X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Классическая структура физики, как науки, состоит из экспериментальной и теоретической. Это находит свое отражение и в системе обучения в общеобразовательной школе и вузах. Традиционно лабораторные работы имеют одно из важнейших значений в системе обучения физике. В настоящее время классическая структура физики, как науки, дополняется физикой вычислительной, которая позволяет, используя современные компьютерные средства, проводить исследование математических моделей разнообразных физических явлений и процессов. Таким образом, становится очевидным, что в настоящее время компьютерное моделирование может быть использовано как особый вид лабораторных работ по физике. Опыт показывает, что наиболее эффективным при обучении физике оказывается сочетание реального физического эксперимента, в котором изучаются свойства реальных физических объектов, и компьютерного, виртуального эксперимента, в котором исследуются свойства не самих физических объектов, а их математических моделей.

Учебный физический эксперимент с использованием современных информационных технологий может быть организован различными способами. Это может быть демонстрационный эксперимент, основной задачей которого является визуализация реальных физических экспериментов. Это также может быть реальный физический эксперимент, который обеспечивает автоматизированный сбор и обработку полученных данных.

В данной работе приведены результаты анализа только одного аспекта проблемы, т.е. вопроса о целесообразности включить в систему обучения физике лабораторные работы, основной целью которых является компьютерное моделирование некоторых изучаемых физических явлений и процессов, а также разработка соответствующих дидактических материалов и их описание.

На изучение физики как учебной дисциплины в современных условиях отводится не так уж и много времени. Поэтому обоснование использования части учебного времени, отводимого на изучение дисциплины «Физика» в вузе, для выполнения лабораторных работ, связанных с компьютерным моделированием, представляется весьма непростой задачей.

Еще сложнее этот вопрос возникает при обучении физике в общеобразовательной школе. В тоже время, требования федерального государственного образовательного стандарта (ФГОС) к результатам обучения на уровне среднего общего образования при изучении физики на углубленном уровне, предусматривают, в том числе, «сформированность умения исследовать и анализировать разнообразные физические явления и свойства объектов …», «владение методами самостоятельного планирования и проведения физических экспериментов …» и некоторые другие, в достижении которых компьютерное моделирование физических процессов и явлений может иметь дополнительное, по отношению к традиционным методам обучения, значение.

Для решения поставленных в работе задач необходимо определиться с программными средствами, которые потребуется использовать. На современном рынке программного обеспечения для современной вычислительной техники имеется достаточное количество предложений как в плане решения соответствующих задач моделирования, так и по ценовым категориям. Практически все эти программные продукты требуют больших дополнительных затрат времени на их изучение и освоение. Поэтому, они являются практически неэффективными для массового использования в учебных целях для педагогического направления подготовки всех профилей, и тем более, в средней общеобразовательной школе. В связи с этим, для решения поставленных в работе задач предлагается использование стандартного программного обеспечения MS Office, которым является MS Excel.

Очевидно, что выбранное программное обеспечение для компьютерного моделирования физических процессов в учебных целях может быть использовано для решения далеко не всех задач учебного характера. Однако возможность самостоятельного конструирования математической модели и ее относительно простая компьютерная реализации является, по-видимому, весьма важным дидактическим преимуществом. Чем доступнее для освоения программное обеспечение, тем выше его дидактический потенциал в предметной области.

Хорошо известно, что для решения любой, даже достаточно простой физической задачи, необходимо построить ее математическую модель. Такое представление о порядке решения задачи позволяет частично избавиться от ошибочного подхода, когда осуществляется попытка решать задачу «по формулам». Компьютерное моделирование, частью которого является математическое моделирование, дает возможность получить положительный эффект в преодолении этого ошибочного понимания для решения задачи.

Для многих физических задач учебного характера, математическая модель выражается в виде одного или системы алгебраических уравнений. Для решения более сложных задач физики используется дифференциальное и интегральное исчисление. В результате построения математической модели получаются дифференциальные и интегральные уравнения или их системы.

В простейшем случае, математическая модель представляет собой алгебраическое уравнение, из которого можно аналитически выразить неизвестную величину и установить характер ее взаимосвязи с величинами, которые входят в условие задачи и которые можно назвать параметрами модели. Однако, если полученное таким образом выражение достаточно сложное, а требуется проанализировать зависимость найденной физической величины от параметров модели, то автоматизированный с помощью соответствующих программных средств расчет позволяет легко это сделать. Например, исследовать характер траектории движения тела, брошенного под углом к горизонту в зависимости от величины начальной скорости и угла броска по отношению к горизонту пренебрегая силами сопротивления движению. При выполнении этого задания представляется возможным самостоятельно получить вывод о том, что дальность полета будет максимальна при угле начальной скорости к горизонту равным 45⁰ не используя аналитическое решение задачи.

В задачах другого уровня аналитическое решение получить либо достаточно трудоемко, либо вообще невозможно. В этих случаях численное решение представляется единственно возможным вариантом получения необходимой информации о свойствах изучаемой системы. При использовании компьютерного моделирования возникает очень важная возможность не использовать аналитические методы решения дифференциальных уравнений или их систем, которые выражают математическую модель поведения физических объектов. Например, если в задаче о движении тела, брошенного под углом к горизонту, учесть наличие сил сопротивления движению, то характеристики движения изменяются в зависимости от сил сопротивления движению. В ряде случаев получить аналитическое решение такой задачи можно только с помощью специальных методов решения дифференциальных уравнений. При компьютерном моделировании решения задач учебного характера, как правило, не требуется высокой точности вычислений. Иногда важно понять качественные характеристики явления и предсказать результат его эволюции.

В результате проведенной работы было разработано десять лабораторных работ из различных разделов учебного материала физики: классическая механика, молекулярная (статистическая) физика, электродинамика и оптика. Как показал опыт, применение разработанного дидактического материала в сочетании с реальным физическим экспериментом позволяет как минимум на 30% увеличить дидактический потенциал обучения физике по соответствующим разделам.

Код для цитирования: Скопировать