World Wide Web na lekcjach fizyki

Wstęp

Sieć sieci, sieć globalna to określenia, które można spotkać dla zdefinowania światowej sieci Internet. Jeżeli tylko posiadamy komputer z odpowiednim oprogramowaniem i wyposażeniem (modem, linia telefoniczna) oraz wystarczające prawa dostępu to możemy połączyć się z dowolnym komputerem na świecie. Obserwowany w ostatnich latach gwałtowny rozwój Internetu, wcześniej znanego pod nazwą ARPANet, przeszedł zapewne oczekiwania pomysłodawców (Advanced Research Projects Agency - agencja rządowa USA) i objął swym zasięgiem wszystkie dziedziny, w których niezbędna jest wymiana informacji. Stał się medium wpływającym coraz bardziej na sposób komunikowania się, współpracę między ośrodkami naukowymi, wymianę informacji i technologii oraz rozwój metod nauczania. Szczególnie edukacja stała się miejscem intensywnych badań i doświadczeń w zastosowaniu nowych technologii teleinformatycznych. Z osiągnięć wielu krajów wynika, że edukacja na odległość odgrywa coraz większą rolę w szybko rozwijającym się społeczeństwie spełniając oczekiwania związane z możliwością przekwalifikowania się, uzupełniania wykształcenia czy zaspokajania chęci poznawczych.

Również intensywnie rozwijają się prace mające na celu stworzenie laboratoriów wyposażonych w unikalną aparaturę dostępnych przez sieć. Tego typu rozwiązania posiadają szereg zalet: wzrasta efektywność wykorzystania drogiego sprzętu, z urządzeń korzysta jednocześnie wielu użytkowników, itp. Możliwości jest tak dużo jak rozległy i różnorodny jest Internet.

Burzliwie rozwijający się Internet wkracza również do polskich szkół między innymi za sprawą takich projektów/programów jak "Internet dla Szkół", "Internet w każdej gminie" czy "Internet w każdym gimnazjum". Nowe technologie teleinformatyczne zawierają w sobie duży potencjał edukacyjny, ułatwiają dostęp do informacji oraz wyrównują szanse w rozwoju cywilizacyjnym. Dzięki tym działaniom w Internecie pojawi się tysiące nowych użytkowników a młodzież uzyska możliwość uczestniczenia w projektach wykraczających często daleko poza społeczność lokalną. W tej sytuacji nauczyciele chcący wykorzystać Internet na zajęciach w szkole staną przed koniecznością odpowiedzi na pytania: Gdzie szukać odpowiednich materiałów dydaktycznych i oprogramowania ? Jakie środki techniczne i organizacyjne należy przedsięwziąć aby maksymalnie skorzystać z nowych możliwości stworzonych przez teleinformatykę ?

W pracy przedstawiono szereg propozycji praktycznego zastosowania usług oferowanych w Internecie na zajęciach z fizyki w szkole oraz przykładowy scenariusz lekcji z wykorzystaniem zasobów sieci. Szczególną uwagę zwrócono na duże możliwości związane z zastosowaniem stron WWW.

Fizyka w Internecie

Infrastruktura Internetu doskonale nadaje się do wprowadzenia na zajęcia w szkole. Dzięki takim usługom jak strony internetowe World Wide Web (WWW), poczta elektroniczna (e-mail), przesyłanie plików (ftp - file transfer protocol), listy dyskusyjne (listserv, Majordomo), grupy dyskusyjne (usenet) umożliwia udział w realizacji różnych projektów oraz wyszukiwanie i wymianę informacji. Bardzo wiele zasobów zawartych w sieci Internet poświęconych jest fizyce. Podzielić je można na:
- strony WWW pełniące rolę informacyjną i zawierające odnośniki do innych stron poświęconych fizyce, np. http://info.fuw.edu.pl/~ptf - Polskie Towarzystwo Fizyczne; http://wpex40.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer - Multimedia Physik - doskonała strona poświęcona fizyce i astronomii,
- interaktywne strony WWW umożliwiające wykonywanie symulacji doświadczeń oraz modelowanie zjawisk fizycznych, np. http://www.explorescience.com - symulacje doświadczeń fizycznych; http://www.Colorado.EDU/physics/2000 - Physics 2000 - kurs fizyki z wykorzystaniem apletów Javy,
- teledoświadczenia - doświadczenia lub przyrządy pomiarowe pracujące w czasie rzeczywistym udostępniane przez Internet, np. http://wwl.itg.uiuc.edu - The World Wide Laboratory - dostęp do unikalnych przyrządów fizycznych; http://olbers.kent.edu/alcomed/Remote - The Remote Laboratory Classroom - między innymi badanie własności elektrooptycznych ciekłych kryształów,
- bazy danych i zasoby programów, które można kopiować na dysk lokalny dzięki opcji ftp, np. http://www.visualphysics.com - The Project Visual Physics - programy ilustrujące różne działy fizyki; http://www.ftj.agh.edu.pl/~zdf/programy - programy dydaktyczne z fizyki,
- strony WWW będące kompendium wiedzy na temat określonego działu fizyki zawierające materiał ilustracyjny w postaci filmów, zdjęć, wykresów oraz interaktywnych programów i symulacji, np. http://chall.ifj.edu.pl/edukacja/adventure_home.html - "Przygoda z cząstkami" - strona poświęcona cząstkom elementarnym; http://ippex.pppl.gov/ippex - fizyka plazmy.

Do przeglądania stron internetowych wykorzystujemy dobrze znane przeglądarki Netscape oraz MS Internet Explorer a oprogramowanie niezbędne do obsługi poczty elektronicznej (Eudora, Pegasus Mail, Outlook Express), FTP (np. WS_FTP) oraz innych usług sieciowych dostępne jest w Internecie.

Duża różnorodność prezentowanych w sieci materiałów dydaktycznych sprzyja ilustracji i uatrakcyjnieniu zajęć z fizyki prowadzonych w szkole. Internet udostępnia informacje, programy i urządzenia, na których zakup wiele szkół często nie może sobie pozwolić ze względów finansowych.

Szczególnie w nauczaniu przedmiotów przyrodniczych wykorzystanie zasobów Internetu jest bardzo przydatne w celu zwiększenia poglądowości i efektywności zajęć oraz ułatwienia zrozumienia trudnych zagadnień współczesnej fizyki.

Ośrodki naukowe na świecie coraz częściej prezentują wyniki najnowszych badań w postaci stron WWW. W wielu przypadkach towarzyszą temu programy/projekty edukacyjne przeznaczone dla młodzieży gimnazjów i szkół średnich. Projekty te pozwalają na realizację badań/obserwacji zaplanowanych przez uczniów przy wykorzystaniu nowoczesnej aparatury pomiarowej dostępnej przez Internet (Rys. 1). Uczniowie biorący udział w zajęciach zapoznają się z metodyką prowadzenia doświadczenia, zbierania i opracowywania danych. Zdobywają umiejętności, które są podstawą wykształcenia naukowego. Tego typu wirtualne laboratorium posiada szereg zalet:
1. Eksperyment może być kierowany z dowolnego miejsca, w dowolnym czasie zakładając, że użytkownik ma dostęp do Internetu.
2. Umożliwia wykorzystanie zasobów, których nie posiadamy lokalnie oraz zapewnia pracę na unikalnej i drogiej aparaturze jednocześnie wielu użytkownikom.

Rys. 1. Doświadczenie na odległość

3. Przez oddziaływanie z fizycznie istniejącymi przyrządami mamy gwarancję, że wyniki są takie same jak otrzymane bezpośrednio w laboratorium.
4. Pozwala na zdalne rozwiązywanie problemów z aparaturą oraz dokonywanie zmian i modyfikacji w jej konfiguracji.
5. Wprowadza się dane audio i wideo, które kreują odczucie obecności (telepresence) w miejscu informacji (np. laboratorium).

Dostęp do unikalnych przyrządów oraz kontakt z ekspertami danej dziedziny naukowej zwiększa motywację do uczenia się przedmiotów przyrodniczych oraz stymuluje zainteresowanie nauką. Przykłady takich projektów to:
- http://www.amc.anl.gov - TelePresence Microscopy (Argonne National Laboratory) - projekt umożliwia wykorzystanie uczniom/studentom nowoczesnego mikroskopu elektronowego (ME) przez Internet. W pierwszym etapie zainteresowane klasy/grupy opracowują propozycje badań/obserwacji za pomoca ME. Następnie, po zakwalifikowaniu i uzyskaniu dostępu do mikroskopu, klasa przesyła materiał/próbki do badań. W wyznaczonym czasie loguje się do mikroskopu używając przeglądarki WWW i pod okiem naukowca wykonuje badania i obserwacje. Dodatkowo korzysta z wideokonferencji lub zwykłego telefonu w celu konsultacji otrzymanych wyników z obsługą mikroskopu.
- http://chickscope.beckman.uiuc.edu - Chickscope (Beckman Institute at the University of Illinois at Urbana-Champaign) - jest projektem umożliwiającym pracę w czasie rzeczywistym na spektrometrze NMR pozwalającym na obrazowanie struktury układów biologicznych. Sytem zawiera 170 MHz spektrometr NMR wyposażony w 4.7 T magnes nadprzewodzący, system gradientowy i konsolę pomiarową. Uczniowie/studenci dzięki zdalnemu dostępowi do przyrządu mogą obserwować rozwój embrionu kurczaka, zmieniać ustawienie próbki i wykonywać zdjęcia. Strona poświęcona projektowi zawiera materiały dydaktyczne takie jak zdjęcia, filmy wideo, itp. Daje możliwość zapoznania się z procesem uzyskiwania danych pomiarowych, współpracy z uczonymi różnych dziedzin oraz innymi uczniami biorącymi udział w projekcie.
- http://bugscope.beckman.uiuc.edu - Bugscope (Beckman Institute at the University of Illinois at Urbana-Champaign) - udostępnia układ do obserwacji i uzyskiwania obrazów z transmisyjnego mikroskopu elektronowego Phylips CM 200 (TEM) z wykorzystaniem sieci Internet. Można kontrolować powiększenie, pochylenie wiązki elektronowej, poziom jej zogniskowania oraz wykonywać zdjęcia. Uczestniczące w projekcie klasy mają możliwość obsługiwania na odległość TEM oraz obserwowania w bardzo dużym powiększeniu wybranych przez siebie insektów. Specjalnie do tego celu opracowano łatwe w obsłudze oprogramowanie.

Już ten krótki przegląd propozycji zawartych w Internecie potwierdza jego bardzo duże walory dydaktyczne. Dodatkowo w Tabeli 1 podano wybrane adresy stron WWW pozwalających na zdalny dostęp do przyrządów pomiarowych z możliwością wykonania wirtualnego doświadczenia.

Tabela 1. Wybrane adresy stron WWW umożliwiające dostęp do nowoczesnej aparatury pomiarowej

Scenariusz lekcji

Ogromny rozwój w ostatnich latach przeżywa usługa World Wide Web (WWW). Dzięki wprowadzeniu na strony WWW grafiki, animacji, dźwięku, filmów, itp. stały się one wiodącym medium w przekazywaniu informacji użytkownikom sieci. Szczególnie istotną zaletą coraz większej ilości stron WWW jest ich interaktywny charakter dzięki zastosowaniu takich narzędzi jak ActiveX i Java. Tego typu strony mogą być z powodzeniem wykorzystane do ilustracji i wspomagania zajęć z fizyki.

Na przykładzie strony WWW Explore Science, która znajduje się pod adresem: http://www.explorescience.com omówiona zostanie metodyka wykorzystania Internetu na lekcji fizyki oraz zostanie podany przykładowy scenariusz lekcji dla klasy III LO: "Analiza drgań harmonicznych w układach mechanicznych z wykorzystaniem komputera podłączonego do Internetu".

Interaktywna strona WWW Explore Science to ciekawe miejsce dla tych, którzy poszukują prostych i poglądowych symulacji dla zilustrowania zajęć lekcyjnych z fizyki prowadzonych na poziomie gimnazjum lub szkoły średniej. Zawiera ona szereg programów modelujących zjawiska z takich działów fizyki jak mechanika, fale elektromagnetyczne, optyka, drgania mechaniczne, itp. Przetłumaczoną przeze mnie na jezyk polski wersję tej strony można znaleźć pod adresem: http://physics.uwb.edu.pl/ptf/es/start.htm.

Symulacja, którą wykorzystamy na lekcji, umożliwia zapoznanie się z relacją między okresem, przyspieszeniem grawitacyjnym, długością wahadła, masą i współczynnikiem sprężystości w czasie ruchu harmonicznego. Model zakłada idealny ruch harmoniczny (przybliżenie małego kąta) oraz brak oporów powietrza. Suwaki umieszczone w górnej części ekranu (Rys.2) pozwalają na zmianę współczynnika sprężystości, długości wahadła oraz masy natomiast suwak widoczny w dolnej części ekranu umożliwia zmianę przyspieszenia grawitacyjnego. Uczniowie modyfikując podane parametry obserwują zachowanie się układów i porównują uzyskane wyniki z doświadczeniem przeprowadzonym w klasie. Dzięki dostepowi do Internetu mogą dodatkowo wyszukiwać informacje dotyczące tematu zajęć korzystając z wyszukiwarek Altavista, Yahoo, Hotbot, itp. Połączenie doświadczenia wykonywanego praktycznie przez uczniów z analizą modelu daje duże korzyści dydaktyczne w procesie nauczania fizyki.

Rys. 2. Model wahadła sprężynowego i wahadła matematycznego

Metody aktywizujące spełniają coraz większą rolę w procesie nauczania. Jedną z tych metod, którą wykorzystamy na zajęciach z fizyki wspomaganych Internetem, jest praca w grupach. Daje ona dobre efekty dydaktyczne oraz wpływa na doskonalenie umiejętności współpracy i współdziałania uczniów przy rozwiązywaniu danego zadania. Jednocześnie doskonalone są umiejętności prowadzenia dyskusji i merytorycznej obrony uzyskanych wyników.

W czasie zajęć uczniowie szukają związku między parametrami opisującymi układ drgający na podstawie przeprowadzonych doświadczeń i symulacji oraz weryfikują opis teoretyczny drgań harmonicznych. Dzięki temu nabierają umiejętności posługiwania się komputerem osobistym podłączonym do Internetu, zastosowania programów interaktywnych do symulacji zjawisk fizycznych oraz analizowania sytuacji fizycznej na podstawie modelu. W końcowym efekcie wpływa to na ugruntowanie wiedzy o drganiach harmonicznych i doskonalenie umiejętności budowania prostych układów doświadczalnych. Środki dydaktyczne jakie wykorzystamy na lekcji to:
- instrukcja ze schematem doświadczenia wraz z zadaniami do wykonania dla danej grupy,
- komputery z dostępem do Internetu,
- proste przyrządy (sprężyny, ciężarki, sznurki) służące do budowy układów drgających.

Przebieg lekcji
1. Czynności przygotowawcze: podział klasy na grupy 2-3 osobowe, wybranie kierowników poszczególnych grup, zajęcie miejsca przy komputerach.
2. Powtórzenie wiadomości o drganiach harmonicznych w układach mechanicznych.
3. Podanie tematu lekcji - Analiza drgań harmonicznych w układach mechanicznych z wykorzystaniem komputera podłączonego do Internetu.
4. Omówienie metodyki wykorzystania programów interaktywnych i symulacji komputerowych. Wyjaśnienie idei doświadczenia.
5. Przydzielenie poszczególnym grupom zadań dośiadczalnych oraz rozdanie instrukcji ich wykonania. Uczniowie otrzymują także materiały niezbędne do zestawienia układu doświadczalnego.
6. Uczniowie zestawiają układ doświadczalny zgodnie z instrukcją i wykonują eksperyment. Dokonują symulacji prostych układów drgających z wykorzystaniem programu dostępnego na stronie internetowej.
7. Kierownik danej grupy oraz jej członkowie przedstawiają na forum klasy uzyskane wyniki obserwacji doświadczeń i symulacji komputerowych oraz formułują wnioski. Jednocześnie prezentowane są odpowiedzi na pytania i problemy zawarte w instrukcji wykonania doświadczenia. Dodatkowo poszczególni członkowie grupy odpowiadają na pytania dotycząące drgań harmonicznych.
8. Ocena i podsumowanie:
Uczniowie oceniani są za wykonane doświadczenia oraz prezentację uzyskanych wyników. Dodatkowo oceniani są za udział w dyskusji związanej z tematem lekcji oraz odpowiedzi na zadane im pytania. Otrzymane wyniki oraz jakość prezentacji zostają podsumowane i omówione przez prowadzącego zajęcia.

Wirtualna szkoła

Zajęcia odbywające się równolegle w szkołach posiadająacych dostęp do Internetu stwarzają moliwość wymiany informacji między uczniami oraz prowadzenia dyskusji np. nad wynikami wykonanego doświadczenia. W ten sposób zostaje utworzona wirtualna szkoła, gdzie klasy współpracują nad bieżącymi tematami zajęć dzięki technologii teleinformatycznej.

Uwzględnienie zajęć wspomaganych Internetem w planie szkoły oraz poszczególnych klas ułatwia organizację dalszych przedsięwzięć związanych z wykorzystaniem sieci. Nawiązanie kontaktu między szkołami, uzgodnienie i opracowanie wspólnego projektu/programu pozwala na lepszą koordynację działań związanych z wprowadzeniem Internetu na zajęcia. W tym przypadku Internet można wykorzystać do:
- prowadzenia dyskusji na temat aktualnie omawianych zagadnień fizycznych z wykorzystaniem e-mail, list i grup dyskusyjnych,
- organizowania wideokonferencji umożliwiających kontakt wizualny i głosowy między uczestniczącymi w przedsięwzięciu uczniami i nauczycielami (łącze ISDN - Integrated Services Digital Network, oprogramowanie MS NetMeeting lub CU-SeeMe),
- pracy nad wspólnym projektem.

Uzyskane wyniki oraz zebrane materiały w trakcie realizacji projektu mogą być opracowane w postaci strony WWW, która stanowić będzie dobre źródło informacji dla innych szkół chcących w przyszłości realizować podobne przedsięwzięcia.

Wiele zajęć może być prowadzonych interdyscyplinarnie przy udziale nauczycieli różnych przedmiotów co w dużym stopniu usprawnia realizację projektów oraz aktywizuje całe środowisko do współpracy (np. anglista - tłumaczenie stron WWW, informatyk - przygotowanie sieci i oprogramowania, fizyk - demonstracje doświadczeń, modele zjawisk fizycznych).

Wnioski

Dokładnie zaplanowanie i dobre zorganizowanie zajęć z wykorzystaniem Internetu ułatwia w znacznym stopniu osiągnięcie celu dydaktycznego oraz pozwola uniknąć kłopotów technicznych na lekcji. Uczniowie oraz nauczyciele powinni być wcześniej wprowadzeni w metodykę korzystania z usług internetowych. Niezbędnym warunkiem powodzenia przedsięwzięcia jest prawidłowe i sprawne działanie sieci, łatwość dostępu do stron WWW, działanie poczty elektronicznej oraz łącza ISDN między szkołami w przypadku wykorzystania wideokonferencji.

Na zakończenie należy wymienić korzyści płynące dla uczniów z wykorzystania Internetu na zajęciach w szkole:
- umożliwia bezpośredni kontakt z uczonymi, specjalistami danego działu fizyki,
- zapoznaje z nowoczesną technologią teleinformatyczną,
- uczy sprawnego wyszukiwania informacji na temat związany z omawianym zagadnieniem,
- uczy współpracy i pracy w grupach w celu szybszego rozwiązania problemu,
- zajęcia są bardziej atrakcyjne i aktywizują do samodzielnego zdobywania i weryfikowania informacji.

Internet rozwiązuje również szereg problemów, z którymi borykają się nauczyciele fizyki, np. brak odpowiednich przyrządów, materiałów poglądowych, opisów doświadczeń, oprogramowania, itp. Jak każda nowa technologia stosowana w nauczaniu, wymaga ona w początkowej fazie zwiększonego wysiłku na opracowanie materiałów dydaktycznych oraz metodyki prowadzenia lekcji. Wykorzystując Internet na zajęciach uzyskujemy doskonałe narzędzie wzbogacające proces dydaktyczny. Jednak najważniejsze aby Internet sam w sobie nie przesłonił celu związanego z nauczaniem fizyki.