dr Stanisław A.Różański

Internet w dydaktyce fizyki

Wstęp

   Pomimo, że Internet wydaje się mglisty i trudny do zdefiniowania, łatwo jest ocenić jego wartość. Sieć Internet łączy obecnie wiele milionów komputerów w różnych krajach na wszystkich kontynentach. Mówiąc Internet trzeba mieć na myśli kombinację sieci, ludzi, którzy jej używają, programów służących do uzyskiwania informacji i samą informację. Internet jest otwarty dla każdego, kto używa komputera i modemu, i kto może połączyć się z komputerem będącym w Internecie. Każdego dnia w Internecie mają miejsce następujące rodzaje komunikacji: wymiana krótkich informacji towarzyskich, dostęp do najświeższych wiadomości z całego świata, prowadzenie negocjacji handlowych, współpraca w badanich naukowych, wymiana informacji z innymi, którzy mają podobne hobby lub zainteresowania, przesyłanie plików.
   W wielu krajach świata z sieci Internet aktywnie korzystają, oprócz instytucji akademickich, również szkoły. Polskie szkoły średnie uczestniczą od kilku lat w programie Internet dla Szkół (IdS) - http://www.ids.edu.pl  a niedawno został wdrożony projekt Internet w każdej gminie - http://www.szkoly.edu.pl (około 2393 nowych pracowni internetowych w szkołach podstawowych). Aktualnie trwa realizacja nowego projektu Pracownia internetowa w każdym gimnazium - http://www.men.waw.pl/aktual/dok-ref/internet/spis.html, który zakłada wyposażenie     w pracownie komputerowe (do 2001 roku) wszystkich nowo powstałych gimnazjów w Polsce. Tworzy to potrzebę zapoznania nauczycieli z metodyką wykorzystania Internetu na lekcjach w szkole. Sieci komputerowe są bowiem idealnym narzędziem zaspokajającym chęć poznania świata i wzajemnego porozumiewania się. W wielu specjalistycznych bazach danych zebrano informacje interesujące z dydaktycznego punktu widzenia. Zostały one celowo stworzone w taki sposób, aby zdobywanie wiedzy było wyzwaniem intelektualnym zarówno dla uczniów jak i dla nauczycieli.

Internet na zajęciach w szkole

   Zajęcia szkolne wymagają wprowadzenia takich form i metod kształcenia, które  sprzyjają uczeniu się, rozwijają cechy osobowości przydatne w przyszłym życiu zawodowym i jednocześnie pozwalają nabytą wiedzę wykorzystać w praktyce. Oprócz klasycznych metod nauczania (tablica, wykład) oraz znanych technik prezentacji i wizualizacji (foliogramy, filmy wideo) nowe możliwości stwarza wykorzystanie techniki komputerowej a szczególnie dostęp do olbrzymich zasobów informacji jakie zawarte są w sieci Internet. Nowe technologie informacyjne, które są bardzo atrakcyjne dla użytkownika, sprzyjają wdrażaniu koncepcji aktywnego nauczania. Na aktywne nauczanie składają się następujące elementy:
    współpraca z innymi członkami grupy,
    aktywna obecność w grupie,
    pełna kontrola nad otoczeniem i poczucie wolności wyboru oraz działania.
   Internet daje odpowiednia infrastrukturę komunikacji między użytkownikami (uczniami, studentami, itp.) umożliwiającą pełną współpracę w celu wymiany informacji, rozwiązywania wspólnych projektów czy sterowania eksperymentem fizycznym. Jednocześnie student, nauczyciel i urządzenia pomiarowe mogą znajdować się w geograficznie różnych miejscach.
   Wykorzystując Internet, zajęcia można zorganizować na kilka wybranych sposobów, których przykłady podano poniżej:
- wirtualna klasa,
- kilka klas lub grup pracuje razem,
- grupy projektowe zorganizowane na bazie grup dyskusyjnych lub poczty elektronicznej,
- zbieranie materiałów za pomocą kwestionariuszy,
- zbieranie i opracowywanie danych, dowświadczenie na odległość,
- wyszukiwanie i przetwarzanie informacji z baz danych.
Zajęcia z fizyki wspomagane Internetem,  mogą przyjąć takie  formy jak:


a)  wykorzystanie zasobów informacyjnych Internetu
  1. przeglądanie stron internetowych poświęconych fizyce - np. http://wpex40.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer/home/index.html,
  2. wykorzystanie znanych wyszukiwarek w celu uzyskania szybkiego dostępu do stron internetowych związanych z zagadnieniami współczesnej fizyki np. Altavista - http://www.altavista.com, Yahoo - http://www.yahoo.com, Infoseek - http://www.infoseek.com, HotBot - http://www.hotbot.com, itp.,
  3. gromadzeniu materiałów związanych tematycznie z fizyką - usługa GOPHER- gopher://polonez.man.lodz.pl, FTP - http://archie.icm.edu.pl, WAIS - http://www.biblioteki.lublin.pl/inne_bramki.html,
  4. analiza informacji i baz danych przydatnych dla zrozumienia procesów i zagadnień  związanych z fizyką - http://labfizweb.org/TIPTOP ,
  5. realizacja wspólnych przedsięwzięć i projektów, np.:

    6. ThinkQuest (http://www.advanced.org/thinkquest) - młodzież uczestnicząca w tym projekcie tworzy internetowe strony WWW na wybrany przez siebie temat, umieszcza je na serwerze w USA. Poszczególne opracowania oceniane są przez specjalistów i nagradzane stypendiami naukowymi (pula nagród wynosi około 1 mln USD),
    PlantWatch (http://www.biology.ualberta.ca/devonian.hp/pwatch.htm) - ten projekt ma za zadanie monitorowanie szybkości nadchodzenia wiosny na świecie przez obserwację rozpoczęcia kwitnienia bzu czarnego w danej strefie geograficznej. Uczniowie chętnie uczestniczą w obserwacjach a ich wyniki umieszczane są na wirtualnej mapie świata   i można je zobaczyć po zakończeniu projektu na internetowej stronie WWW,
    I*EARN (http://www.iearn.org/iearn)- Międzynarodowa Sieć Pomysłów Edukacyjnych - przeznaczona jest dla twórczej młodzieży pragnącej dokonywać zmian w otaczającym świecie. Umożliwia ustalanie partnerskich projektów o zasięgu globalnym. Programy I*EARN przynoszą wiele korzyści edukacyjnych i wychowawczych zarówno uczniom jak    i nauczycielom biorących w nich udział.
    Science Across the World (http://www.bp.com/saw)- umożliwia młodzieży współpracę     w zakresie ochrony środowiska, zapoznania się z problemami energetycznymi świata, problemami związanymi   z jakością  wody, problemami jakości żywności, itp. Projekt ten umożliwia uczestnictwo w  wielu programach naukowych o zasięgu światowym, wymianę informacji oraz pracę nad wspólnymi pomysłami.
    Virtual Classroom (http://www.vc.attjens.co.jp/e/contest/pguide/index.html) - projekt wirtualna klasa umożliwia współpracę szkół z różnych kontynentów nad wspólnym projektem i prezentację wyników w postaci strony WWW,
    NASA K-12 Internet in the Classroom (http://developers.ivv.nasa.gov/ educate/internet.html) - zrzesza szkoły uczestniczące w różnych projektach  NASA. Ma on na celu nauczenie młodzieży szkolnej optymalnego posługiwania się Internetem, zrozumienia nowych technologii wykorzystywanych jako bazę narzędziową dla nauczania i informacji uzyskanych dzięki nim.
    Explore The GLOBE (http://www.globe.gov) - program realizowany w kilkudziesięciu krajach świata (również w Polsce) poświęcony śledzeniu globalnych zmian pogody i klimatu.
  6. konsultacje, negocjacje, dyskusje dotyczące aktualnych tematów naukowych z innymi użytkownikami sieci z wykorzystanie poczty elektronicznej, grup dyskusyjnych oraz list dyskusyjnych,
b)    samodzielna , twórcza praca rozwijająca umiejętność podejmowania  decyzji:
- zasoby sieci Internet mogą zostać wykorzystane do wspomagania odejmowania poprawnych i najbardziej optymalnych rozwiązań,


c)    tworzenie nowych zasobów związanych tematycznie z fizyką:
- tworzenie tematycznych stron internetowych poświęconych fizyce w formacie HTML,
- program FrontPage Express oraz Microsoft Office 97 jako narzędzie do tworzenia
tematycznych stron WWW,
- przygotowanie scenariuszy konkretnych lekcji fizyki wykorzystujących Internet w trakcie realizacji zajęć,
d)    wykorzystanie Internetu do gromadzenia i przesyłania danych - np. eksperyment fizyczny kontrolowany przez Internet - http://olbers.kent.edu/alcomed/Experiment/eo.html. Realizacja tych przedsięwzięć jest możliwa jeżeli spełnione są następujące warunki techniczne i rganizacyjne:

Przykłady wykorzystania Internetu w dydaktyce fizyki

    Wszechstronność Internetu jest niewyczerpanym źródłem pomysłów i materiałów dydaktycznych. Na wybranych, charakterystycznych przykładach pokazano możliwości jakie daje wykorzystanie komputera dołączonego do Internetu w dydaktyce fizyki:
Internet źródłem programów dzięki opcji FTP (File Transport Protocol) -               http://wpex40.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer/home/index.html Strona Uniwersytetu Wuerzburg poświecona dydaktyce fizyki prowadzona przez P.Krahmera jest doskonałym miejscem dla wszystkich zainteresowanych rozpoczęciem przygody        z fizyką w Internecie. Zawiera dziesiątki odnośników do interesujących stron WWW zawierających materiały poglądowe, programy, symulacje, itp.
doświadczenie na odległość - http://olbers.kent.edu/alcomed/Experiment/eo.html. Na stronie tej znajdują się również odnośniki do innych doświadczeń sterowanych z wykorzystaniem Internetu. Jest to bardzo interesujący projekt zrealizowany w Liquid Crystal Institute, Kent State University, Kent , Ohio wykorzystujący Internet do zdalnego dostępu do unikalnej aparatury   i ciekawego doświadczenia. Eksperyment na odległość umożliwia aktywne oddziaływanie miedzy użytkownikami oraz wpływanie na przebieg doświadczenia. Dzięki tej technologii można przeprowadzić w klasie doświadczenie z wykorzystaniem przyrządów niedostępnych w szkole. Jednocześnie uczniowie zapoznają się z metodyka prowadzenia doświadczenia, zbierania i opracowywania danych. Umiejętności te są podstawą wykształcenia naukowego. W tego typu doświadczeniach wprowadza się dane audio i wideo, które kreują odczucie obecności (telepresence) w miejscu informacji (np. laboratorium). Omawiane doświadczenie można wykorzystać na zajęciach w kl. III. Eksperyment obejmuje tematykę związaną z optyką, polem elektrycznym, polaryzacja światła, dwójłomnością optyczną. Dodatkowo wykorzystujemy arkusz kalkulacyjny np. Excel w celu zbierania danych  z doświadczenia i obrazowania ich za pomocą wykresu.
interaktywna strona WWW - http://www.explorescience.com. Bardzo ciekawe miejsce dla tych, którzy poszukują prostych i poglądowych symulacji dla zilustrowania zajęć lekcyjnych prowadzonych na poziomie szkoły średniej.

Explore Science

    Strona WWW Explore Science zawiera szereg symulacji z mechaniki, fal elektromagnetycznych, optyki, fal mechanicznych, itp. W klasie I LO można wykorzystać następujące programy:
a) kinematyka i dynamika
- dodawanie wektorów,
- równia pochyła,
- rzut ukośny,
- tor powietrzny,
- huśtawka,
- zderzenie w dwóch wymiarach,
- swobodne spadanie,
- moment bezwładności,
- tunel powietrzny,
- zestrzel małpę,
- środek masy,
- symulacja orbity,
b) ciecze
- gęstość ciął,
- pływająca kłoda,
- termometr min/max.
Klasa II:
a) elektrostatyka
- wstęp do fizyki plazmy,
- oddziaływania kulombowskie.
Klasa III:
a) drgania mechaniczne
- ruch harmoniczny prosty,
- ruch harmoniczny z siłą wymuszającą (1 masa),
- ruch harmoniczny z siłą wymuszającą (2 masy),
- ruch harmoniczny 2-D,
- figury Lissajous
b) akustyka
- dudnienia,
- efekt Dopplera dla fal akustycznych,
- efekt Dopplera (2 źródła),
- zjawisko interferencji fal,
- ultradźwięki
c) optyka
- fazowa siatka dyfrakcyjna,
- pryzmat,
- bieg promienia świetlnego w soczewce,
- zasada Fermata,
- addytywne mieszenie kolorów,
- substraktywne mieszanie kolorów,
- zdjęcia Roentgena.
strona WWW jako kompendium wiedzy - http://www.ifj.edu.pl/edukacja/cpep.html. Interaktywna strona poświecona cząstkom elementarnym. W bardzo przystępnej formie umożliwia zapoznanie się ze złożonym światem cząstek elementarnych oraz  najnowszymi wynikami doświadczeń w tej dziedzinie.

Przygoda z cząstkami

    Bardzo interesująca strona poświecona niezmiernie aktualnemu tematowi jakim są badania mikroświata i cząstek elementarnych. Strona znakomicie nadaje się do wykorzystania na lekcjach w klasie III i IV poświęconych fizyce atomowej i promieniotwórczości. Z dołączonego  spisu treści można się zorientować, ze poruszana tematyka pokrywa cały zakres materiału związanego z cząstkami elementarnymi, rodzajami oddziaływań, metodami doświadczalnymi, rozpadem promieniotwórczym. Dołączono również kalendarz najważniejszych wydarzeń  w fizyce. Zagadnienia ilustrowane są zabawnymi rysunkami oraz animacjami, które podnoszą wartość edukacyjna prezentowanego materiału.

Opis przedstawionego materiału

    Do opracowania dołączono kopie omawianych stron internetowych zarówno w postaci papierowej jak i plików HTML, których przeglądanie jest możliwe z wykorzystaniem przeglądarki Netscape. Strona Przygoda z cząstkami została przetłumaczona przez pracowników Uniwersytetu Jagiellońskiego natomiast strony  Explore Science (symulacje) i Liquid Crystal Optics (doświadczenie na odległość) zostały przetłumaczone przeze mnie dla potrzeb prowadzonych zajęć z fizyki.
    Do prezentowanych stron WWW przygotowano przykładowe konspekty przeprowadzenia zajęć lekcyjnych z wykorzystaniem Internetu. Na podstawie zgromadzonego materiału można ułożyć scenariusze lekcji pozwalające na omówienie wielu innych zagadnień zawartych w programie nauczania z fizyki w klasach od I do III  szkoły średniej przy wspomaganiu zajęć Internetem. Na załączonych dyskietkach zawarte są strony internetowe Explore Science  oraz Liquid Crystal Optics.

dr Stanisław A.Różański
 

S c e n a r i u s z  l e k c j i  z  f i z y k i

dla klasy III  LO

Wykorzystanie programu do symulacji drgań harmonicznych dostępnego na stronie internetowej http://www.explorescience.com

I. Dyspozycje ogólne

1.Temat lekcji: Analiza drgań harmonicznych w układach mechanicznych z wykorzystaniem komputera podłączonego do Internetu

2. Zagadnienia fizyczne: Opis teoretyczny i jego weryfikacja doświadczalna oraz za pomocą symulacji komputerowych dla drgań harmonicznych w prostych układach mechanicznych - wahadło matematyczne i sprężynowe.

3. Cele lekcji:
    DYDAKTYCZNY


    a) poznawczy:

    b) kształcący:     WYCHOWAWCZY 4. Metoda: 5. Forma pracy: praca w grupach kilkuosobowych

6. Środki dydaktyczne:

II Przebieg lekcji

1. Czynności przygotowawcze: podział klasy na grupy 2-3 osobowe, wybranie kierownika grupy, zajęcie miejsca przy komputerach.
2. Powtórzenie wiadomości o drganiach harmonicznych w układach mechanicznych.
3. Podanie tematu lekcji - Analiza drgań harmonicznych w układach mechanicznych z wykorzystaniem komputera podłączonego do Internetu.
4. Omówienie metodyki wykorzystania programów interaktywnych i symulacji    komputerowych. Wyjaśnienie idei doświadczenia.
5. Przydzielenie poszczególnym grupom zadań doświadczalnych oraz rozdanie instrukcji ich wykonania. Uczniowie otrzymują także materiały niezbędne do zestawienia układu doświadczalnego.
6. Uczniowie przystępują do zestawienia układu doświadczalnego zgodnie z instrukcją oraz wykonują do wykonania eksperymentu. Dokonują symulacji prostych układów drgających z wykorzystaniem programu dostępnego na stronie internetowej.
7. Kierownik grupy oraz jej członkowie przedstawiają na forum klasy uzyskane wyniki obserwacji doświadczeń i symulacji komputerowych  oraz wynikające z nich wnioski. Jednocześnie prezentowane są odpowiedzi na pytania i problemy postawione w instrukcji do doświadczenia. Dodatkowo poszczególni członkowie grupy odpowiadają na pytania dotyczące drgań harmonicznych.
8. Ocena i podsumowanie:
Poszczególni uczniowie oceniani są za wykonane doświadczenia oraz prezentację    uzyskanych wyników. Dodatkowo oceniani są za udział w dyskusji związanej z tematem lekcji oraz odpowiedzi na postawione im pytania. Otrzymane wyniki oraz jakość prezentacji zostają podsumowane i omówione przez prowadzącego zajęcia.

Wahadło sprężynowe

    Celem ćwiczenia jest zbadanie drgań harmonicznych wahadła sprężynowego. W czasie wykonywania ćwiczenia uczeń utrwala wiadomości dotyczące ruchu harmonicznego oraz sprawdza na drodze doświadczalnej i za pmocą modelu poznany na lekcji opis teoretyczny zjawiska.

Układ doświadczalny

Wykonanie ćwiczenia

1. Dokonaj obserwacji drgań harmonicznych dla małych i dużych wychyleń z położenia równowagi dla wahadła sprężynowego. Czy spełniona jest zależność: x = Asin(wt)?

2. Zbadaj zależność częstości drgań wahadła sprężynowego w zależności od współczynnika sprężystości k i jego masy m:

    a) zwiększ masę m wahadła i zbadaj częstość drgań,

    b) zmień sprężynę na inną o innym współczynniku k i określ częstość drgań.

3. Sprawdź na drodze doświadczalnej słuszność wzoru:  w = (k/m)1/2 . Dokonaj symulacji wykorzystując program dostępny na stronie internetowej.

4. Czy zmiana wartości przyspieszenia g wpływa na charakter drgań wahadła sprężynowego ? Dokonaj odpowiedniej symulacji doświadczenia.

5. Otrzymane wyniki doświadczenia zapisz w postaci wniosków. Czy wyniki doświadczenia potwierdzają opis teoertyczny wahadła sprężynowego ? Jakich przybliżeń dokonano w tym opisie?

Wahadło matematyczne

    Celem ćwiczenia jest zbadanie drgań harmonicznych wahadła matematycznego. W czasie wykonywania ćwiczenia uczeń utrwala wiadomości dotyczące ruchu harmonicznego oraz sprawdza na drodze doświadczalnej i za pomocą symulacji poznany na lekcji opis teoretyczny zjawiska.

Układ doświadczalny

Wykonanie ćwiczenia

1. Dokonaj obserwacji drgań harmonicznych dla małych i dużych wychyleń z położenia równowagi dla wahadła matematycznego. Czy spełniona jest zależność:
x=Asin(wt)

2. Zbadaj zależność częstości drgań wahadła matematycznego od jego długości l i masy m:

    a) czy zmiana masy m wahadła ma wpływ na częstość jego drgań,

    b) zmień długość wahadła l i określ częstość drgań.

3. Sprawdź na drodze doświadczalnej i za pomocą modelu słuszność wzoru:
 w = (g/l)1/2 .

4. Otrzymane wyniki doświadczenia zapisz w postaci wniosków. Czy wyniki doświadczenia potwierdzają opis teoretyczny wahadła matematycznego ? Jakich przybliżeń dokonano w tym opisie ?

dr Stanisław A.Różański

S c e n a r i u s z  l e k c j i  z  f i z y k i

dla klasy III  LO

Eksperyment na odległość: http://olbers.kent.edu/alcomed/Experiment/eo.html

I. Dyspozycje ogólne

1. Temat lekcji: Własności elektrooptyczne jednorodnej, planarnej komórki z ciekłym kryształem.

2. Zagadnienia fizyczne: Zapoznanie ze zjawiskiem polaryzacji światła. Kryształy jednoosiowe i dwuosiowe - anizotropia własności fizycznych. Dwojłomność optyczna kryształów. Oddziaływanie pola elektrycznego z momentem dipolowym molekuł ciekłego kryształu. Uporządkowanie molekuł w różnych fazach ciekłokrystalicznych.

3. Cele lekcji
    DYDAKTYCZNY


    a) poznawczy:

    b) kształcący:
    WYCHOWAWCZY 4. Metoda: 5. Forma pracy: praca w grupach kilkuosobowych

6. Środki dydaktyczne:

II Przebieg lekcji

1. Czynności przygotowawcze: podział klasy na grupy 2-3 osobowe, wybranie kierownika grupy, zajęcie miejsca przy komputerach.
2. Powtórzenie wiadomości o polaryzacji światła, własnościach izotropowych
i anizotropowych substancji, oddziaływaniu pola elektrycznego z dipolem elektrycznym.
3. Podanie tematu lekcji - Własności elektrooptyczne jednorodnej, planarnej komórki z ciekłym kryształem.
4. Omówienie metodyki wykorzystania doświadczeń na odległość dostępnych w Internecie. Wyjaśnienie idei doświadczenia.
5. Przydzielenie poszczególnym grupom zadań doświadczalnych oraz rozdanie instrukcji ich wykonania.
6.  Uczniowie przystępują do wykonania doświadczenia korzystając ze zdalnego dostępu do przyrządów pomiarowych. Dokonują wyboru częstotliwości, napięcia i kształtu drgań elektrycznych przykładanych do próbki z ciekłym kryształem.
8.  Uzyskane wyniki pomiarów opracowywane są za pomocą arkusza kalkulacyjnego Excel.
9. Kierownik grupy oraz jej członkowie przedstawiają na forum klasy uzyskane wyniki eksperymentu oraz wynikające z nich wnioski. Dodatkowo poszczególni członkowie grupy odpowiadają na pytania  dotyczące optyki.
10. Ocena i podsumowanie:
Poszczególni uczniowie oceniani są za wykonane doświadczenia oraz prezentację
uzyskanych wyników. Dodatkowo oceniani są za udział w dyskusji związanej z tematem lekcji oraz odpowiedzi na postawione im pytania. Otrzymane wyniki oraz jakość prezentacji  zostają podsumowane i omówione przez prowadzącego zajęcia.
Powrót do stronyImprez popularnonaukowych towarzyszących XXXV Zjazdowi Fizyków PolskichPowrót do strony Imprez popularnonaukowych towarzyszących XXXV Zjazdowi Fizyków Polskich
    E-mail:ptf@physics.uwb.edu.pl