Соломатова М.В.
Хакасский государственный университет, г.Абакан
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРЕПОДАВАНИИ ФИЗИКИ
Аннотация
Данная статья посвящена компьютерному моделированию в преподавании физике. Рассмотрены основные формы учебного компьютерного моделирования и их достоинства и недостатки. Приведены примеры и описание программных продуктов, ориентированных на моделирование физических процессов в образовании
Ключевые слова: компьютерное моделирование, преподавание физики, моделирующие программы, формы учебного компьютерного моделирования.
Keywords: computer simulations, teaching of physics, simulation programs, forms of educational computer simulations.
Моделирование давно используется во многих предметных областях, является универсальным инструментом науки и техники. Современный этап развития общества характеризуется широким внедрением компьютерной техники, поэтому сейчас моделирование во многих случаях представляет собой компьютерное моделирование. Это обуславливает актуальность компьютерного моделирования в целом, в частности и для образования. Кроме того, изучение различных аспектов компьютерного моделирования существенно расширяет представления учащихся об информационных технологиях, современной науке и технике.
Компьютерное моделирование способствует выработке у учащихся последовательного мышления, формированию навыков исследовательской деятельности и активизации познавательной деятельности, которые занимает важное место при обучении физики.
Компьютерное моделирование, как инструмент обучения, может оказаться эффективным средством для изучения основ физики и физических процессов, путем повышения наглядности и интерактивности процесса обучения. Однако, часть существующих программ недостаточно приспособлена для образовательных целей. Так, например, либо учителю физики необходимо адаптироваться под данные программы при построении урока, либо функции программ ограничены для полноценного применения их для моделировании физических процессов.
Одним из главных достоинств моделирующих программ является возможность проведения исследований, которые в школьной лаборатории опасно или вообще невозможно воспроизвести. В содержании физического школьного образования есть ряд разделов, натурный эксперимент в которых лишь качественно описывает изучаемое явление или процесс.
Применение компьютерных моделей позволило бы провести и количественный анализ данных объектов [1]. Но компьютерное моделирование представлено небольшим количеством программ вообще и в частности тех, которые моделируют физические процессы, обычно, данные программы уже предлагают готовый эксперимент, за ходом, которого мы можем только наблюдать. Однако, возможно адаптировать существующие программные средства в компьютерном моделировании для образовательных целей.
Так же существенным является то, что понимание реального физического процесса происходит гораздо эффективнее, если исследователь (или обучаемый) может построить его простую математическую модель, которая отвечает фундаментальным законам. Случается, что даже для простых математических моделей нет точного аналитического решения, в данной ситуации, на помощь приходят численные методы, которые позволяют понять свойства предложенной математической модели исследуемого явления. Кроме того, это позволяет сделать какие-либо выводы о соответствии данной модели реальной действительности, и о понимании обучаемым данного явления. А правильность представлений о изучаемом явлении возможно проверить используя компьютерное моделирования и методы вычислительного эксперимента на компьютере [1].
Работы, затрагивающие тему компьютерного моделирования выделяют в практике три основные формы моделирования с использованием средств компьютерных технологий: использование готовых моделей, построение моделей с помощью моделирующих сред и создание моделей средствами программирования [2].
Набольший интерес по мнению автора вызывает построение моделей с помощью моделирующих сред. Главным достоинством такой формы является возможность создавать на экране компьютера модели различных физических явлений. Для создания же моделей средствами программирования требуются достаточные навыки владения в этой области как от учеников, так и от преподавателя. Однако, следует отметить, что это наиболее мощный инструмент для компьютерного моделирования. Работа с готовыми моделями наиболее проста и не требует много времени в использовании, но также имеет также некоторые трудности. Такие модели, обычно, имеют ограничения в изменении значений параметров, что, конечно, снижает возможность изучения явления с разных аспектов.
Самостоятельное создание моделей возможно как с помощью специальных программных продуктов ориентированных на моделирование физических процессов, так и с помощью инструментальных программных комплексов визуального моделирования. С помощью создаваемых самостоятельно моделей ученики изучают новый материал. Первые модели могут совсем простыми, а потом, по мере знакомства с возможностями программы, модели постепенно усложняются, но все равно остаются доступными для учащихся и быстро создаваемыми. В созданных самостоятельно моделях учащиеся лучше ориентируются, постоянное обновление способствует поддержанию интереса к работе в компьютерном классе.
Затем, после изучения возможностей программы учащимся можно задать только характер явления, которое должно быть смоделировано.
К сожалению, количество таких программных продуктов ориентированных моделирование физических процессов в образовании не велико. Наиболее известные из них это УМК «Живая физика», «Виртуальная физика», «Сборка», виртуальная online-лаборатория «Физикона», программный комплекс Yenka. Представленные программы имеют свои особенности. Так например, программный комплекс «Живая Физика» («Interactive Physics»-«Knowledge Revolution», США) ориентирован на изучение движения в гравитационном, электростатическом, магнитном или любых других полях, а также движения, вызванного всевозможными видами взаимодействия объектов.
Графика в данной программе является двумерной, а для создания моделей не требуется знаний в программировании. В электронном учебном пособим «Виртуальная физика» имеются конструкторы моделей, модельные демонстрации, лабораторные работы. Среда позволяет решать широкий спектр физических задач методом их визуального моделирования, но для самостоятельной разработки методических материалов необходим программный комплекс Stratum и изучение технологии разработки моделей в его среде.
Программные комплексы визуального моделирования позволяют создавать модели без использования ручного написания кода. Кроме того данные комплексы дают возможность наглядно представлять результаты моделирования, варьировать значения параметров исследуемой модели, что способствует концентрировать внимание на модельном эксперименте. Последнее является для образования особенно ценным [3].
К программным комплексам визуального моделирования относят следующие продукты: Model Vision Studium, Matlab Simulink, VisSim, Scilab Xcos и др. Очевидно, что работа в этих программах сложнее, чем в специализированных программах для обучения, требуются определенные навыки владения программой при моделировании данными программами. Однако, их применение возможно в тех случаях, когда обучаемы хорошо владеет предметной областью, в частности физикой, имеет представление о физических процессах и явлениях, и для него не так важны красочные образы при изучении нового материала и исследовании физического явления. Применять такого рода программы можно на факультативных занятиях по физики или в профильных классах. Наибольшее применение в преподавании поучили продукты MVS, Xcos и Simulink. Одной из основных причин является наличие бесплатных версий программ для образовательных целей.
Несмотря на многие положительные аспекты, вопрос о применении компьютерного моделирования в преподавании физики вызывает некоторые трудности. С одной стороны, компьютерные тренажеры и имитаторы играют весомую роль при подготовке к сложным реальным экспериментам. С другой стороны некоторые педагоги опасаются, что его применение в преподавании может вытеснить реальные эксперименты и физические лабораторные. Конечно, этого ни в коем случае не следует допускать. Однако, использование компьютерной модели для увеличения наглядности эксперимента, его интерактивности, при возможности, не исключая реальные физические эксперименты, даст положительный эффект для обучаемого.
Литература:
- Бутиков, Е.И. Компьютерное моделирование в преподавании физики / Е. И.Бутиков // Телематика 2003: Труды Х Всероссийской научно-методической конференции. СПб, 2003. С. 365-366.
- Еремин, С.В. Учебное компьютерное моделирование в школьном курсе физики / С.В. Еремин. -Шуя: Научный поиск 2012.- №4.4- С. 62-64.
- Королев, А.Л. Компьютерное моделирование в преподавании физике / сборник материалов научно- практической конференции. Ч. 1. // отв. ред. А.А. Богуславский. – Коломна: Московский государственный областной социально-гуманитарный институт, 2010. – C.181-187.
- Умарова Л.Х. Использование комплекса упражнений по физике, основанных на компьютерном модельном эксперименте: Дисс. канд. пед. наук: 13.00.02. /Л.Х. Умарова. – М., 2005. – 161 с