Использование Scilab для создания виртуальных лабораторных работ по курсу общей физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирский государственный университет путей сообщения

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ SCILAB ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Сухарев Евгений Михайлович

кандидат технических наук, доцент кафедры физики

Лабораторные работы - составная часть любого курса физики, без них трудно представить понимание основных законов, их характера и прикладной значимости. Физика - наука экспериментальная, изучение основ постановки и анализа эксперимента формирует основные базовые компетенции исследователя, инженера и менеджера производства. С другой стороны, компьютерное моделирование становится все боле важным в современной физике и технике. Кроме того, резко и постоянно возрастающая информатизация общества обуславливает информатизацию образования. Поэтому, наряду с традиционными лабораторными работами, большую роль в обучении роль начинают играть так называемые виртуальные работы, основанные на компьютерных моделях физических процессов. Важным фактором при изучении любой дисциплины является возможность самостоятельно планировать учебный процесс, степень личного участия в выполнении различных заданий. В вузах, как правило, лабораторные работы выполняются группами по два-три человека. При этом очевидно, что кто-то из студентов может принимать лишь пассивное участие. Степень полезности такой работы весьма сомнительна. Но так было всегда и надеяться на улучшение вряд ли возможно. В лучших вузах студент осуществляет все измерения и расчёты самостоятельно, но при этом резко возрастает стоимость подготовки специалиста.

Применение компьютеров для изучения физики достаточно давно и активно обсуждается в литературе как составная компьютеризации обучения физике, так и как средство лабораторно-компьютерного практикума. Например, в [1,2] отмечается важность и эффективность компьютерных практикумов и тренингов с целью выработки различных знаний и умений, овладения нужными компетенциями. Различные авторы для лабораторных работ предлагают использовать готовые модели или модели создаются в процессе выполнения. Существует целый ряд удачных пособий для студентов-физиков и продвинутых школьников, таких как [3,4], которые могли бы стать основой для комплекта виртуальных лабораторных работ, рассчитанных на два или даже три учебных семестра. На данный момент отсутствует удобное и достаточно глубокое методическое обеспечение с ориентацией на применение именно для изучения курса общей физики в технических вузах с малым количеством часов отводимых на дисциплину.

Автором в течение 2016 года были предложены лабораторные работы по курсу общей физике для студентов Сибирского государственного университета путей сообщения, факультет «Управление процессами перевозок”. Темы лабораторных работ: “Движение в поле тяжести”, “Электрическое поле линейной системы зарядов”. Работы предлагались в двух вариантах: полностью готовая модель, которую можно запустить, а результаты проанализировать и сравнить с теорией, а также программа с открытым исходным кодом, который можно менять для изменения параметров модели. Оба варианта можно было выполнять как во время занятий, так и дома. Студентам предлагался готовый вариант программы в Scilab, в минимальном варианте им нужно было только получить результат работы и проанализировать его. В расширенном варианте студенты могли менять часть файла программы, задавая другие начальные параметры или внешние условия. Часто это приводило к тому, что решалась задача из формально другого раздела вузовского курса физики (например, от движения в поле тяжести легко переходили к затухающим колебаниям).

В первой работе моделируется движение тела с начальной скоростью в поле тяжести Земли, траектория тела рассчитывалась как решение дифференциальных уравнений, составленных на основе второго закона Ньютона. Уравнения решались с помощью стандартных процедур Scilab. В итоге получали зависимость координат и скорости от времени, затем, также с помощью стандартных функций Scilab строились графики зависимостей координат скоростей от времени. Полученные графики сравнивались с теми, которые можно построить, исходя из уравнений кинематики. Сравнивая графики, студент может оценить, какую роль играют погрешности, вычислений, шаг дискретизации при решении систем уравнений численными методами на очень простом примере. При защите отчета лабораторной работы предлагалось, в частности, изменить код программы, чтобы можно было учесть внутреннее трение среды, а в продолжение этого - написать основу для лабораторной работы по моделированию движения тела в жидкости. На основе этой работы был также осуществлен студенческий научный проект по изучению возможностей системы Scilab применительно к курсу физики для специальностей с малым числом аудиторных занятий, проанализировано отношение студентов к работам такого типа, результаты опубликованы в [5]. Как показал опыт, работа над такого рода проектами сама по себе может стать составляющей освоения курса физики в качестве альтернативы традиционным учебным занятиям и в дополнение к ним, активизируя интерес студентов и школьников к освоению новых знаний и умений. математический виртуальный лабораторный учебный

Вторая лабораторная работа моделировала электрическое поле системы зарядов, расположенных на одной прямой. Напряженность каждого заряда вычислялась на основе формулы напряжённости точечного заряда, которая является следствием закона Кулона. Суммарная напряжённость вычислялась по принципу суперпозиции. Программа строила графики зависимости напряженности от координат на плоскости. С помощью встроенных функций строились каркасные графики с раскраской. Меняя количество зарядов, величину зарядов и расстояние до точки в которой проводятся вычисления, можно существенным образом влиять на конечный результат. При одних соотношениях указанных величин картина поля близка к той, которая получается при вычислении поля нити, при других очень похожа на поле точечного заряда или других систем, для которых известно решение. Например, если заряда всего два - это поле диполя. Однако, если расстояние до них намного больше, чем расстояние между ними, то график напряжённости похож на график напряжённости, которое создаётся одним зарядом, равным сумме этих двух. Компьютерная модель позволяет быстро увидеть это, потратив существенно больше времени на анализ данного факта чем на сами вычисления. Чуть-чуть изменив программу, студент может исследовать другие модели, что также повышает степень активности и самостоятельности.

Конечно, виртуальные лабораторные работы должны занимать существенно меньшее учебное время, чем реальные, их нужно использовать как часть учебных комплексов, наряду с лекциями, решением задач, лабораторными работами. Их внедрение повышает интерес к обучению, усиливает возможность реализации индивидуального подхода, активизирует познавательную деятельность, помогает в получении исследовательских компетенций.

Использование именно Scilab предпочтительно в силу ряда факторов. Эта система бесплатна, свободно распространяется, основы работы в ней изучаются достаточно быстро студентами с разным уровнем подготовки. Scilab вполне может быть рекомендован для широкого применения при обучении физике студентов технических и управленческих специальностей.

Библиографический список

1. Самойленко П.И. Теория и методика обучения физике : учеб. пособие для студ. вузов. - М. : Дрофа, 2010. - 333 с.

2. Кондратьев А.С., Лаптев В.В. Физика и компьютер. - Л.:, ЛГУ, 1989. - 328 с.

3. Бурсиан Э.В. Физика. 100 задач для решения на компьютере : учеб. пособие. - СПб.:-ИД “МиМ”, 1997. - 256 c.

4. Поршнев С.В. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB - М.: - Лань, 2011. -736 c.

5. Заболоцкая К.А., Сухарев Е.М. Применение системы Scilab для создания виртуальных лабораторных работ по курсу общей физики. //Дни Науки 2016: тезисы докл. докладов университетской конференции СГУПСа (итоги научной работы студентов за 2015/2016 учебный год), ч 1. Технические науки. .- Издательство СГУПС, Новосибирск, 2016. - С.29-30.

Аннотация

Статья посвящена анализу возможности применения пакета прикладных математических программ Scilab для создания виртуальных лабораторных работ по курсу общей физики с целью повышения уровня заинтересованности, учебной активности, совершенствования профессиональной подготовки инженерных кадров. Сделан вывод о целесообразности внедрения системы виртуальных работ в учебном процессе для студентов технических специальностей.

Ключевые слова: виртуальные лабораторные работы, индивидуальный подход, кинематика, Моделирование, общая физика, технические специальности, электрическое поле

The paper contemplates using of Scilab numerical computational package for the education process in order to increase the educational activities, improving the teaching of engineers. Author deduced the feasibility of implementing the system of virtual work in the educational process for students of a technical specialties.

Keywords: general physics, individual approach, kinematics, laboratory works, modeling, Scilab, technical specialties

Размещено на Allbest.ru