Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Ракин Г.В. 1 Смирнов В.В. 1

---

1 ФГБОУ ВО «Астраханский государственный университет»

В работе приведены результаты исследования проблемы формирования системы знаний о физических основах работы устройств передачи и обработки информации (УП и ОИ) в основной школе в условиях действия ФГОС ООО второго поколения. Анализ учебной литературы по физике показал увеличение временного разрыва между появлением нового технического устройства и включением описания принципа его действия в содержание учебника, достигающего в настоящее время десятилетий. В то же время названные устройства встречаются повсюду, а принципы их работы, как показал специально проведенный опрос, вызывают значительный интерес у старшеклассников. Специально проведенный констатирующий эксперимент, в котором приняли участие около ста двадцати учащихся старших классов Астраханских школ, студентов первых курсов технических и педагогических направлений подготовки, а также действующие учителя математики, физики и информатики, показал, что стихийного формирования представлений о физических принципах работы данных устройств не происходит. Возможной причиной этого, по мнению авторов, является отсутствие в содержании учебного материала описания принципов работы современных устройств передачи и обработки информации. Показано, что материал, имеющийся в современных учебниках физики, может быть в полной мере использован для объяснения принципа действия названных технических устройств. Рассмотрены темы школьного курса физики, изучение которых целесообразно построить на анализе принципов работы конкретных современных технических устройств передачи и обработки информации. Результаты обучающего эксперимента свидетельствуют об эффективности данного подхода: зафиксированы увеличение познавательной активности учащихся, повышение мотивации к изучению предмета, формирование представлений о физических принципах работы УП и ОИ.

Статья в формате PDF

175 KB

фгос ооо второго поколения

обучение физики

устройства передачи и обработки информации

1. Альтшулер Ю.Б. Методическая система обучения электродинамике учащихся средней школы на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний: дис. … докт. пед. наук: 13.00.02. Шуя, 2013. 514 с.

2. Центр оценки качества образования. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.centeroko.ru/public.html#pisa_pub (дата обращения 05.04.2020).

3. Alan J. DeWeerd. CD, DVD, and Blu-Ray Disc Diffraction with a Laser Ray Box. The Physics Teacher. 2016. V. 54. Р. 300. DOI: 10.1119/1.4947160.

4. Brad Hinaus and Mick Veum. Modeling the Compact Disc Read System in Lab. The Physics Teacher. 2009. V. 47. Р. 446. DOI: 10.1119/1.3225507.

5. Albert A. Bartlett. The Physics of a Simple Camera Stabilizer. The Physics Teacher. 2012. V. 50. Р. 268. DOI: 10.1119/1.3703539.

6. Hasan Fakhruddin. Some Activities with Polarized Light from a Laptop LCD Screen. The Physics Teacher. 2008. V.46. Р. 229. DOI: 10.1119/1.2895673.

7. Schmitzer H., Tierney D., Toepker T. Real 3-D: How Does It Work? The Physics Teacher 2009. V. 47. Р. 456. DOI: 10.1119/1.3225510.

8. Matthew Vick. Digitizing Sound: How Can Sound Waves be Turned into Ones and Zeros? The Physics Teacher. 2010. V. 48. Р. 468. DOI: 10.1119/1.3488192.

9. Richard S. Taylor and William R. Wilson. Using the Scroll Wheel on a Wireless Mouse as a Motion Sensor. The Physics Teacher. 2010. V. 48. Р. 608. DOI: 10.1119/1.3517030.

10. Thomas B. Greenslade Jr. The Opaque Projector: The Inverse of the Camera Obscura. The Physics Teacher. 2011. V. 49. Р.241. DOI: 10.1119/1.3566038.

11. William C. Bensky. Wi-Fi-based Wireless Sensors for Data Acquisition. The Physics Teacher. 2018.V. 56. Р. 393. DOI: 10.1119/1.5051157.

Компьютерные и информационные технологии проникли во все сферы жизни человека. Сегодня практически каждый, начиная от школьника и домохозяйки и заканчивая учеными и государственными деятелями, использует в процессе своей деятельности такие средства, как сотовая связь, электронная почта, мессенджеры, USB-флеш-накопители, компьютеры и другие устройства, предназначенные для передачи и обработки информации (ТУП и ОИ). Задача передачи, обработки и хранения информации является, таким образом, типовой задачей, то есть задачей, с которой сталкивается в процессе своей жизни каждый человек.

Повсеместность использования названных технических устройств (ТУ) диктует необходимость включения базовых знаний о физических принципах их работы в содержание школьного образования. Так, в [1] подчеркивается, что обучение физике в средней школе должно основываться на триаде «теория – методология – приложение», что должно приводить к синтезу фундаментальных и прикладных знаний. Примером такого синтеза могут являться классические учебники по физике. Действительно, первый пробный пуск паровоза произошел в 1836 г., а описание его конструкции и принципа действия нашло отражение в учебниках Н. А. Любимова 1867 г. и К. Д. Краевича 1880 г. Первый прибор для записи звуковой информации – фонограф – был изобретен Т. Эдисоном в 1877 г., а информация о принципе работы данного технического устройства была включена в учебник физики К. Д. Краевича 1880 г.

Однако, опираясь на результаты исследований PISA [2], приходится констатировать факт существенного временного разрыва между использованием современных технических устройств передачи и обработки информации (ТУП и ОИ) и описанием их принципа действия в школьных учебниках физики. Об этом свидетельствует результат анализа содержания учебников физики, кратко представленный в таблице 1.

Таблица 1

Разница между временем создания технического устройства обработки или хранения информации и временем его включения в содержание учебников физики

Как видно из таблицы 1, в современных учебниках физики не приведено описание физических принципов работы таких современных ТУП и ОИ, как сенсорные панели, смартфоны, компьютеры и т.д. В большинстве учебников продолжают описывать биполярный транзистор, кинескоп, амплитудную модуляцию, практически не используемые в современных электронных схемах. Описание принципа работы современной элементарной базы, например, полевого транзистора в учебниках отсутствует. В то же время анализ зарубежных работ по методике преподавания физики свидетельствует о введении данной тематики в изучаемый физический материал. Так, в [3] рассмотрена возможность применения CD- и DVD-дисков для описания явления дифракции, а в [4] – способ моделирования движения данных дисков в лабораторных условиях. В [5] рассмотрены физические основы принципа работы простого стабилизатора камеры. В [6] описан принцип работы LCD-экранов ноутбука при изучении явления поляризации. В [7] рассмотрен принцип действия современных 3D-технологий. В [8] описан процесс «оцифровки» звука – перевод аналогового звукового сигнала в цифровой сигнал. В [9] представлена инструкция того, как использовать колесо прокрутки на беспроводной мыши в качестве датчика движения. В [10] рассмотрен вопрос использования камеры-обскура в качестве непрозрачного проектора. В [11] рассмотрен вопрос создания Wi-Fi датчика с помощью платы микроконтроллера «Arduino».

Целью данного исследования является изучение возможности формирования представления о физических основах функционирования УО и ПЧ при изучении базового курса физики.

Материалы и методы исследования. Анализ учебной и учебно-методической литературы показал, что на данный момент отсутствуют учебные пособия для средней школы, программы элективных и факультативных курсов по физике, в которых рассматривалась бы физика современных технических устройств.

Возникает вопрос: необходимо ли введение в школьный курс физики материала о физических основах принципов работы устройств передачи и обработки информации? Возможно, нужные знания уже имеются у учащихся?

Анализ результатов международных сопоставительных исследований PISA свидетельствует об отставании российских подростков от сверстников из большинства развитых стран мира по ключевым для формирования функциональной грамотности направлениям, в том числе по владению умениями применять полученные знания на практике и для объяснения принципа работы технических устройств передачи и обработки информации.

Об этом же свидетельствуют результаты констатирующего эксперимента. Эксперимент проходил в два этапа. В ходе первого этапа исследования было проведено анкетирование с целью выяснить у респондентов уровень сформированности знаний о физических основах принципа работы устройств передачи и обработки информации. В данном этапе приняли участие учащиеся 10-11 классов, студенты 1 курса технических направлений подготовки, а также студенты 1 курса педагогических направлений подготовки - будущие учителя физики. Всего около сто двадцати человек. Примеры вопросов анкетирования представлены ниже:

1. Назовите техническое устройство для передачи данных, в основе которого лежит явление полного внутреннего отражения? (оптоволокно)

2. Назовите устройство (устройства) вывода информации, в основе принципа действия которого лежат явления электризации под действием света, а также явление плавление кристаллических тел. (копировальный аппарат (ксерокс), лазерный принтер)

3. Назовите устройство регистрации графической информации, в котором для записи изображения вместо фотохимического используется фотоэлектрический принцип. (цифровой фотоаппарат)

В ходе второго этапа исследования респондентам было предложено ответить на следующие вопросы: «Считаете ли Вы необходимым изучение в школьном курсе физики принципов работы современных устройств обработки и передачи информации?» и «Возможно ли изучение данного материала на уроке физике или для этого необходимо организация факультативных и элективных курсов?». Помимо этого, в ходе второго этапа, данные вопросы были также заданы действующим учителям физики и информатики школ города Астрахань и Астраханской области.

Результаты исследования и их обсуждение. Результаты первого этапа исследования представлены на рисунке.

Как видно из приведенного рисунка, только 2,27% опрошенных имеют представления о физических явлениях, лежащих в основе функционирования названных технических устройств, в то время как больше половины опрошенных не смогли ответить ни на один из вопросов анкеты.

Результаты тестирования знаний о физических принципах работы устройств обработки и передачи и информации проведённого со школьниками старших классов и студентами технических и педагогических направлений подготовки

Результаты второго этапа исследования оказались следующими. Около 89 % школьников старших классов и студентов технических и педагогических направлений подготовки высказались о том, что формирование данных знаний необходимо. Из них около 67% считают, что данный материал должен преподаваться на уроке в процессе изучения темы, 20 % - на факультативных занятиях, а 13% - на элективных курсах.

Также примерно 74% опрошенных учителей и студентов согласны со школьниками и студентами в вопросе о необходимости формирования знаний о физических основах принципа работы устройств передачи и обработки информации в школьном курсе физики. Однако, практически все опрошенные ответили, что формирование данных знаний должно осуществляться во внеурочное время: 53% - на факультативных занятиях, 18% - в ходе изучения элективных курсов.

Возникает вопрос: «Как органично включить изучение основ работы устройств обработки и передачи информации в процесс изучения физики?» На наш взгляд, существующая программа по физике содержит возможность включения информации о принципах работы современных устройств обработки и передачи данных при изучении учебного материала. В таблице 2 приведены темы школьного курса физики, в которых возможно изучение принципа работы ТУП и ОИ.

Таблица 2

Темы школьного курса физики, в которых возможно изучение принципа работы технических устройств обработки и передачи информации

Из таблицы 2 видно, что изучение принципа работы такого устройства, как компьютерная клавиатура, может быть осуществлено за один урок в процессе изучения темы «Конденсатор. Емкость конденсатора». Объясним принцип действия данного устройства. Так, например, при нажатии клавиши клавиатуры, которая представляет собой конденсатор, происходит изменение расстояния между его обкладками. Это приводит к изменению емкости и, следовательно, заряда. Изменение заряда ЦП распознает как сигнал.

Рассмотрим принцип действия микрофона. Попадание на микрофон звуковых колебаний приводит к возникновению переменной ЭДС индукции. Тем самых звуковой сигнал переводится в электрический. Принцип действия микрофона может быть рассмотрен в процессе изучения темы «ЭДС индукции в движущихся проводниках».

Чаще встречается ситуация, когда темы, при изучении которых могут быть рассмотрены основы функционирования конкретного технического устройства, изучаются в разных классах. Рассмотрим принцип действия резистивного сенсорного экрана. При нажатии на экран происходит изменение силы тока, текущего через резистор (закон Ома для участка цепи, 8-й класс). ЦП определяет конкретное место изменения силы тока (Определение координаты тела, 9-й класс) и реагирует на это.

Знакомство с принципом действия, например, копировального аппарата может происходить следующим образом. При изучении темы «Плавление и отвердевание кристаллических тел» в 8-м и 10-м классах на этапе применения полученных знаний внимание учащихся акцентируется на том, что процесс закрепления тонера на бумаге при печати на копировальном аппарате и лазерном принтере осуществляется благодаря изученному ими явлению. При актуализации знаний в процессе изучения темы «Электризация тел» в 8-м и 10-м классах учащиеся узнают, что тонер попадает на бумагу благодаря взаимодействию отрицательно заряженного тонера и положительно заряженной бумаги. Ответ на вопрос, каким образом тонер попадает на печатный барабан именно в те места, где в последующем будет напечатано изображение, выясняется в процессе изучения темы «Фотоэффект» в 11-м классе.

Заключение. Таким образом, на основании анализа результатов проведенного педагогического эксперимента и учебной литературы можно утверждать, с одной стороны, об отсутствии в школьных учебниках информации о физических принципах работы современных устройств для передачи и обработки информации, с другой – о возможности формирования таких знаний у школьников. Существующая программа, дополненная в идеале соответствующим элективным или факультативным курсом, позволяет сформировать представления о физических основах функционирования названных устройств при изучении базового курса физики.

Библиографическая ссылка