FIZIKA i IT
Osnovne značajke izbornog predmeta FIZIKA i IT
FIZIKA i IT osmišljen je kao iznimno interdisciplinarni predmet STEM područja. Temelj predmeta čine fizikalni problemi do čijih rješenja učenici dolaze koristeći znanja i vještine iz računalnih simulacija, matematičkog modeliranja, sastavljanja i programiranja elektroničkih sklopova. U centru je računalo (hardver i softver) kao alat za istraživanje fizikalnih pojava. Predmet podrazumijeva stanovita znanja iz fizike i informatike te je iz tog razloga namijenjen učenicima trećih i četvrtih razreda gimnazijskih programa s četverogodišnji programom fizike.
Predmet je zamišljen kao niz istraživačkih projekata za učenike pri čemu nije presudna usvojenost i reprodukcija gradiva već istraživanje i osmišljavanje rješenja problema koristeći tehnološke resurse na raspolaganju. Tim načinom rada potiče se učenike na razmišljanje, kreativnost, inovativnost, potiče ih se na preuzimanje inicijative te ih se iz pozicije pasivnog sudionika nastave stavlja u krajnje aktivnu poziciju. Uz sve navedeno, na taj učenici se upoznaju s načinom rada u suvremenim znanstvenim laboratorijima, u kojima se koriste najmodernija softverska i tehnološka dostignuća da bi se došlo do novih fizikalnih spoznaja.
Kako je većina inženjerskih studija tehničkog područja bazira na fizikalnim zakonima i principima, učenici gimnazijskog programa najviše kroz fiziku dolaze u dodir s tim područjima. Želimo li dodatno motivirati i potaknuti učenike na izbor studija iz navedenih područja tada ti sporadični primjeri stvaranja veze između fizikalnog zakona i inženjerske primjene tog znanja u praksi nisu dovoljni. Stoga se kroz tematiku predmeta i način rada učenike želi zainteresirati za inženjerske i znanstvene studije te im se želi dočarati draž istraživačkog rada što kroz klasičnu nastavu obveznih gimnazijskih predmeta nemaju priliku osjetiti.
Vrednovanje i ocjenjivanje postignuća učenika provoditi će se sukladno odredbama Zakona o odgoju i obrazovanju u osnovnoj i srednjoj školi (Narodne novine, broj 87/08., 86/09., 92/10. i 105/10.-ispr.) te temeljem Pravilnika o načinima, postupcima i elementima vrednovanja učenika u osnovnoj i srednjoj školi (KLASA: 602-01/10-01/00407, URBROJ: 533-04-10-0001, ZAGREB, 27. rujna 2010.)
Ciljevi učenja i poučavanja izbornog nastavnog predmeta FIZIKA I IT
Učenjem i poučavanjem nastavnog predmeta FIZIKA I IT nadograđuju se i učvršćuju vještine stečene učenjem nastavnih predmeta fizika i informatika. Stječu se praktična znanja, potiče se na primjenu i implementaciju modernih tehnologija u svakodnevni život.
Odgojno obrazovni ciljevi predmeta FIZIKA I IT:
Povećati interes učenika za prirodne i tehničke znanosti kroz interdisciplinaran pristup i kroz korištenje tehničkih dostignuća u procesu dolaska do fizikalnih spoznaja
Razvoj analitičkog pristupa rješavanja fizikalnog problema
Razvoj vještina stvaranja modela fizikalnih pojava i problema korištenjem računalnih simulacija i drugih softverskih alata pogodnih za matematičko modeliranje
Razvoj vještina osmišljavanja eksperimenata, prikupljanja podataka i njihove obrade.
Razvoj vještina služenja WWW resursima prilikom proučavanja neke teme i rješavanja problema
Struktura i organizacija predmetnog kurikuluma
Nastavni predmet je zamišljen kao niz projektnih zadataka kroz koje učenici stječu dublje razumijevanje fizikalnih zakonitosti. Učenici kroz projektne zadatke opširnije i dublje obrađuju teme s kojima su se već susreli kroz nastavu fizike te pri tome do spoznaja dolaze istraživačkim radom koristeći hardverske i softverske resurse.
Sadržaj nastavnog predmeta podijeljen je u četiri cjeline koje nisu strogo tematski odijeljene, već se tematski isprepliću. Ono što stvara distinkciju između cjelina su istraživački resursi koje učenik ima na raspolaganju. Dakle, u svakoj od cjelina učeniku će na raspolaganju biti drugi alat za istraživanje fizikalnih zakonitosti i problemskih situacija. Cjeline redom obuhvaćaju sljedeće:
- Mjerenje sa senzorima (Vernier), korištenje odgovarajućeg softvera (Logger) za prikaz i obradu podataka te izradu odgovarajućeg matematičkog modela
- Numeričko modeliranje fizikalnih pojava u Microsoft Excelu te izrada potrebnih dodataka za radni list u Visual Basicu
- Korištenje animacija iz alata EJS (Easy Java Simulation) prilikom rješavanja problema uz izrada jednostavnih animacija
- Izrada jednostavnih senzora korištenjem komponenti Arduino te pisanja odgovarajućeg programskog koda
I.
U prvoj cjelini učenici će osmišljavati i sastavljati eksperimentalne postave, izvoditi mjerenja, prikupljati mjerne podatke te provoditi analize istih. Mjerenja će se vršiti Vernier senzorima koji su specijalno dizajnirani za edukacijske svrhe. Uz spomenute senzore učenicima je na raspolaganju i pripadni softver koji omogućuje brzu i pouzdanu analizu prikupljenih podataka.
II.
Microsoft Excel je tablični kalkulator s nizom ugrađenih korisnih matematičkih i statističkih alata. Koristiti ćemo ga za matematičko modeliranje fizikalnih problema. Prilikom istraživanja nekog složenijeg problema, da bi se došlo do analitičkog rješenja, potrebno je puno vremena uz dobro poznavanje matematičkih alata. Stoga ćemo u ovoj cjelini pristupiti rješavanju složenijih problema (srednjoškolske razine) numerički. Svrha ove cjeline je da učenici svladaju osnove numeričkih tehnika rješavanja problema kroz stvarne fizikalne problemske zadatke. Primjerice numeričko integriranje, premda im je pojam integracije nepoznat u matematičkom smislu, puno će im intuitivnije biti svladati ga kroz konkretan fizikalni problem s kojim su se susreli u svakodnevnom životu.
III.
Korištenje računalnih simulacija, kako u obrazovanju, tako i u drugim područjima ljudske djelatnosti biva svakim danom sve važnije i raširenije. U današnje vrijeme gotovo da i nema naprednijeg kursa koji nema implementiranu računarsku komponentu. Stoga su u fokusu ove cjeline računalne simulacije fizikalnih procesa. Svrha ove cjeline je da učenici proučavaju prirodne fenomene kroz razvoj, primjenu i testiranje računalnih simulacija. Kako programiranje računalnih simulacija ne bi bilo prezahtjevno i vremenski iscrpno, učenici će se koristiti alatom Easy Java Simulations (EJS). Oni će kroz simulaciju vizualizirati problem, proučavati ponašanje fizikalnog sistema, pokušati predvidjeti ponašanje prilikom promjene nekog od parametara i unositi sitne promjene u programski kod kako bi podesili simulaciju na način koji se od njih traži. Kombinacija računalnog modeliranja s teorijskim znanjem i eksperimentom učeniku omogućuje dubinsko razumijevanje sadržaja koji je predmet istraživanja.
IV.
Arduino je open-source platforma za kreiranje elektroničkih prototipova bazirana na sklopovima i programskom paketu koji je fleksibilan i jednostavan za korištenje. Elektroničke i softverske komponente koje čine Arduino platformu mogu se jednostavno povezivati u složenije cjeline s ciljem izrade zabavnih i poučnih elektroničkih sklopova. Programski paket naziva IDE (Integrated Development Environment) pokrećemo na računalu i iz njega programiramo i upravljamo hardverom. Koristeći Arduino platformu učenici mogu sastaviti svoje vlastite mjerne uređaje, programirati njihove funkcije te njima vršiti mjerenja i prikupljati podatke za daljnju obradu. Na raspolaganju im je čitav niz senzora (senzor pokreta, svjetlosti, vlažnosti, napona, temperature, itd.) koje mogu spajati na upravljačku elektroničku pločicu. Ona je USB kablom spojena sa računalom što omogućuje programiranje njenih funkcija koristeći računalo.
Da bi učenik odradio projektni zadatak iz ove cjeline osim znanja fizike potrebne su mu vještine programiranja, manualna spretnost te osnove elektronike, dakle istraživački zadaci iz ove cjeline iznimno su interdisciplinarni.