Психолого-педагогічні аспекти комп’ютерного моделювання при вивченні розділу "Геометричної оптики" (стр. 8 из 15)

Включення НІТ у навчальний процес змінює роль засобів навчання, використовуваних у процесі викладання фізики, а використання засобів нових інформаційних технологій змінює навчальне середовище, у якій відбувається процес навчання.

До апаратних засобів нових інформаційних технологій ставиться персональний комп'ютер, до програмних засобів спеціально розроблені дидактичні матеріали, названі програмно-педагогічними засобами (ППС).

Велике значення при вивченні теми має графічна наочність – використання дошки, таблиць, проектора [21]. Але обов'язково до креслення променів і побудови зображень на дошці, у зошиті, на екрані монітора показати учням дійсний вигляд світлових пучків і одержувані зображення предметів за допомогою приладів, тобто прагнути створювати в них наочне подання про світлові явища.

З кількісних залежностей школярі вивчають тільки два – закони відбивання світла й зв'язок між фокусною відстанню й оптичною силою лінзи. Тому число розв'язуваних розрахункових завдань дуже обмежено, причому завдання вирішуються прості.

Головна увага при виборі якісних завдань повинне бути звернене на формування в учнів уміння пояснювати на основі отриманих знань явища, з якими часто зустрічається будь-яка людина у своїй трудовій діяльності й у побуті. Як показує практика, багато складних для сприйняття учнями питання досліджуваноїтеми (наприклад, побудова зображення великого предмета в малому дзеркалі, дослідження області бачення, побудова багаторазових зображень у двох дзеркалах, розташованих під кутом один до одного, і т. п.) доцільніше розглядати на гурткових або факультативних заняттях.

При вивченні теми увесь час доводиться оперувати поняттям «промінь світла» («світловий промінь»). Строге визначення цьому абстрактному поняттю в цьому місці шкільного курсу дати важко. Тому ці поняття розробили інтерактивними, щоб учні в будь-який момент змогли повторити теоретичний матеріал і тим самим зміцнити знання. У той же час необхідно довести до свідомості учнів, що поняття «світловий промінь» є ідеалізацією й що в дійсності справу мають зі світловими пучками. На перших же уроках по цій темі необхідно продемонструвати ці пучки за допомогою приладу по геометричній оптиці і на екрані ЕОМ показати графічне зображення променів і різних пучків світла.

Світловий промінь можна розглядати як геометричний образ, як вісь світлового пучка. При цьому треба попередити учнів, що не слід уявляти промінь, наприклад, як дуже тонкий пучок світла й вважати що, зменшуючи діаметр світного отвору приладу, можна одержати геометричний промінь. (До цього питання обов'язково треба повернутися в старших класах, при вивченні явища дифракції світла й при демонстрації дифракційної картини на вузькій щілині.) Необхідно, щоб з поняттям «промінь світла» школярі зв'язували подання про лінії, що вказує напрямок поширення світлової енергії, а не просто абстрактний, чисто геометричний образ. Домагаючись формування у свідомості учнів чіткого розуміння того, що зі світлом зв'язане особлива форма енергії, треба на першому ж уроці звернути увагу на різні дії світла: теплове, хімічне, біологічне й т.д. Підкреслюють, що у всіх випадках спостерігається перетворення енергії, що несе світло, в інші види енергії.

Інші приклади ідеалізації в геометричній оптиці – поняття «світлова точка», «точкове джерело світла». Точка не має розмірів, у той час як будь-яке джерело світла має кінцеві розміри. Але якщо розміри джерела світла порівняно невеликі й він розташований досить далеко від приладу, що перетворить світловий пучок, то таке джерело можна вважати точковим.

При вивченні побудови зображення предмета в плоскому дзеркалі в учнів формується поняття «уявне зображення точки (предмета)», а при вивченні лінз – «дійсне зображення точки (предмета)». Тут треба враховувати, що школярі до цього часу ще не знають ролі ока в утворенні зображень, а дана обставина досить істотно для неформального засвоєння названих понять. Питання про напрямок, у якому ми бачимо зображення, і про його місце взагалі важкий для розуміння. Уявне зображення – одне з найбільш складних понять роздягнуте в оптиці навіть для старших класів його важко засвоїти, не простежуючи хід променів до сітківки ока.

Здатність органів зору живих істот бачити предмети тільки прямолінійно, коли від предмета світло безпосередньо попадає в наше око, ставиться до їхньої вродженої здатності, що склалася в процесі тривалого розвитку й пристосування до навколишнього середовища. Наприклад, дивлячись на плоске дзеркало, ми не дивимося на відбитий предмет, (щоперебуває перед дзеркалом), тому світло від предмета безпосередньо не попадає в око, а впливає на нього лише після відбиття від дзеркала. Тому що відбите від дзеркала світло поширюється прямолінійно, то завдяки зоровій звичці нам здається, начебто предмет ми бачимо на прямолінійному напрямку, і саме за дзеркалом, а не там, де він перебуває в дійсності. Таким чином, коли мова йде про уявне зображення, то тут відіграє роль скоріше психолого-фізіологічний фактор, чим фізичний. Фізично існує тільки дійсне зображення. Тому методично поняття «уявне зображення» ефективніше розглядати паралельно з поняттям «дійсне зображення» або після розгляду цього поняття, але показавши при цьому принципову відмінність названих зображень.

Викладають це питання на основі енергетичних уявлень. На місці виникнення дійсного зображення відбувається насправді концентрація енергії світла, що може бути виявлено фотоелементом, термометром, фотопапііром і ін. Уявне зображення не можна одержати на екрані або фоточутливій плівці. Його називають уявним, видуманим тому, що реально в даному місці простору воно не існує (його немає). У тім місці де «перебуває» це уявне зображення, енергія світла не концентрується. Це добре ілюструє відомий досвід зі скляною пластиною, поставленої вертикально, і двома вертикальними свічами, одна з яких запалена. Розташувавши останню перед дзеркалом, ставлять за ним другу свічку, незасвічену, у такім місці, щоб при спостереженні крізь скло вона здавалася палаючою. Вимірюванням доводять, що свічки виявляються розташованими на рівних відстанях від дзеркала.

Вивчення теми починають із нагадування факту прямолінійного поширення світла, котрий уже відомий учням з курсу природознавства й життєвих спостережень, пов'язаних із цим явищем (форма світлового пучка в повітрі від прожектора, кишенькового ліхтаря, пучки сонячного світла, що поширюються через щілини в пиловому повітрі затемненої кімнати і т. п.). Незважаючи на такий достаток життєвих спостережень, на уроці обов'язково потрібно використати експеримент.

На приладі по геометричній оптиці, звертають увагу школярів на те, що подібні досвіди й спостереження переконують у прямолінійному поширенні світла в однорідному середовищі.

Корисно повідомити, що про прямолінійне поширення світла писав ще засновник геометрії Евклід за 300 років до нашої ери й, імовірно, поняття про пряму лінію виникло з подання про прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі.

Необхідно розповісти й про практичне застосування цього явища для визначення відстаней до недоступних предметів (у геодезії, військовому справі, астрономії).

З метою закріплення матеріалу й придбання практичних умінь на цьому уроці школярам пропонують короткочасну лабораторну роботу – фронтальний експеримент зі шпильками по «провешиванию прямій лінії» (мал. 2.1.3.). Окремим учням можна рекомендувати виготовити вдома камеру-обскуру (мал. 2.1.4.), а на уроці розповісти про роботу з нею.

Мал. 2.1.4.

Один з наслідків прямолінійного поширення світла в однорідному середовищі – утворення тіні й півтіні й зокрема, сонячне й місячне затьмарення. Причини затьмарень уже з'ясовували в курсах природознавства й географії, тому, опираючись на попередні знання учнів, можна різноманітити методи роботи. На уроках, де розглядається даний матеріал, можна заслухати доповіді й повідомлення учнів, супроводжувані демонстрацією досвідів з таблицями, діапозитивами. Звертають увагу учнів на те, що із затьмареннями в минулі часи, було зв'язано багато марновірств, але сучасна наука дозволяє з великою точністю пророчити час їхнього настання. Корисно запропонувати учнем домашні експериментальні завдання по дослідженню розміру тіні (у порівнянні із предметом) і по визначенню розміру предмета, по його тіні.

Мал. 2.1.5.

Приступаючи до вивчення законів відбивання світла, доцільно насамперед показати явища відбивання й заломлення світла на границі двох прозорих середовищ саме так, як вони відбуваються в дійсності (тобто одночасно). При демонстрації відповідних досвідів з оптичною шайбою (мал. 2.1.5.) або із прямокутною посудиною з водяним розчином флюоресцина (Мал. 2.1.6, а) звертають увагу учнів на те, що при падінні пучка світла на границю двох середовищ (повітря – скло або повітря – вода) пучок роздвоюється: одна його частина повертається в перше середовище (це явище називають відбиванням світла), а інша проникає в друге середовище, змінивши свій напрямок (заломлення світла). Пояснення супроводжують малюнком, на якому вказують назви променів і кутів і їхні літерні позначення, підкреслюють, що на малюнку кожний пучок світла представлений його центральним променем (мал. 2.1.6, б).

Мал. 2.1.6.

При вивченні законів відбивання світла зі школярами розбирають наступні питання: «У якій площині лежить відбитий промінь?», «У якому напрямку треба шукати відбитий промінь у цій площині?», «Як співвідносяться між собою кути падіння й відбивання?» – і на основі аналізу результатів експерименту із оптичною шайбою роблять висновок.