Web based dynamic modeling by means of PHP

and JavaScript – part II

Jan Válek, Petr Sládek

Pedagogická fakulta Masarykova Univerzita Poříčí 7, 603 00 Brno

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 2

Úvodem

• Rozvoj ICT s sebou nese:

– Zásadní ovlivnění učitelova + studentova postoje ke vzdělávacímu procesu => výraznější zavádění ICT

– Společnost od škol žádá aby studenty všestranně rozvíjela a motivovala k dalšímu vzdělávání mimo jiné také s ICT

– Současní studenti používají ICT intuitivně již od raného věku => ICT implementovat do výuky jako integrální součást, ne jenom jako nástroj

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 3

Úvodem

– Učíme se na základě interakce myšlení + vlastní aktivita bez ohledu na ICT

– Jednou z možností, jak sloučit prostředky PED + DID + TECH v jeden efektivní výstup je dynamické modelování (DM)

• DM pomáhá v RVP ZV nebo G – úspěšnému naplnění klíčových kompetencí a zařazení

průřezových témat do vzdělávacího procesu

– vytváří mezipředmětové vazby

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 4

Modely

HEJNOVÁ, E., Didaktika pro 2. st. ZŠ 1. díl, 2010 (str. 42 - 44)

• Modely se používaly od samého vzniku fyziky jako jeden z nejvýznamnějších prostředků velmi efektivního budování fyzikálních teorií i k jejich názornému výkladu

• Termín model se rozšířil teprve v 19. století, ale mnohé modely vytvářeli fyzikové již dříve (např. Galileo, Newton aj.)

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 5

Modely

VACHEK, J., LEPIL, O., Modelování a modely ve vyučování fyzice, 1980 (str. 14 - 19)

• Modely materiální

– Prostorově podobné - makety, zmenšeniny, zvětšeniny

– Fyzicky podobné - napodobují dynamiku modelovaného procesu

– Matematicky podobné - modelují funkční závislost fyzikálních veličin

• Modely ideální

– Obrazové (ikonické) - ilustrují neznámý nebo nedostupný předmět nebo jev

(idealizace / analogie)

– Smíšené (obrazně – znakové) - magnetické indukční čáry, schémata

– Znakové (symbolické) - pro myšlenkové experimenty

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 6

Modely

FENCLOVÁ, J., Úvod do teorie a metodologie didaktiky fyziky, 1982 (str. 116 - 118)

• Prostředek vědeckého zobrazení a poznávání

• Model v přírodních a technických vědách

– Používá se již více než 300 let

– „Model je nahrazení komplexního systému systémem, který je pokládán za jednodušší a o němž se předpokládá, že má jisté vlastnosti, které jsou shodné s těmi, které byly vybrány pro studium na originálním komplexním systému.“

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 7

Dynamické modelování

• Zobrazení jevů pomocí modelů => lepší pochopení základních matematických operací a fyzikálních podstaty jevů studenty

• Vyvrácení studentských prekonceptů

• Metoda dynamického modelování umožňuje sledování (nejenom) časového vývoje

• Metoda „relativně“ mladá

– Jeden z prvních R. P. Feynman

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 8

Vlastní implementace DM

• Volíme příklady, které studenti znají z běžného života

• Modelování samotných situací není stěžejní otázkou

– Pro účely modelu jde pouze o vygenerování čísla výsledku dané situace => analýza dané situace

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 9

Vlastní implementace DM

• Cílem používání DM je

– Rozvoj znalosti studentů o řešení příslušných situací

– Studenti sami umí budoucí problémové situace řešit

– Analýza fyzikální podstaty zkoumaného děje

• Cílem používání DM není

– Uživatelské využití vytvořeného programu, ale analýza fyzikální podstaty zkoumaného děje

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 10

Dynamické modelování

• Kdy nasadit DM?

– Výpočet je nad rámec schopností studentů, ale:

• Jsou schopni problém částečně si uvědomit

• Dokáží ohraničit rozsah hodnot některých IN/OUT veličin

• Základní představa o možných výsledcích

• Mohou nastat při používání DM problémy?

– Sledovat vývoj/měnit pouze jednu veličinu

– Můžeme studenty přehltit informacemi - mnoho změn

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 11

Dynamické modelování

• Proč právě PHP a JavaScript?

– Výpočty, MAT operace a MAT konstanty

– On-line dostupnost modelů

– Editor – poznámkový blok

– Pro práci s modely – internetový prohlížeč

• Co přidává PHP navíc?

– Tvorba obrázků

– Skripty prováděny na straně serveru

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 12

Dynamické modelování

• Cílem není uživatelské využití vytvořeného programu, ale analýza fyzikální podstaty zkoumaného děje

• Přístupný web

www.ped.muni.cz/modely

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 13

Výzkumné šetření

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 14

Východiska

• Malá úspěšnost žáků v šetřeních 2011, 2012 – BEDNÁROVÁ, R., VÁLEK, J., SLÁDEK, P., Graphs and Dynamic Modeling

as a Motivating Tool in Teaching Physics, Procedia - Social and Behavioral Sciences, Volume 69, 24 December 2012, Pages 1827-1835, ISSN 1877-0428, 10.1016/j.sbspro.2012.12.133.

– VÁLEK, J., BEDNÁROVÁ, R., SLÁDEK, P., Grafy a dynamické modelování používané jako motivační nástroj ve vyučování fyziky. 1. vyd. Brno: Masarykova univerzita, 2012 (will be published)

• Z dotazování před výzkumem vyplynulo, že vyučující by toto médium ve výuce rádi využívali

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 15

Použité výzkumné metody

• Počet respondentů dotazníku za období leden - březen 2013 byl 109 (nyní 165 + 26)

• Zaměřeno na ZŠ, SŠ, OU a G

• Výzkumné šetření cíleno na DM v kontextu procesu výuky

• Hlavní otázkou: Jak učitel začleňuje do výuky dynamické modelování a zda s ním vůbec pracuje?

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 16

Použité výzkumné metody

• Použité statistické nástroje

– χ kvadrát

– Znaménkové schéma kontingenční tabulky

– Stupně závislosti - Koeficienty kontingence

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 17

Výzkum

• Cíl výzkumu

Cílem výzkumu je charakteristika učitele jako tvůrce nebo uživatele počítačových modelů ve výuce fyziky na školách a současně identifikace vlastního procesu tvorby počítačových modelů a jejich zasazení do výuky. Za účelem dosažení vytyčeného výzkumného cíle byly stanoveny následující výzkumné otázky a hypotézy.

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 18

Výzkum

• Výzkumné otázky/výzkumné problémy O1: Existuje vztah mezi délkou praxe učitelů a tvorbou počítačových modelů?

O2: Existuje vztah mezi délkou praxe učitelů a používáním počítačových modelů ve výuce?

O3: Vytvářejí si učitelé vlastní počítačové modely pro podporu výuky fyziky?

O4: Vytvářejí digitální nativci počítačové modely častěji než digitální imigranti?

O5: Je důležité, jakou aprobaci mají učitelé vystudovanou pro tvorbu počítačových modelů? Je důležité, jaké předměty učitelé na škole učí pro tvorbu počítačových modelů?

O6: Má vliv na tvorbu počítačových modelů výuka na vysoké škole, tedy s jakými vývojovými prostředími budoucí učitelé pracovali během studií a v jakých vývojových prostředích vytvářejí počítačové modely během učitelské praxe?

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 19

Výzkum

• Hypotézy H1: Učitelé s aprobacemi fyzika+matematika nebo fyzika+informační

výchova používají počítačové modely ve výuce fyziky častěji než učitelé s aprobací fyzika+ostatní předměty.

H2: Četnost vytváření počítačových modelů závisí na délce pedagogické praxe.

H3: Učitelé, kteří vyučují fyziku a Informační a komunikační technologie nebo Informatiku nebo jim ekvivalentní předmět, vytvářejí počítačové modely častěji, než učitelé vyučující fyziku a jiné předměty.

H4: Učitelé, kteří vytvářejí počítačové modely, používají pouze ta vývojová prostředí, se kterými se naučili pracovat na vysoké škole.

H5: Četnost vytváření počítačových modelů závisí na roku, kdy učitelé absolvovali vysokou školu.

H6: Učitelé do 39 let věku včetně (tzv. digitální nativci) vytvářejí počítačové modely častěji než starší učitelé. (vztaženo k 2013)

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm ICTE 2013 20

Průběh a výsledky výzkumu

Vybavení škol ICT je na dostatečné úrovni a není překážkou pro nasazení DM do výuky fyziky

Computer-Equipped classroom with a projector, which

is taught physics

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

yes no

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm ICTE 2013 21

Průběh a výsledky výzkumu

Age distribution of teachers-model makers

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

25-39 years 39 years and over

Frequency of use of identical development

environments at university and in practice

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

At the university did not

develop in practice yes

At least one environment

at the same university in

practice

The environment is

completely different to

the university and in

practice

Frequency of creation of computer models depends on

length of teaching experience

0%

5%10%

15%

20%25%

30%

35%

40%45%

50%

Less than 1

year

1-2 years 3-5 years 6-10 years 11-15

years

16 years

and over

Frequency of use of identical development

environments at university and in practice

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

At the university did not

develop in practice yes

At least one environment

at the same university in

practice

The environment is

completely different to

the university and in

practice

Age distribution of teachers-model makers

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

25-39 years 39 years and over

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 22

Průběh a výsledky výzkumu

• Hypotéza H2 nebyla jednoznačně potvrzena – Četnost vytváření počítačových modelů závisí na

délce pedagogické praxe.

• Hypotéza H4 potvrzena – Učitelé, kteří vytvářejí počítačové modely,

používají pouze ta vývojová prostředí, se kterými se naučili pracovat na vysoké škole.

• Hypotéza H6 potvrzena – Učitelé do 39 let věku včetně (tzv. digitální

nativci) vytvářejí počítačové modely častěji než starší učitelé. (vztaženo k 2013)

Frequency of creation of computer models depends on

length of teaching experience

0%

5%10%

15%

20%25%

30%

35%

40%45%

50%

Less than 1

year

1-2 years 3-5 years 6-10 years 11-15

years

16 years

and over

Age distribution of teachers-model makers

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

25-39 years 39 years and over

Frequency of use of identical development

environments at university and in practice

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

At the university did not

develop in practice yes

At least one environment

at the same university in

practice

The environment is

completely different to

the university and in

practice

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 23

Závěry

• Ukazuje se, že DM může částečně nahradit nedostatečný MAT aparát

• DM posiluje schopnost identifikovat FYZ pozadí jevů, které známe z každodenního života, bez ohledu na úroveň studentova analytického a logického myšlení (vlastní šetření ve výuce na ZŠ)

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 24

Závěry

• Výzkum ukazuje, že učitelé jen velmi zřídka vytváří počítačové (dynamické) modely pro svou pedagogickou praxi

– Může to být důsledkem toho, že s modely na VŠ vůbec nepracovali - případ 30 % respondentů + 10 % kdy byla prostředí zcela odlišná

• Během přípravy učitelů na VŠ, by se studenti měli seznámit s různými nástroji pro vývoj počítačových modelů

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 25

Závěry

• Začínající učitelé používají modely ve výuce méně než profesně starší kolegové

• Úskalí virtuálních světů spočívá v předkládání stejného vizuální obraz světa mnoha jedincům

• Je na učitelích, aby se uvedli digitální světy s fyzikálně technickou realitou do souladu

– Vhodnou pomůckou pro nápravu některých je používání dynamického modelování ve výuce

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 26

Závěry

• Diskutovat se studenty zdrojový kód

• Základem je naučit studenty pracovat s grafy a jejich tvorbě

• Implementace aktivního kreslení (HTML5)

– Chybí celková podpora napříč prohlížeči

• Uvedený model a další jsou volně dostupné na adrese:

www.ped.muni.cz/modely

10.9. - 12.9. - Rožnov pod Radhoštěm

ICTE 2013 27

Děkujeme za pozornost

PhDr. Jan Válek

Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání PdF MU

Poříčí 7, 603 00 Brno, ČR

E-mail: valek@ped.muni.cz

doc. RNDr. Petr Sládek, CSc.

Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání PdF MU

Poříčí 7, 603 00 Brno, ČR

E-mail: sladek@ped.muni.cz

Telefon: + 420 549 496 841