Prezentace Mgr. Zdeňka Pucholta na semináři.

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

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

3. Zařazení simulací…

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

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

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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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).

11. 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),…

12. Případ #1
BĚŽNÁ
VÝUKA
PRÁCE VE
SKUPINÁCH

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

14. Případ #1

15. Případ #1

16. Případ #1

17. 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).

18. 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

19. Případ #2

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

21. Případ #2 – KS

22. Případ #2 – ES

23. 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

24. 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)

25. 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

26. GRAPHysics