POČÍTAČOVÉ SIMULACE

VE VÝUCE FYZIKY

ZDENĚK PUCHOLT

Katedra experimentální fyziky

Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého

17. listopadu 1192/12, Olomouc

Obsah prezentace…

• Rešerše literatury

• Zařazení a aplikace simulací, jejich klasifikace

• Vybrané studované články

• Pilotní výzkum na GHO & SGO

• Popis, průběh a sledované parametry

• Konkrétní případ #1

• Konkrétní případ #2

• Zhodnocení, plány do budoucna

• Implementace hry GRAPHysics

• Popis, charakteristika

• Plánovaný vývoj

Zařazení simulací…

POČÍTAČOVÉ SIMULACE

ŠKOLSTVÍ

→ POŽADAVEK NA ÚROVEŇ →

PRIMÁRNÍ VZDĚLÁVÁNÍ

SEKUNDÁRNÍ VZDĚLÁVÁNÍ

TERCIÁRNÍ VZDĚLÁVÁNÍ

PRŮMYSL

PŘÍPRAVA → PRŮPRAVA

Aplikace simulací (podle rešerše)...

Klasifikace simulací (podle rešerše)...

• “KLASICKÉ SIMULACE“standardní vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci

s uživatelem pomocí běžných počítačových periferií

• “HAPTICKÉ SIMULACE“vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s

uživatelem pomocí haptických prvků

• “VYSOCE INTERAKTIVNÍ SIMULACE“vysoce vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s

uživatelem pomocí haptických a interaktivních prvků

• “VIRTUÁLNÍ SVĚT 3D“vysoce vizuálně interaktivní a sociální prostředí pro

komunikaci s uživateli pomocí haptických a interaktivních

(2D, 3D) prvků Vzrů

sta

jící

náro

čn

os

t (i

mp

lem

en

tace,

cen

a)

Klasifikace simulací (podle rešerše)...

• “KLASICKÉ SIMULACE“standardní vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci

s uživatelem pomocí běžných počítačových periferií

• “HAPTICKÉ SIMULACE“vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s

uživatelem pomocí haptických prvků

• “VYSOCE INTERAKTIVNÍ SIMULACE“vysoce vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s

uživatelem pomocí haptických a interaktivních prvků

• “VIRTUÁLNÍ SVĚT 3-D“vysoce vizuálně interaktivní a sociální prostředí pro

komunikaci s uživateli pomocí haptických a interaktivních

(2D, 3D) prvků Vzrů

sta

jící

náro

čn

os

t (i

mp

lem

en

tace,

cen

a)

Vybrané studované články (1)…

• GRABOWSKI, Andrzej a Jaros law JANKOWSKI. Virtual

Reality-based pilot training for underground coal miners.

Safety Science [online]. 2015, vol. 72, s. 310–314. DOI:

10.1016/j.ssci.2014.09.017

• BANJANIN, Nikolina, Nikola BANJANIN, Ivan DIMITRIJEVIC a

Igor PANTIC. Relationship between internet use and

depression: Focus on physiological mood oscillations,

social networking and online addictive behavior. Computers

in Human Behavior [online]. 2015, vol. 43, s. 308–312. DOI:

10.1016/j.chb.2014.11.013

• HURKALA, J, M GALL, R KUTNER a M MACIEJCZYK. Real-

time numerical simulation of the Carnot cycle. European

Journal of Physics [online]. 2005, vol. 26, issue 5, s. 673–680

[cit. 2015-02-12]. DOI: 10.1088/0143-0807/26/5/001

Vybrané studované články (2)…

• YALCINALP, Serpil, Nurcan SEN, Gamze KOCER a Fatih

KOROGLU. Higher Education Student’s Behaviors as

Avatars in a Web based Course in Second Life. Procedia –

Social and Behavioral Sciences. 2012, vol. 46, s. 4534–4538.

DOI: 10.1016/j.sbspro.2012.06.291

• BOULOS, Maged N. Kamel, Lee HETHERINGTON a Steve

WHEELER. Second Life: an overview of the potential of 3-D

virtual worlds in medical and health education. Health

Information and Libraries Journal. 2007, vol. 24, issue 4, s.

233–245. DOI: 10.1111/j.1471-1842.2007.00733.x

• BAKER, Suzanne C., Ryan K. WENTZ a Madison M. WOODS.

Using Virtual Worlds in Education: Second Life as an

Educational Tool. Teaching of Psychology. 2009-01-02, vol.

36, issue 1, s. 59–64. DOI: 10.1080/00986280802529079

Pilotní výzkum na GHO & SGO

• trvání výzkumu: 2014 – dosud

• různé způsoby začlenění simulací do výuky

• využití simulací projektu PhET (PHysics Education Technology),

University of Colorado-Boulder, USA

URL: http://phet.colorado.edu

• hledání významných parametrů, které mohou ovlivňovat

efektivnost počítačových simulací

• stanovování alternativních hypotéz → hledání přítomnosti

významných statistických rozdílů

• eliminace faktorů negativně ovlivňujících průběh výzkumu

Případ #1

• Téma

Pohyby v tíhovém poli Země („vrhy“)

• Doba konání

24. 4. 2014 – 16. 5. 2014

• Účastníci

1 třída, 2. roč./IV, všeobecné zaměření

• Východisko

Nové téma, před začátkem absolvování pre-testu, po dokončení

post-test

• Časová dotace

2 vh (2 x 45 min.) simulací pro experimentální skupinu (ES),

2 vh (2 x 45 min.) výpočetních úloh pro kontrolní skupinu (KS),

4 vh (4 x 45 min.) standardní výuky (ES & KS),

1 vh (1 x 45 min.) pro pre-test a post-test (ES & KS).

Případ #1

• Simulace pro ES

Projectile Motion (PhET, Colorado-Boulder, USA)

URL: http://phet.colorado.edu/en/simulation/projectile-motion

• Stanovené hypotézy (nulová hypotéza, alternativní hypotéza)

• H0: Mezi žáky vzdělávanými tradičním způsobem a žáky

vzdělávanými pomocí počítačových simulací není při testování

míry miskonceptů významný statistický rozdíl.

• H1: Mezi žáky vzdělávanými tradičním způsobem a žáky

vzdělávanými pomocí počítačových simulací existuje při

testování míry miskonceptů významný statistický rozdíl.

• Využití populárního testu FCI (Force Concept Inventory) v

českém překladu (RNDr. Dana Mandíková, CSc.)

URL: http://modeling.asu.edu/R&E/Research.html

• Využití známých tuzemských sbírek úloh, Fundamentals of

Physics (H&R&W),…

Případ #1

BĚŽNÁ

VÝUKA

PRÁCE VE

SKUPINÁCH

Případ #1

KONTROLNÍ SKUPINA (KS) EXPERIMENTÁLNÍ SKUPINA (ES)

Absolvování pre-testu, post-testu

→ evaluace skupiny

Absolvování pre-testu, post-testu

→ evaluace skupiny

Účast na běžné výuce

→ shodně s ES

Účast na běžné výuce

→ shodně s KS

Výuka ve skupinách

→ stejná časová dotace jako u ES

Výuka ve skupinách

→ stejná časová dotace jako u KS

Stejné téma, rozsah učiva

→ shodně s ES

Stejné téma, rozsah učiva

→ shodně s KS

Řešení předepsaných úvahových a

výpočetních úloh

Práce se simulací, řešení úloh pomocí

simulace

Případ #1

Případ #1

Případ #1

Případ #2

• Téma

Grafické znázorňování kinematických veličin (s, v, t)

• Doba konání

20. 11. 2014 – 9. 12. 2014

• Účastníci

1 třída, 5. roč./VIII, všeobecné zaměření

• Východisko

Opakování, procvičování „problematického“ tématu

• Časová dotace

1 vh (1 x 45 min.) simulací pro experimentální skupinu (ES),

1 vh (1 x 45 min.) výpočetních úloh pro kontrolní skupinu (KS),

1 vh (1 x 45 min.) pro pre-test a post-test (ES & KS).

Případ #2

• Simulace pro ES

The Moving Man (PhET, Colorado-Boulder, USA)

URL: http://phet.colorado.edu/en/simulation/moving-man

• Stanovené hypotézy (nulová hypotéza, alternativní hypotéza)

• H0: Mezi žáky vzdělávanými tradičním způsobem a žáky

vzdělávanými pomocí počítačových simulací není při testování

významný statistický rozdíl.

• H1: Mezi žáky vzdělávanými tradičním způsobem a žáky

vzdělávanými pomocí počítačových simulací existuje při

testování významný statistický rozdíl.

• Využití SW Mathematica pro generování a vykreslování grafů pro

pre-test a post-test a pro práci kontrolní skupiny

Případ #2

Případ #2

KONTROLNÍ SKUPINA (KS) EXPERIMENTÁLNÍ SKUPINA (ES)

Absolvování pre-testu, post-testu

→ evaluace skupiny

Absolvování pre-testu, post-testu

→ evaluace skupiny

Výuka ve skupinách

→ stejná časová dotace jako u ES

Výuka ve skupinách

→ stejná časová dotace jako u KS

Stejné téma, rozsah učiva

→ shodně s ES

Stejné téma, rozsah učiva

→ shodně s KS

Práce s pracovním listem a

pomůckami

Práce se simulací a

pracovním listem

Případ #2 – KS

Případ #2 – ES

Případ #2

• rozdíl v úspěšnosti mezi kontrolní a experimentální skupinou u

post-testu byl pouze 1,52 %

• možné faktory ovlivňující výsledky tohoto výzkumu: role

učitele, obtížnost a koncepce pre-testu a post-testu, kvalita a

zpracování simulace

• oba přístupy se jeví jako sobě ekvivalentní

Pilotní výzkum na GHO & SGO

• Provedeny dílčí výzkumy v oblastech:

• Newtonovy pohybové zákony (setrvačnost, odporové síly)

• Grafické znázorňování kinematických veličin

• Práce, mechanická energie, ZZE, ZZME

• Pohyby v tíhovém poli Země

• Mechanika tekutin (vztlaková síla, Archimédův zákon)

• Mechanika tekutin (proudění, hydrodynamický paradox)

• Plánované další výzkumy:

• Mechanické kmitání (pružinový oscilátor, kyvadlo)

Účast dvou tříd, max. 60 žáků GHO, 2. roč./IV, duben 2015

• Mechanika tekutin (proudění, hydrodynamický paradox)

Opakovaný výzkum; původně na GHO, nyní na SGO

• Elektřina a magnetismus (nespecif., šk. rok 2015/2016)

GRAPHysics

• Proč ?

Procvičování „problematické pasáže“ – práce s grafy zábavnou

formou, tj. propojení fyziky & ICT = důvod vytváření aplikace

Možnost rozšíření stávající simulace The Moving Man (PhET)

• Jak?

Prostřednictvím webového rozhraní – prohlížeče s využitím

nejnovějších technologií (HTML 5 + jQuery lib. + HighCharts lib.)

Možnost 24-hodinového přístupu (škola, domácí příprava)

Dostupnost navíc na tabletech či mobilních telefonech

Případná papírová forma (viz výzkum na SGO, „pexeso“)

• Pro koho je hra určena?

Různé úrovně: ZŠ → VŠ

Rovnoměrné pohyby, pohyby se zrychlením, periodické pohyby,

specifické pohyby podle požadavků,…

• Dokončení?

Ve vývoji, plánované dokončení v průběhu roku 2015

GRAPHysics