Виртуальные лаборатории
в решении открытых задач
Как известно, открытые задачи не имеют четкого однозначного условия, могут не содержать каких-то данных или, напротив, содержать избыточные данные1. Поэтому учащемуся необходимо самостоятельно осмыслить и дополнить условие открытой задачи, найти необходимые для ее решения сведения в литературе или в Интернете.
Решение открытой задачи предполагает исследование — чем более открыта задача, тем больше исследовательская часть в решении этой задачи. Учебная открытая задача может требовать для своего решения как реальных экспериментов или исследований, так и проведение мысленных или компьютерных экспериментов, необходимых для построения модели рассматриваемого в задаче явления или процесса. Успешное решение открытой задачи предполагает не только выдвижение гипотез, но и проверку их расчетом либо экспериментом.
В данной работе предлагается при решении открытых задач школьниками использовать виртуальные лаборатории. Они могут использовать виртуальные лаборатории для построения моделей, проведения исследований и проверки своих гипотез.
Данный метод прошел апробацию в ряде проектов направленных на развитие интеллекта и креативности одаренных детей. В 2004, 2005 и 2006 годах в рамках международных турниров по компьютерной физике, которые ежегодно проводятся Интеллект-клубом «Глюон», проведен ряд командных конкурсов среди школьников и студентов по решению открытых задач с использованием виртуальных лабораторий. Команды работали с виртуальной лабораторией компании «ФИЗИКОН» (МФТИ, Москва)2 и лабораторией, созданной с помощью программного комплекса BARSIC3, разработанной в Санкт-Петербургском государственном университете. Темы проведенных конкурсов были достаточно разнообразны и охватывали следующие разделы школьного курса физики: механика, звуковые явления, свойства механических волн, цепи постоянного тока, оптика.
Конкурсы были организованы следующим образом. Командам были продемонстрированы функциональные возможности виртуальных лабораторий и показаны основные принципы составления сценариев компьютерных моделей. Затем командам были выданы задания в виде текстового файла. Далее в течение часа команды работали в консультационном режиме, то есть они могли задавать вопросы преподавателю, ведущему конкурс. После того как участники конкурса научились работать с лабораториями, они перешли к самостоятельной шестичасовой работе. При решении открытых задач школьники собирали виртуальные установки, ставили эксперименты, проводили исследования, подготавливали презентации для докладов. Вечером в зале для конференций каждая команда докладывала результаты своей работы. При этом на большом экране они демонстрировали эксперименты, подтверждающие ответы и выводы их команд. Они также отвечали на дополнительные вопросы жюри и аудитории и, используя виртуальные эксперименты, отстаивали мнение своей команды.
По мнению жюри, все участники конкурсов с большим интересом отнеслись к выполнению заданий, при выполнении которых им было необходимо использовать виртуальную лабораторию. Следует отметить, что в данных конкурсах приняло участие более 150 школьников, причем их возраст находился в диапазоне с 6 по 11 класс.
В 2005 г. нами была разработана методика использования виртуальной лаборатории для организации исследовательской деятельности учащихся. При участии центра «Интеллект», созданного по президентской программе для одаренных детей ленинградской области, были отобраны школьники из числа победителей районных и городских олимпиад. Эти ребята прошли обучение в центре и в течение полугода самостоятельно проводили исследования с использованием виртуальной лаборатории. При этом они по электронной почте отсылали файлы созданных виртуальных установок и результаты экспериментов руководителю проекта и получали от него консультации.
О результатах проведенных исследований школьники доложили на физическом факультете СПбГУ в рамках конференции, посвященной компьютерному моделированию физических процессов. Два доклада отмечены дипломами II степени и один доклад дипломом III степени.
Следует отметить, что решение открытых задач с использованием виртуальных лабораторий вызывает большой интерес у учащихся и является серьезным мотивирующим фактором к изучению физики.
В настоящее время лаборатория образовательных технологий «Универсальный решатель» (www.trizway.com) готовит к изданию сборник «Физика в открытых задачах» с ответами, подсказками, теорией и методикой. Примеры задач опубликованы в альманахе «Триз-Профи: эффективные решения»4.
В качестве примера приведем задачу из готовящегося сборника, для решения которой можно использовать виртуальную лабораторию.
Во время своего царствования в Сиракузах Гиерон дал обет бессмертным богам пожертвовать в один из храмов золотую корону. Для изготовления короны он приказал выдать мастеру нужное количество золота. В назначенный день мастер принес свою работу царю. Вес короны точно соответствовал весу выданного золота. Гиерону корона понравилась, и мастер был щедро награжден. Вскоре поступил донос. Доносчик утверждал, что при изготовлении короны значительная часть золота мастером украдена, а в корону подмешано такое же количество серебра. Гиерон был сильно разгневан и, не находя способа доказать пропажу, попросил Архимеда определить, не разрушая корону, есть ли в ней серебро. После длительных размышлений, Архимед решил эту задачу при помощи эксперимента. Попробуйте решить ее и вы.
Для решения данной задачи можно использовать виртуальную лабораторию, разработанную в СПбГУ (см. рис. 1).
Рис. 1. Вид окна виртуальной лаборатории при проверке гипотез.
Учащимся предоставлена корона, слитки золота и серебра, а также весы и набор инструментов для определения объемов тел. Задачу можно решить различными способами.
Объявление
Интернет-олимпиады по физике с использованием виртуальных лабораторий
Уважаемые директора и завучи учебных заведений!
Приглашаем ваших учащихся 7-11 классов принять участие в дистанционной Интернет-олимпиаде по физике. Интернет-олимпиада может быть проведена в рамках конкретного учебного заведения, а также в рамках поселка, города, области или края.
В рамках Интернет-олимпиады учащимся будут предложены экспериментальные задания и исследования, которые они смогут выполнить, используя Интернет-лаборатории. Например, взвесить тела, определить плотности и теплоемкости жидкостей и твердых тел, определить скорость и ускорение движущихся тел, а также провести исследования электрических цепей и оптических систем.
Олимпиадные задания имеют разную степень сложности: от простых экспериментов до экспериментальных задач высокой сложности. Поэтому любой, даже слабоуспевающий по физике ученик, имеет шансы правильно выполнить некоторые задания.
Результаты, полученные участниками при выполнении олимпиадных заданий анализируются в автоматическом режиме, причем каждому участнику сразу же сообщается количество набранных им баллов по каждой решенной задаче. По окончании олимпиады за 1-2 минуты формируется рейтинговый список всех участников.
Система проведения Интернет-олимпиад разработана в СПбГУ для проведения олимпиад во Всероссийском масштабе. Эта система прошла апробацию в Санкт-Петербурге и Ленинградской области и показала свою работоспособность. В течении 2006-2007 гг. в Интернет-олимпиадах приняли участие более 4000 школьников 7-11 классов из Санкт-Петербурга, Ленинградской области, Петрозаводска, Москвы, Казани и других городов. Экспериментальные задания с использованием виртуальных лабораторий вызвали большой интерес у всех участников.
Отзывы учителей и участников Интернет-олимпиад:
- «Необычность работы произвела на детей ошеломляющее впечатление. Так они еще не решали задачи. Сбоев со связью не было».
СПб, школа 286, Акимов Борис Владимирович. - «Эта олимпиада просто замечательная. Я, хоть и не физик, но стараюсь ее улучшить и один из способов вот эта Интернет-олимпиада. Благодаря этой работе с компьютером я поняла, как это интересно, познавательно, занимательно. Но раньше я не ходила на олимпиады, а, попробовав, ходила бы каждую неделю. Хочу сказать огромное спасибо за эту олимпиаду, ведь я попробовала свои силы. Очень рада, что заняла не последнее место. Спасибо».
Москва, Миминошвили Лана.
Необходимые технические условия для проведения олимпиады:
Интернет-олимпиада проводится дистанционно: с компьютеров учебного заведения или с домашних компьютеров учащихся. При этом олимпиада может быть проведена как в рамках конкретного учебного заведения, так и в рамках района, города, области или края.
Проведение Интернет-олимпиад не требует от организаторов на местах специальных навыков и доступно любому школьному учителю, который использует Интернет. Необходимые разъяснения и подробные инструкции высылаются в каждое учебное заведение после получения заявки.
Заявки на проведение Интернет-олимпиад по физике и все вопросы просим направлять Александру Федоровичу Кавтреву по адресу: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..
Телефон для связи: 8-911-919-34-74.
1. Кавтрев А.Ф. Физика в открытых и изобретательских задачах // Труды международной конференции «MA NRIZ Fest — 2005», Россия, Санкт-Петербург, 2005. С. 190-193.
2. Кавтрев А.Ф. Методика работы с «On-line виртуальной лабораторией компании «ФИЗИКОН» // Сборник трудов XIII международной конференции «Информационные технологии в образовании», Москва. 2003. Часть 4. -с. 55.
3. Монахов В.В., Стафеев С.К., Парфенов В.Г., Кавтрев А.Ф. Проведение экспериментальных туров олимпиад по физике с использованием программного комплекса BARSIK. Журнал «Компьютерные инструменты в образовании»,
Санкт-Петербург. 2005. №2, -с. 5-15.
4. Кавтрев А.Ф. Физика в открытых задачах // Альманах «ТРИЗ-профи: эффективные решения», М.: ТРИЗ-профи, 2005. С. 104-109.
книг. Еще очень на меня ...