в условиях интеграции преподавания физики и информатики. Как правило, такую интеграцию осуществляет учитель, ведущий обе дисциплины

Таким образом, внедрение в учебный процесс вычислительного эксперимента стимулировало формирование и развитие у обучаемых целого комплекса взаимосвязанных познавательных умений как общенаучного уровня методологии (планирование исследования, формализация и интерпретация, моделирование, выдвижение гипотез и другие), так и частнопредметного (составление алгоритмов, вычислительные, графические).

Подчеркнем, что выше шла речь о таком виде численного эксперимента, при котором обучаемые более или менее самостоятельно разрабатывают физическую и математическую модели задачи, алгоритм, а затем и программу, вводят ее в компьютер, отлаживают, тестируют, осуществляют эксперимент, анализируют и содержательно интерпретируют его результаты.

Этот вид эксперимента не является единственным. С развитием стандартного программного обеспечения, средств программирования, как силами коллективов профессиональных разработчиков, так и сотрудниками физических кафедр вузов стали во все большем количестве создаваться педагогические программные средства (ППС), при работе с которыми от учащихся не требуется умения программировать. Примерами такого рода ППС, моделирующих физический эксперимент, могут служить <Физика в картинках> (НЦ <Физикон>, 1993 г.), <1С: Репетитор. Физика> (АОЗТ <1С>, 1998 г.). Характеризуя эти программы, следует прежде всего отметить в целом высокий научно-педагогический уровень данных разработок. Программы отвечают основополагающим принципам научной корректности и исторической достоверности предъявляемого материала, доступности, наглядности, простоты, эстетичности и выразительности.

Из комплекса дидактических функций данного вида компьютерного эксперимента выделяем функцию наглядного представления содержания учебного материала, присущую также натурному учебному эксперименту [5; 30]. На наш взгляд, это наглядность особого рода. В натурном учебном эксперименте (ученическом или демонстрационном) предмет изучения вначале предстает как явление и лишь затем, в процессе деятельности, относящейся преимущественно к теоретическому уровню познания, может быть вскрыта его сущность. В компьютерном эксперименте, как правило, создатели программы сразу же раскрывают сущность изучаемого явления, абстрагируя пути и средства познавательного процесса, в результате которого сущность была установлена. При выполнении натурного эксперимента в состав этих средств входят методы (идеальные средства), а также приборы, оборудование, образцы (материальные средства). Другим компонентом любого познавательного процесса является деятельность обучаемых, которая может быть осуществлена при наличии определенного методологического минимума (ориентировочной основы), как правило, при участии преподавателя. Легко видеть, что при работе с программами рассматриваемого вида практически остаются невостребованными умения по планированию эксперимента, обработке данных, измерительные, вычислительные, графические, поскольку компьютер все делает сам. В соответствии с ориентацией на формирование системы понятийного знания, изображения экспериментальных установок в рассматриваемых ППС предъявляются в предельно схематизированном виде, многие их элементы, в том числе и приборы, полностью абстрагированы. Отмеченные особенности являются общими и характерными для эксперимента рассматриваемого вида.

Хорошим примером сказанному служит компьютерный эксперимент по теме <Фотоэффект>, содержащийся в уже упоминавшейся ППС <Физика в картинках>. После запуска соответствующего фрагмента программы на экране появляется разрядная трубка с окном для впуска света; регуляторы, посредством которых обучаемый варьирует величину светового потока, длину волны и напряжение между анодом и катодом; координатные оси, в которых по результатам эксперимента строится график зависимости анодного тока от напряжения. Модель также позволяет видеть движение электронов, характер которого меняется в зависимости от выбранных значений параметров эксперимента. Таким образом, модель заключает в себе все необходимые элементы теоретического знания о фотоэффекте. В ходе компьютерного эксперимента обучаемый пополняет, систематизирует, закрепляет знания, создает целостный образ изучаемого предмета. При этом его деятельность имеет мало общего с деятельностью по выполнению реального эксперимента. С учетом сказанного, для компьютерного эксперимента данного вида вполне оправданным является название <интерактивная иллюстрация>.

Содержание общего образования составляют следующие элементы: система знаний об основах наук, способы познавательной и практической деятельности, опыт творческой деятельности и эмоционально-ценностного отношения к миру [6]. В инновационной (личностно-ориентированной, развивающей) педагогике значение последних трех элементов заметно возрастает. Не случайно инновационные учебные заведения широко практикуют выполнение учащимися разного рода творческих и исследовательских работ. На наш взгляд, экспериментально-исследовательские работы и в дидактическом отношении, и в аспекте воспитания личности ученика являются более ценными, нежели реферативные. Но для того чтобы учебно-исследовательский эксперимент отвечал критериям научности, соответствовал принятым нормам выполнения исследовательских процедур и изложения результатов, ученик должен овладеть развернутой системой средств (методологией) осуществления этой деятельности. В настоящее время методики формирования целостной, содержательной и относительно самостоятельной экспериментально-исследовательской деятельности обучаемых разработаны недостаточно.

Вышесказанным обосновывается актуальность разработки ППС, воспроизводящих в существенных чертах деятельность по выполнению натурного учебного эксперимента и нацеленных на поэтапное и поэлементное формирование у учащихся развернутой экспериментально-исследовательской деятельности. Методологической основой настоящей работы служит теория формирования обобщенных учебных умений, разработанная академиком А.В. Усовой [7]. Наш опыт разработки и внедрения соответствующих ППС в учебный процесс показывает, что компьютерный эксперимент (используемый, разумеется, в совокупности с натурным) позволяет продвинуться далеко вперед в совершенствовании познавательных умений обучаемых, он стимулирует этот процесс, обеспечивает необходимые для его осуществления технологические условия.

Прежде чем приступить к рассмотрению особенностей авторских программ, необходимо определить гносеологический статус компьютерного эксперимента, что одинаково важно для разработчика программы, преподавателя и обучаемого. Ясность в этих вопросах необходима также для преодоления укоренившихся представлений о том, что компьютерный эксперимент не имеет самостоятельной ценности, он является дешевым заменителем натурного в тех случаях, когда оборудование недоступно по цене, требует для установки больших площадей и т. д. Надо отметить, что распространению подобного заблуждения способствуют авторы многих публикаций, выделяющих лишь этот технический аспект для обоснования целесообразности использования компьютерного эксперимента. Между тем, не менее важным является собственно педагогический аспект, включающий специфичные для компьютерного обучения цели, методы, приемы, организационные формы, условия и результаты обучения.

Поскольку в компьютерном эксперименте подлинный предмет учебного познания (физические явления, приборы и т.д.) заменяется его моделью, данный вид эксперимента относится к классу модельных [8; 112-134]. В рассматриваемом случае моделью с равным основанием можно считать как программу, воспроизводящую предмет познания, так и компьютер с введенной в него программой. В обучении физике находят применение модельные эксперименты не только в компьютерном исполнении. Примером могут служить демонстрационные опыты по делению и слиянию ядер атомов [9], в которых взаимодействие частиц посредством кулоновских и ядерных сил заменяется взаимодействием постоянных магнитов. В данном случае используются материальные модели. Компьютерные модели следует отнести к разряду материализованных. Понятие о такого рода моделях вводит Г.А. Балл. В разработанной им системе понятий материальные модели отличаются от материализованных тем, <что их функционирование мало зависит от природного бытия их субстрата> [10; 17]. Примером материализованных моделей могут служить печатные тексты, формулы, записанные мелом на доске или в памяти компьютера, графики, фотографии и т.д. Для обеспечения полноты классификации добавим, что еще один вид моделей составляют идеальные модели, которые <вообще не обладают субстратными свойствами, поскольку в них осуществлено абстрагирование от субстрата>. Идеальные модели существуют в индивидуальном и в общественном сознании. Материальным носителем психической модели служит <система нервных процессов>, наиболее характерной материальной формой модели в общественном сознании, в том числе, в науке является <некоторая система текстов> [10; 17].

Принятое в большинстве логико-методологических и дидактических работ (например, в [8]) дихотомическое деление моделей на материальные и идеальные, на наш взгляд, является слишком грубым, что затрудняет установление природы и специфики вычислительного и, в частности, компьютерного эксперимента. Так, в рамках данной классификации одна и та же программа, установленная на двух компьютерах, должна рассматриваться как две различные модели, поскольку в составе данных материальных моделей должны учитываться свойства компьютеров. Абстрагирование от этих свойств означает переход к понятию материализованной модели. Добавим также, что в учебной литературе по информатике модели классифицируются на материальные и информационные или материальные и абстрактные, что логически некорректно.

Деятельности по выполнению натурного и модельного экспериментов отличаются тем, что в состав последней входят следующие действия: 1) построение модели; 2) исследование модели; 3) перенос (экстраполяция) результатов, полученных при исследовании модели, на натурный объект [8]. Не существует формальных, либо стандартных процедур по выполнению этих действий. (Исключением является теория подобия, применимая, в основном, к механической форме движения). Таким образом, можно констатировать, что деятельность по выполнению модельного эксперимента, в том числе, учебного в определенном отношении является более сложной, чем деятельность по экспериментированию с натурными объектами. Очевидно, обобщенное умение по выполнению модельного эксперимента, как и натурного, должно формироваться <на понимании научных основ и структуры деятельности> [7; 5].

Рассмотрим далее дидактические особенности разрабатываемого нами вида компьютерного эксперимента. Как уже отмечалось, в настоящее время, по-видимому, отсутствуют ППС, воспроизводящие экспериментальную деятельность в ее существенных чертах. Чтобы последнее стало возможным, программы должны с достаточной степенью детализованности воспроизводить определенный набор свойств натурных экспериментальных установок. Прежде всего, отмечаем принципиальную важность учета в моделях погрешностей измерений. Это обусловлено тем, что на всех этапах выполнения натурного эксперимента (планирования, осуществления чувственно-предметных действий, обработки данных) деятельность экспериментатора, главным образом, подчинена цели контроля и минимизации ошибок искомых количественных результатов. Таким образом, к числу наиболее важных технических характеристик приборов, которым должны соответствовать изоморфные им свойства моделей, отнесем инструментальную погрешность (основную, дополнительную, аддитивную, мультипликативную, квантования), диапазоны измерения, внутреннее (входное) сопротивление. Имеет значение также внешний вид модели прибора, состав и расположение органов управления. Не следует увлекаться натурализмом, изображение моделей приборов не должно содержать отвлекающих внимание избыточных деталей.

Таким образом, ППС рассматриваемого вида моделируют, с одной стороны, изучаемое физическое явление, с другой, - познавательную ситуацию, характерную для натурного физического эксперимента. Если использовать известные классификационные категории, то данный вид учебного компьютерного эксперимента можно отнести к разряду имитационного, а ППС - к программам-тренажерам.

Компьютер предоставляет уникальные возможности для конструирования моделей приборов и, что очень важно, оперативного варьирования их свойств с учетом условий учебного процесса. В натурном эксперименте участникам учебного процесса (учителю и ученику) противостоит целостный фрагмент материальной действительности во всей неисчерпаемости его свойств. В компьютерном учебном эксперименте можно, руководствуясь педагогической целесообразностью, постепенно усложнять модель установки и соответствующую ей модель деятельности, поэтапно и контролируемо наращивая и совершенствуя экспериментальные умения. Например, может оказаться целесообразным вначале использовать модель цифрового амперметра без учета внутреннего сопротивления и основной инструментальной погрешности (погрешность квантования, очевидно, будет присутствовать всегда). На следующем этапе можно ввести аддитивную основную погрешность, затем систематическую, связанную с наличием внутреннего сопротивления, и т. д. В настройках программы полезно предусмотреть возможность изменения в определенных пределах величины этих погрешностей, что будет способствовать выяснению учащимися их природы. Инструментальная погрешность, как известно, по своему характеру является случайной, поэтому наиболее простой (и доступной для восприятия учащимися), способ ее моделирования состоит в использовании генератора случайных чисел. Однако, как известно, инструментальная погрешность практически не обнаруживает разброса при повторных измерениях и сравнительно медленно изменяется в пределах диапазона измерения. Поэтому более адекватно ее свойства воспроизводятся при использовании знакопеременных функций, например, синуса или косинуса. Значение измеряемой величины, индицируемое на табло прибора, должно выражаться числом знаков, соответствующим заявленному классу точности.

Описанные возможности глубокого членения, редукции и <препарирования> физической реальности таят в себе опасность создания <виртуальных миров> в жанре <фэнтэзи>, что привело бы к формированию у обучаемых неверных, фантастических представлений о материальном мире. На <опасность того, чтобы связь изучаемого с реальностью не была преждевременно разорванной> при использовании <такого мощного метода обучения, каким является метод моделирования>, еще на заре компьютеризации школы указал академик В.Г. Разумовский [11].

По нашему убеждению, компьютерный эксперимент, как и все другие средства обучения, может быть опасен лишь при неправильном использовании. В обоснование целесообразности его применения можно привести такой довод. Вся физика как наука и как учебная дисциплина состоит из моделей, которые, естественно, односторонне и неточно отражают действительность. В природе нет прямолинейного движения, инерциальных систем отсчета и т. д. Тем не менее, только через эти простые абстрактные модели можно осуществить восхождение к конкретному, все более полному и точному знанию. Точно так же, постепенно усложняя модели экспериментальных ситуаций, можно поэтапно раскрывать учащимся сущность экспериментального метода познания.

Одна из важнейших функций учебного физического эксперимента состоит в воспитании у обучаемых <чувства реальности>, в составе которого ведущее место занимает личный опыт чувственно-предметной деятельности. Другая, не менее значимая функция заключается в том, что эксперимент служит средством объективации и опредмечивания знания, выраженного в логической знаковой форме. Согласно С.А. Шапо-ринскому [12], деятельность по проецированию знаний об изучаемом объекте на сам объект составляет важнейшую особенность учебного познания. Для обеспечения успешной реализации названных выше функций учебного эксперимента (как натурного, так и модельного), преодоления известной ограниченности метода компьютерного имитационного моделирования, методики его применения в учебном процессе должны предусматривать:

1) использование только в сочетании с натурным экспериментом. Наш опыт показал, что компьютерный эксперимент наиболее эффективен в том случае, когда его выполнение предшествует выполнению натурного эксперимента того или иного вида. Например, таким образом нами осуществляется обучение методике оценивания случайной погрешности (ППС <Опыт Милликена>), способам анализа функциональных зависимостей в одно- и многофакторном экспериментах (ППС <Разряд конденсатора>, <Закон Гагена-Пуазейля>, <Цепь переменного тока> и др.) [13]. При имеющейся возможности перед проведением компьютерного эксперимента целесообразна демонстрация натурной установки или ее элементов;

2) обеспечение ясного понимания учащимися сущности общенаучного метода моделирования;

3) ознакомление учащихся со свойствами используемой модели, сравнение свойств моделей приборов с техническими характеристиками их прототипов.

В ходе проводимого исследования была определена структура обучающих программ, которая представляется нам оптимальной с учетом дидактических и технических требований. Если в качестве элемента структуры выбрать содержание кадра (экрана), а переходы от одного кадра к другому изображать линиями, то структура имеет вид, показанный на схеме. Разумеется, в зависимости от тех или иных условий структура созданных ППС может отличаться от представленного на рисунке варианта. Опишем кратко содержание кадров.

Входное (стартовое) меню предлагает обучаемому зарегистрироваться, то есть записать в указанном месте фамилию, имя, класс (группу). Эти данные будут сохранены в электронном журнале вместе с результатами работы и данными о времени ее выполнения. В этом меню можно также выбрать лабораторную работу (если работ в программе несколько) и ознакомиться с текстом, содержащем информацию об авторах программы.

Структура обучающих программ

с учетом дидактических и технических требований

С помощью главного меню осуществляются основные коммутации между элементами программы. После перехода в данное меню обучаемый имеет возможность ознакомиться с основными текстами (<задание>, <теоретическое введение>, <описание модели>, <рекомендации к проведению исследования>, <контрольные задания>), а также дополнительными, вспомогательными, справочными материалами (<о компьютерном моделировании>, <правила построения графиков>, <метод наименьших квадратов> и т. п.). Из этого же меню можно перейти к кадру, обозначаемому нами как <лабораторный стол> и приступить к выполнению практической части работы. Кроме того, из главного меню вызываются подпрограммы для обработки данных, и осуществляется переход к выполнению контрольных заданий (задачам, вопросам, тестам) на этапе обсуждения и оценки отчетов. Наконец, через это меню преподаватель, после введения пароля, может открыть журнал, установить нужные настройки программы и ознакомиться с рекомендуемой авторами программы методикой ее использования в учебном процессе.

На <рабочем столе> программы помещены: модель экспериментальной установки, органы управления моделью (помимо тех, что находятся на панелях моделей приборов), диалоговое окно программы, таблица экспериментальных данных и рассчитанных величин (<лабораторный дневник>). На этот экран могут также вызываться: <всплывающие подсказки> с выписками из <паспортов> моделей приборов; тексты, в частности, рекомендации к выполнению работы и основные формулы; окна подпрограмм, например, для построения графиков и выполнения трудоемких расчетов. Представленные в кадре текстовые и нетекстовые компоненты должны обеспечивать симультанный образ экспериментальной ситуации, то есть одновременное присутствие в нем всех необходимых для выполнения задания компонентов. Как известно из психологии, развитое физическое мышление оперирует образами, включающими как чувственно-наглядные, так и рациональные компоненты.

Компьютер позволяет вложить в обучающую программу практически неограниченные по объему тексты, однако, предъявление учебной информации в таком виде, по нашему мнению, является неспецифичным для компьютерного обучения. Компьютер не должен использоваться в качестве <устройства для перелистывания страниц>, в первую очередь, из соображений сохранения здоровья обучаемых. Это означает, что предпочтение должно быть отдано таким способам передачи учебной информации, как чтение текста на бумажном носителе и беседа с учителем. Имея в виду эти возможности в качестве основных, считаем необходимым обеспечить в программе полноту и, в то же время, неизбыточность информации по всем перечисленным выше разделам (<задание>, <описание модели> и т. д.). Благодаря фронтальному способу выполнения работ, у преподавателя имеется возможность осуществить диалог с учащимися в форме проблемной беседы, обеспечить такие условия, при которых существенные аспекты работы не остались бы кем-то из учащихся незамеченными.

Роль преподавателя в осуществлении учебного процесса с использованием компьютерного эксперимента остается столь же значимой, как и при выполнении натурного эксперимента. Вариативность модели по многим параметрам позволяет гибко строить учебный процесс с учетом различных факторов, в частности, в той или иной мере индивидуализировать обучение. <Неотягченность компьютерного эксперимента материей> позволяет реализовывать исследовательские проекты с получением нетривиальных, заранее неочевидных для учащегося результатов. В отличие от натурных приборов, компьютерная модель <не выходит из строя, не барахлит>, что обеспечивает надлежащее качество первичных экспериментальных данных. Благодаря использованию в необходимых случаях вычислительных подпрограмм удается в течение ограниченного рамками занятий времени спланировать и осуществить достаточно сложные многофакторные эксперименты, корректно выполнить обработку данных.

В процессе выполнения компьютерных лабораторных работ учащиеся оформляют отчет в тетради, дополняя его при необходимости распечатками таблиц и графиков. Компьютерная технология позволяет повысить эффективность деятельности преподавателя по проверке и оцениванию отчетов. Последнее, в частности, обеспечивается автоматическим сохранением в <журнале> таблицы экспериментальных данных и рассчитанных величин, которую учащиеся заполняют в области экрана, обозначенной как <лабораторный дневник>. Программа генерирует задания с несколько различающимися условиями, при этом для каждого варианта машина высчитывает точные значения искомых величин, которые становятся доступными преподавателю после введения пароля, что позволяет исключить списывание [13].

Опыт внедрения разработанных ППС в учебный процесс школы и педвуза показывает, что компьютерный эксперимент позволяет точно смоделировать цели, содержание, результаты деятельности обучаемых, обеспечить эффективный контроль и коррекцию этой деятельности и реализовать принцип технологизации обучения. По основной дидактической цели, содержанию, структуре, методикам использования разработанные нами ППС существенно отличаются от известных. Данное обстоятельство позволяет говорить о новом виде учебного компьютерного эксперимента.

Выражаю глубокую признательность Н.Г.Булахову, А.И.Казанцеву, С.А.Скрыльнику, А.П.Соснину, В.А.Спиридовичу, С.П.Сыроежкову, А.П. Фирсову за творческое участие на всех этапах создания программ.

Библиографический список

1. Извозчиков В.А., Ревунов А.Д. Электронно-вычислительная техника на уроках физики в средней школе. М.: Просвещение, 1988. 239 с.

2. Бурсиан Э.В. Задачи по физике для компьютера. М.: Просвещение, 1991. 256 с.

3. Анциферов Л.И. Задания по физике с применением программируемых микрокалькуляторов. М.: Просвещение, 1993. 96 с.

4. Петросян В.Г, Газарян Р.М., Сидоренко Д.А. Моделирование лабораторных работ физического практикума // Информатика и образование. 1999. © 2. С. 59 - 67.

5. Синенко В.Я. Система школьного физического эксперимента. Новосибирск: Изд-во НИПКРО, 1993. 116 с.

6. Теоретические основы содержания общего среднего образования / Под ред. В.В. Краев-ского, И.Я. Лернера. М.: Педагогика, 1983. 352 с.

7. Усова А.В., Бобров А.А. Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики. М.: Просвещение, 1988. 112 с.

8. Штофф В.А. Проблемы методологии научного познания. М.: Высшая школа, 1978. 269 с.

9. Синенко В.Я. Изготовление и использование самодельных приборов и приспособлений. Новосибирск, 1991. 53 с.

10. Балл Г.А. Теория учебных задач: Психолого-педагогический аспект. М.: Педагогика, 1990. 184 с.

11. Разумовский В.Г. Реформа в действии: ЭВМ входит в жизнь школы // Физика в школе. 1985. © 4. С. 3 - 8.

12. Шапоринский С.А. Обучение и научное познание. М.: Педагогика, 1981. 208 с.

13. Старовиков М.И. Исследовательский учебный эксперимент по физике с компьютерной поддержкой. Бийск: НИЦ БПГУ, 2002. 128 с.