UNIVERZITA KOMENSKÉHO v
BRATISLAVE
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Simulácie vo vyučovaní
fyziky
Diplomová práca
Bc. Zuzana Molčanová
Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky
1.1.1 Učiteľstvo akademických predmetov,
fyzika – informatika
Vedúci záverečnej práce
doc. RNDr. Peter Demkanin, PhD.
BRATISLAVA 2012
Čestne prehlasujem, že som diplomovú prácu vypracovala samostatne s použitím
uvedenej literatúry.
Bratislava, 2012
____________________
Bc. Zuzana Molčanová
POĎAKOVANIE
Na tomto mieste sa chcem srdečne poďakovať vedúcemu diplomovej práce
doc. RNDr. Petrovi Demkaninovi, PhD. za venovaný čas, odborné vedenie, cenné rady
a pripomienky k mojej práci.
Ďalej sa chcem poďakovať mojim spolužiakom za priateľské rady pri vytváraní
pracovných listov.
Poďakovanie patrí aj gymnáziu v Bratislave a gymnáziu v Sabinovskom okrese
za možnosť získania dát potrebných k výskumu.
Veľká vďaka patrí aj mojej rodine a priateľom za pomoc a podporu v štúdiu
a vo všetkom, čo robím.
ABSTRAKT
MOLČANOVÁ, Zuzana. Simulácie vo vyučovaní fyziky [diplomová práca]. Univerzita
Komenského v Bratislave. Fakulta matematiky, fyziky a informatiky; Katedra teoretickej
fyziky a didaktiky fyziky. Študijný odbor: Učiteľstvo akademických predmetov fyzika –
informatika. Vedúci diplomovej práce: doc. RNDr. Peter Demkanin, PhD. Bratislava: FMFI
UK, 2012. 87 s.
V diplomovej práci sa venujem interaktívnym animáciám vo vyučovaní fyziky a vytvoreniu
materiálov pre učiteľov fyziky. Pracovné listy sa primárne opierajú o učebnicu Fyziky
pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom a sú vytvorené
s cieľom o obohatenie aktivít popísaných v tejto učebnici. Vzhľadom na to, že pôvod
simulácií sa nachádza v modelovaní, v práci sa najprv venujem rôznym typom modelov
a modelovania javov využívaných v didaktike fyziky. Stým je spojené aj porovnanie
výskytu rôznych modelov alebo modelovaní v Štátnom vzdelávacom programe ISCED 3
a v spomínanej učebnici Fyziky. Práca obsahuje aj teoretickú časť didaktiky fyziky.
Popisuje možnosti modelovania procesu poznávania a podporovaného riadeného
skúmania. Práve tieto témy by mali podporiť využívanie interaktívnych animácií a vopred
pripravených materiálov k simuláciám. Hlavnou časťou diplomovej práce je komunikácia
s učiteľmi fyziky a zisťovanie ochoty učiteľov využívať simulácie a k nim vopred pripravené
materiály na hodinách fyziky. Potrebné informácie som získala rozhovormi s učiteľmi a aj
dotazníkom o simuláciách. Ďalšou hlavnou časťou je samotný návrh pracovného listu, ku
ktorému je pripojený metodický list pre učiteľa. Tento pracovný list som mala možnosť aj
vyskúšať v praxi. Odpovede, ktoré uviedli študenti sú taktiež obsahom tejto práce.
V závere sa venujem návrhu žiackej práce so simuláciou, v ktorej si žiaci sami určili
kritéria, na základe ktorých by mal byť žiak pri práci s interaktívnou animáciou hodnotený.
Verím, že táto práca bude prínosom a dobrou inšpiráciou pre učiteľov fyziky.
Kľúčové slová: vyučovanie fyziky, modelovanie, simulácia, učenie sa, list pre žiaka
ABSTRACT
MOLČANOVÁ, Zuzana. Simulations in physics teaching [diploma thesis]. Comenius
University in Bratislava. Faculty of mathematics, physics and informatics; Department of
Theoretical Physics and Physics Education. Branch of study: Teaching primary and
secondary subjects, physics - informatics. Leader of the diploma thesis: doc. RNDr. Peter
Demkanin, PhD. Bratislava: FMFI UK, 2012. 87 p.
The thesis is dedicated to the interactive animations in teaching physics and to develop
the materials for the teachers of physics. The worksheets are primarily based
on the physics textbook for the second year of the secondary grammar school and for the
sixth year with eight-year study programme at the secondary grammar school and are
designed to enrich the activities described in this textbook of physics. Considering that
the origin of the simulations is in modelling, I devote in this thesis to the different types
of models and modelling effects used in didactics of physics. That involves also
the comparison of the different types of models or modelling in the State Educational
Programme ISCED 3 and in the above mentioned physics textbook. The thesis includes
the theoretical part of the didactics of physics. It also describes the possibility
of modelling the process of knowledge and supported by the research. These themes
should encourage the use of the interactive animations and prepared materials
for the simulations. The main part of this thesis is the communication with the teachers
of physics and the detection of teachers’ willingness to use the simulations and prepared
materials during the lessons of physics. The information I needed was gained
from the interviews with the teachers and the questionnaire about the simulations.
Another major part of this thesis is the actual suggestion of the worksheet that is
accompanied by the methodical report for the teachers. I had the opportunity to try out
this worksheet in practice. The responses from the students are also included in this
thesis. In conclusion, I devote to the students' suggestions with the simulation in which
the students themselves determine the criteria under which they should be evaluated
because of the work with the interactive animations. I believe that this thesis will be great
benefit and good inspiration for the teachers of physics.
Keywords: teaching physics, modeling, simulation, learning, letter for students
PREDHOVOR
Diplomová práca je pre každého študenta akousi finálnou métou, priestorom
pre zosumarizovanie získaných vedomostí a zároveň pre vyslovenie či realizáciu vlastných
myšlienok a nápadov. Aj moja práca je vyvrcholením päťročného úsilia a možnosťou
realizácie vlastných ideí. Téma, ktorú som si vybrala, je Simulácie vo vyučovaní fyziky.
Mojim cieľom je na základe zosumarizovaných teoretických vedomostí vytvoriť
doplnkový materiál pre učiteľov fyziky, ktorý môžu učitelia využívať pri vyučovaní fyziky a
ktorým sa učitelia môžu inšpirovať pri práci s interaktívnymi animáciami. Aby materiály
mohli byť korektne využiteľné na hodinách fyziky, rozhodla som sa opierať o učebnicu
Fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom.
Pomocou rozhovorov s učiteľmi fyziky a Dotazníka o simuláciách som zisťovala
ochotu učiteľov využívať vopred pripravené materiály k simuláciám na hodinách fyziky.
Simulácie vo vyučovaní fyziky
OBSAH
Úvod ...............................................................................................................................................10
1
Ciele a metódy práce .......................................................................................................12
2
Model a modelovanie ......................................................................................................13
2.1
Model v didaktike fyziky ..................................................................................................... 15
2.3
Izomorfizmus a homomorfizmus .................................................................................... 17
2.2
2.4
2.5
Modelovanie ............................................................................................................................ 16
Matematické modelovanie ................................................................................................. 18
Empirické modely objektov ............................................................................................... 18
2.5.1
2.6
2.7
Teoretické modely objektov .............................................................................................. 20
Realizácia modelov fyzikálnych objektov .................................................................... 21
2.7.1
Materiálne realizované modely fyzikálnych objektov .................................... 22
2.7.3
Facebook – matematické modelovanie? .............................................................. 27
2.7.2
3
Interaktívne modely fyzikálnych objektov a javov ................................................... 29
3.1
Štátny vzdelávací program ISCED 3 ............................................................................... 32
Modely vo vyučovaní fyziky v oficiálnych dokumentoch ...................................32
Učebnica fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s osemročným
štúdiom................................................................................................................................................... 36
Modelovanie procesu poznávania ..............................................................................39
4.1
Konštruktivizmus .................................................................................................................. 39
4.3
Učenie sa ako sled udalostí ................................................................................................ 42
4.2
5
Ideálne modely fyzikálnych objektov.................................................................... 24
2.8
3.2
4
Empirické modelovanie pohybu krasokorčuliara pri piruete ..................... 19
Učenie sa fyziky ...................................................................................................................... 41
Podporované riadené skúmanie .................................................................................45
5.1
Zamýšľané kurikulum .......................................................................................................... 45
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 8
6
7
5.2
Dotazník o simuláciách...................................................................................................56
7.1
Ciele a metóda práce ............................................................................................................ 56
7.3
Hypotézy ................................................................................................................................... 57
7.4
7.5
Charakteristika súboru ........................................................................................................ 56
Výsledky výskumu a ich interpretácia........................................................................... 58
Diskusia ..................................................................................................................................... 61
Pracovný list – Rázy .........................................................................................................64
8.1
9
Realizované kurikulum........................................................................................................ 46
Modernizácia vzdelávacieho procesu .......................................................................52
7.2
8
Simulácie vo vyučovaní fyziky
8.2
Metodický list pre učiteľa ................................................................................................... 64
Vyhodnotenie pracovného listu ....................................................................................... 68
Návrh hodnotenia žiackej práce so simuláciou .....................................................78
9.1
Proces učenia a učenia sa ................................................................................................... 78
9.1.1
Prezentácia ...................................................................................................................... 78
9.1.3
Výsledok a spätná väzba ............................................................................................ 79
9.1.2
9.2
Porovnanie bežných a osvedčených postupov ........................................................... 79
9.2.1
9.2.2
9.3
Aplikácia ........................................................................................................................... 78
Prípadová štúdia: Janet ............................................................................................... 79
Prípadová štúdia: Tina ................................................................................................ 80
Žiacka činnosť návrhu hodnotenia (Praktické využitie) ........................................ 81
9.3.1
Úvod hodiny .................................................................................................................... 82
9.3.3
Hodnotenie odpovede ................................................................................................. 83
9.3.2
Návrh kritérií študentmi ............................................................................................ 82
Záver ..............................................................................................................................................85
Bibliografia ..................................................................................................................................86
Prílohy ...........................................................................................................................................88
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 9
ÚVOD
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Moderné trendy vo vyučovaní nás častejšie vedú k tomu, aby sme používali
interaktívne ako aj neinteraktívne animácie, napríklad java applety a iné. Žiaci však často
vnímajú animácie iba ako niečo, čo funguje tak, ako to niekto nakreslil či naprogramoval,
nevidia súvislosť medzi animáciou a reálnym dejom alebo javom. V animovaných
rozprávkach, ktoré žiaci bežne pozerajú, táto súvislosť ani nie je podstatná, umelec sa
snaží zvýrazniť niektoré parametre dejov či javov umeleckými prostriedkami. Vo
vyučovaní prírodovedných predmetov ide o popisovanie a skúmanie reality a tak je
dôležité budovať v žiakoch schopnosti súvisiace s interpretáciou animácie ako modelu
javu. Tento model má zároveň obsahovať aj prvky izomorfné alebo prvky homomorfné
s reálnym dejom, ktorý modeluje. V mnohých oblastiach fyziky sme nútení používať
animácie, napríklad ak reálny experiment je časovo náročný (príliš rýchly alebo dlhý),
nebezpečný, finančne náročný, … Zároveň však reálne experimenty, ktoré sú doplnené
animáciami, môžu slúžiť práve na vytvorenie schopnosti vnímať takéto abstraktné deje.
Niektorí učitelia používajú interaktívne animácie fyzikálnych javov a experimentov, v tejto
práci ich nazývam simuláciami.
Mojou úlohou je vytvoriť dokument a materiály pre učiteľov fyziky, ktoré by sa
mohli stať zaujímavým námetom, či inšpiráciou v ich práci. Napriek tomu, že učitelia majú
k dispozícii množstvo interaktívnych animácií, ktoré sú voľne dostupné na internete alebo
iných nosičoch, často ich využívajú iba na ukážku alebo uvádzanie nových pojmov a javov.
Preto som sa rozhodla vytvoriť materiály, ktoré budú vhodným doplnkom pri vyučovaní
a zároveň obohatením učebnice Fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia
s osemročným štúdiom.
Prácu som komplexne rozdelila primárne do dvoch častí – na teoretickú
a praktickú časť, ktoré som rozčlenila do viacerých kapitol.
V prvých kapitolách sa venujem teoretickým východiskám svojej práce,
konkrétne v úvodnej kapitole popisujem rôzne typy modelov a modelovaní javov, ktoré sa
využívajú v didaktike fyziky, medzi nimi sú empirické a teoretické modely objektov, či
interaktívne modely fyzikálnych objektov a javov. Samostatnú kapitolu som venovala
modelom, ktoré sa nachádzajú v oficiálnych dokumentoch pre vyučovanie fyziky.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 10
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Konkrétne vychádzam z dvoch dokumentov a to Štátneho vzdelávacieho programu ISCED
3 a učebnice Fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom. V
kapitolách
Modelovanie
procesu
poznávania
a Podporované
riadené
skúmanie
prezentujem teoretické východiská didaktiky fyzika a procesu učenia sa.
Do praktickej časti práce som zaradila kapitolu o Modernizácii vzdelávacieho
procesu, kde som mala možnosť spolupracovať s učiteľmi fyziky, ktorí používajú
informačné a komunikačné technológie pri vyučovaní fyziky. Učitelia ochotne vyplnili
Dotazník o simuláciách, ktorému sa venujem v samostatnej kapitole tejto práce. Ďalšia
kapitola je venovaná pracovnému listu – rázy, ku ktorému som vytvorila aj metodický list
pre učiteľa. Tento pracovný list som mala možnosť uviesť aj v škole počas vyučovania
a uvádzam aj odpovede žiakov, ktorí ho vypracovali. V poslednej kapitole sa venujem
návrhu žiackej práce so simuláciou, v ktorej si, na základe teoretických východísk, žiaci
gymnázia, kde som absolvovala súvislú prax, sami navrhovali kritéria, na základe ktorých
by mali byť hodnotení pri práci so simuláciou.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 11
Simulácie vo vyučovaní fyziky
1 CIELE A METÓDY PRÁCE
Diplomovú prácu vytvárame s hlavným cieľom, aby slúžila ako námet, inšpirácia,
motivácia a pomocný materiál pre učiteľov fyziky.
Cieľ práce:
1. Pomocou integrácie prvkov počítačom podporovaného laboratória ukázať výhody
použitia interaktívnych animácií na vyučovaní fyziky.
2. Zrealizovať návrh vzorového spracovania aktivity formou žiackeho pracovného listu,
ktorý bude doplnený o metodický list pre učiteľa a overiť navrhnutú aktivitu
na gymnáziu.
Hypotéza:
Simulácie použité v demonštračných experimentoch zvyšujú schopnosť žiakov vnímať
deje prezentované animáciami alebo experimentmi samotnými.
Metódy práce:
•
vyhodnotenie žiackej práce s navrhnutým pracovným listom,
•
pozorovanie žiakov počas práce s pracovným listom,
•
analýza učebnice Fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s osemročným
štúdiom a štátneho vzdelávacieho programu pre fyziku ISCED 3,
•
neformálne rozhovory s učiteľmi,
•
výskum vo forme dotazníka o simuláciách pre učiteľov fyziky.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 12
Simulácie vo vyučovaní fyziky
2 MODEL A MODELOVANIE
Historicky prvú definíciu modelu pravdepodobne vyslovil H. Hertz v knihe
Princípy mechaniky:
Model sa chápe ako prírodný alebo umelý objekt, ktorý je v nejakom vzťahu so
skúmaným objektom alebo jeho niektorou časťou a je schopný zastúpiť
študovaný objekt v poznávacom procese. (JANOVIČ, a iní, 1999)
N. Wiener vo svojej definícii modelu hovorí, že model zobrazuje charakteristické
črty originálneho systému. Avšak tieto črty musia byť zhodné s tými, ktoré majú slúžiť
na lepšie pochopenie pri štúdiu.
Model je nahradenie komplexného systému systémom, ktorý je pokladaný
za jednoduchší a o ktorom sa predpokladá, že má isté vlastnosti, ktoré sú
zhodné s tými, ktoré boli vybrané pre štúdium na originálnom systéme.
(JANOVIČ, a iní, 1999)
Podľa elektronického lexikónu slovenského jazyka slovo model znamená:
1. osoba alebo vec ako predloha (výtvarnému) umelcovi: slúžiť za model, stáť ako
model;
2. zmenšené detailné znázornenie predmetu slúžiace obyčajne ako plán alebo
vzor: model lode, mosta;
3. originálny výrobok slúžiaci obyčajne ako vzor na výrobu ďalších kusov, vzor,
typ: model šiat; model auta prototyp;
4.
odb.
schéma javu, predmetu slúžiaca na jeho skúmanie: matematické modely, model
atómu; model riadenia hospodárstva. (FORMA, 2007)
Vo všeobecnom zmysle slova je model niečo, čím môžeme ľubovoľne reprezentovať
hocičo iné. Niektoré modely sú fyzické objekty, napríklad modelom môže byť hračka,
ktorá sa dá zmontovať a dokonca môže fungovať ako objekt, ktorý predstavuje.
Používame ich, aby nám pomohli lepšie spoznať a pochopiť predmet, ktorý predstavujú.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 13
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Termín koncepčný model používame pri odkazovaní na modely, ktoré sú reprezentované
pojmami alebo súvisiacimi pojmami formovanými po procese konceptualizácie v mysli.
Konceptuálne modely reprezentujú ľudské úmysly alebo sémantiku. Koncepty slúžia na
vyjadrenie sémantiky v rôznych prirodzených jazykoch založených na komunikácii.
Vedecký model je zjednodušený abstraktný pohľad na zložitú realitu. Vedecký model
reprezentuje empirické objekty, javy a fyzikálne procesy logickým spôsobom. Cieľom
pokusov, ako formovať zásady empirických vied s použitím interpretácie modelu reality, je
vytvorenie formálneho systému, pre ktorý je realita jedinou interpretáciou. Svet je
interpretáciou alebo modelom týchto vied, pokiaľ sú tieto vedy pravdivé. Slovo model
nachádzame aj v kognitívnej psychológii a filozofii mysle, nazývame ho mentálny model.
Mentálnym modelom označujeme reprezentáciu niečoho, čo je v mysli. Ďalším typom
modelov sú matematické modely, ktoré môžu mať mnoho podôb vrátane dynamických
systémov, štatistických modelov, diferenciálnych rovníc alebo modelov teórie hier. Tieto
a aj ďalšie typy modelov sa môžu navzájom prekrývať zahŕňajúc celý rad abstraktných
štruktúr.
Korene modelov a modelovania môžeme nájsť už v staroveku, napríklad filozofi
z rôznych krajín vytvárali rôzne predstavy o tvare Zeme.
Pravdepodobne prví, ktorí sa zaoberali otázkou o tvare Zeme boli mudrci
z jedného z najstarších štátov na svete – z Číny. Vždy po zasadnutí nového cisára na trón,
mali vysoký čínski úradníci spresniť hranice štátu. Úradníci zistili, že nech sa nachádzajú
v hocijakom kúte ich veľkej krajiny, všetky hviezdy sa vždy pohybujú z východu na západ.
Napriek tomu, že úradníci boli veľmi študovaní a múdri, nevedeli odpovedať na otázku
o tvare Zeme, preto si vymysleli rozprávku. Zem predstavoval ryžový posúch s obrezanými
okrajmi a oblohu podopierali štyri stĺpy, ktoré reprezentovali štyri svetové strany.
V rozprávke bol zlý drak, ktorý ohol jeden zo stĺpov a Zem sa tak odklonila od oblohy.
Západné krajiny sa zodvihli k oblohe a východné klesli k moru, rieky začali tiecť na východ
a hviezdy sa vydali na západ. Toto vysvetlenie bolo na svoju dobu dosť presvedčivé a tak
mu všetci uverili.
Aj v Indii sa našlo veľa mudrcov, ktorí chceli vytvoriť čo najlepšiu predstavu
o tom, ako vyzerá Zem. Väčšina si myslela, že Zem je plochá, avšak, nestotožňovali sa
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 14
Simulácie vo vyučovaní fyziky
s čínskou predstavou ryžového posúchu. Jednou z predstáv bol obrovský plochý disk, v
strede ktorého sa nachádzala hora Meru a okolo nej krúžili všetky vtedy známe nebeské
telesá, čiže Slnko, Mesiac a hviezdy. Iní mudrci prirovnávali Zem k otvorenému
lotosovému kvetu. Štyri najväčšie lupene predstavovali štyri svetadiely, piestik a tyčinky
zobrazovali hory obklopené údoliami najväčších indických riek a celý kvet vyrastal na
steble z dna nekonečného oceánu. Ďalšou z indických predstáv o tvare Zeme bola
obrovská korytnačka, ktorá plávala vo veľkom „mliečnom mori“, na jej obrovskom
a pevnom pancieri stáli mohutné indické slony a na ich silných chrbtoch trónila plochá
a okrúhla Zem. Slony mali dvihnuté choboty a hlavy mali otočené na štyri svetové strany.
Prví, ktorí hovorili o Zemi ako o polovici jablka alebo pomaranča, boli Feničania,
zdatní moreplavci. Vďaka svojim skúsenostiam vytvorili predstavu, kde sa Zem podobala
na polovicu jablka alebo pomaranča, ktorá leží na tanieri s vodou. Voda reprezentovala
more a oblohu znázorňovala prevrátená belasá miska, ktorá sa opierala o okraj taniera.
O guľatosti Zeme sa začalo uvažovať až v starovekom Grécku. Prvý, kto dokázal,
že Zem je guľatá, bol Aristoteles, a to pozorovaním mesačných zatmení. (KOLIVOŠKOVÁ,
1999).
Slovo model sa v podobnom význame používa aj v didaktike fyziky. Jeho
zavedeniu sa venuje najmä V. Koubek.
2.1 MODEL V DIDAKTIKE FYZIKY
V. Koubek uvádza definíciu modelu, ktorá sa v súčasnosti obvykle používa:
Model sa chápe ako prírodný alebo umelý objekt, ktorý je schopný zastúpiť
študovaný objekt v poznávacom procese. (KOUBEK, 2006)
Správne zostavený model objektu slúži na to, aby sme jeho štúdiom mohli získať potrebné
poznatky o originálnom objekte. V poznávacom procese modely objektov slúžia fyzike ako
náhrada originálnych objektov, pretože sú jednoduchšie ako originál, no aj napriek tomu
obsahujú vlastnosti a prvky spoločné s originálom. Takto sa model ako systém stáva
chudobnejším na prvky oproti sústave, ktorú modeluje.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 15
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Pri vytváraní modelu pracujeme obvykle s teoretickými metódami poznávania,
ktorými sú:
•
abstrakcia,
•
zovšeobecňovanie,
•
formalizácia,
•
idealizácia objektu. (JANOVIČ, a iní, 1999)
Teoretickú metódu poznávania formou idealizácie objektu vysvetľuje V. Koubek
nasledovne: Model vzniká idealizáciou objektu – výberom tých prvkov, ktoré sú dôležité
pre činnosť objektu - pre jeho správanie. Obvykle sa pri modelovaní snažíme, aby model
správanie originálneho objektu napodobňoval. Preto sa pri konštrukcii modelu snažíme
zostaviť jeho štruktúru z takých prvkov, o ktorých predpokladáme, že sú zodpovedné
za správanie originálu. (KOUBEK, 2006)
Z hľadiska poznávacieho procesu môžeme modely objektov rozdeliť na dve
skupiny:
1. Empirické modely objektov
2. Teoretické modely objektov
2.2 MODELOVANIE
Modelovanie je proces, kedy model napodobňuje správanie originálneho
objektu. Dôležité je, že pri konštruovaní modelu dbáme na to, aby sme zostavili štruktúru
modelu z takých prvkov, o ktorých predpokladáme, že nesú zodpovednosť za správanie
originálu. Zo školskej praxe vieme, že používaním softvérov môžeme realizovať nielen
modelovanie, ale aj zber a spracovanie experimentálnych dát. Výsledok v podobe grafu je
zobrazený hneď na monitore počítača.
Pri modelovaní do značnej miery používame systémový prístup k modelovaniu.
Pojmom systém nazývame súbor prvkov, ktoré sú navzájom prepojené funkčnými
väzbami,
pričom
samotné
prvky
a väzby
systému
vytvárajú
jeho
štruktúru.
Charakteristickými črtami systému ako celku sú prejavy jeho správania. Ak porovnávame
systémy, nájdeme ich analogické vlastnosti. Systémy sa môžu podobať svojou štruktúrou
a aj správaním. Systémy s rovnakou štruktúrou majú rovnaké správanie, ale rovnako sa
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 16
Simulácie vo vyučovaní fyziky
môžu správať aj systémy, ktoré majú rôzne štruktúry. Preto ak sa dva systémy správajú
rovnako, nemusí to znamenať, že majú aj rovnakú štruktúru. Ak má systém modelovať
originálny systém, predpokladáme, že oba systémy budú mať rovnaké správanie.
V prípade, že dva systémy majú rovnaké správanie, potom skúmame ich štruktúru, teda
hľadáme jednoznačné priradenie medzi jednotlivými prvkami originálu a jeho modelu.
Medzi takéto jednoznačné priradenie patria aj väzby medzi prvkami systému, preto aj
vzťah medzi dvoma prvkami systému považujeme za prvok systému.
2.3 IZOMORFIZMUS A HOMOMORFIZMUS
Ak v originálnom objekte alebo systéme existujú také prvky, medzi ktorými
existuje určitý vzťah, tak aj medzi prislúchajúcimi prvkami druhého objektu existuje
zodpovedajúci vzťah, ktorý nazývame pojmom izomorfizmus medzi modelom
a originálom. Izomorfizmom tak môžeme nazvať vzťah medzi systémami, ktorého
podmienkou je existencia aspoň jedného vzájomne jednoznačného zobrazenia prvkov, ak
zachováva vzťahy medzi prvkami. Takýto vzťah je reflexívny, symetrický a tranzitívny.
V prípade, že neexistuje priradenie medzi vzájomnými vzťahmi, teda väzbami, ale iba
medzi prvkami, takýto vzťah medzi modelom a originálom nazývame homomorfizmus.
Ako príklad izomorfného modelu môžeme uviesť modelovanie plynu v nádobe
na základe vedomostí z molekulovej fyziky. Pomôcku na modelovanie tohto javu má
k dispozícii väčšina škôl. Skladá sa zo vzduchového stola, na ktorom sa pohybujú malé
magnety, ktoré predstavujú molekuly plynu. Správanie modelu a originálu je podobné,
preto môžeme analyzovať ich štruktúry, teda môžeme skúmať vzájomné priradenie
medzi prvkami modelovaného a originálneho systému. Prvky modelu, naše magnety,
zodpovedajú prvkom originálu vo všetkom okrem príťažlivej sily, ktorú však v ideálnom
prípade zanedbávame. Túto fyzikálnu pomôcku na modelovanie neusporiadaného pohybu
častíc ideálneho plynu v nádobe môžeme považovať za izomorfný model.
Ako iný typ modelovania uvedieme porovnanie dvoch javov: javu postupného
pozdĺžneho mechanického vlnenia, ktoré sa šíri pružným prostredím v smere určitej osi,
napríklad pružnou kovovou tyčou a javu, ktorý demonštrujeme na školskej pomôcke
Machov vlnostroj. Na Machovom vlnostroji kmitajú závažia kyvadielok rovnako ako
častice v bodovom rade, ktorým postupuje pozdĺžne vlnenie. V tomto prípade však
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 17
Simulácie vo vyučovaní fyziky
chýbajú analógie pružných väzieb medzi závažiami jednotlivých kyvadiel. Preto Machov
vlnostroj môžeme pri skúmaní postupného pozdĺžneho mechanického vlnenia považovať
iba za homomorfný model bodového radu v pružnom prostredí. Izomorfným modelom by
sa stal iba vtedy, keby jednotlivé kyvadielka boli pospájané napríklad pružinkami, ktoré by
modelovali väzbové sily. Avšak na izomorfné modelovanie bodového radu pružného
prostredia máme k dispozícii pomôcku pružinového vlnostroja, ktorá sa skladá z približne
jeden meter dlhej valcovej pružiny, ktorá je zavesená vodorovne na niekoľkých tenkých
vláknach. Modelmi jednotlivých častíc pružného prostredia sú závity špirály a modelmi
pružných väzbových síl v prostredí sú sily, ktorými pri napínaní pôsobia sily medzi
jednotlivými závitmi špirály.
2.4 MATEMATICKÉ MODELOVANIE
Pod pojmom matematické modelovanie chápeme proces, kedy z objektu
vyberieme prvky a ich vzájomné súvislosti, ktoré nazývame väzbami. Prvky a väzby
medzi nimi potom zobrazujeme pomocou fyzikálnych veličín a matematickými vzťahmi
medzi nimi. Najčastejším matematickým modelovaním objektu býva modelovanie
na počítači, kde môžeme pozorovať, ako sa daný objekt správa.
Modelovanie na počítači sa riadi určitými zásadami, napríklad:
•
Model zvyčajne býva chudobnejší ako originálna sústava, ktorú modelujeme.
•
Pri vytváraní modelu zanedbávame niektoré časti originálnej modelovanej sústavy.
•
Model vzniká idealizáciou objektu.
•
Model má správanie originálneho objektu iba napodobňovať.
2.5 EMPIRICKÉ MODELY OBJEKTOV
Už podľa názvu „empirické“ môžeme usúdiť, že používanie modelov empirického
typu v procese poznávania bude vychádzať zo skúsenosti (empírie). Študenti už majú
v 2. ročníku strednej školy dostatok osobných skúseností, aby sme na základe nich mohli
vytvárať empirické modely, aby pochopili správanie skúmaného objektu. Ak aplikujeme
na objekt proces idealizácie, vznikne model, s ktorým študenti mali reálnu skúsenosť,
avšak na pochopenie jeho správania sme vybrali iba tie prvky, ktoré sú charakteristické
pre správanie skúmaného objektu.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 18
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Empirické modely nevypovedanú ešte nič o fyzikálnej podstate modelovaného
objektu a sním spojeného javu. Slúžia len na zjednodušenie originálu a vytvorenie
podmienok vhodných na ďalšie poznávanie javu. Napriek tomu, že v niektorých prípadoch
empirického modelovania objektov používame aj vedecké metódy poznania (pozorovanie,
experiment, meranie) a exaktné metódy pri spracovaní dát, nepredstavuje tento
empirický poznatok ešte vedecký empirický fakt, ale vyžaduje ďalšie fyzikálne
zdôvodnenie. Na toto zdôvodnenie však treba uskutočniť ďalšie modelovanie, ktorého
cieľom je nájsť súvislosti medzi empirickým poznatkom a poznatkovým systémom, ktorý
je zložený zo známych, navzájom logicky viazaných a teoreticky zdôvodnených faktov.
2.5.1 EMPIRICKÉ MODELOVANIE POHYBU KRASOKORČULIARA PRI PIRUETE
V. Koubek definuje empirické modely objektu alebo modely 1. rádu ako modely,
ktoré vzniknú idealizáciou originálneho objektu. Ako príklad zložitého objektu uvádza
pohyb krasokorčuliara pri piruete. Na tento objekt aplikujeme proces idealizácie, aby sme
poznali s objektom aj jav – otáčavý pohyb krasokorčuliara. Analýzou tohto javu
dochádzame k vlastnostiam objektu, ktoré majú na pozorovaný jav podstatný vplyv.
V. Koubek uvádza nasledovné vlastnosti objektu: pohyb po ľade s relatívne malým trením,
otáčanie okolo zvislej osi, zmena polohy rúk rotujúceho krasokorčuliara. Z týchto
pozorovaných vzťahov ďalej vyberá zmenu uhlovej rýchlosti otáčania, ktorá súvisí so
zmenou polohy rúk rotujúceho krasokorčuliara. Aby sme o objekte mohli uvažovať ako o
izolovanej sústave, musíme prijať predpoklad, že v krátkom časovom intervale, počas
ktorého krasokorčuliara sledujeme, je zmena jeho kinetickej energie otáčavého pohybu
zanedbateľne malá.
OBRÁZOK 1: EMPIRICKÝ IDEALIZOVANÝ MODEL
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 19
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Na obrázku 1 je obrazový (ikonický) model, schematicky znázorňujúci základné
prvky objektu – postavu krasokorčuliara, ktorá má v rukách činky. Činky majú idealizovať
tú vlastnosť javu, ktorá sa pri sledovaní otáčania javí ako podstatná - každá zmena
v rozložení hmotnosti objektu je príčinou zmeny jeho uhlovej rýchlosti. Podmienky
izolovanej sústavy sa realizujú otáčaním na točni, uloženej na guľôčkových ložiskách.
Znázornený model môžeme realizovať ideálne – pomocou obrazu, ale v školských
podmienkach aj materiálne – ako demonštračný experiment, ak máme k dispozícii točňu,
ktorej os je uložená v guľôčkových ložiskách, aby sme dosiahli zanedbateľne malú
hodnotu otáčavého momentu trecej sily. (JANOVIČ, a iní, 1999) Použitý stupeň abstrakcie
pri ideálnej alebo materiálnej realizácii nie je príliš vysoký.
V školských podmienkach demonštračný experiment empirického modelovania
zmeny uhlovej rýchlosti otáčania väčšinou realizujeme s pomôckami ako uviedol V.
Koubek (točňa a činky). Študenti pomocou takto realizovaného empirického modelu
objektu môžu sami prísť na to, prečo krasokorčuliar pri piruete má ruky blízko pri tele
a nohy skrížené tak, aby boli čo najbližšie pri sebe. Taktiež si môžu odôvodniť prečo pri
dopadaní korčuliar rozpaží ruky.
2.6 TEORETICKÉ MODELY OBJEKTOV
Empirické modely vznikajú idealizáciou konkrétneho, spravidla makroskopického
objektu. Ukázali sme, že empirický poznatok, ktorý môžeme empirickým modelovaním
získať, ešte nie je zaradený do logicky utriedeného poznatkového systému a preto mu
nemôžeme priznať všeobecnú platnosť. Až keď sa nám podarí nájsť tzv. prvotný teoretický
model javu, t. j. objaviť súvislosti medzi empirickým poznatkom alogicky utriedenými
poznatkami, môžeme uvažovať o empirickom poznatku ako o tzv. empirickom fakte.
Takýto spôsob teoretického modelovania sa začína potrebou zaradiť empirický poznatok
medzi poznatky, ktoré sú navzájom logicky previazané, teda vytvorili už vo vedomí ich
nositeľa poznatkový systém.
Rozlišujú sa dva druhy teoretického modelovania.
Prvý z nich sa používa na teoretické zdôvodňovanie a vysvetľovanie empirických
poznatkov. Také teoretické modelovanie obvykle prebieha súbežne s analýzou empiricky
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 20
Simulácie vo vyučovaní fyziky
získaného výsledku: Teoretický model sa tvorí tak, aby vysvetlil správanie empirického
modelu a aby bol v súlade s empirickým poznatkom, ktorý z tohto modelu vyplýva.
Teoretický model iného druhu vzniká na vyššej poznatkovej úrovni. Jeho zdrojom
býva súbor vedeckých empirických a vedeckých teoretických faktov, ktoré sú súčasťou
všeobecne uznávaného, logicky utriedeného systému vedeckých poznatkov. Tvorca
modelu sa na začiatku modelovania spravidla domnieva, že ním vybrané poznatky súvisia
s niektorým javom, ktorý doteraz nie je dostatočne poznaný a fyzikálne opísaný. Zároveň
predpokladá, že existujú vnútorné väzby aj medzi poznatkami, ktoré vybral a s ktorými
pracuje. Syntézou niekoľkých vybraných poznatkov vznikne nová myšlienková konštrukcia
– nový teoretický poznatok.
Pretože fyzika pracuje najčastejšie s poznatkami vyjadrenými matematickou
formou – obvykle sústavami rovníc – máva často aj výsledok vykonanej syntézy
matematickú formu. Pretože pri tomto teoretickom modelovaní sa vychádza z poznatkov,
empirických aj teoretických, ktorých pravdivosť sa overila už dávnejšie, pred ich
zaradením do vedeckého systému, nemali by byť pochybnosti ani o pravdivosti nového,
takto získaného poznatku. Napriek tomu však v poslednej fáze teoretického modelovania
treba vždy vyhľadať vhodný materiálne realizovaný model, na ktorom sa ukáže, či nová
teoreticky vybudovaná myšlienková konštrukcia je reálna.
Vo fyzikálnej vede sa najčastejšie za teoretický model považuje sústava objektov,
ich vlastností a vzťahov medzi nimi, opísaných sústavou rovníc (napr. sústavou
Maxwellových rovníc elektromagnetického poľa). O reálnej existencii objektov, ktoré sa
týmto modelovaním riadia, sa môžeme presvedčiť pozorovaním, experimentom alebo
meraním. Zo sústavy Maxwellových rovníc sa odvádzajú napr. zákony elektrického prúdu,
Lenzov zákon alebo Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie. O ich platnosti, a teda
sprostredkovane
aj
o platnosti
východiskových
rovníc,
sa
môžeme
presvedčiť
verifikačnými pokusmi. (JANOVIČ, a iní, 1999)
2.7 REALIZÁCIA MODELOV FYZIKÁLNYCH OBJEKTOV
Podľa spôsobu realizácie modelov fyzikálnych objektov, delíme fyzikálne objekty
do dvoch skupín: na modely realizované materiálne a ideálne (myšlienkové) modely.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 21
Simulácie vo vyučovaní fyziky
2.7.1 MATERIÁLNE REALIZOVANÉ MODELY FYZIKÁLNYCH OBJEKTOV
Do skupiny materiálnych modelov patria všetky reálne predmety, prístroje
a zariadenia, ktoré keď žiak používa alebo pomocou nich pozoruje určité javy, získava
fyzikálne poznatky.
V. Koubek ich ďalej rozdelil do skupín:
•
prirodzené objekty,
•
modely fyzikálnych a technických objektov,
•
modely na demonštráciu javov. (JANOVIČ, a iní, 1999)
2.7.1.1 Prirodzené objekty
Do kategórie prirodzených objektov patria napríklad minerály, ktoré používame
na hodinách (magnetovec, islandský vápenec, jantár, …). Taktiež medzi prirodzené objekty
môžeme zaradiť aj technické zariadenia alebo ich súčiastky, ktoré slúžia na reálne
priblíženie študentom. V procese vyučovania z technických zariadení zvykneme používať
napríklad elektromotor, transformátor, fotoaparát, zo súčiastok sú to napríklad dióda či
kondenzátor. Všetky tieto predmety môžeme nazvať modelmi iba vtedy, keď sú zaradené
do vyučovania ako jeho objekty. Existujú technické zariadenia upravené výlučne na účely
vyučovania, ktoré potom nazývame didakticky upravenými vzorkami. Patria tu pomôcky
ako rez motorom alebo čiastočne rozobratá batéria.
2.7.1.2 Modely fyzikálnych a technických objektov
V procese vyučovania fyziky nemôžeme využívať niektoré predmety a technické
zariadenia kvôli ich konštrukčnej zložitosti, nedostupnosti, vysokej cene či rozmerom
daného objektu. Kvôli tomu, že originály sú nevhodné na to, aby sa priamo využívali vo
vyučovaní, nahradzujeme ich modelmi. Práve tieto modely predmetov a technických
zariadení spadajú do kategórie modelov fyzikálnych a technických objektov.
Jedným z takýchto modelov je aj pomôcka zvaná kryštálová mriežka skúmaného
kryštálu.
Je
to
akási
napodobenina
originálneho
objektu,
ktorá
zachováva
najpodstatnejšie objekty originálneho kryštálu. Vzhľadom na to, že v realite nemôžeme
pozorovať kryštálové mriežky jednotlivých kryštálov, ich modely musia byť zostrojené tak,
aby zväčšili originál v príslušnom meradle. Na obrázku 2 je znázornený model kryštálovej
mriežky chloridu sodného. Môžeme si všimnúť, že jednotlivé molekuly chlóru a sodíka sú
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 22
Simulácie vo vyučovaní fyziky
rozlíšené jednak farebne, ale aj veľkosťou. Práve takýmto spôsobom sa môžu zvýrazniť
podstatné znaky objektu. Veľkosť modelu nám umožní pohľad do vnútra objektu,
prípadne niektoré modely kryštálových mriežok sa dajú rozložiť na časti. Modely tohto
typu nazývame geometricky podobné modely.
OBRÁZOK 2: MODEL KRYŠTÁLOVEJ MRIEŽKY CHLORIDU SODNÉHO
Opakom k statickým modelom sú funkčné modely, ktoré slúžia prevažne
na objasnenie princípov technických zariadení. Na využívanie vo vyučovaní sú funkčné
modely konštrukčne upravované tak, aby zmenšili, prípadne zväčšili originálne zariadenie.
Príkladom môže byť elektromotor.
Modely na demonštráciu javov sa delia na dve skupiny: na javy prístupné
zmyslovému vnímaniu a javy, ktoré sú zmyslovým vnemom neprístupné.
V. Koubek uvádza, že pri pozorovaní javov nedostupných priamemu pozorovaniu,
model určený na demonštráciu javu umožňuje buď jeho sprostredkované pozorovanie
transformáciou do oblasti dostupnej zmyslom alebo nahradenie študovaného javu javom
iným, ktorý má spoločné určité znaky s pôvodným javom.
V prvom prípade - pri transformácii javu do oblasti zmyslových vnemov – je
spravidla skúmaným modelom objekt, ktorý o poznávanej skutočnosti vypovedá
nepriamo. Ako typický príklad takéhoto modelovania V. Koubek uvádza skúmanie spektier
pri modelovaní vlastností atómu. Meraním vlnových dĺžok čiarových spektier možno
získať dostatok informácií potrebných na postavenie ideálneho modelu atómu. Ako iný
príklad uvádza pozorovanie a premeriavanie stôp dopadu elektrónov na luminiscenčnom
tienidle po ich prechode elektrickým či magnetickým silovým poľom vo vnútri vákuovej
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 23
Simulácie vo vyučovaní fyziky
trubice. Získané dáta umožňujú modelovať mechanizmus silového pôsobenia, ktorému
bol elektrón pri prelete silovým poľom vystavený.
V druhom prípade, ak nahradíme skúmaný jav iným javom, nemusí byť
medzi modelovaným objektom a realizovaným modelov fyzikálna podobnosť založená
na izomorfnom zobrazení. V. Koubek spomína príklad modelov vlnenia bodového radu,
realizovaných pomocou Machovho kyvadlového vlnostroja, kde pohyby závaží
jednotlivých kyvadielok síce modelujú kmitanie častíc bodového radu, avšak žiadny prvok
nezodpovedá väzbovým silám, ktoré podmieňujú kmitanie v pružnom prostredí.
(JANOVIČ, a iní, 1999)
2.7.2 IDEÁLNE MODELY FYZIKÁLNYCH OBJEKTOV
Rozdiel medzi materiálne realizovanými modelmi a ideálnymi modelmi
fyzikálnych objektov je zjavný. Zatiaľ čo pri materiálne realizovaných modeloch sme mali
fyzicky k dispozícii reálne pomôcky, pri ideálnych modeloch sa kladie dôraz na
myšlienkové operácie žiaka. Ideálne modely objektov môžu byť realizované pomocou
materiálnych objektov ako sú obrázky, nákresy alebo znaky, ale správanie modelov môže
žiak sledovať len prostredníctvom myšlienkových operácií, ktoré vykonáva.
V. Koubek rozdeľuje ideálne modely fyzikálnych objektov na:
•
obrazové (ikonické) modely,
•
znakové (symbolické) modely,
•
zmiešané (obrázkovo – znakové) modely. (JANOVIČ, a iní, 1999)
Idealizovaním niektorých predmetov u žiakov budujeme ideálny model, ktorý je
založený na myšlienkových operáciách žiaka. Tento abstraktný ideálny model má v
porovnaní s ostatnými typmi jednu nevýhodu a to tú, že žiak často nevie odhadnúť mieru
abstrakcie, ktorá je v každej úlohovej situácií rôzna. Vytvorí si tak akýsi univerzálny model
abstrakcie, ktorý potom aplikuje na rôzne ďalšie situácie.
Vo vyučovaní fyziky sa stretneme s rôznymi abstraktnými ideálnymi modelmi.
Ako príklad uvediem hmotný bod a ideálnu kvapalinu.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 24
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Už od začiatku vyučovacieho procesu fyziky sa žiak stretáva s pojmom hmotný
bod. Hmotný bod je akýsi bodový model telesa, ktorý nahradzuje originálne teleso vo
vybraných situáciách – v prípadoch, keď vzdialenosť originálneho telesa od iných telies je
veľmi veľká vzhľadom na rozmery telesa. Žiaci si väčšinou pojem hmotný bod osvoja
v popísanej podobe a potom ho používajú pri riešení fyzikálnych kinematických úloh o
posuvnom pohybe telesa. Naopak pri riešení fyzikálnych úloh o vzájomnom gravitačnom
pôsobení telies alebo pri úlohách spojených s rotáciou telesa, kde žiak pracuje
s momentom zotrvačnosti, nastáva problém, pretože sa žiak nevie preniesť nad
abstraktný ideálny model hmotného bodu alebo mu to ide oveľa ťažšie.
Ďalším príkladom ideálnych modelov je aj model ideálna kvapalina, kde v
definícii nájdeme aj podmienku, že model ideálnej kvapaliny je dokonale nestlačiteľný.
Podobne ako pri hmotnom bode, aj v prípade ideálnej kvapaliny žiak nevie mať nadhľad
a automaticky priradí vlastnosť nestlačiteľnosti k vlastnostiam reálnej, skutočnej
kvapaliny. Ak podobný automatický proces priradenia nastane aj v prípade vlastnosti
ideálnej kvapaliny, že jej objem sa nemení, môžu mať potom niektorí žiaci problémy
s pochopením javov, ktoré sú spojené s relatívnymi zmenami hustoty kvapaliny, ako je to
v prípade javu anomálie vody.
Hodnota týchto modelov alebo idealizácií z hľadiska poznávania a didaktiky klesá
tým, že žiak nevie presne odlíšiť, kedy pracuje s modelom a kedy so skutočnou fyzikálnou
realitou, teda nepozná podmienky, za akých platí použitie ideálneho abstraktného
modelu a kedy prekročil hranicu jeho použiteľnosti.
Jednou z používaných metód je metóda analógie, kde žiak porovnáva štruktúru
alebo správanie originálneho objektu a jeho modelu, ktoré vzájomne porovnáva a hľadá
podobnosti medzi nimi. Pomocou objavených analógií vie žiak realizovať systémovú
analýzu a zároveň vie nájsť homomorfné alebo izomorfné vzťahy medzi originálnym
objektom a modelom.
Metódu analógie vo fyzike najčastejšie používame pri opisovaní podobností javov
z mechaniky a elektromagnetizmu. Ako príklad uvedieme analógiu javov v gravitačnom
poli a javmi, ktoré sa vyskytujú v radiálnom elektrickom poli. V tomto príklade však
nájdeme iba podobnosť formy gravitačného a radiálneho poľa. Dôkazom je, že
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 25
Simulácie vo vyučovaní fyziky
v gravitačnom poli sa nenachádza odpudivá sila, ktorá naopak pôsobí medzi súhlasnými
elektrickými nábojmi v elektrostatike alebo v gravitačnom poli nenájdeme model, ktorý
by sme mohli považovať za analógiu s kapacitou vodiča.
Modely, ktoré vznikajú pomocou metódy analógie, podobne ako modely –
idealizácie, majú svoje nedostatky a to hlavne vtedy, keď žiak automaticky prenesie, teda
extrapoluje vlastnosti modelu, ktoré boli funkčné v konkrétnom type úlohovej situácie,
do inej situácie, kde sú nastavené úplne iné, nové podmienky. V konkrétnych prípadoch
žiak nemôže preniesť predstavy z hydrodynamiky do elektrických obvodov striedavého
prúdu.
V. Koubek uvádza, čo by mal učiteľ zdôrazniť pri každom použití modelu –
analógie:
•
Medzi oboma porovnávanými oblasťami musí existovať podstatná fyzikálna
analógia.
•
Oblasť fyziky, ktorú porovnávame, musí byť žiakom lepšie známa ako novo
poznávaná oblasť.
•
Použitá analógia nesmie viesť k vytváraniu predstáv, ktoré by boli chybné
z fyzikálneho hľadiska. (JANOVIČ, a iní, 1999)
Grafické modely spolu s idealizáciou, abstrakciou a metódou analógie patria
do jednej skupiny veľmi úzko súvisiacich prvkov. Význačným charakternom pre grafické
modely je ich obraznosť a názornosť. V. Koubek upozorňuje na fakt, že schopnosť vytvoriť
si názornú predstavu po tom, ako žiak uvidí grafický model, nie je prirodzenou a vrodenou
ľudskou vlastnosťou. Do kategórie grafických modelov spadá široké spektrum počnúc
modelmi objektov zachytených fotoaparátom a teda dostupných na fotografiách až
po schémy, ktoré sa skladajú zo symbolických prvkov. Dá sa povedať, že informácia, ktorú
má grafický model sprostredkovať je určitým spôsobom zašifrovaná alebo zakódovaná.
Preto miera názornosti do značnej miery závisí od toho, ako žiak ovláda danú šifru alebo
kód, pomocou ktorého získa informácie, ktoré grafický model obsahuje. Preto môžeme
konštatovať, že hlavnou úlohou grafických modelov nie je zjednodušenie zobrazovania
fyzikálnej reality, ale naopak, názorné objasnenie fyzikálnej podstaty javov, ktoré žiak
skúma. V niektorých prípadoch je pochopenie fyzikálneho zákona alebo teórie postavené
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 26
Simulácie vo vyučovaní fyziky
práve na grafickom modeli. Ako príklady grafických modelov s rôznymi stupňami
názornosti uvedieme vlnenie ľubovoľného charakteru, ktoré je znázornené čiarou so
sínusovým priebehom alebo znázornenie fyzikálnych polí čiarami rôznych druhov
(siločiary, indukčné čiary, prúdnice, ...).
Jenou z foriem grafického modelovania, ktorá sa často podceňuje, je aj
znázorňovanie vektorových veličín orientovanými úsečkami. Iným druhom grafických
modelov sú aj náčrty a zjednodušené obrazy (schémy). Takéto náčrty a schémy slúžia
na zjednodušené a prehľadnejšie znázornenie zložitých zariadení a ich činnosti. Umožňujú
tak rýchlu čitateľnosť a pochopenie funkcie a vzájomných súvislostí jednotlivých častí
modelovaných zariadení.
Vo fyzike našlo uplatnenie veľa rôznych znakov alebo symbolov. Už len keď sa
pozrieme na vyučovanie fyziky, nájdeme numerické znaky prevzaté z matematiky ako
číslice alebo znaky pre výpočtové operácie, algebraické znaky, taktiež z vied s prírodným
a technickým zameraním. Fyzika samotná používa najmä písmená na označovanie
jednotlivých veličín a ich jednotiek, ale aj iné pre ňu špecifické znaky. Je známe, že v
prvom období rozvoja fyziky ako vedeckej disciplíny sa pre označovanie fyzikálnych veličín
používali začiatočné písmená zich latinských názvov. Ako príklad uvedieme t – tempus, s –
spatium, v – velocitas, či a – acceleratio. Postupne, ako sa fyzika rozširovala do iných
prostredí, sa tento zvyk prestal používať.
2.7.3 FACEBOOK – MATEMATICKÉ MODELOVANIE?
Keď koncom roka 2010 známa sociálna sieť facebook ohlásila 500 miliónov
používateľov, rozhodol sa Paul Butler, člen inžinierskeho tímu dátovej štruktúry,
o vizualizáciu priateľstiev, ktoré boli vytvorené prostredníctvom tejto sociálnej siete.
Paul Butler vo svojom blogu prirovnal vizualizáciu dát k fotografovaniu stým
rozdielom, že môžeme manipulovať so šošovkou, aby sme prezentovali dáta z určitého
uhla. (BUTLER, 2010) Keď máme k dispozícii dáta od 500 miliónov ľudí, naskytuje sa nám
veľa možností, z akých uhlov si môžeme prezrieť dáta. Zvedavosť u Butlera vzbudila
lokalita priateľstiev. Zaujímalo ho, ako geografické apolitické hranice ovplyvňujú, kde žijú
ľudia v spojení s ich priateľmi. Chcel vytvoriť vizualizáciu, ktorá by ukázala, ktoré mestá
majú veľa vytvorených priateľstiev medzi nimi. Nasledovne opisuje prvotný pokus so
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 27
Simulácie vo vyučovaní fyziky
vzorkou desiatich miliónov párov priateľstiev z ich dátovej banky. Tie dáta skombinoval
skaždým súčasným miestom daného používateľa a spočítal počet priateľov medzi každým
párom miest. Potom tieto dáta spojil s údajmi zemepisnej dĺžky a zemepisnej šírky
každého mesta. V tomto momente začal dáta preskúmavať vo voľne dostupnom
štatistickom softvérovom prostredí R 1. Ako poistku do projektu umiestnil zopár bodov so
zemepisnou dĺžkou a šírkou. Prvé, čo uvidel boli akési náznaky obrysov kontinentov.
Nasledovne zmazal body a umiestnil čiary medzi nimi. V strede sa avšak zobrazila iba
jeden veľký kruh. Butler usúdil, že má príliš mnoho dát, aby z toho vyšlo niečo zaujímavé,
preto sa rozhodol urobiť čiary polopriesvitné, každej z nich definoval váhu na základe
Euklidovskej vzdialenosti medzi bodmi (mestami) a počtu priateľov medzi nimi. Potom
vykreslil čiary medzi pármi podľa hmotnosti tak, aby dvojice miest s najvyšším počtom
priateľstiev medzi sebou boli nad ostatnými. Pre lepšie rozlíšenie použil prechod farieb
z čiernej cez modrú po bielu, kde biela farba mala najvyššiu váhu a čierna najnižšiu. Po
niekoľkých minútach renderovania sa jeden veľký kruh zmenil na prekvapivo detailnú
mapu sveta. Mapa je znázornená na obrázku 3. Ako môžeme vidieť, nie sú to len
kontinenty, ktoré sú ľahko rozlíšiteľné, ale aj niektoré medzinárodné hranice.
Zaujímavosťou je, že táto mapa nie je vytvorená zemou, vodou alebo politickými
hranicami, ale naopak, skutočnými ľudskými vzťahmi. Každá línia môže predstavovať
priateľstvá z ciest, rodiny v zahraničí alebo starých priateľov zo štúdií.
1
OBRÁZOK 3: FACEBOOK - MATEMATICKÉ MODELOVANIE
Voľne dostupný štatistický softvér na http://www.r-project.org/
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 28
Simulácie vo vyučovaní fyziky
V tomto prípade nastalo matematické modelovanie, kde sa prvkami stali
používatelia zaregistrovaní na sociálnej sieti facebook a ich vzájomné väzby sú vytvorené
prostredníctvom priateľstiev medzi nimi.
2.8 INTERAKTÍVNE MODELY FYZIKÁLNYCH OBJEKTOV A JAVOV
Z hľadiska empirického poznávania Demkanin rozdelil možnosti použitia počítača
pri experimentálnej činnosti žiakov do piatich skupín:
A) Reálne experimenty riadené počítačom
Počítač priamo riadi niektoré parametre deja, ktoré reálne prebiehajú a zároveň
zaznamenáva a spracováva namerané dáta. Medzi zariadenia, ktoré automaticky dovoľujú
riadiť určité reálne prebiehajúce deje, patrí napríklad Coach Lab II. Príkladom takého
reálne prebiehajúceho deja môže byť zapnutie žiarovky alebo ventilátora pri určitej
teplote. Momentálne sa využitie podobných zariadení v procese vyučovania fyziky
nachádza iba v začiatkoch, väčšie skúsenosti s ich použitím majú v kluboch vedy
a techniky. Použitie takýchto zariadení na hodinách fyziky je časovo nenáročné a na
základnej škole môže mať veľký motivačný účinok. Všetky tieto systémy môžeme
z hľadiska modelovania považovať za model reálneho automatizovaného systému.
B) Reálne experimenty, kde sú fyzikálne veličiny merané a následne
spracovávané počítačom
Počítač slúži ako viac meracích prístrojov. Namerané dáta spracováva a upravuje do formy
vhodnej na ich interpretáciu. Pri tejto možnosti používania počítača smerujeme
k najčastejším laboratórnym prácam a demonštračným experimentom. V tomto prípade
hovoríme o experimentoch s reálne prebiehajúcimi dejmi, ktoré majú nezastupiteľný
význam pri vyučovaní. Ak sa pozrieme na zariadenie Coach Lab II z hľadiska modelovania,
musíme si uvedomiť, že merací panel s počítačovým panelom môžeme chápať ako
modifikáciu meracieho prístroja. Žiakom by malo byť v každom okamihu experimentu
jasné, akú fyzikálnu veličinu na konkrétnych kanáloch meracieho panela meria. V prípade
niektorých iných počítačových modeloch, kde nie je bezprostredne nutné, aby žiak vedel,
čo počítač robí, mal by pri meraní reálneho deja vedieť, ako sa namerané hodnoty
spracovávajú. Teda napriek tomu, že žiak sleduje modelovaný fyzikálny dej na monitore
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 29
Simulácie vo vyučovaní fyziky
počítača, mal by vedieť, ako súvisia namerané hodnoty od informácií, ktoré spracoval
počítač a naopak.
C) Interaktívne simulované experimenty s výstupmi vo forme animácií
Do tejto kategórie patria applety, ktoré znázorňujú fyzikálne deje, kde program dovoľuje
užívateľsky jednoduchým spôsobom meniť jeden alebo viac parametrov deja. Počítačom
simulované modely dejov nám dovoľujú sledovať a študovať deje, ktoré nemôžeme
z rôznych príčin reálne pozorovať priamo v triede. Medzi takéto príčiny patrí napríklad
nižšia bezpečnosť priameho sledovania deja, cena potrebnej aparatúry, jej veľkosť, veľmi
dlhý, respektíve krátky čas trvania deja a podobne. Ďalšou skupinou počítačom
simulovaných dejov sú simulácie jednoduchých dejov, napríklad pohyb matematického
kyvadla. Ich výraznou výhodou je, že okrem animácie deja na obrazovke môžeme zároveň
sledovať aj priebeh dôležitých fyzikálnych veličín. Simulácie tak umožňujú veľkú mieru
interaktívnosti, čiže obyčajným kliknutím alebo posunutím myši môžeme meniť
parametre týchto dejov a okamžite sledovať vplyvy týchto zmien na systém.
D) Simulované deje bez možnosti meniť parametre dejov
Do kategórie simulovaných dejov bez možnosti meniť parametre údajov patria animácie,
videozáznamy, ktoré sú doplnené o animácie. Za model deja môžeme taktiež považovať
videozáznam reálnej situácie. V súčasnosti počítačová technika dovoľuje priamo žiakom
prácu s videozáznamom. Žiak môže pozorovať dej po jednotlivých obrázkoch a
z videozáznamu pomerne presne odčítať časové intervaly jednotlivých častí deja. Existujú
rôzne programy, ktoré ponúkajú možnosť sledovať konkrétny bodu vo videozázname a
určiť jeho parametre. Videozáznam reálneho deja môžeme zároveň doplniť o animácie a
tým upevniť v žiakoch pochopenie jednotlivých fyzikálnych veličín a abstraktných
objektov.
E) Simulované experimenty, matematické modely s výstupmi vo forme grafov
a tabuliek
Kategóriu kvantitatívne modelovaných experimentov s výstupmi vo forme grafov
a tabuliek môžeme realizovať pomocou viacerých prostredí, napríklad Coach alebo
programovateľné grafické kalkulačky. Medzi výhody týchto modelov patrí možnosť
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 30
Simulácie vo vyučovaní fyziky
pomerne ľahko modifikovať modely na nové situácie. To, že sa na monitore počítača
nezobrazuje modelovaný dej, môže byť nevýhodou, a práve preto nás potom vedie
k použitiu najmä pri dejoch, ktoré sú žiakom dôverne známe.
Efektívnosť a výhody počítačového experimentu na hodinách fyziky ovplyvňuje
viacero faktorov. Pri výbere počítačového experimentu musí učiteľ dobre zvážiť najmä
úroveň žiakov, vybavenie učebne, ciele vyučovanej sekvencie a časovú dotáciu.
Ak sa pozeráme na poznávaný objekt a jeho model ako na systémy, môžeme
potom sprostredkovane skúmať objekt poznávaním súvislostí medzi jeho štruktúrou
a správaním jeho modelu. Takému poznávaniu hovoríme, že pri rôznych podmienkach
činnosti modelu simulujeme jeho správanie. Človek, ktorý pracuje so simuláciou by
v procese poznávania mal mať možnosť rýchle meniť podmienky, v ktorých model
pracuje. Súčasne by mal aj prijímať informácie o zmenách správania modelu, ktoré
zodpovedajú zadaným podmienkam. Ak model umožňuje vzájomné pôsobenie s
poznávajúcim predmetom, čiže simulovanie, môžeme tento model považovať za
interaktívny.
Ideálne modely, akými sú matematické modely, sa vyznačujú vysokým stupňom
interaktivity. Avšak pri modelovaní na základných či stredných školách, sú takéto
reprezentácie väčšinou v grafickej podobe. Žiak by mal byť s modelom v interakcii určitý
čas, aby model naozaj aj splnil svoju didaktickú funkciu a poskytol tie poznatky, ktoré má
sprostredkovať. Aby žiak naozaj venoval čas takejto simulácii, mala by byť pre neho
atraktívna a motivujúca pre prácu s ňou. Z didaktického hľadiska nie je jednoduché
motivovať žiakov, aby pracovali s interaktívnym modelom a získavali tak fyzikálne
informácie, preto ak zadávame žiakovi úlohu, pri ktorej má pracovať so simuláciou, mali
by sme zaujímavo a motivačne formulovať už zadanie úlohy, ktorú má vyriešiť.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 31
Simulácie vo vyučovaní fyziky
3 MODELY VO VYUČOVANÍ FYZIKY V OFICIÁLNYCH
DOKUMENTOCH
Oficiálne dokumenty ako Štátny vzdelávací program ISCED 3, fyzika konkretizujú
obsah vyučovania a cieľové požiadavky na vedomosti a schopnosti žiakov. Nájdeme v nich
explicitne vymenované a popísané typy modelov a modelovania. V tejto časti práce
porovnáme, aké modely nájdeme v štátnom vzdelávacom programe a aké v učebnici
Fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom.
3.1 ŠTÁTNY VZDELÁVACÍ PROGRAM ISCED 3
V tejto časti popíšeme, aké modely alebo procesy modelovania sa vyskytujú
v obsahu vyučovania a cieľových požiadavkách na vedomosti a schopnosti žiakov. Zoznam
modelov je uvedený v tabuľke č. 1. Počet modelov alebo modelovaní v obsahu vyučovania
a v cieľových požiadavkách je celkovo dvanásť, z toho najviac (štyri) nájdeme v oblasti
číslo 5 Vlastnosti kvapalín a plynov. Naopak najmenej, žiadny model alebo modelovanie je
v oblasti číslo 1 Pozorovanie, meranie, experiment.
V oblasti číslo 2 Sila a pohyb nájdeme explicitne spomenutý iba jeden model
v téme Premeny mechanickej energie. Model uskutočňujeme experimentom na
modelovanie vodorovného vrhu, konkrétne streľbou z „pružinového kanóna“.
Oblasť číslo 3 Energia okolo nás ponúka tri modely alebo modelovania:
•
Modelový experiment na premenu mechanickej energie (téma: Mechanická
energia a jej premeny. Zákon zachovania energie.),
•
premeny energie vo vodnej elektrárni a v prečerpávacej elektrárni podľa
obrazového modelu (téma: Prečerpávacia elektráreň.),
•
Vykonanie experimentu, ktorý modeluje zatepľovanie domu (téma: Energetické
straty pri vykurovaní bytov, zatepľovanie, nízko energetické domy.).
V štvrtej oblasti Elektrina a magnetizmus nájdeme vykonanie jednoduchého
experimentu s funkčným modelom motora (téma: Elektromotor.) a vykonanie
experimentu, ktorý modeluje prenosovú sieť (téma: Elektrická rozvodná sieť.)
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 32
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Piata oblasť Vlastnosti kvapalín a plynov obsahuje nasledujúce modely alebo
modelovania:
•
modelovanie hydraulického zariadenia (napríklad pomocou dvoch injekčných
striekačiek a hadičky) (téma: Modelovanie hydraulických zariadení.),
•
modelovanie hydraulického zariadenia (téma: Atmosférický tlak.),
•
modelovanie pohybu molekúl (téma: Vyparovanie a kondenzácia.),
•
model spojenia jazdných pruhov na diaľnici (téma: Ako prúdia tekutiny.).
V oblasti číslo 6 Periodické deje žiaci majú spoznať grafické modely priečneho
a pozdĺžneho vlnenia a s tým súvisiaceho javu polarizácie (téma: Priečne a pozdĺžne
vlnenie.).
Oblasť číslo 7 Elektromagnetické žiarenia a častice mikrosveta učia pracovať
s modelom lúča svetla (témy: Viditeľné žiarenie. Odraz a lom svetla. Difúzny odraz. Spojná
a rozptylná šošovka, ohnisková vzdialenosť, optická mohutnosť.).
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 33
Simulácie vo vyučovaní fyziky
TABUĽKA 1: OBSAH VYUČOVANIA A CIEĽOVÝCH POŽIADAVIEK NA VEDOMOSTI A SCHOPNOSTI ŽIAKOV
OBSAH (TÉMY ROZDELENÉ DO SKUPÍN)
KONKRETIKÁCIA OBSAHU (POZNÁMKY PRE UČITEĽA)
VÝSTUP – POŽIADAVKY (ŽIAK VIE)
1. Pozorovanie, meranie, experiment
2. Sila a pohyb
Premeny mechanickej energie.
3. Energia okolo nás
Mechanická energia a jej premeny.
Zákon zachovania energie.
Prečerpávacia elektráreň.
• uskutočnenie experimentu, ktorý modeluje vodorovný vrh –
streľba z „pružinového kanóna“
• Opísať dej z hľadiska vzájomných premien
mechanickej energie
• Opísať premeny mechanickej energie na
vnútornú energiu telies
• energia športového výkonu
• odhadovanie energie (hľadanie športových výkonov na internete
a odhad energie potrebnej na výkon)
• Opis premien energie vo vodnej elektrárni a v prečerpávacej
elektrárni podľa obrazového modelu
• Vykonať a interpretovať modelový
experiment na premenu mechanickej
energie
• Opisovať reálne deje pomocou fyzikálnej
terminológie
• Vykonanie experimentu, ktorý modeluje zatepľovanie domu
• Vysvetliť ekonomickú návratnosť investícií
do energeticky nenáročných technológií
(bývanie, cestovanie, rekreácia,
priemyselná výroba)
Energetické straty pri vykurovaní
bytov, zatepľovanie, nízko energetické
domy.
4. Elektrina a magnetizmus
Elektromotor.
Transformátor.
Elektrická rozvodná sieť.
• Vykonanie jednoduchého experimentu s funkčným modelom
motora
• Vykonanie experimentu, ktorý modeluje prenosovú sieť
• Aplikovať jav elektromagnetickej indukcie
• Modelovanie hydraulického zariadenia (napríklad pomocou
dvoch injekčných striekačiek a hadičky)
• Vysvetliť funkciu hydraulických zariadení
5. Vlastnosti kvapalín a plynov
Modelovanie hydraulických zariadení.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 34
Atmosférický tlak.
Vyparovanie a kondenzácia.
Nasýtené pary.
Ako prúdia tekutiny.
Simulácie vo vyučovaní fyziky
• Torricelliho pokus a jeho modelovanie s vodným manometrom
•
•
•
•
•
Modelovanie pohybu molekúl
Vysvetlenie pohybu molekúl v kvapaline a pare
Vysvetlenie príčiny existencie tlaku v plyne
Vysvetlenie stavu nasýtených vodných pár a relatívnej vlhkosti
Meranie, ktorým určíme rýchlosť kvapaliny vytekajúcej
z vodovodného kohútika
• Vysvetlenie dôsledkov platnosti rovnice spojitosti na praktických
príkladoch
• Jednoduché experimenty potvrdzujúce Bernoulliho rovnicu
• Odvodenie Bernoulliho rovnice ako špecifického príkladu zákona
zachovania energie (v procese vyučovania, nie v závere
predmetu)
• Kvalitatívne poznať závislosť tlaku vzduchu
od nadmorskej výšky
• Pozná využitie informácie o relatívnej
vlhkosti vzduchu v miestnosti a vonku
• Použiť rovnicu spojitosti vo fyzikálnych
úlohách ako aj v úlohách s iným obsahom
(napríklad model spojenia jazdných pruhov
na diaľnici)
6. Periodické deje
Priečne a pozdĺžne vlnenie.
• Spoznanie grafických modelov priečneho a pozdĺžneho vlnenia
a s tým súvisiaceho javu polarizácie
Polarizácia vlnenia.
• Spôsoby polarizácie svetla nie sú potrebné
7. Elektromagnetické žiarenia a častice mikrosveta
Viditeľné žiarenie.
• Poznávanie základných princípov geometrickej optiky
Odraz a lom svetla.
• Spoznávanie zákonov odrazu a lomu
• Index lomu iba informatívne
Difúzny odraz.
• Disperzia
Spojná a rozptylná šošovka, ohnisková
• Práca so šošovkami graficky a prakticky, bez výpočtov a bez
kategorizácie vlastností obrazu
vzdialenosť, optická mohutnosť.
• Pracovať s modelom lúč svetla
(ŠTÁTNY PEDAGOGICKÝ ÚSTAV, 2009)
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 35
Simulácie vo vyučovaní fyziky
3.2 UČEBNICA FYZIKY PRE 2. ROČNÍK GYMNÁZIA A 6. ROČNÍK GYMNÁZIA
S OSEMROČNÝM ŠTÚDIOM
Učebnica Fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s osemročným
štúdiom je rozdelená na päť častí:
1.
Vlastnosti kvapalín a plynov, termika
2.
Periodické deje
3.
Elektrina a magnetizmus – magnetické pole
4.
Aktivity
5.
Niektoré pojmy a vzťahy.
Modely uvedené v učebnici sa do veľkej miery zhodujú s obsahom vyučovania
a cieľových požiadaviek na vedomosti a schopnosti žiakov. Podrobný zoznam modelov
a modelovania uvádzame v tabuľke č. 2.
V kapitole Vlastnosti kvapalín a plynov, termika sa nachádzajú tri modely: model
hydraulického zariadenia reprezentovaný experimentom s dvoma striekačkami s rôznym
objemom (téma: Hydraulický lis), model ideálneho plynu uvedený ako definícia v učebnici
(téma: Ideálny plyn) a model správania molekúl ideálneho plynu znázornený obrázkom
magnetov na vzduchovej lavici (téma: Ideálny plyn).
Kapitola Periodické deje obsahuje päť rôznych modelov alebo modelovaní:
•
školský model motora reprezentujúci premenu kmitavého pohybu piesta na
otáčavý pohyb hriadeľa (téma: Periodický pohyb),
•
pružinový oscilátor použitý na demonštrovanie modelovania pravidelného
striedania období ekonomického rastu a úpadku vyspelého sveta (téma:
Periodický pohyb),
•
diskusia o úlohe modelovania a zjednodušovania reálnych situácií vo fyzike (téma:
Matematický oscilátor),
•
obrázkový model lana na demonštrovanie postupného vlnenia (téma: Prenos
energie vlnením),
•
obrázkový model lana na demonštrovanie priečneho a pozdĺžneho vlnenia (téma:
Priečne a pozdĺžne vlnenie).
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 36
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Tretia kapitola Elektrina a magnetizmus obsahuje modelový experiment
namodelovanie prenosovej sústavy (téma: Prenosová sústava) a modelovú úlohu
na modelovanie prenosu elektrickej energie v energetike (téma: Prenosová sústava).
V štvrtej kapitole Aktivity sú uvedené experimenty, ktoré majú študenti
realizovať a posledná kapitola Niektoré pojmy a vzťahy obsahuje komplexný prehľad
pojmov a vzťahov použitých v učebnici.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 37
Simulácie vo vyučovaní fyziky
TABUĽKA 2: PREHĽAD MODELOV A MODELOVANÍ V UČEBNICI FYZIKY PRE 2. ROČNÍK GYMNÁZIA A 6. ROČNÍK GYMNÁZIA S OSEMROČNÝM ŠTÚDIOM
OBSAH (TÉMY ROZDELENÉ DO SKUPÍN)
1. Vlastnosti kvapalín a plynov, termika
1.2 Hydraulický lis
1.7 Ideálny plyn
TYP MODELU, MODELOVANIA
POPIS
• Model hydraulického zariadenia
• Pomocou dvoch striekačiek rôzneho objemu (str. 14)
• Model – ideálny plyn
• Model správania sa molekúl
ideálneho plynu
• Definícia ideálneho plynu (str. 23)
• Obrázok magnetov na vzduchovej lavici (str. 25)
2. Periodické deje
2.1 Periodický pohyb
• Školský model motora
• Pružinový oscilátor
• Premena kmitavého pohybu piesta na otáčavý pohyb
hriadeľa (str. 41)
• Modelovanie pravidelného striedania období
ekonomického rastu a úpadku vyspelého sveta (str. 41)
• Diskusia o úlohe modelovania a zjednodušovania
reálnych situácií vo fyzike (str. 50)
2.4 Matematický oscilátor
• Úloha modelovania
2.7 Prenos energie vlnením
• Obrázkový model lana
• Demonštrovanie postupného vlnenia (str. 59)
2.8 Priečne a pozdĺžne vlnenie
• Obrázkový model lana
• Demonštrovanie priečneho a pozdĺžneho vlnenia (str.
60)
• Modelový experiment
• Modelová úloha
• Modelovanie prenosovej sústavy (str. 96)
• Modelovanie prenosu elektrickej energie v energetike
3. Elektrina a magnetizmus
3.9 Prenosová sústava
4. Aktivity
5. Niektoré pojmy a vzťahy
voľne podľa (DEMKANIN, a iní, 2010)
Bc. Zuzana Molčanová
Strana 38
Simulácie vo vyučovaní fyziky
4 MODELOVANIE PROCESU POZNÁVANIA
V tejto kapitole sa budeme venovať jednak jednej z teórií poznávania, ktorou je
konštruktivizmus a súčasne aj učeniu sa fyziky ako takému. Primárne sa venujeme
jednému z dominantných pohľadov a to, dávaniu zmyslu novým skúsenostiam deťom
v spolupráci s inými.
4.1 KONŠTRUKTIVIZMUS
Konštruktivizmus je teória poznávania, ktorá sa snaží nachádzať odpovede
na otázky: Čo poznávame? Ako prebieha proces poznávania? Ako možno proces
poznávania (učenia) v rôznych podmienkach optimalizovať? Teória konštruktivizmu sa
opiera o výskumy v psychológii, v pedagogických vedách, vo filozofii a antropológii.
Najznámejším predstaviteľom a zakladateľom kognitívneho konštruktivizmu je
Jean Piaget. Podľa neho sa poznávanie jednotlivca rozvíja prostredníctvom procesov:
•
asimilácie – samotná poznatková štruktúra sa nezmení, iba sa obohatí o novú
informáciu;
•
akomodácie – v ňom dochádza k zmene, prispôsobeniu, či zrekonštruovaniu
doterajšieho poznania;
•
ekvilibrácie – čiže procesu vytvorenia rovnováhy.
Základnou tézou teórie konštruktivizmu je, že celé ľudské poznávanie, vrátane
spôsobov poznávania, má konštrukčný charakter. (VESELSKÝ, 2005)Môžeme to tiež
vyjadriť tak, že samotné chápanie sveta, v ktorom žijeme, konštruujeme na základe našich
skúseností. Sami si vytvárame pravidlá a mentálne modely, ktoré následne využívame
pri nachádzaní zmyslu našich skúseností. V takomto zmysle konštrukčné procesy sú
adaptívnou činnosťou človeka. Konštruktivisti ďalej zdôrazňujú úzku previazanosť
vedomostí s kontextom, v ktorom sa vytvárajú. Veselský uvádza, že ľudia, ktorí sa učia
v prirodzenom kontexte, sú v interakcii so svojím prostredím, vykonávajú manipulácie
s predmetmi tohto prostredia, sledujú účinky svojich zásahov, na základe čoho si utvárajú
interpretácie javov prostredia. V rozpore s konštruktivistickým chápaním je učenie ako
pasívne osvojovanie si hotových informácií alebo preberanie informácií od niekoho iného.
V podaní konštruktivizmu je jednotlivec, ktorý sa učí, aktívnym subjektom, ktorý hľadá
Bc. Zuzana Molčanová
Strana39
Simulácie vo vyučovaní fyziky
význam aj bez formálnych inštrukcií. Jednou stránkou poznávacích činností subjektu je
jeho aktivita pri vytváraní a dotváraní vlastného poznania. Ďalšou reverznou stránkou je
odolnosť voči zmene poznaného. Najmä koncepcie, ktoré sú založené na zmyslových
skúsenostiach, sú u jednotlivca hlboko zakorenené.
Piaget zastáva holistický prístup vo vzťahu k učeniu, ktorý vyjadruje, že dieťa
s využitím viacerých kanálov si utvára svoje pochopenie. Tými kanálmi môže byť čítanie,
počúvanie, objavovanie a skúsenosť z prostredia, v ktorom sa dieťa nachádza.
Predstaviteľom sociálneho konštruktivizmu je L. S. Vygotskij, ktorý pri učení
a poznávacom vývine jednotlivca kladie dôraz na prostredie – pôsobenie kultúry
a sociálnych kontextov, vrátane vplyvu iných ľudí.
Navodzovanie konštruktivistického učebného prostredia si od učiteľa vyžaduje
citlivý
prístup
k predchádzajúcim
skúsenostiam,
vedomostiam
žiakov,
ako
aj
zohľadňovanie a využívanie procesov a podmienok formovania a pretvárania ich
poznania. (VESELSKÝ, 2005) Musíme však zdôrazniť autentickosť učebných situácií,
v ktorých by žiaci mali možnosti využívať rozmanité zdroje informácií a skúseností.
Dôležitou zásadou je zapájanie žiakov do riešenia reálnych životných problémov.
V takomto vyučovaní jednotlivec mení svoje poznávacie štruktúry, chápanie sveta vtedy,
keď sa stávajú nefunkčnými počas interpretácie novej skúsenosti. Dôležitým aspektom je
kooperatívne učenie sa, kde sú iné osoby dôležité pri vytváraní významu a konštruovaní
vedomostných štruktúr. Zatiaľ čo pri individuálnom prístupe je dôležitým faktorom
súťaživosť, pri kooperatívnom učení sa žiak učí partnerstvu a spolupráci.
Veselský rozlišuje vo vzťahu k učeniu tri oblasti využívania technológií
(VESELSKÝ, 2005):
•
učenie sa o technológiách,
•
učenie sa z technológií,
•
učenie sa s technológiami.
Na uplatňovanie konštruktivistického prístupu v školskej praxi má čoraz väčšiu
váhu a vplyv využívanie informačných a komunikačných technológií. Podľa roly a funkcie,
Bc. Zuzana Molčanová
Strana40
Simulácie vo vyučovaní fyziky
ktoré technológie vo vyučovaní plnia. Významné podmienky a predpoklady pre
konštruktivisticky chápané učenie má posledná oblasť, učenie sa s technológiami.
Dôležitou
otázkou
v konštruktivistickom
učení
a vyučovaní
sú
spôsoby
hodnotenia a hodnotiace kritéria takéhoto učenia, či vyučovania. Vzhľadom na to, že
podstatnou stránkou konštruktivistického učenia sa je osvojovanie si významov
a získavanie kompetencií pochopiť, vysvetliť si danú skutočnosť, komunikovať jej zmysel,
nadobúdať zručnosti riešenia problémov, uplatňovanie osvojených vedomostí v reálnych
životných situáciách, Veselský uvádza, že vhodnými spôsobmi hodnotenia výsledkov
učenia žiakov sú predovšetkým tie, ktoré zachytávajú úroveň práve týchto vedomostí
a zručností. Samotná účasť žiakov na hodnotení vlastných učebných výsledkov sa pokladá
za účelnú. V konštruktivistickom vyučovaní sú významné aj skupinové formy hodnotenia.
4.2 UČENIE SA FYZIKY
Keď hovoríme o podstate učenia sa dieťaťa, musíme sa zamyslieť, pretože to
do veľkej miery ovplyvňuje naše snahy a cesty pomoci dieťaťu pri jeho učení sa.
Všeobecne môžeme nájsť tri dominantné pohľady:
•
pridávanie väčšieho množstva vedomostí a zručností ako dôsledok toho, že sa
dieťa učí;
•
dávanie zmyslu novým skúsenostiam samotným dieťaťom;
•
dávanie zmyslu novým skúsenostiam deťom v spolupráci s inými.
Prirodzene, môžeme sa na učenie pozerať ako na zmes uvedených troch
pohľadov, ale zdôraznenie jedného z nich výrazne ovplyvňuje napríklad aj nazeranie na
úlohu učiteľa, či na úlohu a formu materiálov na vyučovanie.
V našom prípade sme si vybrali pohľad dávania zmyslu novým skúsenostiam
deťom v spolupráci s inými.
Simulácie patria do kategórie počítačových modelov, ktoré umožňujú skúmanie
modelového javu v rôznych situáciách a čo je dôležité, že môžu skúmať jav s rôznymi
parametrami, ktoré ovplyvňujú správanie objektov, na ktorých daný jav pozorujeme.
Môžeme povedať, že práca so simuláciou zastáva v učení žiaka aktívnu úlohu. Práve
aktívna úloha žiaka vo vyučovaní, nie pasívna, spôsobuje, že žiak sa učí lepšie.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana41
Simulácie vo vyučovaní fyziky
V súčasnosti je aj tento názor všeobecne prijatý a potvrdilo ho aj mnoho výskumov, ktoré
ukázali, že sa žiaci učia lepšie, ak sú v celom procese vyučovania aktívni a my mu
pomáhame v jeho aktivitách.
Harlen a Deakin uviedli stránky, s ktorými máme žiakom pomáhať, aby sa im učilo
lepšie:
•
Dobrou spätnou väzbou by sme žiakovi mali pomáhať vidieť ako môže zdokonaliť
svoju prácu. Dôležitou podmienkou je, aby spätná väzba nebola hodnotiaca.
•
Nemali by sme sa sústrediť na obyčajné opisovanie vecí, ale naopak mali by sme
im pomáhať skúšať a vysvetľovať veci.
•
Žiakov by sme mali učiť zodpovednosti za hodnotenie svojej práce, aby si vedeli
nájsť chyby vo svojej vlastnej práci alebo v práci spolužiakov alebo rovesníkov.
•
V žiakoch by sme mali podnecovať diskusie alebo prezentácie vecí a zároveň by
sme im mali pomáhať vysvetľovať svoje úvahy.
•
Žiak sa učí lepšie ak mu pomáhame pochopiť ciele svojej práce a jej kvalitu, ku
ktorej majú smerovať. (HARLEN, 2009)
4.3 UČENIE SA AKO SLED UDALOSTÍ
Skúsenosť ako taká nám ponúka možnosť spoznať veci a zistiť ako fungujú. Avšak
samotný empirický poznatok, ešte neznamená, že sa žiak niečo naučil. Aby empirické
poznatky, teda skúsenosti, mohli viesť k učeniu, musíme si zadefinovať potrebné
podmienky. Harlen podľa svojich výskumov uvádza podmienky pre skúsenosť:
•
Skúsenosť by mala byť v dosahu súčasných myšlienok žiaka a v dosahu jeho
vedomostí. Prakticky to znamená, že žiak by už mal mať určité vedomosti na to,
aby vedel začleniť nové poznatky do svojich, už vytvorených, konštrukcií, keď
pracuje s vecami a získava tak empirické poznatky.
•
Nová skúsenosť by sa mala dať prepojiť s predchádzajúcimi skúsenosťami.
•
Skúsenosť má podnecovať žiaka, aby vysvetľoval veci, javy a získané skúsenosti.
Taktiež stimuluje žiaka k interakcii so živými a neživými predmetmi, ktoré sa
nachádzajú v jeho okolí.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana42
•
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Testovanie myšlienok žiaka, ktoré súvisia s vysvetľovaním javov alebo udalostí,
ktoré sú pre žiaka nové, je tiež jednou z podmienok skúsenosti.
•
Skúsenosťou dávame žiakovi taktiež prístup k testovaniu alternatívnych myšlienok,
ktoré má k dispozícii popri vlastných myšlienkach.
•
Ďalšou z podmienok skúsenosti je, že má žiakovi pomáhať rozvíjať jeho zručnosti,
ktoré sú potrebné k vedeckému testovaniu myšlienok na úrovni, ktorá zodpovedá
veku žiaka.
•
Skúsenosť zároveň umožňuje žiakovi ovládať proces dávania zmyslu novej
skúsenosti.
•
Skúsenosťou by sme mali povzbudzovať žiaka k uvedomovaniu si toho, ako sa
zmenili jeho názory, myšlienky a zručnosti. (HARLEN, 2009)
Po aplikovaní týchto pravidiel pre skúsenosti do vyučovania, by si žiak po každej
empirickej aktivite mal vedieť zodpovedať na otázky: Aké nové myšlienky a nápady mám
po dnešnej aktivite? Ako môžem v každodennom živote využiť to, čo som sa dnes naučil/a?
Harlen popisuje aktivitu, ako žiaci na základe empirických poznatkov získavajú
potrebné vedomosti. Žiaci mali vytvoriť štvorčlenné skupiny a každá skupina dostala
k dispozícii štyri kvádre z lakovaného dreva, ktoré mali rovnakú veľkosť a tvar, ale rôznu
hmotnosti. K dispozícii mali aj bežné laboratórne vybavenie a nasledujúce inštrukcie:
• Polož kvádre na vodnú hladinu. Pozorne sleduj, ako sa správajú, plávajú.
Aké rovnaké znaky si našiel na spôsobe ako plávajú?
Ak porovnáš dva plávajúce kvádre, aké sú rozdiely medzi oboma spôsobmi plávania?
Vyberte spomedzi seba jedného, kto zapíše, čo ste pozorovali, alebo zakreslí, ako
kvádre plávajú.
Skontrolujte, či všetci súhlasíte, že váš záznam naozaj popisuje to, čo vidíte.
Zoraďte kvádre od najlepšieho po najhoršieho plavca.
•
V akých ďalších stránkach sú tieto kvádre rovnaké?
V akých ďalších stránkach sú tieto kvádre rozdielne?
Bc. Zuzana Molčanová
Strana43
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Popremýšľajte o ich veľkosti, hmotnosti, farbe alebo o hocičom inom.
Odmerajte ich a odvážte ich.
Nezabudnite si zapísať, čo ste zistili.
•
Teraz diskutujte o všetkých vlastnostiach, ktoré majú tieto kvádre rovnaké. Vyberte
spomedzi seba jedného, ktorý napíše zoznam rovnakých vlastností kvádrov.
Teraz diskutujte o rozdielnych vlastnostiach kvádrov a vytvorte ich zoznam.
Pre každú vlastnosť, ktorá je rozdielna napíšte, čo ste zistili o každom hranole.
Diskutujte, ako to môžete spraviť čo najlepšie.
•
Pozrite sa na svoj zoznam rozdielnych vlastností. Vidíte v ňom nejakú zákonitosť?
(HARLEN, 2009)
Bc. Zuzana Molčanová
Strana44
Simulácie vo vyučovaní fyziky
5 PODPOROVANÉ RIADENÉ SKÚMANIE
V tejto časti sa budeme venovať podporovanému riadenému skúmaniu
(z angličtiny scaffolded guided inquiry). Podporované riadené skúmanie je skupina metód
časti fyzikálneho vzdelávania, kde žiak objavovaním empiricky získava nové poznatky
a vedomosti. Zároveň však učiteľ tento proces žiackeho poznávania riadi a podporuje.
Prekážkou pri riadenom skúmaní býva, ak žiaci nemajú dostatočné vedomosti alebo
skúsenosti s bádaním alebo nemajú laboratórium s dostatočným vybavením. Tieto
nedostatky môžu komplikovať samotný komplexný proces, ktorým riadené skúmanie je.
Medzi nedostatky patrí aj to, že žiaci často nevedia formulovať zmysluplné závery z dát,
ktoré získali objavovaním. Všetky tieto nedostatky sa snažíme obmedziť scaffoldingom, čo
je podporovanie žiaka a žiackeho procesu riadeného skúmania. Pri scaffolfingu je dôležitý
aj princíp jednoduchosti a podobnosti (z angl. principle of sameness). Jednotlivé prístupy
učiteľa k žiakom by mali byť konzistentné, aby si žiak mohol budovať vlastný význam
alebo aj zmysel učeného prírodovedného obsahu. Učiteľ by mal žiakom prezentovať
navzájom podobné a vzájomne konzistentné procesy, ktoré berú do úvahy, že žiak
potrebuje čas a skúsenosti na rozvíjanie svojich schopností bádať a skúmať.
Vyučovacia jednotka sa skladá z troch neoddeliteľných častí, ktorým musí učiteľ
vždy venovať pozornosť v každej fáze od plánovania vyučovacej jednotky, cez jej realizáciu
až po plánovanie nasledujúcich vyučovacích jednotiek. Tými časťami sú:
•
zamýšľané kurikulum 2,
•
implementované kurikulum,
•
dosiahnuté kurikulum.
5.1 ZAMÝŠĽANÉ KURIKULUM
Hlavnou úlohou zamýšľaného kurikula je určiť si cieľ, čo chceme učiť. Vytýčenie
tohto cieľa je často rovnako dôležité ako schopností potrebné pri dobrom vyučovaní.
Na Slovensku máme informácie, čo máme učiť už vopred rámcovo určené v štátnom
vzdelávacom programe alebo jednotlivo v školských vzdelávacích programoch. Vzhľadom
na to, že všetky informácie sú iba rámcovo určené, každý učiteľ sa musí venovať tomu, čo
chce žiakov naučiť.
2
Kurikulum je akýsi cieľový program, projekt alebo plán edukácie. Ak niečo považujeme za kurikulárne,
môžeme hovoriť, že je to cieľovo-programové.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana45
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Ak sa na proces zamýšľaného kurikula pozrieme z pohľadu žiaka, zistíme, že
vychádza z veľkých prírodovedných myšlienok, ktoré nazývame Big Ideas. Tieto myšlienky
máme konkretizované v cieľoch, ktoré sú stanovené v záväzných dokumentoch.
Zamýšľané kurikulum nám určuje, čo má na konci vyučovacej jednotky žiak vedieť a čo má
byť schopný spraviť. Zároveň si učiteľ vytvára kritéria úspešnosti žiaka, ktoré sú v súlade
so záväznými dokumentmi a odporučeniami.
V našom prípade je hlavným cieľom uvedomiť si, čo chceme docieliť vo
vyučovacom procese, ak budeme používať simulácie. V prvom rade by sme si mali
uvedomiť, že samotné simulácie nikdy nenahradia reálne uskutočnené experimenty.
Cieľom simulácií je pomôcť žiakom lepšie pochopiť skúmaný jav, ktorý by im mal
poskytnúť možnosti, ktoré sú v školách, respektíve na Zemi, takmer nemožné realizácie.
Preto si pri zamýšľanom kurikulu musíme uvedomiť, čo chceme učiť a ako nám v tom
môžu pomôcť simulácie. V žiadnom prípade by to nemalo byť tak, že chceme násilne
použiť vo vyučovacej jednotke simuláciu a preto tomu prispôsobíme celý koncept
vyučovania.
5.2 REALIZOVANÉ KURIKULUM
Ďalšou časťou podporovaného riadeného skúmania je implementované alebo
realizované kurikulum, ktorej podstatou je realizácia samotnej žiackej aktivity.
Klentchy rozdelil túto časť na štyri podskupiny:
1. príprava scény pre učenie (set the stage for learning),
2. formulovanie výskumných otázok a hypotéz (formulating investigable
questions and predictions),
3. plánovanie, organizácia a realizácia skúmania (planning, organising
and conducting the investigation
4. dávanie zmyslu výsledkom skúmania (making meaning).
(KLENTSCHY, M.; THOMPSON, L., 2008)
Pred tým, ako chceme používať simulácie na hodinách, by sme mali žiakom podať
dostatočný teoretický alebo praktický základ. Môžeme to tak urobiť jednoduchým
Bc. Zuzana Molčanová
Strana46
Simulácie vo vyučovaní fyziky
experimentom, na ktorom demonštrujeme určitý jav a podať im jednotlivé definície
nových pojmov. Tento proces by mal prebehnúť počas samostatnej vyučovacej jednotky,
po ktorej by mala nasledovať ďalšia, na ktorej sa chystáme používať simuláciu. Žiaci by tak
už mali rozumieť slovníku, ktorý sa chystáme používať pri práci so simuláciou. Taktiež by
sme mali upozorniť na niektoré slová, ktoré môžu mať pri práci so simuláciou iný význam
ako v bežnom používaní. Dôležitou súčasťou jednotlivej vyučovacej jednotky je, aby si
žiaci v triede rozumeli nielen medzi sebou, ale aj s učiteľom. Nesmieme zabudnúť žiakom
predostrieť cieľ aktivity, aby videli zmysel používania konkrétnej simulácie. Ďalej musíme
zabezpečiť, aby žiaci dostatočne dobre poznali nástroje, ktoré budú mať pri aktivite
k dispozícii. Ide o krátke predstavenie konkrétnej simulácie. Zároveň by sme žiakom mali
ukázať funkčnosť jednotlivých nástrojov. V prípade, že sa v simulácii nachádzajú slová
a pojmy, ktorých význam nie je žiakom dostatočne jasný, môžeme ich zobraziť na
pomocnej nástenke alebo tabuli. Je vhodné, ak je táto nástenka alebo tabuľa dynamická,
teda na nej môžeme jednotlivé položky postupne aktualizovať.
Každé žiacke skúmanie by malo začínať zaujímavým a pútavým príbehom
(engaging scenario), na ktorý následne nadväzuje presne zameraná otázka. Učiteľ položí
výskumnú otázku, pomocou krátkeho príbehu uvedie žiakov do deja a nechá ich
formulovať vlastné výskumné otázky. Práve zaujímavý príbeh by mal viesť žiakov, aby sa
so záujmom pýtali: „Aký problém musíme vyriešiť?“, „Na akú otázku máme nájsť
odpoveď?“.
Vzhľadom na to, že na internete máme k dispozícii veľa rôznych simulácií, máme
možnosť vyvolávať také otázky v žiakoch často. Zvyčajne majú otázky nasledujúci
charakter: Čo sa stane ak…?, Ako môžeme…?. Pre formulovanie dobrej otázky by sme sa
mali riadiť danými kritériami: otázka by mala umožňovať skúmanie, ktoré je v priamom
vzťahu s príbehom a so zamýšľaným kurikulom a zároveň vedie ku skúmaniu, ktoré zahŕňa
zmysluplné kroky k výsledkom a možnosťou komunikovať dosiahnuté výsledky.
Je dobré, ak si žiak po tom, ako si sformuluje výskumnú otázku, vie sformulovať
aj predpokladanú odpoveď na otázku. K stanoveniu hypotézy by mal využívať všetky svoje
doteraz získané vedomosti súčasne s uvedeným pútavým príbehom, ktorý sme použili
na uvedenie problému. Žiak by tak mal vedieť predpovedať čo sa stane alebo sa môže
Bc. Zuzana Molčanová
Strana47
Simulácie vo vyučovaní fyziky
vyskytnúť pri hľadaní odpovede na výskumnú otázku. Teda v konkrétnom prípade
simulácií môžeme žiakov viesť k vysloveniu predpokladov čo sa stane alebo čo budeme
pozorovať, ak nastavíme určité hodnoty jednotlivých parametrov. Formulácie jednotlivých
hypotéz môžu byť nasledovné: „Myslím si, že …, pretože … .“, alebo „Ak …, tak …,
pretože … .“.
V nasledujúcej schéme popisujeme stratégie scaffoldingu pri písaní výskumných
otázok:
menej scaffoldingu
A
viac scaffoldingu
B
C
D
A) Žiaci si napíšu svoje vlastné výskumné otázky a zobrazia ich na tabuli. Tieto otázku
sú potom posudzované triedou, teda žiakmi skupiny alebo partnerom vo dvojici.
Žiak, ktorý nevie dobre vyprodukovať otázku, použije otázku, ktorú vymyslí
spolužiak.
B) Učiteľ pomáha v žiackej diskusii, kde sa posudzujú otázky vyprodukované žiakmi.
V prípade takejto diskusie si trieda vyberie jednu výskumnú otázku alebo niekoľko
výskumných otázok a jednotliví žiaci alebo skupiny žiakov si vyberajú z týchto
otázok.
C) Učiteľ poskytne triede dve alebo viac otázok a vedie v triede diskusiu, ktorej
výsledkom je výber jednej otázky, ktorú si prípadne môžu aj upraviť.
D) Učiteľ poskytne výskumnú otázku. Tento postup je vhodný, ak:
a. žiaci nemajú dostatok skúseností s produkovaním kvalitných a dobre
zameraných výskumných otázok,
b. žiaci nie sú oboznámení s obsahom vyučovacej hodiny alebo s materiálmi,
ktoré používame na hodine,
c. na tejto hodine je oveľa dôležitejší obsah vedomostí alebo iné ciele.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana48
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Žiakovi sme zadali výskumnú otázku prostredníctvom pútavého príbehu, avšak
aby žiak mohol skúmať a hľadať odpoveď na výskumnú otázku, musí si samotné skúmanie
najprv naplánovať. Práve túto fázu plánovania Klentschy rozdelil do troch častí:
1. návrh všeobecného plánu (designing the general plan),
2. návrh postupu experimentu (designing the operational plan),
3. návrh organizovania zbieraných dát (developing graphic organisers to aid data
collection). (KLENTSCHY, M.; THOMPSON, L., 2008)
Keď žiak tvorí všeobecný plán, môžeme mu pomôcť tak, že mu navrhneme
pomocné otázky. Pri zvolení nezávisle premennej veličiny, môžeme žiakovi pomôcť
otázkou: „Čo budeme v našom skúmaní meniť?“. Ak si žiak vyberá konštanty, môžeme mu
pri výbere pomôcť otázkou: „Čo budeme udržiavať nemenné?“
Pri voľbe závisle
premennej veličiny sa žiaka snažíme usmerniť napríklad otázkou: „Čo budeme sledovať?“
Podrobnejším rozpracovaním všeobecného plánu je operačný plán. Operačný
plán je vlastne istou postupnosťou jasne definovaných a realizovateľných krokov. Pri
tvorbe operačného plánu tiež môžeme žiakovi pomôcť napríklad: Po prvé …, po druhé …,
potom …, nakoniec ….
Jednou z pomôcok, ktoré učiteľ môže poskytnúť žiakom, je vhodné organizovanie
zápisu dát, ktoré žiak zozbieral a potrebuje si ich zapísať do zošita. Dáta najčastejšie
organizujeme do tabuliek, grafov, pojmových máp, zoznamov, či obrázkov s popisom.
Práve účelným organizovaním zápisu zozbieraných dát si žiak môže pripraviť dobrý
materiál na neskoršiu interpretáciu dát a taktiež uľahčí učiteľovi prácu pri ich
kontrolovaní.
Keď žiak zozbiera dáta, samotné mu nič nepovedia. Preto je potrebné, aby žiak
dal získaným dátam istý zmysel, potrebuje ich objasniť či interpretovať. Práve
interpretáciu zozbieraných dát navrhol Klentschy v štyroch etapách:
1. účasť na riadenej diskusii triedy (participating in a classroom discussion),
2. zápis tvrdení a dôkazov pre tieto tvrdenia do zošita (writing claim and evidence),
3. vyvodenie záverov (drawing conclusions),
4. aktívna účasť na zhrnutí (engaging in reflection).
Bc. Zuzana Molčanová
Strana49
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Aby bolo žiacke skúmanie kompletné, musíme žiakovi zabezpečiť účinnú spätnú
väzbu. Práve poskytovanie spätnej väzby žiakovi je jednou z najdôležitejších, ale často aj
najťažších úloh učiteľa. V prípade, že si myslíme, že účinnou spätnou väzbou je
známkovanie žiakov, mýlime sa. Viaceré výskumy dokázali, že známkovanie nemá vôbec
vplyv na výsledky, ktoré dosahujú žiaci. Učiteľ by mal takmer vždy poskytnúť žiakovi
komentár, ale pri riadenom skúmaní by mu ho mal poskytnúť vždy. Učiteľov komentár by
nemal byť kategorický, ale naopak mal by byť v priamom súvise s obsahom a procesom
skúmania a zároveň mal by v sebe zahŕňať identifikáciu možných zlepšení samotného
procesu skúmania. Práve takáto spätná väzba nemá viesť iba k tomu, že učiteľ prezentuje
informácie žiakovi, ale mala by žiakovi napomáhať k transformácii jeho vedomostí. Pre
zlepšenie procesu transformácie vedomostí, môže učiteľ položiť dodatočné otázky,
napríklad: „Aké dôkazy v tvojich dátach podporujú tvoje tvrdenia?“, „Aké tvrdenie môžeš
vyvodiť z tvojich dát?“ alebo „Aké iné vysvetlenie toho, čo sa stalo pri skúmaní, by sa dalo
napísať?“.
Ak chce učiteľ žiakom podávať účinnú spätnú väzbu, môže mu pomôcť schéma
na strane 51, ktorá je založená na Bloomovej taxonómii.
Väčšina meraní, ktoré realizujeme v školách, je priamo spojená s laboratórnym
protokolom. Hodnoteniu žiaka prostredníctvom laboratórneho protokolu sa v tejto práci
nebudeme venovať. Chceme však poukázať na merania, ktoré nie sú explicitne spojené
s laboratórnym protokolom. Pozornosť teda upriamujeme na kritéria, ktorých naplnenie
sa nedá hodnotiť na základe laboratórneho protokolu.
A) Manipulačné zručnosti:
•
Vykonávanie odborných postupov s dôrazom na bezpečnosť: Žiak dokáže
používať postupy a laboratórne vybavenie, dbá na bezpečnosť práce.
•
Vykonávanie rozličných inštrukcií: Rozličné inštrukcie žiak vykonáva správne,
adaptuje sa na nové okolnosti (v prípade potreby vyhľadáva asistenciu).
B) Osobnostné zručnosti:
•
Tímová práca: Žiak spolupracuje so spolužiakmi, berie do úvahy ich potreby, ktoré
vedú k dokončeniu úlohy.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana50
•
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Poznanie príspevku iných: Žiak očakáva, aktívne vyhľadáva a rešpektuje názory
iných.
•
Výmena a zjednocovanie myšlienok: Žiak očakáva a aktívne vyhľadáva názory
všetkých členov skupiny.
•
Prístup svnútornou motiváciou avytrvalosťou: Žiak pristupuje ku skúmaniu
s iniciatívou asamostatnosťou, ktorá smeruje k dokončeniu práce.
•
Prístup s etickým aspektom: Žiak kladie primeranú pozornosť etickým aspektom
prístupu, ktoré zahŕňajú autenticitu dát a informácií a na prístup k materiálom.
•
Pozornosť k ekologickým aspektom: Žiak venuje primeranú pozornosť
ekologickým aspektom.
Vedomosť
Porozumenie
• Kto? Čo? Kde? Kedy? Koľko?
Ktorý? Vyber ... Pomenuj ...
• Prečo? Čo je fakt a čo tvoj názor?
• Uveď príklad...
• Čo sa stane ak ... ?
Aplikácia • Popíš, čo sa môže zmeniť, ak ...
Analýza
• Akú pravidelnosť vidíš v tvojom grafe, tabuľke, v tvojich dátach?
• V čom sú ... a ... rovnaké a v čom rozdielne?
• Ktorá vlastnosť / myšlienka je najdôležitejšia?
Syntéza
• Aké závery by sa dali vyvodiť z ... ?
• Vytvor ... tak, aby sa jasne ukázalo, že ... .
• Navrhni ... Naplánuj ...
Vyhodnotenie
• Ktoré tvrdenie je najdôležitejšie?
Bc. Zuzana Molčanová
Strana51
Simulácie vo vyučovaní fyziky
6 MODERNIZÁCIA VZDELÁVACIEHO PROCESU
Modernizáciou vzdelávacieho procesu na základných a stredných školách sú
národné
projekty
vypracované
v súlade
s Operačným
programom
Vzdelávanie
Ministerstva školstva Slovenskej republiky. Na ich webovej stránke je uvedené, že
základným zámerom projektov je pripraviť učiteľov na aktívnu realizáciu školskej reformy
- prispôsobenie vzdelávacieho systému potrebám vedomostnej spoločnosti. Ďalej
uvádzajú, že špecifickými cieľmi projektov je inovovať a modernizovať obsah, metódy
a výstupy vyučovacieho procesu pre nové kompetencie práce v Modernej škole 21.
storočia. Zároveň je ich cieľom zvyšovať podiel učiteľov participujúcich na programoch
ďalšieho vzdelávania s cieľom získania a rozvoja ich kompetencií potrebných pre
vedomostnú spoločnosť. (ELFA, 2012)
Projekty modernizácie vzdelávacieho procesu pomáhajú učiteľom zorientovať sa
vo svete informačných technológií a zároveň im pomáhajú držať krok s možnosťami, ktoré
nám tieto technológie ponúkajú. Učitelia sa tak dozvedia o rôznych možnostiach ako
využívať informačné technológie na hodinách tak, aby neboli iba akousi ozdobou
vyučovania, ale naopak, aby pomáhali a podporovali jednak výklad učiteľa a taktiež aj
žiakov, aby lepšie pochopili a porozumeli preberanému učivu. Súčasťou projektov sú aj
výskumy a je dobré, ak výsledky týchto výskumov aplikujeme v didaktike fyziky,
pedagogike,
psychológii
a v ďalších
vedách
súvisiacich
s vyučovacím
procesom.
Podobnými otázkami sa zaoberá aj konštruktivizmus, ako sme uviedli v podkapitole 4.1.
S témou modernizácie vzdelávacieho procesu úzko súvisí aj samotná téma tejto
diplomovej práce.
Využívanie simulácií na hodinách fyziky sa začalo prejavovať už dávnejšie, avšak
na väčšine škôl sa takýto štýl výučby stretol s nepochopením. Učitelia fyziky mali
k dispozícií rôzne výukové CD alebo DVD materiály, ktoré málokedy boli na hodinách
využívané ako dôsledok toho, že učitelia nemali k dispozícii potrebné technologické
vybavenie ako dnes. V súčasnosti je prirodzené, že v počítačovej učebni máme aspoň
jeden počítač s dataprojektorom alebo interaktívnou tabuľou. V trende informatizácie
vyučovania fyziky v spojení s internetom máme k dispozícií množstvo materiálov, ktoré
môžeme využívať na hodinách fyziky. Ide o rôzne internetové portály venované učiteľom,
Bc. Zuzana Molčanová
Strana52
Simulácie vo vyučovaní fyziky
odborné stránky múzeí či iných inštitútov, až po rôzne osobné webové stránky a fóra.
Všade na týchto miestach je nám ponúkané kvantum informácií, z ktorých máme možnosť
vybrať si práve to, čo potrebujeme na prípravu našej vyučovacej hodiny. Jednou
z možností, ktorú nám internet ponúka, sú simulácie, ktoré patria do kategórie
vyučovacích pomôcok, s ktorými žiaci nemajú doteraz veľa skúseností.
Zúčastnením sa na jednom z kurzov modernizácie vzdelávacieho procesu sme
mali možnosť realizovať krátky prieskum s učiteľmi, ktorý je podrobne popísaný v kapitole
7.
Počas stretnutia sa s učiteľmi základných škôl v Trnavskom kraji mali učitelia
v úvode povedať názor na to, čo si myslia, že modernizácia vzdelávacieho procesu je.
Ich odpovede boli rôzne, zo všetkých sme vybrali nasledovné:
•
zaradenie modernej techniky,
•
vybudovanie počítačových učební,
•
naučiť učiteľov pracovať s modernou technikou,
•
ukázať žiakom, že technika neslúži iba na zábavu, ale aj na získavanie poznatkov
a informácií,
•
nový softvér,
•
nové metódy,
•
využívanie techniky aj na opakovanie prebratých tém,
•
oboznámenie sa so softvérom,
•
nové informácie,
•
usmernenie žiakov.
V konečnom dôsledku učitelia dospeli k názoru, že je výhodné používať nové
technológie, softvéry, či metódy, avšak všetky tie by mali byť overené. V súčasnosti máme
k dispozícii veľa rôznych možností používania počítačovej techniky a prílišný záujem či
iniciatíva by mohli učiteľa pohltiť a prestal by sa venovať svojim povinnostiam.
Zaujímavou možnosťou modernizácie by mohlo byť on-line odosielanie písomiek
alebo iných materiálov, napríklad na e-mail vyučujúceho, ktorý by večer mohol takéto
materiály doma hodnotiť.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana53
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Jedným z najdôležitejších faktorov v oblasti modernizácie škôl je samotná
informačná kultúra školy. Podľa toho, ako ju má škola zadefinovanú, by v konečnom
dôsledku mala usmerňovať žiakov.
V nedávnej minulosti takmer každá škola budovala počítačové učebne, pretože
boli na ich výstavbu prostriedky. Dnes sa však pýtame, bol to dobrý krok? Sú počítačové
učebne plusom alebo mínusom v modernej škole? Výhody či nevýhody počítačovej
učebne do veľkej miery závisia od frekvencie ich používania na rôzne predmety. Ak učiteľ
nemá možnosť byť pravidelne so žiakmi v počítačovej učebni a vyučuje v nej len raz za čas,
žiaci sa nesústredia na obsah hodiny, ale na techniku, ktorá je okolo nich a s ktorou sa
nestretávajú bežne. Pri takomto občasnom používaní má aj učiteľ problémy s obsluhou
novej alebo málo používanej techniky. Obsluha počítača je v súčasnosti pre nás
prirodzená a patrí to medzi základnú informatickú gramotnosť. No čo ak v počítačovej
učebni máme k dispozícii interaktívnu tabuľu, ktorá je jediným exemplárom na škole?
Učiteľ nemá šancu pri jej občasnom používaní využívať všetky jej funkcie naplno, pretože
nemá túto zručnosť zaužívanú. V tomto prípade sa moderná technika stáva učiteľovi
menej osožná. Preto sme sa počas štruktúrovaného rozhovoru pýtali učiteľov základných
škôl, ktorí z nich majú možnosť v ich školách ísť s každou triedou aspoň raz do týždňa do
počítačovej učebne. Výsledok bol prekvapujúci. Z deviatich učiteľov z rôznych škôl malo
takú možnosť iba päť. Aj ostatné školy mali k dispozícii počítačovú učebňu, avšak jej
kapacita bola nízka, teda celá trieda by sa do počítačovej učebne nevošla. Preto sme
zisťovali koľko učiteľov má k dispozícii notebook s dataprojektorom. Zistili sme, že všetci
prítomní učitelia zo základných škôl a aj ich kolegovia majú k dispozícii notebook. Avšak
niektorí z nich mali k dispozícii aj dataprojektor, iní ho majú len vo vybranej spoločenskej
miestnosti alebo priamo vo fyzikálnom laboratóriu. Vzhľadom na tieto skutočnosti nás
zaujímal ešte jeden fakt a to, či si žiaci môžu doniesť do škôl svoje vlastné notebooky a či
by mali možnosť sa s nimi pripojiť na internet. Z deviatich prítomných vyučujúcich všetci
uviedli, že by žiakom umožnili doniesť si vlastný notebook a približne päť škôl im vie
zabezpečiť aj pripojenie na internet.
Webové stránky, ktoré učitelia využívajú:
•
www.zborovna.sk,
•
www.katedra.sk (tento portál je v maďarčine).
Bc. Zuzana Molčanová
Strana54
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Vzdelávanie delíme na:
•
formálne (školské),
•
neformálne (informálne).
Zatiaľ čo v minulosti základom vzdelávania bolo formálne vzdelávanie, čiže žiaci
väčšinu informácií získavali iba v škole, v dnešnej dobe majú žiaci mnoho možností
neformálneho vzdelávania, ktoré je spojené s internetom, kde sú k dispozícii rôzne
informácie. Veľakrát sa tak stáva, že žiak je múdrejší ako učiteľ, teda má viac informácií
o určitých veciach. Takíto žiaci môžu mať pri vyhľadávaní informácií nezištné zámery,
avšak nájdu sa aj takí, ktorí chcú učiteľovi poškodiť tým, že si naštuduje informácie
o vybranej oblasti a pred spolužiakmi ukáže, že učiteľ nemá o vybranej oblasti dostatočné
vedomosti. V minulosti slušný učiteľ priznal, že z vybranej oblasti nemá dostatočné
vedomosti a navrhol žiakom, že si to naštuduje a potom im zodpovie otázky. Dnes by to
malo byť naopak. Nemali by sme si brať viac povinností, aby sme zodpovedali všetky
žiacke otázky, ale naopak mali by žiaka pochváliť, že venoval čas zbieraniu informácií,
prípadne ho vyzvať, aby si tému podrobnejšie doštudoval a potom získané informácie
referoval. Pýtali sme sa učiteľov fyziky na základných školách, aké sú zdroje informácií
žiaka základnej školy. Odpovede boli nasledovné: televízia, kamarátia, internet, kostol,
kniha, rodičia, či starí rodičia, pričom sme sa zhodli na tom, že najviac informácií žiak
základnej školy získava prostredníctvom televízie a kamarátov.
Učenie je dávanie zmyslu novým zážitkom a to pozitívnym aj negatívnym.
(HARLEN, 2009)
Bc. Zuzana Molčanová
Strana55
Simulácie vo vyučovaní fyziky
7 DOTAZNÍK O SIMULÁCIÁCH
Vo výskumnej časti práce sme sa zamerali na používanie simulácií na hodinách
fyziky a otvorenosti či ochoty učiteľov používať pripravené materiály k simuláciám.
7.1 CIELE A METÓDA PRÁCE
Cieľ výskumu:
1. zistiť ako simulácie ovplyvňujú vyučovanie,
2. zistiť u respondentov či využívajú služby internetu pri svojich prípravách a na
vyučovaní,
3. zistiť u respondentov ochotu používania vopred pripravených materiálov a kedy by
ich použili,
4. zistiť, či respondenti využívajú pri vyučovaní fyziky simulácie javov a experimentov.
Ako metódu výskumu sme sa rozhodli pre vytvorenie krátkeho dotazníka
o simuláciách, ktorý sme štatisticky vyhodnotili. Dotazník sme poskytli vzorke učiteľov
prevažne základných škôl, bol anonymný a obsahoval 9 otázok: 2 otvorené a 7 uzavretých.
Oslovili sme 24 respondentov, z ktorých 22 boli účastníci projektu Modernizácia
vzdelávacieho procesu pre základné školy a stredné školy, učitelia z Trnavského kraja a 2
respondenti boli učitelia z Prešovského kraja. Výsledky sú uvedené v grafoch a tabuľkách.
7.2 CHARAKTERISTIKA SÚBORU
Vzorka respondentov sa skladala zo sedemnástich žien a šiestich mužov
a rozdelili sme ju aj podľa dĺžky učiteľskej praxe:
TABUĽKA 3: DĹŽKA UČITEĽSKEJ PRAXE RESPONDENTOV
Dĺžka učiteľskej praxe (v rokoch)
Počet respondentov
0–5
1
5 – 10
10 – 20
20 a viac
Bc. Zuzana Molčanová
3
9
10
Strana56
Zaujímalo
Simulácie vo vyučovaní fyziky
nás,
aké
predmety
okrem
fyziky
respondenti
vyučujú.
Najfrekventovanejšie odpovede boli matematika a informatika.
TABUĽKA 4: PREDMETY, KTORÉ RESPONDENTI UČIA (OKREM FYZIKY)
Predmet
Počet respondentov
Matematika
14
Informatika
11
Biológia
0
Chémia
1
Iné
11
Pri otázke číslo 2Využívate možnosti internetu priamo na hodinách fyziky? z 24
respondentov iba jeden respondent uviedol, že nevyužíva možnosti internetu priamo
na hodinách fyziky. Na otázky číslo 3Využívate možnosti internetu pri vlastnej príprave
na hodiny fyziky? a číslo 4 Mali by ste záujem používať na vašich hodinách vopred
pripravené aktivity pre žiakov, ktoré by boli voľne dostupné na internete? pozitívne
odpovedalo 100% respondentov. Teda všetci respondenti využívajú možnosti internetu
pri vlastnej príprave na hodiny fyziky a zároveň všetci respondenti by mali záujem
používať na svojich hodinách vopred pripravené aktivity pre žiakov.
TABUĽKA 5: ODPOVEDE NA OTÁZKY 2, 3 A 4
Odpoveď
Otázka 2
Otázka 3
Otázka 4
Áno
23
24
24
Nie
1
0
0
Na základe týchto štatistických údajov sme zistili, že všetci oslovení respondenti
vedia, čo sú simulácie a sú ochotní spolupracovať.
7.3 HYPOTÉZY
Pri našom výskume sme zadefinovali nasledujúce hypotézy:
Hypotéza č. 1: Simulácie pomáhajú učiteľom pri vyučovaní fyziky.
Hypotéza č. 2: Učitelia považujú využitie simulácií za podnetné.
Hypotéza č. 3: Učitelia chcú používať vopred pripravené a na internete voľne dostupné
aktivity.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana57
Simulácie vo vyučovaní fyziky
7.4 VÝSLEDKY VÝSKUMU A ICH INTERPRETÁCIA
Prvá otázka z dotazníka o simuláciách bola otvorená 1 Dokončite vety
o simuláciách.
Vetu „Na hodinách fyziky mi simulácie …“ dokončili respondenti nasledovne:
TABUĽKA 6: NA HODINE FYZIKY MI SIMULÁCIE...
Odpoveď
Počet
priblížiť realistické situácie
1
pomáhajú
používam minimálne
trochu chýbajú
spestria hodinu
nevyjadrilo sa
16
1
1
1
4
Respondenti najčastejšie odpovedali, že simulácie im pomáhajú pri rôznych aktivitách,
napríklad pri vysvetľovaní a opakovaní novej látky, utváraní názornej predstavy, motivácii,
či lepšom popise niektorých javov.
Vetu „Hodiny, na ktorých používam simulácie sú …“ respondenti väčšinou dokončili
slovom zaujímavé alebo zaujímavejšie, prípadne efektívnejšie.
TABUĽKA 7: HODINY, NA KTORÝCH POUŽÍVAM SIMULÁCIE SÚ ...
Odpoveď
Počet
zaujímavé
7
zaujímavejšie
zábavnejšie, žiaci sú aktívnejší
atraktívne pre žiakov
efektívnejšie
názornejšie
nevyjadrilo sa
9
1
1
3
1
5
Ďalej mali respondenti doplniť vetu „Žiaci pracujú so simuláciami veľmi …“. Až 15
respondentov vo svojej odpovedi uviedlo, že žiaci pracujú so simuláciami veľmi radi.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana58
Simulácie vo vyučovaní fyziky
TABUĽKA 8: ŽIACI PRACUJÚ SO SIMULÁCIAMI VEĽMI ...
Odpoveď
Počet
radi
15
dobre
obmedzene
šikovne
nepracujú na hodinách so simuláciami
radi, ale nie veľmi často
nevyjadrilo sa
1
1
1
1
1
5
Odpovede na poslednú vetu „Práca so simuláciami často žiakom …“ boli najrozmanitejšie.
Iba jeden respondent uviedol, že práca so simuláciami často žiakom chýba. Až 7
respondentov sa k tejto otázke nevyjadrilo, ostatní respondenti uvádzali pozitívne
odpovede. Uviedli, že práca so simuláciami často žiakom
•
pomáha,
•
názorne ukáže jav a umožní získať predstavu o jave,
•
uľahčuje učenie a predstavivosť,
•
vyhovuje,
•
pomáha pri pochopení učiva,
•
lepšie objasní javy a pojmy,
•
motivuje (na hodine),
•
vzbudí záujem o učivo aj predmet,
•
spríjemňuje hodinu.
V piatej otázke sme zisťovali či 5 Aktivity pripravené k simuláciám by ste využili
skôr pri vyučovaní novej látky alebo opakovaní preberaného učiva. Až 16 oslovených
respondentov uviedlo, že aktivity pripravené k simuláciám by radšej využili pri vyučovaní
novej látky.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana59
Simulácie vo vyučovaní fyziky
TABUĽKA 9: AKTIVITY PRIPRAVENÉ K SIMULÁCIÁM BY STE VYUŽILI SKÔR PRI:
Odpoveď
Počet
vyučovaní novej látky
16
opakovaní preberaného učiva
oba prípady
neuvedené
6
1
1
V poslednej otázke sme sa pýtali: 6 Využívate pri vyučovaní fyziky simulácie
javov a experimentov? Z 24 respondentov iba 9 sa vyjadrilo pozitívne, 10 negatívne a 5
respondentov neuviedlo odpoveď.
TABUĽKA 10: VYUŽÍVATE PRI VYUČOVANÍ FYZIKY SIMULÁCIE JAVOV A EXPERIMENTOV?
Odpoveď
Počet
áno
9
nie
neuvedené
10
5
V prípade, že respondenti odpovedali pozitívne, mali konkrétne napísať, aké simulácie
javov a experimentov využívajú. Odpovede sme rozdelili do dvoch skupín. Jednu skupinu
tvoria odpovede reprezentované typom média alebo nosiča. Odpovede respondentov
boli:
•
applety,
•
videá,
•
didaktické výukové programy na CD,
•
powerpointové prezentácie,
•
filmy experimentov.
Druhú skupinu odpovedí tvoria konkrétne témy či oblasti, pri ktorých učitelia využívajú
simulácie. Najčastejšie respondenti uvádzali javy z optiky (lom, odraz, ohyb svetla),
nasledovali elektrárne (ich princíp činnosti a jadrové reakcie – syntéza a štiepenie) a rôzne
druhy pohybov (teleso na naklonenej rovine, pohyby planét slnečnej sústavy). Taktiež
uviedli, že využívajú simulácie aj pri objasňovaní zákonov ako Pascalov zákon, Archimedov
zákon či Newtonove zákony. Respondenti ďalej uviedli:
•
meranie fyzikálnych veličín (rýchlosti),
Bc. Zuzana Molčanová
Strana60
Simulácie vo vyučovaní fyziky
•
správanie telies v kvapalinách,
•
prúdenie kvapalín,
•
kmitanie – model kyvadla,
•
elektrina,
•
sila – skladanie, účinok na teleso,
•
akustika – zobrazovanie periodických dejov,
•
zvuk,
•
premeny skupenstva.
Na prvú otázku Dokončite vety a otázku číslo 6 o využívaní simulácií javov
a experimentov neodpovedalo v priemere až päť respondentov, ostatní sa vyjadrovali
väčšinou pozitívne, okrem jedného. Učiteľka s praxou 10 – 20 rokov, ktorá vyučuje
predmety fyzika a matematika otvorene uviedla, že simulácie javov a experimentov pri
vyučovaní fyziky nepoužíva. Pri vlastnej príprave na hodiny fyziky využíva možnosti
internetu a mala by záujem na hodinách používať vopred pripravené aktivity pre žiakov,
ktoré by boli voľne dostupné na internete. Tie by však využívala viac pri opakovaní
prebratého učiva. V prvej otázke respondentka doplnila vety nasledovne: Na hodinách
fyziky mi simulácie trochu chýbajú. Hodiny, na ktorých používam simulácie sú
zaujímavejšie pre žiakov. Žiaci pracujú so simuláciami veľmi radi (šikovne). Práca so
simuláciami často žiakom chýba. Na základe týchto odpovedí môžeme konštatovať, že
napriek využívania internetu pri príprave na hodinu, respondentka nemá možnosť
využívať simulácie na hodinách a teda stále existujú školy, ktoré majú slabšiu technickú
vybavenosť a nemôžu využívať všetky možnosti informačných technológií pri vyučovaní.
7.5 DISKUSIA
Na základe výskumu realizovaného pomocou dotazníka o simuláciách sa
hypotéza č. 1: Simulácie pomáhajú učiteľom pri vyučovaní fyziky. Túto hypotézu potvrdilo
až 67% oslovených respondentov (pozri Graf 1). Hypotéza č. 2: Učitelia považujú využitie
simulácií za podnetné. Túto hypotézu respondenti potvrdili pri niekoľkých otázkach. Až
33% respondentov uviedlo, že hodiny, na ktorých používajú simulácie sú zaujímavejšie
a 26% uviedlo, že sú zaujímavé (pozri Graf 2). Taktiež až 60% respondentov uviedlo, že
žiaci pracujú so simuláciami veľmi radi (pozri Graf 3).
Bc. Zuzana Molčanová
Strana61
Simulácie vo vyučovaní fyziky
17%
4%
priblížiť realistické situácie
pomáhajú
4%
4%
4%
používam minimálne
trochu chýbajú
spestria hodinu
67%
nevyjadrilo sa
GRAF 1: NA HODINÁCH FYZIKY MI SIMULÁCIE...
zaujímavé
18%
26%
zaujímavejšie
4%
zábavnejšie, žiaci sú
aktívnejší
11%
atraktívne pre žiakov
4%
4%
efektívnejšie
33%
názornejšie
GRAF 2: HODINY, NA KTORÝCH POUŽÍVAM SIMULÁCIE SÚ...
radi
20%
4%
4%
4%
4%
4%
dobre
obmedzene
60%
šikovne
nepracujú na hodinách so
simuláciami
radi, ale nie veľmi často
GRAF 3: ŽIACI PRACUJÚ SO SIMULÁCIAMI VEĽMI...
Bc. Zuzana Molčanová
Strana62
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Hypotéza č. 3: Učitelia chcú používať vopred pripravené a na internete voľne
dostupné aktivity sa potvrdila na 100%, všetci opýtaní respondenti by mali záujem
používať na hodinách vopred pripravené aktivity pre žiakov, ktoré by bol voľne dostupné
na internete.
100%
99%
98%
97%
96%
95%
94%
93%
0
0
24
24
1
B - nie
A - áno
23
Otázka 2
Otázka 3
Otázka 4
GRAF 4: ODPOVEDE NA OTÁZKY ČÍSLO 2, 3 A 4
Bc. Zuzana Molčanová
Strana63
Simulácie vo vyučovaní fyziky
8 PRACOVNÝ LIST – RÁZY
V tejto kapitole sa venujeme pracovnému listu o rázoch, ku ktorému je priložený
aj metodický list pre učiteľa a následne uvádzame aj odpovede žiakov, ktorí tento
pracovný list vypracovali.
8.1 METODICKÝ LIST PRE UČITEĽA
Predpoklady
Žiaci už poznajú a vedia vysvetliť:
•
pojmy perióda, frekvencia a vzájomný vzťah medzi nimi, výchylka z rovnovážnej
polohy, amplitúda výchylky
•
tvar vlnovej rovnice
•
definíciu zvuku
•
harmonické vlnenie
•
skladanie vĺn – superpozíciu vlnení
Pred tým, ako začneme pracovať s pracovným listom pre rázy, je vhodné, aby
sme v triede realizovali experiment s dvoma zdrojmi zvuku, ktoré majú takmer rovnakú
frekvenciu. Experiment je popísaný v učebnici na strane 67 v kapitole 2.12 Superpozícia
vlnení, rázy. Uvedený experiment môžeme realizovať napríklad dvomi spôsobmi:
1. Vezmeme si dve ladičky, ktoré majú takmer rovnakú frekvenciu. Najprv
rozozvučíme jednu ladičku, počujeme zvuk a následne ladičku utlmíme. Potom
rozozvučíme ladičku, počujeme zvuk a utlmíme. Nakoniec rozozvučíme oba ladičky
súčasne, kedy počujeme zaujímavý jav.
2. Použijeme počítač a vhodný softvér na generovanie zvuku. Príkladom takéhoto
jednoduchého softvéru je program Frequency. Nastavíme si dve blízke hodnoty
frekvencií. Najprv pustíme zvuk s jednou frekvenciou, potom s druhou a nakoniec
pustíme oba zdroje spolu. Aj v tomto prípade počujeme rázy veľmi zreteľne.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana64
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Pracovný list sme vytvorili k simulácii Rázy voľne dostupnej na internete3.
Vyučovaniu hodinu s použitím simulácie a pracovného listu môžete realizovať v dvoch
variantoch:
1. Simuláciu demonštračne ovláda učiteľ a žiaci vypĺňajú úlohy v pracovnom liste.
2. Každý žiak má vlastný počítač a na ňom spustenú simuláciu, sám si ju ovláda a
vypĺňa pracovný list.
Pracovný list môžete použiť pri vysvetľovaní témy Rázy, ale odporúčame, aby sa
používal ako materiál, ktorý umožňuje opakovanie prebraného učiva. Prípadne ho môžete
použiť na to, aby študenti sami objasnili a prišli na to, čo sú rázy.
Posledná strana pracovného listu slúži na doplnenie odpovedí, ak by žiak mal
málo priestoru pri jednotlivej úlohe.
Úloha 1
Potom, ako sme v triede realizovali experiment s dvoma zdrojmi zvuku, ktoré
majú takmer rovnakú frekvenciu, majú žiaci v prvej úlohe vlastnými slovami popísať jav,
ktorý počuli a súčasne sa pokúsili o vysvetlenie, čo sa deje počas toho, ako jav počujeme.
Úloha by mala slúžiť na zopakovanie spomínaného experimentu a zároveň na lepšie
pochopenie vzniknutého javu, rázom.
V odpovedi očakávame, že žiak vie popísať experiment, kde boli dva zdroje zvuku
s blízkymi frekvenciami. Za pokus o vysvetlenie by sme mohli považovať úvahu, že oba
zdroje zvuku môžeme popísať vlastnou vlnovou rovnicou. Následne, keď sú zdroje
rozozvučané naraz, predpokladáme, že žiak uvedie, že došlo ku skladaniu vlnení,
superpozícii. Pri vysokých nárokoch, môžeme očakávať, že žiak vie povedať, že amplitúda
výsledného vlnenia sa s časom mení.
Úloha 2
Na simulácii máme priradiť frekvenciám červenej a zelenej vlny hodnotu 5 Hz.
Urobíme tak pomocou dvoch posúvačov s označením Frequency (Red Wave) a Frequency
3
Simulácia dostupná na: http://www.mta.ca/faculty/science/physics/suren/Beats/Beats.html
Bc. Zuzana Molčanová
Strana65
Simulácie vo vyučovaní fyziky
(Green Wave). Potom, ako si simuláciu nastavíme podľa zadania, môžeme pokračovať
v úlohe, ktorá sa delí na tri časti:
a) Žiaci majú popísať, čo vidia na simulácii, pričom majú uviesť čo najviac faktov.
Taktiež im ponúkame možnosť, aby použili aj kvantitatívne údaje. Predpokladáme,
že žiaci s prehľadom určia dve vlny (červenú a zelenú) a uvedú, že žltá vlna je
výslednou vlnou červenej a zelenej vlny. Vzhľadom na to, že žiaci už poznajú
pojem amplitúda, očakávame, že ju budú vedieť určiť vo všetkých troch prípadoch,
pričom si ako jednotku zvolia stranu štvorčeka na štvorcovej sieti. Vzhľadom na to,
že na simulácii nie sú uvedené žiadne numerické hodnoty či jednotky vzdialenosti,
chceme zistiť, či študenti vedia logicky uvažovať.
b) V tejto časti majú žiaci vysloviť predpoklad, čo by sa stalo, keby sme frekvenciu
zelenej vlny zmenili na 6 Hz, pričom frekvencia červenej vlny zostáva nezmenená.
Žiaci už pri experimente počuli, že pri blízkych frekvenciách nastáva jav, ktorý
nazývame rázy. Očakávame, že na základe tejto skúsenosti budú vedieť
predpokladať, že amplitúda výslednej vlny sa bude v čase meniť.
c) Po tom, ako žiaci vyslovia predpoklad, na simulácii naozaj nastavíme hodnoty
pre červenú vlnu na 5 Hz a zelenú vlnu 6 Hz. Žiaci majú popísať, ako výsledná vlna
vyzerá či ako sa správa a zároveň majú zhodnotiť, či ich predpoklad bol správny.
V prípade, že ich odhad bol iný, majú napísať, aký je rozdiel medzi predpokladom
a skutočnosťou.
Ak
v predchádzajúcej
úlohe
uviedli
predpoklad,
ktorý
nezodpovedá deju, ktorý prebieha na simulácii, práve tu by mali popísať, že
amplitúda výslednej vlny sa v čase mení.
Úloha 3
Frekvencii červenej vlny máme na simulácii priradiť hodnotu 15 Hz a frekvencii
zelenej vlny hodnotu 16 Hz. Úloha je následne rozdelená na štyri časti:
a) Žiaci majú popísať, čo vidia na simulácii. Tým, že sme frekvenciám nastavili vyššie
hodnoty, pričom rozdiel frekvencií je rovnaký ako v úlohe 2C, očakávame, že žiaci
postrehnú zmenu v správaní sa vlnení. Avšak predpokladáme, že ich záver bude
rovnaký, amplitúda výslednej vlny sa v čase mení.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana66
Simulácie vo vyučovaní fyziky
b) V prípade, keď zmeníme frekvenciu zelenej vlny na 15 Hz, očakávame, že žiaci
napíšu, že dochádza k superpozícii vlnení, kde amplitúda sa v čase nemení.
c) V tejto úlohe majú žiaci určite periódu červenej, zelenej a výslednej vlny.
Predpokladáme, že vzťah medzi frekvenciou a periódou je im dobre známy. Ak by
študenti mali problémy s určením frekvencie a následnej aj periódy výslednej vlny,
môžeme im poradiť, aby sledovali pohybujúci sa bod na každej vlne.
d) Žiaci v tejto úlohe majú porovnať výsledné vlny pre dve kombinácie periód. Najprv
by mali pomocou vzťahu medzi frekvenciou a periódou určiť frekvencie, aby ich
1
s
mohli nastaviť na simulácii. Prvou kombináciou je 15 pre červenú vlnu a
1
s
14 pre zelenú vlnu. Nastavíme tieto hodnoty na simulácii a necháme žiakom čas,
aby si výslednú vlnu dobre pozreli. Potom príde na rad druhá kombinácia periód:
1
1
s
s
15 pre červenú vlnu a 16 pre zelenú vlnu. Predpokladáme, že žiaci rozdiel
nepostrehnú a napíšu, že výsledné vlny v oboch prípadoch sú rovnaké. Tak im
ukážeme, že nejde o samotné hodnoty frekvencií či periód, ale o ich rozdiel.
Úloha 4
V predposlednej úlohe pracovného listu máme periódu červenej vlny zachovať
konštantnú a postupne máme zväčšovať rozdiel medzi periódami tak, že budeme
posúvačom zvyšovať hodnotu periódy zelenej vlny. Otázkou je, či budú rázy rovnako
výrazné. Očakávame, že žiaci môžu pomenovať najmenšiu amplitúdu minimom
a najvyššiu amplitúdu maximom. Následne očakávame, že žiaci postrehnú, že minimum sa
so zväčšujúcim rozdielom frekvencií zvyšuje a zároveň sa vzdialenosť miním a maxím
skracuje. Na základe tohto uvažovania očakávame, že žiak postrehne, že rázy so
zvyšujúcim sa rozdielom frekvencií nebudú rovnako výrazné.
Úloha 5
Posledná úloha je zameraná na prepojenie simulácie s uskutočneným
experimentom. V pracovnom liste sme vymenovali rozdielne vlastnosti simulácie
a experimentu. Úlohou žiaka je nájsť ich spoločné vlastnosti. Jednou z nich môže byť
Bc. Zuzana Molčanová
Strana67
Simulácie vo vyučovaní fyziky
napríklad to, že v experimente sme počuli dva zvuky, ktoré sa spájali do jedného zvuku
so zaujímavým javom. Na simulácii sme mali pomocou vĺn znázornené tieto dva zvuky
a zároveň aj výsledný zvuk, ktorého vlna sa správala nezvyčajne, amplitúda sa s časom
menila, čo je vlastne definícia rázov.
8.2 VYHODNOTENIE PRACOVNÉHO LISTU
Pracovný list sme dali vypracovať študentom gymnázia v troch triedach: septima
(31 žiakov), 2.B (26 žiakov) a 3.C (19 žiakov).
Žiaci triedy 3.C sa učia fyziku podľa novej reformy a danú tému preberali
v druhom ročníku. Pracovný list sme im dali vyplniť dňa 27. januára 2012, vtedy bolo
v škole prítomných 19 žiakov. Predtým, ako žiaci vypracovali pracovný list sme dostali
upozornenie, že žiaci nepoznajú pojmy rázy a superpozícia, poznali iba skladanie vlnení.
V úvode sme žiakom pripomenuli tému vlnenie a zvuk a súčasne sme im na
tabuľu načrtli graf skladania dvoch vĺn (nachádza sa aj v učebnici fyziky pre 2. ročník na
strane 67). Žiaci si postupne spomenuli na všetky potrebné pojmy (amplitúda, frekvencia,
atď.). Vzhľadom na to, že v podkapitole 9.1 Metodický list pre učiteľa uvádzame, že
pred tým, ako začneme pracovať s pracovným listom pre rázy, je vhodné, aby sme v triede
realizovali experiment s dvoma zdrojmi zvuku, ktoré majú takmer rovnakú frekvenciu,
rozhodli sme sa tento experiment krátko zrealizovať. V metodickom liste uvádzame dve
možnosti uskutočnenia experimentu. V tomto prípade sme sa rozhodli pre variant
demonštračného experimentu pomocou notebooku pripojeného k dataprojektoru
a softvéru Frequency. Nastavili sme si dve blízke hodnoty frekvencií, v našom konkrétnom
prípade 440 Hz a 442 Hz. Najprv sme pustili zvuk s jednou frekvenciou (440 Hz), zastavili,
potom s druhou frekvenciou (442 Hz) a nakoniec sme pustili oba zdroje spolu. Žiaci
jednoznačne počuli zaujímavý jav, ktorý sme pomenovali rázy.
Následne sme po uskutočnenom experimente začali s vypĺňaním pracovného
listu. Po vyzvaní jeden študent prečítal úvodný text: „Pripomeňme si experiment s dvoma
zdrojmi zvuku, ktoré mali takmer rovnakú frekvenciu. Najprv sme rozozvučali jeden zdroj,
počuli sme zvuk. Tento zdroj sme utlmili a rozozvučali sme druhý zdroj. Rozdiel frekvencií
nepočujeme. Ak však rozozvučíme obidva zdroje súčasne, počujeme zaujímavý jav.“Žiaci si
pripomenuli uvedený experiment a pristúpili k prvej úlohe.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana68
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Úloha 1: Stručne popíš tento jav a pokús sa o vysvetlenie tohto javu.
Žiakom sme prečítali zadanie úlohy, aby popísali jav a vyzvali sme ich, aby sa pokúsili aj
o vysvetlenie. Napriek tejto výzve, drvivá väčšina iba popísala to, čo počuli v experimente.
Najčastejšie odpovede zneli takto: Keď boli zvuky samostatne pustené nepočuli sme
rozdiel. Keď sa pustili súčasne išlo o spojenie vlnení. Vzniknutý zvuk bol prerušovaný,
zvuky sa prekrývali. Medzi odpoveďami sa vyskytli aj výroky ako: išlo o vlnenie zvuku,
jedno z vlnení zvuku bolo silnejšie, počuli sme jav, pri ktorom vlny zvuku sa striedali raz
hore a raz dole. Z týchto odpovedí môže usúdiť, že nie všetci študenti počas experimentu
si uvedomili, že ide o skladanie vlnení a stále uvažovali o dvoch vlnách namiesto jednej
výslednej, ktorá vznikla spojením dvoch vĺn s vlastnou frekvenciou.
Potom, ako napísali svoje odpovede, prečítali sme si zadanie druhej úlohy.
Úloha 2: Na simulácii 4 priraď frekvenciám červenej a zelenej vlny hodnotu 5 Hz.
Uvedenú simuláciu sme už vopred mali pripravenú v internetovom prehliadači a tak sme
ju po prečítaní zadania ukázali študentom. Pomocou posúvača pre frekvenciu červenej
vlny a posúvača pre frekvenciu zelenej vlny sme priradili frekvenciám oboch vĺn hodnotu
5 Hz. Simulácia vyzerala nasledovne:
4
OBRÁZOK 4: VZHĽAD SIMULÁCIE PRI ÚLOHE 2
Simulácia dostupná na: http://www.mta.ca/faculty/science/physics/suren/Beats/Beats.html
Bc. Zuzana Molčanová
Strana69
Simulácie vo vyučovaní fyziky
a) Popíš, čo vidíš na simulácii. Uveď čo najviac faktov (môžeš použiť aj kvantitatívne
údaje).
Prečítali sme študentom zadanie a nechali priestor na odpoveď. Takmer všetci študenti
uviedli, že žltá vlna vznikla skladaním červenej a zelenej vlny. Za akúsi vzorovú odpoveď
môžeme považovať nasledovnú: „Červená vlna + zelená vlna = žltá vlna, je to skladanie
vĺn. Amplitúda červenej vlny - 1 štvorček, tak isto aj zelená vlna, žltá je 2 štvorčeky.“Avšak
iba dvaja študenti uviedli že červená a zelená vlna majú amplitúdu veľkosti jeden štvorček
a výsledná vlna má amplitúdu dva štvorčeky. Ostatní študenti, ktorí písali o amplitúdach
jednotlivých vĺn uvádzali, že červená a zelená vlna majú výšku dva štvorčeky a amplitúda
výslednej vlny má až štyri štvorčeky. Napriek tomu, že v zadaní sme mali hodnotu
frekvencie uvedenú, niektorí študenti pracovali s týmito údajmi, avšak nie veľmi správne,
napríklad: „Červená vlna má 5 Hz, zelená 5 Hz. Nastáva skladanie vlnenia, výsledná má 10
Hz. y = y1 + y2“. Očakávaný pojem superpozícia sa nevyskytol v žiadnej odpovedi, naopak
jeden zo študentov uviedol, že ide o interferenciu vlnení. Je to tým, že študenti pojem
superpozícia ako taký nepoznajú. Z vysvetlenia vyučujúcej vieme, že počas vyučovania
používala pojem interferencia ako vysvetlenie pre skladanie vlnení, teda pre superpozíciu.
b) Čo sa stane s výslednou vlnou, keby sme frekvenciu zelenej vlny zmenili na 6 Hz?
(frekvencia červenej vlny zostáva nezmenená, 5 Hz). Napíš svoj predpoklad.
Študenti mali vysloviť predpoklad, ako sa bude správať výsledná vlna, keby sme
frekvenciu zelenej vlny zmenili na 6 Hz. Zároveň sme ich vyzvali, aby využili všetky svoje
doteraz získané poznatky a vedomosti. Predpoklady, ktoré študenti napísali boli naozaj
rôzne, najbližšie bol nasledovný predpoklad: „To vlnenie vy bolo striedavé vlnenie. Jeden
kopček žltej by bol menší ako ten druhý, a to by sa striedalo“. Ostatné predpoklady boli
napríklad: sínusoida by sa zúžila a zväčšila, výsledná vlna by mala veľkosť amplitúdy
o niekoľko štvorčekov viac, zmenila by sa frekvencia žltej vlny, frekvencia žltej vlny by bola
5 Hz + 6 Hz = 11 Hz. Napriek tomu, že v zadaní sme sa pýtali na priebeh výslednej vlny,
veľa študentov písalo, ako sa bude správať červená či zelená vlna.
Keď študenti napísali svoje predpoklady, vyzvali sme ich, aby tento svoj predpoklad už
nijako nemenili, pričom v nasledujúcej úlohe si overíme správnosť alebo nesprávnosť ich
predpokladu.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana70
Simulácie vo vyučovaní fyziky
c) Na simulácii nastav frekvenciu zelenej vlny na 6 Hz (frekvencia červenej vlny
zostáva nezmenená, 5 Hz). Ako výsledná vlna vyzerá, ako sa vlna správa? Bol tvoj
predpoklad správny? Ak nie, aký je rozdiel medzi tvojim predpokladom
a skutočnosťou?
Pomocou posúvačov pre frekvencie vĺn sme demonštračne nastavili hodnotu frekvencie
zelenej vlny na 6 Hz pričom frekvenciu červenej vlny sme nezmenili (5 Hz). Simulácia
vyzerala nasledovne:
OBRÁZOK 5: VZHĽAD SIMULÁCIE PRI ÚLOHE 2 C
Študentov sme vyzvali, aby si dobre prezreli výslednú vlnu a napísali, ako vyzerá, ako sa
správa a zároveň vyhodnotili, či ich predpoklad z úlohy 2b) bol správny. Uvádzame
odpoveď študenta, ktorého predpoklad bol najbližšie k skutočnosti: „Vlna po zmenšení sa
zväčšuje a zmenšuje, ale nie tak ako v mojom predpoklade. Neopakuje sa to na každom
kopčeku, ale 3 – 4 kopčeku.“ Väčšina ostatných študentov priznala, že ich predpoklad
nebol správny a očakávali iný priebeh. Ani jeden študent nenapísal konkrétny záver, že
amplitúda výslednej vlny sa s časom mení, naopak v odpovediach uvádzali, že výsledná
vlna sa akosi zdeformovala alebo napísali, že výsledná amplitúda má rôzne kmitanie –
výškovo sa mení. Asi najzaujímavejšou odpoveďou bola nasledovná: „Žltá (výsledná) vlna
zmenila svoju trajektóriu a pravidelnosť.“
Bc. Zuzana Molčanová
Strana71
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Žiakom sme prečítali zadanie ďalšej úlohy a súčasne sme demonštračne nastavili hodnoty
na simulácii tak, ako je uvedené v zadaní.
Úloha 3: Na simulácii nastav hodnoty frekvencie pre červenú vlnu na 15 Hz a pre zelenú
vlnu 16 Hz.
Simulácia vyzerala nasledovne:
OBRÁZOK 6: VZHĽAD SIMULÁCIE PRI TRETEJ ÚLOHE
a) Popíš pozorovaný jav.
Študenti mali popísať, čo vidia na simulácii. Iba 5 študentov uviedlo, že nastáva ten istý
jav, ako pri úlohe číslo 2, napríklad: „Nastáva ten istý jav ako pri 2 úlohe v c. Akurát
kmitajú troška rýchlejšie a sú hustejšie na sebe.“Iný študent uviedol: „Na krivke môžeme
vidieť, že sa výchylka postupne zväčšuje a postupne klesá“, čo môžeme považovať za
akceptovateľný záver. Niektorí študenti popisujú aj správanie sa teliesok na vlnách,
napríklad: „Guličky sa pohybujú rýchlejšie. Hustejšie vlnovky sú, žltá ostala
‘zdeformovaná’, ale tiež hustejšia. Žltá gulička ide rovnako ako zelená.” Medzi
odpoveďami sme našli aj všeobecné závery, ako napríklad „výsledná vlna sa správa inak“
alebo „jedna frekvencia je vyššia ako druhá, budeme počuť zvuk inak.“
Bc. Zuzana Molčanová
Strana72
Simulácie vo vyučovaní fyziky
b) Zmeň frekvenciu zelenej vlny na 15 Hz. Popíš priebeh.
Pomocou posúvača sme zmenili frekvenciu zelenej vlny na 15 Hz a študentov sme vyzvali
k tomu, aby popísali priebeh vlnení. Simulácia vyzerala nasledovne:
OBRÁZOK 7: VZHĽAD SIMULÁCIE PRI ÚLOHE 3 B
Len málo študentov uviedlo, že ide o rovnaký jav ako v druhej úlohe s tým rozdielom, že
frekvencia je vyššia, prípadne uvádzali, že ide o skladanie vĺn. No našli sa aj iné odpovede,
napríklad: všetky tri idú rovnakým smerom a rovnakou rýchlosťou, žltá krivka má
pravidelný tvar, zelená a červená vlna kmitajú rovnako, výsledná vlna je zase v normále,
všetky tri kmitajú rovnako, či frekvencia všetkých vĺn je rovnaká. Medzi najkurióznejšie
odpovede patria: „Takže, keď je červené a zelené žiarenie rovnaké, tak aj výsledné žlté
vlnenie bude pekné, rovnaké,“ alebo „počujem čistý zvuk, frekvencia zvukov je rovnaká.“
c) Urč periódu červenej, zelenej a výslednej vlny.
T červená=
T zelená=
T výsledná=
Do vyznačených rámčekov mali študenti napísať hodnoty periód jednotlivých vĺn, ktoré sa
zobrazovali na simulácii. Jednotlivé odpovede uvádzam v nasledujúcej tabuľke:
Bc. Zuzana Molčanová
Strana73
Simulácie vo vyučovaní fyziky
TABUĽKA 11: ODPOVEDE ŽIAKOV PRI URČOVANÍ PERIÓD VĹN
T červená=
T zelená=
T výsledná=
Počet odpovedí
0,06
0,06
0,12
5
1
1
1
3
15
15
30
1
1
2
2
15
15
15
0,6
0,6
1,2
1
0,06
0,06
neuvedené
2
15 Hz
15 Hz
30 Hz
2
1
1
1
2
s
s
s
15
15
30
0,06 s
0,06 s
0,12 s
2
Z uvedenej tabuľky vidíme, že takmer všetci študenti ovládali jednoduchý vzťah na
prepočet frekvencie a periódy, avšak ani jeden študent neuviedol správnu odpoveď na
určenie periódy výslednej vlny. Ďalej si môžeme všimnúť, že iba šesť študentov uviedlo pri
svojej odpovedi aj jednotku veličiny a dvaja študenti uviedli veľkosť periódy v Hertzoch.
Ako príklad môžeme uviesť študenta, ktorý v predchádzajúcej odpovedi uviedol, že
frekvencia všetkých vĺn je rovnaká a v tejto odpovedi uviedol veľkosti červenej a zelenej
periódy na 15 Hz a výslednej vlny na 30 Hz.
d) Porovnaj výsledné vlny pre kombináciu periód:
i.
T červená =
1
1
s , T zelená =
s
15
14
ii.
T červená =
1
1
s
s , T zelená =
16
15
Spoločne sme si prečítali zadanie 3d) a následne sme sa študentov spýtali, aké frekvencie
máme na simulácii nastaviť. Študenti správne odpovedali, že červenej vlne priradíme
frekvenciu 15 Hz v oboch prípadoch a zelenej vlne najprv priradíme frekvenciu 14 Hz
a potom 16 Hz. Takto sme im to demonštračne predviedli. Najprv sme študentom ukázali
vlnový priebeh pri kombinácii frekvencií 15 Hz a 14 Hz, študenti si pozorne prezreli
simuláciu a potom sme im ukázali vlnový priebeh pri kombinácii frekvencií 15 Hz a 16 Hz.
Študenti mali porovnať, ako sa správajú výsledné vlny v oboch prípadoch. Kombinácie
frekvencií sme menili podľa požiadaviek študentov, aby si lepšie prezreli vlnový priebeh
všetkých vĺn v oboch prípadoch. Simulácia v oboch prípadoch vyzerala nasledovne:
Bc. Zuzana Molčanová
Strana74
Simulácie vo vyučovaní fyziky
OBRÁZOK 8: VZHĽAD SIMULÁCIE PRI ÚLOHE 3 D
Väčšina študentov uviedla, že medzi výslednými vlnami nie je žiadny rozdiel, respektíve sú
rovnaké. Našlo sa aj pár študentov, ktorí svoju odpoveď rozviedli: „Pri prvej kombinácii
kmitá rýchlejšie červená vlna a pri druhej kmitala rýchlejšie zelená. Rozdiel nie je
žiadny.“Zaujímavou odpoveďou bola: „Trajektória žltej vlny sa nezmenila, je rovnaká aj pri
15 Hz aj pri 14 Hz.“
Úloha 4: Periódu červenej vlny si zachovaj konštantnú a postupne zväčšuj rozdiel periód
pomocou posúvača pre zelenú vlnu. Popíš priebeh. Budú rázy rovnako výrazné?
OBRÁZOK 9: VZHĽAD SIMULÁCIE PRI ŠTVRTEJ ÚLOHE
Bc. Zuzana Molčanová
Strana75
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Keďže študenti v triede nemali problém so vzťahom medzi frekvenciou a periódou
a dobre mu rozumeli, v tejto úlohe sme pracovali viac s pojmom rozdiel frekvencií.
Frekvenciu červenej vlny sme mali konštantnú, 15 Hz a postupne sme demonštračne
zväčšovali rozdiel frekvencií tak, že sme posúvačom pre frekvenciu zelenej vlny najprv
nastavili hodnotu 17 Hz potom 18 Hz, 19 Hz a nakoniec 20 Hz. Po každom priradení
frekvencie zelenej vlne sme nechali študentom priestor, aby si pozorne prezreli vlnový
priebeh výslednej vlny. Proces sme ešte zopakovali dvakrát, aby si všetci študenti mohli
pozorne prezrieť, čo sa na simulácii deje. Vlnový priebeh výslednej vlny vyzeral tak ako je
na obrázku 9.
Študenti sa pri svojich odpovediach veľakrát zaoberali červenou a zelenou vlnou namiesto
toho, aby sledovali vlnový priebeh výslednej vlny. Taktiež veľa odpovedí bolo iba
všeobecných: „Zelená kmitala stále rýchlejšie a tým sa menila aj výsledná vlna,“ alebo
„zelená kmitala stále rýchlejšie a tým sa menila aj rýchlosť výslednej vlny“. Našli sa aj
odpovede, ktoré môžeme považovať za správne: „Nebudú rázy rovnako výrazné, lebo pri
18 Hz nebudú také výrazné ako pri 15 Hz (nebudeme počuť rozdiel),“ alebo „Asi nie sú
rovnako výrazné. Sú husté. Minimá a maximá sa menia,“ či „Mení sa tvar sínusoidy. So
zväčšovaním frekvencie sa zväčšovali minimá.“ Jeden študent dokonca uviedol: „Zelená
vlna kmitala čoraz rýchlejšie a výsledná vlna menila svoj tvar najprv o raz, dvakrát
a potom trikrát.“ Našli sa aj zaujímavé odpovede napríklad: „pri zväčšovaní periódy
zelenej vlny sa bude meniť výsledná frekvencia,“ alebo „Pri zväčšovaní periódy zelenej
vlny sa vlastne mení výsledná vlna. Sú rázy rovnako výrazné.“
Úloha 5:Uvedená simulácia a experiment mali rozdielne vlastnosti:
• pri reálnom experimente, sme rázy počuli, naopak pri simulácii sme videli ich vlnový
priebeh;
• výsledná amplitúda rázov bola v simulácii konštantná a pri reálnom experimente sa
zmenšovala, zvuk postupne zanikal;
• frekvencie vlnení boli v realite omnoho vyššie ako v simulácii.
Dokážete identifikovať spoločné vlastnosti?
Na záver sme študentom prečítali rozdielne vlastnosti simulácie a experimentu. Upozornili
sme ich, že druhý bod výsledná amplitúda rázov bola v simulácii konštantná a pri reálnom
experimente sa zmenšovala, zvuk postupne zanikal; v našom prípade neplatil, pretože sme
Bc. Zuzana Molčanová
Strana76
Simulácie vo vyučovaní fyziky
experiment realizovali pomocou počítača a softvéru Frequency. Študentov sme potom
vyzvali, aby napísali spoločné vlastnosti, ktoré mal experiment a simulácia.
Študenti väčšinou uvádzali:
•
v oboch prípadoch ide o skladanie vlnení, počuli sme ako sa skladali dva zvuky
a videli sme ako sa skladali dve vlny,
•
rázy pri vlnení bolo počuj aj vidieť,
•
používali sme blízke frekvencie, ich rozdiel nebol veľký,
•
ak je frekvencia dvoch vlnení rovnaká, bude frekvencia žltého vlnenia pravidelná.
Veľa študentov písalo o červenej, zelenej a žltej vlne bez toho, aby ich porovnávali so
zvukom, ktorý počuli počas experimentu. Našli sa aj iné odpovede: sú to vždy tie isté
vlnenia aj na ukážke aj v realite, pretože majú rovnaké hodnoty frekvencií, blízke
frekvencie (440 Hz a 442 Hz); rozdiel môže byť aj malý medzi frekvenciami a aj tak sú
rozoznateľné; vlna prešla rôzne veľkú vzdialenosť za rovnaký čas.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana77
Simulácie vo vyučovaní fyziky
9 NÁVRH HODNOTENIA ŽIACKEJ PRÁCE SO SIMULÁCIOU
Z definície a myšlienky konštruktivizmu ľahko pochopíme, prečo má dobrá spätná
väzba tak veľký vplyv na výkon študenta. Študenti nekonštruujú významy plne alebo
presne na prvýkrát, preto potrebujú vedieť ich chyby a napomenutia, aby sa ich
konštrukcie zlepšili.
Učiteľ taktiež potrebuje mať spätnú väzbu chápania študentov, aby im vedel
pomôcť zlepšiť sa a aj ich učenie.
9.1 PROCES UČENIA A UČENIA SA
Na nasledujúcom diagrame vidíme proces učenia a učenia sa– tmavšie šípky
zobrazujú spätnú väzbu:
Študenti vytvárajú alebo
zlepšujú ich konštrukcie
prezentácia
myslenie
aplikácia
spätná väzba od učiteľa
alebo rovesníka študenta
Spätná väzba
vyučujúcemu
výsledok
preskúšanie
spätná väzba pre
učiteľa a rovesníkov
(PETTY, 2009)
9.1.1 PREZENTÁCIA
Informácie sú prezentované vo forme výkladu učiteľa, videa, textu, webstránky,
atď. Prezentovanie môže byť verbálne alebo môže zahŕňať vizuálne stimuly. Efektívni
študenti si vytvoria slabšie konštrukcie chápania, slabší študenti si ich nemusia vytvoriť
dobre, ak vôbec.
9.1.2 APLIKÁCIA
Študent je povinný plniť úlohy, ktoré vyžadujú použitie toho, čo bolo
prezentované. To vyžaduje, aby si aj slabí alebo demotivovaní študenti formovali
konštrukcie, ktoré prepoja s ich predchádzajúcimi vedomosťami a skúsenosťami. Ťažkosti
Bc. Zuzana Molčanová
Strana78
Simulácie vo vyučovaní fyziky
a poučenie počas tejto činnosti preukázali, že sa študentovi vytvorí spätná väzba, ktorú
študent môže využiť na zlepšenie vytvárania konštrukcií, preto je tam obojsmerná šípka.
9.1.3 VÝSLEDOK A SPÄTNÁ VÄZBA
Je zrejmé, že výsledok ako dôsledok fázy „aplikácie“ môže byť čitateľný
študentom, učiteľom alebo aj rovesníkmi. Tieto informácie poskytujú lepšiu spätnú väzbu
pre študenta a umožňujú ešte viac zefektívniť konštruovanie poznatkov. Takisto poskytujú
informácie pre učiteľov, ako zlepšiť vyučovanie a ako samotný proces vyučovania postaviť.
Následne sa ich zlepšený výsledok a učenie preveruje (preskúšaním).
9.2 POROVNANIE BEŽNÝCH A OSVEDČENÝCH POSTUPOV
Petty vo svojej knihe porovnáva dve imaginárne prípadové štúdie, aby zistil prečo
je kvalitná spätná väzba pre študentov a učiteľov veľmi dôležitá. (PETTY, 2009) V prvej
prípadovej štúdii Janet opisuje bežný postup a v druhej štúdii Tiny popisuje dobrý postup.
Petty predstavuje, že tieto dve učiteľky majú podobné skúsenosti a majú paralelné
skupiny študentov s rovnakými schopnosťami. Porovnáva prvé hodiny na kreslenie grafu.
9.2.1 PRÍPADOVÁ ŠTÚDIA: JANET
Postup práce v triede:
1. Janet najprv vysvetľuje, ako nakresliť graf, na tabuli ukazuje ako.
2. Kladie otázky, aby skontrolovala mieru porozumenia. Na otázky dobre odpovedajú
dobrovoľníci.
3. Potom udelí úlohu dokončiť niektoré grafy v triede (do zošitov).
4. Študenti dokončujú grafy, zatiaľ čo vyučujúca chodí po triede a poskytuje pomoc tam,
kde je to potrebné: napr. „Musíš sa uistiť, že máš jednotku ako súčasť popisu.“
5. Janet zozbiera práce a vezme si ich domov, aby ich obodovala.
6. Oboduje práce v rozsahu od 1 do 10 bodov a pripíše komentár ako napríklad „označiť
osi“, „dobre“ alebo „čistá práca“ atď. Zaznamená si body.
7. Na nasledujúcej hodine rozdá obodované práce a diskutuje s nimi o slabých stránkach
v prácach.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana79
Simulácie vo vyučovaní fyziky
9.2.2 PRÍPADOVÁ ŠTÚDIA: TINA
Prístup Janet je tak bežný, že Petty porovnáva postup s Tinou v presne podobnej
triede:
1. Tina sa pýta žiakov, čo už vedia o tom ako kresliť grafy. Na tabuľu napíše základné
body.
2. Zistí, že študenti už vedia prekvapivé množstvo, ale málo o tom, ako zvoliť škálovanie,
čo im následne opíše. Ukáže pár príkladov, kde bolo škálovanie zle zvolené a spýta sa,
čo je na nich zlé a ako to môžu opraviť.
3. Opýta sa študentov aké, kritéria by navrhli pre dobrý graf. Študenti pracujú vo
dvojiciach a vytvárajú návrhy ako napríklad: „všetky osi musia byť označené
jednotkami“. Potom na tabuľu napíše kritéria, na ktorých sa dohodli.
4. Zadá študentom nakresliť nejaké grafy a povie im, že budú hodnotení navzájom.
5. Študenti dokončujú grafy, zatiaľ čo ona chodí okolo nich a poskytuje pomoc tam, kde
je to potrebné. Ak zaznamená nedostatky povie: „Pozri sa na kritéria pre osi – ako si
ich splnil?“ Používa odpovede na diagnostikovanie rôznych ťažkostí študentov, aby im
pomohla.
6. Kým študenti pracujú, pripomína im, aby si skontrolovali vlastné práce podľa kritérií
predtým, než si ich vzájomne ohodnotia.
7. Zozbiera prvý graf od každého študenta a rozdá ich spolužiakom.
8. Študenti oznámkujú práce svojich spolužiakov podľa schválených kritérií v bode 3,
ceruzkou môžu pripísať komentáre. Vyučujúca chodí okolo a pomáha pri tomto
procese.
9. Vráti práce vlastníkom a nechá trochu času, aby si prečítali komentáre k ich práci,
skontrolovali hodnotenie a zlepšili prácu. Osloví dvoch študentov, s ktorých prácami
nebola spokojná, aby úlohu zopakovali a predložili na začiatku nasledujúcej hodiny.
10. Pýta sa, aké problémy vznikli pri známkovaní a objasní zopár z nich.
Napriek tomu, že v prístupe Tiny je viac krokov, niektoré z nich nebudú trvať dlho
(napr. bod 7 a 10). Prvý bod môže naopak ušetriť čas. Dokonca aj keď Janet vyučuje
rýchlejšie, jej študenti sa danú problematiku naučia pomalšie. Budú im menej jasné ciele,
budú robiť viac chýb a niektorí budú robiť tieto chyby mnohokrát, kým ich Janet objaví
a opraví. Vo väčšine postupov a domácich úloh bude potrebné opraviť nedorozumenia.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana80
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Petty sa zaoberá rozdielom týchto dvoch prístupov:
•
Prístup Janet je vyučovať, preskúšať, ohodnotiť a potom ísť ďalej. Ona dáva
študentom rady ako sa zlepšiť, ale jej hlavným cieľom je ohodnotiť ich práce čo
najlepšie. Vo všeobecnosti za týmto prístupom je predpoklad, že kvalitatívne
a kvantitatívne vyučovanie závisí od miery talentovanosti alebo schopností.
Úlohou hodnotenia je zmerať tieto schopnosti. Slabé vyučovanie sa zvyčajne
pripisuje nedostatku schopností, inteligencie a nadania.
•
Tina je konštruktivistický učiteľ a verí, že schopnosti nie sú vrodené, ale naučené.
Zistí, čo už študenti vedia, opraví miskoncepcie a na tomto potom ďalej buduje.
Chce, aby študenti pochopili ciele natoľko dobre, aby boli schopní dať sami dobrú,
kontinuálnu, informačnú spätnú väzbu o ich pokroku smerom k cieľu. Jej prístup
k hodnoteniu je, aby sa určili jasné ciele, diagnostikovali chyby v učení a potom ich
opravili. V skratke, účelom posúdenia je zlepšenie schopností, nie ich meranie.
Nedostatky vo vyučovaní sú pripísané nepochopeniu cieľov alebo nedostatku
skúseností.
9.3 ŽIACKA ČINNOSŤ NÁVRHU HODNOTENIA (PRAKTICKÉ VYUŽITIE)
Počas trojtýždňovej súvislej praxe z fyziky v 2. ročníku magisterského štúdia som
mala možnosť vyučovať triedu, sextu na gymnáziu v Bratislave.
Začala som s nimi preberať nový tematický celok Mechanika kvapalín a plynov.
Jednou z preberaných tém bol aj hydrostatický tlak. Na vyučovacej hodine sme si
predviedli rôzne videá, medzi nimi aj video s Hartlovým prístrojom (ODF PF UPJŠ, 2005),
odvodili vzťah pre hydrostatický tlak a hydrostatickú tlakovú silu. S predpokladom, že
téma hydrostatického tlaku je už opakovaná téma.
V závere sledu hodín venovaných hydrostatike som mala možnosť venovať jednu
hodinu simuláciám. Vopred som si pripravila simuláciu s Hartlovým prístrojom (FENDT,
1999) a podľa prípadovej štúdie: Tina, ktorú som popísala v predchádzajúcej časti som
postupovala pri návrhu kritérií a hodnotení práce so simuláciou študentmi.
Pri návrhu hodnotenia so simuláciou som pracovala s 28 študentmi vo veku 1516 rokov.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana81
9.3.1 ÚVOD HODINY
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Kladením otázok a vyvolávaním študentov sme si spoločne zopakovali definíciu
a vzťah hydrostatického tlaku. Pripomenuli sme si videá a experimenty vykonané počas
predošlých hodín. Zopakovali sme si princíp Hartlovho prístroja a v skratke som im
predviedla funkčnosť simulácie. Keďže prístroj videli na videu, študenti nemali problémy
s pochopením funkčnosti simulácie.
Po zopakovaní nasledovalo určenie úlohy, ktorú mal študent pracujúci so
simuláciou splniť.
Úloha: Urč závislosť hydrostatického tlaku od hĺbky ponorenia.
9.3.2 NÁVRH KRITÉRIÍ ŠTUDENTMI
Podľa Pettyho prípadovej štúdie: Tina som postupovala tak, že študenti si mali
sami navrhnúť kritériá, na základe ktorých, by mal byť študent pracujúci so simuláciou
hodnotený. Pripomenula som im predpoklad, že študenti v dnešnej modernej dobe sú
dobre informaticky zruční. Chcela som, aby sa študenti sústredili na samotnú animáciu
a prácu s ňou, nie ovládanie počítača. V triede tak na 15 až 20 minút nastala
brainstormingová atmosféra, študenti sa pomaly rozbiehali, preto som im kládla pomocné
otázky. Postupne sme si všetky kritériá hodnotenia vypísali na tabuľu.
Zoznam kritérií hodnotenia, ktoré si študenti sami navrhli:
•
porozumenie simulácii;
•
študent vie, čo je hydrostatický tlak, pozná vzťah a definíciu;
•
rozumie zadaniu;
•
sebaistý prístup;
•
pohotovosť;
•
vie vysvetliť, čo sa deje;
•
vie navrhnúť tabuľku;
•
je všímavý;
•
urobiť referát, prezentáciu;
•
predvídavosť.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana82
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Študenti postupne sami prišli na to, že nie všetky kritériá sú si rovnocenné. Preto
navrhli aj váhu jednotlivých kritérií. Nasledovne kritéria zoradili od najdôležitejšieho (1.)
po menej dôležité (8.):
1. vie vysvetliť, čo sa deje;
2. vie navrhnúť tabuľku; porozumenie simulácii;
3. rozumie zadaniu;
4. študent vie, čo je hydrostatický tlak, pozná vzťah a definíciu;
5. predvídavosť;
6. pohotovosť; je všímavý;
7. urobiť referát, prezentáciu;
8. sebaistý prístup.
9.3.3 HODNOTENIE ODPOVEDE
Keď si študenti navrhli vlastné kritéria na hodnotenie študenta, ktorý pracuje
so simuláciou Hartlovho prístroja, pristúpili sme k modelovej odpovedi. Vzhľadom na to,
že študenti sexty sa počas tejto hodiny stali učiteľmi – hodnotiteľmi, zámerne som
nevyvolala žiadneho študenta k modelovej odpovedi, aby hodnotenie nebolo ovplyvnené
osobnou stránkou. Tým, že sme na súvislú prax chodili vo dvojiciach, oslovila som môjho
spolužiaka Peťa Jančára, aby sa pokúsil o modelovú odpoveď študenta na stredoškolskej
úrovni. Študentov sexty som vyzvala, aby si zapisovali svoje postrehy, či Peťova modelová
odpoveď spĺňa dané kritéria, ktoré si študenti navrhli.
Študenti uviedli tieto tri najčastejšie postrehy:
1. vedel vysvetliť, čo sa pri práci so simuláciou deje (15 krát),
2. rozumie simulácii a zadaniu (13 krát),
3. nepresné vyjadrovanie, pomenovanie (10 krát).
Jednou zo zaujímavostí je, že študenti si zvolili kritérium „vie navrhnúť tabuľku“,
ale pri modelovej odpovedi tabuľka nebola navrhnutá, naopak bol zostrojený a popísaný
graf závislosti veľkosti hydrostatického tlaku od hĺbky ponorenia. Až šesť reakcií bolo, že
študent vie navrhnúť tabuľku a iba dva postrehy, že študent neuviedol tabuľku, ale graf.
Všetky ostatné odpovede a ich početnosť sú v prílohe (Tabuľka 1 a Graf 1).
Bc. Zuzana Molčanová
Strana83
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Postup návrhu hodnotenia práce so simuláciou podľa Pettyho prípadovej štúdie
študentov naozaj zaujal. K návrhu kritérií pristúpili zo začiatku povrchne, ale postupne sa
dostávali k podstate. V závere hodiny sme vykonali modelovú odpoveď spojenú s prácou
so simuláciou, ktorú mali študenti na základe svojich určených kritérií ohodnotiť. Pre
krátkosť času nebolo možné rozobrať si hodnotenie so študentmi.
Stanovenie kritérií študentmi by som chcela využiť pri tvorbe pracovného listu
k simulácii Hartlovho prístroja, ktorý by bol daný do odlišnej triedy na vypracovanie.
Prebiehalo by to formou demonštračného pokusu, kde by študenti mali vypĺňať pracovný
list. Na základe uvedených kritérií by som chcela triedu s pracovným listom vyhodnotiť.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana84
ZÁVER
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Hlavným cieľom mojej diplomovej práce bolo vytvorenie materiálu, ktorý by
slúžil ako námet, inšpirácia, motivácia či pomocný materiál pre učiteľov fyziky.
Ďalšími čiastkovými cieľmi som chcela pomocou integrovania prvkov počítačom
podporovaného laboratória poukázať na výhody, ktoré prináša použitie interaktívnych
animácií na vyučovaní fyziky a zároveň aj vytvoriť návrh vzorového spracovania aktivity
prostredníctvom pracovného listu, ktorý je doplnený o metodický list pre učiteľa. Túto
navrhnutú aktivitu som súčasne overila aj na gymnáziu a tak môžem konštatovať úspešné
naplnenie spomínaných cieľov.
V úvode práce sme si stanovili hypotézu, ktorá hovorí, že simulácie použité
v demonštračných experimentoch zvyšujú schopnosť žiakov vnímať deje prezentované
animáciami alebo experimentmi samotnými. Vzhľadom na to, že sme vzorovo spracovanú
aktivitu pomocou pracovného listu overili aj na hodine fyziky, ukázalo sa, že študenti si
lepšie uvedomovali spojitosť demonštračného experimentu a simulácie znázorňujúcu
uvedený experiment. V práci som využívala rôzne metódy, ktorými boli jednak samotné
vyhodnotenie žiackej práce s navrhnutým pracovným listom, ale aj pozorovanie žiakov
počas práce. Ďalšími metódami boli aj analýza učebnice Fyziky pre 2. ročník gymnázia a 6.
ročník gymnázia s osemročným štúdiom a štátneho vzdelávacieho programu pre fyziku
ISCED 3, neformálne rozhovory s učiteľmi fyziky a v neposlednom rade aj výskum
vo forme dotazníka o simuláciách pre učiteľov fyziky.
Simulácie vo vyučovaní fyziky potvrdili svoju atraktivitu pre žiakov a ich záujem
o témy, kde sa simulácie využívajú. Taktiež výsledkom dotazníka o simuláciách je ochota
a záujem učiteľov využívať na hodinách fyziky vopred pripravené aktivity k interaktívnym
animáciám. Pre dosiahnutie lepších výsledkov žiackych odpovedí by som rada pracovný
list ešte vylepšila a súčasne prácu rozšírila aj o možnosť hodnotenia a klasifikácie žiakov,
čo by v budúcnosti mohlo byť aj predmetom dizertačnej práce.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana85
BIBLIOGRAFIA
Simulácie vo vyučovaní fyziky
BUTLER, P. 2010. Vizualizing Frienships. Facebook. [Online] 2010. [Dátum: 28. 12
2011.] <https://www.facebook.com/notes/facebook-engineering/visualizingfriendships/469716398919>.
DEMKANIN, P. a kol. 2006. Počítačom podporované prírodovedné laboratórium.
Bratislava : Knižničné a edičné centrum FMFI UK, 2006. ISBN: 80-89186-10-6.
DEMKANIN, P., a iní. 2010. Fyzika pre 2. ročník gymnázia a 6. ročník gymnázia s
osemročným štúdiom. s.l. : Združenie EDUCO, 2010. ISBN 978-80-89431-10-6.
ELFA. 2012. Modernizácia vzdelávania. [Online] 2012. [Dátum: 13. 3 2012.]
https://www.modernizaciavzdelavania.sk/.
FENDT, W. 1999. Hydrostatický tlak v kvapalinách. [Online] 1999. [Dátum: 30. 1
2012.] <http://www.walter-fendt.de/ph14sk/hydrostpr_sk.htm>.
FORMA. 2007. Elektronický lexikón slovenského jazyka. [Online] 2007. [Dátum: 12. 3
2012.] http://www.slex.sk/.
GAVORA, P. a kol. 2010. Elektronická učebnica pedagogického výskumu. [Online]
2010. [Dátum: 18. 4 2012.] http://www.e-metodologia.fedu.uniba.sk/. ISBN 978–80–
223–2951–4.
GUNIŠ, J., SUDOLSKÁ, M., ŠNAJDER, Ľ. 2009. Aktivizujúce metódy vo výučbe školskej
informatiky. Bratislava : Štátny pedagogický ústav, 2009. ISBN 978-80-89225-96-5.
HARLEN, W. 2009. Teaching, Learning and Assessing Science 5-12. London : SAGE,
2009. ISBN 978-1-4129-0872-6.
JANOVIČ, J., KOUBEK, V. a PECEN, I. 1999. Vybrané kapitoly z didaktiky fyziky.
Bratislava : Univerzita Komenského, 1999. ISBN 80-223-1172-3.
KLENTSCHY, M.; THOMPSON, L. 2008. Scaffolding Sciene Education Through Lesson
Design. Portsmouth : Heinemann, 2008. ISBN-13: 978-0-325-01154-7.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana86
Simulácie vo vyučovaní fyziky
KOLIVOŠKOVÁ, R. 1999. Predstavy o tvare Zeme (alebo Cestujeme prstom po mape).
Prešov : Hvazdáreň a planetárium Prešov, 1999. ISBN 80-88749-24-7.
KOUBEK, V. 2006. Počítačová simulácia javov v prírodovednom vyučovaní. Bratislava :
Knižničné a edičné centrum FMFI UK, 2006. s. 29 - 40. ISBN: 80-89186-07-6.
ODF PF UPJŠ. 2005. Hydrostatický tlak - simulácia. [Online] 2005. [Dátum: 30. 1
2012.] <http://physedu.science.upjs.sk/kvapaliny/hydrosim.htm>.
PETTY, G. 2009. Evidence-Based Teaching, A Practical Approach. Second Edition.
Cheltenham : Nelson Thornes Ltd, 2009. s. 378. ISBN 978 1 4085 0452 9.
SILVERMAN, D. 2005. Ako robiť kvalitatívny výskum. London : Saqe Publications,
2005. ISBN 80-551-0904-4.
ŠTÁTNY PEDAGOGICKÝ ÚSTAV. 2009. Štátny vzdelávací program, ISCED 3, Fyzika.
[Online] 2009. [Dátum: 3. 1 2012.]
<http://www.statpedu.sk/files/documents/svp/gymnazia/vzdelavacie_oblasti/fyzik
a_isced3.pdf>.
ŠUHAJOVÁ, Z. 2007. Výhody zariadenia počítačom podporovaných experimentov do
vyučovania fyziky. Bratislava : FMFI UK, 2007.
VESELSKÝ, M. 2005. Pedagogická psychológia 2, Teória a prax. Bratislava : Univerzita
Komenského v Bratislave, Vydavateľstvo UK, 2005. s. 168. ISBN 80-223-1911-2.
Bc. Zuzana Molčanová
Strana87
PRÍLOHY
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Tabuľka 12 Postrehy a hodnotenie študentov ...............................................................89
Graf 5: Postrehy študentov ....................................................................................................90
Dotazník o simuláciách ...........................................................................................................91
Graf 5: Otázka č. 5 ......................................................................................................................93
Graf 6: Otázka č. 6 ......................................................................................................................93
Pracovný list k simulácii – Rázy ...........................................................................................94
Pracovný list k simulácii – Hartlov prístroj .....................................................................98
Bc. Zuzana Molčanová
Strana88
Simulácie vo vyučovaní fyziky
TABUĽKA 12: POSTREHY A HODNOTENIE ŠTUDENTOV
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
Postrehy
vedel vysvetliť čo sa tam deje (tak, že tomu pochopili)
rozumie simulácii a zadaniu
nepresné vyjadrovanie, pomenovanie
vedel nakresliť graf
opisoval nepotrebné veci
vedel navrhnúť tabuľku
popísal obrázok (simuláciu)
nie je sebaistý
vedel čo má robiť (pochopenie)
predvídal čo sa stane
stále hovoril "asi" a "nejaký" (veľa zámen)
všímavý
vedel vzťah aj definície
nepohotové vystupovanie
chápe (vie o čom hovorí)
nevedel odborný termín prístroja
dobrá orientácia
je veľmi sebaistý (sebaistý prístup)
pohotovo reaguje
vie sa sám opraviť keď sa pomýli
neuviedol definíciu
neuviedol tabuľku, ale graf
monotónny
zistil závislosti (vo vzťahu)
opakoval sa
zlá predvídavosť
potichu
nezrozumiteľný
vyjadrovanie ako škôlkar
nezainteresovaný človek by neporozumel
nepredstavoval svoje vedomosti
nedostatočné vedomosti
rozpráva až príliš
laický jazyk
porovnal hustoty a tlaky rôznych kvapalín
pôsobil ako mentálne zaostalý
vyvodil záver
ukázal
vie vysvetliť graf
Bc. Zuzana Molčanová
15
13
10
7
6
6
6
6
6
4
4
4
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Strana89
Simulácie vo vyučovaní fyziky
Postrehy študentov
16
14
12
10
8
6
4
15
13
10
7
6 6 6 6 6
4 4 4
2
0
3 3 3 3 3
2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
GRAF 7: POSTREHY ŠTUDENTOV
Bc. Zuzana Molčanová
Strana90
DOTAZNÍK O SIMULÁCIÁCH
Vážené učiteľky, vážení učitelia,
volám sa Zuzana Molčanová a som študentkou druhého ročníka magisterského štúdia na
Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK, v odbore učiteľstvo akademických predmetov
fyzika a informatika. Touto cestou by som vás chcela poprosiť o vyplnenie dotazníka k mojej
diplomovej práci. Cieľom dotazníka je získať odpovede na otázky, ktoré sa týkajú používania
simulácií na hodinách fyziky. Dotazník vám nezaberie viac ako 10 minút. Vopred vám
ďakujem!
Niektorí učitelia na niektorých hodinách fyziky používajú interaktívne animácie fyzikálnych
javov a experimentov. V tomto dotazníku ich nazývame simulácie. Príklady sú na obrázkoch:
OBRÁZOK 1: SIMULÁCIA V COACH 6
1. Dokončite vety o simuláciách:
OBRÁZOK 2: SIMULÁCIA V APPLETE - RÁZY
a) Na hodinách fyziky mi simulácie ________________________________________ .
b) Hodiny, na ktorých používam simulácie sú ________________________________ .
c) Žiaci pracujú so simuláciami veľmi ______________________________________ .
d) Práca so simuláciami často žiakom ______________________________________ .
2. Využívate možnosti internetu priamo na hodinách fyziky?
a) áno
b) nie
3. Využívate možnosti internetu pri vlastnej príprave na hodiny fyziky?
a) áno
b) nie
4. Mali by ste záujem používať na vašich hodinách vopred pripravené aktivity pre
žiakov, ktoré by boli voľne dostupné na internete?
a) áno
Bc. Zuzana Molčanová
b) nie
Strana91
5. Aktivity pripravené k simuláciám by ste využili skôr pri:
a) vyučovaní novej látky
b) opakovaní prebraného učiva
6. Využívate pri vyučovaní fyziky simulácie javov a experimentov?
a) áno
b) nie
Ak áno, tak napíšte aké:
A na záver vás prosím o niekoľko údajov, na základe ktorých vaše odpovede
zaradíme do vybraných štatistických skupín:
7. Pohlavie:
a) žena
b) muž
8. Aká dlhá je Vaša učiteľská prax?
a) 0 – 5 rokov
b) 5 – 10 rokov
c) 10 – 20 rokov
d) 20 rokov a
viac
9. Aké predmety okrem fyziky ešte vyučujete?
a) matematika
b) informatika
c) biológia
d) chémia
e) iné (uveďte):
Ďakujem za vyplnenie dotazníka a za váš čas!
Bc. Zuzana Molčanová
Strana92
5. Aktivity pripravené k simuláciám by ste
využili skôr pri:
A - vyučovaní novej látky
1 1
6
B - opakovaní
preberaného učiva
16
oba prípady
neuvedené
GRAF 8: OTÁZKA Č. 5
6. Využívate pri vyučovaní fyziky simulácie javov a
experimentov?
5
9
A - áno
B - nie
neuvedené
10
GRAF 9: OTÁZKA Č. 6
Bc. Zuzana Molčanová
Strana93
Meno a Priezvisko: …………………………………….
Trieda: …………
Dátum: ……………
Pracovný list k simulácii
Téma: Rázy
Pripomeňme si experiment s dvoma zdrojmi zvuku, ktoré
mali takmer rovnakú frekvenciu. Najprv sme rozozvučali
jeden zdroj, počuli sme zvuk. Tento zdroj sme utlmili
a rozozvučali sme druhý zdroj. Rozdiel frekvencií
nepočujeme. Ak však rozozvučíme obidva zdroje súčasne,
počujeme zaujímavý jav.
Úloha 1:
Stručne popíš tento jav a pokús sa o vysvetlenie
tohto javu.
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
Úloha 2:
Na simulácii 1 priraď frekvenciám červenej a zelenej vlny hodnotu 5 Hz.
a) Popíš, čo vidíš na simulácii. Uveď čo najviac faktov (môžeš použiť aj kvantitatívne
údaje).
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
1
Simulácia dostupná na: http://www.mta.ca/faculty/science/physics/suren/Beats/Beats.html
Strana 94
b) Čo sa stane s výslednou vlnou, keby sme frekvenciu zelenej vlny zmenili na 6 Hz?
(frekvencia červenej vlny zostáva nezmenená, 5 Hz). Napíš svoj predpoklad.
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
c) Na simulácii nastav frekvenciu zelenej vlny na 6 Hz (frekvencia červenej vlny
zostáva nezmenená, 5 Hz). Ako výsledná vlna vyzerá, ako sa vlna správa? Bol tvoj
predpoklad správny? Ak nie, aký je rozdiel medzi tvojim predpokladom
a skutočnosťou?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Úloha 3:
Na simulácii nastav hodnoty frekvencie pre červenú vlnu na 15 Hz a pre zelenú vlnu 16 Hz.
a) Popíš pozorovaný jav.
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
b) Zmeň frekvenciu zelenej vlny na 15 Hz. Popíš priebeh.
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
c) Urč periódu červenej, zelenej a výslednej vlny.
T červená=
T zelená=
T výsledná=
Strana 95
Meno a Priezvisko: …………………………………….
Trieda: …………
d) Porovnaj výsledné vlny pre kombináciu periód:
i.
T červená =
1
1
s , T zelená =
s
15
14
ii.
T červená =
1
1
s , T zelená =
s
15
16
Dátum: ……………
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Úloha 4:
Periódu červenej vlny si zachovaj konštantnú a postupne zväčšuj rozdiel periód pomocou
posúvača pre zelenú vlnu. Popíš priebeh. Budú rázy rovnako výrazné?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Úloha 5:
Uvedená simulácia a experiment mali rozdielne vlastnosti:
• pri reálnom experimente, sme rázy počuli, naopak pri simulácii sme videli ich vlnový
priebeh;
• výsledná amplitúda rázov bola v simulácii konštantná a pri reálnom experimente sa
zmenšovala, zvuk postupne zanikal;
• frekvencie vlnení boli v realite omnoho vyššie ako v simulácii.
Dokážete identifikovať spoločné vlastnosti?
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Strana 96
Priestor pre pokračovanie odpovedí
Úloha č.
Doplňujúca odpoveď:
Strana 97
Meno a Priezvisko: …………………………………….
Trieda: …………
Dátum: ……………
PRACOVNÝ LIST K SIMULÁCII
TÉMA: HARTLOV PRÍSTROJ
S pojmom hydrostatický tlak ste sa v minulosti už určite stretli. Dnes sa budeme venovať
Hartlovmu prístroju na meranie hydrostatického tlaku a úlohe určiť závislosť
hydrostatického tlaku od hĺbky ponorenia.
ÚLOHA 1:
Napíš slovnú definíciu hydrostatického tlaku a uveď vzťah.
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
ÚLOHA 2:
a) Na simulácii 1 vidíš Hartlov prístroj, z čoho sa skladá?
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
b) Čo sa na simulácii deje, keď ponoríš Hartlov prístroj do kvapaliny? Pokús sa
o vysvetlenie.
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
ÚLOHA 3: URČ ZÁVISLOSŤ HYDROSTATICKÉHO TLAKU OD HĹBKY
PONORENIA.
a) Čo si myslíš, aká bude závislosť hydrostatického tlaku od hĺbky ponorenia časti
Hartlovho prístroja? Vyslov predpoklad.
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
1
Simulácia dostupná na http://www.walter-fendt.de/ph14sk/hydrostpr_sk.htm
Strana 98
b) Pokús sa navrhnúť tabuľku, do ktorej by si zapísal namerané údaje pre splnenie
zadanej úlohy. Očakávame minimálne 5 meraní v troch rôznych kvapalinách.
c) Použi simuláciu a urob aspoň 5 meraní v troch rôznych kvapalinách. Namerané
údaje zapíš do vlastnej tabuľky.
d) Do pripravenej štvorcovej siete načrtni graf z nameraných hodnôt.
e) Na základe nameraných hodnôt vyslov záver k zadanej úlohe.
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Strana 99
Download

diplomovka-final - Univerzita Komenského