Aplicații software în fizica computațională – o perspectivă didactică

Utilizarea celor mai recente facilități din domeniul tehnologiei informației au condus la progrese spectaculoase în știință, tehnologie și educație. În trecut, profesorii considerau computerele ca pe niște „cutii negre” și nu le exploatau la întregul lor potențial. Astăzi, fizica computațională privește computerul ca pe o unealtă avansată, cu ajutorul căreia se pot integra rezultate din cercetare în educație și care se bazează pe solide principii educaționale. Competențele de bază care sunt necesare astăzi, în condițiile unei avalanșe de noutăți în domeniul științelor, sunt rezolvarea de probleme și sintetizarea informațiilor. Computerul are un mare potențial în formarea acestor competențe la elevi, dar doar dacă este utilizat în mod corespunzător, ca parte a unui demers educațional coerent.

Un prim dezavantaj tipic la care sunt expuși designerii de software educațional este acela că elevii trebuie să controleze computerul și nu invers. Al doilea dezavantaj este de a deveni creatorul neintenționat al unui joc video, elevii folosesc software-ul pentru a învăța prin metoda behaviorista „trial and error”, fără să se angajeze pe deplin din punct de vedere intelectual. Un alt dezavantaj este neglijarea viziunii elevului în favoarea viziunii profesorului. Computerul face posibilă abordarea conținuturilor dintr-o perspectivă diferită de cea tradițională și cu siguranță mult mai captivantă pentru elevi. Prezentări care încântă profesorul îl pot dezorienta pe elev, pur si simplu datorită faptului că modelele lor mentale diferă.

Lăsând la o parte aceste dezavantaje, computerul a dovedit reale avantaje in procesul de predare-învățare, prin sfera largă de posibilități oferite. Pe de o parte, noile tehnologii oferă posibilitatea creării unor medii de învățare care completează posibilitățile vechilor tehnologii (cărți, tablă etc.). Pe de altă parte ele oferă posibilități noi care nu au fost până acum accesibile. Dintre avantajele noilor tehnologii se pot menționa:
1. Prezintă conținuturi captivante bazate pe probleme din lumea reală în sala de clasă.
2. Furnizează platforme și instrumente pentru îmbunătățirea procesului de învățare.
3. Oferă elevilor și profesorilor mai multe posibilități de feedback și de recapitulare a conținuturilor învățării.
4. Construiesc comunități locale si globale care includ profesori, administratori, elevi, părinți, oameni de știință.
5. Extind posibilitățile pentru formarea profesorilor.

În ultimul timp, a apărut o cantitate enormă de software educațional de fizică. O clasificare a software-ului educațional conform principiilor de utilizare este prezentată în continuare.

1. Instrumentele pentru obținerea și prelucrarea datelor includ exemple variind de la simple foi de calcul până la avansatele laboratoare virtuale și analiza video. Elevii sunt de obicei interesați de conținuturi asociate mediului care îi înconjoară. Ei trebuie de asemenea să aibă satisfacții încă de la început pentru a își forma și menține o atitudine pozitivă față de știință. Astfel, experimentele școlare trebuie să conțină observații, măsurători și formularea de concluzii.

În aceste stadii timpurii ale studiului fizicii, laboratoarele virtuale pot oferi elevilor standardele necesare pentru investigații proprii, elevii pot face măsurători folosind o varietate de senzori, dintre care unii pot fi luați chiar acasă sau în locurile de petrecere a timpului liber, pot experimenta în grup și apoi pot utiliza software-ul computerului pentru analizarea datelor colectate. Analiza video oferă elevilor posibilitatea studierii fenomenelor fizice din lumea reală, fenomene de care ei sunt interesați sau în care sunt implicați, ca de exemplu sportul. Ei pot colecta si analiza date experimentale prin secvențe video digitizate. Aceasta îi ajută să înțeleagă că problemele din lumea reală sunt mult mai complexe decât modelele fizice teoretice și de asemenea îi ajută să dobândească competențe în domeniul experimental. Ambele abordări pot ajuta în înțelegerea mai ușoară a conceptelor fizicii în special la elevii cu competențe matematice limitate. Mai mult decât atât, obținerea graficului măsurătorilor în timp real ajută la corelarea reprezentărilor simbolice cu fenomenele fizice observate.

2. Software-ul multimedia este bazat pe conceptul de hypermedia și prezintă informația într-un mod structurat, de obicei grafic. Butoanele de navigare interactivă permit elevilor să urmeze calea dorită de ei, nu neapărat secvențială, printr-o cantitate mare de informații oferită sub formă de text, imagini, animații, simulări sau videoclipuri. Acest tip de software are avantajul de a utiliza capacitatea creierului uman de procesare si rememorare a informației vizuale ca și a interactivității, o proprietate cheie a învățării și flexibilității. Creierul uman procesează informația prin asocieri libere într-un mod intrinsec nelinear. Acest tip de software valorifica diferențierea instruirii, în funcție de stilurile de învățare ale elevilor. Stilul de învățare reprezintă modalitatea preferată de fiecare individ de însușire a informațiilor. După componenta genetică, exista următoarele stiluri de învățare: auditiv, vizual, tactil și kinestezic. După emisfera cerebrală predominantă, se pot diferenția două stiluri: stilul global (dominanță dreapta) și stilul analitic (dominanță stângă). Stilul vizual va beneficia de ilustrarea proceselor dinamice în multimedia, stilul auditiv va profita mai mult de componenta audio a mediului de învățământ. Stilul tactil se va exprima folosind mișcarea mâinilor și se va implica fizic în activitatea de învățare, iar stilul kinestezic va exploata situațiile în care poate să experimenteze. Stilul global va învăța utilizând o viziune de ansamblu, utilizând cuvintele cheie, iar stilul analitic va utiliza posibilitatea de secvențiere a informației oferită de produsul multimedia. Astfel, elevii au șanse egale în fața conținuturilor învățării și parcurg materialul in ritm propriu, feedback-ul fiind imediat.

3. Microworlds sunt programe complexe construite de experți care implementează simulări de legi și procese fizice într-o gamă largă. Programul încurajează elevii sa exploreze și să interacționeze cu sistemul introducând elemente în microworld, schimbând parametrii și observând rezultatul acestor acțiuni. Simulările sunt programe de dimensiuni mai mici care conțin un model al unui sistem sau al unui proces și sunt destinate vizualizării grafice a acestuia. Uneori vizualizarea poate fi foarte simplă, alteori este foarte sofisticată, incluzând tehnici de realitate virtuală. Computer microworlds și simulările sunt mijloace de învățământ care oferă elevilor următoarele posibilități:

  • înțelegerea legilor și fenomenelor fizice printr-un proces de formulare de ipoteze și testare a lor;
  • izolarea și manipularea parametrilor, ceea ce ajută elevii să înțeleagă relațiile dintre conceptele, variabilele si fenomenele fizice;
  • întrebuințarea de reprezentări diverse (imagini, animații, grafice, date numerice) care sunt folositoare în înțelegerea conceptelor, relațiilor și proceselor care stau la baza acestora;
  • investigarea fenomenelor care nu pot fi reproduse în clasă sau în laborator.

Simulările pe computer își ating scopurile educaționale doar dacă sunt combinate cu metode didactice adecvate.

Au fost identificate trei tipuri de simulări. În primul rând, cele care oferă acces direct la informații și le prezintă concomitent cu simularea. În al doilea rând, cele care oferă elevilor enunțuri (sau întrebări, exerciții, jocuri). În cele din urmă, în cazul simulărilor cu modele complexe, o schemă progresivă permite un ritm individual de învățare. Dacă sunt utilizate în acest mod, simulările oferă o învățare mult mai intuitivă și la nivele cognitive superioare, în comparație cu metodele expozitive. De asemenea, simulările oferă rezultate mai mult mai bune în formarea competențelor de investigație științifică. Astfel de programe sunt Interactive Physics, XyZet, Planets and Satellites, Physlets, Simquest. Acestea sunt colecții de simulări care formează un curs de fizică online sau arată doar exemple de vizualizări. Altele sunt medii complexe care combină simulările cu instrumentele cognitive și oferă un suport instrucțional adecvat.

4. Instrumentele de modelare sunt medii software care permit elevilor să își configureze propriile simulări pe computer. Instrumentele de modelare beneficiază de aceleași avantaje educaționale ca și simulările, permițând în plus elevilor să își exprime propriile concepții. Elevii beneficiază de un set de instrumente care îi ajută să descrie relațiile dintre concepte să ruleze modelele rezultate și să compare rezultatele lor cu ceea ce este deja acceptat sau cu experimente de laborator. Confruntarea simulărilor lor, având de obicei erori conceptuale, cu modelele deja acceptate de știință conduce la conștientizarea concepțiilor greșite ale elevilor, ceea ce facilitează tranziția. Instrumentele de modelare pot de asemenea ajuta la înțelegerea ecuațiilor și a relațiilor fizice, implică activ elevii în experiențe de învățare „heads-on” și permit elevilor să își explice unul altuia sau profesorilor cunoștințele lor, ajutând astfel la vizualizarea modului de gândire al elevilor. Exemple de instrumente de modelare: Modellus, Easy Java Simulations.

5. Instrumentele telematice și internet-ul exploatează capacitatea de intercomunicare a computerelor, utilizând toate tipurile anterioare de software. Avantajul pedagogic al utilizării instrumentelor telematice rezidă nu doar în accesul la documente variate și la o cantitate vastă de date din lumea reală. Întrucât scopul final al educației este de a pregăti elevii să devină adulți care posedă competențe diverse și să învețe pe tot parcursul vieții, este logic să conectezi elevii nu numai cu alți elevi, dar și cu profesioniști. Astfel, un număr crescut de proiecte creează comunități virtuale cu interese comune care includ personal din instituții educaționale și de cercetare. Oricine din rețea poate furniza date comunității, care le analizează și postează concluziile înapoi pe net. Rezultatul este o îmbunătățire atât a cunoștințelor, cât și a competențelor, deoarece elevii au acces la aceleași instrumente și proceduri folosite de oameni de știință. Exemple de proiecte de interes: World Watcher, W. I. S. E., System Erde și Globe.

Laboratoarele telecomandate sunt o altă arie de activitate pe internet. În loc să acceseze date colectate de alții, elevii au acces la experimente reale telecomandate. Echipamentul este pregătit astfel încât se poate configura. Ei pot rula experimentul, uneori privindu-l folosind o cameră web, și apoi folosind rezultatele pentru analiză locală. În final, rețelele sunt utilizate tot mai mult pentru a conecta evaluarea cu activitățile din clasă. Când sunt combinate cu conținuturi care se pot ajusta rapid, profesorii pot observa lacunele înainte de a începe lecția, prin colectarea răspunsurilor elevilor și pot organiza lecțiile astfel încât să remedieze lacunele depistate.

Bibliografie
Hatu, Cristian – Ghid metodologic pentru predarea fizicii, 2011, www.cedu.ro/files/programs/Introducere.pdf

 

Accesări: 17

prof. Carmen Profiroiu

Colegiul Economic Mihail Kogălniceanu, Focșani (Vrancea) , România
Profil iTeach: iteach.ro/profesor/carmen.profiroiu

Articole asemănătoare