XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Виртуальные лабораторные работы для учащихся 7 класса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Ковелина Е.А. 1

---

1МАОУ СОШ 15 г.Челябинска

Васильева И.В. 1

---

1МАОУ СОШ 15 г. Челябинск

Работа в формате PDF

402.8 KB

Введение

Современная педагогическая практика выявляет проблему недостаточного понимания теоретического материала по физике среди учащихся седьмых классов общеобразовательных учреждений. Согласно результатам исследований, около 53% школьников испытывают трудности с усвоением половины учебной программы, а 9% вообще не воспринимают её содержание [3].

Причина подобного положения кроется в специфическом характере физики как науки, включающей значительное количество абстрактных понятий, сложных закономерностей и математических выражений. Теоретический материал зачастую воспринимается учениками фрагментарно вследствие нехватки наглядных примеров и практической направленности занятий. Это ведет к снижению мотивации и качества освоения дисциплины.

Кроме того, современные образовательные методики редко включают полноценные лабораторные занятия, позволяющие закрепить знания посредством непосредственного эксперимента. Отсутствие практических компонентов способствует формированию разрыва между изучаемыми теориями и действительностью, что негативно сказывается на эффективности учебного процесса.

Для достижения указанной цели планируется решить ряд конкретных исследовательских задач:

1. Анализ существующей образовательной литературы и методик преподавания физики в школах Российской Федерации.

2. Создание виртуальных лабораторных работ по физике для учеников 7 класса.

3. Формулирование рекомендаций по внедрению виртуальных лабораторий в образовательный процесс.

Объектом исследования выступают процессы формирования базовых естественно-научных представлений и компетенций у обучающихся седьмых классов. Предметом исследования являются методы повышения эффективности изучения физики через внедрение виртуальных методов моделирования и визуализации.

Глава 1. Теоретическая часть

1. 1. Виртуальная лабораторная работа

Виртуальная лабораторная работа представляет собой компьютеризированную симуляцию реального физического эксперимента, выполняемого в виртуальном пространстве. Такие работы создаются с использованием специализированных компьютерных программ и позволяют студентам изучать физические явления и законы, выполняя практические задания в цифровом формате.

Основные характеристики виртуальных лабораторных работ:

- Моделируемость: Студенты взаимодействуют с виртуальным оборудованием и материалами, проводя измерения и наблюдения, аналогичные реальному опыту.

- Интерактивность: Учащиеся могут изменять параметры экспериментов, наблюдать влияние изменений и анализировать полученные результаты.

- Доступность: Работы легко интегрируются в учебный процесс благодаря возможности дистанционного доступа и доступности оборудования вне стен лаборатории.

- Безопасность: Нет риска повреждения дорогостоящего оборудования или нанесения вреда здоровью студентов.

- Экономичность: Значительно дешевле традиционных физических лабораторий, поскольку отсутствует необходимость приобретения специального оборудования.

Данный материал удобно представить в виде схемы (рис. 1).

Рис. 1. Основные характеристики виртуальных лабораторных работ

Преимущества виртуальных лабораторных работ перед традиционными методами:

- Повышают интерес и мотивацию студентов к изучению предметов естественных наук.

- Способствуют развитию навыков самостоятельного анализа и интерпретации результатов экспериментов.

- Обеспечивают доступность качественного образования даже в регионах с ограниченными ресурсами.

Таким образом, виртуальные лабораторные работы становятся важным инструментом современного образования, позволяющим повысить эффективность и привлекательность изучения фундаментальных научных дисциплин.

1. 2. Лабораторные работы для учащихся 7 класса

Нами были разработаны следующие листы для проведения лабораторных работ по физике основных тем курса 7 класса: измерение объемов тел при помощи измерительного сосуда; нахождение плоскости тел; определение выталкивающей силы. Данные лабораторные работы также встречаются на экзамены у обучающихся 9 класса на ОГЭ. Для лучшего усвоения материал данные работы можно делать, используя виртуальные лабораторные работы, созданные нами.

Лабораторная работа № 1

Тема: измерение объёмов тел при помощи измерительного сосуда

Цель: измерить объем: цилиндра, ластика, кубик.

Оборудование: измерительный сосуд (мензурка), цилиндр, ластик, кубик, линейка.

Ход работы:

1. Налейте воды в измерительный сосуд, чтобы тело было полностью погружено в воду.

2. Измерьте объем воды -

3. Погрузите первое тело в воду и измерьте полученный объем -

4. Вычислите объем тела по формуле:

5. Повторите пункты 1-4 для других тел и заполните таблицу 1.

Таблица 1

Таблица измерений лабораторной работы № 1

6. Сделайте вывод.

Лабораторная работа № 2

Тема: нахождение плотностей тел.

Цель: найдите плотность: ластика, гречки, масла, сравнить плотности веществ с плотностью воды.

Оборудование: измерительный сосуд, ластик правильной формы, крупа гречки, подсолнечное масло в небольшом сосуде, весы, разновесы (монеты), канцелярский нож.

Ход работы:

1. Сделайте из ластика при помощи канцелярского ножа небольшие кубики;

2. Снимите размеры с ластика:

Длина - Ширина - Высота -

3. Найдите объем по формуле:

4. Найдите объем гречки и масла, используя измерительный стакан, и полученные данные занесите в таблицу 2.

5. Измерьте массу ластика, гречки и масла, используя весы, занесите полученные данные в таблицу 2.

Таблица 2

Таблица № 2

6. Вычислите, используя формулу , плотности тел

7. Сравните полученные плотности с плотностью воды, опустив каждое тело в стакан с водой. Пронаблюдав, заполните таблицу 3.

Таблица 3

Таблица № 3

8. Сделайте вывод.

Лабораторная работа № 3

Тема: определение выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость украшение и нахождение его плотности

Цель: измерить выталкивающую силу на погруженное в воду украшение, определить, из какого материала сделано украшение, используя таблицу плотностей веществ

Оборудование: украшение, сделанное из однородного материала; стакан с водой; весы с разновесами.

Ход работы:

1. Измерьте при помощи весов массу украшения.

2. Измерьте массу украшения в воде.

3. Произведите расчет веса тел в воде и в воздухе по формуле: Р=mg. Полученные результаты занесите в таблицу.

4. Вычислите силу Архимеда по формуле: .

5. Вычислите объем тела по формуле: , где

6. Вычислите плотность тела по формуле: .

7. Сравните полученный результат плотности с табличными значениями плотностей, используя таблицу 4 плотностей, найдите материал, из которого изготовлено украшение.

Таблица 4

Таблица измерений лабораторной работы № 3

8. Сделайте вывод.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Создание виртуальных лабораторных работ

Исходя из предыдущих теоретических материалов, становится понятно, что лучшим способом для обучения учащихся 7-х классов является интерактивная, визуально-приятная, наглядная программа, при помощи которой можно будет смоделировать реальный эксперимент и повторять его неограниченное количество раз, избавляя от необходимости переноса целого ряда оборудования, такого как мензурки или реактивы.

Мы написали программу, используя язык программирования. Это обычное приложение, запускаемое без излишеств на любом компьютере. Интерфейс в ней выглядит следующим образом:

Рис.2. Стартовое окно

Рис.3. Интерфейс рабочей программы

Программа позволяет наглядно ученику проводить всю лабораторную работу, как если бы он проводил ее на уроке, но без дополнительных предметов. Это не означает, что за ученика все сделает программа, наоборот! Учащемуся дается выбор, он сам заполняет все необходимые поля и производит необходимые расчеты, а программа лишь указывает на возможную ошибку, автоматизируя проверку выполненной лабораторной работы

Наглядно и интерактивно. Таким способом проводить лабораторную работу гораздо приятнее, получая яркие уведомления и поощрения, заложенные в код

Рис.4. Процесс выполнения лабораторной работы

После выполненного решения и проверки, данные можно сбросить, что существенно ускоряет процесс проведения лабораторной работы. Проводить работу можно даже на одном компьютере, подводя учеников по кругу, что позволит всем пройти через данный материал даже при отсутствии специального оборудования

Рис.5. Вторая лабораторная работа

2.2 Ход создания виртуальных лабораторных работ

При создании лабораторных работ было необходимо сперва определить, чем именно должны быть полезны лабораторные работы. Для этого нужно было сперва полностью решить все лабораторные работы, предложенным, традиционным способом, а затем, выявив недостатки, предложить свой способ

Для создания была выбрана самая популярная операционная система Windows, с которой многие знакомы и на которой удобнее всего запускать программы и отображать их работу. Для написания программы на Windows, была выбрана технология WPF как лучшее решение для создания настольных приложений на выбранной операционной системе

После выбора инструментария, была подготовлена среда разработки Visual Studio Community Edition, в которой непосредственно писался код. Фактически ход разработки свелся к переводу существующей, правильно оформленной лабораторной работы в цифровой вид, но с добавлением интерактивных средств, таких как картинки, кнопки, возможность вводить в формулы текст самостоятельно

При разработке был сделан упор на интерактивность и наглядное отображение сообщений об ошибках или успехе. Для этого применялись анимации и иконки bootstrap. Выпадающее сообщение является User Control элементом, что обеспечивает декомпозицию и читаемость кода, соответствует принципу One class per file.

Все ключевые части имеют подробные комментарии, что облегчает дальнейшее редактирование и интеграцию нового функционала

Заключение

Физика как учебный предмет в школе способствует формированию научного мировоззрения и миропониманию. Он обладает уникальными возможностями для знакомства учащихся с методами научного познания, со способами познавательной и творческой деятельности.

Проверка знаний и умений учащихся внутри страны, международные сравнительные исследования убеждают в том, что образовательные возможности обучения физике реализуются не в полной мере. [7,41] Физика часто преподается репродуктивными методами, которые ориентируются на заучивание теоретического материала и решения тренировочных задач. Демонстрационным, фронтальным опытам, лабораторным работам особенно домашнему эксперименту не уделяется должного внимания. Между тем, проведенные исследования убеждают в том, что те разделы физики, которые изучаются школьниками в условиях «меловых» методов без использования экспериментального метода обучения усваиваются учащимися хуже всего. Например, изучение таких вопросов, как изменение энергии при упругом и неупругом ударе, преобразование энергии в проводнике при прохождении электрического тока, сущность явлений и процессов в микромире и др.

Несмотря на тенденции активного включения в образовательный процесс школы активных методов обучения, в том числе экспериментальных, подготовка учащихся по физике, по-прежнему, страдает существенными недостатками:

• Не пониманием того, что процесс учебного познания строится на модельном представлении о явлениях окружающего мира;

• Не умением мыслить моделями, т.е. выдвигать гипотезу, предвидеть, предсказать;

• Не пониманием соотношений между знанием и истиной, полученной в процессе эксперимента.

Список литературы

1. Леонтьев, А.А. Образовательная система «Школа 2100». Педагогика здравого смысла [Текст]/ под ред. А. А. Леонтьева. М.: Баласс, 2003. С. 35.

2. Образовательный портал для подготовки к экзаменамСДАМ ГИА: РЕШУ ОГЭ: [сайт]. - URL:https://math-oge.sdamgia.ru/(дата обращения: 24.03.2021).- Текст : электронныйИз

3. Иванов А.В., Петров Е.С. Педагогическое изучение проблем усвоения школьных дисциплин // Научный журнал. — № 3, 2023. — С. 87—95.

41.Разумовский В.Г. Методы научного познания и качество обучения// В.Г. Разумовский– М.: Учебная физика, 2000. –324с.

7.Беспалько В.П. Педагогика и прогрессивные технологии обучения// В.П. Беспалько/ В.П. Беспалько– М.: Москва ИПОЧО России, 1995.- 336с.

Покровский С.Ф. Опыты и наблюдения в домашних заданиях по физике. Пособие для учителей/ Изд.Академии Педагогических наук РСФСР - М., 1963.

Разумовский В.Г. Физика в школе. Научный метод познания и обучения// В.Г.Разумовский, В.В. Майер – М.: ВЛАДОС, 2004.