Комп’ютерне моделювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одним із найбільш перспективних напрямків використання інформаційних технологій в навчальному курсі фізики є комп'ютерне моделювання фізичних явищ і процесів. Під комп'ютерним моделюванням автори розуміють комп'ютерні програми, що імітують фізичні досліди, явища або ідеалізовані модельні ситуації, що зустрічаються в фізичних задачах [14, 176]. фізика знання програмний учень

Комп'ютерні моделі дозволяють створити на екрані живу, динамічну картину фізичних дослідів або явищ, що відкриває для вчителя широкі можливості по удосконаленню уроків. Найбільший інтерес викликають комп'ютерні моделі, в яких можна керувати об'єктами на дисплеї комп'ютера, змінюючи величини числових параметрів, закладених в основі відповідної математичної моделі. Деякі моделі дозволяють одночасно з ходом експерименту спостерігати в динамічному режимі побудову графічних залежностей від часу, ряду фізичних величин, що описують даний експеримент. Подібні моделі є надзвичайно цінними, оскільки в учнів завжди виникають труднощі при побудові і читанні графіків.

Передумовою використання комп'ютерного моделювання у шкільному курсі фізики став розвиток обчислювальної фізики, де цей метод є основним методом дослідження, а також поширення комп'ютерної техніки і, як наслідок, орієнтація на її впровадження у навчальному процесі. Більшість учителів та методистів надають перевагу роботі з готовими моделями. Такий вид організації навчальної діяльності має очевидні переваги - можливість реалізації дидактичного принципу наочності, встановлення міжпредметних зв'язків, підвищення якості знань, створення позитивної мотивації, посилення інтересу учнів до предмету. Однак разом з цим він має і суттєві недоліки: оскільки не розкриваються механізми створення моделей, діяльність учнів носить переважно відтворюючий характер, до того ж «захоплення використанням готових моделей загрожує передчасним розривом зв'язку виучуваного явища з реальністю» [16, 16].

Комп'ютерні моделі легко вписуються в традиційний урок, дозволяючи вчителю продемонструвати більшість фізичних процесів, які, як правило, доводиться пояснювати “на пальцях”. Крім того, комп'ютерні моделі дозволяють вчителю організувати нові, нетрадиційні види навчальної діяльності.

Математичне та комп'ютерне моделювання вже внесли свій суттєвий внесок у такі науки, як фізика, астрономія, економіка, хімія та ін. Аналіз показує, що моделювання проходить три основні етапи: емпіричний - накопичення дослідних та описових даних; теоретичний - це якісний синтез і узагальнення емпіричних даних, математично-комп'ютерний - дослідження кількісних закономірностей, побудова математичних та комп'ютерних моделей.

Методична цінність навчальних комп'ютерних моделей з фізики значною мірою залежить від специфіки навчального матеріалу. Зокрема, Л.Р. Калапуша та В.П. Муляр [17, 172] наводять такі аргументи на користь використання комп'ютерних моделей:

1. Надзвичайно великі або дуже малі розміри установки чи системи, яку необхідно продемонструвати в класі (різні типи прискорювачів елементарних частинок, ядерний реактор, ядро атома тощо).

2. Дуже швидкий або досить повільний перебіг досліджуваних процесів (ланцюгова ядерна реакція, явище радіоактивності і т.д.).

3. Шкідливий вплив деяких явищ і процесів на організм людини (радіоактивні речовини, гамма-промені, рентгенівські промені).

4. Досить великі значення деяких параметрів системи (швидкість, тиск, температура).

5. Відносна складність окремих приладів і установок, висока їхня вартість.

Розвиток інформаційного суспільства потребує системного підходу до побудови та використання комп'ютерних моделей, як своєрідного засобу пізнання. В зв'язку з цим доцільно виділити історичні, філософські, психолого-педагогічні аспекти створення моделей різного типу, сформулювати основні вимоги до імітаційних моделей навчального призначення.

В широкому значенні під моделями можна розуміти як матеріальні, так і ідеальні об'єкти розумової діяльності людини. Джерела такої діяльності більш давні, ніж виникнення класового суспільства [15, 134].

З джерел, що дійшли до наших часів, слід відзначити вчення давньогрецького філософа Демокріта (460-370 р. до н.е.), в якому відображені певні модельні уявлення про атоми. Лукрецій Кар (99-55 р. до н.е.) в трактаті “Про природу речей” також описував частинки, з яких складаються тіла, з допомогою модельних уявлень. Поняття “модель” використовував римський інженер і архітектор Вітрувій в І ст. до н.е. Методом моделювання користувався Леонардо да Вінчі. В ХVІ ст. Гільбертом була побудована “магнітна” модель Землі в вигляді намагніченої кулі. В працях Г. Галілея і І. Ньютона були досліджені основи теорії подібності двох систем, розроблялись теорії моделювання рухів. Опирались в своїх дослідженнях на метод моделювання вчені Максвелл, Томпсон, Резерфорд, Бор, Лоренц, Юкава та ін

С.М. Коваленко, О.В. Король, В.А. Дяченко, О.Д. Стадник вважають, що процес побудови реальних комп'ютерних моделей умовно можна розділити на кілька етапів. Серед них одна з центральних ролей належить етапу мисленого, образного моделювання.

Метод моделювання застосовується як на емпіричному, так і на теоретичному рівнях дослідження. Як приклад, можна розглянути моделювання властивостей складних багатокомпонентних систем та розрахунок їх фізичних параметрів за допомогою ЕОМ. Зокрема, для розробки композиційних матеріалів з'явилась необхідність розрахунку властивостей створюваних матеріалів на основі властивостей вихідних компонентів, їх концентрації, геометричної форми, розташування і розміру.

Тому рядом авторів [15, 136] були виконані теоретичні розрахунки, направлені на встановлення кількісного взаємозв'язку між будовою і складом композицій, властивостями компонентів з одного боку, та властивостями композицій з іншого боку. Серед результатів таких розрахунків особливе місце займають формули узагальненої провідності, які охоплюють явища тепло-, електропровідності, дифузії, діелектричної та магнітної проникностей і т.д. Формули були одержані на основі модельних уявлень про структуру гетерогенних систем (неоднорідних багатокомпонентних матеріалів) та процеси переносу в таких системах. Серед формул найбільш поширеними є формули Ліхтенеккера, Максвелла, Оделевського та ін.

Значно спрощують такі обчислення спеціально створені комп'ютерні програми, які дозволяють розрахувати параметри гетерогенних систем за формулами узагальненої провідності та наочно демонструють, як змінюються властивості матеріалу при різних співвідношеннях компонентів, зміні структури.

Комп'ютерні моделі мають ряд переваг в порівняні з моделями інших видів. Вони можуть увібрати в себе більше аспектів реальності, забезпечують значну гнучкість при проведенні експериментів. У комп'ютерній імітаційній моделі є можливість уповільнювати чи прискорювати хід часу, стискати або розтягувати простір, виконувати дії небезпечні, дорогі чи просто неможливі в реальному світі. Для надання моделі більшої реальності можна доповнити її графічним зображенням, мультиплікацією і звуком, за бажанням ситуації можна повторювати чи змінювати [24, 207].

Досвід показує, що використання комп'ютерних моделей у навчальному процесі має великі перспективи. Вже зараз їх з успіхом використовують під час ознайомлення учнів з новим навчальним матеріалом, цікавими фактами, явищами та процесами, під час розв'язування задач, а також в ході проведення лабораторних досліджень.

Комп'ютер підвищує і стимулює інтерес до навчання, активізує мислену діяльність і ефективність засвоєння нового матеріалу, сприяє розвитку самостійності учнів.

При цьому комп'ютерні уроки потребують особливої підготовки. Потрібно чітко визначати мету, планувати кожен крок уроку, продумано поєднувати справжній і віртуальний експерименти.

Використання комп'ютерних моделей в освітньому процесі стає неминучим, оскільки універсальним буде тільки такий спосіб навчання, що пристосований до роботи для будь-яких форм організації навчального процесу (очної, заочної, дистанційної і т.п.). водночас застосування лабораторних робіт з комп'ютерними моделями в складі стаціонарного практикуму поряд з роботам, що використовують реальні експериментальні установки, дозволить істотно поліпшити якість навчання [19, 33].

Інтерактивне моделювання дає змогу демонструвати (робити доступними для спостереження) істотні властивості фізичних явищ та процесів, які зазвичай не піддаються прямому спостереженню або ж коли таке спостереження провести важко. Також воно дає змогу змінювати умови експерименту в широких межах, а тому виникає можливість з'ясовувати всі істотні особливості досліджуваних явищ. За наявності елементарних умінь користування комп'ютером, перед учнями відкриваються можливості для проведення власних досліджень.

Однак варто пам'ятати, що моделювання у жодному разі не замінить справжніх дослідів, а в сукупності з ними дає змогу пояснювати різні фізичні закономірності на більш високому рівні.

Бібліографія

1. Василинчук А. В. Поєднання фізичного й віртуального експерименту під час вивчення дифракції світла// Фізика та астрономія в школі. - 2005.- №5. - с. 36 - 39.

2. Сумський В. І. ЕОМ при вивченні фізики: Навч. посібник/ за ред. М. І. Шута. - К.: ІЗМН, 1997. - 184 с.

3. Головко М. В. Особливості та перспективи розвитку системи засобів компютерної підтримки шкільного курсу фізики// Комп'ютер у школі та сімї. - 2006.- №5. - с. 22 - 26.

4. Буйницька О. Використання інформаційних комунікативних технологій у шкільному курсі фізики// Фізика та астрономія в школі. - 2005.- №4. - с. 24 - 26.

5. Волинський В. Класифікація комп'ютерних пограмно-педагогічних засобів навчання// Фізика та астрономія в школі. - 2005. - №4. - с. 42 - 46.

Размещено на Allbest.ru