«Газовые законы. Закон Бойля-Мариотта»

I.3. Роль и место виртуального физического эксперимента в школьном курсе физики
Слово "эксперимент" происходит от греческого "experimentum", что означает "проба, опыт". Экспериментом называют научно поставленный опыт или наблюдение за исследуемым явлением при определенных критериях, которые позволяют наблюдать за явлением и воспроизводить его многократно при повторении этих критериев. В более широком смысле эксперимент - это любой опыт, осуществление чего-либо, особый вид деятельности, предпринимаемой для получения новых знаний или проверки ранее полученных.
«Современном словаре иностранных слов» (1994) содержится такое определение: эксперимент - это «1) научно поставленный опыт, наблюдение исследуемого явления в научно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и многократно воспроизводить его при повторении этих условий; 2) вообще опыт, попытка осуществить что-либо».
«Большой Советской энциклопедии» содержится следующее определение: «Отличаясь от наблюдения активным оперированием изучаемым объектом, эксперимент осуществляется на основе теории, определяет постановку задач и интерпретацию его результатов».
«Краткой философской энциклопедии», (1994) имеется следующее определение: «Эксперимент - планомерное проведение наблюдения. То есть человек создает возможность наблюдений, на основе которых складывается его знание о закономерностях в наблюдаемом явлении»
«Советском энциклопедическом словаре» (1997): «Эксперимент – это чувственно-предметная деятельность в науке; в более узком смысле слова - опыт, воспроизведение объекта познания, проверка гипотез и т.п.».
Итак, из исходного смысла «ехреrimentum» и из приведенных выше определений видно, что в узком смысле слова термины «эксперимент» и «опыт» являются синонимами. Термин опыт совпадает с наблюдением и экспериментом.
Экспериментирование – это познавательная деятельность. Эксперимент предполагает изменения, в отличие от наблюдения, при котором не изменяется изучаемые объекты. В ходе эксперимента объекты находятся в искусственных условиях, которых часто не существует в природе. Также, исследователь стремится устранить погрешности и воздействует на эти объекты определенными факторами.
Эксперименте выделяется объект, субъект познавательной деятельности. Методология эксперимента разрабатывается для действенного проведения опытных исследований. Она включает алгоритм выполнения поставленного опыта, выбор средств и непосредственное проведение, обработку и анализ приобретенных экспериментальных данных, оценку измерений.
Рабочим определением будет выступать определение, приведенное «современным словарем иностранных слов» (1994): «эксперимент - это научно поставленный опыт, наблюдение исследуемого явления в научно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и многократно воспроизводить его при повторении этих условий».
Из приведенных выше определений можно выделить общее: во-первых, во всех определениях эксперимент является синонимом слову опыт и наблюдение; во - вторых: человек сам создает условия для проведения опыта; в - третьих, эксперимент - это последовательная, планомерная деятельность.
Ученые выделяют такие виды эксперимента как: физический, психологический, мысленный, компьютерный (виртуальный), критический эксперимент.
Физический эксперимент – способ познания мира, заключающийся в изучении природных явлений в специализированных условиях. В отличие от теоретической физики, которая исследует математические модели мира, физический эксперимент призван исследовать природу. Именно несогласие с результатом физического эксперимента является главным критерием неправильности физической теории, или ее неприменимости к окружающему нас миру. Обратное утверждение также не верно: согласие с экспериментом не может быть доказательством правдивости (применимости) теории. Значит, главным критерием существования физической теории является проверка экспериментом (опытом).
Психологический эксперимент, который проводится в специальных условиях - опыт для получения новых научных знаний за счет целенаправленного вмешательства исследователя в жизнедеятельность испытуемого.
Мысленный эксперимент в философии, физике и некоторых других науках – вид познавательной деятельности, в которой структура реального эксперимента воспроизводится благодаря воображению. Как правило, такой эксперимент проводится в условиях некоторой модели (теории) для проверки её непротиворечивости. При проведении мысленного эксперимента могут возникнуть противоречия внутренних законов модели либо их несовместимость с внешними (по отношению к данной модели) постулатами, которые считаются, безусловно, правдивыми.
Критический эксперимент - эксперимент, исход которого однозначно определяет, является ли предоставленная теория или гипотеза верной. Этот эксперимент должен дать определенно новый результат, который не может быть выведен из других, ранее принятых гипотез и теорий.
Компьютерный эксперимент - это эксперимент над математической моделью объекта изучения на ЭВМ, который состоит в том что, по одним параметрам модели вычисляются другие ее параметры и из этого делаются выводы о свойствах объекта, который описывается математической моделью. Компьютерный эксперимент можно лишь условно отнести к эксперименту, потому что он не отражает природные явления, а только считается численной реализацией сделанной человеком математической модели.
Виртуальный эксперимент - это совершенно новое направление, как в исследовательском, так и в образовательном процессе, заключающееся в реализации физических моделей с помощью вычислительной техники. Развитие и изучение физики непрерывно связаны с построением и изучением моделей физических систем. Так как изучать окружающий мир во всем его многообразии невозможно, поэтому решением данного вопроса может быть его упрощенный вариант. Становление физики – это процесс создания и исследования всевозможных моделей. Все заслуги ученых, начиная еще с античных греков, были достигнуты в результате создания моделей как окружающего мира в целом, так и его фрагментов. Системы Птолемея, Коперника, Галилея, Ньютона, Эйнштейна и других ученых, основывались на конкретных моделях окружающего мира.
Появление вычислительной техники, есть новый этап в применении моделей. Для воспроизведения виртуального эксперимента необходимо математическое, программное обеспечение и компьютер. Преимущество виртуального эксперимента заключается в построении собственных моделей учащимся. Компьютерное моделирование физических процессов реализуется форме виртуальных экспериментов и играет все большую роль в обучении физике.
Выделим достоинства и недостатки виртуального эксперимента. Достоинства: легкая организация фронтальных лабораторных работ возможность проведения виртуального эксперимента во вне учебное время, дома, самостоятельно возможность проведения нескольких исследований с изменением начальных условий, низкая стоимость эксперимента, виртуальное оборудование не изнашивается, не требует ремонта.
Недостатки: различие в показаниях эксперимента (несоответствие с теорией, различия с натурным экспериментом) ограниченное взаимодействие учащегося с исследованием.
Действительно, реальный объект, реальные измерительные приборы значительно интереснее и богаче по своим свойствам, по сравнению с виртуальными аналогами. Но разработчики уверены, что это временный недостаток. В результате развития физики как науки будут появляться более сложные и точные модели физических процессов, объектов и явлений.
Виртуальный эксперимент был создан, как дополнение и подкрепление натурного эксперимента. А также в помощь, когда есть невозможность проведения натурного эксперимента.
Первые модели виртуальных экспериментов появились в 70-х годах прошлого века, из-за необходимости в увеличении познавательного и научного интереса к физике, как в школах, так и в вузах. Для вовлечения учащихся в физическую науку были созданы программные обеспечения, позволяющие превратить урок в творческий процесс, который осуществляет принципы развивающего обучения. Теперь есть возможность в соответствии уроком подобрать необходимый материал, подать его ярко, наглядно и доступно. Использование ИКТ на уроке повышает мотивацию обучающихся к процессу учения, учитель создает условия для наиболее эффективного проявления фундаментальных закономерностей человеческого мышления, для приобретения учащимися средств познания и исследования мира, и активизирует познавательную деятельность. Можно выделить главное в явлении, отбросить второстепенные факторы, выявить закономерности, многократно провести эксперимент с изменяемыми параметрами, сохранить результаты и вернуться к своим исследованиям в удобное время. К тому же, компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов. Данный вид эксперимента выполняется с помощью компьютерной модели конкретного закона, явления, процесса и т.д. Работа с этими моделями предоставляет учащимся огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.
Большинстве интерактивных моделей предусмотрены варианты изменений в широких пределах начальных параметров и условий опытов, варьирования их временного масштаба, а также моделирования ситуаций, недоступных в реальных экспериментах.
Ещё один положительный момент в том, что компьютер дает уникальную, не получаемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощенной теоретической модели, что позволяет легко и эффективно находить главные физические закономерности наблюдаемого явления. Кроме того, учащийся может одновременно с выполнением эксперимента наблюдать построение соответствующих закономерностей в виде графиков. Графический способ отображения результатов эксперимента облегчает учащимся усвоение и запоминание больших объемов полученной информации.
Некоторые явления и процессы невозможно продемонстрировать в школьных условиях из-за отсутствия нужного оборудования. Например, невозможно показать атомы и молекулы в 7 классе, рентгеновское излучение 9 классе. Это приводит к тому, что некоторые ученики не могут абстрагироваться и понять физику как науку. Они не в состоянии мысленно представить необходимые процессы и явления.
Важным условием успешной работы учителя становится его личностное развитие, самообразование целью которого является овладение новыми различными методами и формами преподавания предмета.
Главной задачей, стоящей перед учителем, является расширение кругозора, углубление знаний об окружающем мире. Современное развитие новых информационных технологий и внедрение их в нашей стране наложили отпечаток на развитие личности современных детей. Одной из основных задач информатизации школьного образования является использование информационных коммуникаций в школьных дисциплинах.
Виртуальный эксперимент очень просто вписывается в урок и дает возможность организовывать новые виды учебной деятельности.
Использование такого вида эксперимента раскрывает перспективы использования активных форм обучения, и тем самым изменения ролей учителя и ученика.
Компьютерная поддержка курса физики создает принципиально новые (дополнительные) возможности для организации получения и усвоения курса физики. Она имеет возможность обогатить содержание, и гарантирует новые активные формы и методы овладения.
Виртуальный эксперимент позволяет решить задачи:

• 
  индивидуализации и дифференциации обучения;
  
• 
  стимулирования разнообразной творческой деятельности учащихся;
  
• 
  воспитания навыков самоконтроля, привычки к рефлексии;
  
• 
  изменения роли ученика в учебном процессе от пассивного наблюдателя до активного исследователя.
  

Данный момент существует целый ряд электронных образовательных ресурсов, использующихся для проведения виртуальных экспериментов. К таким ЭОР относятся: «живая физика», «1C-измеритель», «Macromedia Flash», «конструктор экспериментов», «начала электроники». Перечисленные компьютерные обеспечения предоставляют возможность для интерактивного моделирования и задач и экспериментов любой сложности. Программы позволяют изучать не только школьный курс физики, но и вузовский, изучать основные физические концепции и сделать более наглядными абстрактные вещи и теоретические построения. При этом не нужно использовать сложное налаживании, громоздкое, дорогостоящее, а иногда даже опасное оборудование.
Говоря о месте виртуальных экспериментов в учебно-воспитательном процессе, необходимо принимать во внимание особенности современного состояния образовательной системы, в которой взаимодействуют различные формы обучения, в том числе и смешанные, а для них очень важно соответствующее методическое обеспечение самостоятельной работы. А также учитывать особенности детей, при использовании виртуальных экспериментов. В соответствии с этим требуется, чтобы структура и способ доставления учебно-методических материалов в электронном виде не только могли, но и должны быть разнообразными в зависимости от конкретной формы их использования. В конечном счете, необходимо обеспечить доступ большему объему учебно-методических ресурсов для максимально возможного числа пользователей. В связи с существующей направленностью большинство старшеклассников стремятся подготовиться к выбору профессии, наиболее эффективными остаются технологии, которые осуществляют идею персонализации обучения и дают возможность для творческого самовыражения и самореализации учащихся. Это, прежде всего, способ виртуального эксперимента, который сочетается с технологией самостоятельного и проблемного обучения.