Arkusz kalkulacyjny w nauczaniu fizyki i nie tylko…

Poniższy artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Edusfera” wydawanym przez Ośrodek Doskonalenia Nauczycieli w Kaliszu.

Współczesne nauczanie w coraz większym stopniu opiera się na wykorzystaniu rozwiązań z zakresu technologii IT. Ma to na celu nie tylko usprawnienie pracy, ale także, a może przede wszystkim, uczynienie lekcji bardziej interesującą dla uczniów. Poniższy artykuł przedstawia propozycje zastosowania w tym celu arkusza kalkulacyjnego na lekcjach fizyki.

Pierwsze arkusze kalkulacyjne pojawiły się w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia jako idea mająca na celu usprawnienie obliczeń stosowanych w księgowości. Przez sześćdziesiąt lat, które upłynęły do dziś, arkusze kalkulacyjne stały się nieodzownym narzędziem pracy nie tylko księgowego, ale też inżyniera, matematyka, fizyka, chemika. W zasadzie stosowane są  w każdej dziedzinie działalności człowieka, która wymaga nawet prostych obliczeń. Wraz z rozwojem technologii komputerowej z oprogramowania stricte obliczeniowego arkusze stały się narzędziem wizualizacji danych – w postaci diagramów, wykresów a rosnące moce obliczeniowe komputerów umożliwiły ich zastosowanie w numerycznym rozwiązywaniu problemów, a także tworzeniu symulacji. Arkusz jest narzędziem stosunkowo łatwym w wykorzystaniu, ponieważ – przynajmniej w większości prostszych zastosowań – nie wymaga znajomości języków programowania i dopiero w zakresie zaawansowanym koniecznym staje się ich użycie (np. języka VBA w przypadku arkusza MS Excel).

W ofercie handlowej jest wiele pakietów oprogramowania realizującego funkcje arkusza kalkulacyjnego. Najpopularniejszym z nich jest oczywiście Microsoft Excel dostępny w wersji zarówno dla systemu MS Windows, jak i macOS. Użytkownicy Mac’ów mogą wykorzystać arkusz Numbers z pakietu iWork. Również w kategorii freeware, czyli oprogramowania darmowego znajdziemy sporo ciekawych propozycji. Powszechnie używaną opcją są, dostępne w wersji przeglądarkowej, Arkusze Google. Jeśli chcemy korzystać z darmowej wersji oprogramowania instalowanego lokalnie na komputerze, to najciekawszą chyba opcją jest pakiet LibreOffice, a w nim arkusz Calc.

Jakie zastosowania może znaleźć arkusz kalkulacyjny w pracy nauczyciela?

Nasza praca obfituje w sytuacje, w których korzystne byłoby usprawnienie gromadzenia i dostępu do danych. Jednym z obszarów zastosowań arkusza jest więc sama organizacja pracy. Wykorzystując arkusze kalkulacyjne, można tworzyć proste bazy danych zaopatrzone w filtry, które na przykład znakomicie ułatwiają zapanowanie nad terminarzem realizowanych na lekcjach sprawdzianów. Korzystając z takiego arkusza, możemy sprawnie monitorować zarówno sam kalendarz przeprowadzania testów, jak i terminowość ich poprawiania. Innym elementem tego obszaru jest autokontrola realizacji podstawy programowej. Przetworzona na arkusz część podstawy zawierająca szczegółowe wymagania z dodaną odpowiednią filtracją danych znacznie ułatwia proces planowania procesu dydaktycznego i monitorowania stopnia jego realizacji. Kolejnym zastosowaniem arkusza jest wspomaganie procesu wystawiania ocen. W swojej pracy stosuję system oceny punktowej efektów nauczania. Odpowiedni arkusz pozwala mi na sprawną obsługę dużej ilości informacji związanych z tym zagadnieniem.

Drugim, równie ważnym obszarem zastosowań arkusza  kalkulacyjnego, który chciałbym omówić bardziej szczegółowo, jest sama dydaktyka. W swojej pracy bardzo często wspomagam się w toku lekcji mniej lub bardziej skomplikowanymi arkuszami, które umożliwiają mi atrakcyjne zilustrowanie omawianego zagadnienia. Prostym przykładem jest arkusz, który ułatwia mi dyskusję na temat oporu właściwego różnych metali i jego wpływu na opór wykonanego z nich drutu. Zmiana któregokolwiek z parametrów – długości, promienia przekroju poprzecznego czy materiału, z którego wykonano drut, powoduje automatyczne obliczenie wartości oporu. Możemy na przykład sprawnie przedyskutować, jak duży wpływ na opór przewodu sieci energetycznej łączącej elektrownię odległą od odbiorcy o 300 km, będzie miał jego przekrój. Odpowiedzieć na pytanie, czy należy uwzględniać opór przewodów w obliczeniach dotyczących szkolnych obwodów elektrycznych.

Szersze zastosowanie mają arkusze nazywane przeze mnie „automatami do tworzenia zadań”, z których kilka umieściłem na prowadzonym przez siebie blogu fizykaokiempraktyka.com.

Pierwszy przykład to automat „Obwody elektryczne”.  

Arkusz ten oblicza wszystkie parametry siedmiu przykładów obwodów. Począwszy od szeregowego połączenia trzech odbiorników, a skończywszy na bardziej skomplikowanym mieszanym połączeniu pięciu odbiorników. Automat można wykorzystać na lekcji w formie interaktywnego ćwiczenia. Jeśli zmienimy, którykolwiek z zadanych parametrów obwodu, wszystkie wyniki zostaną również przeliczone. Można skopiować zawartość ekranu i wysłać uczniom zadanie do samodzielnego policzenia. Zaletą arkusza jest to, że możemy dowolnie zmieniać dane bez konieczności żmudnego przeliczania zadania ponownie w celu podania uczniom wyników.

Drugim przykładem jest „Model Bohra atomu wodoru”.

Arkusz ten przyda się zarówno w toku lekcji, gdy dyskutujemy z uczniami nad ideą kwantyzacji poziomów energetycznych, jak i ułatwi tworzenie zadań zlecanych uczniom. Również i tu, podobnie jak w poprzednim przypadku, po zmianie istotnych parametrów – wartości głównych liczb kwantowych poziomów energetycznych, pomiędzy którymi przeskakuje elektron, następuje automatyczne przeliczenie pozostałych wartości.

Wielką zaletą arkuszy kalkulacyjnych jest łatwość wizualizacji danych. Na lekcjach fizyki bardzo często posługujemy się wykresami różnych zależności. Jednym z istotnych założeń podstawy programowej jest opanowanie przez uczniów umiejętności analizy przedstawianej przez wykres zależności, a także wykorzystania wykresów jako źródeł danych. Wymaga to wykonania dużej ilości ćwiczeń i tu z pomocą przychodzi ponownie arkusz kalkulacyjny. Przykładem niech będzie „automat” dotyczący rzutu poziomego.

Powyższy zrzut ekranowy zawiera miniatury wszystkich wykresów, które oferuje ten arkusz. Wystarczy zmienić parametry wielkości wyróżnionych zielonym tłem, a wszystkie wykresy dopasowują się do nowych „realiów”. W dolnej części grafiki przedstawione są kolejne arkusze tego skoroszytu, w których znaleźć można „pełnowymiarowe” wykresy gotowe do wyświetlenia na ekranie rzutnika lub do skopiowania do tworzonej karty pracy.

Inny arkusz – „Efekt Dopplera” – wykorzystuję zarówno jako pomoc ułatwiającą uczniom samo wyobrażenie sobie zagęszczających i rozrzedzających się (w zależności od punktu obserwacji) powierzchni falowych emitowanych przez ruchome źródło fali, a także jako generator wykresów do zadań. Zmiana parametrów zjawiska zmienia zarówno wykres, jak i grafikę ilustrującą powierzchnie falowe.

Idąc o krok dalej, można pokusić się o faktyczny generator kart pracy. Przykładem takiego arkusza jest w moich narzędziach arkusz „Fale mechaniczne”.

Poza generowaniem wykresów i obliczaniem długości fali i jej częstotliwości arkusz tworzy kartę pracy zawierającą dwa wykresy – wychylenia od czasu i wychylenia od położenia. Zadaniem ucznia jest odczytanie z wykresów amplitudy i długości oraz policzenie częstotliwości i szybkości tej fali. Karta pracy zawiera również odpowiedzi do zadań. Co prawda treść każdego wygenerowanego zadania będzie taka sama, ale możemy dowolnie zmieniać cechy analizowanej fali i tworzyć dowolną liczbę ćwiczeń.

Powyższe przykłady to oczywiście tylko niewielka próbka możliwości, jakie oferuje arkusz kalkulacyjny. Uniwersalność i elastyczność funkcjonalności tego narzędzia pozwala na prawie nieograniczoną kreatywność ze strony nauczyciela. Mam nadzieję, że lektura tego krótkiego artykułu zachęciła czytelnika do własnych eksperymentów.