Експеримент с интерактивен физичен модел. Изследване на физически модели

Последица от неотдавнашната ситуация в икономиката на страната е нарастващата роля на научното и инженерното образование. В същото време все още не е станало престижно, завършилите училище все още предпочитат хуманитарни области на обучение. За да се премахне съществуващата диспропорция, е необходимо да се използват класически и нови средства за развитие на интереса на учениците към научното и техническо творчество и инженерство. По-специално трябва да се обърне внимание на въвеждането в системата на средното образование на механизми за формиране на емпирично мислене у учениците и способността за провеждане на образователен експеримент. В този аспект се обсъждат възможностите на интерактивните компютърни модели и симулатори в изучаването на физиката. Показано е, че реалните и компютърните експерименти не са антагонисти, а напротив, взаимно се допълват и взаимно подсилват постигнатия обучителен ефект.

математическо и компютърно моделиране

интерактивност

познавателна дейност

физически експеримент

1. Баяндин Д.В. Обучение по физика, базирано на моделиране на компютърни системи // Училищни технологии. - 2011. - № 2. - С. 105–115.

2. Баяндин Д.В. Класификация на интерактивни компютърни модели и структурата на процеса на познание във физиката // Съвременни проблеминаука и образование. - 2013. - № 2. - С. 311. - URL: www..09.2014).

3. Мостепаненко М.В. Философия и физическа теория. - Л. : Наука, 1969. - 240 с.

4. Оспеникова Е.В. Използването на информационни и комуникационни технологии в обучението по физика. - М. : БИНОМ, 2010. - 655 с.

5. Разумовски В.Г., Майер В.В. Физика в училище. Научен метод на познание и обучение. - М. : ВЛАДОС, 2004. - 463 с.

Ситуацията в икономиката и обществото като цяло, която се разви през последната година и половина във връзка с икономическите санкции на Запада, демонстрира погрешността на курса към производство на "квалифицирани потребители" на вносни разработки , технологии и оборудване от образователната система - вместо да образоваме собствени инженери, способни сами да създават нови технологии и оборудване. В това отношение ролята на естественото и инженерното образование трябва да нараства през следващите години. Въпреки това през последните две десетилетия се формира стабилна ориентация на завършилите училище за получаване на икономическо, правно и друго хуманитарно образование. Младите хора в по-голямата си част искат да управляват - финанси, предприятия, политическа и социална сфера, а тези, които искат и могат да развиват и произвеждат високотехнологични продукти както под формата на стоки, така и под формата на услуги, са абсолютно недостатъчни. (които днес включват медицина и образование).

Разбира се, тази ситуация в образователната система може да се промени само в резултат на обмислени и координирани действия на държавата и обществото и то не под формата на кратка кампания, а под формата на дългосрочна „нова образователна политика“ което е коренно различно от извършваното през последните петнадесет години.

Един от начините за съживяване на интереса на учениците към образованието по природни науки, научно-техническото творчество и инженерството е въвеждането в системата на средното образование на механизми за формиране на емпирично мислене у учениците и способността за провеждане на образователен експеримент. В този случай трябва да се използват както класически, така и нови инструменти за развитие на този интерес. Пример за успешна иновация е въвеждането на роботиката в учебните програми на много училища. Що се отнася до компютърните технологии, използването на техния потенциал остава недостатъчно ефективно.

Все още има широко разпространено мнение сред методистите, че компютърен моделне е пълноценен заместител на реалните обекти и явления и следователно не може да бъде полезен за развитието на емпиричното мислене на учениците. Доколкото първата част от това твърдение е правдоподобна (към обсъждането на което ще се върнем по-късно), толкова втората е съмнителна. Смятаме, че е напълно възможно да се говори за формирането на елементите на емпиричното мислене и уменията, необходими за провеждане на експеримент въз основа на интерактивни компютърни модели и симулатори, въпреки че, разбира се, водещата роля в този процес принадлежи на истински лабораторен експеримент.

Традиционно в емпиричните изследвания се разграничават следните етапи, които се свързват, наред с други неща, с емпиричното мислене:

1) наблюдение и експеримент - средство за получаване на експериментални данни;

2) анализ и синтез на резултатите - средство за идентифициране на връзки и систематизиране на данни;

3) обобщаване на експериментални данни, формиране на нови емпирични концепции и закони (с последваща проверка), които позволяват по-нататъшно обяснение на изследваното явление и прогнозиране на поведението на системата.

Вторият и третият етап са изцяло реализирани в моделния експеримент, с изключение на това, което е анализирано и обобщено: остава проблемът със самата процедура за получаване на експериментални данни - ако говорим за компютърна симулация на реална експериментална постановка. Първият етап от изследването страда най-много по време на такъв симулационен експеримент: чувствената страна на процеса на познание се изчерпва, връзката с обективната реалност се прекъсва. Тези загуби са незаменими на етапите на проектиране (сглобяване) на експерименталната установка и реално извършване на наблюдения и измервания. Първият етап обаче включва и етапите на формулиране на изследователския проблем, поставяне и обосноваване на хипотеза, въз основа на която проблемът може да бъде решен, определяне на целта на експеримента и процедурата за провеждането му. Ако компютърната система не просто имитира реална инсталация, а моделира някакво сложно явление на достатъчно високо ниво на абстракция (например установяване на хаос в система от много частици), тогава етапът на получаване на данни чрез измервания на компютърният модел става пълноценен, а образователното изследване се доближава до научното.

Интерактивните образователни модели, както и изследователските модели, имат определени епистемологични функции, които определят техните дидактически и методически функции. Дидактическите функции на образователните модели са свързани с възможностите за тяхното използване като средство за визуализация при представяне на знания, като средство за развитие на познавателни умения и формиране на умения, както и средство за контрол на нивото на формиране на знания и умения на учениците. Основната методологична функция на моделите, формулирана в същата работа, е формирането на опит от образователни изследвания при учениците, по време на които се получават субективно нови знания, а моделният експеримент действа като метод на познание.

В учебното издание се говори и за пречупването на процеса на научно познание в учебния процес. Подобно на истински експеримент, компютърните симулации поддържат важни стъпки в образователните изследвания. Може да се използва за:

• да наблюдава, класифицира и обобщава факти, включително да забелязва приликите и моделите на резултатите;
• интерпретиране на данни;
• дават обяснение на наблюдаваните явления и да излагат хипотези;
• планирате моделен експеримент за проверка на хипотезата и го провеждате;
• правят изводи и заключения въз основа на изследването.

Един от важните признаци на формирането на емпирично мислене е способността да се обмисли тактиката за провеждане на експеримент, което напълно, но икономично от гледна точка на необходимите усилия, ще позволи решаването на изследователския проблем. И в този смисъл работата с физическа инсталация и с адекватен на нея компютърен модел в рамките на поставената задача е сходна и практически еднакво полезна. И в двата случая най-важни са: а) психичните процеси, протичащи в мозъка на ученика; б) техническите възможности на „лабораторния стенд” за изпитване и при необходимост коригиране на хипотезата на изследването, коригиране на грешки, дължащи се на експл. обратна връзка, което се предоставя от измервателните уреди или интерфейса на модела. В същото време истинският лабораторен щанд, разбира се, е много по-богат на своите свойства и техните прояви, отколкото виртуален щанд, който го имитира, но за изучаване на редица въпроси, включително изследователски тактики, това може да не е от съществено значение.

Най-показателни за илюстриране на казаното са моделните експерименти, които позволяват да се получи на изхода не качествена зависимост, дори ако е илюстрирана с графика, а количествена, изразена с формула или набор от числени стойности специфични за дадена ситуация.

Пример за ситуация, чието разглеждане е полезно за овладяване на способността за планиране на експеримент, е класическият проблем за хвърляне на тяло под ъгъл спрямо хоризонта над наклонена равнина - „хвърляне нагоре“. Тази задача е включена като независим елемент, например в средата за моделиране „Inter@active Physics“ (Институт за иновативни технологии, Перм), но може да се разглежда и в модели на редица други електронни публикации за образователни цели.

Нека моделът ви позволява да зададете преди хвърлянето (или изстрела) ъгъла j на наклона на "долната повърхност" и ъгъла a между вектора на началната скорост на тялото и хоризонталата, както и да фиксирате изместването L на тялото по равнината в момента на падане върху нея (фиг. 1). В този случай целта на провеждането на моделен експеримент може да бъде намиране на зависимостта amax(j) - стойността на ъгъла на хвърляне, при който обхватът на полета е максимален, от стойността на ъгъла на наклона на самолета.

Ориз. 1. Моделен експеримент: зависимостта на обхвата на полета на тялото от ъгъла на хвърляне и ъгъла на наклона на подлежащата повърхност.

Самостоятелното планиране от студентите на подходящо обучение, базирано на компютърен модел, изисква определени умения и опит в този вид работа. Ученик, който няма умения да проведе експеримент (независимо дали физически или числен), често дори не разбира, че първоначалните условия не могат да се променят произволно, трябва да мислите чрез системата - например в нашия случай не трябва променете скоростта на хвърляне. Спецификата на работа с компютърни модели обикновено се изяснява или чрез инструкции за тяхното изучаване (като реда на лабораторната работа), или в хода на проблемни разговори, които учителят провежда с класа. За обсъждания проблем основата на работния план и вид подсказка може да бъде редът на моделния експеримент, когато тялото се хвърля над хоризонтална повърхност (j=0). Неговата идея е да започне експеримента с малка стойност на ъгъла a и след това да продължи с хвърлянето, като всеки път увеличава ъгъла на хвърляне със същото количество, например с 5º. Установено е, че максималният обхват на полета се постига при ъгъл на хвърляне от 45º, а двойки ъглови стойности, които се събират до 90º, водят до същия обхват на полета.

Остава студентът да разбере, че в случай на наклонена "основна повърхност" е необходимо да се проведат серия от подобни експерименти с различни стойности на ъгъла j, определяйки за всеки от тях съответния amax. За по-нататъшен анализ на резултатите двойките стойности j и amax трябва да бъдат въведени в таблицата; желателно е да се изгради графика, онагледяваща откритата зависимост. Освен това трябва да се отбележи, че зависимостта е линейна и да я напишете под формата на желаната функция: amax=45º+j/2.

Имайте предвид, че умението за математическо записване на този вид зависимости според таблицата или според графика може да се практикува с помощта на интерактивен компютърен симулатор. Същото се отнася и за умението да се проектира структурата на таблиците с данни, което е елемент от културата на провеждане на експеримент. Тъй като от гледна точка на физиката това е предимно технически въпрос, оперативно умение, то може да се практикува в рамките на компютърен симулатор не само на базата на физически експеримент, но и на базата на симулационен модел и дори, за да спестите време, видеозапис на експеримент или анимация. Редица симулатори могат да бъдат полезни за овладяване на процедурите за вземане на показания на измервателни уреди и оценка на грешките, свързани с тях, записвайки резултата от експеримента под формата на доверителен интервал с разумна точност, а не с 8-10 значещи цифри които калкулаторът дава. Експертната система на интерактивния симулатор следи грешките на ученика в хода на работа и реагира на тях в контекста.

Според нашите наблюдения използването на компютър е ефективно именно при развиване на елементарни умения. Но, разбира се, са необходими етапи на обучение, при които всички умения и способности са включени в „солидния“ процес на провеждане на експеримента и тук експериментът вече не трябва да бъде виртуален, а реален. Така компютърните симулатори освобождават учителя от рутинна работа - многократно обяснение и контрол на основни умения и способности - и му позволяват да се съсредоточи върху по-сложни, творчески, алгоритмично трудни моменти. Да се ​​използват такива симулатори по принцип или не е решението на конкретен учител; от разработчика на софтуера и методическата поддръжка зависи да предложи самата възможност за използването им.

Нека сега се спрем на два момента, свързани с проблема за надеждността на резултатите от математическото моделиране: 1) адекватността на модела на обекта, който се изследва и 2) адекватността на числения метод за решаване на неговата система от уравнения.

Целта на всеки модел е преди всичко да помогне на изследователя да разбере този или онзи природен феномен. От друга страна, се предполага, че резултатите от симулацията и техните логически последствия позволяват да се предскаже поведението на даден обект при дадени (но, като правило, ограничени в разнообразието си от някои граници) условия. Ако поне някои варианти на тези условия са осъществими в лабораторен или пълномащабен експеримент, е необходимо да се сравнят (пряко или косвено) експерименталните данни и резултатите от изчисленията; с други думи, необходимо е да се тества моделът. Съвпадението между експерименталната и изчислената информация говори в полза на изградения модел. Напротив, значителни несъответствия, които не могат да бъдат приписани на експериментални грешки, или невъзможността да се интерпретират резултатите от симулацията по отношение на експериментални данни, означава, че моделът не е адекватен, подходящ за описание на обективния свят и трябва да бъде подобрен. Колкото повече ситуации се изследват, в които моделът е успял правилно да възпроизведе реалността, толкова повече причини може да се използва за описание на съответните ефекти при подобни условия. Но всяка, относително казано, "интерполация" и още повече "екстраполация" към неизследвана област от условия е свързана с известен риск. Същото важи и за модели, чийто реален прототип по някаква причина не е подходящ или недостъпен за манипулиране. Във всеки случай всеки модел има определена област на приложение, за адекватност може да се говори само в рамките на тази област и зависи от изследователя да не излиза извън нейните граници.

Сега относно адекватността на числения метод. В изчислителната математика са разработени значителен брой методи за числено решаване на задачата за интегриране на системи от диференциални уравнения при дадени начални условия (задачи на Коши). Тези методи имат различни характеристики, на първо място - точността и обема на изчисленията. Грешката в изчислението или грешката при използване на конкретен числен метод се състои от методологична грешка (неточност на самия алгоритъм, причинена например от отрязване на членове на безкрайна серия) и грешка при закръгляване, причинена от ограничен брой цифри ( крайна дължина на машинна дума). Следователно естеството на натрупването и разпространението на грешки с увеличаване на броя на стъпките значително зависи от избрания метод, който прилага този метод на алгоритъма.

Връщайки се към въпроса за правилността на замяната на реални обекти и явления с компютърен модел, отбелязваме, че моделът не е длъжен да описва всички аспекти на явлението и вариантите на хода на събитията, свързани с тях. Тоест, тези качества са добри сами по себе си, особено ако говорим за конструктор на модели, въз основа на който се предполага, че се решава широк клас задачи, а конкретен лабораторен стенд, базиран на този конструктор, не се оказва да бъде „непоносим“ по отношение на изчислителната скорост и сложността на интерфейса. Но ако говорим за отделна лабораторна работа, достатъчно е моделът да отговаря само на целта на експеримента. В примера по-горе също няма нужда от сложен модел. Например, моделът, показан на фигура 1, описва множество отскоци на топка от наклонена равнина във вискозна среда, тъй като е изграден на базата на много универсален конструктор, чиито елементи съдържат уравненията на движение и процедурата за тяхното интегриране за пространствена област с променливи свойства на средата в нея и по нейните граници. Тези възможности обаче не се използват в лабораторната работа, така че модел, базиран на най-прости кинематични уравнения или дори уравнение на парабола, коефициентите в които се изчисляват от началните условия на движение, би бил напълно достатъчен.

Друг пример за компютърен модел, който дава възможност да се получи формула в резултат на нейното изследване, е мостът на Уитстоун. Целта на изследването може да бъде изясняване на условията за баланс на рамената на моста (липса на ток в галванометъра). Фигура 2 показва интерфейса на такъв модел: в първоначалното състояние всички съпротивления са еднакви, но могат да бъдат променени от потребителя по време на експеримента. Първо, учениците установяват, че балансът се поддържа, ако съпротивлението на две съседни рамена на моста се променя еднакъв брой пъти. За да се обобщи този резултат, за да се разбере, че стойностите на всичките четири съпротивления могат да бъдат различни, може да се наложи да се насърчи ученик с недостатъчно развити изследователски умения (използвайки текста на инструкцията, в хода на диалог с учител или експертна система). Резултатът от изследването е известното съотношение на вида: R1/R3 = R2/R4. Предимството на компютърния модел в този случай е възможността за разглеждане на голям брой ситуации за кратко време, въз основа на което е възможно да се анализират резултатите и да се направи заключение. След като изучават физическата система в нейния моделен вариант, учениците възприемат по-добре теоретичното обяснение на намерения модел.

Ориз. 2. Моделен експеримент: откриване на балансираното състояние на моста Уитстоун

Симулаторите на превозни средства или симулаторите на промишлени предприятия заместват ли съответната реалност? Разбира се, че не го заместват. Те обаче ви позволяват да се подготвите за възприемането на тази реалност, да „мислите“ за себе си в подобна ситуация. По същия начин реалният експеримент не може да бъде заменен в образователния процес компютърна технология, но при наличието на добре обмислена методология, последният може да служи като допълнителен инструмент, средство за преподаване, което ви позволява да спестите време и усилия на учителя, да развиете умения, включително тези, свързани с експериментални дейности , и дори формират емпирично мислене.

Рецензенти:

Оспеникова Е.В., доктор на педагогическите науки, професор, ръководител. кафене мултимедийна дидактика и информационни технологии на образованието на Пермския държавен хуманитарен и педагогически университет, Перм;

Серова Т. С., доктор на педиатричните науки, професор в катедрата по чужди езици, лингвистика и превод, Пермски национален изследователски политехнически университет, Перм.

Библиографска връзка

^^ 1 ЕЛЕКТРОННИ ОБУЧИТЕЛНИ РЕСУРСИ:

>/ РАЗРАБОТКА И МЕТОДИКА ЗА ПРИЛОЖЕНИЕ В ОБУЧЕНИЕТО

UDC 004.9 BBK 420.253

ДА. Антонова

ПРИНЦИПИ ЗА ПРОЕКТИРАНЕ НА ИНТЕРАКТИВНИ МОДЕЛИ ЗА ОБУЧЕНИЕ НА ФИЗИЧЕСКИ ЕКСПЕРИМЕНТ С ИЗПОЛЗВАНЕ НА МАКСИМАЛНО РЕАЛИСТИЧНА ИНТЕРФЕЙСНА ТЕХНОЛОГИЯ

Разглежда се съдържанието на проектната дейност на учениците по разработването на интерактивни модели на училищен физически експеримент, реализирани в технологията на най-реалистичния интерфейс. Определят се основните принципи за проектиране на модели от този тип: реалистична визуализация на експерименталната инсталация и нейната функционалност, квазиреалистични действия с елементите на инсталацията и изследваните физически обекти, осигуряване на високо ниво на интерактивност на модела и съответствие на неговия сценарий. решения с методологията на експерименталното изследване, насочени към развиване на обобщени умения на студентите за работа с компютърен модел. Обосновава се важността на връзката между методически и технологични подходи при проектирането на образователни интерактивни модели.

Ключови думи: обучение по физика, физически експеримент, експериментални умения, интерактивен модел, принципи на проектиране на образователни модели на физически експеримент

Овладяването на курса по физика в средното училище трябва да се основава на множество наблюдения и експерименти (както демонстрационни, така и лабораторни). Провеждането на експерименти позволява на учениците да натрупат достатъчен за систематизиране и смислено обобщение обем фактически материал и да придобият необходимите практически умения. Емпиричните знания, получени в хода на наблюдения и експерименти, формират необходимата основа за последващото теоретично разбиране на същността на изучаваните природни явления.

За съжаление етапът на емпирично познание, свързан с провеждането на експерименти, е много ограничен във времето в гимназията. Обемът на съответната практическа работа, извършена от учениците, също е малък (демонстрационният физически експеримент е главно работата „от ръцете на учителя“, лабораторният експеримент е малък, а домашните експерименти рядко се включват от учителите в съдържанието на обучението) . Съвременната техническа среда също оказва негативно влияние върху тази ситуация. Не насърчава учениците да наблюдават природни явления и да изучават особеностите на курса си. „Причината за това е „опаковката“

© Антонова Д.А., 2017

тези явления в сложни технически устройства, които внимателно ни заобикалят и невидимо задоволяват нашите нужди и интереси.

Ресурсите на виртуалната среда могат да се разглеждат като важен допълнителен инструмент за обучение на студентите в областта на методологията на експерименталните изследвания. На първо място, трябва да се обърне внимание на подобряването и разширяването на базата от видео материали (репортажни, сценични), свързани с естествени физически експерименти (наблюдения и експерименти). Реалистичната видео поредица допринася за разширяването на емпиричните хоризонти на учениците, прави физическите знания контекстуални и търсени на практика. Полезни в обучението са снимки и обекти от статична и интерактивна компютърна графика, разкриващи съдържанието и етапите на поставяне на различни физически експерименти. Необходимо е да се разработи образователна анимация, илюстрираща особеностите на протичането на изучаваните явления, както и работата на различни обекти на техниката, включително физически устройства.

Предмет на особен интерес са обектите на виртуалната среда, симулиращи учебния физически опит и практическите действия на потребителя с устройства и материали за осъществяването му. Комплексът от уникални характеристики на тази учебна среда (интелигентност, моделиране, интерактивност, мултимедия, комуникация, производителност) позволява на разработчиците да създават тези обекти на високо ниво на качество. Интерактивните образователни модели на физически експеримент са в голямо търсене на образователния пазар, така че е необходимо непрекъснато да се работи за запълване на предметната среда с модели от този тип.

Търсенето на подходи за създаване на виртуални модели на физически експерименти и първото им внедряване датират от началото на 2000-те години. През този период такива модели като правило са най-простата анимация на естествени физически процеси или етапи от извършване на физически експеримент за тяхното изследване. По-късно се появиха модели с анимиран интерфейс с бутони, който позволява на потребителя да променя параметрите на модела и да наблюдава поведението му. Скоро визуализацията на външните признаци на явленията започва да се допълва от визуализацията на механизмите на тяхното възникване, за да се илюстрират положенията на една или друга физическа теория, обясняваща тези явления. Особеност на визуалното представяне на физически експерименти във виртуална среда през този период е неговата достатъчна схематичност. Важно е да се отбележи, че използването на аналози на схематичен модел на физически експеримент в обучението е приемливо предимно за ученици от гимназията, тъй като те имат достатъчно развито абстрактно мислене и имат опит в провеждането на полеви експериментални изследвания. В началния етап на усвояване на курса по физика работата с такива обекти на виртуалната среда е много трудна за повечето ученици и често води до формиране на неправилни идеи за естеството на потока от природни явления, както и до неадекватна възприемане на методите на тяхното експериментално изследване. Схематичният характер на моделите за обучение и традиционният начин за управление на тяхното поведение за работещи прозорци (бутони от различни видове, списъци, ленти за превъртане и др.) Със сигурност могат да бъдат приписани на групата причини за тяхното недостатъчно търсене и ниска ефективност в масовото обучение практика.

В средата на първото десетилетие на новия век структурата и функционалността на бутонно-анимационния интерфейс на моделите за обучение бяха активно подобрени. Базата данни от модели със строго определени сценарии на работа (по отношение на състав и последователност от действия) започна да се попълва с нови модели, които позволяват на учениците самостоятелно да поставят цели и да определят план за действие за постигането им. Въпреки това, доста революционни трансформации в практиката на разработване на образователни модели от този тип в домашното образование се случиха едва в края на 2000-те години. Благодарение на развитието на технологиите за виртуално моделиране стана възможно възпроизвеждането на физически обекти в 3D формат във виртуална среда, а с включването на процедурата „drag & dshp“ във виртуална среда, идеите за модела на дейност на ученика с виртуална среда обектите започнаха да се променят. Развитието вървеше в посока осигуряване на квазиреалистични действия с тези обекти. Тези актуализации се оказаха особено важни за разработването на интерактивни модели на образователен физически експеримент. Стана възможно да се реализира почти естествен начин за управление на елементите на виртуална експериментална постановка, както и на хода на експеримента като цяло. Благодарение на технологията drag & drop, мишката и клавиатурата на компютъра всъщност започнаха да изпълняват функциите на "ръката" на експериментатора. Интерактивен 3D експеримент с квази-реалистичен процес на контрол на експеримента (движение, завъртане, въртене, натискане, триене, промяна на формата и т.н.) беше определен като нов еталон в проектирането на обекти от предметна виртуална среда. Неговите предимства като значително по-високо дидактично качество бяха безспорни.

Важно е да се отбележи, че с известно закъснение протича процесът на подобряване на компютърната графика при представянето на модели на физически експерименти. Това се дължи преди всичко на високите разходи за труд за такава работа. Ниското ниво на компютърна графика, тази или онази степен на несъответствие между изображенията на обекти и техните реални двойници оказват негативно влияние върху процедурата за прехвърляне на знания и умения, придобити от учениците в една учебна среда, към обекти в друга среда (от реална към виртуална и обратно). обратно). Не може да се отрече, че реализмът на един компютърен модел може и трябва да има известна степен на ограничение. Въпреки това е необходимо да се създават във виртуална среда лесно "разпознаваеми изображения" на реални образователни обекти, използвани при провеждането на пълномащабни физически експерименти. Важно е да се покаже всеки такъв обект, като се вземат предвид неговите съществени външни характеристики и функции, изпълнявани в експеримента. Комбинацията от реалистична визуализация на лабораторната постановка с квазиреалистични действия на експериментатора създава своеобразна виртуална реалност на експерименталното изследване и значително повишава дидактическия ефект от работата на студента във виртуална среда.

Очевидно, като се вземе предвид съвременно ниворазвитието на ИТ инструменти и хардуерни технологии, елементите на виртуалната реалност в образователните експериментални изследвания скоро ще бъдат заменени от самата виртуална реалност като такава. Рано или късно ще бъдат създадени достатъчен брой 3D модели на интерактивни физически експерименти за учебния процес в училище и университета. Реализиран във виртуална среда, 3D модел на физическа лаборатория с реалистична визуализация на лабораторното оборудване за провеждане на изследвания и възможност за извършване на реалистични експериментални действия и операции е ефективно допълнително средство за развитие на знанията, уменията и способностите на учениците в област на методологията

експериментално изследване. Все пак трябва да се помни, че виртуалната реалност е изпълнена с обекти, които не взаимодействат с външния свят.

Вече се правят опити за разработване на модели от ново поколение за учебни физически експерименти. Създаване на интерактивна физична експериментална лаборатория, реализирана в технологията за виртуална реалност по отношение на разходите за софтуер и хардуер този процеса самото производство на продукта е много времеемка и скъпа дейност. В същото време е съвсем очевидно, че с развитието на технологиите за създаване на обекти на виртуална среда и достъпността на тези технологии за широк кръг от разработчици, този проблем ще загуби своята острота.

В момента, благодарение на появата на свободен достъпбезплатни (макар и с ограничена функционалност) версии на модерните софтуервече стана възможно динамично 3D моделиране на обекти на виртуална среда, както и създаване на образователни обекти, използващи технологиите за добавена реалност и смесена (хибридна) реалност (или, с други думи, добавена виртуалност). Така например в последния от случаите интерактивни 2.5D модели (с псевдо-3D ефект) или действителните 3D модели на образователни обекти се проектират върху реален работен плот. Илюзията за реализъм в този случай виртуалната работа, извършена от ученика, се увеличава значително.

Необходимостта от създаване на ново поколение обучителни модели, характеризиращи се с високо ниво на интерактивност и максимално реалистичен интерфейс, определя важността на обсъждането на методологичните аспекти на тяхното проектиране и разработване. Тази дискусия трябва да се изгради на базата на предназначението на тези модели в образователния процес, а именно: 1) учениците получават необходимата образователна информация за физическите обекти и процеси, изучавани във виртуална среда; 2) овладяване на елементите на методологията на експерименталното изследване (нейните етапи, действия и отделни операции), консолидиране на методологични знания и развитие на умения, формиране на необходимото ниво на тяхното обобщение; 3) осигуряване на адекватен трансфер на придобитите знания и умения при прехода от пълномащабни обекти на естествената среда към моделни обекти на виртуалната среда (и обратно); 4) насърчаване на формирането на идеи на учениците за ролята на компютърното моделиране в научното познание и обобщени умения за работа с компютърни модели.

Изпълнението на моделен физически експеримент във виртуална учебна среда трябва да се извършва, като се вземат предвид съвременните образователни технологииформиране у учениците на предметни и метапредметни знания, специфични и обобщени умения (както предметни, така и метапредметни нива на обобщение), универсални учебни дейности, както и ИКТ компетентности. За да се постигне тази цел, авторът-разработчик или група специалисти, участващи в създаването на модели на физически експеримент, трябва да притежават съответните методологични познания. Посочваме областите на това знание:

Училищно оборудване за кабинет по физика;

Изисквания към лабораторни и демонстрационни физични опити;

Структурата и съдържанието на учебните дейности, свързани с провеждането на физически експеримент;

Методика за формиране на експериментални умения и способности у учениците;

Насоки и методи за използване на ИКТ инструменти по време на експеримента;

Изисквания за разработване на интерактивни образователни модели на физичен експеримент;

Методика за формиране на обобщени умения и способности на учениците за работа с компютърни модели;

Организиране на образователни експериментални изследвания на ученици във виртуална среда на базата на компютърни модели.

На първия етап от разработването е необходимо да се извърши предпроектно проучване на обекта на моделиране: да се проучат физическите основи на природните явления, изучавани в експеримента; обмислете съдържанието и методологията на провеждане на подобен пълномащабен експеримент (образователен, научен); изясни състава и характеристиките на оборудването, инструментите и материалите за неговото изпълнение; да се анализират аналогови модели на проектирания физически опит, създадени от други автори (ако има такива), да се идентифицират техните предимства и недостатъци, както и възможни области за подобрение. Важно е най-накрая да се определи съставът на експерименталните умения, които е препоръчително да се формират у учениците въз основа на създадения модел.

След това се разработва проект за интерфейса на работния прозорец на модела, който включва всички статични и интерактивни елементи, както и тяхната функционалност. Дизайнът на интерфейса се основава на методически модели на физическо знание и образователни дейности, които са представени в педагогическата наука чрез обобщени планове: физическо явление (обект, процес), експериментално изследване и изпълнение на отделните му етапи, разработване на инструкции за обучение, работа с компютърен модел.

Всъщност разработването на модела на образователния експеримент се извършва на базата на избраните за всеки отделен случай технологии за представяне и обработка на информация, среди и езици за програмиране.

В края на работата моделът се тества и усъвършенства. Етапът на апробиране на виртуалния модел в реалния образователен процес е важен за проверка на неговата дидактическа ефективност.

Да формулираме най основни принципипроектиране на интерактивни образователни модели на физически експерименти с помощта на технологията на най-реалистичния интерфейс.

1. Реалистична визуализация на експерименталната постановка (изследван обект, технически средства, устройства и инструменти). На виртуална лабораторна маса е поставен визуален аналог на пълномащабна инсталация за провеждане на моделен експеримент. В редица специални случаи може да се създаде реалистичен модел на полеви условия на експеримента. Нивото на детайлност във всяка визуализация трябва да бъде обосновано. Основен критерий в случая са елементите на нейния външен образ, които са от съществено значение за адекватното възприемане на инсталацията и основните елементи на функционалността. За получаване на реалистично изображение е препоръчително да се направят снимки на експерименталната постановка и нейните отделни части, снимки на обектите, изследвани в експеримента, както и инструментите и материалите, необходими за експеримента. Характеристиките на снимане се определят от избраната технология за моделиране на обекти във виртуална среда (2D или 3D моделиране). В някои случаи може да се наложи визуализиране вътрешно устройствовсяко устройство. Преди изображенията да бъдат включени в интерфейса на модела, като правило, те изискват допълнителна обработка с помощта на различни редактори.

2. Реалистично моделиране на функционалността на инсталацията и физическото явление, изследвано в експеримента. Изпълнението на това изискване е свързано с задълбочен анализ на хода на пълномащабния експеримент, изследване на функционалността на всеки елемент от експерименталната установка и анализ на процеса на физическото явление, възпроизвеждано върху него. Необходимо е да се разработят физически и математически модели на функционалните компоненти на експерименталната установка, както и обектите и процесите, изследвани в експеримента.

3. Квазиреализъм на действията на ученика с елементите на експерименталната постановка и изучаваните физически обекти. Моделът на физически експеримент трябва да позволи на учениците да изследват физически явления в режим на реалистични манипулации с виртуално оборудване и да идентифицират модели в техния курс. На фиг. 1 показва пример за такъв модел (“”, клас 7).

Ориз. 1. Интерактивен модел "Равновесие на силите на лоста" (проект на студент Е. С. Тимофеев, PSGPU, Перм, дипломиране 2016 г.)

Работното поле на този модел включва демонстрационен лост с окачвания и балансиращи гайки, както и комплект от шест тежести по 100 г. Ученикът, използвайки технологията drag and drop, може: 1) да балансира лоста чрез отвиване или затягане на балансиращия гайки чрез плъзгащи движения по края им (нагоре, надолу); 2) последователно окачване на товари от закачалки; 3) преместете окачванията с товари, така че лостът да влезе в баланс; 4) извадете стоките от лоста и ги върнете в контейнера. По време на експеримента ученикът попълва таблицата „Баланс на силите на лоста“, представена на дъската (виж фиг. 1). Имайте предвид, че моделът възпроизвежда реалистичното поведение на лоста при нарушен баланс. Лостът във всеки такъв случай се движи с нарастваща скорост.

На фиг. 2 показва друг модел на обучение („Електрификация на телата“, 8 клас). Когато работи с този модел, ученик, базиран на технологията drag&drop, може да направи същото

експериментални действия, като на пълномащабна инсталация. В работното поле на модела можете да изберете някоя от електрифицираните пръчки (ебонит, стъкло, органично стъкло или восък, месинг), да я електрифицирате чрез триене в един от материалите, разположени на масата (козина, гума, хартия или коприна). Степента на наелектризиране на пръчката поради продължителността на триене може да бъде различна. Когато пръчката се доближи до проводника на електрометъра, стрелката му се отклонява (наелектризиране чрез въздействие). Степента на отклонение на стрелката зависи от степента на наелектризиране на пръчката и разстоянието до електрометъра.

Ориз. 2. Модел "Наелектризиране на тела". Инсталация за моделен експеримент:

а) "макро ниво" на демонстрацията; б) „микрониво“ на демонстрацията (проект на студент А.А. Василченко, PSGPU, Перм, дипломиран през 2013 г.)

Възможно е електромерът да се зарежда чрез докосване на пръчка. С последващото привеждане на същата електрифицирана пръчка към електрометъра, зареден от нея, отклонението на стрелката се увеличава. Когато към този електрометър се донесе пръчка със заряд с различен знак, отклонението на стрелката намалява.

С помощта на този модел е възможно да се демонстрира как се зарежда електромер чрез докосване на „виртуална ръка“. За да направите това, до проводника се поставя електрифицирана пръчка, която се отстранява след докосване на "ръката" на проводника на електрометъра. Възможно е впоследствие да се определи знакът на заряда на този електрометър чрез електризация чрез влияние.

Интерактивен модел на демонстрационен експеримент върху електрифицирането на тела (чрез въздействие, чрез докосване) позволява в режим на реалистични манипулации с виртуално оборудване да се изследва взаимодействието на електрифицираните тела и да се направи заключение за съществуването на заряди от два вида (т.е. за електричество от "стъкло" и "смола" или, както стоманата говори по-късно за положителни и отрицателни електрически заряди).

4. Визуализация на механизма на явлението. Прилагането на този принцип се извършва в случай на необходимост да се обяснят на студентите основите на теорията на изучаваното явление. По правило това са виртуални идеализации. Важно е да се коментират условията за подобна идеализация в препратката към модела. По-специално в споменатия по-горе модел за електризиране на тела

беше реализирано стартирането на „микронивото” на демонстрацията (фиг. 2б). При стартиране на това ниво се показва знакът на заряда на отделните елементи на електрометъра и условната стойност на този заряд (поради повече или по-малко знаци "+" и "-" на всеки от елементите на електрометъра). Работата в режим "микрониво" има за цел да помогне на ученика да обясни наблюдаваните ефекти от наелектризирането на телата въз основа на идеи за структурата на материята.

5. Осигуряване на високо ниво на интерактивност на модела. В работата са описани възможните нива на интерактивност на обучителните модели. При разработването на модели на физически експеримент с максимално реалистичен интерфейс е препоръчително да се акцентира върху високи нива на интерактивност (трето, четвърто), които осигуряват достатъчна степен на свобода на обучаемите. Моделът трябва да позволява както прости сценарни решения (работа по инструкции), така и самостоятелно планиране от учениците на целта и хода на експеримента. Независимостта на дейността се осигурява от произволен избор на обекти и условия на изследване в предложения диапазон, както и разнообразие от действия с елементи на модела. Колкото по-широки са тези диапазони, толкова по-непредвидими за учениците стават както самият изследователски процес, така и резултатът от него.

6. Прилагане на модели на учебна дейност. Структурата на дейността по наблюдение и експериментално изследване е представена в методическата наука чрез обобщени планове. Всички елементи на интерфейса на реалистичен модел на физически експеримент и тяхната функционалност трябва да бъдат разработени, като се вземат предвид тези планове. Това са обобщени планове за осъществяване на физически експеримент и отделни действия в състава му (избор на оборудване, планиране на експеримента, измерване, проектиране на таблици от различни видове, изграждане и анализ на графики на функционална зависимост, формулиране на заключение), т.к. както и обобщени планове за изучаване на физически явления и технически обекти. Този подход към разработването на модел ще позволи на студентите да работят пълноценно и методологически компетентно с виртуална експериментална постановка. Работата с модела в този случай ще допринесе за формирането на обобщени умения у учениците за провеждане на физически експерименти.

Интерактивните модели, направени в най-реалистичната интерфейсна технология, са предназначени, като правило, за студентите да провеждат пълноценна лабораторна работа. Квазиреалистичният характер на модела и съответствието на неговата функционалност със съдържанието и структурата на експерименталното изследване осигуряват в резултат на това сравнително лесен трансфер на знанията и уменията, придобити от студентите във виртуална среда, в реална лабораторна среда . Това се осигурява от факта, че в хода на виртуален експеримент в среда, визуално и функционално близка до реалната, учениците извършват обичайните си действия: запознават се с учебното оборудване, в някои случаи го избират и сглобяват експерименталната инсталация (пълна или частично), извършете експеримента (осигурете необходимото "въздействие" върху обекта, който се изследва, вземете показания от инструменти, попълнете таблици с данни и извършете изчисления) и в края на експеримента формулирайте заключения. Практиката показва, че учениците впоследствие доста успешно извършват подобна работа със същите устройства в училищната лаборатория.

7. Проектиране и разработване на модела, като се вземе предвид обобщеният план за работа на учениците с компютърен модел. В работите е представен обобщен план за работа с компютърен модел. От една страна, такъв план определя ключовите действия на потребителя с всеки

модел в неговото изследване, от друга страна, съдържанието на етапите на работа, представени в него, показва на разработчика на модела какви интерфейсни елементи трябва да бъдат създадени, за да се осигури високо ниво на неговата интерактивност и необходимата дидактическа ефективност.

Образователна работа с интерактивни модели, разработени на базата на този принцип, осигурява формирането на съответните обобщени умения у учениците, позволява им да оценят напълно обяснителната и предсказваща сила на моделирането като метод на познание.

Имайте предвид, че този обобщен план е препоръчително да се прилага при разработване на инструкции за виртуална лабораторна работа. Процедурата за изготвяне на наръчник за обучение въз основа на такъв план е дадена в работата.

8. Модулен принцип на формиране на учебни материали за организацията самостоятелна работаученици с компютърни модели. Препоръчително е в обучителния модул да се включи интерактивен модел на физически експеримент, който дефинира относително завършен цикъл на обучение (фиг. 3) (презентация учебен материалпод формата на кратка теоретична и историческа информация (фиг. 4); развиване на знанията и уменията на учениците въз основа на модела, представяне, в случай на затруднения, примери от дейности или индикации за грешки, допуснати по време на работа (фиг. 1); самоконтрол на резултатите от усвояването на учебния материал с помощта на интерактивен тест (фиг. 5).

Министерство на образованието и науката Руска федерацияПермски държавен хуманитарен и педагогически университет Катедра по мултимедийна дидактика и информационни технологии на образованието Физически факултет

Рамо на лоста. Балансът на силите на лоста

студент от МЗ група

Тимофеев Евгений Сергеевич

Ръководител

Д-р Лед Нюк, професор

Оспеникова Елена Василиевна

Ориз. 3. Интерактивен образователен модул "Баланс на силите на лоста": заглавие и съдържание (проект на студент E.S. Тимофеев, PSGPU, Перм)

Рамо на лоста. Балансът на силите на лоста

Лостът е твърдо тяло, което може да се върти около неподвижна опора.

Фигура 1 показва лост, чиято ос на въртене O (опорна точка) е разположена между точките на прилагане на силите A и B. Фигура 2 показва диаграма на този лост. Силите p1 и действащи върху лоста са насочени в една посока.

Рамо на лоста. Балансът на силите на лоста

¡Лостът е в равновесие, когато силите, действащи върху него, са обърнати; пропорционални на рамената на тези сили.

Това може да се запише под формата на формула:

I ¡^ където p1 и Pr са сили,

Действайки на лоста, "2 b и \r - раменете на тези сили.

Правилото за баланс на лоста е установено от древногръцкия учен Архимед, физик, математик и изобретател.

Ориз. 4. Интерактивен образователен модул "Баланс на силите на лоста": теоретична информация (проект на студента E.S. Тимофеев, PSGPU, Перм)

Кой от показаните инструменти не използва лост?

1) човек премества товар #

3) болт и гайка

2) педал на автомобила

4) ножици

Ориз. 5. Интерактивен образователен модул "Баланс на силата на лоста": тест за самоконтрол (проект на студента E.S. Тимофеев, PSGPU, Перм)

Интерактивният модел е основна част от модула, останалите му части са със съпътстващ характер.

При провеждането на виртуалния експеримент се проследяват резултатите от работата на учениците. Неправилните действия на "експериментатора" трябва да предизвикат реалистична "реакция" на изследвания физически обект или лабораторна инсталация. В някои случаи тази реакция може да бъде заменена от изскачащо текстово съобщение, както и от аудио или видео сигнали. Препоръчително е да се обърне внимание на учениците върху грешките, допуснати при изчисленията и при попълване на таблиците с експериментални данни. Възможно е да се преброят извършените грешни действия и да се представи коментарът на ученика в края на работата въз основа на нейните резултати.

В рамките на модула трябва да се организира удобна навигация, осигуряваща бърз преход на потребителя към различните му компоненти.

Горните принципи за проектиране на интерактивни образователни модели на физически експеримент са основните. Възможно е с развитието на технологиите за създаване на обекти на виртуална среда и методите за управление на тези обекти съставът и съдържанието на тези принципи да бъдат усъвършенствани.

Следването на формулираните по-горе принципи осигурява създаването на интерактивни образователни модели с висока дидактическа ефективност. Моделите на физически експеримент, реализирани в технологията на най-реалистичния интерфейс, всъщност изпълняват функцията на симулатори. Създаването на такива симулации отнема много време, но тези разходи са напълно оправдани, тъй като в резултат на това на студентите се предоставя широко поле за допълнителна експериментална практика, която не изисква специална материална, техническа, организационна и методическа подкрепа. Реалистичната визуализация и функционалност на експерименталната постановка, квазиреалистичните действия на студентите с нейните елементи допринасят за формирането на адекватни представи за реалната практика на емпиричните изследвания. При проектирането на такива модели до известна степен се прилагат технологии за управление. академична работаученици (систематичен подход към представянето на образователна информация и организацията на образователните дейности, подкрепа за самостоятелна работа на ниво уведомяване за грешни действия или представяне (ако е необходимо) на образователни инструкции, създаване на условия за систематичен самоконтрол и присъствие на заключителен контрол на нивото на усвояване на учебния материал).

Важно е да се отбележи, че интерактивните модели на физически експеримент не са предназначени да заменят пълномащабната му версия. Това е просто още един дидактически инструмент, предназначен да допълни системата от инструменти и технологии за формиране на опита на учениците при експериментално изучаване на природни явления.

Библиография

1. Антонова ДА. Организация на проектни дейности на студенти за разработване на интерактивни модели на обучение по физика за средно училище // Обучение по природни науки, математика и информатика в университета и училището: кол. материали X междун. научен -практика. конф. (31 октомври - 1 ноември 2017 г.). - Томск: TSPU: 2017. - стр. 77 - 82.

2. Антонова Д.А., Оспеникова Е.В. Организация на самостоятелната работа на студентите от педагогическия университет в контекста на използването на технология за продуктивно обучение // Педагогическо образование в Русия. -2016 г. - № 10. - С. 43 - 52.

3. Баяндин Д.В. Виртуална учебна среда: състав и функции // Висше образование в Русия. - 2011. - № 7. - стр. 113 - 118.

4. Баяндин Д.В., Мухин О.И. Моделна работилница и интерактивен проблемник по физика на базата на системата STRATUM - 2000 // Компютър учебни програмии иновация. - 2002. - № 3. - С. 28 - 37.

5. Ospennikov N.A., Ospennikova E.V. Видове компютърни модели и насоки за използване в обучението по физика // Бюлетин на Томския държавен педагогически университет. -2010г. - № 4. - С. 118 - 124.

6. Ospennikov N.A., Ospennikova E.V. Формиране в студентите на обобщени подходи за работа с модели // Известия на Южния федерален университет. Педагогически науки. -2009 г. - № 12- стр. 206 - 214.

7. Оспеникова Е.В. Използването на ИКТ в обучението по физика в средното училище: ръководство. - М.: Бином. Лаборатория на знанието. - 2011. - 655 с.

8. Оспеникова Е.В. Методическа функция на виртуалния лабораторен експеримент // Информатика и образование. - 2002. - № 11. - С. 83.

9. Оспеникова Е.В., Оспеников А.А. Разработване на компютърни модели във физиката с помощта на технологията на най-реалистичния интерфейс // Физиката в системата на съвременното образование (FSSO - 2017): материали от XIV Междунар. конф. - Ростов n / a: DSTU, 2017. - стр. 434 - 437.

10. Скворцов А.И., Фишман А.И., Генденщайн Л.Е. Мултимедиен учебник по физика за средно училище // Физиката в системата на съвременното образование (FSSO - 15): материали от XIII Междунар. конф. - Санкт Петербург: Издателство на Санкт Петербург. ГУ, 2015. - С. 159 - 160.

Опит в използването на компютърни модели в часовете по физика

Александър Федорович Кавтрев , кандидат на физ.-мат. науки, учител на Сорос, ръководител на лабораторията на Центъра за информационна култура в Санкт Петербург

Напоследък често се чуват въпроси: "Необходим ли е компютър в уроците по физика? Компютърните симулации ще заменят ли истински експеримент от учебния процес?" Най-често такива въпроси се задават от учители, които не знаят как информационни технологиии не разбират много как тези технологии могат да бъдат полезни в преподаването.

Нека се опитаме да отговорим на въпроса: "Кога е оправдано използването на компютърни програми в часовете по физика?" Смятаме, че на първо място в онези случаи, в които има значително предимство пред традиционните форми на обучение. Един такъв случай е използването на компютърни модели в учебния процес. Трябва да се отбележи, че под компютърни модели авторът разбира компютърни програми, които ви позволяват да симулирате физически явления, експерименти или идеализирани ситуации, срещани в задачи.

Какво е предимството на компютърната симулация в сравнение с естествения експеримент? На първо място, компютърното моделиране позволява да се получат визуални динамични илюстрации на физически експерименти и явления, да се възпроизведат техните фини детайли, които често се изплъзват при наблюдение на реални явления и експерименти. Когато използва модели, компютърът предоставя уникална, непостижима в реален физически експеримент възможност за визуализиране не на реално природно явление, а на неговия опростен модел. В този случай в разглеждането могат постепенно да се включват допълнителни фактори, които постепенно усложняват модела и го доближават до реално физическо явление. В допълнение, компютърната симулация дава възможност да се променя времевата скала на събитията, както и да се симулират ситуации, които не могат да бъдат реализирани във физически експерименти.

Работата на студентите с компютърни модели е изключително полезна, тъй като компютърните модели позволяват да се променят началните условия на физически експерименти в широк диапазон, което им позволява да извършват множество виртуални експерименти. Подобна интерактивност отваря огромни когнитивни възможности за учениците, правейки ги не само наблюдатели, но и активни участници в текущите експерименти. Някои модели позволяват едновременно с хода на експериментите да се наблюдава изграждането на съответните графични зависимости, което повишава тяхната яснота. Такива модели са от особено значение, тъй като студентите обикновено изпитват значителни трудности при конструирането и четенето на графики.

Разбира се, компютърната лаборатория не може да замени истинската лаборатория по физика. Извършването на компютърна лабораторна работа обаче изисква определени умения, които са характерни и за реален експеримент - избор на начални условия, настройка на параметрите на експеримента и др.

Голям брой компютърни модели в целия училищен курс по физика се съдържат в мултимедийни курсове, разработени от компанията " Physicon „Физика в картини“, „Отворена физика 1.1“, „Отворена физика 2.0“, „Отворена астрономия 2.0“ и „Отворена химия 2.0“.Основната отличителна черта на тези компютърни курсове са множество компютърни модели – уникални и оригинални разработки, които са високо оценен от потребителите в много страни. (Имайте предвид, че значителен брой модели се намират и на уебсайта на Open College на адрес: http://www.college.ru/).

Компютърните модели, разработени от фирма "Физикон", лесно се вписват в урока и позволяват на учителя да организира нови, нетрадиционни видове учебни дейности за учениците. Ето три примера за такива дейности:

• 1. Урок за решаване на проблеми, последван от компютърна проверка. Учителят кани учениците да независимо решениев клас или като домашна работа, индивидуални задачи, чиято коректност могат да проверят чрез поставяне на компютърни експерименти. Самопроверката на получените резултати с помощта на компютърен експеримент засилва познавателния интерес на учениците, а също така прави работата им творческа и често я доближава по своя характер до научните изследвания. В резултат на това много ученици започват да измислят свои собствени проблеми, да ги решават и след това да проверят правилността на разсъжденията си с помощта на компютърни модели. Учителят може съзнателно да насърчава учениците към подобни дейности, без да се страхува, че ще трябва да решава куп задачи, измислени от учениците, за които обикновено няма достатъчно време. Освен това задачите, съставени от ученици, могат да се използват в класната работа или да се предлагат на други ученици за самостоятелно изучаване под формата на домашна работа.
• 2. Урок – изследване. Студентите се насърчават сами да проведат малко проучване, използвайки компютърен модел, и да получат необходимите резултати. Освен това много модели ви позволяват да проведете такова проучване само за няколко минути. Разбира се, учителят помага на учениците във фазите на планиране и експериментиране.
• 3. Урок – компютърна лабораторна работа. За провеждане на такъв урок е необходимо да се разработят подходящи раздавателни материали. Задачите във формите на лабораторната работа трябва да бъдат подредени с нарастване на тяхната сложност. Първоначално има смисъл да се предлагат прости задачи от уводен характер и експериментални задачи, след това изчислителни задачи и накрая задачи от творчески и изследователски характер. Когато отговаря на въпрос или решава задача, ученикът може да постави необходимия компютърен експеримент и да провери своите идеи. Задачите за изчисление се препоръчва първо да бъдат решени по традиционния начин на хартия и след това да се поставят на компютърен експеримент, за да се провери правилността на отговора. Трябва да се отбележи, че задачите с творчески и изследователски характер значително повишават интереса на учениците към изучаването на физиката и са допълнителен мотивиращ фактор. Поради тази причина уроците от последните два типа се доближават до идеала, тъй като учениците получават знания в процеса на самостоятелна творческа работа, тъй като знанията са им необходими за получаване на конкретен резултат, видим на екрана на компютъра. Учителят в тези случаи е само помощник в творческия процес на овладяване на знания.

Основните етапи на разработване и изследване на модели на компютър

Използването на компютър за изучаване на информационни модели на различни обекти и процеси ви позволява да изучавате техните промени в зависимост от стойността на определени параметри. Процесът на разработване на модели и тяхното изследване на компютър може да се раздели на няколко основни етапа.

На първия етап от изследването на обект или процес обикновено се изгражда описателен информационен модел. Такъв модел подчертава съществените от гледна точка на целите на изследването (симулационни цели) свойствата на обекта и пренебрегва несъществените свойства.

На втория етап се създава формализиран модел, т.е. описателен информационен модел се пише с помощта на някакъв формален език. В такъв модел, с помощта на формули, уравнения, неравенства и т.н., се фиксират формални отношения между началните и крайните стойности на свойствата на обектите и се налагат ограничения върху допустимите стойности на тези свойства .

Въпреки това, далеч не винаги е възможно да се намерят формули, които изрично изразяват желаните количества по отношение на първоначалните данни. В такива случаи се използват приблизителни математически методи за получаване на резултати със зададена точност.

На третия етап, формализиран информационен моделпреобразувайте го в компютърен модел, т.е. изразете го на разбираем за компютър език. Компютърните модели се разработват главно от програмисти, а потребителите могат да провеждат компютърни експерименти.

В момента компютърните интерактивни визуални модели са широко използвани. В такива модели изследователят може да променя началните условия и параметри на процесите и да наблюдава промени в поведението на модела.

тестови въпроси

В какви случаи могат да се пропуснат отделни етапи на изграждане и изследване на модел? Дайте примери за създаване на модели в учебния процес.

Изследване на интерактивни компютърни модели

След това ще разгледаме редица образователни интерактивни модели, разработени от PHYSICON за образователни курсове. Образователните модели на PHYSICON са представени на CD-ROM дискове и под формата на интернет проекти. Каталогът с интерактивни модели съдържа 342 модела в пет предмета: физика (106 модела), астрономия (57 модела), математика (67 модела), химия (61 модела) и биология (51 модела). Някои от моделите в интернет на http://www.college.ru са интерактивни, а други са представени само със снимки и описание. Всички модели можете да намерите в съответния курсове за обучениена компактдискове.

2.6.1. Изследване на физически модели

Нека разгледаме процеса на изграждане и изследване на модел, използвайки примера на математически модел на махало, което е идеализация на физическо махало.

Качествен описателен модел. Можем да формулираме следните основни допускания:

окаченото тяло е много по-малко от дължината на нишката, на която е окачено;

нишката е тънка и неразтеглива, чиято маса е пренебрежимо малка спрямо масата на тялото;

ъгълът на отклонение на тялото е малък (значително по-малък от 90 °);

няма вискозно триене (махалото осцилира в

формален модел. За формализиране на модела използваме формули, известни от курса по физика. Периодът T на трептения на математическо махало е равен на:

където I е дължината на нишката, g е ускорението на свободното падане.

Интерактивен компютърен модел. Моделът демонстрира свободни трептения на математическо махало. В полетата можете да промените дължината на нишката I, ъгъла φ0 на първоначалното отклонение на махалото и коефициента на вискозно триене b.

отворена физика

2.3. Безплатни вибрации.

Модел 2.3. Математическо махало

отворена физика

Част 1 (DOR на CD) IZG

Интерактивният модел на математическото махало се стартира с натискане на бутона Старт.

С помощта на анимация се показва движението на тялото и действащите сили, начертават се графики на ъгловата координата или скоростта спрямо времето, диаграми на потенциалната и кинетичната енергия (фиг. 2.2).

Това може да се види както при свободните трептения, така и при затихналите трептения при наличие на вискозно триене.

Моля, обърнете внимание, че трептенията на математическото махало са. хармонични само при достатъчно малки амплитуди

%pI f2mfb ~ f

Ориз. 2.2. Интерактивен модел на математическо махало

http://www.physics.ru

2.1. Практическа задача. Проведете компютърен експеримент с интерактивен физически модел, публикуван в Интернет.

2.6.2. Изследване на астрономически модели

Помислете за хелиоцентричния модел на слънчевата система.

Качествен описателен модел. Хелиоцентричният модел на света на Коперник на естествен език е формулиран, както следва:

Земята се върти около оста си и слънцето;

всички планети се въртят около слънцето.

формален модел. Нютон формализира хелиоцентричната система на света, като откри закона за всемирното притегляне и законите на механиката и ги записа под формата на формули:

F = y. Wl_F = m a. (2.2)

Интерактивен компютърен модел (фиг. 2.3). 3D динамичният модел показва въртенето на планетите в Слънчевата система. Слънцето е изобразено в центъра на модела, около него са планетите от Слънчевата система.

4.1.2. Въртене на слънчевите планети

системи. Модел 4.1 Слънчева система (DOR на CD) "Open Astronomy"

Моделът поддържа реалните отношения на орбитите на планетите и техните ексцентритети. Слънцето е във фокуса на орбитата на всяка планета. Имайте предвид, че орбитите на Нептун и Плутон се пресичат. Доста е трудно да се изобразят всички планети в малък прозорец наведнъж, следователно са осигурени режимите Меркурий ... Марс и Юпитер ... L, Лутон, както и режимът Всички планети. Избор желания режимнаправено със съответния превключвател.

Докато се движите, можете да промените стойността на зрителния ъгъл в прозореца за въвеждане. Можете да получите представа за реалните ексцентричности на орбитите, като зададете зрителния ъгъл на 90°.

Може да се промени външен видмодел, като изключите показването на имената на планетите, техните орбити или координатната система, показана в горния ляв ъгъл. Бутонът Старт стартира модела, бутонът Стоп го поставя на пауза, а бутонът Нулиране го връща в първоначалното му състояние.

Ориз. 2.3. Интерактивен модел на хелиоцентричната система

D "Координатна система C Юпитер ... Плутон! ■ / Имена на планетите C. Меркурий ... Марс | 55 зрителен ъгъл!" / Орбити на планетите Всички планети

Задача за самостоятелно изпълнение

http://www.college.ru 1SCHG

Практическа задача. Проведете компютърен експеримент с интерактивен астрономически модел, публикуван в Интернет.

Изследване на алгебрични модели

формален модел. В алгебрата формалните модели се записват с помощта на уравнения, чието точно решение се основава на намиране на еквивалентни трансформации на алгебрични изрази, които позволяват изразяване на променлива с помощта на формула.

Точни решения съществуват само за някои уравнения от определен тип (линейни, квадратни, тригонометрични и т.н.), следователно за повечето уравнения трябва да се използват методи за приблизително решение с дадена точност (графична или числена).

Например, невъзможно е да се намери коренът на уравнението sin (x) = 3 * x - 2 чрез еквивалентни алгебрични трансформации. Такива уравнения обаче могат да бъдат решени приблизително чрез графични и числени методи.

Графичните функции могат да се използват за грубо приближаване на решението на уравненията. За уравнения под формата fi(x) = f2(x), където fi(x) и f2(x) са някои непрекъснати функции, коренът (или корените) на това уравнение е точката (или точките) на пресичане на функционални графики.

Графичното решение на такива уравнения може да се извърши чрез изграждане на интерактивни компютърни модели.

Функции и графики. отворена математика.

Модел 2.17

Решаване на уравнения (DER на CD)

Интерактивен компютърен модел. Въведете уравнение в горното поле за въвеждане под формата fi(x) = f2(x), например sin(x) = 3-x - 2.

Щракнете върху бутона Решаване. Почакай малко. Ще бъде начертана графика на дясната и лявата част на уравнението, корените ще бъдат маркирани със зелени точки.

За да въведете ново уравнение, щракнете върху бутона Нулиране. Ако допуснете грешка при въвеждане, в долния прозорец ще се появи съответно съобщение.

Ориз. 2.4. Интерактивен компютърен модел на графично решение на уравнения

за себеосъществяване

http://www.mathematics.ru Ш1Г

Практическа задача. Проведете компютърен експеримент с интерактивен математически модел, публикуван в Интернет.

Изучаване на геометрични модели (планиметрия)

формален модел. Триъгълник ABC се нарича правоъгълен, ако един от неговите ъгли (например ъгъл B) е прав (т.е. равен на 90 °). Страната на триъгълник срещу правия ъгъл се нарича хипотенуза; другите две страни са крака.

Теоремата на Питагор гласи, че в правоъгълен триъгълник сборът от квадратите на катетите е равен на квадрата на хипотенузата: AB2 + BC2 = AC.

Интерактивен компютърен модел (фиг. 2.5). Интерактивният модел демонстрира основните връзки в правоъгълен триъгълник.

Правоъгълен триъгълник. отворена математика.

Модел 5.1. Питагорова теорема

Планиметрия V51G (ЦОР на CD)

С мишката можете да местите точка A (във вертикална посока) и точка C (в хоризонтална посока). Показани са дължините на страните на правоъгълен триъгълник, градусните мерки на ъглите.

Можете да видите анимацията, като превключите в демо режим с помощта на бутона с иконата на проектор за филми. Бутонът Старт я стартира, бутонът Стоп я поставя на пауза, а бутонът Нулиране връща анимацията в първоначалното й състояние.

Бутонът с иконата на ръка връща модела обратно в интерактивен режим.

Ориз. 2.5. Интерактивен математически модел на Питагоровата теорема

Задача за самостоятелно изпълнение

http://www.mathematics.ru |Y|G

Практическа задача. Проведете компютърен експеримент с интерактивен планиметричен модел, публикуван в Интернет.

Изследване на геометрични модели (стереометрия)

формален модел. Призма, чиято основа е успоредник, се нарича паралелепипед. Противоположните лица на всеки паралелепипед са равни и успоредни. Паралелепипедът се нарича правоъгълен, ако всичките му лица са правоъгълници. Правоъгълен паралелепипед с равни ръбове се нарича куб.

Три ръба, излизащи от един връх на кубоид, се наричат ​​негови размери. Квадрат

диагоналът на правоъгълен паралелепипед е равен на сумата от квадратите на неговите размери:

2 2.12, 2 a = a + b + c

Обемът на правоъгълен паралелепипед е равен на произведението на неговите размери:

Интерактивен компютърен модел. Като плъзгате точки с мишката, можете да промените размерите на кутията. Наблюдавайте как дължината на диагонала, площта и обемът на паралелепипеда се променят с промяната на дължините на страните му. Флагът Direct превръща произволна кутия в правоъгълна, а флагът Cube я превръща в куб.

Паралелепипед.Отворена математика.

Модел 6.2. Стереометрия)