Резюме. В статията е представено едно от актуалните направления в съвременното образование, свързано с приложението на компютърните образователни технологии в лабораторните упражнения по физика. Реализацията на възможностите за използване на компютърни образователни технологии в обучението по физика е илюстрирана чрез методическа разработка на лабораторното упражнение „Определяне на земното ускорение с математично махало“, като акцентът е поставен върху провеждането на компютърно (виртуално) интерактивно лабораторно упражнение и компютърна обработка и представяне на получените резултати.

Ключови думи: computer-aided educational technologies, laboratory exercises in physics, multimedia programs

Kомпютърните технологии намират все по-широко приложение в учебната практика в българското училище. В лабораторните упражнения по физика компютърните образователни технологии могат да се използват за: а) провеждане на компютърни (виртуални) интерактивни лабораторни упражнения – физични експерименти, проведени изцяло на компютър и в диалог с него, чрез използване на мултимедийни програми; б) провеждане на лабораторни упражнения, подпомогнати от компютър (Тютюлков, 2005); в) компютърна обработка и представяне на резултати, получени при провеждане на реални и на компютърни интерактивни физични експерименти; г) съчетаване на изброените възможности (например провеждане на качествен реален експеримент и след това – на виртуален с вариране на параметрите и др.).

Настоящата статия се базира на проведен педагогически експеримент, в който е приложена разработената от автора методическа концепция за комплексно и целенасочено използване на компютърни образователни технологии в обучението по физика в средното училище – в уроците за нови знания, за решаване на задачи, за обобщение, за лабораторни упражнения, за проверка и оценка на учебните по-стижения на учениците и в извънкласната им самостоятелна дейност (Калпачка, 2006). Статистическата обработка на експерименталните резултати и направеният качествен анализ показват, че използването на компютърни образователни технологии повишава ефективността на обучението по физика.

Методическата реализация на възможностите за използване на компютърни образователни технологии в обучението по физика е илюстрирана чрез методическа разработка на лабораторното упражнение „Определяне на земното ускорение с математично махало“ (Калпачка, 2006). Разработката се отнася за провеждане на компютърно (виртуално) интерактивно лабораторно упражнение с последваща компютърна обработка и представяне на получените резултати.

Цели на урока: 1) затвърдяване и приложение на усвоените знания за хармонични трептения на математично махало; 2) провеждане на компютърни интерактивни физични експерименти за определяне на стойността на земното ускорение с математично махало; 3) развитие на умения за: извършване на наблюдения; самостоятелна учебна работа; обработване на получените резултати при провеждане на компютърни интерактивни физични експерименти и представянето им по определен начин – табличен, аналитичен; използване на измерителни единици за физични величини и техните кратни; анализ и интерпретация на резултатите; формулиране на изводи; 3) развитие на мисленето; 4) създаване на познавателен интерес.

Задачи на урока: 5) да се провери предварителната подготовка на учениците за провеждане на лабораторното упражнение; 6) да се запознаят учениците с писменото указание за провеждане на лабораторното упражнение, ако това не е направено предварително в извънкласната им самостоятелна дейност; 7) да се запознаят учениците с начина на работа на мултимедийната програма, с която ще се провежда компютърното интерактивно лабораторно упражнение (в конкретния случай с мултимедийната програма „Хармонични трептения на математично махало“, (Калпачка & Христов, 2004; Калпачка et al, 2004); 8) да се направи теоретично проследяване на хода на компютърното интерактивно лабораторно упражнение чрез беседа между учителя и учениците, като се обръща внимание на последователността от действия, които учениците трябва да извършат; 9) да се проведат самостоятелно от учениците компютърни интерактивни експерименти; 10) да се обработят и представят получените резултати от проведените компютърни интерактивни физични експерименти чрез използване на разработената за целите на педагогическия експеримент компютърна програма; 11) да се анализират получените резултати и да се формулират изводи; 12) да се изготвят от учениците протоколи за проведеното компютърно интерактивно лабораторно упражнение.

Методи на обучение: словесни – беседа, обяснение; нагледни – наблюдение; практически – самостоятелна работа, провеждане на компютърни интерактивни физични експерименти.

Учебно-технически средства: технически средства – компютри, мултимедиен проектор, принтер; дидактически материали – мултимедийна програма „Хармонични трептения на математично махало“ и компютърна програма за обработка и представяне на получените резултати.

План на урока:

Цел на лабораторното упражнение – определяне на стойността на земното ускорение с помощта на компютърен модел на математично махало.

Теоретична част: Периодът на математично махало се изразява с формулата:

\(T=2 \pi \sqrt{\tfrac{l}{g}}\), където: \(l\)– дължина на математичното махало, \(g\)– земното ускорение.

Ако при известна дължина на математичното махало се определи неговият период на трептене, пресмятането на земното ускорение се извършва по формулата \(g=\tfrac{4 \pi^{2} l}{T^{2}}\).

Мислен експеримент (Фиг. 1):

О – точка на окачване,

\(l\)– дължина на математичното махало, \(m\)– маса на математичното махало

Указания за провеждане на компютърното (виртуално) интерактивно лабораторно упражнение:

· за определена дължина на математичното махало (например, \(l=0,9 m\) ) да се отклони махалото от равновесното положение на малък ъгъл (\(\theta_{0} \leq 20^{\circ}\) ) и да се пусне да се люлее;

· да се определи времето \(t\), за което математичното махало извършва \(n\) на брой пълни трептения (например, \(n=5\) );

· да се проведат аналогични опити за 10 различини дължини на математичното махало при една и съща максимална стойност на началния ъгъл на отклонение от равновесното положение \(\theta_{0}\) и на коефициента на съпротивление \(b\) и да се запишат определените стойности за \(l_{N}\) и \(t_{N}\) и за \(n\) в електронната таблица, намираща се във файла „Lab. upr. MM“ (Таблица 1).

· Компютърна обработка и представяне на резултатите, получени при провеждане на компютърното интерактивно лабораторно упражнение.

· Анализ и интерпретация на получените резултати и формулиране на изводи.

Методически бележки

За провеждане на компютърно (виртуално) интерактивно лабораторно упражнение „Определяне на земното ускорение с математично махало“ е използвана разработената мултимедийна програма „Хармонични трептения на математично махало“ (Фиг. 1), (Калпачка & Христов, 2004; Калпачка et al., 2004). Мултимедийните програми позволяват да се пресъздадат физични явления и процеси чрез компютърна анимация, графики, диаграми, текст, звук, числени стойности и др., да се променят параметрите и условията на експериментите и да се получават конкретни резултати.

Основната форма на учебна дейност при провеждане на компютърни интерактивни лабораторни упражнения е диалогът на учениците с компютъра.

При провеждане на лабораторното упражнение с мултимедийната програма (Фиг. 2) учениците задават различни стойности на дължината на математичното махало при една и съща максимална стойност на началния ъгъл на отклонение от равновесното положение \(\theta_{0}\) и на коефициента на съпротивление \(b\). При всяко стартиране на програмата след \(n\) на брой пълни трептения тя се спира чрез бутона „Пауза“ и се отчита времето \(t\), за което математичното махало извършва тези трептения. Стойността на времето \(t\) се визуализира в горната дясна част на мултимедийната програма.

За обработка и представяне на получените резултатити се използва разработената за целите на педагогическия експеримент компютърна програма, използваща възможностите на MS Excel (Таблици 1 и 2).

При провеждане на компютърното интерактивно лабораторно упражнение „Определяне на земното ускорение с математично махало“ учениците получават следната задача: като се използват електронните таблици 1 и 2, намиращи се във файла „Lab. upr. MM“, да се въведат, обработят и представят по указания начин получените резултати. С отварянето на посочения файл пред учениците се визуализира непопълнената Таблица 1.

В хода на работата учениците нанасят в Таблица 1 стойностите на следните определени от тях физични величини: дължина на математичното махало \(l_{N}\), времето \(t_{N}\), за което математичното махало с дължина \(l_{N}\) извършва \(n\) на брой пълни трептения (например \(n=5\) ).

Всички изчисления и представянето на крайния резултат със съответната грешка от измерванията се извършват автоматично от компютъра и се визуализират на монитора по определен начин (табличен и аналитичен в конкретната разработка).

Периодът на трептене \(T_{N}\) за всяка дължина на математичното махало се пресмята автоматично от компютъра по формулата \(T_{N}=\tfrac{t_{N}}{n}\) и се визуализира в колона 5 на Таблица 1.

Стойностите на земното ускорение \(g_{N}\) за всяка дължина на математичното махало се пресмятат от компютъра по формулата \(g_{N}=\tfrac{4 \pi^{2} l_{N}}{T_{N}^{2}}\) и се визуализират в колона 6 на Таблица 1.

За да се определи най-достоверната стойност на земното ускорение, се пресмята автоматично и средната аритметична стойност \(g_{\text {с }}\). от всички измервания по формулата \(g_{c p .}=\tfrac{g_{1}+\ldots+g_{N}}{N}\), която се визуализира в колона 7 на Таблица 1.

Абсолютните грешки \(\Delta g_{N}\) от отделните измервания (абсолютните стойности на отклоненията на отделните измервания от средната стойност \(g_{c p}\). ) се пресмятат от компютъра по формулата \(\Delta g_{N}=\left|g_{N}-g_{c p}.\right|\) и се визуализират в колона 8 на Таблица 1.

Абсолютната грешка \(\Delta g\) (средното отклонение на отделните измервания колона 9 на Таблица 1. спрямо \(g_{c p}\) ) се пресмята по формулата \(\Delta g=\tfrac{\Delta g_{1}+\ldots+\Delta g_{N}}{N}\) и се визуализира в колона 9 на Таблица 1.

След като се попълни Таблица 1, в Таблица 2 автоматично се представя от компютъра крайният резултат в аналитичен вид чрез абсолютната грешка: \(g=g_{c p .} \pm \Delta g\).

Чрез използване на разработената компютърна програма за обработка и представяне на резултатите, получени при провеждане на физични експерименти (в случая на компютърни интерактивни експерименти), се улеснява работата на учениците, тъй като те се освобождават от еднотипни изчисления и рутинна техническа дейност. Това им дава възможност да насочат вниманието си към същността на лабораторното упражнение и им позволява още в учебния час да направят анализ и интерпретация на получените резултати, да формулират съответните изводи и да оформят протокола от дейността си.

Протоколът от проведеното компютърно интерактивно лабораторно упражнение „Определяне на земното ускорение с математично махало“ включва: а) темата на лабораторното упражнение; б) имената на учениците, които са го провели, клас и номер в класа; в) двете попълнени таблици 1 и 2; г) контролни въпроси, на които отговорят учениците, с цел формулиране на изводи: „Различава ли се съществено определената стойност за земното ускорение от общоприетата стойност \(9,8 \mathrm{~m} / \mathrm{s}^{2}\) ?“, „Кои са причините за грешки при определяне на земното ускорение?“, „Какво влияние оказват периодът на трептене на математичното махало и неговата дължина върху земното ускорение?“.

При наличие на принтер учениците разпечатват своите протоколи и ги представят на учителя за проверка и оценка. Ако не се разполага с принтер, отделните групи от ученици записват в компютрите своите протоколи като отделни файлове, които учителят проверява и оценява.

След като всички групи от ученици са провели компютърното интерактивно лабораторно упражнение „Определяне на земното ускорение с математично махало“ и са представили своите протоколи, се провежда заключителна беседа, в хода на която се обсъждат получените резултати и формулираните изводи.

При провеждане на компютърни интерактивни лабораторни упражнения учениците виждат на практика приложенията на компютърната техника и компютърните технологии, запознават се с едни от съвременните методи и средства, които се използват в науката физика за изследване и изучаване на физични явления и процеси и за обработка и представяне на получените резултати. Освен това у учениците се изграждат умения и навици за наблюдение, съобразителност, анализ на физични ситуации и закономерности и др., развива се логическото им мислене, създава се познавателен интерес, подпомага се преминаването от конкретното към абстрактното и обратно.

Компютърни интерактивни лабораторни упражнения по физика могат да се провеждат с цел получаване на резултати, за които в реални условия е необходима подходяща материално-техническа база или специфично оборудване (опити на атомно-молекулно равнище, опити, изискващи дълго време за провеждане и др.).

За провеждане на компютърни интерактивни лабораторни упражнения при изучаване на разделите на физиката в средното училище могат да се използват мултимедийни програми от различни образователни дискове и сайтове от интернет. Създадените за целите на педагогическия експеримент мултимедийни програми: „Хармонични трептения на пружинно махало“, „Хармонични трептения на математично махало“, „Резонанс“ и „Ефект на Доплер“ (Калпачка & Христов, 2004; Калпачка et al., 2004) могат да се използват за провеждане на виртуални лабораторни упражнения при изучаване на раздела „Механични трептения и вълни“.

Използването на компютърни образователни технологии в обучението по физика в средното училище подпомага осъществяването на междупредметни връзки с информатиката и информационните технологии, съдейства за интегриране на знания и умения от различни области, за формиране на по-общи компетентности.

ЛИТЕРАТУРА

Калпачка, Г. (2006). Методически възможности за използване на компютърни образователни технологии в обучението по физика в средното училище. Дисертация за образователната и научна степен „доктор“, Благоевград.

Калпачка, Г. & Христов, В. (2004). Разработване на мултимедийни програми за обучение по физика. В: Сборник с доклади на Национална конференция с международно участие „Електроника’2004“, стр. 304–309.

Калпачка, Г., Христов, В. & Никифоров, Д. (2004). Мултимедийни програми за обучение по физика в средното училище. В: Сборник с доклади на ХХХII Национална конференция по въпроси на обучението по физика „Интердисциплинарен подход в обучението по физика“, стр. 256–260.

Тодоров, Ю. (2004). Аудиовизуални и информационни технологии в образованието. София: Веда Словена-ЖГ.

Тютюлков, К. (2005). За съвременното състояние на подпомогнатия от компютър експеримент. В: Сборник с доклади на ХХХIII Национална конференция по въпроси на обучението по физика „Физиката и информационните и комуникационните технологии“, стр. 101–104.