Роль методов визуализации учебной информации в обучении

Содержание

Введение………………………………………………………………………

Глава 1

1.1 Роль и место визуализации учебной информации в обучении……….

1.2 Психолого - педагогические основы методики решения

физических задач………………………………………………………….

1.3 Виртуальный эксперимент в системе преподавания физике……………

Глава 2. Визуализация задачных ситуаций

2.1 Система визуализаций средствами натурного эксперимента………………

2.2 Система визуализаций в проектной среде живая физика…………………..

Литература………………………………………………………………………..

 

ВВЕДЕНИЕ

Физической задачей в учебной практике обычно называют небольшую проблему, которая в общем случае решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе законов и методов физики. По существу, на занятиях по физике каждый вопрос, возникший в связи с изучением учебного материала, является для учащихся задачей. Активное целенаправленное мышление всегда есть решение задач
в широком понимании этого слова.

Решение физических задач - одно из важнейших средств развития мыслительных, творческих способностей учащихся. Часто на уроках проблемные ситуации создаются с помощью задач, а этим активизируется мыслительная деятельность учащихся.

Ценность задач определяется, прежде всего, той физической информацией, которую они содержат. Поэтому особого внимания заслуживают задачи, в которых описываются классические фундаментальные опыты и открытия, заложившие основу современной физики, а также задачи, показывающие присущие физике методы исследования.

Задачи с историческим содержанием позволяют показать борьбу идей, возникавшие перед учеными трудности и пути их преодоления. «Ничто так не способствует общему развитию и формированию детского сознания, как знакомство с историей человеческих в области науки, отраженной в жизнеописаниях великих ученых прошлого и в постепенной эволюции идей», писал П.Ланжевен. Примерами могут служить задачи об опытах по определению скорости света, изучению строения атома и т.д.

Некоторое понятие об основном физическом методе исследования явлений природы – эксперименте, основу которого составляют измерения и математические исследования функциональной зависимости между физическими величинами, целесообразно дать учащимся с помощью экспериментальных задач. Например, уже в 7 классе могут быть решены следующие задачи:

1. Проградуируйте пружину и выразите формулой зависимость ее удлинения от приложенной силы.

2. Используя модель гидравлического пресса, установите связь между изменением высот поршней и их площадями.

Решение задач – важное средство политехнического обучения и профессиональной ориентации учащихся. Задачи содержат важные сведения о многих отраслях современного производства, массовых профессиях, поисках и находках рационализаторов и изобретате­лей.

Наряду с задачами производственного и естественнонаучного содержания большое значение для связи обучения с жизнью имеют задачи о физических явлениях в быту. Они помогают видеть физику «вокруг нас», воспитывают у учащихся наблюдательность.

В процессе решения задач учащиеся приобретают умения и навыки применять свои знания для анализа различных физических явлений в природе, технике и быту; выполнять чертежи, рисунки, графики; производить расчеты; пользоваться справочной литературой; употреблять при решении экспериментальных задач приборы и инструменты и т.д. особенно полезны в этом отношении задачи, для решения которых используется трудовой и жизненный опыт учащихся, наблюдения, выполняемые ими во время экскурсий, при работе в школьных мастерских, на производственной практике.

Решение задач имеет и большое воспитательное значение. С помощью задач можно ознакомить учащихся с возникновением новых идей, обратить внимание на достижения науки и техники. Решение задач – нелегкий труд, требующий большого напряжения сил, он может нести с собой и творческую радость успехов, любовь к предмету, и горечь разочарований, неверие в свои силы, потерю интереса к физике. Решение задач – чуткий барометр, по которому учитель может постоянно следить за успехами и настроением учеников и эффективностью своей учебно-воспитательной работы.

Сказанное выше определяет актуальность совершенствования методических приемов обучения решению задач школьников на уроках и дома. Несмотря на достаточно большое количество методических рекомендаций, касательно решения задач и методики организации уроков решения задач, в настоящее время наметился ряд проблем, решение которых необходимо. Одной из ключевых проблем является сложность «перевода» условия задачной ситуации на язык физических терминов, анализ задачи
с позиции описанных явлений и закономерностей, описывающих явления и процессы.

Возможно, что решение данной проблемы возможно посредством визуализации задачной ситуации наглядными образами, иллюстрирующими как всю задачу, так и ее отдельные компоненты. Инструментарий для визуализации в современной школе разнообразен: от традиционного натурного эксперимента до использования анимационных роликов и компьютерных моделей, выполненных учителями в проектных средах.

Таким образом, цель дипломной работы состоит в изучении возможности и разработке сопровождения процесса визуализации задачных ситуаций средствами натурного и виртуального эксперимента. В ходе выполнения работы необходимо решить следующие задачи:

1. изучить психолого-педагогические и методические аспекты визуализации учебного материала;

2. изучить и обобщить опыт учителей по использованию натурного и виртуального эксперимента на уроках решения задач;

3. разработать систему визуализаций задач средствами натурного эксперимента;

4. разработать систему визуализаций задач средствами виртуального эксперимента на базе проектных сред: «Живая физика» и «Конструктор виртуальных экспериментов»

ГЛАВА 1.

ГЛАВА 2. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧНЫХ СИТУАЦИЙ

СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИЙ В ПРОЕКТНОЙ СРЕДЕ ЖИВАЯ ФИЗИКА

Проектная среда «Живая физика» позволяет в короткие сроки и достаточно качественно моделировать физические явления. Основной класс явлений – механические взаимодействия. Отличительной особенностью моделей живой физики является использование абстрактных объектов механического движения и взаимодействия, что позволяет учителю на этапе построения модели в классе формировать умения моделирования школьников. Множество регулируемых параметров объектов и процессов,
а также разнообразная по функционалу система измерителей и регистраторов позволяет создать визуальную модель практически любой задачи. Ниже приведены разработки моделей визуализирующих задачные ситуации при изучении тем «Колебания» и «Электростатика». Представленные разработки имеют общую структуру: схему модели, рекомендации и задания по работе
с ней ученика и учителя.

Комплект компьютерных экспериментов«Колебания»

Визуализации задачных ситуаций по сценарию классических задач по механике

Задача № 1.

Задача № 2.

Задача № 3.

Баскетбольный мяч бросается под углом к горизонту. Какую начальную скорость нужно ему задать для того чтобы было точное попадание в корзину находящаяся на высоте H. Расчет провести для различных зон поля и для различных высот бросания.

Задача № 4.

Задача № 5.

Тело массой m(Б) лежит на поверхности среднего тела,в свою очередь среднее лежит на поверхности наклонной плоскости расположенная под углом a к горизонту. Какое соотношение сил трения должна иметь эта система для того, чтобы среднее тело скользило по поверхности плоскости а верхнее по поверхности среднего?

Задача № 6.

Задача № 6.

ЛИТЕРАТУРА

1. Блейк, С., Пейп, С., Чошанов, М. А. Использование достижений нейропсихологии в педагогике США // Педагогика. – № 5. – 2004. – С. 85-90.

2. Вербицкий, А. А. Активное обучение в высшей школе: контекстный подход / А. А. Вербицкий. – М.: Высш. шк., 1991. – 207 с.

3. Лозинская А. М. Фреймовый способ структурирования содержания модульной программы обучения физике / А. М. Лозинская // Известия Уральского государственного университета. – 2009. – № 3(67). – С. 176-184.

4. Манько, Н.Н. Когнитивная визуализация дидактических объектов в активизации учебной деятельности // Известия алтайского государственного университета. Серия: Педагогика и психология. – № 2. – 2009. – С. 22-28.

5. Петров, А.В. Развивающее обучение. Основные вопросы теории и практики вузовского обучения физике: монография / А.В. Петров. – Челябинск: Издательство ЧГПУ «Факел», 1997.

6. Материалы заданий олимпиады школьников. Интернет – олимпиады школьников по физике 2011/2012 учебного года.

7. Балаш В.А. Задачи по физике и методы их решения: Пособие для учителя. -М.: Просвещение, 1983.

8. Бубликов C.B., Кондратьев A.C. Методологические основы решения задач по физике в средней школе//Учебная Физика, 1998, №5. Глазов: Аргон, 1998.-с. 46-52.

9. Оспенников, Н.А. Лабораторный физический эксперимент в условиях применения компьютерных технологий обучения: учеб.-метод. пособие / Н.А. Оспенников. – Пермь: Перм. гос. пед. ун-т, 2007. – 242 с.

10. Оспенников Н. А. Подготовка будущих учителей к использованию цифровых образовательных ресурсов на лабораторных занятиях по физике / Материалы VI международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» - М.: МПГУ, 2007.- c. 225-227

Содержание

Введение………………………………………………………………………

Глава 1

1.1 Роль и место визуализации учебной информации в обучении……….

1.2 Психолого - педагогические основы методики решения

физических задач………………………………………………………….

1.3 Виртуальный эксперимент в системе преподавания физике……………

Глава 2. Визуализация задачных ситуаций

2.1 Система визуализаций средствами натурного эксперимента………………

2.2 Система визуализаций в проектной среде живая физика…………………..

Литература………………………………………………………………………..

 

ВВЕДЕНИЕ

Физической задачей в учебной практике обычно называют небольшую проблему, которая в общем случае решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе законов и методов физики. По существу, на занятиях по физике каждый вопрос, возникший в связи с изучением учебного материала, является для учащихся задачей. Активное целенаправленное мышление всегда есть решение задач
в широком понимании этого слова.

Решение физических задач - одно из важнейших средств развития мыслительных, творческих способностей учащихся. Часто на уроках проблемные ситуации создаются с помощью задач, а этим активизируется мыслительная деятельность учащихся.

Ценность задач определяется, прежде всего, той физической информацией, которую они содержат. Поэтому особого внимания заслуживают задачи, в которых описываются классические фундаментальные опыты и открытия, заложившие основу современной физики, а также задачи, показывающие присущие физике методы исследования.

Задачи с историческим содержанием позволяют показать борьбу идей, возникавшие перед учеными трудности и пути их преодоления. «Ничто так не способствует общему развитию и формированию детского сознания, как знакомство с историей человеческих в области науки, отраженной в жизнеописаниях великих ученых прошлого и в постепенной эволюции идей», писал П.Ланжевен. Примерами могут служить задачи об опытах по определению скорости света, изучению строения атома и т.д.

Некоторое понятие об основном физическом методе исследования явлений природы – эксперименте, основу которого составляют измерения и математические исследования функциональной зависимости между физическими величинами, целесообразно дать учащимся с помощью экспериментальных задач. Например, уже в 7 классе могут быть решены следующие задачи:

1. Проградуируйте пружину и выразите формулой зависимость ее удлинения от приложенной силы.

2. Используя модель гидравлического пресса, установите связь между изменением высот поршней и их площадями.

Решение задач – важное средство политехнического обучения и профессиональной ориентации учащихся. Задачи содержат важные сведения о многих отраслях современного производства, массовых профессиях, поисках и находках рационализаторов и изобретате­лей.

Наряду с задачами производственного и естественнонаучного содержания большое значение для связи обучения с жизнью имеют задачи о физических явлениях в быту. Они помогают видеть физику «вокруг нас», воспитывают у учащихся наблюдательность.

В процессе решения задач учащиеся приобретают умения и навыки применять свои знания для анализа различных физических явлений в природе, технике и быту; выполнять чертежи, рисунки, графики; производить расчеты; пользоваться справочной литературой; употреблять при решении экспериментальных задач приборы и инструменты и т.д. особенно полезны в этом отношении задачи, для решения которых используется трудовой и жизненный опыт учащихся, наблюдения, выполняемые ими во время экскурсий, при работе в школьных мастерских, на производственной практике.

Решение задач имеет и большое воспитательное значение. С помощью задач можно ознакомить учащихся с возникновением новых идей, обратить внимание на достижения науки и техники. Решение задач – нелегкий труд, требующий большого напряжения сил, он может нести с собой и творческую радость успехов, любовь к предмету, и горечь разочарований, неверие в свои силы, потерю интереса к физике. Решение задач – чуткий барометр, по которому учитель может постоянно следить за успехами и настроением учеников и эффективностью своей учебно-воспитательной работы.

Сказанное выше определяет актуальность совершенствования методических приемов обучения решению задач школьников на уроках и дома. Несмотря на достаточно большое количество методических рекомендаций, касательно решения задач и методики организации уроков решения задач, в настоящее время наметился ряд проблем, решение которых необходимо. Одной из ключевых проблем является сложность «перевода» условия задачной ситуации на язык физических терминов, анализ задачи
с позиции описанных явлений и закономерностей, описывающих явления и процессы.

Возможно, что решение данной проблемы возможно посредством визуализации задачной ситуации наглядными образами, иллюстрирующими как всю задачу, так и ее отдельные компоненты. Инструментарий для визуализации в современной школе разнообразен: от традиционного натурного эксперимента до использования анимационных роликов и компьютерных моделей, выполненных учителями в проектных средах.

Таким образом, цель дипломной работы состоит в изучении возможности и разработке сопровождения процесса визуализации задачных ситуаций средствами натурного и виртуального эксперимента. В ходе выполнения работы необходимо решить следующие задачи:

1. изучить психолого-педагогические и методические аспекты визуализации учебного материала;

2. изучить и обобщить опыт учителей по использованию натурного и виртуального эксперимента на уроках решения задач;

3. разработать систему визуализаций задач средствами натурного эксперимента;

4. разработать систему визуализаций задач средствами виртуального эксперимента на базе проектных сред: «Живая физика» и «Конструктор виртуальных экспериментов»

ГЛАВА 1.

РОЛЬ МЕТОДОВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ УЧЕБНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ОБУЧЕНИИ

В последние десятилетия в области передачи визуальной информации произошли почти революционные изменения: колоссально возросли объем
и количество передаваемой информации, сложились новые виды визуальной информации, а также способы ее передачи. Технический прогресс и формирование новой визуальной культуры неминуемо накладывает свой отпечаток на свод требований, предъявляемых к деятельности педагогов.

Одним из средств улучшения профессиональной подготовки будущих учителей, способных к педагогическим инновациям, к разработке технологий проектирования эффективной учебной деятельности школьника в условиях доминирования визуальной среды, считается формирование у них особых умений визуализации учебной информации. Термин «визуализация» происходит от латинского visualis – воспринимаемый зрительно, наглядный. Визуализация информации представление числовой и текстовой информации в виде графиков, диаграмм, структурных схем, таблиц, карт и т.д. Однако такое понимание визуализации как процесса наблюдения предполагает минимальную мыслительную и познавательную активность обучающихся, а визуальные дидактические средства выполняют лишь иллюстративную функцию. Иное определение визуализации дается в известных педагогических концепциях (теории схем – Р.С. Андерсон, Ф. Бартлетт; теории фреймов – Ч. Фолкер, М. Минский и др.), в которых этот феномен истолковывается как вынесение в процессе познавательной деятельности из внутреннего плана во внешний план мыслеобразов, форма которых стихийно определяется механизмом ассоциативной проекции [4].

Аналогичным образом понятие визуализации понимает Вербицкий А.А.: «Процесс визуализации – это свертывание мыслительных содержаний
в наглядный образ; будучи воспринятым, образ может быть развернут и служить опорой адекватных мыслительных и практических действий» [2]. Данное определение позволяет развести понятия «визуальный», «визуальные средства» от понятий «наглядный», «наглядные средства». В педагогическом значении понятия «наглядный» всегда основано на демонстрации конкретных предметов, процессов, явлений, представление готового образа, заданного извне, а не рождаемого и выносимого из внутреннего плана деятельности человека. Процесс разворачивания мыслеобраза и «вынесение» его из внутреннего плана во внешний план представляет собой проекцию психического образа. Проекция встроена в процессы взаимодействия субъекта и объектов материального мира, она опирается на механизмы мышления, охватывает различные уровни отражения и отображения, проявляется в различных формах учебной деятельности [4].

Если целенаправленно рассматривать продуктивную познавательную деятельность как процесс взаимодействия внешнего и внутреннего планов, как вынесение будущих продуктов деятельности из внутреннего плана
во внешний, как корректировку и реализацию во внешнем плане замыслов, то визуализация выступает в качестве главного механизма, обеспечивающего диалог внешнего и внутреннего планов деятельности. Следовательно,
в зависимости от свойств дидактических визуальных средств зависит уровень активизации мыслительной и познавательной деятельности обучающихся.

В связи с этим возрастает роль визуальных моделей представления учебной информации, позволяющие преодолеть затруднения, связанные
с обучением, опирающимся на абстрактно-логическое мышление.
В зависимости от вида и содержания учебной информации используются приемы ее уплотнения или пошагового развертывания с применением разнообразных визуальных средств. В настоящее время в образовании перспективной представляется применение когнитивной визуализации дидактических объектов [4]. Под это определение фактически подпадают все возможные виды визуализации педагогических объектов, функционирующие на принципах концентрации знаний, генерализации знаний, расширения ориентировочно-презентационных функций наглядных дидактических средств, алгоритмизации учебно-познавательных действий, реализуемая
в визуальных средств.

На практике, используются более сотни методов визуального структурирования – от традиционных диаграмм и графов до «стратегических» карт (roadmaps), лучевых схем-пауков (spiders) и каузальных цепей (causal chains). Такое многообразие обусловлено существенными различиями в природе, особенностях и свойствах знаний различных предметных областей. Наибольшей информационной емкостью универсальностью и интегративностью обладают структурно-логические схемы. Такой способ систематизации и визуального отображения учебной информации основывается на выявлении существенных связей между элементами знания и аналитико-синтетической деятельности при переводе вербальной информации в невербальную (образную), синтезирование целостной системы элементов знаний. Освоение перечисленных видов по конкретизации смыслов, разворачиванию логической цепочки размышлений, описанию образов и их признаков мыслительной деятельности, а также операций с помощью вербальных средств обмена информацией формирует продуктивные способы мышления, столь необходимые специалистам при современных темпах развития науки, техники и технологий. Согласно достижениям нейропсихологии «обучение эффективно тогда, когда потенциал мозга человека развивается через преодоление интеллектуальных трудностей в условиях поиска смысла через установление закономерностей» [1].

Структурно-логические схемы создают особую наглядность, располагая элементы содержания в нелинейном виде и выделяя логические и преемственные связи между ними. Такая наглядность опирается на структуру и ассоциативные связи, характерные для долговременной памяти человека.
В некотором роде структурно-логические схемы выступают в роли промежуточного звена между внешним линейным содержанием (текст учебника) и внутренним нелинейным содержанием (в сознании). В качестве одного из достоинств структурно-логических схем А.В. Петров выделяет то, что «она выполняет функцию объединения понятий в определенные системы» [5]. Сами по себе понятия ничего не могут сказать о содержании предмета обучения, но будучи связанными определенной системой, они раскрывают структуру предмета, его задачи и пути развития. Понимание и осмысление новой ситуации возникает тогда, когда мозг находит опору в прежних знаниях и представлениях.

Отсюда вытекает важность постоянной актуализации прежнего опыта для овладения новыми знаниями. Процесс изучения нового материала можно представить как восприятие и обработку новой информации путем ее соотнесения с понятиями и способами действий, известными обучающемуся, посредством использования освоенных им интеллектуальных операций. Поступающая в мозг по различным каналам информация концептуализируется и структурируется, образуя в сознании концептуальные сети. Новая информация встраивается в существующие когнитивные схемы, преобразует их и формирует новые когнитивные схемы и интеллектуальные операции. При этом устанавливаются связи между известными понятиями
и способами действий и новыми знаниями, возникает структура нового знания [3].

По данным психологов новая информация усваивается и запоминает лучше тогда, когда знания и умения «запечатлеваются» в системе визуально-пространственной памяти [1], следовательно, представление учебного материала в структурированном виде позволяет быстрее и качественнее усваивать новые системы понятий, способы действий. В качестве примера можно привести визуальную схему: «Цветовая модель RGB» (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема понятия «Цветовая модель RGB»

 

Визуализация учебного материала открывает возможность не только собрать воедино все теоретические выкладки, что позволит быстро воспроизвести материал, но и применять схемы для оценивания степени усвоения изучаемой темы. В практике также широко используется метод анализа конкретной схемы или таблицы, в котором вырабатывают навыки сбора и обработки информации [3]. Метод позволяет включить обучаемых в активную работу по применению теоретической информации в практической работе. Особое место уделяется совместному обсуждению, в процессе которого есть возможность получать оперативную обратную связь, понимать лучше себя и других людей. Обобщая сказанное, заметим, что в зависимости от места и назначения визуальных дидактических материалов в процессе формирования понятия (изучении теории, явления) к выбору определенной структурной модели и наглядному отображению содержания обучения должны быть предъявлены различные психолого-педагогические требования.

При визуализации учебного материала следует учитывать, что наглядные образы сокращают цепи словесных рассуждений и могут синтезировать схематичный образ большей «емкости», уплотняя тем самым информацию.
В процессе разработки учебно-методических материалов, необходимо контролировать степень обобщения содержания обучения, дублировать вербальную информацию образной и наоборот, чтобы при необходимости звенья логической цепи были полностью восстановлены обучающимися.

Другим важным аспектом использования визуальных учебных материалов является определение оптимального соотношения наглядных образов и словесной, символьной информации [1]. Понятийное и визуальное мышление на практике находятся в постоянном взаимодействии. Они, дополняя друг друга, раскрывают различные стороны изучаемого понятия, процесса или явления. Словесно-логическое мышление дает нам более точное и обобщенное отражение действительности, но это отражение абстрактно. В свою очередь, визуальное мышление помогает организовать образы, делает их целостными, обобщенными, полными.

Визуализация учебной информации позволяет решить целый ряд педагогических задач: обеспечение интенсификации обучения, активизации учебной и познавательной деятельности, формирование и развитие критического и визуального мышления, зрительного восприятия, образного представления знаний и учебных действий, передачи знаний и распознавания образов, повышения визуальной грамотности и визуальной культуры[3].