ВІРТУАЛЬНИЙ ФІЗИЧНИЙ ЕКСПЕРИМЕНТ В ХМАРО ОРІЄНТОВАНОМУ НАВЧАЛЬНОМУ СЕРЕДОВИЩІ

Максим Хомутенко (Кіровоград, Україна)

Анотація.У статті висвітлено мотивацію застосування хмаро орієнтованого навчального середовища при вивченні атомної та ядерної фізики в загальноосвітніх навчальних закладах; застосування віртуального фізичного експерименту на прикладі створеної моделі атомного ядра, демонстрацій ізотопів водню та радіоактивного випромінювання. Проаналізовані аспекти педагогічного досвіду з проблеми створення навчального середовища; моделювання окремих дослідів з атомної та ядерної фізики. Окреслено застосування хмарних сервісів в освіті. Удосконалено методику навчання розділу «Атомна та ядерна фізика» та виконано доповнення навчального фізичного експерименту віртуальними демонстраціями створеними у програмі Adobe Flash Professional. Представлені демонстрації «Модель атомного ядра», «Ізотопи» та «Радіоактивне випромінювання» допомагають дійти до істини та підвищити якість оволодівання знаннями з атомної та ядерної фізики.

Ключові слова:інформаційні технології, методика навчання фізики, хмарні технології, хмаро орієнтоване навчальне середовище, фізичний експеримент, демонстрації, атомне ядро, ізотопи.

Максим Хомутенко

ВИРТУАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ОБЛАЧНО ОРИЕНТИРОВАННОЙ УЧЕБНОЙ СРЕДЕ

Аннотация. Статья посвященамотивации применения облачно ориентированной учебной среды при изучении атомной и ядерной физики в общеобразовательных учебных заведениях; применение виртуального физического эксперимента на примере созданной модели атомного ядра, демонстраций изотопов водорода и радиоактивного излучения.

Проанализированные аспекты педагогического опыта по проблеме создания учебной среды; моделирование отдельных опытов из атомной и ядерной физики. Очерчено применение облачных сервисов в образовании. Усовершенствована методика учебы раздела "Атомная и ядерная физика" и выполнены дополнения учебного физического эксперимента виртуальными демонстрациями созданными в программе Adobe Flash Professional. Представленные демонстрации "Модель атомного ядра", "Изотопы" и "Радиоактивное излучение" помогают дойти до истины и повысить качество овладения знаниями из атомной и ядерной физики.

Ключевые слова: информационные технологии, методика обучения физике, облачные технологии, облачно ориентированная учебная среда, физический эксперимент, демонстрации, атомное ядро, изотопы.

Maksym Khomutenko

VIRTUAL PHYSICAL EXPERIMENT IN CLOUDY THE ORIENTED EDUCATIONAL ENVIRONMENT

Abstract: In the article it is reflected motivation of application of cloud of the oriented educational environment at the study of atomic and nuclear physics in general educational establishments; application of virtual physical experiment is on the example of the created model of atomic kernel, demonstrations of isotopes of hydrogen and radioactive radiation. Swift development of scientific and technical progress brings in the adjustments in all spheres of human vital functions, at the same time it is motive force for development of elucidative industry. In recent year one of key questions of improvement of grant of educational services there was wide introduction of application of informatively-communication technologies in education, that positively influenced on the state of material and technical base of educational establishments, majority from that was provided with a computer technique and multimedia devices, by connection to the network the Internet, but these changes at the same time caused demand in relation to the new going near the process of studies, her improvement and updating. Therefore on this stage the question of quality studies of Physics and Mathematics disciplines appears actual in general educational establishments in the conditions of global informatization of society. One of directions of improvement of educational services there is development of application of cloudy technologies at teaching of physics. For the achievement of the put aim there were the used methods of research : analysis of psychological and educational, scientifically-methodical literature, generalization of pedagogical experience on issue of creation of educational environment; a design of separate experiments is from atomic and nuclear physics. Cloudy services apply in an order to give user electronic educational resources that fold the rich in content filling of cloud of the oriented environment, and also provide the processes of creation and supply of educational services. Cloudy services are intended for work accessible to the user application software, space for storage of data and calculable powers over the Internet. In cloud the oriented educational environment it maybe to organize work with all computer and mobile devices regardless of what operating system is used be OS of Windows, OC Linux or OC Android. With the aim of deep and systematized study of division «Atomic and nuclear physics» we deem it wise to use the computer models of physical processes in cloud to the oriented educational environment. For the improvement of methodology of studies of division «Atomic and nuclear physics» and addition of educational physical experiment by us in the program Adobe Flash Professional CC there were the created demonstrations, that represent the models of atomic kernel, isotopes and radioactive radiation.

Keywords: information technologies, methods of teaching physics, cloudy technologies, cloud is oriented educational environment,  physical experiment, demonstrations, atomic kernel, isotopes.

Постановка проблеми.Сьогодні освітня галузь в Україні перебуває в стадії реформування та значного оновлення підходів до надання освітніх послуг починаючи з дошкільних навчальних закладів і закінчуючи вищими навчальними закладами. Разом з тим стрімкий розвиток науково-технічного прогресу вносить свої корективи в усі сфери людської життєдіяльності, водночас він є рушійною силою для розвитку освітянської галузі. В останні роки одним із ключових питань покращення надання освітніх послуг було широке впровадження застосування інформаційно-комунікаційних технологій в освіті, що позитивно вплинуло на стан матеріально-технічної бази навчальних закладів, більшість з яких була забезпечена комп’ютерною технікою та мультимедійними пристроями, підключенням до мережі Інтернет, але ці зміни разом з тим викликали попит щодо нових підходів до самого процесу навчання, його удосконалення та оновлення. Тому на даному етапі актуальним постає питання якісного навчання фізико-математичних дисциплін в загальноосвітніх навчальних закладах в умовах глобальної інформатизації суспільства. Одним із напрямків удосконалення освітніх послуг є розвиток застосування хмарних технологій при навчанні фізики.

При цьому, як показує аналіз методичних досліджень з фізики [12], особливої уваги набуває методика навчання атомної та ядерної фізики. Це пов’язано як з специфікою досліджуваних даним розділом проблем, так і складністю експериментального їх відображення в умовах шкільного навчального кабінету фізики.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Провівши аналіз досліджень та методичних розробок щодо впровадження хмарних технологій в освіту вітчизняних науковців В.Ю. Бикова [1], М.І. Жалдака [3], В.М. Мадзігона [6], О.М. Маркової [7],Н.В. Морзе [8], В.В. Лапінського [6], С.Г. Литвинової [4], М.Попель [14], М.І. Садового [10], З.С. Сейдаметової [11], С.О. Семерікова [7], А.М. Стрюка [7], Ю.В. Триуса [17], О.М. Трифонової [12], М.П. Шишкіної [14] та ін., ми прийшли до висновку про доцільність застосування хмаро орієнтованого навчального середовища (ХОНС) в освітньому процесі. Не дивлячись на значну увагу до організації ХОНС з боку зазначених вчених, не було розроблено чіткої методики навчання окремих розділів фізики, та й інших природничих дисциплін, в умовах хмаро орієнтованого навчального середовища.

Тому мета статті полягає у розробці методики навчання одного з розділів фізики в умовах ХОНС в загальноосвітніх навчальних закладах.

Для досягнення поставленої мети нами були використані такі методи дослідження: аналіз психолого-педагогічної, науково-методичної літератури, узагальнення педагогічного досвіду з проблеми створення навчального середовища; моделювання окремих дослідів з атомної та ядерної фізики.

Виклад основного матеріалу. ХХІ століття характеризується новими інформаційними змінами, що суттєво веде до змін інформаційно-комунікаційних технологій, які застосовуються в навчанні. Згідно досліджень американського вченого К. Бонка [15], викладених в книзі «Світ відкритий: Як Веб-технології революціонізують освіту» виокремлені ІТ-тренди, які суттєво впливають на освітній простір сьогодення, рис. 1.

Рис. 1. ІТ-тренди, які суттєво впливають на освітній простір

Зазначений процес революційних змін в процесі організації освіти в сучасній школі нерозривно пов’язаний хмарними технологіями та хмарними обчисленнями (англ. Cloud Computing) [16] – це модель забезпечення повсюдного та зручного доступу на вимогу через мережу до спільного пулу обчислювальних ресурсів, що підлягають налаштуванню (наприклад, до комунікаційних мереж, серверів, засобів збереження даних, прикладних програм та сервісів), і які можуть бути оперативно надані та звільнені з мінімальними управлінськими затратами та зверненнями до провайдера.

Хмарні сервіси застосовують для того, щоб надавати користувачеві електронні освітні ресурси, що складають змістовне наповнення хмаро орієнтованого навчального середовища, а також забезпечити процеси створення і постачання освітніх сервісів. Хмарні сервіси – це сервіси, призначені для того, щоб робити доступними користувачеві прикладне програмне забезпечення, простір для зберігання даних та обчислювальні потужності через Інтернет [14]. Комп’ютерне обладнання можна використовувати різних видів: ноутбуки, нетбуки, стаціонарні ПК, планшети, смартфони. Слід зазначити, що у хмаро орієнтованому навчальному середовищі можливо організувати роботу з усіма комп’ютерними та мобільними пристроями незалежно від того яка операційна система використовується будь-то ОС Windows, OCLinux чи OCAndroid. Таке широке використання гаджетів, як зазначає С.Г. Литвинова [4] є суттєвою перевагою в організації навчальної діяльності учнів. Засобами навчання у ХОНС виступають такі електронні об’єкти: презентації, текстові документи, відео- та аудіофайли, віртуальні лабораторії, електронні освітні ресурси (ЕОР), енциклопедії тощо. Будемо розглядати ЕОР з позицій комплементарності традиційним засобам навчання, ефективно використовувати ЕОР у навчально-виховному процесі, якщо відсутні можливості представлення навчального матеріалу іншим способом [5].

За цих умов головна мета навчання фізики в середній школі полягає в розвитку особистості учнів засобами фізики як навчального предмета,зокрема завдяки формуванню в учнів фізичного знання, наукового світогляду й відповідного стилю мислення, екологічної культури, розвитку в них експериментальних умінь і дослідницьких навичок, творчих здібностей і схильності до креативного мислення [9]. Так, як фізика – експериментальна наука, то ця її риса визначає низку специфічних завдань шкільного курсу фізики, спрямованих на засвоєння наукових методів пізнання. Завдяки навчальному фізичному експерименту учні оволодівають досвідом практичної діяльності людства в галузі здобуття фактів та їхнього попереднього узагальнення на рівні емпіричних уявлень, понять і законів. За таких умов фізичний експеримент виконує функцію методу навчального пізнання, завдяки якому у свідомості учнів утворюються нові зв’язки та відношення, формуються суб’єктивно нове особистісне знання. Саме через навчальний фізичний експеримент найефективніше здійснюється діяльнісний підхід до навчання фізики. З іншого боку, навчальний фізичний експеримент дидактично забезпечує процесуальну складову навчання фізики, зокрема формує в учнів експериментальні вміння й дослідницькі навички, озброює їх інструментарієм дослідження, який стає засобом навчання.

Як показують проведені дослідження [12] найновіший розділ фізики (атомна та ядерна фізика) найменше представлений наочністю та можливістю експериментального відтворення фізичних процесів у навчальному експерименті, тому  з метою глибокого та систематизованого вивчення розділу «Атомна та ядерна фізика» ми вважаємо за доцільне використовувати комп’ютерні моделі фізичних процесів в хмаро орієнтованому навчальному середовищу. Для удосконалення методики навчання розділу «Атомна та ядерна фізика» та доповнення навчального фізичного експерименту нами у програмі Adobe Flash Professional CC були створені демонстрації, що відображають моделі атомного ядра, ізотопи та радіоактивне випромінювання.

При цьому розроблені за допомогою мультимедійної платформи досліди спрямовані на інтуїтивне розуміння наукової інформації, а реалізація їх в умовах хмаро орієнтованого навчального середовища забезпечить дотримання передбаченого Державний стандарт базової і повної загальної середньої освіти [2] особистісно зорієнтованого підходу, коли кожен учень має можливість опрацювати поданий матеріал самостійно в довільному темпі, розвивати пам’ять споглядаючи розглядувані явища, формувати науковий світогляд. Моделі дозволяють придати наочності абстрактним законам та явищам, які вивчаються в атомній та ядерній фізиці, акцентувати увагу учня на важливих деталях. Робота з моделями в хмарному середовищі сприятиме формування інформаційно-комунікаційної компетентності в учнів.

Модель атомного ядра. В 1911 р. Ернст Резерфорд провів дослід, на підставі якого було розроблену планетарну модель атома, згідно якої в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, яке складається протонів і нейтронів, а навколо ядра рухаються по коловим чи еліптичним орбітам електрони рис. 2.

Для демонстрації «Модель атомного ядра» нами змодельовано три хімічних елементи: водень (рис. 2), гелій та літій (рис. 3).

Ізотопи. Ізотопи або нукліди – різновиди атомів одного й того ж хімічного елементу, атомні ядра яких мають однакове число протонів і різне число нейтронів. Водень трапляється у вигляді трьох ізотопів, кожен із яких має свою назву: – протій  або D – дейтерій,  або T – тритій. Ядро атома протію складається із одного протону, дейтерій – один протон і один нейтрон, тритій – один протон і два нейтрони. Що і було використано для створення демонстрації рис. 4 та рис. 5.

Радіоактивне випромінювання. Е. Резерфорд в 1899 р. виявив, що радіоактивне випромінювання складається з двох компонентів, які назвав промені та промені. А в 1900 р. французький фізик Ф. Вілард встановив, що до складу випромінювання ходять ще і  промені.

Поведінку радіоактивного випромінювання було вивчено в магнітному полі. Радіоактивний елемент в свинцеву колбу з невеликим отвором. Навпроти отвору розміщувалась фото пластинка. За відсутності магнітного поля на фотопластинці утворювалось пляма від випромінювання.

Коли пучок випромінювання поміщувався у магнітне поле, він розкладався на три. Складові випромінювання відхилялись в протилежних напрямках: центральний пучок утворювала складова яка не мала заряду, тобто γ-промені, дві інші складові відхилялись в протилежних напрямах, α-промені та β-промені, що доказувало присутність заряджених частинок. Дослід Резерфорда показує радіоактивне випромінювання неоднорідне, що і показано на демонстрації рис. 6. Створені моделі демонстрації розміщені в хмарному середовищі. Перегляд демонстрацій забезпечує хмарний сервіс Cloud SWF рис. 7.

Висновки. Використання хмаро орієнтованого навчального середовища при вивченні атомної та ядерної фізики відкриває нові перспективи в удосконаленні організації навчально-виховного процесу та зацікавленості учнів у якісному вивчені предмету, сприяє активізації розумової діяльності, підвищує мотивацію до навчання, а також реалізовує міжпредметні взаємозв’язки між фізикою та інформатикою, що забезпечує всебічний розвиток особистості учня.

Перспективи подальших наукових дослідженьпов’язані з розширенням меж визначених шляхів застосування моделювання в хмаро орієнтованому навчальному середовищі та розробка інших моделей з теми «Атомна та ядерна фізика».

Бібліографія

1. Биков В.Ю. Мобільний простір і мобільно орієнтоване середовище інтернет-користувача: особливості модельного подання та освітнього застосування / В.Ю. Биков // Інформаційні технології в освіті. – 2013. – Вип. 17. – С. 9-37. – Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/itvo_2013_17_3
2. Державний стандарт базової і повної загальної середньої освіти (Постанова Кабінету Міністрів України № 1392 від 23 листопада 2011 року). – Режим доступу: http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/1392-2011-п.
3. Жалдак М.І.Проблеми інформатизації навчального процесу в середніх і вищих навчальних закладах / М.І. Жалдак // Комп’ютер у школі та сім’ї. – 2013. – № 3. – С. 8-15.
4. Литвинова С.Г. Проектування хмаро орієнтованого навчального середовища загальноосвітнього навчального закладу: [моногр.] /С.Г. Литвинова. – К.: Компринт, 2016. – 354 c.
5. Литвинова С.Г. Методика проектування та використання хмаро орієнтованого навчального середовища загальноосвітнього навчального закладу: [метод. реком.] / С.Г. Литвинова. – К.: Компринт, 2015. – 280 c.
6. Мадзігон В.М. Сучасне навчальне середовище і електронна педагогіка / В.М. Мадзігон, В.В. Лапінський // Комп’ютер у школі та сім’ї. – 2010. – № 3. – С. 3-6. – Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/komp_2010_3_2
7. Маркова О.М. Хмарні технології навчання: витоки / О.М. Маркова, С.О. Семеріков, А.М. Стрюк // Інформаційні технології і засоби навчання. – 2015. – Т. 46; № 2. – С. 29-44. – Режим доступу: http://journal.iitta.gov.ua/index.php/itlt/article/download/1234/916.
8. Морзе Н.В. Методика навчання інформатики:[метод. посібн. у 3 ч.] / Н.В. Морзе. – К.: Навчальна книга, 2004. – Ч. 3. Методика навчання основних послуг глобальної мережі Інтернет. – 196 с.
9. Програма для загальноосвітніх навчальних закладів. Фізика. 10-11 класи. Профільний рівень. – К., 2010. – Режим доступу: http://www.mon.gov.ua/index.php/ua/diyalnist/osvita.
10. Садовий М.І. Дистанційна освіта в умовах використання хмарних освітніх технологій як основа профорієнтаційної роботи з абітурієнтами / М.І. Садовий, О.М. Трифонова. // Хмарні технології в освіті: [матер. Всеукр. наук.-метод. Інтернет-семінару, 21 грудня 2012 р., Кр. Ріг – Київ – Черкаси – Харків]. – Кривий Ріг, 2012. – С. 83-84.
11. Облачные технологии и образовании / Сейдаметова З.С., Аблялимова Э.И., Меджитова Л.М. и др. – Симферополь: ДИАЙПИ, 2012. – 204 с.
12. Трифонова О.М. Взаємозв’язки принципів науковості та наочності в умовах кредитно-модульної системи навчання квантової фізики студентів вищих навчальних закладів: дис. ... канд пед. наук : 13.00.02 / Трифонова Олена Михайлівна. – Кіровоград, 2009. – Т. 1. – 216 с.; Т. 2 : Додатки. – 301 с.
13. Хомутенко М.В., Садовий М.І., Трифонова О.М. Комп’ютерне моделювання процесів в атомному ядрі // Інформаційні технології і засоби навчання. – 2015. – Том 45, №1. – C. 78-92. – Режим доступу: http://journal.iitta.gov.ua/index.php/itlt/article/view/1191
14. Шишкіна М.П. Хмаро орієнтоване освітнє середовище навчального закладу: сучасний стан і перспективи розвитку досліджень / М.П. Шишкіна, М.В. Попель // Інформаційні технології і засоби навчання. – 2013. – Т. 37, Вип. 5. – С. 66-80. – Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ITZN_2013_37_5_9
15. Bonk C.J. The World is Open: How Web Technology is Revolutionizing Education / Curtis J. Bonk. – San Francisco, CA, USA: Jossey-Bass Inc., 2009. – 480 p.
16. Mell P. The NIST Definition of Cloud Computing (Draft) / P. Mell, T. Grance // Recommendations of the National Institute of Standardsand Technology. Special Publication 800-145 (Draft). – 2011. – P. 1-3.
17. Tryus Y. Cloud technologies in management and educational process of Ukrainian technical universities / Y. Tryus, Т. Kachala // Інформаційні технології в освіті. – Херсон, 2014. – Вип. 19. – С. 22-33.

Відомості про автора

Хомутенко Максим Володимирович – аспірант кафедри фізики та методики її викладання Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка.

Наукові інтереси: методика навчання атомної та ядерної фізики в умовах хмаро орієнтованого навчального середовища.