Использование компьютерных моделей в курсе физики

Е.А. Дайнеко, В.Г. Дмитриев, Е.В.Чайко, М.Т. Ипалакова, М.М. Маратов

1,2 Е.А. Дайнеко, ¹В.Г. Дмитриев, ¹Е.В.Чайко, ¹М.Т. Ипалакова,

1М.М. Маратов

Использование компьютерных моделей в курсе физики

( ¹ Международный университет информационных технологий, г.Алматы, Казахстан ) (² Институт прикладных наук и информационных технологий, г.Алматы, Казахстан )

Статья посвящена технологии применения компьютерных моделей в курсе физики. Рассмотрены возможности использования компьютерных моделей при разработке виртуальных компьютерных лабораторий. Показано, что использование компьютерных моделей обладает универсальностью в применении к физике и дает основание для рекомендации максимально широкого внедрения виртуальных компьютерных лабораторных работ в реальном учебном процессе в контексте разнообразия и оптимизации форм обучения, направленных на улучшение качества высшего образования.

Введение

Физика (от греч.‘Physis’— природа )- наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие этого физика и ее законы лежат в основе всего естествознания. Физика является наукой экспериментальной. Это значит, что все физическое знание получено опытным путем. Обобщением эксперимента является теория, которая строится с применением моделей, т.е. идеализированных образов изучаемых явлений.

В основу множества физических теорий легли математические модели. Во второй половине XX века развивались такие методы компьютерного моделирования, как динамический, статический и метод Монте-Карло, которые позволили реализовать вычислительный или компьютерный эксперимент, представляющий собой изучение поведения вполне реальной модели изучаемой модели при различных условиях [1]. В результате хорошей реалистичности используемых моделей компьютерный эксперимент в настоящее время успешно применяется в различных областях физики, например в физике плазмы, физике конденсированного состояния и ядерной физике, и позволяет получать достоверные результаты.

Появление доступных компьютеров с большим быстродействием, объемом памяти, и следовательно с хорошими графическими возможностями, способствовало все более широкому применению электронных моделей в образовании. Например, компьютерное моделирование позволяет более подробно и наглядно изучать такие физические процессы, как движение заряженных частиц, создающих электрический ток, принцип работы p-n- перехода,доплеровское уширение спектральных линий, изучение движения планет в поле тяготения центрального тела, различные молекулярно-кинетические и термодинамические процессы, изобразить фазовые переходы. Кроме того, можно моделировать работы, связанные с опасностью (радиоактивные материалы), а также работы, не имеющие материального обеспечения.

В дальнейшем, компьютерное моделирование привело к появлению таких новых автоматизированных систем обучения как виртуальная компьютерная лаборатория.

При этом следует различать такие понятия как «виртуальная компьютерная лаборатория»

и «виртуальная компьютерная удаленная лаборатория». Основу виртуальной компьютерной лаборатории составляет компьютерная программа или связанный комплекс программ, осуществляющих компьютерное моделирование некоторых процессов [2]. Виртуальная компьютерная удаленная лаборатория представляет собой сетевую организационную структуру нескольких групп ученых, которые принадлежат к различным научным центрам и связанных между собою отношениями взаимовыгодного сотрудничества, благодаря сети Интернет [3].

Виртуальная компьютерная лаборатория

Современные информационные ителекоммуникационные технологии позволяют реализовывать любые формы экспериментальнойдеятельности, открывают широкие перспективы в создании оригинальных, а поройи принципиально новых работ физического практикума[4, 5].

87

Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2012, №6

Использование виртуальных компьютерных лабораторий в обучении физике приводит к появлению определенных требований к их алгоритму построения. В частности материал должен быть логически скомпонован и методически грамотно изложен, должны использоваться современные анимационные средства, справочные данные, которые позволяют расширить возможности студента при ответах на вопросы.

Применение мультимедийныхсредств позволяет ввести элементы научного исследования в лабораторную работу.При выполнении виртуальной лабораторной работы студент оперирует образами веществ и компонентов оборудования,воспроизводящими внешний вид и функции реальных предметов.

Примером виртуальной компьютерной лаборатории является разработанный в Международном университете информационных технологий на кафедре вычислительной техники, программного обеспечения и телекоммуникаций компьютерный лабораторный практикум на английском языке для курса «Физика-1».

Разработанная виртуальная компьютерная лаборатория (рисунок 1) состоит из четырех лабораторных работ по таким разделам физики, как механика, молекулярная физика, электричество и магнетизм. Это «Изучение законов кинематики и динамики на машине Атвуда», «Изучение момента инерции с помощью маятника Максвелла», «Определение постоянно адиабаты методом Клермана-Дезорма», «Измерение горизонтальной составляющей магнитной индукции Земли».

Компьютерная лаборатория содержит инструкции и методические указания к выполнению работ, построенных единообразно, по примерной форме: цель работы, теоретический материал, экспериментальная установка, порядок выполнения работы, отчет.

Для каждого эксперимента была разработана отдельная 3D модель и реализован физический движок просчитывающий взаимодействие объектов модели, которые в сочетании привели к очень хорошему моделированию объектов реального мира. Модели были созданы при использовании Blender и Maya 3D, а основной функционал был написан на C#(.NET) с использованием фреймворкаXNA 4.0.

Рисунок 1– Фрагмент виртуальной компьютерной лаборатории по дисциплине «Физика-1»

В состав виртуальной компьютерной лабораторного входят структурированные описания технических объектов, внутри которых размещаются графические иллюстрации и гиперссылки, а также видео- иаудиофрагменты, анимации (рисунок2,а иб).

Чтобы повысить эффективность восприятия учебного материала применялись также такие приемы, какflash-анимации, которые позволяющих видеть экспериментальную установку в целом и иметь возможность рассматривать ее изнутри. В конце описания каждойлабораторной

88

Е.А. Дайнеко, В.Г. Дмитриев, Е.В.Чайко, М.Т. Ипалакова, М.М. Маратов

работы даются вопросы для самоконтроля и тренинга по пройденному материалу с краткими комментариями. Все это позволяет активизировать процесс усвоения учебного материала студентами, делая его интерактивным, и также помогает при подготовке к рубежным контролям и экзаменам.

Все представленные компьютерные лабораторные работы обладают демонстрационной наглядностью и могут применяться для демонстрации протекания изучаемых физических процессов. Однако данные работы созданы именно как лабораторные, т.е. здесь подразумевается активная деятельность студентов в ходе выполнения работы и обработка экспериментальных данных, которая аналогична реальному эксперименту.

а)

б)

в)

Рисунок 2– Пример flash-анимаций для понимания принципа работы машины Атвуда

89

Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2012, №6

Заключение

Таким образом, использование компьютерных моделей обладает универсальностью в применении к физике и дает основание для рекомендации максимально широкого внедрения виртуальных компьютерных лабораторных работ в реальном учебном процессе в контексте разнообразия и оптимизации форм обучения, направленных на улучшение качества высшего образования.

ЛИТЕРАТУРА

1. B.J. Alder, T.E. Wainwright. / J. Chem. Phys. – 1957. – V. 27. – P. 1208-1209.

2. Трухин А.В. Виды виртуальных компьютерных лабораторий // Открытое и дистанционное образование. – 2003. - №3. – С. 12-21.

3. Проект «Виртуальная лаборатория по фундаментальным и прикладным проблемам теории упругости» //Международный научно-технический центр.http://www.tech- db.ru/istc/db.projects.nsf/webr/1536

4. Rittinghouse J., Ransome J. Cloud Computing: Implementation, Management, and Security.

CRC Press, 2010.

5 ЧеремисинаЕ.Н., Антипов О.Е., Белов М.А. Роль виртуальной компьютерной лаборатории на основе технологии облачных вычислений в современном компьютерном образовании //

Дистанционное и виртуальное обучение. – 2012. - №1. – С. 50-64.

Дайнеко Е.А., Дмитриев В.Г., Чайко Е.В., Ипалакова М.Т., Маратов М.М.

Компьютерлiк модельдердi физика курсында қолдану

Бұл мақала компьютерлiк модельдердiң технологияларын физика курсында колдануға арналған. Виртуалды компьютерлiк зертханаларды құрастыруға компьютерлiк модельдердi қолдану мүмкiндiктерi қарастырылған.

Компьютерлiк модельдердi физика курсында қолдану әмбебаптылыға және жан жақты қолданысқа виртуалды компьютерлiк зертханалық жұмыстарын оқу үдерiсiне еңгiзiлуi көрсетiлген. Бұл оқу үдерiсiнiң жан жақтылығына, үйлесiмдiлiгiне, сапасын жоғарлатуына өте маңызды.

Негiзгi қолданбалы сөздер: компьютерлiк модель, виртуалды компьютерлiк зертхана, физика, бiлiм.

Daineko Y.A., Dmitriyev V.G., Chaiko Y.V., Ipalakova M.T., Maratov M.M.

Computer models application within physics discipline

ThearticlepresentedmainlyfocusesontheideaofusingcomputermodelswithintheprocessofteachingPhysics. The using of com- puter models during the development of virtual computer laboratories is considered.

ThepapershowsthatcomputermodelsemploymentisuniversalapplyingtoPhysicsandunderpinstherecommendation of wide in- troduction of virtual computer laboratories to the real education process.Thisfactisofthehighimportancewithin the framework of the variety of teaching forms and their optimization, which finally increase the quality of the higher education in general.

Поступила в редакцию 15.10.12 Рекомендована к печати 30.10.12

90