизация обучения.

Выполнение перечисленных требований легче отнести к компьютерному обучению, так как учитель не в состоянии одновременно адаптироваться к разным ученикам, машина же беспристрастна, терпелива и неутомима.

Названные выше концепции адаптивного обучения быстро пришли в массовую практику, породив модное увлечение обучающими устройствами и программами для компьютеров. Дилетантские и примитивные по своим педагогическим возможностям, они игнорировали основную идею учета индивидуальных особенностей и стабилизации положительного эмоционального настроя учеников. В связи с таким положением дел ставится под вопрос эффективность компьютерного обучения . Современная аргументация в пользу применения компьютеров повторяет выводы разработчиков адаптивного обучения. Это и важность учета динамики усвоения, и автоматизация обучения, позволяющая учителю не отвлекаться на организационные задачи.

Анализ состояния компьютерного моделирования в разделе «Молекулярная физика»

В первой и второй главах мы рассмотрели вопросы применения компьютерного моделирования в обучении с позиции гносеологии, педагогики и психологии, а также определили их место и функции. Использование компьютерных моделей в обучении физике позволяет показать значение моделирования как метода познания окружающего мира, способствует формированию абстрактного мышления, развитию познавательного интереса, овладению элементами информационной культуры. Вместе с тем, чтобы полнее реализовать такие достоинства как возможность индивидуального обучения, руководство учебной деятельностью, наглядность, имитационные свойства компьютерных моделей, необходимо выявить тот раздел физики, применение компьютерного моделирования в котором будет давать реальный обучающий эффект, и определить методические приемы включения его в урок.

Сложность изучения курса «Молекулярная физика и термодинамика» в основной средней школе состоит в том, что здесь учащиеся встречаются с качественно новой формой движения материи - тепловым движением, в котором, кроме законов механики, действуют и законы статистики . К тому же натурные эксперименты (броуновское движение, диффузия, взаимодействие молекул, испарение, поверхностные и капиллярные явления, смачивание) лишь подтверждают гипотезу молекулярного строения вещества, но не позволяют наблюдать механизм происходящих физических процессов. Механические модели: опыт Штерна, доска Гальтона, установка для демонстрации газовых законов позволяют проиллюстрировать закон Максвелла распределения молекул по скоростям и получить экспериментально соотношения между давлением, объемом и температурой, необходимых для вывода газовых законов. Повышение эффективности урока может дать расширение и совершенствование демонстрационного или лабораторного эксперимента с применением ЭВМ (о значении компьютерных моделей при изучении физики мы указывали в ). Такие программные средства для проведения демонстрационного эксперимента в школьном курсе молекулярной физики и термодинамики имеются, хотя и в небольшом количестве. Обзор ряда работ сделан нами в , а здесь мы представим анализ всех известных нам компьютерных программ, используемых при изучении молекулярной физики и термодинамики.

Применение современной электронной и электронно-вычислительной техники позволяет существенно улучшить постановку и проведение эксперимента. В описано применение компьютера для демонстрации зависимости скорости молекул азота, водорода, аргона и воздуха от температуры, расчет изменения внутренней энергии тела при плавлении и кристаллизации, при испарении и для газообразного состояния, а также использование компьютера при обработке результатов лабораторных работ.

В этой же книге дано описание урока по определению КПД идеального теплового двигателя на основании цикла Карно. В качестве модели цикла Карно выступала ЭВМ, которая программным путём реализует адиабаты и изотермы на экране монитора, графически представляя цикл Карно.

Методика постановки эксперимента с применением электронной и вычислительной техники описана В.В. Лаптевым . Им использована универсальность электрического сигнала, который не только содержит необходимую информацию, но и может обрабатываться электронно-вычислительной техникой. Поэтому необходимо все неэлектрические величины, участвующие в эксперименте, преобразовать в электрические с помощью первичных преобразователей - датчиков, на выходе которых появляется электрический аналоговый сигнал обычно в виде электрического напряжения. Лаптевым В.В. с сотрудниками разработано и изготовлено несколько датчиков для измерения освещённости, температуры и времени. Фиксировать сигналы датчиков можно стрелочными или цифровыми измерительными приборами. Для того чтобы использовать при обработке результатов эксперимента цифровую электронно-вычислительную технику, необходимо аналоговый сигнал преобразовать в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя, воспользовавшись для этого соответствующими микросхемами. Таким образом, схема эксперимента выглядит так: измеряемые величины - датчики - аналого-цифровой преобразователь - микрокалькулятор МК-64 или ЭВМ «Yamaha». По этому принципу сконструирована универсальная электромеханическая демонстрационная установка для изучения в школьном курсе физики газовых законов. Измеряемые в опыте величины давления, объёма и температуры, по очереди фиксируются на демонстрационном цифровом индикаторе и подаются на шину данных ЭВМ, которая выводит на экран дисплея графики всех возможных зависимостей между давлением, объёмом и температурой. После построения графиков числовые значения данных величин заносятся в ОЗУ ЭВМ и могут быть выведены на экран дисплея в виде таблицы данных опыта и использованы для количественных расчетов. Таким образом, учащиеся имеют возможность наблюдать количественную и качественную характеристики газовых процессов одновременно.

Рейтинг: