ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ – ΠΕΡΙ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ
Η διδακτική των φυσικών επιστημών αποτελεί τον επιστημονικό κλάδο που έχει ως σκοπό τη μελέτη και βελτίωση της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών (φυσική, χημεία, βιολογία, γεωλογία). Κάτι τέτοιο θεωρείται πως γίνεται εφικτό μέσα από τη μελέτη υπαρχόντων διδακτικών τεχνικών, αλλά και τη διερεύνηση και δοκιμαστική εφαρμογή νέων.
Η διδακτική των φυσικών επιστημών αποτελεί κομμάτι της παιδαγωγικής επιστήμης, καθώς κάθε διδακτική πρόταση για τη διδασκαλία των φυσικών επιστημών βασίζεται σε μία συγκεκριμένη παιδαγωγική θεωρία. Προφανής είναι μάλλον και η σχέση της διδακτικής των φυσικών επιστημών με τις ίδιες τις φυσικές επιστήμες. Ταυτόχρονα όμως η διδακτική των φυσικών επιστημών σχετίζεται με ποικίλα, αρκετά διαφορετικά μεταξύ τους, πεδία της επιστημονικής γνώσης.
Ένας από τους στόχους της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών, είναι και η κατανόηση, από τη πλευρά των μαθητών, του τι ακριβώς είναι αυτό που ονομάζεται ‘επιστημονική γνώση’ και πώς αυτή έχει εξελιχθεί στο χρόνο.
Η ραγδαία αύξηση της τεχνολογίας στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα είχε σαφή επίδραση στις συνθήκες διδασκαλίας των φυσικών επιστημών. Σύντομα έγινε αντιληπτό ότι η ένταξη και χρήση νέων τεχνολογιών στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών βοηθά στην αποτελεσματικότητά της. Με άλλα λόγια, η τεχνολογία συνιστά ένα πολύτιμο εργαλείο για τη βελτίωση της διδακτικής πράξης. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τεχνολογικών επιτευγμάτων που έχουν βοηθήσει τη διδασκαλία των φυσικών επιστημών αποτελούν η τηλεόραση, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, το Internet, οι προσομοιώσεις κ.α.
Για τη Φυσική, συγκεκριμένα, κύρια μέσα διδασκαλίας στον αιώνα που ζούμε είναι τα εικονικά εργαστήρια (Virtual Laboratory), οι προσομοιώσεις (Simulations) φαινομένων και οι διαδραστικές (Interactive) δραστηριότητες.
Εικονικά εργαστήρια
Στο εικονικό εργαστήριο μπορούμε να πειραματιστούμε σχεδιάζοντας μια διάταξη η οποία αποτελείται από “εικονικά” όργανα, συσκευές, κλπ. Μας δίνεται η δυνατότητα να ρυθμίσουμε παραμέτρους, να παρατηρήσουμε τις επιπτώσεις που προκαλούν και να μετρήσουμε την επίδραση που έχουν. Σε αυτό μπορούμε να “κάνουμε” πειράματα όπως αυτά που κάνουμε στο εργαστήριο, με τη διαφορά ότι με αυτά δεν “ανακρίνουμε” την ίδια τη φύση αλλά μια “φύση” που ζει μέσα στα κυκλώματα του υπολογιστή και εκδηλώνεται με χρώματα, με σχήματα (στατικά ή κινούμενα), με ήχους. Μελετάμε μια προσομοίωση της φύσης η οποία έχει κατασκευαστεί από τους σχεδιαστές του λογισμικού που χρησιμοποιούμε και διαφέρει από τη μελέτη της φύσης όπως γίνεται στο εργαστήριο. Μας προσφέρει όμως και σημαντικές διευκολύνσεις, όπως: στο εικονικό εργαστήριο δεν υπάρχει τριβή και αντίσταση από τον αέρα, τα πηνία είναι ιδανικά, τα αμπερόμετρα δεν έχουν ωμική αντίσταση, η αντίσταση των λαμπτήρων δεν αλλάζει όταν θερμαίνονται, το περιβάλλον δεν έχει θερμική αγωγιμότητα, κ.α. Οι τριβές, η αντίσταση του αέρα, η ωμική αντίσταση στο πηνίο, κλπ, μπορούν να εισαχθούν στην προσομοίωση κάνοντάς την να μοιάζει περισσότερο στη φύση που μελετάμε στο εργαστήριο. Ο χρόνος εξέλιξης των φαινομένων είναι και αυτός εικονικός. Έτσι φαινόμενα που έχουν μεγάλη διάρκεια ολοκληρώνονται σε σύντομο χρονικό διάστημα ή αντίθετα επιμηκύνεται η διάρκεια άλλων βραχύβιων φαινομένων.
Οι προσομοιώσεις φαινομένων
Στις προσομοιώσεις στην οθόνη του υπολογιστή (δηλαδή σ’ αυτή την τεχνητή -εικονική φύση) αναπαρίστανται διάφορα φαινόμενα. Μέσα από κάποια λίστα επιλέγεται ένα φαινόμενο και με την ενεργοποίηση της επιλογής “έναρξη” το παρατηρούμε. Φαινόμενα τα οποία λόγω κλίμακας είναι αδύνατο να παρατηρηθούν χωρίς τη χρήση κατάλληλων οργάνων ή είναι αδύνατο να παρατηρηθούν αναπαρίστανται στην οθόνη. Φαινόμενα του Μακρόκοσμου ( πχ κίνηση των πλανητών, εκλείψεις, κλπ) ή του Μικρόκοσμου ( κίνηση ατόμων ή μορίων ή ηλεκτρονίων, κλπ) μπορεί να “παρατηρηθούν” στην οθόνη του υπολογιστή. Όπως και στα εικονικά πειράματα έτσι και στις προσομοιώσεις, η ποιότητα της γνώσης των μαθητών που θα τις μελετήσουν καθώς και η γνώση των συμβόλων και των κανόνων ανάγνωσης της αναπαράστασης θα προσδιορίσουν το αν θα προκληθούν παρανοήσεις ή αν θα ευοδωθεί η καλύτερη κατανόηση των φαινομένων. Οι μαθησιακές δραστηριότητες με τις προσομοιώσεις πρέπει να στηρίζονται στην παραγωγή άλλων αναπαραστάσεων όπως η λεκτική ( προφορική περιγραφή), γραπτή ( παραγωγή κειμένου) σχηματική ( σχέδιο) μοντελοποίηση ( σχεδίαση και περιγραφή μοντέλου για το φαινόμενο) ή και φορμαλιστική ( μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν το φαινόμενο, ή διάφορους συνδυασμούς τους.
Διαδραστικές προσομοιώσεις φαινομένων
Στις προσομοιώσεις αυτές δίνεται η δυνατότητα να καθοριστούν οι τιμές διαφόρων παραμέτρων που καθορίζουν την εξέλιξη ενός φαινομένου που αναπαρίσταται στην τεχνητή-εικονική φύση του υπολογιστή. Διαφέρουν από τα εικονικά πειράματα στο ότι η πειραματική διάταξη είναι ήδη σχεδιασμένη και αμετάβλητη. Διαδικασίες όπως η πρόβλεψη και ο έλεγχός της από την πειραματική διάταξη είναι οι πλέον ενδεδειγμένες μαθησιακές δραστηριότητες χρήσης των διαδραστικών προσομοιώσεων. Οι μαθησιακές δραστηριότητες που αναφέρθηκαν προηγουμένως μπορεί να χρησιμοποιηθούν και στην περίπτωση αυτή. Οι προϋποθέσεις αποτελεσματικής αξιοποίησής τους είναι, επίσης, αυτές που προαναφέρθηκαν.
Προσομοιώσεις, διαδραστικές εφαρμογές και εικονικά εργαστήρια για τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών έχουν παραχθεί είτε από έλληνες δημιουργούς είτε έχουν μεταφραστεί από άλλες γλώσσες. Πρόκειται για ολοκληρωμένες προτάσεις εκπαιδευτικού λογισμικού οι οποίες εκτός από τις προσομοιώσεις διαδραστικές εφαρμογές κλπ περιέχουν οδηγούς για το διδάσκοντα, παραδείγματα διδασκαλίας κλπ. Έχουν εγκριθεί από το Παιδαγωγικό Ινστιτούτο και προωθούνται μέσα από προγράμματα επιμόρφωσης.
ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ INTERACTIVE PHYSICS
Το λογισμικό Interactive physics 2000 δημιουργήθηκε από την εταιρία MSC SOFTWARE το 1994 και είναι ένα εξαιρετικό πρόγραμμα δημιουργίας προσομοιώσεων για αρκετούς τομείς στη διδασκαλία της φυσικής.
Πρόκειται για ένα δισδιάστατο εικονικό εργαστήριο που καλύπτει τη Νευτώνεια Μηχανική και την Ηλεκτροστατική. Είναι ένα πλήρες εργαστήριο κίνησης στον υπολογιστή που συνδυάζει μία απλή διεπαφή (user interface) με μία δυνατή μηχανή προσομοίωσης. Με το Interactive Physics ο δημιουργούνται εύκολα προσομοιώσεις σχεδιάζοντας αντικείμενα στην οθόνη, τα οποία μπορούν να κινηθούν, ανάλογα με τις ιδιότητες που έχουν και τις ιδότητες του μικρόκοσμου, μέσα στον οποίο βρίσκονται (π.χ. βαρυτικό πεδίο. Υπάρχουν διαθέσιμα ελατήρια, σχοινιά, αποσβεστήρες, μετρητές και μία ποικιλία άλλων αντικειμένων. Η ισχυρή μηχανή προσομοίωσης του Interactive Physics ορίζει πώς θα κινηθούν τα αντικείμενα και παρουσιάζει μία πολύ ρεαλιστική κίνηση. Μεγέθη όπως η ταχύτητα, η επιτάχυνση, η ροπή, η κινητική ενέργεια και η τριβή μπορούν να υπολογιστούν ενώ εκτελείται η προσομοίωση . Οι μετρήσεις αυτές μπορούν να εμφανιστούν με αριθμούς, με γραφικές παραστάσεις ή κινούμενα διανύσματα. Με το Interactive Physics παρέχεται η δυνατότητα δοκιμής εναλλακτικών υποθετικών σεναρίων. Οι μαθητές μπορούν να κάνουν προβλέψεις , να εκτελούν προσομοιώσεις και να βλέπουν άμεσα τα αποτελέσματα. Επίσης, το Interactive Physics διαθέτει ένα ενσωματωμένο σύστημα προγραμματισμού (scripting) που επεκτείνει τις δυνατότητές του, δημιουργώντας μη τυποποιημένα περιβάλλοντα και μετρητές. Χαρακτηρίζεται ως εκπαιδευτικό λογισμικό διερευνητικού χαρακτήρα, το οποίο προσφέρει ένα «ανοιχτό» περιβάλλον μάθησης και ένα ελκυστικότερο – σε σχέση με το «λιτό» Modellus – γραφικό περιβάλλον εργασίας. Η δημιουργία προσομοιώσεων και δραστηριοτήτων είναι σχετικά απλή υπόθεση, με τη χρήση των “στοιχειωδών / πρωταρχικών” οντοτήτων (σφαίρες, ράβδους, συνδέσμους, αρθρώσεις, κινητήρες, ελατήρια, τροχαλίες κ.α.), των μετρητών που υπάρχουν στο περιβάλλον εργασίας και την επιλογή του κατάλληλου μικρόκοσμου. Οι παραπάνω “στοιχειώδεις οντότητες”, χρησιμοποιούνται στο εικονικό περιβάλλον της οθόνης, συνδέονται μεταξύ τους και μόλις το λογισμικό “τρέξει”, ανάλογα με τον αντίστοιχο μικρόκοσμο που έχει επιλεγεί, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Εκτός από τη χρήση του λογισμικού στο εργαστήριο πληροφορικής με τη δημιουργία εικονικού εργαστηρίου, το λογισμικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρουσίαση διάφορων φαινομένων κατά την παράδοση με τη χρήση του βιντεοπροβολέα. Είναι δυνατόν να αποθηκευθούν οι προσομοιώσεις σε μορφή video τύπου avi και επομένως να μπορούν να προβληθούν σε οθόνη PC από κάποιον χωρίς να έχει το λογισμικό. Χρησιμοποιώντας μάλιστα κάποια εφαρμογή επεξεργασίας video μπορεί να δημιουργήσει κάποιος ταινίες video, videoCD και DVD. Μια άλλη χρήσιμη δυνατότητα είναι η εξαγωγή δεδομένων μιας προσομοίωσης σε φύλλο Excel για την επεξεργασία τους και τη δημιουργία γραφικών παραστάσεων. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να τα επεξεργασθούν μαθητές ή ακόμα να χρησιμοποιηθούν από τον εκπαιδευτικό για τις σημειώσεις του.
Για τη δημιουργία των προσομοιώσεων δεν χρειάζεται κανείς να γνωρίζει κάποια γλώσσα προγραμματισμού. Το λογισμικό έχει εργαλεία για τη δημιουργία γεωμετρικών σχημάτων τα οποία είναι οπτικά αναγνωρίσιμα και ο ενδιαφερόμενος απλά τα επιλέγει. Υπάρχουν εργαλεία με τα οποία μπορεί να δώσει συγκεκριμένες διαστάσεις και τέλος, εργαλεία με τα οποία μπορεί να δώσει στα αντικείμενα τις φυσικές συνθήκες κάτω από τις οποίες θα εξελιχθεί το φαινόμενο καθώς και τις αρχικές συνθήκες. Κατά την εξέλιξη του φαινομένου υπάρχουν μετρητές αναλογικοί ή ψηφιακοί (όργανα μέτρησης), ώστε ανά πάσα στιγμή να μπορεί να εμφανιστεί πίνακας δεδομένων καθώς και πολλαπλές γραφικές παραστάσεις για το υπό μελέτη φυσικό φαινόμενο. Επιπλέον υπάρχει το πλεονέκτημα σε σχέση με ένα πραγματικό εργαστήριο ότι μπορεί κανείς να βλέπει τα διανύσματα δυνάμεων, ταχυτήτων, επιταχύνσεων κ.α. Άλλο μεγάλο πλεονέκτημα σε σχέση με πραγματικό εργαστήριο είναι ότι μπορεί κανείς να μελετήσει φαινόμενα που είναι αδύνατο σε ένα σχολικό εργαστήριο όπως η κίνηση πλανητών, δορυφόρων, μελέτη φαινομένων χωρίς βαρύτητα η τριβή ή ακόμα σε περιβάλλον υποθετικών πεδίων δυνάμεων. Εκτός όμως από αυτές τις περιπτώσεις, μπορεί κανείς να μελετήσει και φαινόμενα για τα οποία υπάρχουν αντικειμενικές δυσκολίες σε ένα σχολικό εργαστήριο είτε λόγω έλλειψης εξοπλισμού, είτε λόγω δυσκολίας υλοποίησης μετρήσεων όπως συνήθως συμβαίνει σε θέματα που αφορούν την κίνηση. Όπως αναφέρθηκε δεν χρειάζεται η γνώση κάποιας γλώσσας προγραμματισμού αλλά το Interactive Physics έχει μια δική του απλή γλώσσα προγραμματισμού που στηρίζεται σε απλές έννοιες που χρησιμοποιούνται συχνά στη φυσική. Η χρήση της όμως περιορίζεται μόνο όταν θέλουμε να δημιουργήσουμε περίπλοκες προσομοιώσεις.
Το λογισμικό έκδοσης 2000 εξελληνίστηκε στα πλαίσια του προγράμματος Οδύσσειας από την εταιρία Rainbow και έχει διανεμηθεί σε περίπου 400 ελληνικά σχολεία (Η τελευταία έκδοση του λογισμικού είναι Interactive physics 2004).
Στα χαρακτηριστικά του Interactive Physics συμπεριλαμβάνονται:
-η ευελιξία του όσον αφορά την εκτέλεση των προσομοιώσεων, με ρυθμίσεις της ακρίβειας των προσομοιώσεων και της εμφάνισης του χώρου εργασίας,
-η δημιουργία κινούμενων γραφικών με εισαγωγή και επικόλληση γραφικών σε σώματα,
-η μεγάλη συλλογή μαθηματικών και λογικών συναρτήσεων,
-η ευκολία εξαγωγής δεδομένων σε αρχεία κειμένου και βίντεο,
-η άμεση ανταλλαγή δεδομένων με άλλα λογισμικά, όπως το Mathlab και το Excel,
-η δυνατότητα υποστήριξης πολλαπλών συστημάτων αναφοράς,
-η προσθήκη ήχου στις προσομοιώσεις,
-ο ενσωματωμένος επεξεργαστής με τον οποίον μπορούμε να δημιουργήσουμε εκτελέσιμες εφαρμογές της γλώσσας Basic.
Το ΙΡ έχει σχεδιαστεί για τους καθηγητές φυσικής και τους μαθητές. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους καθηγητές ως εργαλείο δυναμικής παρουσίασης προβλημάτων φυσικής πέρα από την στατική εικόνα του βιβλίου ή των σκαριφημάτων στον πίνακα.
Οι καθηγητές έχουν την δυνατότητα να καθορίζουν τις παραμέτρους του προβλήματος και να προτρέπουν τους μαθητές τους να δοκιμάζουν εναλλακτικά υποθετικά σενάρια και να βλέπουν άμεσα τα αποτελέσματα.
Οι μαθητές μπορούν να επιχειρούν προβλέψεις, έπειτα να παρατηρούν την εξέλιξη του φαινομένου, επιβεβαιώνοντας την πρόβλεψη και να επαναλαμβάνουν το φαινόμενο όσες φορές θέλουν. Η εκτέλεση πλαίσιο προς πλαίσιο δίνει την δυνατότητα να σταματούν στα στιγμιότυπα εκείνα που είναι σημαντικά για την κατανόηση των εννοιών της φυσικής. Ταυτόχρονα προβάλλονται διαφορετικές αναπαραστάσεις που χρησιμοποιεί η επιστήμη για να καταγράψει τα φυσικά μεγέθη όπως τα διανύσματα και οι γραφικές παραστάσεις διευκολύνοντας την μετάβαση από την μία αναπαράσταση στην άλλη. Με περισσότερη εξοικείωση οι μαθητές με το ΙΡ μπορούν να ασκηθούν στην διαδικασία μοντελοποίησης φαινομένων και να καλλιεργήσουν δεξιότητες στην επίλυση προβλημάτων.
Το ΙΡ είναι μοναδικό εργαλείο για εκείνες τις περιπτώσεις που τα πειράματα στο συμβατικό εργαστήριο είναι είτε αδύνατο, είτε επικίνδυνο να γίνουν. Είναι πολύ εύκολο για παράδειγμα να γίνει ο χώρος εργασίας του λογισμικού πεδίο κεντρικών δυνάμεων και να μελετηθούν η πλανητική βαρύτητα (π.χ. δορυφόροι) και οι δυνάμεις Coulomb.
Τέλος το ΙΡ, με την χρήση της μαθηματικής γλώσσας που διαθέτει, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την δόμηση μικρόκοσμων με συγκεκριμένο διδακτικό στόχο.
Χώρος εργασίας του λογισμικού
Αν θέλουμε να δημιουργήσουμε μια προσομοίωση αρχικά πρέπει να προσαρμόσουμε το χώρο εργασίας σύμφωνα με τις ανάγκες μας. Αυτό το πετυχαίνουμε με τη χρήση του μενού θέαση. Οι βασικές αρχικές επιλογές είναι: Χώρος εργασίας, αριθμοί και μονάδες, μέγεθος θέασης και Φόντο. Το θέμα του φόντου δε διαφέρει από τις ενέργειες που κάνει κάποιος για ένα έγγραφο του Word.
Στην ενότητα χώρος εργασίας θα πρέπει να αφήσουμε απείρακτες τις γραμμές εργαλείων και ουσιαστικά να επέμβουμε αν χρειάζεται στις εντολές πλοήγησης, κύλισης ή γραμμή κατάστασης (τελευταία γραμμή) ανάλογα αν θέλουμε να φαίνονται ή όχι οι επιλογές αυτές.
Στην ενότητα εντολών αριθμοί και μονάδες ορίζουμε πόσα δεκαδικά ψηφία θα εμφανίζονται στις μετρήσεις σας καθώς και αν ο χωρισμός των δεκαδικών θα γίνεται με τελεία ή υποδιαστολή. Στις περισσότερες επιλογές εμφανίζονται πως θα μετράει το λογισμικό τις μονάδες φυσικής. Η αρχική επιλογή είναι το SI αλλά για ειδικές περιπτώσεις μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε άλλες μονάδες.
Το μέγεθος θέασης είναι σημαντικό γιατί πρέπει να προσδιορίσουμε το χώρο που θα εξελιχθεί το φυσικό φαινόμενο. Έχει ιδιαίτερη σημασία αν πρόκειται για φαινόμενο μεγάλης κλίμακας(π.χ. κίνηση πλανητών) ή μικρής κλίμακας( π.χ. σωματιδίων) και αυτό γιατί τα αντικείμενα που θα σχεδιάσουμε θα πρέπει να έχουν κατάλληλες διαστάσεις ώστε να φαίνονται στο χώρο εργασίας.
Δημιουργία αντικειμένων
Πρόκειται για επιλογές που ορίζουν τη γεωμετρία ενός σώματος. Επιλέγουμε το σχήμα, κάνουμε κλικ περίπου στο χώρο που επιθυμούμε να τοποθετηθεί το αντικείμενο και με σύρσιμο του δίνετε κάποιες διαστάσεις. Αργότερα με τη χρήση των ιδιοτήτων από το μενού παράθυρο μπορούμε να δώσουμε συγκεκριμένες συντεταγμένες και διαστάσεις του σώματος. Οι επιλογές αυτές επιτρέπουν τον χωρισμό ή τη σύνδεση αντικειμένων και χρησιμοποιούνται κύρια όταν αντικείμενα συνδέονται με αρθρώσεις.
Μικρόκοσμοι
Το μενού μικρόκοσμοι έχει τρεις ενότητες. Η πρώτη προσδιορίζει το περιβάλλον της προσομοίωσης. Οι επιλογές είναι το είδος του πεδίο βαρύτητας (γήινο, πλανητικό ή μηδενικό), αν υπάρχει αντίσταση αέρα στη κίνηση, αν το σώμα βρίσκεται σε ηλεκτροστατικό πεδίο ή σε πεδίο δυνάμεων που δημιουργούμε εμείς. Η δεύτερη ενότητα προσδιορίζει τα frames της εξέλιξης του φαινομένου, αν η τροχιά ενός σώματος θα είναι ορατή (ίχνος) ή όχι και αν αφού χαραχθεί η τροχιά επιθυμείτε να την εξαλείψουμε. Η τρίτη επιλογή έχει σχέση με την ακρίβεια της κίνησης και στη πραγματικότητα σε τι κλάσμα του δευτερολέπτου θα γίνονται υπολογισμοί από το πρόγραμμα για την εξέλιξη του φαινομένου. Όσο μεγαλύτερη ακρίβεια επιθυμούμε τόσο μεγαλύτερη επεξεργαστική ισχύ πρέπει να έχει ο Η/Υ. Ο έλεγχος παύσης μας επιτρέπει να ορίζουμε συνθήκες κάτω από τις οποίες τα αντικείμενα θα αποκτούν κίνηση ή όχι. Η εντολή διατήρηση τιμών μετρητή σχετίζεται κατά πόσο θα αποθηκεύονται οι μετρήσεις ή όχι των οργάνων μέτρησης.
Αντικείμενο
Το μενού αντικείμενο επιτρέπει να προσδώσουμε πρόσθετες ιδιότητες σε ένα σώμα όπως ελαστικότητα, συντελεστή τριβής, αντικατάσταση του σώματος με μια εικόνα που έχουμε φτιάξει με κάποιο πρόγραμμα ή ακόμα και φωτογραφία, τοποθέτηση του σώματος μπροστά ή πίσω από κάποια άλλα καθώς και να το ονομάσουμε. Επίσης έχουμε τη δυνατότητα σύνδεσης ή αποσύνδεσης αντικειμένων καθώς και να προσδιορίσουμε τις συνθήκες σύγκρουσης σωμάτων.
Χρήσιμα εργαλεία
Τα εργαλεία αυτά χρησιμεύουν για μεγέθυνση, σμίκρυνση, περιστροφή αντικειμένου, προσαρμογή εμφάνισης ( π.χ. δύο σώματα να βρεθούν σε πραγματική επαφή αν τύχει κάποια δυσκολία σε χειροκίνητους χειρισμούς) και εγγραφή κειμένου στο χώρο εργασίας. Για την εγγραφή κειμένου επιλέγουμε πρώτα τη γραμματοσειρά και κατόπιν το εργαλείο κειμένου. Γράφουμε το κείμενο και μετά κάνετε κλικ στο σύμβολο του βέλους για να επανέλθει ο δείκτης στις ιδιότητες του ποντικιού. Αυτό πρέπει να γίνεται πάντοτε όταν χρησιμοποιούμε κάποιο από αυτά τα εργαλεία.
Ορισμός
Στο μενού αυτό επιλέγουμε ποια φυσικά μεγέθη θα εμφανίζονται με τη μορφή διανυσμάτων ή και να μην εμφανίζονται καθόλου διανύσματα. Στη περίπτωση εμφάνισης διανυσμάτων μπορούμε να ορίσουμε το μήκος, το χρώμα, πάχος γραμμής καθώς και το σημείο εφαρμογής. Η εντολή νέο κουμπί δίνει δυνατότητες ελέγχου της ροής της προσομοίωσης κατά την εξέλιξη του φαινομένου ενώ τα εργαλεία ελέγχου ορίζουν μεταβολές φυσικών μεγεθών από μια ελάχιστη έως μια μέγιστη τιμή. Η εντολή σύνδεση εξωτερικής εφαρμογής επιτρέπει την εισαγωγή δεδομένων από άλλη πηγή για την εξέλιξη μιας προσομοίωσης (π.χ. δεδομένα από φύλλο Excel).
Ιδιότητες
Το παράθυρο ιδιότητες επιτρέπει να δώσετε με ακρίβεια τις αρχικές συνθήκες και εμφάνιση των αντικειμένων. Κάθε σώμα εμφανίζεται με το όνομα του στη γλώσσα του Interactive Physics. Αυτό επιτρέπει τη διάκριση των αντικειμένων με το όνομα τους καθώς και τη δυνατότητα χρήσης του ονόματος στη γλώσσα προγραμματισμού του λογισμικού. Με την επιλογή γεωμετρία δίνετε ακριβείς διαστάσεις στα διάφορα σώματα.
ΠΡΟΣΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ
Α. Εισαγωγή εικόνας
Μπορούμε να εισάγουμε εικόνα στην προσομοίωση μας και να την συνδέσουμε με κάποιο σώμα που έχουμε δημιουργήσει.
Β. Εργαλεία ελέγχου
Ένα εργαλείο ελέγχου μας επιτρέπει να προσαρμόσουμε τις παραμέτρους της προσομοίωσης πριν και κατά την εκτέλεση της προσομοίωσης. Ένα εργαλείο ελέγχου μπορεί να είναι ένας μεταβολέας (εξ ορισμού), ένα πλαίσιο κειμένου ή ένα κουμπί. Μπορούμε να έχουμε περισσότερα από ένα εργαλεία ελέγχου για ένα αντικείμενο. Για παράδειγμα, μπορεί να θελήσουμε να ελέγχουμε την αρχική ταχύτητα x και y μιας μπάλας. Μπορούμε να τοποθετήσουμε το εργαλείο ελέγχου σε οποιοδήποτε σημείο της οθόνης, σύροντάς το ή επιλέγοντάς το και πληκτρολογώντας τιμές στη Γραμμή συντεταγμένων. Όταν δημιουργούμε ένα εργαλείο ελέγχου, αυτό αρχικά εμφανίζεται ως μεταβολέας (η προκαθορισμένη μορφή εργαλείου ελέγχου). Μπορούμε να αλλάξουμε ένα εργαλείο ελέγχου ώστε να πάρει τη μορφή πλαισίου κειμένου ή κουμπιού χρησιμοποιώντας το παράθυρο Ιδιότητες του εργαλείου ελέγχου. Ένα κουμπί μπορεί να ενεργεί ως διακόπτης εναλλαγής ή ως κουμπί “πιέστε και κρατήστε”. Ένα πλαίσιο κειμένου μας δίνει τη δυνατότητα να εισάγουμε την ακριβή τιμή για την ιδιότητα. Μπορούμε επίσης να αλλάξουμε τον τρόπο εμφάνισης του εργαλείου ελέγχου χρησιμοποιώντας το παράθυρο Εμφάνιση.
Γ. Μετρητές
Οι μετρητές μας επιτρέπουν να έχουμε αριθμητικά και γραφικά δεδομένα σχετικά με την προσομοίωση. Μαζί με αυτούς, μπορούμε να μετρήσουμε σχεδόν οποιαδήποτε φυσική ιδιότητα που εμφανίζεται στις προσομοιώσεις μας όπως φαίνεται από τις επιλογές της εικόνας.
Δ. Εξαγωγή δεδομένων για επεξεργασία στο MS OFFICE
Ανοίγουμε μια προσομοίωση του Interactive Physics και την τρέχουμε για να υπάρξουν δεδομένα, έχοντας επιλέξει διατήρηση τιμών μετρητή από το μενού Μικρόκοσμος. Επιλέγουμε τους μετρητές από τους οποίους θέλουμε να μεταφέρουμε τα δεδομένα και από το μενού επεξεργασία επιλέγουμε Εξαγωγή δεδομένων. Επιλέγουμε το φάκελο που θα γίνει η αποθήκευση. Ονομάζουμε το αρχείο το οποίο θα αποκτήσει επέκταση .dta Βρίσκουμε το αρχείο και κάνουμε δεξί κλικ και επιλέξτε άνοιγμα. Θα εμφανισθεί ένας κατάλογος από προγράμματα για το άνοιγμα του αρχείου. Επιλέγουμε Excel ή Word και τα δεδομένα θα περάσουν στο αντίστοιχο φύλλο.
Ε. Δημιουργία Video for Windows
Z. Εξαγωγή στιγμιότυπου
ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΥ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ ΣΕ ΚΕΚΛΙΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕ ΤΗΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΒΑΡΥΤΙΚΟΥ ΚΑΙ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΜΕΣΩ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ INTERACTIVE PHYSICS (ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΑΠΟ ΤΟ 2ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΣΤΗ ΣΥΡΟ: ΤΠΕ ΣΤΗΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ)
Ζερβοπούλου Άλκηστις – Σχολικός σύμβουλος ΠΕ4 Ν. Θεσσαλονίκης
Καλφαγιάννης Αθανάσιος – Επιμορφωτής Τ.Π.Ε. ΠΕ4 Ν. Θεσσαλονίκης
Νικολαΐδου Φωτεινή – Φυσικός, Εκπαιδευτικός Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης
Ξανθόπουλος Ηρακλής – Φυσικός, Εκπαιδευτικός Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η αδυναμία μαθητών να κατανοήσουν και να αντιμετωπίσουν ιδιαίτερα σύνθετες ασκήσεις μας οδήγησε στην αναζήτηση νέων διδακτικών προσεγγίσεων. Στόχος μας δεν ήταν η αντικατάσταση του παραδοσιακού τρόπου διδασκαλίας αλλά η ενίσχυσή του. Στην εργασία που ακολουθεί χρησιμοποιείται το λογισμικό Interactive Physics με τη βοήθεια του οποίου δημιουργήθηκε πείραμα προσομοίωσης για την αντιμετώπιση της άσκησης 3.100 από το βιβλίο Φυσικής της Β Λυκείου για την Θετική και Τεχνολογική κατεύθυνση. Η άσκηση πραγματεύεται την κίνηση φορτισμένου σωματιδίου σε κεκλιμένο επίπεδο, κάτω από την σύγχρονη δράση ομογενούς βαρυτικού πεδίου και ανομογενούς ηλεκτρικού πεδίου οφειλόμενου σε ακλόνητο ηλεκτρικό φορτίο. Με τη βοήθεια της προσομοίωσης οι μαθητές είναι σε θέση να παρατηρήσουν την κίνηση του σωματιδίου, τις μεταβολές των διανυσμάτων των δυνάμεων, να πάρουν μετρήσεις μεγεθών από καταμετρητές, να παρατηρήσουν μεταβολές μεγεθών διαγραμματική, και να επαναλάβουν την όλη διαδικασία όσες φορές κρίνουν απαραίτητο προκειμένου να οδηγηθούν σε συμπεράσματα.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η εισαγωγή των Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση και ιδιαίτερα η χρήση λογισμικών όπως αυτό του Interactive Physics, μέσω του οποίου επιτυγχάνεται ο σχεδιασμός πειραμάτων προσομοίωσης, δίνει την δυνατότητα μιας καλύτερης διδακτικής προσέγγισης θεμάτων Φυσικής τα οποία παρουσιάζουν αυξημένες δυσκολίες κατανόησης στους μαθητές.
Αφορμή για την παρούσα εργασία έδωσε η Άσκηση 3.100 από το βιβλίο της Β΄Λυκείου Φυσική Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης των Α.Ιωάννου, Γ.Ντάνου, Α.Πήττα, Σ.Ράπτη, εκδ. Ο.Ε.Δ.Β., 2002, σελ.140. Η άσκηση αυτή πραγματεύεται την κίνηση φορτισμένου σωματιδίου πάνω σε κεκλιμένο επίπεδο κάτω από την σύγχρονη δράση του βαρυτικού πεδίου της γης και ενός ανομογενούς ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο οφείλεται σε σημειακό ηλεκτρικό φορτίο στερεωμένο στη βάση του κεκλιμένου επιπέδου. Τα ερωτήματα στα οποία καλούνται οι μαθητές να απαντήσουν είναι αυτά του υπολογισμού της μέγιστης ταχύτητας του σωματιδίου και της μέγιστης απομάκρυνσης στην οποία φτάνει.
ΔΙΔΑΚΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ
Η μέχρι τώρα αντιμετώπιση τόσο της συγκεκριμένης άσκησης όσο και συγγενών θεμάτων γινόταν ακολουθώντας τα εξής βήματα: προτροπή των μαθητών σε προβληματισμό για την περιγραφή του φαινομένου, συζήτηση των δυσκολιών, ανάκληση των σχετικών γνώσεων, αναλυτική περιγραφή του φαινομένου, αναλυτική θεωρητική επίλυση, λεπτομερείς υπολογισμοί, συζήτηση-σχολιασμός των αποτελεσμάτων, επέκταση π.χ., κάθοδος του φορτισμένου σωματιδίου, συνεχής επανάληψη της κίνησης. Όλα τα παραπάνω αποτελούν στοιχεία κανονικής διδασκαλίας τα οποία με κανένα τρόπο δεν θα πρέπει να υποτιμηθούν. Διαπιστώθηκε όμως ότι πολύ συχνά μαθητές απλώς “μάθαιναν” την άσκηση χωρίς βαθύτερη κατανόηση και ειδικά το σημείο όπου ο μηδενισμός της ολικής δύναμης επιφέρει την μεγιστοποίηση της ταχύτητας.
ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ
Με δεδομένες τις δυσκολίες που αναφέρθηκαν ήταν εύλογο να αναζητηθούν τρόποι εμπλουτισμού της διδασκαλίας με σκοπό την καλύτερη κατανόηση και την επακόλουθη αντιμετώπιση και λύση. Η πειραματική προσέγγιση μέσω του συμβατικού εργαστηρίου δεν είναι δυνατή λόγω των σημειακών φορτισμένων σωματιδίων και βέβαια της αδυναμίας για “οπτική” παρακολούθηση της αλλαγής στο μέτρο και την κατεύθυνση της συνισταμένης δύναμης. Ήταν επόμενο να στραφούμε στο Interactive Physics για την δημιουργία του αντίστοιχου πειράματος προσομοίωσης. Μέσω της προσομοίωσης αυτής γίνεται δυνατή όχι μόνον η αντιμετώπιση των δυσκολιών που αναφέρθηκαν προηγουμένως αλλά ταυτόχρονα δίνεται η δυνατότητα ελέγχου και σταδιακής παρατήρησης του φαινομένου μέσω της “βήμα προς τα εμπρός” εκτέλεσης του πειράματος. Γίνεται επίσης εφικτή η επανάληψη του φαινομένου, όσες φορές κρίνεται αναγκαία, κάτω ακριβώς από τις ίδιες συνθήκες.
ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ
Η δημιουργία της συγκεκριμένης προσομοίωσης παρουσίασε, παρά την φαινομενική της απλότητα, αρκετές δυσκολίες που οφείλονται σε περιορισμούς τους οποίους επιβάλλει το λογισμικό Interactive Physics. Ειδικότερα:
• H ανάλυση της δύναμης του βάρους σε συνιστώσες, παράλληλα και κάθετα στο κεκλιμένο επίπεδο, δεν ήταν δυνατή. Το πρόγραμμα επιτρέπει την ανάλυση δυνάμεων μόνον σε “συμβατικούς” άξονες χ-ψ (οριζόντιο επίπεδο και διεύθυνση της κατακορύφου).
• Η κάθετη αντίδραση Ν από το κεκλιμένο επίπεδο δεν εμφανιζόταν με αποτέλεσμα να έχομε λανθασμένη ολική δύναμη στο φορτίο q. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίστηκε θεωρώντας την ελαστικότητα ίση με το μηδέν.
• Το πρόγραμμα δεν δίνει την δυνατότητα του άμεσου προσδιορισμού της ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας. Οι μαθητές καλούνται να υπολογίσουν το μέγεθος αυτό θεωρητικά.
Δεν υπάρχει η δυνατότητα επιλογής οποιασδήποτε τιμής για τα μεγέθη φορτίο, μάζα, απόσταση. Για το λόγο αυτό αναγκασθήκαμε να διαφοροποιήσουμε κάποια από τα δεδομένα της άσκησης από αυτά που δίνονται στο βιβλίο. Ειδικότερα η απόσταση d μεταξύ των φορτίων τέθηκε ίση με 4,046m αντί της τιμής 0,4m και η μάζα του q ίση με 4.10-6 kg αντί της 4,10-4kg.
Στην προσομοίωση εμφανίζονται τα φορτία (q,m) και Q σε κεκλιμένο επίπεδο. Το Q είναι στερεωμένο στη βάση ενώ το q έχει τη δυνατότητα να κινείται. Στην οθόνη εμφανίζονται σε πλαίσια οι τιμές φορτίου, μάζας (q,m) και το μέτρο της βαρυτικής δύναμης. Ένας μεταβολέας φορτίου δίνει τη δυνατότητα αλλαγής του φορτίου q για επανάληψη του πειράματος με διαφορετικές τιμές και επαλήθευση των συμπερασμάτων. Μεταβολείς της μάζας, του ακίνητου φορτίου, της μεταξύ των φορτίων αρχικής απόστασης θα ήταν επίσης δυνατοί όμως κάτι τέτοιο δεν κρίθηκε απαραίτητο εφόσον πολλές επαναλήψεις και διαρκείς υπολογισμοί απαιτούν πολύ χρόνο και κουράζουν τους μαθητές.
Κατά τη εξέλιξη του πειράματος εμφανίζονται σε πίνακες τιμών για κάθε θέση του q, η απόσταση των δύο φορτίων, η ταχύτητα του q, η δύναμη Coulomb, η συνισταμένη δύναμη κατά τον άξονα κίνησης, η κινητική και η βαρυτική δυναμική ενέργεια του q. Υπάρχουν διαγράμματα ταχύτητας-χρόνου και απόστασης-χρόνου όπου φαίνονται οι αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις. Σε κάθε θέση του φορτίου q σημειώνονται τα διανύσματα του βάρους, της δύναμης Coulomb και της συνισταμένης δύναμης. Έχει έτσι τη δυνατότητα ο μαθητής να παρατηρήσει τη σταθερότητα του βάρους, την μείωση της δύναμης Coulomb κατά την άνοδο και την αύξησή της κατά την κάθοδο και κυρίως την μεταβολή στο μέτρο και την κατεύθυνση της συνισταμένης δύναμης.
ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Η προσομοίωση συνοδεύεται από Φύλλο εργασίας για τους μαθητές. Σε αυτό δίνονται αρχικά Βασικές γνώσεις σχετικά με τους τύπους υπολογισμού των δυνάμεων (συνιστώσες του βάρους και δύναμη Coulomb) και των ενεργειών (Κινητική, Βαρυτική δυναμική, Ηλεκτρική δυναμική, ολική ενέργεια) που θα χρησιμοποιηθούν. Ακολουθούν Χρήσιμες λεπτομέρειες για την προσομοίωση, όπου ο μαθητής “ξεναγείται” στο περιβάλλον της επιφάνειας της προσομοίωσης και στη συνέχεια Βήματα για την πραγματοποίηση της προσομοίωσης. Στο τμήμα αυτό ο μαθητής καλείται να ακολουθήσει τις εντολές, οι οποίες τον εξοικειώνουν με τον χειρισμό του λογισμικού, τον οδηγούν στη σωστή εκτέλεση της προσομοίωσης και στην συμπλήρωση των στοιχείων που ζητούνται.
Η προσομοίωση εκτελείται αρχικά κανονικά και στη συνέχεια με την διαδικασία βήμα προς τα εμπρός. Ο μαθητής έχει τη δυνατότητα να παρακολουθεί τις μεταβολές των διανυσμάτων των δυνάμεων, τους σχετικούς πίνακες τιμών και τα διαγράμματα και να καταγράφει τις τιμές για τα μεγέθη ταχύτητα, απόσταση, δυνάμεις, ενέργειες, που του ζητούνται. Στη συνέχεια καλείται να απαντήσει σε ερωτήσεις, οι απαντήσεις των οποίων στηρίζονται στα αποτελέσματα που έχουν παρατηρηθεί και καταγραφεί, να προβεί σε υπολογισμούς (της ηλεκτρικής δυναμικής και της ολικής ενέργειας) και να σχολιάσει τα αποτελέσματα. Κρίνεται σκόπιμη η επανάληψη του πειράματος με μια νέα τιμή του φορτίου q προκειμένου να επαληθευθεί εκ νέου η Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας.
Ένα αντίστοιχο φύλλο με το Φύλλο εργασίας του μαθητή με συμπληρωμένους όμως τους πίνακες, με υπολογισμούς και σχόλια απευθύνεται στον διδάσκοντα προκειμένου να γίνεται ευκολότερος ο έλεγχος των εργασιών των μαθητών.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Η προσομοίωση εντυπώνεται στον μαθητή, παρά την φαινόμενη απλότητα της κίνησης, γεγονός που οφείλεται κυρίως στις μεταβολές των διανυσμάτων των δυνάμεων (Coulomb και συνισταμένης). Ο διδάσκων έχει τέλος την δυνατότητα να επεκτείνει την διδασκαλία προτρέποντας τους μαθητές να παρατηρήσουν, κυρίως μέσω των διαγραμμάτων, την περιοδικότητα της κίνησης και να τους εισάγει στην έννοια της ταλάντωσης.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
Γκούτσιας Α. (2001), Μαθαίνοντας στο Internet Φυσική. Εκδόσεις Καστανιώτη
Ομάδα Φυσικών Εκπαιδευτήρια Γείτονα (2004), Interactive Physics Βιβλίο Καθηγητή.
Έκδοση Οδύσσεια
Ομάδα Φυσικών Εκπαιδευτήρια Γείτονα (2004), Interactive Physics Βιβλίο Μαθητή.
Έκδοση Οδύσσεια
Apple VAD Ελλάδας & Κύπρου (2008), Interactive Physics. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο: www.rainbow.gr/software/education/iphysics.html (last access 02/05/2008)
Design Simulation Technologies (2007), Interactive Physics. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο: www.interactivephysics.com (last access 16/04/2008)
Ανδρεάδης Α. (2004), Interactive Physics 2000. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο: http://ekped.gr/index.php (last access 20/04/2008)
Διεύθυνση Σπουδών Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης, Interactive Physics 2000. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο: http://edsoft.cti.gr/edsoft/logismika (last access 16/04/2008)
Εκπαιδευτική Πύλη του ΥΠΕΠΘ, Interactive Physics. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο: http://www.e-yliko.sch.gr (last access 02/05/2008)
Ερευνητικό Ακαδημαϊκό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Υπολογιστών (2002), Interactive Physics 2000. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο: http://odysseia.cti.gr/kirki/2ndProductGroup (last access 30/04/2008)
2ο συνέδριο στη Σύρο – ΤΠΕ στην Εκπαίδευση
