Modele interactive de experimentare virtuală

Transcript

1 Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a VI-a, Modele interactive de experimentare virtuală Ghergu Cezar prof. L.T. Neagoe Basarab, Olteniţa, czghergu@yahoo.fr Abstract Lucrarea cuprinde, în principal, aspecte generale legate de analiza unor aplicaţii software utilizate în proiectarea lecţiei, modele de experimentare interactivă, în cadrul programului AeL, programe construite în acest scop şi mici programe realizate în echipă. e urmăresc experimentări diversificate, care să ducă la o bună percepere a fenomenelor studiate, la aplicarea calculelor matematice şi reprezentărilor grafice, cu posibilitatea de adaptare a cerinţelor la nivelul de cunoştinţe al elevilor, contribuind la dezvoltarea spiritului creativ-inovativ al acestora. e realizează astfel o bună interferenţă între fizică şi informatică, permiţând organizarea unor concursuri cu caracter interdisciplinar, cu o experimentare adecvată şi flexibilă la nivelul cerinţelor, aplicaţiile fiind benefice dezvoltării competenţelor acestor discipline, sporind calitatea actului de învăţare. Utilizarea platformei AeL şi a programelor proprii conduc la un proces de învăţare-predare mult mai eficient şi atractiv pentru elevi şi profesori. 1. Introducere Lucrarea cuprinde aspecte legate de diversificarea metodelor de predare a unor teme de fizică, printr-o tratare virtuală a experimentării, pentru buna percepţie a fenomenului de studiat. Cuprinde, în pricipal, o clasificare generală şi o exemplificare de softuri, ce permit obţinerea unor modele diversificate de experimente virtuale, în vederea extinderii de teme şi se finalizează prin câteva concluzii. Experimentările conduc, în general, la o lecturare prealabilă a materiei de studiu înaintea efectuării acestora, dar care, aplicate de către profesor în funcţie de nivelul clasei, pot duce la realizarea unor complementarităţi între matematică, fizică şi TIC, ducând la o dezvoltare simultană a competenţelor cognitive, ale acestor discipline. Dezvoltarea acestor modele de experimentare este indicată, în principal, la clasele cu profilul informatică, dar şi în cadrul pregătirii elevilor la clasele de performanţă, în vederea participării la concursurile şcolare organizate în cadrul acestor discipline. Platforma complexă de instruire asistată de calculator AeL de tip elearning, conţine aplicaţii din ce în ce mai complexe, punând la îndemâna profesorilor, posibilităţi multiple de exersare a ideilor de experimentare. Lecţiile de fizică realizate prin programul AeL au incluse demonstraţiile legilor necesare studiului şi definite mărimile fizice din lecţiile anterioare, ce intervin în demonstraţii, absolut necesare înţelegerii fenomenului studiat, în vederea unei cât mai eficiente percepţii de către elev. Experimentele descrise în continuare tind să aducă un plus de valenţe platformei AeL, prin încercarea de extindere a aplicaţiilor.. Clasificări şi exemplificări de softuri ofturile sunt programe analitice în format electronic sau cursuri înregistrate pe dischete, carduri, CD, DVD etc.

2 4 Universitatea din Bucureşti şi Universitatea Ovidius Constanţa După teoriile învăţării, construcţia softurilor este fundamentată pe două strategii: Riguros structurate, fundamentate pe teoria behavioristă şi pe teoria procesării informaţiei. unt destinate aplicaţiilor de exersare a unor reguli şi utilizate în formarea competenţelor de bază. Nestructurate, fundamentate pe teorii euristice, constructiviste. Urmăresc formarea unor competenţe cu nivel înalt de complexitate, cu accent pe efortul de căutare, descoperire, pentru susţinerea de aplicaţii complexe. O clasificare generală, care ar putea fi completată, arată astfel: De transmitere interactivă De deschidere a domeniilor interdisciplinare De rezolvare a situaţiilor problemă De dezvoltare a unor aptitudini De investigaţie Demonstrative Generative Tutoriale ofturi educaţionale De exersarea unor structuri în vederea formării deprinderilor specifice De evaluare De motivaţie... etc. Figura 1. Clasificare softuri educaţionale Exemple de softuri: oftwin Intuitext, permite realizarea în lecţii a unei învăţări eficiente, oferind profesorului un instrument util pentru completarea mijloacelor clasice de predare şi realizarea de experimente în care sunt folosite animaţii multimedia, jocuri interactive, ecrane de studiu, fiind considerat cel mai bun proiect educaţional al anului 003. Realizat într-o formă grafică deosebită, softul pentru studiul fizicii în gimnaziu Fizik 5, 7, şi 8 este unul dintre cele mai reuşite, îmbinând activităţile de învăţare cu joaca. În modelul demo, găsim un experiment demonstrativ de electromagnetism însoţit şi de instrucţiunile de lucru. Jocurile electronice cu caracter tematic, pun elevii în situaţia de a dezlega cuvinte, stârnindu-le interesul pentru rezolvarea acestora şi îmbogaţindu-le vocabularul cu terminologie de fizică. Programele permit realizarea unor experimente complexe cu o varietate de conexiuni. Crocodile 605, realizat pentru fizică, chimie şi tehnologie, permite profesorilor şi elevilor să recreeze experimente, să modeleze teorii matematice şi să simuleze viaţa reală uşor şi rapid, constituind laboratoare virtuale sigure şi exacte în predarea ştiinţelor. În fizică simulează fenomenele, permiţând atât studiul calitativ al acestora, cât şi cantitativ, sau recreeri de experimente pentru electricitate, electronică, optică, mecanică, unde şi sunet. oftul reprezintă un instrument didactic foarte puternic, deoarece elevii pot urmării secvenţial experimentul studiat. Interactive Physics, permite elevilor să controleze unul sau mai mulţi parametri relevanţi pentru fenomenele fizice studiate. unt adaptabile şi accesibile în funcţie de filiera teoretică sau tehnologică specifică. Ajută elevii să vizualizeze experimentele, să efectueze măsurări cantitative ce pot fi prezentate, sub forma grafică sau numerică. La unele softuri, simulările pot fi apoi salvate şi revăzute după un timp, permiţând introducerea lor direct în lecţii.

3 Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a VI-a, Numărul softurilor este în continuă creştere, ele urmăresc în special dezvoltarea unor capacităţi de investigare şi generalizare a fenomenelor studiate, prin modelare, analizare, interpretare, confirmare, etc. 3. Modele intractive de experimentare virtuală În fiecare din lucrările prezentate se pot face două modele de experimentări, pentru fiecare situaţie experimentală propusă: în laboratorul de informatică, utilizând istemul AeL, pentru realizarea de experimente frontale; în laboratorul de fizică, utilizând un videoproiector, situaţie în care s-ar folosi, spre exemplu, softul Crocodile 605, sau programe construite de elevi în cadrul unor cercuri de informatică, pentru participarea la concursuri. Pentru experimentările în laboratorul de informatică, fiecare elev va lucra independent la câte un calculator, iar pentru lucrul în laboratorul de fizică, modelele de experimentare pot îmbrăca, în principal, două forme de expunere: prezentarea demonstrativă a experimentului în faţa întregii clase de către profesor, din care elevii îşi pot extrage aceleaşi date experimentale. prezentarea unor fotografii reprezentând imagini succesive ale sistemelor virtuale, din care elevii clasei să îşi poată extrage datele experimentale diferite, ce vor fi în continuare prelucrate. Reprezentările grafice rezultate în urma experimentărilor pot fi realizate atât manual, utilizând hârtie milimetrică, cât şi în Microsoft Excel sau Microsoft Word utilizând noţiuni învăţate la orele de TIC. ofturile utilizate, permit verificarea unor mărimi fizice, deduse din calculele matematice efectuate, în directă concordanţă cu formularea problemei de laborator de către profesor. În alegerea exemplelor s-au căutat aplicaţii din AeL, comune cu ale softurilor de care dispunem, pentru a utiliza o teorie identică în lucrările experimentale tudiul oscilatorului liniar armonic e formulează ipoteze de lucru în desfăşurarea lucrărilor de laborator. În baza lor, elevii se vor concentra pe elaborarea unor teorii necesare parcurgerii experimentului, utilizând în pricipal Platforma AeL şi realizarea unor lucrări funcţie de datele indicate a le utiliza. TEMA 1. tudiem Figura. Aranjament experimental pentru studiul oscilatorului liniar armonic simulările oscilaţiilor obţinute pentru oscilatorul liniar armonic, ca proiecţii ale punctului material, pe direcţiile axelor 0x şi 0y. Pentru simulările reprezentărilor x = f(t) şi y = f(t) putem considera cunoscute valori numerice de amplitudine, număr de oscilaţii şi timp. (Aplicaţie numerică: A = 5m, n = 4, t = s). Obţinem astfel perioada, frecvenţa şi pulsaţia oscilaţiilor, utile în obţinerea unor calcule şi n 1 reprezentări grafice: ν =, T = şi ω = πν (1.1) t ν

4 6 Universitatea din Bucureşti şi Universitatea Ovidius Constanţa Elongaţiile mişcării oscilatorii fiind x = Acosωt, y = Asinωt, prima şi a doua derivată în raport cu timpul, permit determinarea vitezelor şi acceleraţiilor oscilatorului, în raport cu axele de coordonate: v x = ωasinωt ; v y = ωacosωt ; (1.) a x = ω Asinωt ; a y = ω Asinωt Pentru axa 0y, calculăm relaţiile pentru viteză şi acceleraţie în funcţie de elongaţie v = f(y) şi a = f(y): y y v = ωa 1 sin ωt ; sin ωt = ; v = ω A 1 ; v = ω A A y (1.3) A Construim tabelul de variaţie a vitezei şi acceleraţiei în funcţie de elongaţia oscilatorului (1.3), luând câteva valori pentru intervalul de timp, de perioadă, şi le reprezentăm grafic, utilizând programul Microsoft Excel. Figura 3. Reprezentări grafice TEMA. Reprezentarea grafică a energiilor mecanice pentru oscilatorul liniar armonic, în funcţie de elongaţia oscilaţiei. (Aplicaţie numerică: A=5m, m=1kg, n=4, t=s). Funcţie de formularea ipotezelor de lucru, putem reprezenta pentru oscilatorul liniar armonic studiat energia potenţială elastică E p, energia cinetică E c şi energia totală E tot. Considerând cunoscută masa punctului material, putem determina constanta elasică: k=mω (.1) Existând un proces continuu de transformare, din energia cinetică în potenţială, şi invers în cursul oscilaţiei, pentru o valoare a elongaţiei, putem scrie pentru E p, E c şi E tot, relaţiile: ky mv k( A y ) ka E p = ; Ec = ; E c = ; E tot = (.) Mărimile fizice ce intervin în calcule pentru intervalul y [ A ; + A], au fost determinate din graficul y=f(t), conform simulărilor studiate în tema anterioară. Când y = A,observăm că E p = E tot. Energia totală este un invariant, în condiţiile în care pierderile de energie în cursul oscilaţiei sunt nule. Trecem la completarea tabloului de variaţie al funcţiilor E tot = f(y), E p = f(y) şi E c = f(y), pe care le reprezentăm şi grafic. y -A -A/ 0 A/ A E p E c E tot

5 Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a VI-a, Tabelul 1. Variaţiile energiilor mecanice funcţie de elongaţia oscilaţiei oftul educaţional (Fig.4) permite determinări experimentale pentru o varietate foarte largă de aplicaţii în cadrul diferitelor teme de studiu. Analiza rezultatelor Ecuaţia de continuitate. Legea lui Bernoulli. Aplicaţii TEMA 3. Pornind de la studiul ecuaţiei de continuitate şi al Legii lui Bernoulli, conform Figura 4. Aranjament experimental recomandat pentru laboratorul de fizică aranjamentului experimental (Fig.5), determinaţi în condiţiile cunoaşterii forţei de apăsare a pistonului, timpului de golire, densităţii lichidului şi lungimii seringii, raportul 1 / dintre secţiunea seringii şi a acului.(aplicaţie numerică: l=0,1m, ρ=800kg/m 3 ). Q v Figura 5. Aranjament experimental pentru studiul raportului 1 / Considerând că fluidul se deplasează pe orizontală, eliminăm v 1 din relaţiile: 1 v 1 = v ; V ρv ρv Fl = ; Q v = 1 v 1 ; 1 = Fl ; v = (3.1) τ ρ(1 ) 1l ρ respectiv: τ = (1 ), de unde: Fl F = 1+ τ (3.) lρ Nr.det. ρ(kg/m 3 ) l(m) F(N) τ(s) 1 / ,1 18 4, , , , ,17

6 8 Universitatea din Bucureşti şi Universitatea Ovidius Constanţa Tabelul. Date experimentale pentru determinarea raportului 1 / Figura 6. Aranjament experimental recomandat pentru laboratorul de fizică oftul educaţional (Fig.6) permite determinări experimentale similare determinărilor anterioare, pentru aplicaţii de dinamica fluidelor. Analiza rezultatelor Concluzii În construcţia softurilor pentru obţinerea unor experimente cât mai diversificate, ar trebui să existe cât mai mulţi parametri, posibili pentru studiul fenomenelor fizice. Profesorul poate aborda astfel diferite strategii de lucru, la clasă, în funcţie de performanţele pe care doreşte să le obţină. Apare ca necesară scrierea unor metodici, a unor îndrumătoare de laborator de experimentare pentru softuri, poate chiar plecând de la nivlul de proiectare al acestora, uşurând astfel şi încurajând activitatea profesorului la clasă. Laboratorul real nu trebuie eliminat din procesul de pregătire a elevilor. Cele două tipuri de experimentări trebuie să se completeaze reciproc. Prin utilizarea aplicaţiilor computerizate se creează, în general, mediul de lucru ideal şi sunt eliminate erorile umane inerente din experimentările reale. Motivele principale pentru care considerăm utilă experimentarea virtuală interactivă ar fi legate de însuşirea de către elevi a unui conţinut riguros ştiinţific, dezvoltarea unor capacităţi de investigaţie, creativitate, modelare, analizare, interpretare, confirmare şi de generalizare a fenomenelor studiate. 5. Bibliografie [1] B. Logofătu, M. Logofătu Instruirea asistată de calculator, Editura Credis, Bucureşti, 001. [] Felicia Huideş, Instruirea asistată de calculator, Editura Credis, Bucureşti, 007. [3] G. Barbey, L enseignement assiste par ordinateur, Colection E3 Casterman, [4] G. Enescu, N. Gherbanovschi, M. Prodan, Ş. Levay, Fizica clasa a XI-a, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, [5] G. toenescu, R. Constantinescu, Metodica Predării fizicii, Editura ITECH, Craiova [6] M. inger, L. arivan, D. Oghina, I. Leahu, M. Cerkez, M. Neagu, C. Voica, G.. Cercel, D. O. Crocnan, E. Huţanu, V. Cerbu, M. Ciobanu, L. Ghilian, V. Baraghină, M. Dragomir, G. Noveanu, V. Tudor,. Fătu, D. Bâclea, Ghid Metodologic, pentru aria currriculară Matematica şi ştiinţe ale naturii - Consiliul Naţional pentru Curriculum, 00.