ФОРМИРОВАНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО МЫШЛЕНИЯ НА УРОКАХ ФИЗИКИ ЧЕРЕЗ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ С АЛГОРИТМИЗАЦИЕЙ

Аннотация. В статье рассматриваются возможности и практические аспекты формирования вычислительного мышления у учащихся средней и старшей школы в рамках уроков физики. Основное внимание уделяется методике решения физических задач через их алгоритмизацию, что позволяет не только глубже усваивать предметное содержание, но и развивать ключевые компетенции XXI века: декомпозицию, абстракцию, логику и алгоритмическое моделирование процессов.

Abstract. The article discusses the possibilities and practical aspects of developing computational thinking among secondary and high school students in the context of physics lessons. The main focus is on the methodology of solving physical problems through their algorithmization, which not only allows for a deeper understanding of the subject matter, but also develops key competencies of the 21st century, such as decomposition, abstraction, logic, and algorithmic modeling of processes.

Ключевые слова: вычислительное мышление, алгоритмизация, физика, решение задач, образовательные технологии, межпредметные связи.

Keywords: computational thinking, algorithmization, physics, problem solving, educational technologies, and interdisciplinary connections.

Современный мир характеризуется стремительной цифровизацией и возрастающей ролью информационных технологий во всех сферах жизни. Ответом системы образования на этот вызов стало внедрение концепции вычислительного мышления - мыслительного процесса, направленного на решение сложных проблем методами, присущими компьютерной науке, но применимыми к любой дисциплине. Его ключевые компоненты: декомпозиция, распознавание паттернов и алгоритмизация.

Физика как наука о фундаментальных законах природы является идеальной платформой для развития этих навыков. Решение любой нетривиальной физической задачи по своей сути есть процесс вычислительного мышления: от анализа условия и выявления физической модели до составления системы уравнений и её решения. Целенаправленное использование алгоритмизации делает этот процесс осознанным, структурированным и переносимым на широкий класс проблем.

Вычислительное мышление на уроках физики – это не про программирование на языке Python или Pascal (хотя это может быть следующим этапом), а про особый подход к анализу и решению проблем.

Декомпозиция применительно к физике: Ученик учится видеть сложную систему (например, электрическую цепь с несколькими резисторами, конденсаторами и ЭДС) как совокупность простых элементов (узлы, контуры, участки), анализировать которые можно по отдельности, используя известные законы (Ома, Кирхгофа).

Абстрагирование и распознавание паттернов: это основа построения физической модели. Ученик отвлекается от несущественных деталей задачи («стержень однородный, шероховатый, синего цвета») и выделяет главное: материальная точка, абсолютно твёрдое тело, идеальный газ, гармонические колебания. Распознавание паттерна («задача о равноускоренном движении», «задача на закон сохранения энергии») позволяет применить стандартный набор инструментов. Алгоритмизация: Ключевой этап. Это формализация решения в виде четкой последовательности шагов, применимой к целому классу задач. Алгоритм может быть представлен в виде блок-схемы, текстовой инструкции или таблицы.

Алгоритмизация трансформирует стихийный поиск решения в управляемый процесс. Можно выделить следующие этапы для ученика:

1. Анализ условия и декомпозиция: что дано? Что нужно найти? Сколько тел или процессов рассматривается? Как они связаны?
2. Выбор и построение модели (абстрагирование): какими идеализациями мы пользуемся? Какой паттерн (тип задачи) мы видим? Рисуем схему, график, рисунок.
3. Выбор законов и формул: какие фундаментальные законы (Ньютона, сохранения, термодинамики) здесь работают? Записываем их в общем виде.
4. Составление алгоритма решения: записать исходные уравнения (законы) для выделенных объектов/процессов; спроецировать векторные уравнения на выбранные оси (если необходимо); учесть кинематические и другие связи между величинами; получить замкнутую систему уравнений относительно искомых величин; решить систему в общем виде (выразить искомую величину буквенно); подставить численные значения с единицами измерения и выполнить расчёт; проанализировать ответ на правдоподобность (размерность, порядок величины).
5. Реализация алгоритма: Выполнение конкретных вычислений по составленному плану.
6. Рефлексия: можно ли решить задачу проще? Где в алгоритме была ключевая сложность? К каким ещё задачам применим этот алгоритм?

Практические примеры алгоритмизации.

Динамика. Движение связанных тел по горизонтальной поверхности и через блок.

Алгоритм становится мощным инструментом:

1. Декомпозиция: выделить каждое тело, указать все силы, действующие на него.
2. Абстрагирование: невесомость и нерастяжимость нити, идеальный блок, наличие или отсутствие трения.
3. Для каждого тела записать второй закон Ньютона в векторной форме.
4. Выбрать направление осей координат для каждого тела (согласовав направления возможных движений).
5. Спроецировать векторные уравнения на оси.
6. Добавить кинематическую связь (ускорения тел равны по модулю, если нить нерастяжима).
7. Решить полученную систему линейных уравнений относительно ускорения и силы натяжения нити.

Ученик видит, что задача о двух телах решается по тому же плану, что и о одном, просто шагов больше.

Алгоритмизация естественным образом подводит к использованию цифровых инструментов:

• Визуализация алгоритма в виде блок-схемы.
• Решение общего уравнения, полученного на последнем шаге алгоритма, с помощью компьютерной алгебры для анализа функциональных зависимостей.
• Написание простой программы-скрипта на языке Python для расчёта ответа при различных входных параметрах. Например, программа, рассчитывающая дальность полёта снаряда в зависимости от угла и скорости.

Педагогические преимущества и выводы

Внедрение методики алгоритмизации решения задач на уроках физики даёт значимые образовательные результаты:

1. Повышение успеваемости и уверенности: учащиеся получают понятный и воспроизводимый инструмент, который снижает тревожность перед сложными задачами.
2. Развитие метапредметных навыков: формируются универсальные умения по анализу проблем, структурированию информации, логическому мышлению.
3. Углубление понимания физики: акцент смещается с механического заучивания формул на понимание взаимосвязей и структуры физических законов.
4. Формирование цифровой грамотности: создаётся фундамент для изучения информатики, программирования и работы с данными.
5. Профориентация: Учащиеся получают опыт, напрямую востребованный в инженерных, исследовательских и IT-профессиях.

Таким образом, целенаправленное формирование вычислительного мышления через алгоритмизацию решения задач на уроках физики является эффективным ответом на вызовы современного образования. Эта методика не требует коренной перестройки курса, но предполагает смещение акцентов в деятельности учителя: с трансляции готовых решений на организацию процесса их самостоятельного «открытия» и структурирования учениками. В результате физика становится не только наукой о природе, но и мощным тренажёром для развития мышления, необходимого человеку в цифровую эпоху. Умение разбить проблему на шаги, создать алгоритм и критически оценить результат становится таким же важным образовательным итогом, как и знание законов Ньютона или Максвелла.