Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta

DIZERTAČNÍ PRÁCE

2005

Jaromír Kekule

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta

Moderní metody výuky Využití výpočetní techniky pro výuku na střední škole

DIZERTAČNÍ PRÁCE

Autor: Mgr. Jaromír Kekule Školitel: Prof. RNDr. Milan Tichý, DrSc. Pracoviště: Katedra elektroniky a vakuové fyziky Obor: f-12 – Obecné otázky fyziky

Praha, 2005

Poděkování Na tomto místě bych chtěl poděkovat svému školiteli prof. Milanovi Tichému za cenné rady a pomoc a za trpělivost a ochotu, s jakou se mi po celou dobu postgraduálního studia věnoval. Dále bych chtěl též poděkovat svým kolegům učitelům a studentům za cenné připomínky a konzultace, které mi poskytli během vytváření a ověřování mé práce.

2

Obsah 1

Úvod a cíl práce.............................................................Chyba! Záložka není definována.

2

Některé teorie vzdělávání..............................................Chyba! Záložka není definována. 2.1 Jan Ámos Komenský ................................................Chyba! Záložka není definována. 2.2 Technologické teorie vzdělávání ..............................Chyba! Záložka není definována. 2.3 Výhody multimédií ve vzdělávání ............................Chyba! Záložka není definována.

3

Zahraniční zkušenosti s moderními metodami výuky...Chyba! Záložka není definována. 3.1 Projekt univerzity v Gentu ........................................Chyba! Záložka není definována. 3.2 Physlets .....................................................................Chyba! Záložka není definována. 3.3 Just in Time Teaching...............................................Chyba! Záložka není definována.

4 Příklad kurzu....................................................................Chyba! Záložka není definována. 5

Hodnocení multimédií...................................................Chyba! Záložka není definována. 5.1 EUPEN......................................................................Chyba! Záložka není definována. 5.2 NTNU Virtual Physics Laboratory ...........................Chyba! Záložka není definována. 5.3 MERLOT ..................................................................Chyba! Záložka není definována. 5.4 Ostatní organizace.....................................................Chyba! Záložka není definována.

6 Požadovaný rozsah učiva tématu elektřina a magnetismusChyba! Záložka není definována. 7

Vytvořené materiály ......................................................Chyba! Záložka není definována. 7.1 Obsah webu a orientace v něm ..................................Chyba! Záložka není definována. 7.2 Použití materiálu ........................................................Chyba! Záložka není definována. 7.3 Hodnocení webu studenty..........................................Chyba! Záložka není definována. 7.4 Shrnutí hodnocení ......................................................Chyba! Záložka není definována.

8 Ukázka z vytvořeného webu ............................................Chyba! Záložka není definována. 9 Závěr a shrnutí .................................................................Chyba! Záložka není definována. Použitá literatura ..................................................................Chyba! Záložka není definována. A Seznam publikací ...........................................................Chyba! Záložka není definována. B Přiložené publikace .......................................................Chyba! Záložka není definována.

B.1 Multimediální výukový materiál na téma elektřina a magnetismusChyba! Záložka není definov B.2 Výuka elektroniky moderními metodami.................Chyba! Záložka není definována. B.3 Výuka elektřiny a elektroniky na střední škole .........Chyba! Záložka není definována.

3

1 Úvod a cíle práce Svět se v posledních několika desítkách let překotně vyvíjí a tento rozvoj se neustále zrychluje. Moderní technika hraje v našem životě stále větší roli. Málokdo si už dnes dokáže představit život bez vymožeností, které přineslo 20. století. Většina oborů, a to nejen technických, se zavedením nových technologií proměnila k nepoznání. Těch, které zůstaly vývojem nedotčeny, mnoho nezbývá. Často se však zdá, že jedním z těchto nedotčených oborů je školství. Bohužel, výuka ve školách mnohdy vypadá velice podobně jako před padesáti i více lety. Učitel přijde do třídy a předává své znalosti žákům. Ti pilnější si je hned zapisují do sešitu a někdy, je-li výklad dostatečně pomalý, stačí sem tam i něco pochopit. Ti méně pilní rezignují a věnují se jiným věcem. Po hodině si potom poznámky svých spolužáků okopírují a doma dumají nad tím, co má tohle znamenat a jak je možné, že úloha vyšla takto. A o čem vlastně vůbec byl ten záhadný pokus, který pan učitel předváděl? Jak vyšel? O tom není v sešitě ani slovo, ach jo, pomyslí si žák, ještě chvilku se snaží a pak jde raději hrát počítačové hry. Ráno před vyučováním se látku naučí nazpaměť a je příjemně překvapen,že to stačí na dvojku. A tak to jde dál a student je celkem spokojen. Nicméně na některých školách, a to zejména za hranicemi naší republiky, se prosazuje i jiný vzdělávací přístup, při kterém se široce využívá počítačová technika. Žáci mají k dispozici multimediální učební materiály, vytvořené obvykle na základě HTML textů, se spoustou fotografií, Java aplety – dynamickými simulacemi jevů, videoukázkami pokusů a reálných jevů, tabulkami, grafy a dalšími materiály. Ty mohou používat při hodinách i doma, dělat si do nich i své vlastní poznámky a soustředit se tak plně na pochopení látky. Na mnohých vysokých školách se ještě navíc píšou i testy a domácí úkoly přes Internet a studenti mohou této technologie využívat i pro domluvu mezi sebou vzájemně nebo mezi sebou a vyučujícím. Na středních školách u nás zatím stále přetrvávají problémy se samotnou dostupností sítě Internet pro učitele i pro žáky, nedostatkem rychlejších počítačů a projekční techniky, ale situace se už snad postupně mění k lepšímu. Vyvstává tedy potřeba mít na Internetu materiály použitelné pro výuku. Samozřejmě, už dnes existuje na síti spousta stránek zaměřených na středoškolskou fyziku, ale jejich kvalita je mnohdy pochybná a většinou jsou navíc cizojazyčné. Kromě toho nejde o materiály ucelené, které by obsahovaly alespoň jednu kompletní partii fyziky, ale pouze o jednotlivé aplety nebo texty, případně návody na pokusy. Cílem mé práce proto bylo seznámit se s metodami a výsledky zahraničních pracovišť, která se tímto oborem zabývají, a posléze zpracovat web, který poskytne na středoškolské úrovni všechny potřebné materiály pro výuku důležitého a obsáhlého tématu – elektřiny a magnetismu, a to se speciálním důrazem na elektroniku jakožto obor, který je základem naprosté většiny moderních technologií. Zájemce zde najde vše pohromadě včetně grafů, obrázků, videí, apletů a dalších součástí. Dalším cílem bylo vyzkoušet vytvořené materiály ve výuce na střední škole. Práci jsem používal jak v pravidelné výuce v hodinách fyziky, tak i v nepovinném kroužku, kam docházeli pouze zájemci o fyziku. Na následujících stránkách budou nejprve stručně rozebrány některé teorie zabývají se vzděláváním, a to zejména za pomoci moderních technologií. Dále zmíním světové zkušenosti s takovouto výukou a některé zahraniční projekty založené na ICT (informačně – komunikačních technologiích). Místo bude též věnováno problému, který

4

se se vzrůstajícím počtem www stránek věnovaných výuce ukazuje jako čím dál tím naléhavější. Jedná se o hodnocení multimediálních materiálů. Jeho účelem je, aby uživatel věděl, jestli se na informace uvedené na stránkách může spolehnout a jestli vůbec má smysl vynakládat čas a úsilí na studium právě těchto konkrétních materiálů. Dále popíši a rozeberu svou práci, ukážu příklady a v závěru se zmíním o svých zkušenostech získaných při ověřování a hodnocení mé práce studenty.

5

2 Některé teorie vzdělávání 2.1 Jan Ámos Komenský I když se to zdá být téměř neuvěřitelné, i moderní vzdělávání stojí z velké části na zásadách, které stanovil již před téměř čtyřmi sty lety velký český pedagog Jan Ámos Komenský. Rád bych se tedy v úvodu této kapitoly zmínil o některých principech, které lze nalézt v jeho díle [1] a o nichž se domnívám, že jsou velmi zajímavé a navíc stále platné. „Správně vyučovati znamená způsobovati, aby se žák učil hbitě, s chutí a důkladně. Učiti se znamená kráčeti k znalosti věci neznámé přes nějakou známou.“ „Žák tedy vždy potřebuje někoho, kdo by ho vedl, napomínal a opravoval“ (na rozdíl od Komenského se však dnes nedoporučuje opravit žákovu chybu hned, ale je lépe mu nechat příležitost, aby ji odhalil a opravil sám). „Učitel a žák jsou ve vzájemném vztahu; při vyučování nemůže chyběti ani jeden ani druhý.“ „Na učiteli se žádá schopnost vyučovatelská, aby znal, mohl a chtěl vyučovat,“ a podobně „na učícím se (žáku) se žádá učenlivost, jež záleží v tom, aby mohl, znal a chtěl býti vyučován.“ Neboli „kdo nedbá, aby byl vyučován, toho budeš marně vyučovati, dokud u něho neprobudíš vřelý zájem o učení.“ S tím úzce souvisí i dnes velmi diskutovaná otázka motivace. Komenský nabádá: „Přistupuj k učení jen tehdy, bylo-li žáku náležitě doporučeno. Musíš se tedy všemožně zasaditi o to, aby žák učení, k němuž přistupuje, pojímal jako cosi hodného obdivu. (Tento obdiv zažehne chuť, chuť touhu a touha píli.) To způsobíš tím, že upozorníš na něco půvabného, příjemného a snadného v předmětu, kterému počínáš vyučovati. Je totiž přirozené chtíti raději vše než část.“ Závěrem je rada „přistupuj k učení jen tehdy, byla-li u žáka silně podnícena chuť k učení.“ Stejně tak aktuální je otázka aktivní účasti žáka při vyučování. Komenský tvrdí, že „žáku přísluší práce, učiteli řízení“. Jedinou možností kvalitní výuky je, „aby se všemu vyučovalo příklady, poučkami a jejich používáním nebo napodobením., jinými slovy, aby se učebný materiál přednášel žáku před oči, přednesený vysvětloval a on, aby se snažil vysvětlenou a pochopenou látku vyjádřiti novou představou, až by jí uměl vyjádřiti“. „Všemu se vyučuje a učí příklady, ukázkami a cvičeními.“ Velmi důležitý je i další bod: „Nechť je mezi vším, čemu má býti vyučováno, trvalá souvislost.“ Další věty se týkají uspořádání učiva: „Snadnému se učíme snadněji, nesnadnému nesnadněji. V hromadě věcí, kterým se musíme učiti, jsou vždy některé snadnější než druhé. Vždy tedy (v hromadě věcí, kterým se musíme učiti) je nutno začínati od snadnějších a postupovati k nesnadnějším.“ Pro používání multimédií ve výuce je jistě zajímavé konstatování, že „čím větším počtem smyslů se vtiskne nějaká představa do duše, tím jistěji se s ní seznamujeme a pevněji si ji podržujeme“. „Rozumová znalost věcí obsahuje tři složky: pochopení, rozsuzování a zapamatování.“ „Pochopení je poznání toho, jaká je ve své vnitřní stavbě věc, které smysly porozuměly zvenčí. Posudek jest úvaha o věci, zda jest náležitá. Paměť je uschování pochopené a posouzené věci pro budoucí použití.“ „Znáti příčiny věcí znamená znáti podstatu věcí.“ „Musíme přihlížeti k tomu, aby vše, čemu se vyučuje, bylo průhledně pravdivé. Musíme se starati o to, aby vše, čemu se vyučuje, bylo přijímáno s pozorností. Musíme pečovati o to, aby vše, čemu se vyučuje, bylo chápáno nejdříve jako celek, potom po částech, po pořádku a odděleně.“

6

„Části každé věci mohou a také bývají ukazovány, prohlíženy a poznávány trojím způsobem: 1. rozbíráním (analysa) 2. skládáním (synthesis) 3. srovnáváním s jinými (synkrinis)“ „Metoda analytická, synthetická a synkrinická musejí býti nezbytně spojeny tam, kde se požaduje úplné poznání věcí.“ Na závěr ještě několik krátkých a jasných konstatování, na která je třeba při výuce i tvorbě výukových materiálů pamatovat. •

„To, co se má svěřiti paměti, budiž uspořádáno.“

•

„První vtisknutí představy nejlépe utkvívá.“

•

„Vtisknutá představa, učiněná bezprostředně z věcí samých, je nejlepší.“

•

„Opakování je protilékem zapomínání.“

•

„Zapisování je pokladnicí opakování.“

•

„Pochopení věci – ať jakékoli - je světlem paměti.“

Poslední zajímavá věc – „zvláštní připomenutí k tomu, jak vyučovati rychle, příjemně a důkladně.“ „Stálé příklady napomáhají velice rychlosti, jasné poučky napomáhají velice příjemnosti a nepřetržité použití důkladnosti.“

2.2 Technologické teorie vzdělávání Na konci dvacátého století, kdy se ukázalo, že počítač je použitelný ve školní výuce, se rozvinula řada pedagogických teorií zabývajících se problémem výuky s použitím počítače. Příkladem jsou hypermediální teorie, které vznikly na základě zkušeností s používáním médií pro výuku. Prvním zdrojem jejich inspirace byla teorie komunikace, jejíž počátky lze nalézt už ve třicátých letech dvacátého století. Pedagogická komunikace je chápána jako činnost, která má být systematizována a zefektivněna. Druhým zdrojem byla kybernetika. Pedagogická kybernetika chtěla vědecky studovat vztahy mezi procesem vyučování a jeho účinky na učení. Na vzdělávání se nahlíželo jako na skutečnou technologii automatizace učebních procedur, uskutečňovaných pomocí algoritmů. Na konci šedesátých let se začaly vytvářet informační programy pro výuku. Postupně byly vytvořeny i programy, které se dokázaly žákovi přizpůsobit. Otevřela se široká paleta možností organizace výuky, která je v [2] klasifikována takto: • • • • • • • •

kurikulum je zcela strukturováno do jednotlivých cvičení žák má plnou kontrolu nad systémem žák nebo systém kladou otázky a jeden či druhý odpovídá na způsob sokratovského dialogu žák formuluje hypotézy a počítač vytváří simulace, které pomáhají hypotézy ověřit nebo vyvrátit počítač zadá problém a pomáhá ho vyřešit počítač analyzuje řešení, například metodou případových studií počítač je průvodcem žáka, který reaguje na jeho aktivity, ať už je jejich povaha jakákoliv počítač vykonává diagnostickou funkci - odhaluje a analyzuje žákovy omyly 7

•

žák klade otázky a počítač mu odpovídá, přičemž podává příslušná vysvětlení

Třetím zdrojem pro hypermediální tendence jsou psychologické teorie chování a procesů poznávání. Hlavní principy pro uspořádání hypermediálního prostředí jsou následující [2]: •

• • • •

Rozmanitost interakcí – tj. vytvoření co nejširší škály možností komunikace mezi počítačem a studentem; př. počítač produkuje automaticky problémy k výuce nebo hodnocení; analyzuje omyly žáka a přináší řešení; předává obsahy; nabízí zpětnou vazbu; klade žákovi otázky a přizpůsobuje se jeho vlastnostem. Vytváření otevřených modelů – prostředí vychází ze žáka, nikoliv z učební látky; má rychle reagovat na studentovy požadavky. Prostředí nezávislé na předávaných obsazích – napřed se vybuduje prostředí, teprve potom se naplňuje obsahem. Kooperativní výuka – snaha integrovat do výuky příležitosti k sociální spolupráci (interakce mezi učitelem a studentem nebo mezi několika studenty najednou). Multimediální prezentace informací – schopnost vysvětlit jedno téma více způsoby; student může kdykoliv žádat o vysvětlení v kterékoliv formě.

Technologická teorie má však jeden zásadní problém: učitel nemá kontrolu nad vzdělávacím procesem.

2.3 Výhody multimédií ve vzdělávání Důvodem pro zaváděním multimédií do vzdělávání byly samozřejmě jejich výhody proti klasickým postupům. Učitelé si uvědomovali, že všichni žáci nejsou stejní a způsob učení, který vyhovuje jednomu, nemusí vyhovovat jinému. Např. [3] rozeznává tři základní typy studentů. První z nich, vizuální typ, je nejlépe stimulován tím, co vidí. Druhý typ, posluchačský, nejraději přijímá informace poslechem. A konečně třetí typ, taktický, preferuje výrobu modelů, laboratorní práce, hraní rolí apod. Jelikož asi šedesát procent studentů patří k vizuálnímu typu, je užití multimédií k podpoře tradičního vzdělávání velmi výhodné. Tito studenti si z multimediální prezentace dokáží mnoho odnést. Výhody užití médií ve výukovém procesu shrnuje [3] do čtyř bodů: 1. multimédia pomáhají našemu učebnímu procesu (užití různých způsobů komunikace učiní hodinu dynamičtější) 2. hodiny jsou interaktivnější (například v laboratorních cvičeních se může pracovat s virtuálními objekty a provádět s nimi experimenty, které nelze udělat ve skutečnosti) 3. hypertext usnadňuje lidem učení 4. hypertext podporuje propojování poznatků (pomocí odkazů se dá přeskakovat jinam) Jsou tu ovšem i problémy. Zejména při procházení textu studenti jen pasivně klikají na odkazy. Učitel by měl ukázat správnou a aktivní navigaci uvnitř dokumentu.

8

3 Zahraniční zkušenosti s moderními metodami výuky 3.1 Projekt univerzity v Gentu Univerzita v belgickém Gentu prosazuje už od počátku devadesátých let moderní přístupy k výuce fyziky. Důvod pro odklon od tradičních postupů je jednoduchý – zájem o fyziku pro nefyziky začal dramaticky klesat a byla též redukována určená hodinová dotace. Ke zmírnění dopadů tohoto opatření vytvořili pracovníci CRIPE (Centre for Research and Innovation in Physics Education) učební prostředí na bázi webu, nazvané Phys4All ([4]). Toto prostředí nejen využívá výhod moderní techniky, ale obsahuje i množství pedagogických přístupů, které mají studentům usnadnit učení. Jeho základní vlastností měla být podpora aktivních a konstruktivních osvojovacích procesů u studentů, stejně jako se musí pokoušet rozvíjet aktivnější strategie učení u pasivních čtenářů. S touto myšlenkou začalo vytváření prostředí Phys4All v roce 1998. Hypermédia částečně vyhovují různým učebním stylům. Ve výuce fyziky se učební styly dají rozdělit podle několika kritérií: vedený/nezávislý, abstraktní/konkrétní a geometrický/algebraický. Studenti si musí vytvořit různé „metody porozumění“ a zvládnout též přechody mezi nimi, například od rovnice ke grafu, od grafu ke slovnímu popisu, od tabulky ke grafu apod. Musí umět používat algebru i geometrii a umět plynule přecházet mezi konkrétním a abstraktním. Na internetu dnes existuje značné množství učebních materiálů, ale většina z nich stojí samostatně a není integrována do nějakého uceleného prostředí. Naopak, existující prostředí jsou primárně orientována na text. Na trhu byly i komerční nástroje pro vytváření prostředí, ale autoři [4] uvádějí, že nebyly vhodné pro jejich potřebu. Vytyčené požadavky na prostředí byly následující: •

musí být možno snadno vložit již existující materiály

•

musí od učitele vyžadovat minimální údržbu

•

musí vytvářet materiály pro studenty ve formě publikovatelné na webu.

Nakonec byla zvolena databáze pro vkládání a výstup ve formě html stránek pro studenty. Díky tomu se daly ihned využít materiály, které byly k dispozici v papírové formě. Počátečním cílem projektu bylo optimálně spojit moderní technologie (ICT) s tradičním přístupem. Jelikož na straně studenta je potřeba jen prohlížeč, nepředstavuje tato forma pro studenta žádné dodatečné náklady. Neméně důležitou věcí je skutečnost, že student prohlížeč dobře zná a umí s ním zacházet. Z předchozích zkušeností totiž plyne, že studenti velmi neradi využívají nová, neznámá prostředí, byť jakkoli dobře udělaná. Díky své různorodosti je studium v tomto prostředí motivující i pro méně dobré studenty, kteří jinak předčasně „odpadají“. Je nutno také podotknout, že ačkoli jednotlivé webové komponenty mohou být použity i pro distanční vzdělávaní, docházka na univerzitu, kde jsou studenti obklopeni „prostředím nasyceným fyzikou“, je nenahraditelná. A co konkrétně obsahuje učební prostředí? Je vybudováno na serveru Windows 2000. Databáze je vytvořena programem FileMakerPro, který dokáže výborně vytvořit konečné www stránky bez dalších zásahů. K materiálům je možno se dostat ve třech hlavních přístupových módech – „instruktor“, „student“ a „veřejnost“.

9

Instruktor má přístup do všech částí prostředí a může vkládat materiály. Může též kontrolovat výsledky studentů, kdy chce, což je výhodou zvláště pro ty učitele, kteří používají metodu JiTT ([5]). Dají studentům před přednáškou otázky a na základě jejich odpovědí se pak při přednášce zaměří na specifické problémy. Databáze obsahuje i veškeré informace o studentech – osobní údaje, postup studia a způsob řešení úloh. Student dostane na začátku školního roku své heslo, se kterým se dostane k přesně vymezeným materiálům. Má k dispozici databázi, která obsahuje všechny druhy otázek a kterou může používat i na self-testy. Je též používána i pro jeho hodnocení. Otázky mohou být zadávány náhodně, všechny výsledky studentů se ukládají a učitelé je mohou kontrolovat. Dále je studentům přístupná databáze studentských FAQ (frequently asked questions), vytvořená na základě jejich emailových dotazů. Poslední přístupový mód je určen široké veřejnosti. Na webové stránce http://physics.rug.ac.be/fysica lze najít tu část materiálů, která je volně přístupná (obr. 3.1, 3.2). Zde lze většinu věcí prohlížet i stahovat; nevýhodou pro cizince je jen to, že skoro všechny materiály jsou v holandštině.

Obrázek 3.1: Úvodní stránka kurzů fyziky univerzity v Gentu

10

Obrázek 3.2: Nabídka apletů s fyzikální tematikou na webu univerzity v Gentu

Velký důraz je též kladen na vnější podobu prostředí. Materiál je na obrazovce počítače uspořádán tak, aby přitahoval pozornost studenta k tomu nejdůležitějšímu. Každá lekce je rozsekána na drobnější kousky – tak je zabráněno „kognitivnímu přepracování“ studenta, učení je snadnější a motivace vyšší. Délka každého kousku je jedna, maximálně dvě obrazovky při rozlišení 800x600 bodů. Studentům je doporučeno, v jakém pořadí mají materiály procházet, ale mohou si zvolit i vlastní cestu. K motivaci studentů a vzbuzení jejich zájmu jsou používány základní koncepční otázky z dané oblasti fyziky. Ve všech modulech jsou také specifikovány požadované předchozí znalosti a poskytnuty odkazy na jiné fyzikální www stránky. Aby se studenti v prostředí neztráceli, pomocí Java scriptu se na každé stránce generuje navigační strom (obr. 3.3). Uživatel tak vidí, kde se zrovna nachází. Na základě požadavku studentů je k dispozici i tištěný materiál, který obsahuje základy učiva celého kurzu. Hypertext se od klasické knihy liší tím, že student je aktivním účastníkem děje, nikoli jen pasivním konzumentem předkládaných informací. Prostředí obsahuje nejen texty a standardní zvukové a obrazové soubory, ale i Physlety – jednoduché java aplety, které přibližují dynamické jevy daleko lépe než zdlouhavý popis nebo obrázek (viz dále). Závěry z užívání prostředí Phys4All jsou potěšující: výsledky studentů u zkoušek se proti dřívějšku významně zlepšily. Všichni studenti materiál pravidelně používali. Studenti navíc mají na moderní fyziku lepší náhled než dříve; soudě podle počtu ústních i e-mailových dotazů, zvýšil se i jejich zájem o fyziku.

11

Obrázek 3.3: Navigační strom tématu „Elektromagnetické vlny“

3.2 Physlets V devadesátých letech byly na Davidson College v USA vyvinuty jednoduché Java aplety, které dostaly název Physlets – Physics applets [6]. Jsou to malé, flexibilní aplety, které mohou jednoduše tvořit součást www stránek. Jelikož jsou malé, je možné je stahovat i s pomalým připojením k internetu, díky jejich flexibilitě s nimi lze zase pracovat prakticky ve všech prohlížečích. Mají všechny tři vlastnosti, které musí mít efektivní počítačová simulace. 1. Jsou autentické – zobrazují reálnou situaci. Studenti mohou látku vyučovanou s jejich pomocí jednoduše pochopit. 2. Jsou adoptovatelné – učitel je může snadno zařadit do výuky a student se je snadno naučí ovládat. 3. Jsou adaptabilní – dají se poměrně snadno modifikovat a nastavit přesně tak, jak vyučující chce. Jsou schopny pracovat v různých prostředích a prohlížečích.

12

Obrázek 3.4: Část seznamu Physletů ke stažení na stránkách Davidson College

V [6] je též rozebráno, čím počítačové simulace obohacují výuku. Zde je uvedeno několik aktivit, při kterých mohou být simulace efektivně používány. 1. Simulace pomáhají studentům pochopit přechody mezi různými reprezentacemi reality (př. slova, rovnice, grafy, diagramy, tabulky, vektorová pole, …). Studenti často mají těžkosti nejen s jejich vytvářením, ale i se souvislostmi mezi nimi. Animace může převádět jeden typ reprezentace na jiný a významně tak studentům pomoci s rozvojem jejich schopností používat jednotlivé reprezentace. 2. Simulace pomáhají studentům porozumět rovnicím a vztahům mezi měřeními. Studenti často nahlížejí na soustavy rovnic jen jako na cestu, jak jejich řešením získat nějaká čísla. Ale rovnice ve fyzice ukazují vztahy mezi různými pozorováními a měřeními. Změnou parametrů simulace může student pozorovat výsledek těchto změn, což může významně obohatit jeho náhled na roli rovnic ve fyzice. 3. Simulace mohou studentům pomoci ve vytváření mentálního modelu fyzikálního systému. Někdy studenti nejsou schopni představit si a vytvořit souvislosti mezi tím, co čtou ve skriptech, co slyší na přednášce a co se dozví z dalších zdrojů. Učí se střípky, ale uniká jim ucelený obraz. Ve fyzice má mnoho z těchto ucelených obrazů charakter mentálního modelu – představy interagujících objektů, které mají jisté vlastnosti a měřitelné charakteristiky. Simulace vytvoří obraz, který tyto vlastnosti ukáže a pomůže tak studentům ve vytváření vlastního mentálního modelu.

13

4. Simulace podporují aktivní učení studentů. Bylo již mnohokrát ukázáno, že studenti se učí mnohem efektivněji, když mají učení pod svou kontrolou. Užitím simulací může student zákonitosti objevovat sám, což k aktivnímu učení významně přispívá. 5. Simulace může sloužit studentům jako objekt, na kterém si mohou látku vzájemně vysvětlovat. Výzkumy ukazují, že studenti si dokáží navzájem vysvětlovat problémy velmi dobře. Dva až tři studenti, ve skupině odpovídající na otázky se simulacemi, mohou tedy vytvořit velmi efektivně pracující tým. Několik desítek již hotových Physletů je možné stáhnout na webových stránkách Davidson College [7] (obr. 3.4). Jejich šíření pro nekomerční použití je volné. V [8] se popisuje jejich didaktické použití.

3.3 Just in Time Teaching Just in Time Teaching (JiTT) je moderní výuková metoda vyvinutá rovněž na Davidson College ([5]). Tento pedagogický přístup je vybudován na spojení high-tech a low-tech elementů. Základem high-tech čáti je World Wide Web, který je používán jako zdroj multimediálních materiálů pro studenty a kromě toho slouží i jako prostředek pro elektronickou komunikaci mezi studenty a školou. Na straně low-tech je kladen důraz na prostředí ve třídě, kde se rozvíjejí osobní vztahy a vazby mezi studenty a učiteli a mezi studenty navzájem. Klíčovým elementem je zpětná vazba mezi činnostmi prováděnými přes Web a aktivitami ve třídě. Jak již bylo řečeno, JiTT zahrnuje dvě důležité složky: aktivní učení ve třídě a užívání technologických zdrojů na podporu učení a vyučování. Jeden z přístupů k aktivnímu učení je nazýván interactive engagement. Důležité je, aby byl tento přístup aplikován ve všech částech kurzu a tyto části byly mezi sebou propojeny. Neméně důležité je dobře motivovat studenty, aby brali tento způsob výuky vážně. Rád bych zde zmínil několik konkrétních příkladů uplatnění tohoto přístupu v praxi. •

Peer Instruction (Mazur, 1996) Při tomto přístupu je čas ve třídě stráven tím, že se studenti pokouší porozumět fyzice zodpovídáním otázek typu multiple-choice (otázky s mnohonásobným výběrem odpovědi). Učitel předloží studentům otázku z látky, která dosud nebyla probrána, a nechá jim čas na individuální odpověď. Potom mu studenti, buď přímo nebo elektronickou cestou, odevzdají svá řešení. Třída je následně informována o skladbě odpovědí a na několik minut se rozvine diskuze o problému. Učitel pak má stručný výklad k otázce, přičemž se zaměří na označení nesprávných odpovědí a na důležité body vedoucí ke správnému řešení. Je užitečné, když si učitel včas připraví vhodné dotazy pomocí JiTT.

•

Workshop Physics (Laws, 1991) Metoda je založena na „výzkumu“. Studenti mají mnoho vlastních výzkumných aktivit, dělají kvantitativní pozorování fyzikálních jevů, sběr a analýzu dat a laboratorní měření, problémy modelují a řeší. Typický průběh výuky je takový, že student napřed pozoruje nebo experimentuje s problémem a pak vytváří model, který pozorování vysvětluje. Heslem tohoto přístupu je, že „studenti se učí fyziku tím, že ji dělají“.

•

Tutorial-based instruction (McDermott, 1991) Základem této metody jsou připravené pracovní listy, se kterými studenti pracují v malých skupinkách. Instruktor je obchází a diskutuje s nimi tam, kde je to třeba.

14

Klíčem k úspěchu metody jsou dobře připravené pracovní listy a zkušení instruktoři. Aktivity ve třídě se u JiTT dají rozdělit do dvou základních kategorií – „The Interactive Lecture“ a „The Collaborative Recitation“. The Interactive Lecture Studenti dostanou v dostatečném předstihu před hodinou otázky („Warm Up Exercises“, viz dále) a elektronicky na ně odpoví. Průběh vyučovací hodiny je pak určen těmito odpověďmi, učitel vysvětluje nejasnosti a studenti diskutují. Použití Webu rozhodně nešetří čas učitele, ale zvyšuje počet studentů aktivně zapojených do výuky. Role učitele je zde naopak ještě důležitější než v tradiční výuce. Cílem tohoto přístupu je povzbudit studenty k řádné přípravě na hodinu a pomoci učiteli najít problémy žáků. Snahou je vybudovat interaktivní prostředí ve vyučovací hodině a pomoci žákům vytvořit si „potřebu vědět“. The Collaborative Recitation Na začátku vyučovací hodiny je 10-15 minut věnováno shrnutí domácího úkolu, přičemž důraz je kladen na základní myšlenky, které jsou společné pro více úloh, a na řešení technických problémů. Nejsou probírána detailní řešení. Potom studenti pracují ve skupinkách po dvou až čtyřech lidech na řešení neznámých úloh, se kterými se ještě předtím nesetkali. Každá ze skupin píše své řešení na jednu z tabulí, které jsou po obvodu místnosti. Sousední skupinky spolu mohou volně diskutovat, mezitím obchází několik učitelů a opět diskutují se studenty. Metoda vytváří úzkou vazbu mezi fakultou a studenty, vztahy s učiteli jsou bližší, studenti se neostýchají pokládat otázky, odpovídat na ně a komunikovat. Webová část JiTT pomáhá studentům připravit se na hodinu a myslet i mimo rozsah látky kurzu. Web obsahuje učební materiály potřebné k přípravě studentů (materiály obsahují rovněž Physlety), on-line domácí úkoly a prostředí pro předávání informací studentům a komunikaci s nimi a mezi nimi. Učební materiály obsahují množství otázek motivovaných tím, co se studenti mají naučit. Nenásilnou formou je uvádí do technických termínů a konfrontuje jejich představy se skutečností. Studenti by měli poznat, že jejich chápání slov a myšlenek může být nesprávné nebo neúplné. Jejich představy jsou porovnávány s aktuálními poznatky a studenti si tak zlepšují pochopení učiva. Srdcem JiTT jsou tzv. Warm Up Exercises. Jedná se o úlohy, které studenti vidí poprvé. Řeší je v klidu doma a své výsledky posílají elektronickou poštou učiteli. Soubor odpovědí je podkladem pro hodinu. Učitel je přečte, žáci poznávají své odpovědi a diskutují o nich. Diskuze nemusí končit ani s koncem hodiny – může pokračovat mailem mezi učitelem a určitým žákem. Od doby, kdy výuka probíhá tímto způsobem, se zvýšila účast na hodinách, takže se studentům tento způsob zřejmě líbí. Důležité také je, že chápání látky studenty se znatelně zlepšilo. „WarmUps“ mohou obsahovat tři části: •

Essay questions – jedná se o otázky z reálného světa, formulované běžným jazykem. Student si je musí „přeložit“, najít správnou odpověď a „přeložit“ ji zpátky do běžného jazyka.

•

Estimate questions – otázka, ve které chybí nějaké důležité informace (konstanty apod.), které musí student dohledat jinde.

15

•

Multiple-choice questions – distraktory ukazují studentům další možné (ale chybné) pohledy na věc a časté chyby.

Jeden příklad otázky Warm Up: Výkon na rezistoru protékaném proudem I, mezi jehož svorkami je napětí U, je dán jako P = UI. Jestliže na rezistoru platí Ohmův zákon, U = RI, je výkon také dán vztahy P = I2R nebo P = U2/R. Znamená to, že výkon P je přímo úměrný R, nepřímo úměrný R, ani jedno z toho nebo obojí? Vysvětlete. Druhou částí webu JiTT jsou obecně položené otázky – Puzzles. Svým pojetím tyto otázky mohou přesahovat vymezenou látku. Mají sloužit k zopakování již probraného učiva. Příklad: Už pravděpodobně víte, z knih a díky řešení úloh na pohyb střely, že střela má maximální dolet při elevačním úhlu 45°. To je pravda v případě, že místa výstřelu i dopadu jsou ve stejné výšce. Co když je ale místo dopadu níže než místo výstřelu? Je optimální úhel stále 45°? Jestliže ne, je to více? Méně? Třetí částí jsou úlohy s Physlety. Student musí například získat data potřebná pro řešení úlohy ze simulace. Tyto úlohy jsou blíže reálným experimentům. Čtvrtou část tvoří rozšiřující materiály. Stránky obsahují množství informací – fyzikální novinky, vysvětlení zajímavých jevů, , historický vývoj fyzikálního poznání, technologie a přístroje používané v reálném životě a další. Fungují zde stránky nazvané „What is Physics good for?“, které obsahují výklad praktických problémů a cvičení k nim. Pátou částí jsou informační a komunikační stránky, které zabezpečují komunikaci mezi studenty a fakultou i mezi studenty navzájem, jejich prostřednictvím je možno vznášet dotazy, podávat návrhy apod. Poslední důležitou složkou jsou on-line domácí úkoly. Dělí se na dvě skupiny, exercises (příklady na procvičování, podobné se už počítaly při hodině) a problems (dosud neznámé úlohy). V zadáních úloh se automaticky generují náhodná čísla. Studenti tak nemohou od sebe přímo opisovat výsledky (i když mohou samozřejmě sdílet postupy). Do daného data se student může pokoušet o řešení tolikrát, kolikrát chce. Automatický systém zajišťuje okamžitou zpětnou vazbu a vrátí špatná řešení, ale nepenalizuje je. Student nezná výsledek úlohy, nemůže tedy zkoušet řešit způsobem „kombinace známých čísel“. A jak konkrétně vypadá vyučovací hodina s použitím JiTT? Předně, učitel musí mít velice dobře rozvržen čas hodiny, mít připravené statistiky odpovědí studentů na otázky WarmUps a musí se snažit aktivně zapojit do hodiny maximum studentů. Je možné samozřejmě klást konkrétní otázky i jen jednomu studentovi, ale je třeba mu nechat dostatek času na rozmyšlenou. Nebo může být otázka položena všem a studenti o ní v malých skupinkách diskutují. Podnětem k diskuzi může být i experiment. Po zhodnocení domácích úkolů řeší malé skupinky studentů obtížnější úlohy, které jsou podobné jako úlohy v domácích úkolech, ale studenti musí používat i starší znalosti. Učitel prochází mezi nimi a naslouchá, ale zasahuje jen tam, kde nevidí vůbec žádný postup, nebo na požádání. Řešení jedné takové běžné úlohy (2-3 úrovňové) trvá cca. 40 minut. Skupiny schopnějších studentů je samozřejmě třeba zaměstnat ještě navíc, aby se nenudily.

16

4 Příklad kurzu Konkrétním příkladem kurzů, které hojně využívají webových materiálů a výše uvedených prvků, jsou kurzy na Davidson College, kde vzniklo JiTT i Physlets (obr. 4.1)[9].

Obrázek 4.1: Úvodní stránka souborů kurzů na Davidson College

Za všechny zde uvedu kurz fyziky profesora Wolfganga Christiana [10]. Kurz probíhá prezenčně třikrát týdně, vždy 50 minut. Jeho webová stránka obsahuje všechny potřebné informace – organizaci kurzu, povinnou literaturu, sylabus, ... . Každému týdnu je pak věnována jedna stránka, kde jsou vždy vyvěšena organizační oznámení, specifikován stránky v povinné literatuře, s jejichž obsahem se mají studenti seznámit, popsány provedené pokusy, zadána JiTT otázka (později se objeví i její řešení) a zadán domácí úkol (viz obr. 4.2). Speciální stránky jsou věnovány laboratorním pracím. Všude je hojně používáno Physletů – viz obr. 4.3.

17

Obrázek 4.2: Stránka věnovaná jednomu týdnu jednoho z kurzů profesora Christiana

Obrázek 4.3: Zadání úlohy s využitím Physlets

18

5 Hodnocení multimédií Multimediálních materiálů s nejrůznějším obsahem neustále přibývá. Je samozřejmé, že všechny nejsou stejně dobré. Na web lze umístit úplně cokoliv a většina stránek není kromě svého tvůrce nikým systematicky kontrolovaná. Jak poznat, který materiál je kvalitní a který nikoliv? A podle čeho je vůbec hodnotit? Ve snaze zodpovědět tyto i další navazující otázky se jedním z hlavním témat mezinárodního workshopu Multimedia in Physics Teaching and Learning, který se konal v září 2003 v Praze, stalo hodnocení multimédií. Na workshopu osobně vystoupili vedoucí představitelé dvou organizací, které se hodnocením multimédií zabývají – Hans-Jörg Jodl z univerzity v Kaiserslauternu v Německu a Bruce Mason z USA. Profesor Jodl je důležitým členem organizace EUPEN (European Physics Educational Network), profesor Mason pak MERLOT (The Multimedia Educational Resource for Learning and Online Teaching). V následujícím textu se pokusím rozebrat přístup těchto dvou organizací k hodnocení multimédií a konkrétní kritéria, podle kterých se postupuje.

5.1 EUPEN Jakým způsobem hodnocení u EUPEN probíhá? Celý proces se skládá ze čtyř kroků [11]. V první řadě je třeba vytvořit seznam kritérií, podle kterých se bude hodnotit. Následuje dohoda hodnotitelů o standardech a jako třetí probíhá hodnocení jednotlivých multimediálních materiálů podle těchto kritérií a standardů. Čtvrtým a posledním krokem je vytvoření závěrů a vydání doporučení. Konkrétně třetí krok vypadá následovně: jednotlivé materiály dostanou přiděleny k hodnocení jednotliví členové týmu. Každý materiál přitom hodnotí minimálně dvě osoby. Výsledkem jsou obecné připomínky a vybrání několika (velmi málo) prací, které jsou jako výborné doporučeny k použití ve školách. Velmi zajímavý je seznam kritérií, podle kterých se hodnotí [11]. V hodnocení jsou tři důležité kroky. První z nich zahrnuje otázku, zda je přístup k multimediálnímu materiálu dostatečně snadný a bezproblémový a jestli je podpořena ochota uživatele s ním pracovat. Je-li uživatel – hodnotitel stále motivován, přechází se k druhému kroku, kterým je prozkoumání obsahu. U třetího kroku se odhlíží od motivace i od obsahu a zkoumá se použití materiálu ve výuce, metody a výukové prostředí. Podrobněji představuje jednotlivé kroky tabulka 5.1. Motivace

Obsah

Metody

Příjemnost uživatelského prostředí

Relevantnost

Flexibilita

Rozsah

Přiřazení cílové skupině

Atraktivita

Správnost

Realizace

Jasný popis účelu a pracovního úkolu

Dokumentace

Tabulka 5.1: Seznam hodnotících kritérií organizace EUPEN

Nyní bych trochu podrobněji popsal jednotlivé body. •

Příjemnost uživatelského prostředí o Je snadné začít materiál používat? o Je design srozumitelný a mají obrázky uspokojivou kvalitu?

19

o Je funkce ovládacích prvků zřejmá? o Jsou softwarové požadavky jasné a adekvátní? •

Atraktivita o Je rozvržení (uspořádání) materiálu přitažlivé? o Je tu motivační úvod? o Jsou obsaženy interaktivní prvky? o Je téma zajímavé (odkazy na každodenní praxi, aplikace, vysvětlení jevů)? o Je materiál aktuální a doplňovaný?

•

Jasný popis účelu a pracovního úkolu o Je účel materiálu zřejmý? o Ví uživatel, co se od něj očekává? o Jsou tu příklady, které může uživatel řešit, nebo problémy, nad kterými může přemýšlet?

•

Relevantnost o Je téma důležité? o Má smysl vůbec používat multimédia (například, je-li třeba představit nějaké dynamické procesy)?

•

Rozsah o Jde obsah do hloubky? o Je téma představeno v celé šíři (obsahuje obecné závěry i speciální případy)?

•

Správnost o Je obsah věcně správný? o Jsou překládána zjednodušení?

•

Flexibilita o Je materiál vhodný pro širokou cílovou skupinu (včetně uživatelů studujících samostatně)? o Je možné materiál používat v různých situacích při výuce? o Dovoluje materiál, aby bylo k tématu přistupováno z různých úhlů pohledu?

•

Přiřazení cílové skupině o Je skutečnost rozumně didakticky zjednodušena? o Jsou vysvětleny odborné termíny? o Jsou cíle přiměřené?

•

Realizace o Je celkový přístup vhodný k prezentaci látky a realizaci cílů daného materiálu? o Je typ multimédií volen rozumně (videa, simulace, animace)?

20

•

Dokumentace o Je obsluha zřejmá nebo alespoň dobře vysvětlená? o Jsou multimédia zřejmá sama o sobě nebo doplněná dodatečnými vysvětlujícími texty? o Jsou tu odkazy na další literaturu pro hlubší studium? o Jsou tu nějaké návrhy na použití materiálu ve výuce?

Skupina EUPEN hodnotila několik set kurzů a materiálů dostupných na internetu z oblasti výuky optiky na středoškolské i univerzitní úrovni. Ukázalo se, že hodnocené materiály mají zejména následující vlastnosti: •

skoro všechny stránky jsou přístupné a obsahují pracovní materiály

•

většinou nejsou stránky přitažlivé a navigace v nich je obtížná

•

URL stránek jsou příliš dlouhé a tajemné

•

několik stránek obsahuje obtěžující reklamy a pop-up okna

•

jen málo stránek dovoluje volnou registraci

•

většina stránek je jen souborem materiálů z jiných zdrojů

•

často je špatný koncept výběru a doručování materiálů

•

80-90% stránek je zaměřeno na standardní témata (např. v optice Youngův pokus s dvojštěrbinou)

•

mnohokrát není využito možností, které multimédia nabízí

•

většina materiálů (95%) jsou aplety

•

materiály jsou často příliš jednoduché a nepříliš poučné

•

některé materiály jsou kvalitní, ale nelze je doporučit k samostudiu kvůli chybějícím návodným komentářům

•

aplikace zabývající se technickými nebo biologickými jevy by mohly plně využívat potenciál multimédií

•

mnohé produkty jsou elegantním řešením pro speciální použití (například pro použití svým tvůrcem nebo proškoleným učitelem), ale nemohou sloužit pro všeobecné použití

•

většina multimédií je přinejlepším průměrné kvality

•

kdo začíná vytvářet multimediální materiál, měl by se napřed podívat, jestli už něco podobného neexistuje

•

zatím byly hodnoceny pouze materiály v anglickém jazyce; uvažuje se i o hodnocení materiálů v dalších jazycích

•

všechny stránky byly zkoumány za použití rychlého internetového připojení; při použití modemu se může projevit pomalé načítání

•

v některých materiálech jsou obsaženy dobré myšlenky, které by měly být využity v nových produktech

5.2 NTNU Virtual Physics Laboratory Z celkem více než dvou set stránek hodnocených EUPEN bylo vybráno jako doporučeníhodných pouze pět. Jak takové stránky, které lze doporučit, vypadají? Abych

21

odpověděl na tuto otázku, rád bych se zde trochu blíže zmínil o jedné z nich, stránce NTNU Virtual Physics Laboratory [12], kterou vytvořil profesor Fu-Kwun Hwang z National Taiwan Normal University. Na hlavní stránce (obr. 5.1) nalezneme odkazy na 18 témat rozdělené do dvou skupin. První skupinou jsou fyzikální simulace, druhou pak jednoduché Java aplety. V každé skupině je látka rozdělená podle jednotlivých oborů fyziky (kinematika, dynamika, vlnění, termodynamika, elektromagnetismus, optika a různé; ve skupině obsahující jednoduché aplety je ještě zastoupena moderní fyzika). Zaměříme-li svou pozornost na elektromagnetismus, vidíme seznam konkrétních témat z této oblasti (obr. 5.2). Většina stránek obsahuje pouze jeden aplet a popis jeho funkce a ovládání (obr. 5.3); jen některé stránky obsahují i teoretický rozbor problému. U většiny stránek se také zobrazují poslané názory čtenářů. Na stránkách se lze zdarma zaregistrovat; pak je možné všechny aplety stáhnout pro offline použití - jsou zaslány jako soubory *.zip na zadanou e-mailovou adresu; soubor obsahuje vlastní aplet i html stránku s popisem apletu. Kromě toho je též možné odesílat a editovat příspěvky a komentáře ke stránkám.

Obrázek 5.1: Úvodní stránka NTNU Virtual Physics

22

Obrázek 5.2: Seznam témat v sekci elektromagnetismus

Obrázek 5.3: Příklad konkrétní stránky – základní funkce osciloskopu

23

5.3 MERLOT MERLOT přistupuje k hodnocení multimédií trochu odlišným způsobem [13]. Jeho recenze se sestává z následujících částí. 1. popis materiálu 2. základní vlastnosti (pro jakou úroveň je materiál určen, jak se používá) 3. stupnice 0-5 hvězdiček pro tři kritéria „Dimensions“ (kvalita obsahu, snadnost použití, možná efektivita) a. 5 úrovní obecného hodnocení i.

5 – Výjimečný materiál, který naprosto vyhovuje naprosté většině hodnotících kritérií. Velice užitečný zdroj pro výuku daného tématu.

ii.

4 – Velmi dobrý materiál, který je výjimečný v některých kritériích. Lze doporučit.

iii.

3 – Dobrý materiál, může být dobře použitý v kurzech. Je hoden pozornosti.

iv.

2 – Materiál s chybami, ale může být v jistých případech použit za předpokladu, že se o chybách ví a uživatel se jim vyhne.

v.

1 – Špatný materiál, nelze doporučit.

vi.

0 – Hodnocení je pojato jen jako komentář. Má jen informativní povahu, je neutrální.

b. 5 úrovní pro každé kritérium „Dimensions“ i.

5 – Vyhovuje většině z hlavních hodnotících kritérií tak, že splňuje většinu jejich podkritérií.

ii.

4 – Vyhovuje většině z hodnotících kritérií tak, že splňuje u většiny 1-2 podkritéria.

iii.

3 – Vyhovuje dvěma nebo více kritériím a v žádném dalším není hodnocen vysloveně negativně.

iv.

2 – Je hodnocen negativně v jednom až dvou kritériích, ale v ostatních je hodnocen pozitivně.

v.

1 – Je hodnocen negativně v několika kritériích nebo velmi negativně v jednom až dvou.

4. silné a slabé stránky každého kritéria „Dimensions“ 5. souhrnné komentáře 6. komentáře autora

Recenze se zpracovává podle následujících kritérií (kritéria „Dimensions“). 1. kvalita obsahu – zkoumá fyzikální obsah materiálu, důležitost a úroveň prezentace materiálu a. Předkládá materiál věcně správné pojmy, modely a výsledky?

24

i.

Pro materiály zabývající se výpočty: jsou číselná řešení správná a jsou v souladu s grafy a obrázky?

ii.

Pro materiály zabývající se kvalitativními úvahami: jsou závislosti správné (tj. při zdvojnásobíme-li vstupní hodnoty u lineární závislosti, zdvojnásobí se i výstupní hodnoty)?

iii.

Jsou texty správné a přesné?

iv.

Používá se přesně definovaného dohodnutých konvencí?

fyzikálního

zápisu

a

b. Předkládá materiál důležité fyzikální pojmy nebo modely? i.

Zabývá se materiál klíčovými částmi fyzikálního vzdělávacího kurikula?

ii.

Jedná se o učivo, které je obtížné vyučovat nebo se učit?

iii.

Jedná se o učivo, které je nutné pro další studium obtížnější látky?

iv.

Je obsah unikátní, dosud nezpracovaný ve standardních databázích výukových materiálů?

c. Pomáhá materiál rozvíjet koncepční porozumění fyzice? i.

Používají se v materiálu různé přístupy k jednomu problému?

ii.

Prezentuje materiál originální přístup ke zpracovanému tématu?

iii.

Je materiál interaktivní, má student zpětnou vazbu? Uvidí, co se stane, jestliže změní vstupní parametry u problému?

d. Používají se v materiálu efektivně obrázky a multimédia? i.

Jsou obrázky atraktivní?

ii.

Ilustrují obrázky a média efektivně fyzikální veličiny?

e. Je materiál flexibilní? i.

Může být materiál používán k práci v mnoha různých fyzických systémech, nebo je použitelný jen k práci s jedním nebo několika málo fyzickými systémy?

ii.

Je možné nastavit počáteční stav systému a další důležité fyzikální parametry?

iii.

Je materiál modulární, tj. může být adaptován na různé fyzikální problémy?

2. snadnost použití pro učitele a studenty - zkoumá navigaci, dokumentaci a úsilí potřebné k používání materiálu ve třídě; je dán typ použití a. Funguje materiál pochopitelným způsobem? i.

Je možno materiál zavést do standardního počítačového systému a spustit ho způsobem, který je pro zkušeného uživatele průhledný?

ii.

Může být materiál používán studenty s různou znalostí práce s počítačem a webem?

iii.

Jaká je očekávaná křivka osvojování znalostí pro studenty a fakultu? 25

iv.

Ztratí se studenti v materiálu nebo budou zmateni při jeho používání?

b. Je obecný vzhled a rozvržení materiálu konzistentní a intuitivní? i.

Je design atraktivní a láká studenty k tomu, aby materiál používali?

ii.

Mají tlačítka, posuvníky a další prvky obvyklý význam a jsou funkční?

iii.

Dají se vstupní a výstupní elementy snadno pochopit, je možné s nimi jednoduše pracovat?

c. Poskytuje materiál efektivní zpětnou vazbu? i.

Jsou informace poskytovány způsobem, který je studentům důvěrně známý?

ii.

Jsou informace poskytovány graficky?

iii.

Je zpětná vazba okamžitá, probíhá v době, kdy uživatel pracuje s materiálem?

d. Je materiál dokumentován a je v něm obsažen návod k použití? i.

Obsahuje materiál fyzikální vysvětlení, rovnice a odvození?

ii.

Jsou dokumentace a instrukce vhodné a snadno pochopitelné?

iii.

Je zde interaktivní nápověda?

iv.

Je nutná technická podpora pro vyučující nebo studenty?

v.

Popsaly autoři možné technické problémy, které se mohou při používání vyskytnout?

3. možná efektivita materiálu jako výukového prostředku – zdaleka nejobtížnější kritérium. Hodnotitelé se pokoušejí představit si nejlepší použití materiálu (tak, aby co nejvíce podporovalo učení). Způsob, jakým je materiál používán, a místo materiálu v kontextu kurzu je jasně stanoven v hodnocení, spolu s komentáři o dalších možných použitích (dobrých i špatných). a. Zlepšuje materiál schopnost učit se (u studentů) a vyučovat (u učitelů)? i.

Demonstruje materiál efektivně fyzikální pojmy?

ii.

Je materiál poutavý a/nebo zábavný?

iii.

Povzbuzuje materiál studenty, aby věci zobecňovali nebo vytvářeli předpoklady?

b. Podporuje a/nebo používá materiál efektivní strategie učení? i.

Podporuje materiál aktivní práci studentů?

ii.

Pomáhá rozvíjet schopnost kritického myšlení?

iii.

Je materiál vhodný pro skupinové projekty?

iv.

Podporuje materiál vlastní objevy studentů?

c. Může být materiál ihned integrován do fyzikálního kurikula? i.

Vyhovuje materiál standardní prezentaci fyziky?

26

ii.

Může být materiál používán se standardními učebnicemi a sbírkami úloh?

iii.

Doplňuje materiál podání učiva v klasických učebnicích?

iv.

Může být materiál integrován se standardními doplňujícími materiály (pracovní sešity, soubory testů atd.)

d. Může být materiál používán různými způsoby? i.

Existují způsoby použití, kterým materiál dobře vyhovuje (př. přednáška/výuka s demonstracemi, skupinové projekty, domácí úkoly, výukové programy

ii.

Existují způsoby použití, pro které materiál vyhovuje velmi špatně nebo vůbec?

iii.

Mohou být způsobem?

materiály použité během

kurzu

různým

e. Jsou výukové cíle snadno identifikovatelné? i.

Jsou stanoveny specifické výukové cíle pro každou položku?

ii.

Jestliže nejsou explicitně stanovené, jsou výukové cíle pro položky snadno pochopitelné?

iii.

Mohou být položky použity k dosažení výukových cílů stanovených učitelem?

iv.

Existují doplňující materiály, které by mohly pomoci dosažení výukových cílů?

MERLOT pořádá od roku 2002 každoročně soutěž o nejlepší materiál v jednotlivých vzdělávacích oblastech, z nichž jsou následně vybrány ty, které se stanou ukázkovými materiály pro všechny obory [14]. V úvodním roce 2002 vyhrál v kategorii „Fyzika“ Wolfrang Christian s již zmíněnými Physlety [7]. O rok později byly úspěšné anglicko-francouzské stránky Applets for Quantum Mechanics od Manuela Joffrea [15], které představují soubor pěkných apletů s komentáři (obr. 5.4). Na stránkách není obsaženo nic jiného, ani otázky nebo cvičení. V roce 2004 byly v kategorii Fyzika oceněny stránky Rona Greena z University of New Orleans nazvané Physics Illuminations [16]. Jedná se o sbírku pěkných Java apletů s popisy, které ukazují různé způsoby reprezentace pohybů pomocí pohybových diagramů. Interaktivní položky poskytují okamžitou zpětnou vazbu. Matriály jsou rozděleny na pět témat – kinematika pohybu po přímce, kinematika pohybu v rovině, dynamika, práce a energie, vektory (tato kapitola popisuje jednoduché matematické operace s vektory). Kapitoly jsou dále rozděleny na dílčí témata. Stránky mají jednotný vzhled a příjemné a jednoduché ovládání (obr. 5.5). Obsahují též testy, kde si student může vyzkoušet, nakolik látku pochopil (obr. 5.6).

27

Obrázek 5.4: Stránky Applets for Quantum Mechanics – aplet Youngův pokus

Obrázek 5.5: Stránky Physics Illuminations – jedna z demonstrací

28

Obrázek 5.6: Stránky Physics Illuminations – selftest

5.4 Ostatní organizace Kromě EUPEN a MERLOT existují i další oficiální organizace, které vytvořily svá kritéria pro hodnocení multimédií [17]. Z těch hlavních a oficiálních to jsou následující. •

EASA – European Academic Software Award. Jedná se o soutěž pro tvůrce akademického softwaru organizovanou European Knowledge Media Association. Produkty se hodnotí podle obecných kritérií, hodnotících kritérií a jazykových kritérií. Všeobecná kritéria se zaměřují na formality (většinou technické), správnost a inovaci. Do hodnotících kritérií patří škála od designu a přenositelnosti až po pedagogiku a výzkum. A nakonec, z hlediska jazykového, musí být médium v angličtině nebo alespoň do angličtiny snadno přeložitelné. Nejdůležitější z těchto všech kritérií jsou ale technické aspekty.

•

Media-prix. Jde rovněž o každoroční soutěž pro mediální projekty s didaktickým zaměřením pořádanou Die Gesselschaft für Medien in der Wissenschaft. Hodnocení projektů je třístupňové. Tzv. KO kritérium zahrnuje inovaci a správnost obsahu, product-oriented kritérium hodnotí didaktický přístup, příjemnost uživatelského prostředí a motivaci a process-oriented kritérium modularitu a stabilitu. Hodnocení probíhá podle standardizovaného systému a říká, jak dalece hodnocený produkt naplňuje citovaná kritéria.

•

Databáze SODIS. SODIS je konsorcium institucí zabývající se médii ve spolkových zemích Německa, Rakouska i v dalších státech. Tato skupina vytvořila rozsáhlý seznam 65 kritérií pro hodnocení multimédií. Hlavními kategoriemi jsou profesionální a didaktické aspekty, didaktické aspekty média a technické aspekty. Každá kategorie je rozdělena na čtyři až šest bodů s až jedenácti otázkami ke každému bodu.

Je vidět, že existuje více systémů hodnocení, každý se svými silnými i slabými stránkami. Jejich porovnáním lze zjistit, že jejich základní kostra je společná a obsahuje následující kritéria:

29

•

obsahové

•

didaktické

•

metodické

•

technické aspekty

30

6 Požadovaný rozsah učiva tématu elektřina a magnetismus Dříve než přejdu k popisu své vlastní práce, požaduji za nutné uvést seznam učiva, které mají gymnaziální studenti ovládat po absolvování kurzu elektřiny a magnetismu na střední škole. Obsah učiva je dán učebními osnovami [18]. Téma obvykle zabírá celou hodinovou dotaci fyziky ve třetím ročníku čtyřletého gymnázia (v případě, že je fyzika vyučována ve všech čtyřech letech, což na mnoha školách neplatí; vyučuje-li se fyzika pouze v prvním až třetím ročníku, zabývají se žáci obvykle pouze povinným učivem a hodinová dotace pro celé téma je menší). Když jsem ověřoval materiály v běžné výuce, hodinová dotace činila dvě hodiny týdně, jednu s celou třídou a druhou se třídou dělenou na dvě poloviny. Žáci mají zvládnout následující učivo.

Elektrický náboj a elektrické pole •

Elektrický náboj a jeho vlastnosti. Coulombův zákon. Permitivita vakua, relativní permitivita.

•

Elektrické pole, intenzita elektrického pole, elektrická siločára. Homogenní a nehomogenní elektrické pole. Práce sil elektrického pole. Elektrické napětí. Elektrický potenciál.

•

Vodiče a izolanty v elektrickém poli, elektrostatická indukce.

•

Kapacita vodiče, kondenzátor.

Elektrický proud v látkách •

Podmínky vzniku elektrického proudu. Elektrický proud jako děj a jako veličina.

•

Elektrický zdroj, elektromotorické napětí zdroje.

•

Mechanismus vedení elektrického proudu v kovech. Ohmův zákon pro část obvodu. Elektrický odpor vodiče, rezistivita. Rezistor a jeho VA charakteristika. Odpor kovu jako funkce teploty, supravodivost.

•

Spojování vodičů (rezistorů) za sebou a vedle sebe, výsledný odpor vodičů spojených za sebou a vedle sebe. Ohmův zákon pro uzavřený obvod. Vnitřní odpor zdroje, svorkové napětí.

•

Elektrická práce a elektrický výkon v obvodech stejnosměrného proudu. Elektrická energie.

•

Pojem polovodiče, odpor polovodiče jako funkce teploty, termistor. Fotorezistor. Mechanismus vedení elektrického proudu v polovodičích. Vlastní a příměsové polovodiče. Fotodioda. Polovodiče typu P a typu N. PN přechod. Polovodičová dioda a její VA charakteristika. Tranzistor (kvalitativně).

•

Mechanismus vedení elektrického proudu v kapalinách. Elektrolýza, praktické využití elektrolýzy.

31

•

Mechanismus vedení elektrického proudu v plynech. Samostatný a nesamostatný výboj.

•

Emise elektronů, obrazovka.

Magnetické pole •

Magnetické pole vodičů s proudem. Indukční čára. Vzájemné silové působení mezi vodičem s proudem a magnetem. Magnetická indukce. Vzájemné silové působení mezi vodiči s proudem, permeabilita.

•

Částice s nábojem v magnetickém poli.

•

Látky v magnetickém poli. Magnetické materiály v technologické praxi.

•

Magnetický indukční tok. Elektromagnetická indukce, indukované elektromotorické napětí. Faradayův zákon elektromagnetické indukce. Lenzův zákon.

•

Vlastní indukce, indukčnost.

Střídavý proud •

Vznik střídavého napětí a proudu. Časový průběh harmonického střídavého proudu, resp. napětí. Frekvence (kmitočet) střídavého proudu, resp. napětí.

•

Obvody střídavého proudu s rezistorem, obvody střídavého proudu s cívkou a obvody střídavého proudu s kondenzátorem. Impedance obvodu střídavého proudu.

•

Výkon střídavého proudu, efektivní hodnoty napětí a proudu.

•

Generátor střídavého napětí. Elektromotor. Transformátor. Elektrická rozvodná síť, přenosová soustava energetiky, elektrárna.

Elektromagnetické kmitání a vlnění •

Oscilační obvod a jeho parametry. Vlastní kmitání elektromagnetického oscilátoru, Thomsonův vztah.

•

Nucené elektromagnetické kmitání. Rezonance.

•

Vznik elektromagnetického vlnění, elektromagnetická vlna, její elektrická a magnetická složka, vlnová délka. Polarizace, interference, odraz a ohyb elektromagnetického vlnění. Šíření elektromagnetického vlnění a jeho rychlost, vliv prostředí na rychlost elektromagnetického vlnění. Vysílač, přijímač.

Doporučené rozšiřující učivo •

Polarizace dielektrika.

•

Spojování kondenzátorů za sebou a vedle sebe.

•

První a druhý Kirchhoffův zákon.

32

•

Faradayovy zákony elektrolýzy.

•

Hallův jev.

•

Fázory.

•

Obvody s RLC v sérii.

•

Trojfázová soustava střídavého napětí, asynchronní elektromotor.

•

Usměrňovač s polovodičovou diodou.

•

Luminiscenční dioda.

•

Tranzistorový zesilovač. Integrované obvody.

•

Elektromagnetický dipól. Elektromagnetické pole. Elektromagnetická interakce.

•

Elektromagnetický signál, přenosová soustava Elektroakustické měniče, mikrofon, reproduktor.

•

Modulace a demodulace elektromagnetického signálu, princip rozhlasového a televizního vysílání a příjmu.

sdělovací

techniky.

Hesla vyznačená v povinné části osnov kurzívou jsou ta hesla, která se vyskytují i v povinné části osnov nižšího stupně vzdělávání. Na vyšším stupni gymnaziálního vzdělávání se pak očekává, že tato hesla jsou ve výuce odpovídajícím způsobem významově prohlubována či rozšiřována (prostřednictvím řešení složitějších úloh, zpřesňováním jejich obsahu, kvantifikací, prováděním přesnějších pozorování, měření a experimentů, uváděním širších souvislostí ap.).

33

7 Vytvořené materiály Nyní se dostávám k popisu mé vlastní práce, kterou bylo vytvoření souboru materiálů pro středoškolskou výuku elektřiny a magnetismu. Materiály jsou publikovány ve formě uceleného webu a lze je najít na internetu na adrese http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/elektross/index.html. Web byl vytvořen za použití většího množství literatury, zde bych uvedl jako základní zejména tituly [19] - [31]. Web se skládá z 27 kapitol, z nichž větší část obsahuje materiály pokrývající veškeré požadované učivo gymnaziálního tématu „Elektřina a magnetismus“ včetně doporučeného rozšiřujícího učiva a některých dalších vybraných témat. Ve zbývajících kapitolách najdeme rejstříky, shrnutí apod. Celý web je zaměřen prakticky. Kapitoly nejsou uspořádány ve stylu klasické učebnice, ale jsou převážně věnovány nějaké praktické aplikaci fyziky a příslušné učivo je podáno jako látka potřebná k jejímu pochopení. Jedná se o technická zařízení (např. elektrárna), elektrické a elektronické přístroje (např. elektromotor či mobilní telefon) nebo přírodní jevy (např. blesk).

7.1 Obsah webu a orientace v něm Nyní stručně popíši jednotlivé kapitoly. •

O tomto textu V této úvodní kapitole je popsáno prostředí webu, význam barevných odkazů, potřebný software pro bezproblémovou práci s videosoubory a další. Slouží jako stručný manuál pro uživatele.

•

Rejstřík Přehledný abecední rejstřík důležitých pojmů použitých v textu. Slouží pro rychlé vyhledávání.

•

Zápisy do sešitu Zde jsou výtahy z učiva probraného v jednotlivých hodinách. Slouží studentům místo jejich vlastních zápisků. Jsou vytvořeny přímo podle probraného učiva (obr. 7.1).

•

Testy Zadání i řešení většiny větších testů, které jsme v průběhu školního roku se studenty psali.

•

Elektrostatika Veškeré požadované učivo z elektrostatiky: Elektrický náboj a jeho vlastnosti, elektrické pole a jeho popis, rozložení náboje na vodiči, vodič a izolant v elektrickém poli, kapacita, kondenzátor. To vše jsou základní vědomosti, bez kterých není možné později pochopit elektroniku. Ovšem i elektrostatika sama o sobě má značné množství praktických aplikací a není nijak nezajímavá.

•

Elektrický proud Vznik proudu, rozdíl mezi stejnosměrným a střídavým proudem, měření proudu.

•

Kovy a polovodiče Vysvětlení, proč některé látky vedou elektrický proud a jiné ne – Pauliho princip, energetické hladiny, valenční, zakázaný a vodivostní pás, rozdíl mezi kovy, polovodiči a izolanty. 34

•

Ohmův zákon, řešení obvodů Ohmův zákon pro část obvodu a pro celý obvod, rezistivita, rezistor, reostat a potenciometr a jejich užití. Řešení stejnosměrných obvodů s rezistory a zdroji pomocí Ohmova zákona a Kirchhoffových zákonů.

Obrázek 7.1: Příklad zápisu do sešitu z části jedné vyučovací hodiny

•

Základy polovodičů Struktura vlastního polovodiče, základní součástky bez PN přechodu – termistor, fotorezistor a tenzoelektrická součástka a jejich použití.

•

Usměrňování Příměsové polovodiče typu P a N, PN přechod – dioda, její vlastnosti a použití, usměrňovače. Chování diody ve střídavém obvodu s vyšší frekvencí, kondenzátor v obvodu střídavého proudu.

•

Televizor a osciloskop Schéma obrazovky, urychlování a vychylování elektronového svazku – chování částice s nábojem v elektrickém a magnetickém poli. Stacionární magnetické pole, magnetické pole přímého vodiče a cívky, magnetická síla, magnetická indukce.

•

Elektrické motory a přístroje Stejnosměrný elektromotor, elektromagnet, elektrický zvonek, relé. Magnetické vlastnosti materiálů, magnetoelektrické měřící přístroje. 35

•

Elektromagnetická indukce Faradayův zákon, vířivé proudy, vlastní indukce, indukčnost, energie elektrického a magnetického pole.

•

Svítíme Výboje v plynech, zářivka, LED, žárovka.

•

Zesilovač Bipolární tranzistor, fototranzistor, diak.

•

Prvek řízený napětím Tranzistory FET, logické obvody.

•

Integrované obvody Operační zesilovač, sčítání a odčítání, násobení a dělení pomocí obvodů s operačním zesilovačem.

•

Regulace výkonu Odporová a tyristorová regulace, efektivní hodnota napětí a proudu.

•

Rádio a televize Rádiové vysílání, různé druhy modulace, metody modulace a demodulace, rozhlasový a televizní příjem, schéma rozhlasového přijímače a televizoru.

•

Mobilní telefon Schéma komunikace pomocí mobilního telefonu, schéma telefonního přístroje.

•

Výroba elektrického napětí/proudu Elektrolýza, fotodioda, Hallův jev. Alternátor, generátor trojfázového napětí a trojfázová soustava napětí, transformátor, přenosová soustava.

•

Spotřeba elektrického proudu Zapojení spotřebičů v trojfázových sítích, synchronní a asynchronní elektromotor.

•

Záznam informace Gramofonové desky, kazety, počítačové paměti, CD a DVD.

•

Shrnutí – elektromagnetismus Shrnutí nejdůležitějších zákonů a pojmů.

•

Praktické aplikace Shrnutí praktických aplikací elektromagnetismu. Praktické aplikace jsou zařazeny v textu, kapitola obsahuje odkazy na ně.

•

VŠ skripta „Elektronika“ Odkaz na vysokoškolská skripta věnovaná elektronice. Skripta jsou určena pro posluchače učitelství fyziky na MFF UK.

•

Download Stažení celého webu jako jediného souboru *.zip, a to buď samostatně nebo společně se skripty „Elektronika“.

Stránky jsou vytvořeny jako technicky velmi jednoduché pomocí editoru Microsoft FrontPage 2000. Snažil jsem se o jednoduchost a přehlednost, proto je prostor obrazovky rozdělen na dvě okna. V levém jsou názvy kapitol (seznam viz výše), v pravém se pak objevuje vlastní text. V záhlaví většiny stránek konkrétní kapitoly je její podobsah, ve kterém je barevně zvýrazněno, kde se uživatel právě nachází. (obr. 7.2). Chce-li uživatel najít nějaký konkrétní pojem, může použít obsáhlý abecední rejstřík (viz výše). Uvažuji též o fulltextovém vyhledávání.

36

Obrázek 7.2: Uspořádání textu. V levém okně obsah webu, v pravém text s podobsahem konkrétní kapitoly nahoře

Stránky jsou mezi sebou značně provázány mnoha odkazy. Pro lepší orientaci ve vícevrstvém textu jsou proto odkazy barevně rozlišeny. Budeme-li se držet modrých odkazů, projdeme stránky ve stejném pořadí jako při výuce. Zelené vedou na doplňující stránky nebo na to, co se už probíralo a je třeba to znát nebo to, co se bude probírat později. Pod hnědými najdeme fyzikální tabulky a pod fialovými návody na pokusy, které si studenti mohou sami udělat. Jelikož tyto odkazy nemění při kliknutí na ně svou barvu, jsou všechny doplněny znakem „¤“, který se chová jako běžný hypertextový odkaz a tudíž podle něho uživatel pozná, zda už danou stránku navštívil nebo ne. Odkazy, jejichž význam je zcela zjevný (např. odkazy na řešení úloh apod.), nejsou nijak barevně upraveny a chovají se tedy jako běžné odkazy. Text je doplněn řadou obrázků, schémat a fotografií. Některá témata jsou vyložena dvojím způsobem, napřed vysvětlena slovně a pak na obrázcích. Doufám, že tento přístup pomůže studentům s různými styly učení. Pro zajímavost, dvě třetiny dotázaných studentů se vyjádřily, že preferují „obrázkový“ přístup, zbývající třetina pak lépe chápe věci vysvětlené slovně (viz dále). Důležité pokusy jsou zahrnuty ve formě videoukázek. Naprostá většina videí je vytvořena ve dvou formátech, formátu *.rm (pro přehrávač RealPlayer), který poskytuje poměrně malý soubor s poněkud horším rozlišením (většinou plně postačuje tam, kde není třeba rozeznávat detaily - obr. 7.3), a formátu *.avi (např. pro Windows Media Player) s větší velikostí souboru a dobrým rozlišením (obr. 7.4). Web obsahuje i Java aplety (obr. 7.5), které simulují pokusy a u kterých se dají nastavovat parametry.

37

Obrázek 7.3: Videoukázka ve formátu *.real – pokus s elektrostatickým kyvadélkem

Obrázek 7.4: Videoukázka ve formátu *.avi – pokus s elektrostatickým kyvadélkem

38

Obrázek 7.5: Java aplet, který po zadání velikosti a znaménka nábojů vykreslí siločáry elektrického pole

Materiál obsahuje množství vlastních textů i odkazy na jiné texty zabývající se daným tématem, odkazy na stránky výrobců elektronických součástek i pracovišť, která se zabývají výzkumem a vývojem atd. U fyziků zmíněných v textu jsou odkazy na stránky na internetu, které se stručně zabývají jejich životem a dílem (obr. 7.6). Převážně jde o stránky [33]. Pro pokročilejší studenty a zájemce je web doplněn o odkazy na obsáhlá hypertextová skripta [34] vytvořená na MFF UK a sbírku úloh k nim ([35]).

7.2 Použití materiálu Poprvé jsem vznikající web použil hned ve druhém pololetí školního roku 2001/2002 při semináři z elektroniky, vedeném jednou týdně pro zájemce na gymnáziu Bernarda Bolzana v Praze. Navštěvovalo ho šest studentů, ale vzhledem k tomu, že seminář fungoval jako zcela nepovinný kroužek, byla docházka studentů poněkud nepravidelná, což ztěžovalo soustavnější práci. Nicméně studenti dávali najevo své zaujetí a spokojenost s tím, jakou formou jsou jim věci předávány. Na tomto semináři jsem získal první zkušenosti, ze kterých jsem potom vycházel při další tvorbě stránek. Nutno ovšem uznat, že výsledky získané zde byly poněkud odlišné od výsledků získaných později při pravidelné školní výuce, jelikož na seminář docházeli pouze skuteční zájemci o fyziku, kteří se chtěli něco dalšího naučit, zatímco ve škole je pro značnou část třídy fyziky pouze nutným zlem, ze kterého je třeba se nějak vyvléknout. První zkušeností ze semináře byl poznatek, že jakkoli zajímavé a neobvyklé „početní úlohy“ nemají u studentů velký ohlas, jelikož tito jsou uvedeným typem úloh „nasyceni“ z hodin fyziky a od semináře očekávají spíše nějaké méně tradiční, úvahové problémy.

39

Další zkušenost je poněkud překvapující - ukázalo se, že se studenti živě zajímají o odvozování použitých vztahů a nespokojují se jen s výsledky. Také se velmi zajímají o praktické problémy a problémy, které zdánlivě odporují jejich poznatkům (např. proč usměrňovací dioda neusměrňuje při vysokých frekvencích – viz obr. 7.7, 7.8)

Obrázek 7.7: Střídavý proud o frekvenci 50 Hz usměrněný diodou

Obrázek 7.8: Střídavý proud o frekvenci 22 kHz usměrněný toutéž diodou

Obrázek 7.6: Část stránky se stručným životopisem G. S. Ohma

Dále jsem uvedené materiály používal ve školním roce 2003/04, tentokrát při pravidelné výuce fyziky jedné přírodovědné třídy v pátém ročníku šestiletého gymnázia na Gymnáziu Jana Nerudy v Praze. Materiál jsme využívali přímo při vyučovací hodině

40

(zejména aplety), i když ne tak často, jak bych si představoval (z důvodu chybějícího dataprojektoru). Studenti pak používali web hojně doma ke studiu a vyjadřovali převážně svou spokojenost (viz dále). Web může samozřejmě volně používat jakýkoliv zájemce. Není nutná žádná registrace, materiály jsou přístupné zcela volně a lze je bez omezení stahovat. Uživatel potřebuje pro svou práci pouze www prohlížeč, který každý má, veškerý software pro přehrávání videa lze podle pokynů obsažených v úvodním textu webu stáhnout zdarma z internetu. Bude-li web používat jiný učitel, může si ho po bližším prozkoumání snadno upravit a doplnit podle svého uvážení a přizpůsobit jej tak svým potřebám (jak už jsem uvedl, web se dá stáhnout a používat off-line). Žáci mající materiál k dispozici si pak nemusí dělat poznámky do sešitů a mohou se plně koncentrovat na předkládanou látku, což umožňuje výrazně efektivnější studium než při častém přístupu, kdy si žák při hodině pouze udělá poznámky a teprve doma se snaží látku pochopit a naučit. Doma si pak student může látku opakovat, řešit úlohy a zamýšlet se nad problémy. Též se může znovu podívat na experimenty prováděné při hodině, jejichž průběh je zachycen na videoukázkách. K ověření svých znalostí pak může použít obsažené testy.

7.3 Hodnocení webu studenty Abych získal připomínky a názory od většiny studentů, požádal jsem je na konci školního roku, aby mi zodpověděli otázky obsažené v následujícím dotazníku (přiložen na konci této kapitoly). Z celkem 30 studentů ve třídě jsem obdržel odpovědi od dvaceti dvou. Dotazník byl anonymní, aby se studenti nebáli napsat negativní názory. Odpovědi byly následující. Používání Materiály jsem používal(a)

velmi často často méně často zřídkakdy nikdy

8 studentů 9 studentů 5 studentů 0 studentů 0 studentů

Používal(a) jsem tyto části: "zápisy do sešitu" texty aplety videa www stránky, na které vedou odkazy z materiálů Používal(a) jsem materiály

22 studentů 19 studentů 16 studentů 8 studentů 5 studentů

on-line na Internetu 15 studentů stažené nebo na CD 14 studentů

Používal(a) bych raději klasickou papírovou učebnici ano ne

41

5 studentů 16 studentů

Zajímavost, srozumitelnost Jsou materiály dostatečně srozumitelné?

ano jde to jakž takž mohlo by to být mnohem lepší vůbec

9 studentů 10 studentů 3 studenti 0 studentů 0 studentů

Myslíte, že podání látky by mohlo být zajímavější? ne 4 studenti trochu 14 studentů ujde to 4 studenti mnohem 0 studentů je zcela nezajímavé 0 studentů Obsahují materiály dostatek informací o praktických aplikacích fyziky? ano 15 studentů ne 7 studentů Orientace v textu Vyhovuje Vám rozdělení okna prohlížeče na tři části - hlavní obsah, podobsah konkrétní kapitoly a okno s textem? ano 16 studentů ne 6 studentů Vyhovuje Vám barevné rozlišení odkazů?

ano ne

Úlohy S počtem a obtížností řešených úloh jsem spokojen(a) -2 3 studenti -1 9 studentů 0 5 studentů 1 5 studentů 2 0 studentů (-2…vůbec, 2…zcela) Kromě úloh zařazených v materiálech jsem používal(a) i úlohy ze "Sbírky příkladů z elektroniky" ano 6 studentů ne 16 studentů

42

22 studentů 0 studentů

Studium Při studiu mi spíše vyhovuje vysvětlení pomocí textu vysvětlení pomocí obrázků

12 odpovědí 20 odpovědí

S počtem a kvalitou obrázků jsem spokojen(a) -2 1 student -1 0 studentů 0 3 studenti 1 9 studentů 2 9 studentů (-2…vůbec, 2…zcela) S počtem a kvalitou videí jsem spokojen(a) -2 1 student -1 0 studentů 0 5 studentů 1 5 studentů 2 5 studentů (-2…vůbec, 2…zcela) Technická stránka Považujete délku stránek (s ohledem na dobu načítání) za přiměřenou? ano 14 studentů mohou být i delší 5 studentů měly by být kratší 3 studenti Vyhovuje Vám kvalita obrázků? ano měly by být lepší měly by být horší (tj. načítání rychlejší)

21 studentů 0 studentů 1 student

Vyhovuje Vám kvalita videosouborů? ano měly by být lepší měly by být horší (tj. načítání rychlejší)

14 studentů 0 studentů 1 student

Váš zájem o fyziku Mám zájem o fyziku a chci studovat technické obory Mám zájem o fyziku, ale chci studovat něco jiného Nemám zájem o fyziku

8 studentů 6 studentů 8 studentů

43

Zájem o fyziku jsem měl už ve 4. ročníku a nadále trvá Zájem o fyziku jsem měl ve 4. ročníku, ale teď už ho nemám Zájem o fyziku jsem neměl, ale teď jsem ho získal Zájem o fyziku jsem neměl a nadále nemám

11 studentů 2 studenti 3 studenti 5 studentů

Ze slovních komentářů bych uvedl následující: •

… časem by se mohl vylepšit design, ale není to nutné (nejdůležitější je obsah a ten je v pořádku, stránky jsou i přehledné) …

•

.. z hlediska kódu by se stránky daly obecně naprogramovat lépe, ale na těchto stránkách je podstatný obsah, takže to není nijak velká překážka … Když budete mít čas a chuť, daly by se stránky nějak designově oživit. Současný designový stav stránek je maximálně jednoduchý, ale jak jsem již předtím psal, na tomto typu stránek je důležitý obsah, ne forma, takže opravdu to dělat spíše „z nudy“, až bude čas (a stejně by bylo lepší než toto spíše vylepšit systém menu a submenu)… (Poznámka autora k tomuto komentáři: Původně byl prostor stránky rozdělen na tři okna, v jednom (vlevo) by obsah, v malém okně nahoře podobsah a ve velkém okně vlevo dole vlastní text. Studentům se zdálo, že takto je okno s textem poměrně malé a navíc podobsah nemusí být stále na očích, proto byl počet oken nakonec zredukován na dvě, okno s textem zvětšeno a podobsah je umístěn přímo v záhlaví stránek – viz výše.)

•

… něco je lepší vidět, něco si přečíst, ale nejlepší je text doplněný o obrázek … (k otázce, zda více vyhovuje vysvětlení pomocí obrázků nebo textu)

•

… raději se učím z materiálů na papíře, takže jsem si je vždycky vytiskla, ale líbí se mi, že se to týká přímo našich hodin, jsou aktuálně doplňovány …

•

… za tyto materiály jsme všichni velmi vděční. Je to bezvadný nápad. Jen mi vadí, že úlohy nejsou všechny na jedné stránce. Je velmi časově náročné všechny stáhnout a někdy se stane, že nějakou přehlédnu a musím se znovu připojovat …

•

… posloupnost zápisů do sešitů je relativně přehledná, ale trvá dlouho, než se tím člověk prokliká … mohl byste častěji opakovat i úplné základy, z nichž v další části vycházíte ... (k otázce na srozumitelnost materiálů) … věřím, že fyzika je zajímavá, ale nebaví mě to, protože to prostě moc nechápu – nebo ne do hloubky. Ale je to o dost lepší, než to bylo… . Na druhou stranu: např. potenciální energie nebo odstředivá síla jsou mi rozhodně bližší, než tranzistor nebo operační zesilovač …

•

… více příkladů, na kterých by se dalo naučit na písemku …

•

… když už se ptáte – ta kvalita je hrozná. Já vím, že v jednom člověku s bůhvíjakou technikou to asi o moc líp nejde, a taky jsem se na to koukala jen z CD, takže nevím, jak dlouho se to stahuje, ale … - obraz i zvuk je dost k nepřežití, většinou je sice smysl poznat, ale dá to práci (duševní) …

•

… stránky jsou podle mě velmi přehledné … Možná by pomohlo, kdyby byly nějak zvýrazněné příklady a domácí úkoly …

•

… pokračování zápisků by asi mělo být naopak – nejnovější na začátek …

44

7.4 Shrnutí hodnocení Je vidět, že elektronické materiály studenty zaujaly, neboť všichni, kteří dotazník vyplnili, je používali, více než tři čtvrtiny dokonce často nebo velmi často. To považuji za důkaz úspěšnosti materiálů, neboť s učebnicí obvykle pracuje malá část studentů. Jako úspěšné se ukázaly „zápisy do sešitu“, které používali všichni. Část studentů si sice i při hodinách dělala vlastní zápisky, ale část vůbec vlastní sešity nepoužívala a při hodinách věnovali své úsilí probírané látce, čehož jsem chtěl docílit. Kupodivu pouze tři čtvrtiny studentů využívaly Java aplety, ačkoli naprostá většina tvrdí, že jí vyhovuje vysvětlení pomocí obrázků. Část studentů podle vlastních slov používá aplety nejen pro lepší porozumění látky, ale i proto, že se jim líbí, jak se věci hýbou. Nicméně i při tom se učí. Videa byla používaná spíše v případě, že student chyběl na hodině a chtěl si doplnit probíranou látku. Poněkud mě zklamalo nízké využití odkazů na externí www stránky (jen 20% studentů je používá), jelikož si myslím, že v mnoha případech přispívají k dokonalejšímu chápání učiva a pomáhají vidět látku v širších souvislostech. Studenti však uvedli, že mají dost látky předepsané osnovami (ve fyzice i v jiných předmětech) a na to, učit se ještě něco navíc, jim nezbývá čas ani chuť. Studenti používají materiály jak on-line na internetu, tak stažené. To souvisí s tím, že stránky byly průběžně doplňovány a tedy bylo třeba čas od času aktualizovat staženou verzi. Ti, kterým se to nechtělo dělat, používali web on-line celý a nebo alespoň průběžně doplňovanou část se „zápisy do sešitu“. Pro úplné využití materiálu je však třeba tak jako tak mít připojení k internetu, jinak samozřejmě nefungují externí odkazy. Dalším podstatným ukazatelem toho, že tato forma výukových materiálů je úspěšná, je vyjádření více než třech čtvrtin studentů, kteří uvedli, že raději používají hypertextové materiály než klasickou učebnici. Co se týče hodnocení vlastní struktury a uspořádání materiálů, je patrná převažující spokojenost se srozumitelností látky, zajímavostí jejího podání i počtu praktických aplikací fyziky rozebíraných v textu. Dokonce všichni jsou spokojeni s barevným rozlišením odkazů. I když většina vyjádřila spokojenost s rozdělením prohlížeče na tři okna (obsah, podobsah konkrétní kapitoly, text), na základě ústních konzultací se studenty jsem se nakonec rozhodl pouze pro dvě okna (obsah a podobsah + text) – viz poznámka výše. Spokojenost převládá i s grafickou stránkou materiálů, a to jak s počtem obrázků a videí, tak s kvalitou. Spíše negativně je hodnocen počet a obtížnost početních úloh, na druhou stranu jen málo studentů používá již dříve vytvořenou „Sbírku příkladů z elektroniky“, která rovně obsahuje úlohy přiměřené obtížnosti. Na základě vyjádřené nespokojenosti jsem se rozhodl zařadit zadání všech úloh na samostatnou stránku, kam je odkazováno z textu, a současně zvýšit jejich počet (dříve byla zadání úloh zařazena přímo v textu kapitol, což se nelíbilo studentům, kteří si chtěli jen vyřešit úlohy, například jako opakování před písemnou prací). Odpovědi v dotazníku potvrdily, že většina studentů chápe lépe obrázky než slova (nebo chtějí obojí), což jsem se snažil respektovat a zařazovat vysvětlující obrázky v maximální možné míře. Studenti si povšimli, že stránky jsou maximálně jednoduché. Domnívám se, že u cílové skupiny osmnáctiletých studentů není již třeba ve velké míře užívat roztomilých obrázků a jednoduchých pohyblivých animací, které zbytečně zpomalují počítač. I zahraniční stránky podobného obsahu jsou až na výjimky vytvářeny jako velmi jednoduché a přehledné. Závěrečné otázky v dotazníku byly jen doplňkové, abych viděl, zda se mi povedlo někoho více zaujmout či naopak odradit. Výsledky nepotvrdily ani jednu možnost. Zájem 45

studentů ostatně značně ovlivňuje také téma a elektřina mnoho lidí zajímá a mnozí se jí naopak hrozí.

46

Několik otázek k elektronickým učebním materiálům (dále jen materiály) Používání Materiály jsem používal(a) Používal(a) jsem tyto části:

velmi často často méně často zřídkakdy nikdy "zápisy do sešitu" texty aplety videa www stránky, na které vedou odkazy z materiálů Používal(a) jsem materiály online na Internetu stažené nebo na CD Používal(a) bych raději klasickou papírovou učebnici ano ne Zajímavost, srozumitelnost Jsou materiály dostatečně srozumitelné? ano jde to jakž takž mohlo by to být mnohem lepší Máte nějaký návrh, jak je po této stránce vylepšit? Myslíte, že podání látky by mohlo být zajímavější? ne trochu ujde to mnohem je zcela nezajímavé Máte nějaký návrh, jak je po této stránce vylepšit? Obsahují materiály dostatek informací o praktických aplikacích fyziky? ano ne Orientace v textu Vyhovuje Vám rozdělení okna prohlížeče na tři části - hlavní obsah, podobsah konkrétní kapitoly a okno s textem? Vyhovuje Vám barevné rozlišení odkazů? ano ne připomínky3 Úlohy S počtem a obtížností řešených úloh jsem spokojen(a) -2 -1 0 1 2 Kromě úloh zařazených v materiálech jsem používal(a) i úlohy ze "Sbírky příkladů z elektroniky" ano Studium Při studiu mi spíše vyhovuje vysvětlení pomocí textu vysvětlení pomocí obrázků S počtem a kvalitou obrázků jsem spokojen(a) -2 -1 0 1 2 S počtem a kvalitou videí jsem spokojen(a) -2 -1 0 1 2 Technická stránka Považujete délku stránek (s ohledem na dobu načítání) za přiměřenou? ano mohou být i delší Vyhovuje Vám kvalita obrázků? ano měly by být lepší Vyhovuje Vám kvalita videosouborů? ano měly by být lepší Váš zájem o fyziku Mám zájem o fyziku a chci studovat technické obory Mám zájem o fyziku, ale chci studovat něco jiného Nemám zájem o fyziku

vůbec

ano

ne

připomínky3

(-23vůbec, 23zcela) ne

(-23vůbec, 23zcela) (-23vůbec, 23zcela) měly by být kratší měly by být horší (tj. načítání rychlejší měly by být horší (tj. načítání rychlejší

Zájem o fyziku jsem měl už ve 4. ročníku a nadále trvá Zájem o fyziku jsem měl ve 4. ročníku, ale teď už ho nemám Zájem o fyziku jsem neměl, ale teď jsem ho získal Zájem o fyziku jsem neměl a nadále nemám ČÍM VÍCE PŘIPOMÍNEK A NÁVRHU NAPÍŠETE, TÍM LÉPE. MÁTE NA TO I CELOU DRUHOU STRANU. Děkuji Vám za pravdivé odpovědi. Jaromír Kekule

řipomínky3

tání rychlejší) tání rychlejší)

8 Ukázka z vytvořeného webu Na tomto místě bych uvedl ukázku jedné kratší kapitoly webu, která je věnována principu a použití fotodiody. ________________________________________________________________________ Výroba el. napětí/proudu: El. proud v kapalinách - elektrolýza Faradayovy zákony elektrolýzy Další praktická použití elektrolýzy Fotodioda Hallův jev Alternátor Generátor trojfázového napětí Trojfázová soustava napětí Transformátor Přenosová soustava

Fotodioda •

Jak získat elektrickou energii ze Slunce? Co to je solární panel?

Princip: Fotodioda je polovodičová dioda ¤, která je citlivá na osvětlení PN přechodu světlem určité vlnové délky.

obr. 1: Schematická značka fotodiody

obr. 2: Fotodioda (šířka součástky je asi 5 mm)

Není-li dioda zapojena do obvodu, je PN přechod prakticky bez volných nábojů (obr.2)

obr. 2: PN přechod v rovnovážném stavu

48

Když přechod osvětlíme světlem vhodné vlnové délky (tj. takové, aby energie fotonů byla větší než šířka zakázaného pásu ¤ použitého polovodiče), přecházejí elektrony do vodivostního pásu, vznikají díry a v elektrickém poli Ed se přemísťují na příslušnou stranu. Tím ovšem vzniká nové elektrické pole E, které je však (na rozdíl od pole Ed, které je způsobeno ionty donorů a akceptorů, tj. nepohyblivými částicemi) způsobeno elektrony a dírami, tj. pohyblivými částicemi s nábojem (obr 3).

obr. 3: Stav fotodiody při osvětlení

Použití: 1. Fotodioda zapojená jako hradlová Na PN přechodu fotodiody je elektrické pole způsobené pohyblivými částicemi s nábojem. Spojíme-li konce fotodiody přes rezistor (obr. 4), začne rezistorem protékat proud tvořený těmito volnými částicemi. Na PN přechodu (je-li stále osvětlen) se přitom generují stále další a další páry elektron-díra a fotodioda se tedy chová jako zdroj stejnosměrného napětí. Velikost napětí je asi 0,5 V na jeden článek (jednu fotodiodu). Fotodioda v tomto zapojení se často nazývá sluneční (solární) článek.

obr. 4: Fotodioda zapojená jako hradlová

49

obr. 5: Ampérmetr připojený do zkratu ke špatně osvětlenému solárnímu panelu. Jak se změní proud při lepším osvětlení článku se podívejte na VIDEO ¤ (formát *.avi 1653kB, ev. formát *.rm 289kB ¤) Zde ¤ je tentýž pokus s použitím jedné fotodiody (formát *.avi 1331kB, ev. formát *.rm 240kB ¤) Detailně se na strukturu solárního panelu můžete podívat zde ¤. Použití fotodiody jako zdroje napětí: a) Napájení malých spotřebičů - například kalkulačky b) Výroba elektrické energie pro domácnost (solární panely na střeše rodinného domku) nebo pro obecnou spotřebu (sluneční elektrárny) - obr. 6 c) Zdroj napájení družic ve vesmíru Účinnost vyráběných solárních článků je asi 10-14 %. Pro představu, na 1 m2 plochy situované kolmo ke Slunci dopadá v našich zeměpisných šířkách za jasného letního slunečného dne výkon asi 1 kW (tzv. sluneční konstanta). Energie získaná z 1 m2 plochy tedy teoreticky stačí na napájení deseti stowattových žárovek. Obsáhlý článek o historii využívání sluneční energie je zde ¤, článek o možnostech jejího využití v České Republice zde ¤.

obr. 6: Baterie slunečních článků 2. Fotodioda zapojená jako odporová

50

Používá se stejně a ve stejném zapojení jako fotorezistor ¤. Je součástí optoelektronických členů, které převádí osvětlení na elektrické napětí, nebo zabezpečovacích zařízení ¤. Další kapitola: Hallův jev ¤ Verze pro tisk

51

9 Závěr a shrnutí Cílem mé práce v doktorandském studiu bylo vytvořit hypertextové učební materiály pro střední školy gymnaziálního typu na téma „Elektřina a magnetismus se zaměřením na elektroniku“ a ověřit je při výuce tématu s omezeným rozsahem hodin. Předtím bylo samozřejmě nutné se seznámit s vývojem a použitím elektronických učebnic ve světě. Jak byly cíle naplněny? Vývoj v používání multimédií ve světě shrnuje tato dizertační práce. Je možné konstatovat, že nejvíce se těchto moderních technologií využívá ve Spojených státech amerických a v západní Evropě, i když i jinde lze nalézt pěkné projekty (jeden z Asie jsem zde zmínil). Ovšem sebelepší materiály psané jiným písmem než latinkou (a co se jazyků týče, tak kromě češtiny a slovenštiny ještě tak anglicky, německy nebo francouzsky) nejsou v našich krajích prakticky použitelné. Asi nejznámějšími institucemi, které se zabývají multimédii a které jsem již dříve zmínil, jsou Davidson College se svými Physlety, MERLOT s hodnocením a databází multimediálních materiálů a německá pracoviště. Je ale třeba podotknout, že zatímco materiálů obsahujících aplety a krátké texty k nim je na internetu poměrně dost, ucelené weby zahrnující nějakou fyzikální oblast se jako volně použitelné prakticky nevyskytují a jsou téměř výhradně vytvářeny univerzitami pro své studenty nebo i jinými institucemi pro komerční využití. Na českém webu je situace obdobná, pouze nabídka je nesrovnatelně chudší a zahrnuje většinou stránky, na kterých najdeme pouze odkazy na další fyzikální stránky, případně laboratorní či seminární práce nebo sbírky úloh. Dají se najít i zpracované maturitní otázky, ale ty navíc mají kromě pochybné kvality jen charakter stručného přehledu. Existuje i několik elektronických učebnic, ale ty obsahují povětšinou pouze texty a obrázky a jsou tak elektronickou verzí tištěných publikací a navíc jsou určeny pro studenty vysokých škol. Svou prací jsem se tedy pokusil zaplnit existující mezeru a nabídnout studentům učební materiály, které kromě textů obsahují i množství obrázků a dále aplety, videa a odkazy na jiné, většinou odborněji zaměřené stránky. Materiály ve formě webu obsahově pokrývají nejen veškeré povinné i rozšiřující učivo dané platnými učebními osnovami, ale obsahují i látku navíc. Učivo jsem buď přímo zpracoval nebo jsem nalezl stránky, na kterých je již v přijatelné formě zpracováno. Hlavní důraz jsem kladl na praktické aplikace, aby studenti pochopili, že fyzika není jen suchá a nezáživná věda, ale že její výsledky denně sami používají. Současnou verzi webu naleznete na přiloženém CD. Abych měl kontakt s pedagogickou praxí a měl možnost své materiály zkoušet, využil jsem příležitosti a začal učit na Gymnáziu Jana Nerudy v Praze. Díky tomu jsem měl možnost pracovat se studenty dlouhodobě a odučit podle vytvořeného webu celé téma „Elektřina a magnetismus“, které časově pokrývá jeden školní rok, což přesáhlo původní záměr ověřit materiály při výuce tématu s omezeným rozsahem hodin. Kromě toho jsem ještě předtím vedl i nepovinný kroužek elektroniky na gymnáziu Bernarda Bolzana v Praze, kde jsme se více věnovali samotné elektronice. Vzhledem k tomu, že sem (na rozdíl od pravidelné výuky na gymnáziu) docházeli jen zájemci o fyziku, byly dosažené výsledky poněkud odlišné.

52

Studenti hodnotili materiál většinou dobře, podrobný rozbor hodnocení je součástí této práce. Oceňovali jak přístupnost materiálu, který navíc skutečně odpovídá tomu, co se učí, tak i celkovou srozumitelnost vysvětlení látky a její zpracování. Rovněž se zvoleným vzhledem stránek a orientací v nich byli celkem spokojeni, stejně jako s kvalitou apletů, obrázků a videí. Během práce se studenty jsem s nimi konzultoval moje i jejich představy a průběžně podle nich web upravoval. Myslím, že o celkové spokojenosti studentů jasně svědčí i fakt, na začátku dalšího školního roku mnoho z nich vyjádřilo zklamání, když se dozvěděli, že se další téma budeme učit z klasických učebnic.

53

Použitá literatura [1] Komenský, J.A.: Didaktika analytická, Samcovo knihkupectví, Praha 1946 [2] Bertrand, Y.:Soudobé teorie vzdělávání, Portál, Praha 1998 [3] Sala, A: Teaching mathematics using the new media, Book of proceedings CIEAEM53, 56-63, 2001 [4] Lenaerts, J.; Wieme, W.; Janssens, F. ; Van Hoecke, T. : Designing digital resources for a physics course; European Journal of Physics 23 (2002) 175-182 [5] Novak, G. M.; Patterson, E. T.; Gavrin, A. D.; Christian, W.: Just-in-Time Teaching: Blending Active Learning with Web Technology; Prentice-Hall, Upper Saddle River, 1999 [6] Christian, W; Belloni, M: Physlets: Teaching Physics with Interactive Curricular Material, Prentice Hall, Upper Saddle River, 2001 [7] Physlets Home Page: http://webphysics.davidson.edu/Applets/Applets.html [8] Christian, W; Belloni, M: Physlet Physics. Interactive Illustrations, Explorations, and Problems for Introductory Physics, Prentice Hall, Upper Saddle River, 2004 [9] Webphysics (kurzy na Davidson college [10]Christian [11] Benedict, M.; Debowska, J.; Jodl, H.J.; Mathelitsch, L.; Sporken, R.: Report and Recommendations on Available Multimedia Material for Teaching Optics at School and at University Level; ve sborníku z MPTL 8, http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/MPTL/contributions/jodl/report_and_recommend ations_for_teaching_optics_prag03.pdf [12] NTNU Virtual Physics Laboratory: http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/ [13] Mason, B.: MERLOT Peer Reviews, ve sborníku workshopu MPTL 8, http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/MPTL/contributions/mason/index.html [14] MERLOT Tasting Room: http://taste.merlot.org/catalog/awards/ [15] Joffre, M.: Applets for Quantum Mechanics; http://www.quantumphysics.polytechnique.fr/ [16] Green, R.: Physics Illuminations; http://www.rlgreene.org/Illuminations/html/IllumMain.html [17] Altherr, S; Wagner, A.; Eckert, B.; Jodl, H.J.: Multimedia Material for Teaching Physics (search, evaluation and examples), Eur. J. Phys 25 (2004) 7-14 [18] Učební osnovy pro gymnázia: http://www.vuppraha.cz/downloads/0015Ucebnidokumentyprogymnazia/Fyzika.pdf [19] Lepil, O., Houdek, V., Pecho, A.: Fyzika pro III. ročník gymnázií, SPN, Praha 1986 [20] Lepil, O., Šedivý, P.: Fyzika pro gymnázia – Elektřina a magnetismus, Prometheus, Praha 1992 [21] Bartuška, K.: Sbírka řešených úloh z fyziky pro střední školy III, Prometheus, Praha 1998 [22] Tomanová, E., Rakovská, M., Baník, I., Bartuška, K., Volf, I., Koubek, V.: Sbírka úloh z fyziky pro gymnázia I. díl, SPN, Praha 1988

54

[23] Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.: Fyzika, část 3: Elektřina a magnetismus, VUTIUM, Brno 2000 [24] Rojko, M., Dolejší, J., Kuchař, J., Mandíková, D.: Fyzika kolem nás – Fyzika pro základní a občanskou školu 4, Prometheus, Praha 1998 [25] Conrad, W.: Elektrotechnika středem zájmu – od elektráren k mikroelektronice, SPN, Praha 1985 [26] Klímek, A., Zíka, J.: Malá encyklopedie elektrotechniky – polovodičové součástky a mikroelektronické struktury, SPN, Praha 1989 [27] Kružík, M.: Sbírka úloh z fyziky pro žáky středních škol, SPN, Praha 1979 [28] Lepil, O., Šedivý, P., Grün, M.: Fyzika a technika, SPN, Praha 1984 [29] Tomasino, A., Pénigaud, A.: Physique 2e, NATHAN, Paris 1993 [30] Hála, J., Doubrava, J.: Elektronika, NADAS, Praha 1984 [31] Mikulčák, J., Klimeš, B., Široký, J., Šůla, V., Zemánek, F.:Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy, SPN, Praha 1988 [32] Opava, Z.: Elektřina kolem nás, SPN, Praha 1985 [33] Životopisy fyziků na webu – Converter: http://www.converter.cz/fyzici/ [34] Skripta “Elektronika” – http://lucy.mff.cuni.cz/~tichy/ [35] Sbírka příkladů z elektroniky - http://lucy.mff.cuni.cz/~tichy/sbirka/index.html

55

A

Seznam publikací

Publikace v odborných časopisech Kekule, J.: Multimediální výukový materiál na téma elektřina Matematika – Fyzika – Informatika, zasláno do tisku

a magnetismus,

Vystoupení na mezinárodních konferencích 1. Kekule, J: Teaching electronics using modern methods, 7th Workshop on Multimedia in Physics Teaching and Learning, Parma, Italy, September 22-24, 2002 2. Kekule, J: Teaching electricity and electronics at secondary school, 8th Workshop on Multimedia in Physics Teaching and Learning, Prague, Czech Republic, September 14-16, 2003 3. Kekule, J: Modern method of teaching physics, WDS 02, Prague, Czech Republic, June 11-14, 2002 4. Kekule, J: Modern method of teaching physics, WDS 03, Prague, Czech Republic, June 10-13, 2003 5. Kekule, J: Electronic materials for physics teaching, WDS 04, Prague, Czech Republic, June 15-18, 2004 6. Drška, L., Šiňor, M., Kekule, J.: Courseware Development Technologies for ELearning in Physical Science (workshop), PTEE 2002, Leuven, Belgium, June 57, 2002 7. Kekule, J: Řešení nedostatku studijní literatury pomocí Internetu – hypertextová sbírka příkladů, Jedenácté Poškole, Lázně Sedmihorky, Česká Republika, 10.-12. dubna 2002 Publikace ve sbornících z konferencí 1. Kekule, J: Teaching electronics using modern methods, 7th Workshop on Multimedia in Physics Teaching and Learning, Parma, Italy, September 22-24, 2002 2. Kekule, J: Teaching electricity and electronics at secondary school, 8th Workshop on Multimedia in Physics Teaching and Learning, Prague, Czech Republic, September 14-16, 2003 3. Kekule, J: Modern method of teaching physics, WDS 02, Prague, Czech Republic, June 11-14, 2002 4. Kekule, J: Modern method of teaching physics, WDS 03, Prague, Czech Republic, June 10-13, 2003 5. Kekule, J: Electronic materials for physics teaching, WDS 04, Prague, Czech Republic, June 15-18, 2004 6.

Kekule, J: Řešení nedostatku studijní literatury pomocí Internetu – hypertextová sbírka příkladů, Jedenácté Poškole, Lázně Sedmihorky, Česká Republika, 10.-12. dubna 2002

56

B

Přiložené publikace

B.1 Multimediální výukový materiál na téma elektřina a magnetismus Kekule, J.: Multimediální výukový materiál na téma elektřina a magnetismus, Matematika – Fyzika – Informatika, zasláno do tisku

57

Multimediální výukový materiál na téma elektřina a magnetismus JAROMÍR KEKULE MFF UK, Praha; Gymnázium Jana Nerudy, Praha

Počítač připojený k internetu se stal už i na většině českých škol vítaným pomocníkem ve výukovém procesu. I když se z důvodů nedostatečného technického vybavení nepoužívá třeba přímo při výuce, učitelé vyhledávají na webu aktuality přispívající k obohacení jejich hodin, žáci hledají podklady pro referáty. Ti s hlubším zájmem o předmět i odpovědi na otázky, které je zajímají a na něž ve vyučovacích hodinách nezbývá čas. Proto je potřebné mít na internetu stránky, které poskytnou učitelům i žákům příslušné materiály v dobré kvalitě a nejlépe i v ucelené formě. Z tohoto důvodu jsem vytvořil v rámci své doktorandské práce ucelený web věnovaný obsáhlému středoškolskému tématu – elektřině a magnetismu (se zvláštním důrazem na elektroniku), který bych zde rád blíže představil. Na internetu jej najdete na adrese http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/elektross/index.html. Obsah a struktura webu Web se skládá z necelých třiceti kapitol, z nichž dvacet obsahuje materiály pokrývající veškeré požadované učivo gymnaziálního tématu „Elektřina a magnetismus“ včetně doporučeného rozšiřujícího učiva a některých dalších vybraných témat. Ve zbývajících kapitolách najdeme rejstříky, shrnutí apod. Celý web je zaměřen prakticky. Kapitoly nejsou uspořádány ve stylu klasické učebnice, ale jsou převážně věnovány nějaké praktické aplikaci fyziky (např. televizor, rádio, elektromotor, princip blesku, …) a příslušné učivo je podáno jako látka potřebná k pochopení těchto praktických přístrojů a jevů. Stránky jsou vytvořeny jako technicky velmi jednoduché pomocí editoru Microsoft FrontPage 2000. Snažil jsem se o přehlednost, proto je prostor obrazovky rozdělen na dvě okna. V levém jsou názvy kapitol, v pravém se pak objevuje vlastní text. V záhlaví většiny stránek konkrétní kapitoly je její podobsah (obr. 1). K přehlednost přispívá abecední rejstřík se všemi důležitými pojmy. Uvažuji též o fulltextovém vyhledávání.

obr. 1: Uspořádání stránky

Pro lepší orientaci ve vícevrstvém textu jsou odkazy barevně rozlišeny. Bude-li se uživatel držet modrých odkazů, projde stránky ve stejném pořadí jako při výuce. Zelené odkazy vedou na doplňující stránky nebo na to, co se už probíralo nebo se bude probírat později. Pod hnědými odkazy najdete fyzikální tabulky a pod fialovými návody na pokusy, které si můžete sami udělat. Všechny odkazy jsou doplněny znakem „¤“, který se chová jako běžný hypertextový odkaz a tudíž podle něho uživatel pozná, zda už danou stránku navštívil nebo ne. Jedna kapitola obsahuje jakési „Zápisy do sešitu“ neboli výtahy z probrané látky, které mohou studentům sloužit místo jejich vlastních poznámek (obr. 2).

obr. 2: Ukázka ze zápisů do sešitu

Text je doplněn řadou obrázků, schémat a fotografií. Některá témata jsou vyložena dvojím způsobem, napřed vysvětlena slovně a pak na obrázcích. Doufám, že tento přístup pomůže studentům s různými styly učení. Pro zajímavost, dvě třetiny dotázaných studentů se vyjádřily, že preferují „obrázkový“ přístup, zbývající třetina pak lépe chápe věci vysvětlené slovně. Důležité pokusy jsou zahrnuty ve formě videoukázek. Web obsahuje i Java aplety, které simulují pokusy a u kterých se dají nastavovat parametry. Materiál obsahuje množství vlastních textů i odkazy na jiné texty zabývající se daným tématem, odkazy na stránky výrobců elektronických součástek i pracovišť, která se zabývají výzkumem a vývojem atd. Pro pokročilejší studenty a zájemce je web doplněn o odkazy na obsáhlá hypertextová skripta „Elektronika“ vytvořená na MFF UK a sbírku úloh k nim. Použití materiálu Mou představou je používat materiál přímo při vyučovací hodině. Každý učitel si jej může upravit podle svého uvážení a přizpůsobit jej tak svým potřebám (web se dá stáhnout a používat off-line). Žáci mající materiál k dispozici si pak nemusí dělat poznámky do sešitů a mohou se plně koncentrovat na předkládanou látku, což umožňuje výrazně efektivnější studium než při častém přístupu, kdy si žák při hodině pouze udělá poznámky a teprve doma se snaží látku pochopit a naučit.

Doma si pak student může látku opakovat, řešit úlohy a zamýšlet se nad problémy. Též se může znovu podívat na experimenty prováděné při hodině, jejichž průběh je zachycen na videoukázkách. K ověření svých znalostí pak může použít obsažené testy. Závěr Uvedený materiál jsem používal v loňském roce při běžné výuce jedné třídy na gymnáziu. Studenti jej pak na konci roku hodnotili. Z hodnocení je patrná jejich převažující spokojenost, více než tři čtvrtiny z nich se vyjádřily, že používají web raději než klasickou papírovou učebnici. Též zajímavost a srozumitelnost podání látky je podle nich dobrá. Doufám tedy, že uvedené skutečnosti se také promítnout do zvýšeného zájmu o fyziku jako vědu a o studium technických oborů na vysoké škole.

B.2 Výuka elektroniky moderními metodami Kekule, J: Teaching electronics using modern methods, 7th Workshop on Multimedia in Physics Teaching and Learning, Parma, Italy, September 22-24, 2002

61

TEACHING ELECTRONICS USING MODERN METHODS Kekule, Jaromir, Charles University in Prague, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic

Abstract. This paper presents the creation of the web, that will be used for teaching physics – electricity and electronics – especially at secondary schools in the Czech Republic. The content of the web and its division according to the level of user´s knowledge are described. Emphasis is put on the motivation of students and stimulating their interest in electricity and electronics and generally in physics. The predicted use of the web and the first experience about working with students with these materials are mentioned. Introduction These days, Internet is being used (in spite of some problems) more and more for teaching at grammar schools, secondary schools and universities. It serves both for presenting texts (namely on the universities, where these texts are easily available for every student) and for presentations of various animations, interactive applets, video-clips and other materials for teaching. There are four positive experience from using the hypertext: 1. the new media can help our teaching process (the use of the different communication codes in a lecture makes more incisive the lessons) 2. the lectures are more interactive (for example in the laboratory activities the students can manipulate some virtual objects or make virtual experiments, which are not really possible to make) 3. hypertext can facilitate the human learning 4. hypertext supports the connection of ideas (the use of the hypertextlinked documents allows the reader to jump from content to content). But there are some problems, too. Namely during the student's navigation in hypertext some students can only interact with pages passively, by reading and clicking the links. The teacher has to illustrate the correct and active navigation inside the hyperdocuments. The creating of the web There exist just a few materials for teaching physics published on the Internet in the Czech Republic at the present moment. That was my motivation for filling in this blank particularly by creating the web with materials for teaching electricity and electronics in my PhD work. After finishing, this web will be freely accessible for every interested people. I would like the web to serve teachers and students (and of course to everybody from the general public). The teachers will be able to use this material during lessons for completion of their explanation. Students will be able to fully concentrate on the

comprehension of the explanation during lessons and making notes will not disperse them. At home they will be able to study the materials, look at experiments and their results and study practical problems. The web will be free accessible both on-line and for download. Every teacher will be able to adapt the material according to his or her own plans, for example to write his or her notes into the material or access the homeworks of his/her students etc. The web will contain explanations, solved problems, figures and schemes, photos of experiments and videos from the courses of experiments, their results and explanations, interactive applets and simulations, photos (prospectively videos) of practical electronic devices and analysis of their function. The content of the web The content of the web will be divided into three parts, which will be linked to each other. The first part contains the explanation of the fundamental principles of electronics, that means for example the system of divisions of materials in conductors, semiconductors and insulators, the electric current in conductors and semiconductors or the function of semiconductor diode. In the second part the principles and functions of electronic elements – semiconductor parts are explained and brief examples of their direct use are given. In the third part I will explain the principal function of electronic devices at various levels. For example: modulation and demodulation of radio waves; problem of power regulation; the security (safety) devices in railways or in city public transport; function of computer and its peripherals (keyboard, screen, memory, A/D and D/A converters); the electronic devices, that we use every day (mobile phones, radio receivers, TV sets, tape recorders, CD players, microwave ovens) etc. will add also chapters, which would explain also the basics, e.g. the measurement of the electric voltage, current and the measurement of parameters of semiconductor devices. In the web I intend to include the self-tests, too. Every student will be able to find out the level of his knowledge using selftests. The book of problems I can integrate the result of my diploma work, The book of problems in electronics, to the web. The book of problems is a hypertext book. These days it contains almost one hundred problems, all of which are solved. Each of the problems in the book is divided into three parts. The fist part is the setting of the problem. It consists of text and schema and further contains links to „prompter“ and solving. The second part, „prompter“, represents one or more useful „hints“, how to start solving. Why it is incorporated to the Book of problem? I think that a student is better motivated to solve problems, when he does not have to give up in case he does not know how to start. The third part is the solving of the problem. It is usually fairly well detailed. When it is necessary, it includes a chart, too. By some problems, alternative solutions are offered for secondary school and university level. In the future, the book of problems will be provided with further problems. I plan to make the „prompter“ in more levels in order to a student get only the information that

he or she want and not be frustrated by the lack or the surplus of information. I would like to make some problems interactive.

The division according to the level of knowledge The single parts of the web are divided into some levels according to the user's knowledge. I have made an effort to do „fundamental pages“ at the elementary level of secondary school students. These pages contain links to advanced levels or to explanations of some interesting problems that are included in the fundamental pages. They contain links to the pages, where formulas used in the texts are derived, too. I have made rich structure of links leading out of the web. User can look for some practical information at his/her required level. That's why I link the users for example to the pages of device manufacturers or to the pages of university working places, where electronic can be studied. Where it is possible I supplement text by pictures and photographs. I can help in this manner to students with different styles of learning. They can read the text or look at the pictures. I have made an effort to make the majority of the lessons understandable only with using pictures. I think also about attaching some sound files (for example as accompanying the videos with experiment – a student can look at the experiment on the screen and simultaneously hear the commentary). The main aim The main aim of the work is to persuade students that electronics (and the whole physics, too) is the interesting science and a dynamically developing subject of great importance in the modern life. (By the way, who, especially among young students, can imagine the life without mobile phones, computers, TV sets, CD players, microwave ovens?). Especially I would like to motivate students. They can find these things and problems they are interested in on the web. I suppose that students are even more interested in the principles and function of the real devices than the explanation of fundamentals of circuit current in semiconductors, which is included in plans for teaching physics in secondary schools. Users of the web As mentioned above my intention is that teachers and students will use the web during normal teaching hours at secondary schools. At present I use the finished parts of the web in seminars of physics (electronics) that I lead at one of the secondary schools in Prague. There are students interested in physics – electronics in these seminars. I hope I will use this web in the regularly teaching on the French secondary school in Prague next year. At least some parts of the web will be translated to French for this purpose. I believe that students in the lower semesters at universities will also be able to use this web as well as teachers for inspiration. My experience from the work with students

I have experience from my work with students on the seminars of electronics for the time being. 1. Students want to solve neither ordinary „arithmetical“ problems nor some „less traditional“ ones. They say they have enough „arithmetical“ problems at school. 2. Students are strikingly interested in deriving of the used formulas. For this reason it will be included in the web. 3. Students are much more interested in practical and surprising problems (for example, „why the rectifier diode does not rectify at high frequencies? – fig 1, 2).

Fig 1: the alternated current (frequency 50 Hz) rectified with diode

Fig 2: the alternated current (frequency 22 kHz) rectified with diode

Used software I use the traditional software for creating of the web. For creation the whole web I use FrontPage 2000. I draw electric schemas with MicroCap Evaluation, I work with pictures and photographs in CorelDraw! and Corel PhotoPaint. The problem is a creation of formulas. I use Microsoft Equation for it. Conclusion The world wide net Internet provides a large variety of possibilities in future physics education. I would like to use these possibilities and bring in my experience. I am sure that knowledge of electronics in suitable and comfortable way how to motivate the students to study physics at the university. References Komenský, J. A. : Didaktika analytická, Praha 1946 Bertrand, Y.:Soudobé teorie vzdělávání, Praha 1998 Sala, N.: Teaching mathematics using the new media, Book of proceedings CIEAEM53, 56-63, 2001

B.3 Výuka elektřiny a elektroniky na střední škole Kekule, J: Teaching electricity and electronics at secondary school, 8th Workshop on Multimedia in Physics Teaching and Learning, Prague, Czech Republic, September 1416, 2003

66

Teaching electricity and electronics at secondary school Jaromír Kekule, Charles University in Prague, Faculty of Mathematics and Physics, Czech Republic

Abstract This paper presents the web materials which can help students for better understanding and easier studying Electricity and Electronics and their use in the regular lessons at secondary school in the Czech Republic. Introduction In the world the modern methods of teaching using computer are developed rapidly in the whole world. I think that physics is especially convenient for teaching with computer because it covers both statical and dynamical processes and things are tightly connected to each other. But in our country there are not many multimedia materials for use on secondary schools. There are not many households connected to Internet and that’s why students cannot study at home on-line. There are some problems with Internet at schools, too. But the situation is improving. Nowadays I am working on development an electronic textbook for teaching secondary-school students on theme electricity and magnetism with an emphasis on electronics and this school year I am testing this textbook experimentally in regular teaching and learning on a secondary school. Creation of electronic materials My web will contain practically all of materials that are necessary for students and teacher for teaching and learning electricity and magnetism. This theme covers whole third form of standard secondary school. The web is divided into 22 “chapters” The most of them are motivated by some semiconductor parts that are interesting but not usually contained in standard textbooks for secondary schools. The compulsory subject matter is given in fact as an explanation to it. The greatest emphasis is put on analysis and explanation of devices, which contain semiconductor parts. The materials in “chapters” are well arranged and most of them have a uniform structure. For example to every semiconductor part there is inscribed an independent page. The first thing on this page is motivation (what is this part good for). Further there is a very brief paragraph with description of the part, then its schematic symbol and text and picture explanation how it works. There is a typical simple electric circuit with the part and detailed information about its practical use with links to pages with practical devices. Experiments that student can make by himself are included in corresponding pages and linked from an independent list of experiments.

KEKULE: Teaching electricity and electronics at secondary school

On the theme of common electricity and magnetism, a special emphasis is put on explanation of function of electrical devices of everyday use and technical devices and on analysis and explanation of some interesting electromagnetic phenomena that we can see in nature (for example a lightning). The Book of problems of electricity and electronics is included. The web contains a lot of links to web pages of manufacturers of semiconductor parts and to further relevant pages with explanation of some phenomena and devices. Every teaching material even the expertly good and detailed one is not very attractive when it is not well-arranged. For an extensive web there is very important to have a good navigation in the document. I think that frames are very good for it. The screen is divided into three windows. In the largest one you can see what you want to study. The content of all the web is in the left window and on the upper side there is a content of actual chapter. Besides, hyperlinks are coloured (every colour has specific meaning) and contain a mark for recognize if the hyperlink has been already visited or no. Student can go through the web in the same way as at school (blue hyperlinks), he can go back in the past or forward to the future (green hyperlinks), see and make experiments (brown ones). The material contains hyperlinks to the pages on the Internet with information about great physicists. Methods of explanation For better student’s understanding I use various methods of explanation. The fundament is text complemented by a lot of pictures and photographs. I make an effort that students can comprehend some theme only with help of pictures. Where some dynamic processes are delt a with, there are used Java applets or video. Videos are used for student’s own work, too. Students can test their knowledge by a lot of solved problems, self-tests and homework. Thematical plan And how will the classes look like? At the beginning of school year I motivated students with some interesting problems of electricity and magnetism and especially of electronics, for example the following topics: - power stations – heat, water, wind or nuclear energy, problem of storage of electric energy - electromotor – different types - safety devices on railways – automatic control of traffic, rail circuits, remote control; city public transport – preference of trams on crossroads. Now the students must learn a few fundamental topics. They must have some fundamental knowledge about electric charge and forces existing among charges (Coulomb’s law). Electrostatic induction and polarization are then related to electrostatic forces. The next fundaments are electric field and its intensity, electric work, potential and voltage and electric current (DC and AC). For comprehension, how semiconductors conduct electric current, students must have basic knowledge about crystal structure, Pauli’s principle and energy gaps in materials.

KEKULE: Teaching electricity and electronics at secondary school

Next chapters are in fact explanation of some real devices or problems. Each of them starts with some device, mostly electronic device. (By the way, almost all of modern electric devices are electronic devices.) Students should learn what they need for explaining its function. Then we can discuss about related topics. A list of some topics is below; behind the hyphen there are related topics that students should learn simultaneously. • thermometers and exposure meters – thermistor and photoresistor; resistivity of conductors and semiconductors, dependence of resistance on temperature, light, electric field and pressure; superconductivity • rectifier – semiconductor of type N and P, diode, rectifying of high frequencies; capacity and capacitor, Zener diode • how to make high voltage – multiplier of voltage, acceleration of electrons in picture tube; principle of oscilloscope and TV set; magnetic field, Laplace force, magnetic induction, Lorentz force; electromagnet, electromotor, ampermeter, voltmeter • regenerative diode – electromagnetic induction, Faraday’s and Lenz’s law, self-induction •

how to make light – bulb, conduction in gas, fluorescent lamp

•

amplifying of current – transistor, phototransistor, diac, FET

•

integrated circuits – operation amplifier, logic circuits; calculator, computer

•

regulation of power – resistance regulation, thyristor regulation

• radio and TV – electromagnetic oscillator, resonance, AC circuits with R, L, C, impedance, electromagnetic waves (reflection, refraction, interference, polarization); radio receiver, tuning (varicap), modulation and demodulation, microphone and loudspeaker •

mobile phone, GPS

• how to make electric voltage and current – cell, accumulator battery, electromotive voltage, Ohm’s law; photodiode, Hall’s phenomenon, alternator, power station, transformer, three-phase voltage •

electric power – power, energy and work in AC and DC circuits; asynchronous

motor • how to save information – cassette, floppy disc, hard disc – materials in magnetic field; CD, DVD Use of the web This year I use my work in regular teaching on a secondary school. Directly in lessons I want to use pictures and applets, which are for understanding better than words (see Fig. 1). Students can study at home with the web. For this reason this web is located on the Internet, on school intranet and on student’s home computers. I

KEKULE: Teaching electricity and electronics at secondary school

want to motivate students for making on-line homework. Of course, we will make experiments and laboratory work at school, for example with system ISES (Intelligent School Experimental System, see http://www.ises.info/ ; it’s a system that can change your computer in oscilloscope, ampermeter, voltmeter, thermometer and many other measure devices), and I want to motivate students for making simple experiments and devices at home (see Fig. 2). For communication among teacher and students can be used a special web page. Conclusion The hypertext material has a great advantage. It can be arranged in more ways, for example by sequence of lessons or similar to paper books. The web can be used offline, too, but for homework and links it will be necessary to have connection to Internet. Every student has this possibility at school. All of students have a computer at home and therefore they can study with offline version. I believe that students will accept this method and their learning will be more pleasant and successful than so far.

.