112044 (Аналогии и модели - один из методов обучения физики средней школы), страница 2

4. Демонстрационная компьютерная модель "Электрический ток в металле"

В курсе "основы электродинамики" основной школы есть много важных для дальнейшего обучения и сложных для понимания учащихся тем, это и ЭДС индукции, и напряженность электрического поля, и электромагнитные колебания. Одной из таких тем является электрический ток в металлах, остановимся подробнее на этой теме.

Сложность темы заключается в том, что для ее качественного раскрытия необходимо использовать статистические понятия, с которыми школьники встречались только при изучении основ молекулярной физики и, следовательно, владеют им не в полной мере. В таком случае статические закономерности необходимо представлять через показ динамики процесса.

Каким образом можно на максимально высоком уровне объяснить данную тему? Используя только плакаты, иллюстрации из учебника и рисунки на доске тему можно качественно раскрыть только для учеников способных оперировать понятиями высокой степени абстракции. Для объяснения природы электрического тока в металлах можно использовать кинофильмы по этой теме, но в большинстве школ кинооборудование уже вышло из строя, да и сами киноленты частично испорчены. Остается рассмотреть два средства обучения, относящихся к новым информационным технологиям – это видеофильмы и компьютерные модели.

В последнее время сильно развивалось производство учебных видеофильмов. Они обладают большой степенью наглядности, и заняли достойную нишу в сфере обучения физике. По рассматриваемой теме существует несколько видеопособий и у учителя есть возможность выбрать наиболее удачное на его взгляд.

Рассмотрим компьютерные модели. Компьютерные технологии в обучении бурно развиваются в последние два десятилетия и на сегодняшний день написано довольно много учебных компьютерных программ. Сейчас учебные компьютерные программы пишут: сами учащиеся, под руководством учителя, учителя физики и информатики, а так же большие профессиональные авторские коллективы. Очевидно, что последние более распространены, более известны и обладают более высокой маркетинговой поддержкой.

Обратимся к учебным компьютерным программам, по рассматриваемой нами теме, наиболее известных и популярных разработчиков.

Начнем рассмотрение с продукта фирмы 1С – "1С: Репетитор. Физика 1,5", представленного на компьютере в виде развернутой книги, на "правой странице" которой располагается учебный текст, а на "левой странице" соответствующие тексту картинки, компьютерные модели и видеоролики. Тему электрический ток в металлах иллюстрирует рисунок 3 на котором отсутствует изображение ионов кристаллической решетки и не отражено хаотическое движение электронов проводимости.

Рис.3

Продукт фирмы "Физикон" "Открытая физика 2.5" реализован в виде, более привычного для данного класса программ, страницы гипертекста, в которую вставлены рисунки и компьютерные учебные модели. Тему электрический ток в металлах иллюстрирует рисунки 4 и 5. "На рисунке 5: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем, масштабы дрейфа сильно преувеличены".

Рис.4

"Базовый курс физики для школьников и абитуриентов" представленный компанией "Медиа Хауз" представляет собой электронный учебник с рисунками, а так же набор компьютерных моделей. К теме электрический ток в металлах можно отнести рисунок 6.

Из выше приведенного анализа можно сделать вывод о том, что в наиболее популярных учебных программных продуктах по физике к теме "Электрический ток в металлах" приведены только иллюстрирующие рисунки разной степени наглядности и отсутствуют видеоролики и компьютерные модели для данной темы.

Рис.5

Рассмотрим, каким требованиям должна удовлетворять качественная компьютерная модель, отражающая тему "электрический ток в металле". Модель должна показывать хаотическое движение свободных электронов в отсутствии внешнего электрического поля, отражать наличие дрейфовой скорости под действием внешнего электрического поля, и изменение скорости дрейфа при изменении внешнего поля.

На основании выше приведенных требований была разработана демонстрационная компьютерная модель, которая дает возможность продемонстрировать движение электронов проводимости во внешнем электрическом поле.

При запуске программы на экране компьютера появляется окно в котором изображены ионы кристаллической решетки и электроны проводимости, которые хаотически двигаются и обладают дрейфовой скоростью, зависящей от наличия и величины внешнего электрического поля. Программа позволяет увеличивать, уменьшать и обнулять величину электрического поля, а так же изменять его направление. В процессе хаотического движения электроны не испытывают взаимодействия с другими электронами, а изменяют направление лишь при "соударении" с ионами кристаллической решетки. Модель изображает среднюю мгновенную скорость движения электронов и скорость дрейфа электронов. К ограничениям модели можно отнести то, что взято заведомо малое количество электронов проводимости: на 45 ионов кристаллической решетки изображено всего 15 свободных электронов, искаженно изображены размеры частиц и расстояния между ними, не отражено тепловое движение ионов, и т.д. Эти ограничения были намеренно заложены в модель, для ее упрощения и большей наглядности.

5. Использование компьютерных моделей при обучении физике

Сегодня преподаватели и учителя физики, сталкиваются со следующим рядом затруднений: постоянное сокращение часов на естественнонаучные дисциплины, снижение финансирования учебного процесса, износ и выход из строя имеющегося оборудования. В сочетании с повышенными требованиями к уровню знаний выпускников учебных заведений, и повышенной загруженностью обучающихся эти затруднения могут перерасти в неразрешимые проблемы, особенно в учебных заведениях небольших городов.

Решением подобных проблем может стать использование современных интенсивных форм, методов и средств обучения. Так использование метода проблемного обучения, метода модельных гипотез, а также использование в процессе обучения теле- и видеоаппаратуры позволит повысить качество знаний и снизить психологическую нагрузку на учащихся. Также в решении подобных проблем может помочь использование в процессе обучения компьютерных технологий.

Обучающие программы, которые могут быть использованы при преподавании физики, можно разделить на: моделирующие, вычислительные, проверочные и справочные. Моделирующие программы – это программы представляющие пользователю компьютерную модель физического явления или объекта. Они могут быть использованы, когда демонстрация самого явления или объекта невозможна в связи с его дороговизной, малой наглядностью или опасностью для жизни. Вычислительные программы разработаны для обработки и интерпретации результатов экспериментов. Подобные программы могут производить за учащихся сложные расчеты, строить графики и диаграммы, они особенно эффективны в сочетании с измерительными модулями, такими как L -микро. Проверочные программы обеспечивают проверку знаний путем тестирования или путем пошагового решения задач. Они отличаются объективностью и беспристрастностью. Справочные программы – это базы и банки данных, предоставляющие учащимся доступ к справочной учебной информации.

Рассмотрим компьютерные модели, как самые распространенные компьютерные обучающие программы. Появление персональных компьютеров четверть века назад позволило начать новую эру использования компьютера в обучении, с тех пор создано множество компьютерных моделей. Эти модели создавали профессиональные коллективы программистов, учителя и преподаватели, а также ученики и студенты. Подобные программы охватывают довольно большой ряд явлений и объектов, отличаются друг от друга полнотой, качеством, охватом, системностью и наглядностью.

Обратимся к модели созданной автором статьи: "Отражение и преломление света на границе двух сред", и размещенной в Интернете на сайте: http:// kmodels . narod . ru .

Для построения модели волны можно воспользоваться принципом Гюйгенса. Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скоростью распространения волны в среде.

Зная положение фронта волны в какой-либо момент времени можно найти положение фронта волны через промежуток времени Δt . Вторичные волны распространяются от каждой точки волнового фронта и представляют собой сферические поверхности радиуса v * Δt ( v – скорость распространения волны в среде), тогда касательная поверхность ко всем вторичным волнам будет новым фронтом волны в данный момент времени.

С помощью этой модели можно описать преломление и отражение света на границе двух сред. Программа, моделирующая эти явления, будет строить начальный фронт волны, на его поверхности выбирать пять точек, каждая из которых будет источником вторичных сферических волн, и строить касательную к этим волнам, которая и будет новым фронтом волны. Преломление света рассматривается при переходе света из среды с показателем преломления n =1 в среду с показателем преломления n =1,5 (например, преломление света на границе: воздух - стекло).

Программа также показывает границы применения модели световой волны, основанной на принципе Гюйгенса. Параллельные лучи света, от бесконечно удаленного источника падают на отверстие AB . Белым изображены полусферы, которые действительно могли иметь место, а красным изображены вторичные волны, которые предсказываются моделью (принципом Гюйгенса), но на практике не имеют места. Таким образом, программа наглядно демонстрирует, что принцип Гюйгенса позволяет найти волновую поверхность в произвольный момент времени, если известна волновая поверхность в предыдущий момент времени. Но он не позволяет определить границы распространения света, не объясняет прямолинейность распространения света.

Это имитационная программа, созданная специально для демонстрации, с предельно упрощенным интерфейсом и отсутствием возможности изменять какие-либо параметры. Ее можно использовать при объяснении таких тем, как: принцип Гюйгенса, закон отражения и преломления света.

6. Другие виды аналогий в школьном курсе физики. Использование аналогии при изучении транзистора

В настоящее время транзистор как полупроводниковый прибор нашел широкое применение во всех сферах человеческой деятельности. Популярность прибора повышает интерес учащихся к нему и его техническому приложению. Модель транзистора, как и всякая аналогия, является приближением прибора и имеет свои границы применимости (например, с ее помощью невозможно показать собственную и примесную проводимость; перемещение дырок и электронов и т. д.). Однако в главном модель и оригинал схожи: это тождественность включения их схем и аналогичность работы основных частей и, кроме того, равенство нулю тока коллектора при отсутствии тока в базе.

Рис.6

После ознакомления учащихся с основными элементами транзистора p-n-p-типа (эмиттером, базой и коллектором) и механизмами правого и левого p-n-переходов, учащимся предлагается пронаблюдать данные процессы на модели. Для этого собирается установка, показанная на рис. 6. (предложенная В.С. Данюшенковым и С.Е. Каменецким) Она состоит из аналога транзистора 1, двух центробежных водяных насосов с электродвигателями 2 и стеклянных переходников 3, соединенных между собой резиновыми трубками.

В качестве аналога берут модель водоструйного насоса, имеющаяся в арсенале кабинета физики.

Источником переменного "напряжения" для модели (см. рис.8) служит вход 4, который подключают к водопроводному крану. Меняя с помощью крана скорость течения жидкости в установке, регулируют давление (напор) в ней. В этой установке давление жидкости служит аналогом напряжения в электрической цепи транзистора. Насосы выполняют роль источников постоянного тока, трубки с водой — соединительных проводов, а стеклянная трубка 5 - постоянного резистора R, включенного в цепь, показанную на рис.7.

Рис. 7