POČÍTAČOVÉ SIMULACE VE VÝUCE FYZIKY ZDENĚK PUCHOLT Katedra experimentální fyziky Přírodovědecká fakulta  Univerzity Palackého 17. listopadu 1192/12, Olomouc

Obsah prezentace… Rešerše literatury Pilotní výzkum na GHO & SGO Zařazení a aplikace simulací, jejich klasifikace Vybrané studované články Pilotní výzkum na GHO & SGO Popis, průběh a sledované parametry Konkrétní případ #1 Konkrétní případ #2 Zhodnocení, plány do budoucna Implementace hry GRAPHysics Popis, charakteristika Plánovaný vývoj

Zařazení simulací… REÁLNÝ EXPERIMENT VZDÁLENÝ EXPERIMENT MODELOVÁNÍ SIMULACE MODELOVÁNÍ

SEKUNDÁRNÍ VZDĚLÁVÁNÍ Aplikace simulací (podle rešerše)... POČÍTAČOVÉ SIMULACE ŠKOLSTVÍ → POŽADAVEK NA ÚROVEŇ → PRIMÁRNÍ VZDĚLÁVÁNÍ SEKUNDÁRNÍ VZDĚLÁVÁNÍ TERCIÁRNÍ VZDĚLÁVÁNÍ PRŮMYSL PŘÍPRAVA → PRŮPRAVA

Vzrůstající náročnost (implementace, cena) Klasifikace simulací (podle rešerše)... Vzrůstající náročnost (implementace, cena) “KLASICKÉ SIMULACE“ standardní vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s uživatelem pomocí běžných počítačových periferií “HAPTICKÉ SIMULACE“ vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s uživatelem pomocí haptických prvků “VYSOCE INTERAKTIVNÍ SIMULACE“ vysoce vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s uživatelem pomocí haptických a interaktivních prvků “VIRTUÁLNÍ SVĚT 3D“ vysoce vizuálně interaktivní a sociální prostředí pro komunikaci s uživateli pomocí haptických a interaktivních (2D, 3D) prvků

Vzrůstající náročnost (implementace, cena) Klasifikace simulací (podle rešerše)... Vzrůstající náročnost (implementace, cena) “KLASICKÉ SIMULACE“ standardní vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s uživatelem pomocí běžných počítačových periferií “HAPTICKÉ SIMULACE“ vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s uživatelem pomocí haptických prvků “VYSOCE INTERAKTIVNÍ SIMULACE“ vysoce vizuálně interaktivní prostředí pro komunikaci s uživatelem pomocí haptických a interaktivních prvků “VIRTUÁLNÍ SVĚT 3-D“ vysoce vizuálně interaktivní a sociální prostředí pro komunikaci s uživateli pomocí haptických a interaktivních (2D, 3D) prvků

Vybrané studované články (1)… GRABOWSKI, Andrzej a Jaros law JANKOWSKI. Virtual Reality-based pilot training for underground coal miners. Safety Science [online]. 2015, vol. 72, s. 310–314. DOI: 10.1016/j.ssci.2014.09.017 BANJANIN, Nikolina, Nikola BANJANIN, Ivan DIMITRIJEVIC a Igor PANTIC. Relationship between internet use and depression: Focus on physiological mood oscillations, social networking and online addictive behavior. Computers in Human Behavior [online]. 2015, vol. 43, s. 308–312. DOI: 10.1016/j.chb.2014.11.013 HURKALA, J, M GALL, R KUTNER a M MACIEJCZYK. Real- time numerical simulation of the Carnot cycle. European Journal of Physics [online]. 2005, vol. 26, issue 5, s. 673–680 [cit. 2015-02-12]. DOI: 10.1088/0143-0807/26/5/001

Vybrané studované články (2)… YALCINALP, Serpil, Nurcan SEN, Gamze KOCER a Fatih KOROGLU. Higher Education Student’s Behaviors as Avatars in a Web based Course in Second Life. Procedia – Social and Behavioral Sciences. 2012, vol. 46, s. 4534–4538. DOI: 10.1016/j.sbspro.2012.06.291 BOULOS, Maged N. Kamel, Lee HETHERINGTON a Steve WHEELER. Second Life: an overview of the potential of 3-D virtual worlds in medical and health education. Health Information and Libraries Journal. 2007, vol. 24, issue 4, s. 233–245. DOI: 10.1111/j.1471-1842.2007.00733.x BAKER, Suzanne C., Ryan K. WENTZ a Madison M. WOODS. Using Virtual Worlds in Education: Second Life as an Educational Tool. Teaching of Psychology. 2009-01-02, vol. 36, issue 1, s. 59–64. DOI: 10.1080/00986280802529079

Pilotní výzkum na GHO & SGO trvání výzkumu: 2014 – dosud různé způsoby začlenění simulací do výuky využití simulací projektu PhET (PHysics Education Technology), University of Colorado-Boulder, USA URL: http://phet.colorado.edu hledání významných parametrů, které mohou ovlivňovat efektivnost počítačových simulací stanovování alternativních hypotéz → hledání přítomnosti významných statistických rozdílů eliminace faktorů negativně ovlivňujících průběh výzkumu

Případ #1 Téma Pohyby v tíhovém poli Země („vrhy“) Doba konání 24. 4. 2014 – 16. 5. 2014 Účastníci 1 třída, 2. roč./IV, všeobecné zaměření Východisko Nové téma, před začátkem absolvování pre-testu, po dokončení post-test Časová dotace 2 vh (2 x 45 min.) simulací pro experimentální skupinu (ES), 2 vh (2 x 45 min.) výpočetních úloh pro kontrolní skupinu (KS), 4 vh (4 x 45 min.) standardní výuky (ES & KS), 1 vh (1 x 45 min.) pro pre-test a post-test (ES & KS).

Případ #1 Simulace pro ES Projectile Motion (PhET, Colorado-Boulder, USA) URL: http://phet.colorado.edu/en/simulation/projectile-motion Stanovené hypotézy (nulová hypotéza, alternativní hypotéza) H0: Mezi žáky vzdělávanými tradičním způsobem a žáky vzdělávanými pomocí počítačových simulací není při testování míry miskonceptů významný statistický rozdíl. H1: Mezi žáky vzdělávanými tradičním způsobem a žáky vzdělávanými pomocí počítačových simulací existuje při testování míry miskonceptů významný statistický rozdíl. Využití populárního testu FCI (Force Concept Inventory) v českém překladu (RNDr. Dana Mandíková, CSc.) URL: http://modeling.asu.edu/R&E/Research.html Využití známých tuzemských sbírek úloh, Fundamentals of Physics (H&R&W),…

Případ #1 BĚŽNÁ VÝUKA PRE-TEST PRÁCE VE SKUPINÁCH POST-TEST FÁZE I FÁZE II PRÁCE VE SKUPINÁCH FÁZE III POST-TEST BĚŽNÁ VÝUKA

KONTROLNÍ SKUPINA (KS) EXPERIMENTÁLNÍ SKUPINA (ES) Případ #1 KONTROLNÍ SKUPINA (KS) EXPERIMENTÁLNÍ SKUPINA (ES) Absolvování pre-testu, post-testu → evaluace skupiny Absolvování pre-testu, post-testu → evaluace skupiny Účast na běžné výuce → shodně s ES → shodně s KS Výuka ve skupinách → stejná časová dotace jako u ES → stejná časová dotace jako u KS Stejné téma, rozsah učiva Řešení předepsaných úvahových a výpočetních úloh Práce se simulací, řešení úloh pomocí simulace

Případ #1

Případ #1

Případ #1

Případ #2 Téma Grafické znázorňování kinematických veličin (s, v, t) Doba konání 20. 11. 2014 – 9. 12. 2014 Účastníci 1 třída, 5. roč./VIII, všeobecné zaměření Východisko Opakování, procvičování „problematického“ tématu Časová dotace 1 vh (1 x 45 min.) simulací pro experimentální skupinu (ES), 1 vh (1 x 45 min.) výpočetních úloh pro kontrolní skupinu (KS), 1 vh (1 x 45 min.) pro pre-test a post-test (ES & KS).

Případ #2 Simulace pro ES The Moving Man (PhET, Colorado-Boulder, USA) URL: http://phet.colorado.edu/en/simulation/moving-man Stanovené hypotézy (nulová hypotéza, alternativní hypotéza) H0: Mezi žáky vzdělávanými tradičním způsobem a žáky vzdělávanými pomocí počítačových simulací není při testování významný statistický rozdíl. H1: Mezi žáky vzdělávanými tradičním způsobem a žáky vzdělávanými pomocí počítačových simulací existuje při testování významný statistický rozdíl. Využití SW Mathematica pro generování a vykreslování grafů pro pre-test a post-test a pro práci kontrolní skupiny

Případ #2 FÁZE I PRE-TEST FÁZE II PRÁCE VE SKUPINÁCH FÁZE III POST-TEST

KONTROLNÍ SKUPINA (KS) EXPERIMENTÁLNÍ SKUPINA (ES) Případ #2 KONTROLNÍ SKUPINA (KS) EXPERIMENTÁLNÍ SKUPINA (ES) Absolvování pre-testu, post-testu → evaluace skupiny Absolvování pre-testu, post-testu → evaluace skupiny Výuka ve skupinách → stejná časová dotace jako u ES → stejná časová dotace jako u KS Stejné téma, rozsah učiva → shodně s ES → shodně s KS Práce s pracovním listem a pomůckami Práce se simulací a pracovním listem

Případ #2 – KS

Případ #2 – ES

Případ #2 rozdíl v úspěšnosti mezi kontrolní a experimentální skupinou u post-testu byl pouze 1,52 % možné faktory ovlivňující výsledky tohoto výzkumu: role učitele, obtížnost a koncepce pre-testu a post-testu, kvalita a zpracování simulace oba přístupy se jeví jako sobě ekvivalentní

Pilotní výzkum na GHO & SGO Provedeny dílčí výzkumy v oblastech: Newtonovy pohybové zákony (setrvačnost, odporové síly) Grafické znázorňování kinematických veličin Práce, mechanická energie, ZZE, ZZME Pohyby v tíhovém poli Země Mechanika tekutin (vztlaková síla, Archimédův zákon) Mechanika tekutin (proudění, hydrodynamický paradox) Plánované další výzkumy: Mechanické kmitání (pružinový oscilátor, kyvadlo) Účast dvou tříd, max. 60 žáků GHO, 2. roč./IV, duben 2015 Mechanika tekutin (proudění, hydrodynamický paradox) Opakovaný výzkum; původně na GHO, nyní na SGO Elektřina a magnetismus (nespecif., šk. rok 2015/2016)

GRAPHysics Proč ? Procvičování „problematické pasáže“ – práce s grafy zábavnou formou, tj. propojení fyziky & ICT = důvod vytváření aplikace Možnost rozšíření stávající simulace The Moving Man (PhET) Jak? Prostřednictvím webového rozhraní – prohlížeče s využitím nejnovějších technologií (HTML 5 + jQuery lib. + HighCharts lib.) Možnost 24-hodinového přístupu (škola, domácí příprava) Dostupnost navíc na tabletech či mobilních telefonech Případná papírová forma (viz výzkum na SGO, „pexeso“) Pro koho je hra určena? Různé úrovně: ZŠ → VŠ Rovnoměrné pohyby, pohyby se zrychlením, periodické pohyby, specifické pohyby podle požadavků,… Dokončení? Ve vývoji, plánované dokončení v průběhu roku 2015

GRAPHysics