Информационные технологии обучения в курсе общей физики в техническом ВУЗе

 

А.Х. Абдрахманова

доцент, к.т.н., кафедра физики

Казанский государственный технологический университет,

ул. К.Маркса, 68, г. Казань, 420015, (843)2314100

abdarachm@kstu.ru

 

Аннотация

                В статье рассматриваются назревшие к настоящему времени проблемы, связанные с методикой обучения физике в техническом ВУЗе. Обсуждаются перспективные возможности информационных технологий в модернизации образовательного процесса по физике, а также в решении ряда методических проблем. Излагается собственный опыт по внедрению информационных технологий в учебный процесс на кафедре физики в КГТУ при проведении  лекционных и лабораторных занятий. Уделено внимание компьютерному моделированию, используемому при изучении трудно доступных для демонстрации в учебной лаборатории фундаментальных физических экспериментов. В частности, на примере модельных лабораторных работ - опытов Комптона и дифракции электронов – показана эффективность виртуального практикума при изучении важнейшего свойства материи – свойства корпускулярно-волнового дуализма. Излагается опыт прочтения 3-х-семестрового курса лекций с использованием слайдов в анимационном режиме, мультимедиа демонстраций, видеозадач.

                Here we review current status and weaknesses of physics education at the level of higher technical schools. Perspective advantages of informatics technologies in the development of the educational process of physics and solving certain methodological problems are discussed. Further, we present the results of adapting of the informatics technologies in lecturing and laboratory projects at the Department of Physics in Kazan State Technological University. We discuss using of computer modeling for learning of the fundamental physics experiments that are difficult to demonstrate. In particular, the effectiveness of modeling of the Compton’s experiments and diffraction of electrons is shown for understanding of such important feature of the matter as wave–particle duality. We share with an experience of three-semester lecturing course of physics that employs animated powerpoint presentations, multimedia demonstrations and video tasks.

 

Ключевые слова

Физика, инновационные подходы в образовании, информационные технологии, электронные образовательные продукты, моделирование экспериментов, мультимедиа демонстрации, дистанционное обучение.

                Physics, innovative teaching approaches, informatics technologies, electronic educational items, modeling of experiments, multimedia demonstrations, long-distanced teaching        

 

Введение

 

Физика является приоритетной базовой дисциплиной в образовательном процессе при подготовке инженерных кадров. Понимание физических явлений, фундаментальных законов, объясняющих эти явления, составляет не только основу для освоения в дальнейшем специальных дисциплин, но и формирует у будущих специалистов умение мыслить.

За многие десятилетия сложилась традиционная, хорошо отлаженная система обучения физике. Учебный комплекс включает лекционные занятия, лабораторный практикум, решение задач. Программа курса общей физики практически не подвергалась изменениям, вероятно, потому, что удовлетворяла требованиям  по подготовке инженерных кадров. В то же время успехи фундаментальных исследований по физике, достигнутые в последние годы, потребности производства в модернизации технологических процессов, возможности информационных технологий естественным образом привели к необходимости пересмотра как учебной программы по физике, так и к внедрению современных технологий обучения.

 

О методических проблемах при обучении физике

 

В 2009 г. Научно-методическим советом по физике при Министерстве образования и науки РФ была разработана новая программа по физике [1] для студентов технических ВУЗов – программа к стандартам 3-его поколения. Проект программы получил широкое обсуждение на кафедрах физики ВУЗов РФ, в значительной мере, благодаря наличию современной Интернет – связи. Программа стала также предметом детального обсуждения на семинарах Ассоциации кафедр физики технических ВУЗов России [2, 3].

В ближайшее время предстоят работы по формированию учебных планов по физике, соответствующих новой программе. В данной статье не предусмотрено обсуждение содержания этой программы. Заметим только, что новая программа по физике существенно расширена, включает результаты новейших исследований в области физики. Изменена её структура. Так, например, один из наиболее важных разделов «Молекулярная физика и термодинамика» перемещен в самый конец дисциплины. С точки зрения достижений современной термодинамики, представлений о строении вещества такое решение давно назрело, однако при внедрении новой программы в учебный процесс можно предвидеть немалые трудности методического и организационного характера.

Все возрастающая роль нанотехнологий, наночастиц в самых разных областях производства, привела к необходимости более подробного изучения основ квантовой физики, так как поведение наночастиц подчиняется именно квантово - механическим закономерностям.

Программа третьего поколения по физике дифференцирована на три типа сложности  в зависимости от вида инженерных специальностей. Однако даже в самом упрощенном варианте она столь обширна, что вряд ли  представляется  возможным  реализовать ее в полной мере в рамках выделенных на обучение часов.

Большие трудности на пути модернизации образовательного процесса по физике во многих ВУЗах связаны с давно устаревшим лабораторным оборудованием, не обновлявшимся еще с семидесятых годов прошлого столетия. При демонстрации лекционного эксперимента используются старые, многократно ремонтировавшиеся приборы. В отношении учебных фильмов, предназначенных для демонстрации тех или иных физических явлений, можно только констатировать, что они устарели морально и физически.

Решению многих из перечисленных проблем,  модернизации образовательного процесса по физике в значительной мере могут способствовать поистине неисчерпаемые возможности информационных технологий. Заметим, однако, что компьютеры, информационные технологии обучения не могут компенсировать  плохую оснащенность учебным лабораторным оборудованием. Приобретение новых, современных физических установок остается  вопросом первостепенной важности. В последние годы появилась возможность купить оборудование, производимое российскими фирмами (Владис, Эклус, Росучприбор и другие). Многие ведущие инженерные ВУЗы, получив статус федерального исследовательского университета и  долгожданное финансирование, при приобретении учебных установок отдают предпочтение производителям Западной Европы, в первую очередь,  фирме PHYWE (Германия, город Гёттинген). Заслуженная популярность оборудования этой фирмы в значительной мере обязана научным традициям Гёттингенского университета, давшего миру 44 лауреата Нобелевской премии. Установки фирмы PHYWE наглядны, методически хорошо проработаны, надежны в эксплуатации.

Творческие инициативы преподавателей–энтузиастов, направленные на модернизацию курса физики, разнообразны и, несомненно, носят инновационный характер. Многие идеи уже реализованы в ВУЗах, что отражено в материалах ежегодных конференций [2,3], посвященных физическому образованию. Автоматизация физических экспериментов с помощью компьютера, занятия в компьютерных классах, использование информационного среды в сети Интернет, мультимедиа демонстрации на лекционных занятиях, лабораторный практикум на установках, удаленных от  исследователя – вот тот неполный перечень инноваций, которые  позволяют решить многие непростые методические задачи, сделать курс физики увлекательным, интересным.

Отметим, однако, что порой высказываются скептические и даже негативные мнения в отношении использования информационных технологий при обучении физике. Подобные сомнения звучали, в частности, на семинарах Ассоциации кафедр физики технических ВУЗов России в отношении использования смоделированных на компьютере физических экспериментов. Согласно этому мнению, моделированные эксперименты «уводят» от реального опыта, тогда как исследование физических явлений изначально связано именно с лабораторными приборами. Следовательно, по мнению противников использования информационных технологий, только реальный эксперимент может служить убедительным  доказательством справедливости того или иного физического закона и явления. Такая точка зрения особенно убедительна, если речь идет об уникальных лекционных демонстрациях, на которых обучаются студенты МФТИ, С-ПГПУ и других элитных инженерных ВУЗов России. К примеру, в Московском физико-техническом институте бережно сохраняются и с успехом используются в учебном процессе установки, созданные собственноручно Нобелевским лауреатом П.Л. Капицей. В Санкт – Петербургском государственном политехническом университете создан настоящий музей физического демонстрационного эксперимента. Однако бόльшая часть технических ВУЗов страны таким оборудованием не располагает.

Программа по физике включает целый ряд  весьма непростых для понимания вопросов. Самым убедительным приемом  при обсуждении таких вопросов является демонстрация физических явлений на реальном физическом оборудовании. К сожалению, не всегда имеется возможность продемонстрировать сложный эксперимент в условиях  учебной лаборатории. В таких случаях виртуальные эксперименты, смоделированные на экране компьютера, позволяют привлечь внимание студентов для изучения трудных вопросов и становятся хорошей методической поддержкой при организации учебного процесса.  

 Опасения противников компьютеризации при обучении  физике небезосновательны. Чрезмерное увлечение компьютерами, Интернет порой оказывается не только неполезным, но даже пагубно влияет на формировании знаний у будущих инженеров. Примером такого рода проблемы является формальное скачивание студентами материалов с сайтов Интернет при подготовке рефератов без понимания сути вопроса. Сотовые телефоны используются в качестве шпаргалки при подготовке ответов на экзаменационные билеты, а при собеседовании обнаруживается полное незнание дисциплины. Для выполнения даже простых арифметических действий многие студенты обращаются к компьютеру, не понимая ни смысла поставленной задачи, ни назначения выполняемых ими же действий.

Качеству подготовки специалистов сейчас уделяется все больше внимания, разрабатываются критерии компетентности специалиста. Сам факт появления этого термина «компетентность специалиста» настораживает. Значит, обучая 5 или 6 лет, ВУЗ может выпускать и некомпетентных специалистов?  Уровень знаний, как выпускников школ, так и ВУЗов, заметно понизился и продолжает падать. Не касаясь детально причин этого тревожного обстоятельства, а их немало, заметим, что недопустимо превратить работу с компьютером в бездумное нажимание клавиш, без понимания, например, физической сути виртуальной лабораторной работы.

Анализ методических проблем, связанных с использованием информационных технологий, приводит к выводу о том, что наиболее правильным является подход, разумно сочетающий традиционные и информационные технологии обучения. Очевидно, что компьютерный эксперимент не может полностью заменить реальный эксперимент и привлекать его следует только в тех случаях, когда  это действительно необходимо. Такой точки зрения придерживается и автор данной публикации.

 

Возможности и опыт использования информационных технологий в курсе физики. Их организационные составляющие

 

Планомерные работы по внедрению информационных технологий, начатые на кафедре физики КГТУ в 2000-м году и развиваемые в последующие годы, связаны с введением в эксплуатацию компьютерного класса. Опыт использования компьютеров в течение ряда лет привел к новым идеям, способствующим решению целого ряда методических и организационных вопросов. Информационные технологии используются как на занятиях лабораторного практикума, так и при проведении лекционных занятий. На рис.1 представлены  организационные составляющие, касающиеся использования информационных технологий в курсе физики.


Компьютерный класс, вмещающий 22 компьютера, несет полную учебную нагрузку наравне с тремя лабораториями, традиционными для кафедр общей физики - «Механики и молекулярной физики», «Электричества и магнетизма», «Оптики и строения атома». В классе проводятся занятия, дополняющие программу лабораторного практикума смоделированными на компьютере физическими экспериментами. Все большая роль отводится занятиям по тестированию знаний студентов как по текущему материалу, изучаемому на лекциях, так и при проведении Интернет – экзаменов. Основные материалы, формирующие знания студентов, преподаются на  лекционных занятиях.

Введению информационных технологий в учебный процесс предшествовала трудоемкая работа по разработке собственных компьютерных программ, а также по приобретению лицензионных электронных образовательных  продуктов. Были продуманы методическая и организационная стороны проведения занятий, выполнено техническое оснащение компьютерного класса, подготовлены  и изданы учебно-методические пособия.

Ниже приводится анализ методического обеспечения учебного процесса по всем видам занятий, проводимым на кафедре в настоящее время. Обсуждаются перспективные планы по использованию информационных технологий, предназначенные для улучшения учебного процесса.

 

Лабораторный практикум

 

Включение смоделированных на компьютере работ в  лабораторный практикум стало исходной позицией при модернизации учебного процесса по физике. Появление персональных компьютеров в начале 90-х годов активизировало интерес к разработкам первых программных продуктов, предназначенных для изучения физических экспериментов. Особое внимание проявлялось к моделированию экспериментов, которые невозможно продемонстрировать в учебной лаборатории, таких, как, например, опыты Резерфорда по установлению строения атома или опытов, связанных с изучением радиоактивного излучения.

Первый, наиболее качественный программный продукт, содержащий 82 смоделированных эксперимента по физике, был разработан компанией ООО «Физикон» под руководством проф. С.М. Козела  и издан в виде CD «Открытая физика 1.1» в 2000 г. [4]. На базе данного диска, а также приложенных к нему методических описаний [5] было разработано учебное пособие [6], предназначенное для методического обеспечения занятий в компьютерном классе. Учебное пособие содержит необходимый теоретический материал, адаптированный  к рабочим программам по физике в КГТУ, а также включает руководство для выполнения 9 лабораторных работ к трем частям физики. В следующем издании число работ увеличено до 12.

Количество виртуальных лабораторных работ, включенных в учебную программу семестра, не превышает двух-трех работ. В общей сложности в течение семестра студенты выполняют девять – десять лабораторных работ, включая виртуальные. Классический лабораторный практикум на реальных приборах по-прежнему является основополагающим при обучении физике. Тщательно подобранная тематика виртуальных работ лишь  дополняет программу традиционного практикума. В виртуальный практикум включены прежде всего модели тех физических явлений, для демонстрации которых в обычной учебной аудитории не имеется условий [7-9]. К ним относятся явления, требующие либо длительных затрат времени, либо наличия дорогостоящего оборудования. Невозможность демонстрации некоторых важных для формирования знаний физических экспериментов также связана с повышенным регламентом по технике безопасности, например, при использовании волн рентгеновского диапазона. К таким к числу таких экспериментам относятся фундаментальные опыты А.Комптона и опыты по дифракции электронов. Модельный вариант этих экспериментов содержится в CD «Открытая физика 1.1», выпущенным компанией ООО «Физикон», (рис.2,3), [6].

С целью обоснования важности и необходимости изучения названных экспериментов ниже приводится краткое описание результатов, полученных Нобелевскими лауреатами А.Комптоном (1927г) и К.Дэвиссоном, Л.Джермером (1937г.). Опыты, убедительно доказавшие свойство корпускулярно-волнового дуализма материи, стали в свое время экспериментальной базой при создания нового раздела физики - квантовой механики.

Корпускулярно-волновой дуализм. Эффект Комптона, опыты по дифракции электронов. Как известно, эффект Комптона и теоретическое обоснование результатов этих опытов, выполненных им же, блестяще подтвердили идею о том, что электромагнитные волны рентгеновского диапазона при определенных обстоятельствах могут проявлять свойства корпускул. В другом эксперименте по дифракции электронов  уже в названии эксперимента - «дифракция электронов» - также кроется парадокс. Еще из школьной программы студентам известно физическое явление «дифракция света», которое в учебниках определяется как совокупность явлений, обусловленных волновой природой света, и эти явления связаны с огибанием волнами встречных препятствий в средах с резко выраженной оптической неоднородностью. Каким же образом электроны, как частицы, огибают препятствия? Заострение внимания студентов на таких вопросах хотя бы с помощью модельных экспериментов учит студентов думать, формирует их интеллект.

Необходимость объяснения эффекта Комптона, а также результатов экспериментов по дифракции электронов привели в свое время к идее о важнейшем свойстве материи – свойстве корпускулярно-волнового дуализма, характерного как для электромагнитных волн, так и для микрочастиц. Согласно теории, развитой Комптоном при объяснении открытого им эффекта, импульсом  p обладает не только частица, но и электромагнитная волна (или фотон) с длиной волной λ. Комптоном было доказано, что, между, казалось, бы несовместимыми физическими характеристиками  - импульсом  p и длиной волны λ существует количественная связь


 .                                                                    (1)

В классической физике импульс р частицы определяется как произведение массы частицы m на скорость ее v движения, . В то же время из формулы (1) следует удивительный вывод о том, что фотон, не имея массы, mф =0, обладает импульсом p! В виртуальной лабораторной работе «Комптоновское рассеяние» в рамках простой, но достаточно наглядной модели представлено взаимодействие фотона с электроном (рис.2).

                Выдвинутая позднее де Бройлем идея о том, что и микрочастицы могут проявлять волновые свойства, привела к мысли о том, что движущейся с импульсом р микрочастице сопутствует некий волновой процесс, характеризуемый длиной волны λ. Причем в случае движения микрочастиц речь вовсе не идет об электромагнитных волнах. Волновые свойства микрочастиц проявляются в связи с  вероятностным поведением их в пространстве.  

Результаты опытов К. Дэвиссона и Л. Джермера, изучавших дифракцию электронов, стали убедительным доказательством справедливости идеи де Бройля о волновых свойствах микрочастиц. Они обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся на естественной кристаллической решетке - кристалле никеля, дает отчетливую дифракционную картину, подобную распределению интенсивности рентгеновских волн при дифракции на узлах кристаллической решетки. В качестве модели дифракции электронов в виртуальной лабораторной работе использована дифракция электронов на одномерной дифракционной решетке (рис.3).


Для микрочастиц длину волны λ, характеризующую их вероятностное поведение в пространстве, принято называть длиной волны де Бройля, а сама формула, связывающая импульс р частицы с сопоставляемой ей длиной волны λ, совпадает по структуре с формулой (1) и известна как формула де Бройля. Примером вероятностного поведения микрочастицы и характеризующей ей волны де Бройля, является движение электрона в поле ядра атома. Анализ этих двух совершенно разных по своей сути экспериментов привел в свое время  к важнейшему выводу о корпускулярно-волновом дуализме материи – электромагнитных волн и микрочастиц.

Учебная программа курса физики предусматривает рассмотрение экспериментов А.Комптона, К.Дэвиссона и Л.Джермера на лекционных занятиях. Однако из приведенного в выше примера видно, насколько непросты для освоения некоторые вопросы из программы курса физики. Очевидно, что для понимания трудных тем студентам необходимо ознакомиться с фундаментальными экспериментами на лабораторном практикуме. Демонстрация подобных экспериментов в учебной лаборатории связана с использованием дорогостоящего оборудования, в данном случае также использования электромагнитных волн рентгеновского диапазона. Эксперименты, связанные с использованием волн рентгеновского диапазона, требуют выполнения строгих требований по технике безопасности. При отсутствии таких возможностей в условиях учебной аудитории единственным наглядным материалом становится именно компьютерная модель эксперимента, которая помогает понять студентам суть изучаемого явления.

Собеседования со студентами на основе выполненных ими модельных экспериментов подтверждают целесообразность виртуального лабораторного практикума в учебном процессе. Помимо названных выше работ, в виртуальный практикум внесены компьютерные работы по изучению распределения Максвелла по скоростям для молекул, диффузия в газах, теорема Остроградского-Гаусса для электрических полей, закон Био-Савара-Лапласа для проводников с током и другие.

Отметим, что, как ни странно, к настоящему времени CD «Открытая физика 1.1» остается единственным электронным образовательным продуктом, выпущенным в РФ, и доступным для использования при организации виртуального практикума. За последние годы появились новые, современные языки программирования, которые позволяют создавать более совершенные программные продукты. Причина немногочисленности образовательных программных продуктов, по-видимому, объясняется трудоемкостью работ по моделированию физических экспериментов, а также отсутствием творческих коллективов, включающих одновременно как физиков, так и профессиональных программистов. Так над создании CD «Открытая физика 1.1», [4], потрудился творческий коллектив из 15 специалистов (физиков, программистов). Практика показала, что программные разработки, выполняемые преподавателями физики – любителями программирования, неконкурентоспособны по сравнению с программными продуктами, разрабатываемыми  профессиональными программистами. На кафедре физики КГТУ имеются собственные разработки программных продуктов, связанные с моделированием физических экспериментов. В некоторых случаях  эти программы также используются в учебном процессе.

Опыт проведения занятий в течение почти десяти лет показал перспективность виртуального практикума для формирования знаний студентов. Однако сохраняется актуальность проблемы по созданию совершенных программных продуктов. Для  организации и осуществления таких работ, по-видимому, необходимы специальные заказы от государственных  структур, курирующих образование

 

Тестирование

 

На научно-методических конференциях по физике, [2,3], все больше внимания уделяется внедрению информационных технологий в образовательный процесс, в том числе и тестированию знаний студентов на компьютере.

За последние два десятилетия достигнуты  значительные успехи в автоматизации контроля и оценке знаний, созданы компьютерные системы, предназначенные для тестирования знаний [10]. Свидетельство тому - тестирование на едином государственном экзамене (ЕГЭ), на федеральном экзамене профессионального образования (ФЭПО), http://www.fepo.ru, в режиме on-line. Понятно, что эти программные продукты имеют федеральное назначение и не доступны для использования при проведении внутреннего тестирования в образовательных учреждениях. В то же время потребность в тестирующих программах велика. В настоящее время на кафедре физики КГТУ тестирование осуществляется по трем направлениям – контроль знаний на коллоквиумах, проверка подготовленности к лабораторным работам, а также Интернет – экзамен ФЭПО. Преподавателями кафедры выполнены трудоемкие работы по созданию собственных программ, банка вопросов. Коллоквиумы, текущая проверка освоения теоретического материала проводятся в компьютерном классе с помощью  тестирующей программы к разделам «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электричество», «Магнетизм», «Оптика», «Строение атома». Для контроля подготовленности и получения допуска к выполнению лабораторной работы успешно используется тестирующая программа, разработанная  на базе программного комплекса TestMaker (TM), [11]. Ниже приводится описание программно-методического обеспечения, предназначенного для контроля знаний студентов перед выполнением работы в лаборатории «Оптика и строение атома».

Программный комплекс TestMaker включает три основных блока:  модуль разработчика, модуль обучаемого и справочную систему. С помощью меню в «Дизайнере вопросов», включенного в модуль разработчика, оформлены тестовые задания (ТЗ) к 12 лабораторным работам по разделу «Оптика и строение атома». На рис.4 представлен внешний вид окна дизайнера вопросов, а также окно со списком вопросов к лабораторной работе «Исследование спектра неона с помощью стилоскопа СЛП-1». В ТЗ, рис.4, предлагается ответить на один из десяти вопросов к данной работе.

.

 

В рамках программного комплекса TM подготовлены тестовые задания, содержащие формулы рисунки, рис.5,6. Тестирование-допуск включает также задания, касающиеся понимания принципа действия лабораторного оборудования рис. 7. По окончании тестирования на рабочем окне отражается результат, с указанием процента правильных ответов,  рис.8.

Контроль подготовленности студентов к выполнению лабораторной работы тестированием на компьютере зарекомендовал себя как хороший способ приучить их готовиться к занятию. При проведении лабораторных занятий из-за переполненности студенческих групп, недостатка времени преподавателю крайне сложно проконтролировать студента, готов ли он к выполнению лабораторной работы. Чаще всего студенты сначала крутят ручки прибора, записывают показания и только при собеседовании с преподавателем выясняется, для чего это делалось. Тестирование с помощью компьютеров позволяет успешно справиться с этой организационно-методической проблемой и активизировать самостоятельную работу студентов. В случае плохого результата тестирования (ниже 60%) студент не допускается к работе на установке и вынужден дополнительно поработать над теоретическим материалом, затем еще раз пройти тестирование.

Процедура тестирования с помощью компьютера полезна не только с точки зрения проверки знаний студентов. Оценка, выставленная компьютером, снимает сомнения студента относительно справедливости или несправедливости требований преподавателя. В силу субъективности характеров уровень требований различных преподавателей при опросе на коллоквиумах, экзаменах порой существенно различаются. Осознание справедливости полученной оценки при тестировании мотивирует у студента более сознательное отношение к учебе, появляется стимул для добросовестной учебы. Важно также, что тестирование на компьютере позволяет унифицировать требования к знаниям студентов.

Достоинством собственных тестирующих комплексов является возможность совершенствовать как саму программу тестирования, ее интерфейс, так и банк вопросов. Современные программы все чаще включают статистическую обработку результатов тестирования. Для этой цели используются наиболее популярные модели Раша и Бирнбаума, [12,13]. Статистический анализ результатов тестирования позволяет выявить недостатки в содержании ТЗ и совершенствовать банк вопросов.

 

В отличие от мнения авторов статьи [14], заметим, что контроль знаний методом тестирования не может полностью заменить собеседования с преподавателем. Важно, что при «живом» опросе студент, как правило, получает и знания. Преподаватель задает наводящие вопросы, комментирует ответы, сообщает дополнительные сведения, что способствует формированию знаний у студента. В то же время в последние годы в университетах США нередко практикуется комбинированный экзамен, включающий как собеседование с преподавателем, так и тестирование на компьютере. И все же итоговой оценкой на экзамене, на наш взгляд, должен быть результат собеседования преподавателя со студентом. Тестирование полезно и эффективно именно для текущего контроля знаний.

    

Лекционные занятия

 

Использование информационных технологий позволило внести инновации и в методику проведения лекционных занятий. При кафедре физики КГТУ оборудована аудитория, рассчитанная на 250 слушателей, в которой установлено мультимедиа оборудование, позволяющее демонстрировать изучаемый материал на большом экране.

Традиционно лекционный курс по физике предусматривает иллюстрацию изучаемого материала лекционными демонстрациями. К сожалению, приобретение современного оборудования  для  лекционного эксперимента теперь крайне затруднено. В промышленных масштабах в России оно практически не производится, стоимость зарубежных приборов непомерно высока. В таких условиях именно информационные технологии способны оказать необходимую  методическую  поддержку при создании  демонстрационных материалов к лекционным занятиям. При этом информационные ресурсы глобальной сети Internet являются источником полезной информации при подборе аудио - и видео - материалов для лекционного курса по физике.

Разработка электронных образовательных продуктов, создание мультимедиа материалов, процедура видеозаписи демонстрационных экспериментов к курсу физики является весьма затратной и трудоемкой задачей. Качественные

мультимедиа продукты, доступные для приобретения, немногочисленны. Наиболее перспективные работы в этом направлении в настоящее время ведутся в Санкт – Петербургском государственном университете под руководством  проф. А.С. Чирцова [15,16] и  в Казанском государственном университете под руководством проф. А.И. Фишмана  [17].

Для прочтения 3-х семестрового курса лекций  к трем частям физики «Механика и молекулярная физика», «Электричество и магнетизм», «Оптика и строение атома»,  разработан электронный курс лекций, оформленный в виде слайдов в программе Microsoft Office Power Point. Программа предусматривает показ на экране в анимационном режиме рабочих формул, рисунков, графиков. В электронный курс лекций включены видеозаписи реальных физических экспериментов, заимствованные из Internet [16],  видеозадачи, любезно предоставленные автором  видеозадачника [17] проф. А.И.Фишманом,  анимации с сайта «Физика в анимациях» [18],  а также материалы CD «Открытая физика 1.1» [4]. Включение видеозаписей в  электронный курс лекций позволило наполнить его необходимыми и полезными материалами.

Начиная с 2006 года, курс был прочитан на нескольких потоках для студентов факультета управления и автоматизации КГТУ. Уже первые лекции, включающие видеоматериалы, которые демонстрировались на экране с помощью мультимедиа проектора, вызвали интерес и поддержку со стороны слушателей. Студенты, для которых готовился курс лекций,  охотно включились в наполнение его информационными материалами. Сотрудничество было продолжено и на старших курсах, по завершения изучения ими физики. Совместно выполненные со студентами Т. Хараевой и С. Ермолаевым работы, докладывались на российских и международных конференциях [19-21], в том числе, были отобраны для участия в выставке инновационных проектов и достижений молодых ученых СНГ Международного молодежного форума «Ломоносов-2010» [22].  

В процессе прочтения лекции рабочие слайды электронного конспекта наполняются в анимационном режиме формулами, рисунками, графиками. То есть материал подается порционно, по мере хода изложения. Попутно необходимые пояснения лектор дает устно, используя при этом также рабочую доску в аудитории. Отчетливые изображения, проецируемые на экран, позволяют студентам качественно конспектировать изучаемый материал. Одновременно у лектора освобождается время для пояснения, комментирования наиболее сложных вопросов. Понятно, что формулы, схемы, графики, рисунки в электронном варианте более удобны для восприятия, чем нарисованные вручную на доске.

Одно из главных достоинств такого курса лекций – возможность его совершенствования, наполнения новыми материалами. Достигнутое  качество электронного курса лекций позволило приступить к оформлению его в виде компактного мультимедиа диска. В настоящее время ведутся работы по созданию мультимедиа диска к разделу «Механика и молекулярная физика».

Основной план работ ориентирован на создание мультимедиа продукта к трем частям курса физики, который должен помочь в работе студентам и преподавателям, как при прочтении лекций, так и для самостоятельной работы студентов. В проект диска включены теоретические материалы по предмету в сопровождении с видео-экспериментами, комментариями. Диск содержит дополнительные вложения в виде файлов PDF формата, в которых приведено более подробное описание излагаемого материала. Эти вложения вынесены за пределы слайда с тем, чтобы не загромождать поле зрения большим объемом текста. Доступ к ним возможен при специальном обращении, путем активизации гиперссылки.

В электронном конспекте приводятся краткие исторические сведения о наиболее важных физических открытиях, биографические данные об ученых, информация из современных областей науки. Архитектура разрабатываемого проекта диска в упрощенном виде представлена на рис.9:

Преимущество данного мультимедиа продукта – наглядность, информативность, возможность его непрерывного совершенствования. На данном этапе разработана структура будущего диска, выполнена часть работ по его наполнению. Сформировавшимся к настоящему времени небольшим творческим коллективом ведутся совместные работы по завершению предпринятого проекта с целью создания электронного конспекта лекций по разделу «Механика и молекулярная физика» на CD. В перспективных планах предусмотрены работы по созданию мультимедиа диска для разделов «Электричество и магнетизм»,  «Оптика и строение атома».

                Цель проекта – использование его материалов при прочтении лекций помощью мультимедиа проектора, а также при организации самостоятельной работы студентов.

 

 

Заключение

 

Обсуждены проблемы образования по физике в инженерном ВУЗе. Рассмотрены перспективные возможности, пути  и методы внедрения информационных технологий при модернизации образовательного процесса по физике с учетом организующих составляющих дисциплины. Предложен вниманию собственный опыт проведения  лекционных занятий с использованием электронного конспекта лекций, мультимедиа оборудования.  Дано подробное обоснование целесообразности использования виртуального лабораторного практикума по физике на примере вопроса о корпускулярно-волновом дуализме материи. Изложен опыт по организации контроля знаний студентов методом тестирования на компьютере.

 

Литература

 

1.       Проект программы по физике для студентов технических вузов (к стандартам 3-его поколения).  http://www.physicsnet.ru

 

2.       Сб. докл. Х-й Междунар. конф. «Физика в системе современного образования » (ФССО-09), г. Санкт-Петербург, 31 мая – 4 июня 2009г. 353 с.

 

3.       Сб. "Актуальные проблемы преподавания физики в ВУЗах России". Материалы совещания заведующих кафедрами физики ВУЗов России, г. Москва, 29 июня – 1 июля 2009. 364 с.

 

4.       CD «Открытая физика 1.1» под редакцией С.М. Козела, ООО «Физикон», 2001.

 

5.       Лаптенков Б.К., Тихомиров Ю.В. Физика. Виртуальный лабораторный практикум: В 2 ч. Ч. 2. электричество и магнетизм. Оптика. Квантовая физика /Чуваш. ун-т. Чебоксары. 2004. 144 с.

 

6.       Абдрахманова А.Х., Нефедьев Е.С., Нефедьев С.Е. Лабораторный практикум по дисциплине «Физика» в компьютерном классе. Уч. пособие. Казань, КГТУ, 2005. 77 с.

 

7.       Абдрахманова А.Х., Нефедьев Е.С., Шмакова О.П.. Лабораторный практикум по  квантовой оптике с элементами моделирования фундаментальных экспериментов на РС. Сб. докл. ХI Междунар.конф. «Современные технологии обучения «СТО-2005»», Санкт-Петербург, 2005г., т.1. - С.98.

 

8.       Абдрахманова А.Х., Нефедьев Е.С., Шмакова О.П.. Элементы квантовой оптики и атомной физики. Учебное пособие.  Москва.: КДУ. 2006. 120 с.

 

9.       Абдрахманова А.Х., Нефедьев Е.С., Шмакова О.П. Элементы волновой оптики. Учебное пособие.  Учебное пособие.  Москва.: КДУ. 2009. 110 с.

 

 

10.    Аванесов В.С. Научные проблемы тестового контроля знаний.– М: Учебный центр при ИЦПКПС, 1994. – 136с.

 

11.    И.Х. Галеев, В.Г. Иванов, Н.В. Аристова, В.Г. Урядов Сравнительный анализ  программных комплексов TestMaker и ACTest // Образовательные технологии и общество (Educational technology & Society) - 2007 (http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html)- V. 10 -N 3.- С.336-360. - ISSN 1436-4522.

.

12.    G.Rasch. Probabilistic Model for Some Intelligence and Attainment Tests. – Chicago: Univ. of Chicago Press, 1980.

 

13.    B.D.Wright, G.N.Masters. Rating scale analysis. Rasch measurements. – Chicago: MESA Press, 1982.

 

14.    Оганесян А.Г., Казимира И.Я., Чабан К.О. О независимом тестировании студентов // Образовательные технологии и общество (Educational technology & Society) - 2008 (http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html)- V. 11 -N 1.- С.346-356. - ISSN 1436-4522.

 

15.    Чирцов А.С.. Информационная поддержка преподавания курсов общей физики для студентов бакалавриата «Прикладная математика и физика» физического факультета СПбГУ. //В сб. «Современное образование: содержание, технологии, качество» - матер. XIV межд. конф. 23 апреля 2008, т.1. СПб // Изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - С.23-25.

 

16.    Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов «Эффективная физика». http://www.effects.ru/home .

 

17.    Фишман А.И., Скворцов А.И., Даминов Р.В. Видеозадачи по физике. –М.: NMG, 2004. CD-ROM.

 

18.    «Физика в анимациях» . http://physics-animations.com/physics.htm

 

19.    Абдрахманова А.Х., Нефедьев Е.С., Ермолаев С.А.,  Хараева Т.А. Информационные технологии в учебном комплексе по дисциплине «Физика» в техническом вузе. Сб. докл. ХIII Междунар. конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество» Санкт-Петербург, 19 апреля 2007г, т.2. - С.99.

 

20.    Абдрахманова А.Х.., Хараева Т.А. Информационные технологии обучения в курсе общей физики. Организующие составляющие. Перспективные планы. Сб. докл. ХVI-й Междунар. форума "Современное образование: содержание, технологии, качество". Санкт-Петербург, СПГЭГ «ЛЭТИ», 2010г, т.1. 21-22 апреля 2010г. - С.124-125.

 

21.    Абдрахманова А.Х., Нефедьев Е.С. Мультимедиа материалы в лекционном курсе по «разделу «Электричество и магнетизм». Тез. докл. научн.-метод. школы - семинара по проблеме «Физика в системе инженерного и педагогического образования стран ЕврАзЭС». Москва, 30.06.2008 -02.07.2008 г. - С. 23-25. 

 

22.    Хараева Т.А. Информационные технологии в образовательных программах по физике в техническом ВУЗе. Материалы Междунар. молодежного форума «Ломоносов-2010». Выставка инновационных проектов. Москва, МГУ, 2010.

 http://www.lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2010/index.htm