대화형 물리적 모델을 사용한 실험. 물리적 모델 연구

최근 국가 경제 상황의 결과로 과학 및 공학 교육의 역할이 커지고 있습니다. 동시에, 아직 명성이 높지는 않았고, 학교 졸업생들은 여전히 ​​인도주의적 훈련 분야를 선호합니다. 기존의 불균형을 없애기 위해서는 과학적, 기술적 창의성과 공학에 대한 학생들의 관심을 개발하기 위해 고전적이고 새로운 도구를 사용해야 합니다. 특히, 학생의 경험적 사고 형성과 교육 실험 수행 능력을위한 메커니즘의 중등 교육 시스템 도입에주의를 기울여야합니다. 이 측면에서 물리학 연구에서 대화형 컴퓨터 모델과 시뮬레이터의 가능성에 대해 논의합니다. 실제 실험과 컴퓨터 실험은 대립적인 관계가 아니라, 오히려 서로를 보완하고 성취된 학습 효과를 상호 강화하는 것으로 나타났다.

수학과 컴퓨터 모델링

상호 작용

인지 활동

물리적 실험

1. 바얀딘 D.V. 모델링 컴퓨터 시스템을 기반으로 한 물리학 교육 // 학교 기술. - 2011. - 2호. - P. 105–115.

2. 바얀딘 D.V. 대화형 컴퓨터 모델의 분류 및 물리학의 인지 과정 구조 // 현재 이슈과학과 교육. - 2013. - 제2호 - P. 311. - URL: www..09.2014).

3. 모스테파넨코 M.V. 철학과 물리 이론. - 엘. : 나우카, 1969. - 240p.

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5. 라주모프스키 V.G., 마이어 V.V. 학교에서 물리학. 인지 및 학습의 과학적 방법. - M. : VLADOS, 2004. - 463 p.

서구의 경제 제재와 관련하여 지난 1년 반 동안 발전된 경제 및 사회 전체의 상황은 수입 개발의 "적격 사용자" 생산을 향한 과정의 오류를 보여주었습니다. , 기술과 장비를 교육 시스템으로 - 스스로 새로운 기술과 장비를 만들 수 있는 우리 자신의 엔지니어를 교육하는 대신. 이와 관련하여 자연과학 및 공학 교육의 역할은 앞으로 더욱 커질 것입니다. 그러나 지난 20년 동안 경제, 법률 및 기타 인도주의 교육을 받기 위한 학교 졸업생들의 꾸준한 방향이 형성되었습니다. 대부분의 젊은이들은 금융, 기업, 정치 및 사회적 영역을 관리하기를 원하지만 상품 형태와 서비스 형태 모두에서 첨단 제품을 원하고 개발하고 생산할 수 있는 사람들이 절대적으로 충분하지 않습니다. (오늘날 의학과 교육이 포함됨).

물론 교육 시스템의 이러한 상황은 국가와 사회의 사려 깊고 조정 된 행동의 결과로만 바뀔 수 있으며 단기 캠페인의 형태가 아니라 장기적인 "새로운 교육 정책"의 형태로 바뀔 수 있습니다. 이는 지난 15년 동안 수행된 것과 근본적으로 다릅니다.

자연 과학 교육, 과학 기술 창의성 및 공학에 대한 학생들의 관심을 되살리는 방법 중 하나는 중등 교육 시스템에 학생들의 경험적 사고 형성과 교육 실험 수행 능력을 도입하는 것입니다. 이 경우 이러한 관심을 개발하기 위한 기존 도구와 새로운 도구를 모두 사용해야 합니다. 성공적인 혁신의 예는 많은 학교의 커리큘럼에 로봇을 도입한 것입니다. 컴퓨터 기술의 경우, 잠재력의 사용은 여전히 ​​불충분합니다.

감리교인들 사이에는 여전히 널리 퍼져 있는 견해가 있습니다. 컴퓨터 모델실제 대상과 현상을 완전히 대체하는 것은 아니므로 학생들의 경험적 사고 개발에 유용하지 않습니다. 이 진술의 첫 번째 부분이 그럴듯하지만(나중에 논의할 내용으로) 두 번째 부분도 의심스럽습니다. 우리는 대화형 컴퓨터 모델과 시뮬레이터를 기반으로 실험을 수행하는 데 필요한 경험적 사고 요소의 형성과 기술에 대해 이야기하는 것이 가능하다고 믿습니다. 물론이 과정의 주도적 인 역할은 실제 실험실 실험.

전통적으로 경험적 연구에서는 무엇보다도 경험적 사고와 관련된 다음 단계가 구분됩니다.

1) 관찰 및 실험 - 실험 데이터를 얻는 수단;

2) 결과의 분석 및 합성 - 관계를 식별하고 데이터를 체계화하는 수단;

3) 실험 데이터의 일반화, 새로운 경험적 개념 및 법칙의 형성(후속 검증 포함), 이를 통해 연구 중인 현상을 추가로 설명하고 시스템의 동작을 예측할 수 있습니다.

두 번째 및 세 번째 단계는 분석되고 일반화되는 것을 제외하고 모델 실험에서 완전히 구현됩니다. 실제 실험 설정의 컴퓨터 시뮬레이션에 대해 이야기하는 경우 실험 데이터를 얻는 절차 자체의 문제가 남아 있습니다. 이러한 시뮬레이션 실험에서 연구의 첫 번째 단계는 가장 큰 고통을 겪습니다. 인지 과정의 관능적 측면이 고갈되고 객관적 현실과의 연결이 끊어집니다. 이러한 손실은 실험 설정을 설계(조립)하고 실제로 관찰 및 측정을 수행하는 단계에서 대체할 수 없습니다. 그러나 첫 번째 단계에는 연구 문제를 공식화하고, 문제를 해결할 수 있는 가설을 제시하고 입증하고, 실험의 목적과 수행 절차를 결정하는 단계도 포함됩니다. 컴퓨터 시스템이 실제 설치를 모방하는 것이 아니라 충분히 높은 수준의 추상화에서 복잡한 현상을 모델링하는 경우(예: 많은 입자의 시스템에서 혼돈의 설정), 다음 측정을 통해 데이터를 얻는 단계 컴퓨터 모델이 본격화되고 교육 연구가 과학 연구에 접근합니다. .

연구 모델뿐만 아니라 대화형 교육 모델에는 교훈적 및 방법론적 기능을 결정하는 특정 인식론적 기능이 있습니다. 교육 모델의 교훈적 기능은 지식 표현의 시각화 수단,인지 기술 및 기술 형성 개발 수단, 지식 형성 수준 제어 수단으로 사용할 가능성과 관련이 있습니다. 학생들의 기술. 동일한 작업에서 공식화 된 모델의 주요 방법 론적 기능은 주관적으로 새로운 지식을 얻고 모델 실험이 인식 방법으로 작용하는 학생의 교육 연구 경험의 형성입니다.

과학 지식 과정의 굴절 교육 과정교과서에서 다룬다. 실제 실험과 마찬가지로 컴퓨터 시뮬레이션은 교육 연구의 중요한 단계를 지원합니다. 다음과 같은 용도로 사용할 수 있습니다.

• 결과의 유사성과 패턴을 인지하는 것을 포함하여 사실을 관찰, 분류 및 일반화합니다.
• 데이터 해석
• 관찰된 현상에 대한 설명을 제공하고 가설을 제시합니다.
• 가설을 검증하고 수행하기 위한 모델 실험을 계획합니다.
• 연구를 바탕으로 결론과 결론을 도출합니다.

경험적 사고 형성의 중요한 징후 중 하나는 실험을 수행하는 전술에 대해 생각하는 능력이며, 이는 필요한 노력의 측면에서 완전하지만 경제적으로 연구 문제를 해결할 수 있게 해줍니다. 이러한 의미에서 실제 설치 및 해당 작업의 프레임워크 내에서 그에 적합한 컴퓨터 모델을 사용한 작업은 유사하고 실질적으로 동등하게 유용합니다. 두 경우 모두에서 가장 중요한 것은:) 학생의 두뇌에서 일어나는 정신적 과정; b) 테스트를 위한 "실험실 스탠드"의 기술적 능력 및 필요한 경우 연구 가설 수정, 운영상의 오류 수정 피드백, 게이지 또는 모델 인터페이스에서 제공합니다. 동시에 실제 실험실 스탠드는 물론 이를 모방한 가상 스탠드보다 특성과 표현면에서 훨씬 더 풍부하지만 연구 전술을 포함한 여러 문제를 연구하기 위해서는 이것이 필수적이지 않을 수 있습니다.

말한 것을 설명하는 가장 대표적인 것은 그래프로 설명하더라도 출력에서 ​​질적 종속이 아니라 공식이나 일련의 수치 값으로 표현되는 정량적 종속성을 얻을 수 있게 하는 모델 실험입니다. 주어진 상황에 특정한.

실험 계획 능력을 숙달하는 데 유용한 상황의 예는 몸을 경사면 위로 수평선에 비스듬히 던지는 고전적인 문제 - "오르막 던지기"입니다. 이 작업은 예를 들어 "Inter@active Physics" 모델링 환경(Institute of Innovative Technologies, Perm)에서 독립적인 요소로 포함되지만 교육 목적으로 다른 여러 전자 출판물의 모델에서도 고려될 수 있습니다.

모델을 사용하여 "밑면"의 경사 각도 j와 몸체의 초기 속도 벡터와 수평 사이의 각도를 설정하고 변위 L을 고정할 수 있도록 하십시오. 떨어지는 순간에 비행기를 따라 몸이 움직입니다 (그림 1). 이 경우 모델 실험을 수행하는 목적은 비행기의 경사각 값에 대한 의존성 amax(j) - 비행 범위가 최대인 던지기 각도 값을 찾는 것입니다.

쌀. 1. 모델 실험: 던지는 각도와 기본 표면의 경사각에 대한 신체의 비행 범위 의존성.

컴퓨터 모델을 기반으로 한 적절한 연구를 학생들이 독립적으로 계획하려면 이러한 종류의 작업에 대한 특정 기술과 경험이 필요합니다. (물리적이든 수치적이든) 실험을 수행할 기술이 없는 학생은 종종 초기 조건을 무작위로 변경할 수 없다는 것을 이해하지 못하는 경우가 많습니다. 시스템을 통해 생각해야 합니다. 예를 들어, 우리의 경우 투척 속도를 변경합니다. 컴퓨터 모델 작업의 세부 사항은 일반적으로 연구 지침(예: 실험 작업 순서)을 통해 또는 교사가 학급과 수행하는 문제가 있는 대화 과정에서 명확해집니다. 논의 중인 문제는 수평면(j=0) 위로 몸을 던졌을 때의 모형 실험 순서가 작업 계획의 기초이자 일종의 힌트가 될 수 있다. 그의 아이디어는 작은 값의 각도 a로 실험을 시작한 다음 계속 던지고 매번 같은 양(예: 5º)만큼 던지는 각도를 증가시키는 것입니다. 최대 비행 범위는 45º의 던지기 각도에서 달성되며 최대 90º를 더한 각도 값 쌍은 동일한 비행 범위로 이어집니다.

기울어 진 "밑면"의 경우 각도 j의 다른 값으로 일련의 유사한 실험을 수행하여 각각에 대해 해당 amax를 결정해야한다는 것을 학생이 알아 내야합니다. 결과를 추가로 분석하려면 j와 amax 값 쌍을 표에 입력해야 합니다. 발견된 종속성을 나타내는 그래프를 작성하는 것이 바람직합니다. 또한 종속성은 선형이라는 점에 유의해야 하며 원하는 함수의 형태로 작성해야 합니다. amax=45º+j/2.

표에 따라 또는 일정에 따라 이러한 종류의 종속성을 수학적으로 기록하는 기술은 대화형 컴퓨터 시뮬레이터를 사용하여 연습할 수 있습니다. 실험을 하는 문화의 한 요소인 데이터 테이블의 구조를 설계하는 능력도 마찬가지다. 물리학의 관점에서 볼 때 이것은 주로 기술적인 문제, 운용 기술이기 때문에 물리적 실험을 기반으로 할 뿐만 아니라 시뮬레이션 모델 및 시간을 절약하기 위해 실험이나 애니메이션의 비디오 녹화도 가능합니다. 많은 시뮬레이터는 측정 기기 판독 및 관련 오류 평가 절차를 숙달하고 8-10 유효 숫자가 아닌 합리적인 정확도로 신뢰 구간 형태로 실험 결과를 기록하는 데 유용할 수 있습니다 계산기가 주는 것입니다. 대화형 시뮬레이터의 전문가 시스템은 작업 과정에서 학생의 실수를 모니터링하고 상황에 맞게 응답합니다.

우리의 관찰에 따르면 컴퓨터의 사용은 초등 기술 개발에 정확히 효과적입니다. 그러나 물론 모든 기술과 능력이 실험을 수행하는 "단단한"과정에 포함되는 학습 단계가 필요하며 여기에서 실험은 더 이상 가상이 아니라 실제여야 합니다. 따라서 컴퓨터 시뮬레이터는 교사가 기본 기술과 능력을 반복적으로 설명하고 제어하는 ​​일상적인 작업을 덜어주고 더 복잡하고 창의적이며 알고리즘적으로 어려운 순간에 집중할 수 있도록 합니다. 이러한 시뮬레이터를 원칙적으로 사용할지 여부는 특정 교사의 결정입니다. 사용 가능성을 제공하는 것은 소프트웨어 개발자와 방법론적 지원에 달려 있습니다.

이제 수학적 모델링 결과의 신뢰성 문제와 관련된 두 가지 점, 즉 1) 연구 대상 모델의 적절성과 2) 연립방정식을 풀기 위한 수치적 방법의 적절성에 대해 살펴보겠습니다.

모든 모델의 목적은 무엇보다도 연구자가 이러한 자연 현상을 이해하도록 돕는 것입니다. 반면에 시뮬레이션 결과와 그 논리적 결과는 주어진(그러나 일반적으로 일부 제한에 의해 다양성이 제한됨) 조건에서 대상의 동작을 예측하는 것을 가능하게 한다고 가정합니다. 이러한 조건의 적어도 일부 변형이 실험실 또는 본격적인 실험에서 실현 가능하다면 실험 데이터와 계산 결과를 (직접적으로 또는 간접적으로) 비교할 필요가 있습니다. 즉, 모델을 테스트해야 합니다. 실험 정보와 계산된 정보 사이의 일치는 구성된 모델에 유리합니다. 반대로, 실험 오류로 인한 것일 수 없는 상당한 불일치 또는 실험 데이터 측면에서 시뮬레이션 결과를 해석할 수 없는 능력은 모델이 적절하지 않고 객관적인 세계를 설명하는 데 적합하지 않으며 개선되어야 함을 의미합니다. 모델이 현실을 정확하게 재현할 수 있었던 상황이 더 많이 연구될수록 유사한 조건에서 해당 효과를 설명하는 데 사용할 수 있는 더 많은 이유가 있습니다. 그러나 상대적으로 말하면 조건의 미개척 영역에 대한 "보간" 및 훨씬 더 "외삽"은 특정 위험과 관련이 있습니다. 어떤 이유로 인해 실제 프로토타입이 조작에 적합하지 않거나 사용할 수 없는 모델에도 동일하게 적용됩니다. 어쨌든 각 모델에는 특정 적용 영역이 있으며 이 영역 내에서만 적절성이라고 말할 수 있으며 그 경계를 넘지 않도록 하는 것은 연구원의 몫입니다.

이제 수치적 방법의 적절성에 대해. 계산 수학에서는 주어진 초기 조건(코시 문제)에서 미분 방정식의 시스템을 적분하는 문제의 수치적 솔루션을 위해 상당한 수의 방법이 개발되었습니다. 이러한 방법은 우선 계산의 정확성과 양과 같은 특성이 다릅니다. 특정 수치 방법을 사용할 때 계산 오류 또는 오류는 방법론적 오류(예: 무한 계열의 구성원을 잘라서 발생하는 알고리즘 자체의 부정확성)와 제한된 자릿수로 인한 반올림 오류( 기계어의 유한한 길이). 따라서 단계 수의 증가에 따른 오류 누적 및 전파의 특성은 이 알고리즘 방법을 구현하는 선택한 방법에 따라 크게 달라집니다.

실제 물체와 현상을 컴퓨터 모델로 대체하는 것의 정확성에 대한 질문으로 돌아가서, 우리는 모델이 현상의 모든 측면과 그와 관련된 사건 과정의 변형을 설명할 의무가 없다는 점에 주목합니다. 즉, 이러한 자질은 그 자체로 훌륭합니다. 특히 모델 생성자에 대해 이야기하는 경우, 이를 기반으로 광범위한 작업 클래스를 해결해야 하며 이 생성자를 기반으로 한 특정 실험실 벤치는 다음으로 밝혀지지 않습니다. 계산 속도와 인터페이스 복잡성 면에서 "참을 수 없다". 그러나 별도의 연구실 작업을 이야기한다면 그 모델이 실험의 목적에만 부합하는 것으로 충분하다. 위의 예에서는 복잡한 모델도 필요하지 않습니다. 예를 들어, 그림 1에 표시된 모델은 매우 보편적인 구성자를 기반으로 구축되었기 때문에 점성 매체의 경사면에서 공이 여러 번 튀는 것을 설명합니다. 내부와 경계에서 매체의 다양한 속성을 가진 공간 영역에 대한 통합. 그러나 이러한 가능성은 실험실 작업에서 사용되지 않으므로 가장 단순한 운동 방정식 또는 초기 운동 조건에서 계수를 계산하는 포물선 방정식을 기반으로 하는 모델이면 충분합니다.

연구 결과로 공식을 얻을 수 있게 하는 컴퓨터 모델의 또 다른 예는 휘트스톤 브리지입니다. 이 연구의 목적은 브리지 암의 균형을 위한 조건(검류계의 전류 부족)을 명확히 하는 것일 수 있습니다. 그림 2는 이러한 모델의 인터페이스를 보여줍니다. 초기 상태에서 모든 저항은 동일하지만 실험 중에 사용자가 변경할 수 있습니다. 첫째, 학생들은 인접한 두 다리 팔의 저항이 같은 횟수만큼 변경되면 균형이 유지된다는 것을 발견했습니다. 이 결과를 일반화하려면 네 가지 저항의 값이 모두 다를 수 있음을 이해하기 위해 연구 기술이 충분히 개발되지 않은 학생을 격려해야 할 수도 있습니다(수업 내용을 사용하여 교사 또는 전문가 시스템). 연구 결과는 종의 알려진 비율입니다: R1/R3 = R2/R4. 이 경우 컴퓨터 모델의 장점은 결과를 분석하고 결론을 내릴 수 있는 근거로 짧은 시간에 많은 상황을 고려할 수 있다는 것입니다. 모델 버전에서 물리적 시스템을 연구한 후 학생들은 발견된 패턴에 대한 이론적 설명을 더 잘 이해하게 됩니다.

쌀. 2. 모델 실험: 휘트스톤 브리지의 균형 조건 찾기

차량 시뮬레이터 또는 산업 플랜트 시뮬레이터가 해당 현실을 대체합니까? 물론 그들은 그것을 대체하지 않습니다. 그러나 그들은이 현실에 대한 인식을 준비하고 비슷한 상황에서 자신을 "생각"할 수 있습니다. 마찬가지로 실제 실험은 교육 과정에서 대체될 수 없습니다. 컴퓨터 기술, 그러나 잘 생각한 방법론이있는 경우 후자는 교사의 시간과 노력을 절약하고 실험 활동과 관련된 기술을 포함하여 기술을 개발할 수있는 추가 도구, 교육 영향 수단으로 작용할 수 있습니다 , 심지어 경험적 사고를 형성합니다.

검토자:

Ospennikova E.V., 교육학 박사, 교수, 책임자. 카페 Perm State Humanitarian and Pedagogical University, Perm의 멀티미디어 교육 및 정보 기술 교육;

Serova T.S., Perm National Research Polytechnic University, Perm의 외국어, 언어 및 번역학과 교수, 소아과학 박사

서지 링크

^^ 1 전자 학습 자료:

>> 교육에 적용하는 개발 및 방법론

UDC 004.9 BBK 420.253

예. 안토노바

최대 현실 인터페이스 기술을 사용한 실제 실험의 대화형 학습 모델 설계 원칙

가장 현실적인 인터페이스의 기술로 구현된 학교 물리적 실험의 대화형 모델 개발에 대한 학생들의 프로젝트 활동 내용이 고려됩니다. 이 유형의 모델을 설계하기 위한 주요 원칙은 다음과 같이 결정됩니다. 실험 설정 및 해당 기능의 현실적인 시각화, 연구 중인 설정 및 물리적 개체의 요소를 사용한 준 사실적 동작, 높은 수준의 모델 상호 작용 및 시나리오 준수 보장 실험 연구의 방법론을 사용한 솔루션은 컴퓨터 모델 작업에서 학생들의 일반화된 기술 개발에 중점을 둡니다. 교육적 상호작용 모델의 설계에 대한 방법론적 접근과 기술적 접근 간의 관계의 중요성이 입증되었습니다.

키워드: 물리학 교육, 물리 실험, 실험 기술, 상호 작용 모델, 물리 실험의 교육 모델 설계 원리

중등 학교에서 물리학 과정을 마스터하려면 수많은 관찰과 실험(실증 및 실험 모두)을 기반으로 해야 합니다. 실험의 실행을 통해 학생들은 체계화 및 의미 있는 일반화에 충분한 양의 사실적 자료를 축적하고 필요한 실무 능력을 습득할 수 있습니다. 관찰 및 실험 과정에서 얻은 경험적 지식은 연구 된 자연 현상의 본질에 대한 후속 이론적 이해에 필요한 기초를 형성합니다.

불행히도 실험 수행과 관련된 경험적 지식의 단계는 고등학교에서 시간적으로 매우 제한적입니다. 학생들이 수행하는 관련 실제 작업의 양도 적습니다(실증 신체 실험은 주로 "교사의 손에 의한" 작업이고, 실험실 실험은 적으며, 가정 실험은 교육 내용에 교사가 거의 포함하지 않음). 현대 기술 환경도 이러한 상황에 부정적인 영향을 미칩니다. 학생들이 자연 현상을 관찰하고 코스의 특징을 연구하도록 권장하지 않습니다. "그 이유는" 포장 "

© Antonova D.A., 2017

이러한 현상을 우리를 주의 깊게 둘러싸고 보이지 않게 우리의 필요와 관심을 충족시키는 복잡한 기술 장치로 변환합니다.

가상 환경의 자원은 실험 연구 방법론 분야에서 학생들을 훈련시키기 위한 중요한 추가 도구로 간주될 수 있습니다. 우선 자연물리실험(관찰 및 실험)과 관련된 영상자료(보고, 상연)의 저변 확대 및 개선에 주목해야 한다. 사실적인 비디오 시퀀스는 학생들의 경험적 지평을 확장하는 데 기여하고 실제 지식을 상황에 맞게 만들고 실제로 요구합니다. 다양한 물리적 실험을 설정하는 내용과 단계를 보여주는 정적 및 대화형 컴퓨터 그래픽의 사진과 개체를 가르치는 데 유용합니다. 물리적 장치를 포함한 다양한 기술 대상의 작동뿐만 아니라 연구되는 현상의 진행 과정의 특성을 보여주는 교육용 애니메이션의 개발이 필요합니다.

특별한 관심의 주제는 구현을 위한 장치와 재료로 사용자의 교육적 물리적 경험과 실제 행동을 시뮬레이션하는 가상 환경의 대상입니다. 이 학습 환경의 고유한 기능(지능, 모델링, 상호 작용, 멀티미디어, 통신, 성능)의 복합체를 통해 개발자는 이러한 개체를 높은 품질로 만들 수 있습니다. 물리적 실험의 쌍방향 교육 모델은 교육 시장에서 수요가 높기 때문에 이러한 유형의 모델로 주제 환경을 채우기 위해 지속적으로 노력해야 합니다.

물리적 실험의 가상 모델 생성 및 첫 번째 구현에 대한 접근 방식은 2000년대 초반으로 거슬러 올라갑니다. 이 기간 동안 그러한 모델은 일반적으로 자연적인 물리적 과정의 가장 단순한 애니메이션이거나 이를 연구하기 위한 물리적 실험을 수행하는 단계였습니다. 나중에, 사용자가 모델의 매개변수를 변경하고 동작을 관찰할 수 있는 버튼 애니메이션 인터페이스와 함께 모델이 나타났습니다. 곧, 현상의 외부 징후의 시각화는 이러한 현상을 설명하는 하나 또는 다른 물리적 이론의 조항을 설명하기 위해 발생 메커니즘의 시각화로 보완되기 시작했습니다. 이 시기 가상 환경에서의 물리적 실험을 시각적으로 표현한 특징은 충분한 도식성이었다. 고등학생은 추상적 사고가 충분히 발달하고 현장 실험 연구를 수행한 경험이 있기 때문에 주로 고등학생에게 교육에서 물리적 실험의 도식 모델 유사체를 사용하는 것이 허용된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 물리학 과정을 마스터하는 초기 단계에서 가상 환경의 이러한 대상으로 작업하는 것은 대부분의 학생들에게 매우 어렵고 종종 자연 현상의 흐름의 본질에 대한 잘못된 아이디어의 형성과 부적절한 그들의 실험 연구 방법에 대한 인식. 훈련 모델의 도식적 특성과 작업 창(다양한 유형의 버튼, 목록, 스크롤 막대 등)에 대한 동작을 관리하는 전통적인 방법은 확실히 대량 교육에서 수요가 충분하지 않고 효율성이 낮은 그룹에 기인할 수 있습니다. 관행.

새로운 세기의 첫 10년 중반에 훈련 모델의 버튼 애니메이션 인터페이스의 구조와 기능이 적극적으로 개선되었습니다. 엄격하게 정의된 작업 시나리오(구성 및 작업 순서 측면에서)가 있는 모델 데이터베이스는 학생들이 독립적으로 목표를 설정하고 이를 달성하기 위한 작업 계획을 결정할 수 있도록 하는 새로운 모델로 보충되기 시작했습니다. 그러나 국내 교육에서 이러한 유형의 교육 모델을 개발하는 관행에서 상당히 혁명적인 변화는 2000년대 후반에만 발생했습니다. 가상 모델링 기술의 발달로 인해 가상 환경에서 물리적 객체를 3D 형식으로 재현하는 것이 가능하게 되었으며, 가상 환경에서 "drag & dshp" 절차를 포함하여 가상 환경에서 학생의 활동 모델에 대한 아이디어를 얻을 수 있었습니다. 개체가 변경되기 시작했습니다. 개발은 이러한 객체에 준 사실적인 동작을 제공하는 방향으로 진행되었습니다. 이러한 업데이트는 교육용 물리적 실험의 대화형 모델 개발에 특히 중요한 것으로 판명되었습니다. 가상 실험 설정의 요소와 실험 과정 전체를 제어하는 ​​거의 자연스러운 방법을 구현하는 것이 가능해졌습니다. 드래그 앤 드롭 기술 덕분에 컴퓨터의 마우스와 키보드는 실제로 실험자의 "손" 기능을 수행하기 시작했습니다. 실제와 같은 실험 제어 과정(움직이기, 돌리기, 회전하기, 누르기, 문지르기, 모양 바꾸기 등)이 포함된 대화형 3D 실험이 대상 가상 환경의 개체 디자인에서 새로운 벤치마크로 지정되었습니다. 훨씬 더 높은 교육적 품질로서의 이점은 논쟁의 여지가 없습니다.

약간의 지연과 함께 물리적 실험 모델의 표현에서 컴퓨터 그래픽을 개선하는 프로세스가 진행되고 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이것은 주로 그러한 작업에 대한 높은 인건비 때문입니다. 낮은 수준의 컴퓨터 그래픽, 물체의 이미지와 실제 대응물 간의 불일치 정도는 한 학습 환경에서 학생들이 습득한 지식과 기술을 다른 환경의 물체(실제에서 가상으로 또는 그 반대)로 이전하는 절차에 부정적인 영향을 미칩니다. 반대로). 컴퓨터 모델의 리얼리즘은 어느 정도 한계가 있을 수 있고 또 있어야 한다는 점을 부정할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 본격적인 물리적 실험을 수행하는 데 사용되는 실제 교육 개체의 "인식 가능한 이미지"를 가상 환경에서 쉽게 생성할 필요가 있습니다. 실험에서 구현된 필수 외부 기능과 기능을 고려하여 이러한 각 개체를 표시하는 것이 중요합니다. 실험실 설정의 사실적인 시각화와 실험자의 준 사실적인 행동의 조합은 일종의 실험 연구의 가상 현실을 만들고 가상 환경에서 학생 작업의 교훈 효과를 크게 증가시킵니다.

분명히 고려하면 현대 수준 IT 도구 및 하드웨어 기술의 발달로 교육 실험 연구에서 가상 현실의 요소는 머지 않아 가상 현실 그 자체로 대체될 것입니다. 조만간 학교와 대학의 교육 과정을 위해 충분한 수의 쌍방향 물리적 실험의 3D 모델이 만들어질 것입니다. 가상 환경에서 구현되는 실제 실험실의 3D 모델은 연구를 수행하기 위한 실험실 장비의 사실적인 시각화와 실제와 같은 실험 작업 및 작업을 수행할 수 있는 가능성을 통해 학생들의 지식, 기술 및 능력을 개발하는 효과적인 추가 수단입니다. 방법론 분야

실험적 연구. 그러나 가상 현실은 외부 세계와 상호 작용하지 않는 객체로 가득 차 있음을 기억해야 합니다.

교육용 물리 실험을 위한 새로운 세대의 모델을 개발하려는 시도가 이미 진행 중입니다. 소프트웨어 및 하드웨어 비용 측면에서 가상 현실 기술로 구현되는 대화형 물리적 실험 실험실 생성 이 과정제품의 실제 생산은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 활동입니다. 동시에 가상 환경의 객체를 생성하는 기술의 발전과 이러한 기술이 광범위한 개발자에게 제공됨에 따라 이 문제는 심각성을 잃을 것이 분명합니다.

현재, 의 등장 덕분에 오픈 액세스현대의 무료(제한된 기능에도 불구하고) 버전 소프트웨어가상 환경 개체의 동적 3D 모델링은 이미 가능해졌을 뿐만 아니라 증강 현실 및 혼합(하이브리드) 현실(즉, 증강 가상) 기술을 사용하여 교육 개체를 생성하는 것이 가능합니다. 예를 들어 마지막 경우에는 대화형 2.5D 모델(의사 3D 효과 포함) 또는 교육용 개체의 실제 3D 모델이 실제 데스크탑에 투영됩니다. 이 경우 현실감의 환상, 학생이 수행하는 가상 작업이 크게 증가합니다.

높은 수준의 상호 작용과 가장 현실적인 인터페이스를 특징으로 하는 새로운 세대의 교육 모델을 만들어야 할 필요성은 설계 및 개발의 방법론적 측면을 논의하는 것의 중요성을 결정합니다. 이 토론은 교육 과정에서 이러한 모델의 목적을 기반으로 구축되어야 합니다. 2) 실험 연구 방법론의 요소(단계, 조치 및 개별 작업)를 숙달하고 방법론적 지식을 통합하고 기술을 개발하여 필요한 일반화 수준을 형성합니다. 3) 자연 환경의 실물 크기 개체에서 가상 환경의 모델 개체로(또는 그 반대로) 전환하는 과정에서 습득한 지식과 기술의 적절한 이전을 보장합니다. 4) 과학적 지식에서 컴퓨터 모델링의 역할에 대한 학생들의 아이디어 형성 촉진 및 컴퓨터 모델 작업에 대한 일반화된 기술.

가상 학습 환경에서 모델 물리적 실험의 구현은 학생의 주제 및 메타 주제 지식 형성을 위한 현대 교육 기술, 특정 및 일반화된 기술(일반화의 주제 및 메타 주제 수준 모두)을 고려하여 수행해야 합니다. , 보편적 학습 활동 및 ICT 역량. 이 목표를 달성하려면 물리적 실험 모델 생성에 참여하는 저자-개발자 또는 전문가 그룹이 적절한 방법론적 지식을 가지고 있어야 합니다. 우리는이 지식의 영역을 나타냅니다.

학교 물리학 교실 장비;

실험실 및 시연 물리적 실험에 대한 요구 사항

3. 신체실험 수행과 관련된 교육활동의 구조 및 내용

학생들의 실험 기술 및 능력 형성을 위한 방법론;

실험 중 ICT 도구 사용 지침 및 방법;

물리적 실험의 양방향 교육 모델 개발 요구 사항;

컴퓨터 모델 작업을 위한 학생의 일반화된 기술 및 능력 형성을 위한 방법론;

컴퓨터 모델을 기반으로 한 가상 환경에서 학생들의 교육 실험 연구 조직.

개발의 첫 번째 단계에서 모델링 대상에 대한 사전 프로젝트 연구를 수행해야 합니다. 실험에서 연구한 자연 현상의 물리적 기초를 연구합니다. 유사한 본격적인 실험(교육, 과학)을 준비하는 내용과 방법론을 고려합니다. 구현을 위한 장비, 도구 및 재료의 구성 및 기능을 명확히 합니다. 다른 저자(가능한 경우)가 만든 설계된 물리적 경험의 아날로그 모델을 분석하여 장점과 단점 및 개선 가능한 영역을 식별합니다. 생성되는 모델을 기반으로 학생들에게 형성하는 것이 권장되는 실험 기술의 구성을 최종적으로 결정하는 것이 중요합니다.

다음으로 모든 정적 및 대화형 요소와 해당 기능을 포함하는 모델의 작업 창 인터페이스를 위한 프로젝트가 개발됩니다. 인터페이스 디자인은 물리적 현상(대상, 프로세스), 실험 연구 및 개별 단계의 구현, 교육 지침 개발, 컴퓨터 모델로 작업하십시오.

실제로 교육 실험의 모델 개발은 개별 사례별로 선택된 정보, 환경 및 프로그래밍 언어를 표현 및 처리하는 기술을 기반으로 수행됩니다.

작업이 끝나면 모델을 테스트하고 개선합니다. 실제 교육 과정에서 가상 모델을 승인하는 단계는 교육 효과를 테스트하는 데 중요합니다.

가장 공식화하자 일반 원칙가장 현실적인 인터페이스의 기술을 사용하여 물리적 실험의 대화형 교육 모델을 설계합니다.

1. 실험 설정의 현실적인 시각화(연구 중인 개체, 기술 장치, 장치 및 악기). 모델 실험을 수행하기 위한 본격적인 설정의 시각적 아날로그가 가상 실험실 테이블에 배치됩니다. 많은 특별한 경우에 실험의 현장 조건에 대한 현실적인 모델을 만들 수 있습니다. 모든 시각화의 세부 수준은 정당화되어야 합니다. 이 경우의 주요 기준은 기능의 주요 요소와 설치에 대한 적절한 인식에 필수적인 외부 이미지의 요소입니다. 사실적인 이미지를 얻으려면 실험 설정 및 개별 부품의 사진, 실험에서 연구한 대상의 사진, 실험에 필요한 도구 및 재료를 촬영하는 것이 좋습니다. 촬영 기능은 가상 환경(2D 또는 3D 모델링)에서 객체를 모델링하기 위해 선택한 기술에 따라 결정됩니다. 어떤 경우에는 시각화해야 할 수도 있습니다. 내부 장치모든 장치. 일반적으로 이미지를 모델 인터페이스에 포함하기 전에 다양한 편집기를 사용하여 추가 처리가 필요합니다.

2. 실험에서 연구된 설치 기능과 물리적 현상의 현실적인 모델링. 이 요구 사항의 충족은 본격적인 실험 과정의 철저한 분석, 실험 설정의 각 요소 기능 연구 및 재생산되는 물리적 현상의 과정 분석과 관련이 있습니다. 실험 설정의 기능적 구성 요소와 실험에서 연구된 대상 및 프로세스의 물리적 및 수학적 모델을 개발하는 것이 필요합니다.

3. 실험 설정의 요소와 연구된 물리적 대상을 사용한 학생 행동의 준 사실주의. 물리적 실험의 모델은 학생들이 가상 장비를 사용하여 실제 조작 모드에서 물리적 현상을 탐색하고 과정에서 패턴을 식별할 수 있도록 해야 합니다. 무화과에. 1은 그러한 모델의 예를 보여줍니다("", 등급 7).

쌀. 1. 대화형 모델 "지레 위의 힘의 평형"(학생 E.S. Timofeev, PSGPU, Perm의 프로젝트, 2016년 졸업)

이 모델의 작업 영역에는 서스펜션 및 밸런싱 너트가 있는 데모 레버와 100g의 6개 추 세트가 포함됩니다. 학생은 드래그 앤 드롭 기술을 사용하여 다음을 수행할 수 있습니다. 1) 밸런싱 나사를 풀거나 조여 레버의 균형을 잡을 수 있습니다 끝을 따라 미끄러지는 움직임에 의한 너트 (위, 아래); 2) 옷걸이에 지속적으로 하중을 걸고; 3) 레버가 균형을 이루도록 서스펜션을 하중으로 움직입니다. 4) 레버에서 상품을 꺼내서 컨테이너에 다시 넣습니다. 실험하는 동안 학생은 칠판에 표시된 "지레 위의 힘의 균형" 표를 채웁니다(그림 1 참조). 모델은 균형이 흐트러졌을 때 레버의 사실적인 동작을 재현합니다. 이러한 각 경우의 레버는 속도가 증가하면서 움직입니다.

무화과에. 2는 또 다른 훈련 모델을 보여줍니다("신체의 전기화", 8등급). 이 모델로 작업할 때 드래그 앤 드롭 기술을 기반으로 하는 학생은 동일한 작업을 수행할 수 있습니다.

전체 규모 설치에서와 같이 실험적 조치. 모델의 작업 영역에서 전기 스틱(에보나이트, 유리, 유기 유리 또는 씰링 왁스, 황동) 중 하나를 선택하고 테이블에 놓인 재료(모피, 고무, 종이 또는 실크). 마찰 지속 시간으로 인한 스틱의 대전 정도는 다를 수 있습니다. 막대기를 전위계의 도체로 가져오면 화살표가 벗어납니다(영향에 의한 대전). 바늘의 편차량은 막대의 통전 정도와 전위계까지의 거리에 따라 달라집니다.

쌀. 2. "신체의 전기화" 모델. 모델 실험을 위한 설치:

a) 데모의 "거시 수준" b) 데모의 "미시적 수준"(학생 A.A. Vasilchenko, PSGPU, Perm의 프로젝트, 2013년 졸업)

스틱을 터치하여 전위계를 충전할 수 있습니다. 이후에 동일한 전기 스틱을 충전된 전위계로 가져오면 화살표의 편차가 증가합니다. 다른 부호의 전하를 띤 막대기를 이 전위계에 가져오면 바늘의 편차가 감소합니다.

이 모델을 사용하여 "가상 손"을 터치하여 전위계를 충전하는 방법을 시연할 수 있습니다. 이를 위해 전기 스틱을 도체 옆에 놓고 전위계 도체의 "손"을 만진 후 제거합니다. 영향을 통한 대전을 사용하여 이 전위계의 전하의 부호를 후속적으로 결정할 수 있습니다.

신체의 대전에 대한 실증 실험의 대화식 모델(영향, 터치에 의한)을 통해 가상 장비를 사용한 현실적인 조작 모드에서 대전된 신체의 상호 작용을 탐색하고 두 종류의 전하 존재에 대한 결론을 도출할 수 있습니다. (즉, "유리" 및 "수지" 전기에 대해 또는 강철이 나중에 양전하 및 음전하에 대해 이야기하는 것처럼).

4. 현상 메커니즘의 시각화. 이 원칙의 구현은 학생들에게 연구 중인 현상 이론의 기초를 설명할 필요가 있는 경우에 수행됩니다. 일반적으로 이것은 가상의 이상화입니다. 모델 참조에서 그러한 이상화를 위한 조건에 대해 언급하는 것이 중요합니다. 특히, 위에서 언급한 본체의 대전 모델에서

시연의 "미시적 수준"의 출시가 구현되었습니다(그림 2b). 이 레벨을 시작할 때 전위계의 개별 요소 전하의 부호와 이 전하의 조건부 값이 표시됩니다(전위계의 각 요소에 "+" 및 "-" 기호가 다소 있기 때문에). "미시 수준" 모드의 작업은 학생이 물질의 구조에 대한 아이디어를 기반으로 관찰된 신체 대전 효과를 설명하도록 돕는 것을 목표로 합니다.

5. 높은 수준의 모델 상호 작용 보장. 학습 모델의 가능한 상호 작용 수준이 작업에 설명되어 있습니다. 가장 현실적인 인터페이스를 사용하여 물리적 실험 모델을 개발할 때 교육생에게 충분한 자유도를 제공하는 높은 수준의 상호 작용(세 번째, 네 번째)에 중점을 두는 것이 좋습니다. 모델은 간단한 시나리오 솔루션(지침에 따라 작업)과 실험의 목표 및 과정에 대한 학생의 독립적인 계획을 모두 허용해야 합니다. 활동의 독립성은 제안 된 범위의 대상 및 연구 조건의 임의 선택과 모델 요소에 대한 다양한 조치에 의해 제공됩니다. 이 범위가 넓을수록 연구 과정 자체와 결과 모두 학생들에게 더 예측할 수 없게 됩니다.

6. 교육 활동 모델의 구현. 관찰 및 실험 연구 활동의 구조는 일반화 된 계획에 의해 방법 론적 과학에서 표현 됩니다. 실제 실험의 실제 모델 인터페이스의 모든 요소와 기능은 이러한 계획을 고려하여 개발되어야 합니다. 이것은 물리적 실험의 구현 및 구성의 개별 조치에 대한 일반화 된 계획입니다 (장비 선택, 실험 계획, 측정, 다양한 유형의 테이블 설계, 기능 의존성 그래프의 구성 및 분석, 결론 공식화). 물리적 현상과 기술적 대상을 연구하기 위한 일반화된 계획뿐만 아니라. 모델 개발에 대한 이러한 접근 방식을 통해 학생들은 가상 실험 설정으로 완전하고 방법론적으로 유능하게 작업할 수 있습니다. 이 경우 모델로 작업하면 학생들이 물리적 실험을 수행할 때 일반화된 기술을 형성하는 데 기여할 것입니다.

가장 현실적인 인터페이스 기술로 만들어진 대화형 모델은 원칙적으로 학생들이 본격적인 실험실 작업을 수행하기 위한 것입니다. 모델의 준 사실적 특성과 실험 연구의 내용 및 구조에 대한 해당 기능의 일치는 결과적으로 가상 환경에서 학생들이 습득한 지식과 기술을 실제 실험실 환경으로 상당히 쉽게 이전합니다. . 이것은 시각적으로나 기능적으로 실제에 가까운 환경에서 가상 실험을 하는 동안 학생들이 일상적인 행동을 수행한다는 사실에 의해 보장됩니다. 부분), 실험을 수행하고(연구 대상에 필요한 "영향"을 제공하고, 기기에서 판독값을 취하고, 데이터 테이블을 채우고, 계산을 수행), 실험이 끝나면 결론을 공식화합니다. 실습에 따르면 학생들은 이후에 학교 실험실에서 동일한 장치로 유사한 작업을 매우 성공적으로 수행합니다.

7. 컴퓨터 모델을 사용하는 학생들의 작업에 대한 일반화된 계획을 고려하여 모델의 설계 및 개발. 컴퓨터 모델로 작업하기 위한 일반화된 계획이 작업으로 제시됩니다. 한편으로 이러한 계획은 사용자의 주요 행동을 정의합니다.

반면에 연구에서 모델은 높은 수준의 상호 작용과 필요한 교육 효율성을 보장하기 위해 어떤 인터페이스 요소를 만들어야 하는지 모델 개발자에게 보여줍니다.

기반으로 개발된 대화형 모델을 사용한 교육 작업 이 원칙, 학생들에게 관련 일반화된 기술의 형성을 보장하고, 인지 방법으로서 모델링의 설명 및 예측 능력을 충분히 이해할 수 있도록 합니다.

이 일반화된 계획은 가상 실험실 작업에 대한 지침을 개발할 때 적용하는 것이 좋습니다. 그러한 계획을 기반으로 교육 매뉴얼을 작성하는 절차가 작업에 나와 있습니다.

8. 조직을 위한 교육 자료 형성의 모듈 원리 독립적 인 일컴퓨터 모델을 가진 학생. 상대적으로 완료된 교육 주기를 정의하는 교육 모듈에 물리적 실험의 대화형 모델을 포함하는 것이 좋습니다(그림 3)(프레젠테이션 교육 자료간단한 이론적 및 역사적 정보의 형태로 (그림 4); 모델을 기반으로 학생의 지식과 기술을 개발하고 어려움이 있는 경우 활동 샘플 또는 작업 중 실수 표시를 제시합니다(그림 1). 대화 형 테스트를 사용하여 교육 자료를 마스터 한 결과의 자기 제어 (그림 5).

교육과학부 러시아 연방 Perm State Humanitarian and Pedagogical University 멀티미디어 교육 및 정보 기술학과 물리학부

레버 암. 레버에 작용하는 힘의 균형

MH 그룹의 학생

티모페예프 예브게니 세르게예비치

감독자

Dr. Led Neuk, 교수

오스펜니코바 엘레나 바실리에브나

쌀. 3. 대화형 교육 모듈 "지레 위의 힘의 균형": 제목 및 목차(학생 E.S. Timofeev, PSGPU, Perm의 프로젝트)

레버 암. 레버에 작용하는 힘의 균형

레버는 고정 지지대를 중심으로 회전할 수 있는 강체입니다.

그림 1은 회전축 O(지지점)가 힘 A와 B의 적용 지점 사이에 있는 레버를 보여줍니다. 그림 2는 이 레버의 다이어그램을 보여줍니다. 힘 p1과 레버에 작용하는 힘은 한 방향으로 향합니다.

레버 암. 레버에 작용하는 힘의 균형

¡레버에 작용하는 힘이 역전될 때 레버는 평형 상태에 있습니다. 이 힘의 팔에 비례합니다.

이것은 공식의 형태로 쓸 수 있습니다:

I ¡ ^ 여기서 p1과 Pr은 힘이고,

레버에 작용하는 "2 b 및 \r - 이 힘의 어깨.

지렛대 균형 법칙은 물리학자, 수학자, 발명가인 고대 그리스 과학자 아르키메데스에 의해 확립되었습니다.

쌀. 4. 대화형 교육 모듈 "지레 위의 힘의 균형": 이론적 정보(학생 E.S. Timofeev, PSGPU, Perm의 프로젝트)

표시된 도구 중 레버를 사용하지 않는 것은 무엇입니까?

1) 사람이 짐을 움직인다 #

3) 볼트와 너트

2) 자동차 페달

4) 가위

쌀. 5. 대화형 교육 모듈 "레버 위의 힘의 균형": 자제력 테스트(학생 E.S. Timofeev, PSGPU, Perm의 프로젝트)

대화형 모델은 모듈의 주요 부분이며 다른 부분은 동반되는 특성을 가지고 있습니다.

가상 실험을 구현하는 동안 학생들의 작업 결과가 모니터링됩니다. "실험자"의 잘못된 행동은 조사된 물리적 물체 또는 실험실 설비의 현실적인 "반응"을 야기해야 합니다. 경우에 따라 이 반응은 오디오 또는 비디오 신호뿐만 아니라 팝업 문자 메시지로 대체될 수 있습니다. 계산 및 실험 데이터 표를 작성할 때 실수에 대해 학생들의 주의를 환기시키는 것이 좋습니다. 저지른 잘못된 행동을 계산하고 결과에 따라 작업이 끝날 때 학생의 의견을 제시하는 것이 가능합니다.

모듈의 프레임워크 내에서 편리한 탐색이 구성되어 사용자가 다양한 구성 요소로 빠르게 전환할 수 있습니다.

물리적 실험의 대화형 교육 모델을 설계하기 위한 위의 원칙이 주요 원칙입니다. 가상 환경 객체를 생성하기 위한 기술과 이러한 객체를 관리하는 방법이 발전함에 따라 이러한 원칙의 구성과 내용이 개선될 수 있습니다.

위에 공식화된 원칙을 따르면 높은 교육 효율성의 대화형 교육 모델을 만들 수 있습니다. 가장 현실적인 인터페이스의 기술로 구현된 물리적 실험 모델은 실제로 시뮬레이터의 기능을 수행합니다. 이러한 시뮬레이션은 생성하는 데 시간이 많이 걸리지만 결과적으로 학생들에게 특별한 재료, 기술, 조직 및 방법론적 지원이 필요하지 않은 광범위한 추가 실험 실습이 제공되기 때문에 이러한 비용은 상당히 정당합니다. 실험 설정의 사실적인 시각화 및 기능, 요소를 가진 학생들의 준현실적 행동은 경험적 연구의 실제 실행에 대한 적절한 아이디어 형성에 기여합니다. 이러한 모델을 설계할 때 제어 기술이 어느 정도 구현됩니다. 학업학생 (교육 정보 표시 및 교육 활동 조직에 대한 체계적인 접근, 오류 통지 수준에서 독립적 인 작업 지원 또는 교육 지침 표시 (필요한 경우), 체계적인 자기 통제 및 존재를위한 조건 만들기 교육 자료의 동화 수준에 대한 최종 통제).

물리적 실험의 대화형 모델이 전체 규모 버전을 대체하기 위한 것이 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이것은 자연 현상에 대한 실험적 연구에 대한 학생들의 경험을 형성하기 위한 도구 및 기술 시스템을 보완하도록 설계된 또 다른 교훈적인 도구일 뿐입니다.

서지

1. 안토노바 예. 중등 학교를 위한 물리학의 대화형 교육 모델을 개발하기 위한 학생들의 프로젝트 활동 조직 // 대학 및 학교에서 자연 과학, 수학 및 정보학 교육: Sat. 재료 X 국제 과학적 -연습. 회의 (2017년 10월 31일 - 11월 1일). - 톰스크: TSPU: 2017. - p. 77 - 82.

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물리학 수업에서 컴퓨터 모델을 사용한 경험

알렉산더 페도로비치 카브트레프 , 물리-수학 후보자. 과학, 소로스 교사, 상트페테르부르크 정보문화센터 연구소장

최근에는 "물리학 수업에 컴퓨터가 필요한가요? 컴퓨터 시뮬레이션이 교육 과정의 실제 실험을 대체할 수 있을까요?"라는 질문을 자주 듣게 됩니다. 이런 질문을 하는 방법을 잘 모르는 교사들이 가장 자주 묻는다. 정보 기술이러한 기술이 교육에 어떻게 유용할 수 있는지 잘 이해하지 못합니다.

"물리학 수업에서 컴퓨터 프로그램을 사용하는 것이 언제 정당화됩니까?"라는 질문에 답해 봅시다. 우리는 무엇보다도 전통적인 형태의 교육에 비해 상당한 이점이 있는 경우에 있다고 믿습니다. 그러한 사례 중 하나는 교육 과정에서 컴퓨터 모델을 사용하는 것입니다. 저자는 컴퓨터 모델에 의해 이해한다는 점에 유의해야 합니다. 컴퓨터 프로그램, 작업에서 발생하는 물리적 현상, 실험 또는 이상적인 상황을 시뮬레이션할 수 있습니다.

자연 실험과 비교하여 컴퓨터 시뮬레이션의 장점은 무엇입니까? 우선, 컴퓨터 모델링을 통해 물리적 실험과 현상을 시각적으로 역동적으로 표현하고 실제 현상과 실험을 관찰할 때 종종 벗어나는 미묘한 세부 사항을 재현할 수 있습니다. 모델을 사용할 때 컴퓨터는 실제 물리적 실험에서 달성할 수 없는 고유한 기능, 실제 자연 현상이 아니라 단순화된 모델을 시각화하는 기능을 제공합니다. 이 경우 점차적으로 모델을 복잡하게 만들고 실제 물리적 현상에 더 가깝게 만드는 추가 요소가 고려 사항에 점차 포함될 수 있습니다. 또한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 사건의 시간 척도를 다양화할 수 있을 뿐만 아니라 물리적 실험에서는 실현할 수 없는 상황을 시뮬레이션할 수 있습니다.

컴퓨터 모델을 사용하는 학생들의 작업은 컴퓨터 모델을 사용하여 물리적 실험의 초기 조건을 광범위하게 변경할 수 있으므로 수많은 가상 실험을 수행할 수 있기 때문에 매우 유용합니다. 이러한 상호 작용은 학생들에게 엄청난 인지 기회를 열어주어 관찰자일 뿐만 아니라 진행 중인 실험에 적극적으로 참여하게 합니다. 일부 모델은 실험 과정과 동시에 해당 그래픽 종속성의 구성을 관찰하여 가시성을 높입니다. 이러한 모델은 학생들이 일반적으로 그래프를 구성하고 읽는 데 상당한 어려움을 겪기 때문에 특히 가치가 있습니다.

물론 컴퓨터 연구실이 실제 물리학 연구실을 대체할 수는 없습니다. 그러나 컴퓨터 실험실 작업을 수행하려면 초기 조건 선택, 실험 매개변수 설정 등 실제 실험의 특징이기도 한 특정 기술이 필요합니다.

학교 물리학 과정 전반에 걸쳐 수많은 컴퓨터 모델이 회사에서 개발한 멀티미디어 과정에 포함되어 있습니다." 의사 "Physics in Pictures", "Open Physics 1.1", "Open Physics 2.0", "Open Astronomy 2.0" 및 "Open Chemistry 2.0" 이러한 컴퓨터 과정의 주요 특징은 수많은 컴퓨터 모델입니다. 많은 국가의 사용자들이 높이 평가합니다.(상당한 수의 모델이 Open College 웹사이트: http://www.college.ru/).

"Physicon" 회사에서 개발한 컴퓨터 모델은 수업에 쉽게 적합하며 교사는 학생들을 위한 새롭고 비전통적인 유형의 학습 활동을 구성할 수 있습니다. 다음은 그러한 활동의 ​​세 가지 예입니다.

• 1. 문제 해결 수업 후 컴퓨터 점검. 교사는 학생들에게 교실에서 또는 숙제로 독립적인 해결을 위한 개별 과제를 제공하고 컴퓨터 실험을 설정하여 정확성을 확인할 수 있습니다. 컴퓨터 실험의 도움으로 얻은 결과의 자체 검증은 학생들의 인지적 관심을 높이고 작업을 창의적으로 만들고 종종 자연에서 과학 연구에 더 가깝게 만듭니다. 그 결과 많은 학생들이 자신의 문제를 고안하고 해결한 다음 컴퓨터 모델을 사용하여 추론의 정확성을 확인하기 시작합니다. 교사는 일반적으로 시간이 충분하지 않은 학생들이 고안한 많은 문제를 해결해야 한다는 두려움 없이 그러한 활동에 대해 의식적으로 학생들을 격려할 수 있습니다. 또한 학생들이 작성한 과제는 수업 시간에 활용하거나 숙제 형태로 다른 학생들에게 독립적인 학습을 제공할 수 있습니다.
• 2. 수업 - 연구. 학생들은 컴퓨터 모델을 사용하여 스스로 소규모 연구를 수행하고 필요한 결과를 얻을 수 있습니다. 또한 많은 모델을 사용하면 단 몇 분 만에 이러한 연구를 수행할 수 있습니다. 물론 교사는 계획 및 실험 단계에서 학생들을 돕습니다.
• 3. 수업 - 컴퓨터 실험실 작업. 그러한 공과를 진행하려면 적절한 유인물을 개발할 필요가 있습니다. 실험실 작업 형태의 작업은 복잡성이 증가함에 따라 정렬되어야 합니다. 처음에는 입문적 성격의 간단한 과제와 실험적 과제, 그 다음에는 계산 과제, 마지막으로 창의적이고 연구적인 성격의 과제를 제공하는 것이 합리적입니다. 질문에 답하거나 문제를 풀 때 필요한 컴퓨터 실험을 설정하고 자신의 아이디어를 확인할 수 있습니다. 계산 문제는 먼저 종이에 전통적인 방식으로 풀고 컴퓨터 실험을 통해 답의 정확성을 확인하는 것이 좋습니다. 창의적이고 연구적인 성격의 과제는 물리학 연구에 대한 학생들의 관심을 크게 높이고 추가적인 동기 부여 요소라는 점에 유의해야 합니다. 이러한 이유로 컴퓨터 화면에서 볼 수있는 특정 결과를 얻으려면 지식이 필요하기 때문에 학생들이 독립적 인 창작 과정에서 지식을 습득함에 따라 마지막 두 유형의 수업이 이상에 접근하고 있습니다. 이 경우 교사는 지식 습득의 창조적 과정에서 조수일 뿐입니다.

컴퓨터에서 모델 개발 및 연구의 주요 단계

컴퓨터를 사용하여 다양한 개체 및 프로세스의 정보 모델을 연구하면 특정 매개변수의 값에 따라 변경 사항을 연구할 수 있습니다. 모델을 개발하는 과정과 컴퓨터에 대한 연구는 몇 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다.

대상 또는 프로세스 연구의 첫 번째 단계에서 일반적으로 기술 정보 모델이 구축됩니다. 이러한 모델은 연구의 목적(시뮬레이션 목표)의 관점에서 본질적인 것을 강조하고, 대상의 속성을 강조하고, 필수적이지 않은 속성은 무시합니다.

두 번째 단계에서는 형식화된 모델이 생성됩니다. 즉, 일부 형식 언어를 사용하여 기술 정보 모델이 작성됩니다. 이러한 모델에서는 수식, 방정식, 부등식 등의 도움으로 객체 속성의 초기 값과 최종 값 사이의 형식 관계가 고정되고 이러한 속성의 허용 값에도 제한이 적용됩니다. .

그러나 초기 데이터 측면에서 원하는 양을 명시적으로 표현하는 공식을 찾는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 그러한 경우, 대략적인 수학적 방법을 사용하여 주어진 정확도로 결과를 얻습니다.

세 번째 단계에서는 형식화된 정보 모델이를 컴퓨터 모델로 변환합니다. 즉, 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어로 표현합니다. 컴퓨터 모델은 주로 프로그래머에 의해 개발되며 사용자는 컴퓨터 실험을 수행할 수 있습니다.

현재 컴퓨터 대화형 시각적 모델이 널리 사용됩니다. 이러한 모델에서 연구원은 프로세스의 초기 조건과 매개변수를 변경하고 모델 동작의 변화를 관찰할 수 있습니다.

통제 질문

어떤 경우에 모델 구축 및 연구의 개별 단계를 생략할 수 있습니까? 학습 과정에서 모델을 생성하는 예를 제시하십시오.

대화형 컴퓨터 모델 연구

다음으로, 우리는 교육 과정을 위해 PHYSICON에서 개발한 여러 교육용 대화형 모델을 고려할 것입니다. PHYSICON 교육 모델은 CD-ROM과 인터넷 프로젝트 형태로 제공됩니다. 대화형 모델 카탈로그에는 물리학(106개 모델), 천문학(57개 모델), 수학(67개 모델), 화학(61개 모델) 및 생물학(51개 모델)의 5개 주제에서 342개 모델이 포함되어 있습니다. http://www.college.ru의 인터넷에 있는 모델 중 일부는 상호 작용하는 반면 다른 모델은 사진과 설명으로만 제공됩니다. 모든 모델은 해당 사이트에서 찾을 수 있습니다. 교육 과정 CD에.

2.6.1. 물리적 모델 연구

물리적 진자를 이상화한 수학적 진자 모델을 예로 들어 모델을 구축하고 연구하는 과정을 살펴보자.

정성적 기술 모델. 다음과 같은 주요 가정을 공식화할 수 있습니다.

매달린 몸체는 매달린 실의 길이보다 훨씬 작습니다.

실은 가늘고 확장할 수 없으며 그 질량은 몸체의 질량에 비해 무시할 수 있습니다.

몸체의 처짐 각도가 작습니다(90°보다 훨씬 작음).

점성 마찰이 없다(진자가 진동한다.

정식 모델. 모델을 공식화하기 위해 물리학 과정에서 알려진 공식을 사용합니다. 수학 진자의 진동 주기 T는 다음과 같습니다.

여기서 I는 나사산의 길이, g는 자유 낙하 가속도입니다.

대화형 컴퓨터 모델. 이 모델은 수학 진자의 자유 진동을 보여줍니다. 필드에서 스레드 I의 길이, 진자의 초기 처짐 각도 φ0, 점성 마찰 계수 b를 변경할 수 있습니다.

열린 물리학

2.3. 자유로운 진동.

모델 2.3. 수학 진자

열린 물리학

파트 1 (CD의 DOR) IZG

시작 버튼을 클릭하면 수학 진자의 대화형 모델이 시작됩니다.

애니메이션의 도움으로 신체의 움직임과 작용력이 표시되고 각 좌표 또는 속도 대 시간 그래프, 위치 및 운동 에너지 다이어그램이 그려집니다(그림 2.2).

이것은 자유 진동과 점성 마찰이 있는 감쇠 진동에서 볼 수 있습니다.

수학 진자의 진동은 다음과 같습니다. 충분히 작은 진폭에서만 고조파

%pI f2mfb ~ f

쌀. 2.2. 수학 진자의 대화형 모델

http://www.physics.ru

2.1. 실용적인 작업. 인터넷에 게시된 대화형 물리적 모델을 사용하여 컴퓨터 실험을 수행합니다.

2.6.2. 천문 모델 연구

태양계의 태양 중심 모델을 고려하십시오.

정성적 기술 모델. 자연어로 된 코페르니쿠스 세계의 태양 중심 모델은 다음과 같이 공식화되었습니다.

지구는 축과 태양을 중심으로 회전합니다.

모든 행성은 태양 주위를 돈다.

정식 모델. 뉴턴은 만유인력의 법칙과 역학 법칙을 발견하고 공식의 형태로 기록함으로써 세계의 태양 중심 시스템을 공식화했습니다.

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

대화형 컴퓨터 모델(그림 2.3). 3D 동적 모델은 태양계에서 행성의 회전을 보여줍니다. 태양은 모델의 중앙에 묘사되어 있으며 그 주위에는 태양계의 행성이 있습니다.

4.1.2. 태양 행성의 회전

시스템. 모델 4.1 태양계(CD의 DOR) "개방 천문학"

이 모델은 행성의 궤도와 이심률의 실제 관계를 유지합니다. 태양은 각 행성의 궤도의 초점에 있습니다. 해왕성과 명왕성의 궤도가 교차한다는 점에 유의하십시오. 작은 창에서 모든 행성을 한 번에 묘사하는 것은 매우 어렵습니다. 따라서 수성 ... 화성과 목성 ... L, Luton 모드 및 모든 행성 모드가 제공됩니다. 선택 원하는 모드적절한 스위치로 완료됩니다.

이동하는 동안 입력 창에서 화각 값을 변경할 수 있습니다. 화각을 90°로 설정하면 궤도의 실제 이심률에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다.

바꿀 수있다 모습행성의 이름, 궤도 또는 왼쪽 상단에 표시된 좌표계의 이름 표시를 꺼서 모델을 만들 수 있습니다. 시작 버튼은 모델을 시작하고 중지 버튼은 모델을 일시 중지하고 재설정 버튼은 모델을 원래 상태로 되돌립니다.

쌀. 2.3. 태양 중심 시스템의 대화형 모델

D "좌표계 C 목성 ... 명왕성! ■ / 행성의 이름 C. 수성 ... 화성 | 55 화각!" / 행성의 궤도 모든 행성

자기실현을 위한 과제

http://www.college.ru 1SCHG

실용적인 작업. 인터넷에 게시된 대화형 천문 모델을 사용하여 컴퓨터 실험을 수행합니다.

대수 모델 연구

정식 모델. 대수학에서 공식 모델은 방정식을 사용하여 작성되며, 정확한 솔루션은 공식을 사용하여 변수를 표현할 수 있는 대수식의 등가 변환 검색을 기반으로 합니다.

정확한 해는 특정 유형(선형, 2차, 삼각 등)의 일부 방정식에 대해서만 존재하므로 대부분의 방정식에 대해 주어진 정확도(그래픽 또는 수치)로 근사해 방법을 사용해야 합니다.

예를 들어, 등가 대수 ​​변환으로 방정식 sin (x) = 3 * x - 2의 근을 찾는 것은 불가능합니다. 그러나 이러한 방정식은 대략적으로 그래픽 및 수치적 방법으로 풀 수 있습니다.

플로팅 기능을 사용하여 방정식의 해를 대략적으로 근사할 수 있습니다. fi(x) = f2(x) 형식의 방정식에서 fi(x)와 f2(x)는 일부 연속 함수이며 이 방정식의 근(또는 근)은 함수 그래프.

이러한 방정식의 그래픽 솔루션은 대화형 컴퓨터 모델을 구축하여 수행할 수 있습니다.

함수와 그래프. 열린 수학.

모델 2.17

방정식 풀기(CD의 DER)

대화형 컴퓨터 모델. fi(x) = f2(x) 형식으로 위쪽 입력 필드에 방정식을 입력합니다(예: sin(x) = 3-x - 2).

해결 버튼을 클릭합니다. 잠시만 기다려주세요. 방정식의 오른쪽과 왼쪽 부분의 그래프가 그려지고 뿌리는 녹색 점으로 표시됩니다.

새 방정식을 입력하려면 재설정 버튼을 클릭하십시오. 입력 시 실수를 하면 하단 창에 해당 메시지가 나타납니다.

쌀. 2.4. 방정식의 그래픽 솔루션의 대화형 컴퓨터 모델

자기 성취를 위해

http://www.mathematics.ru Ш1Г

실용적인 작업. 인터넷에 게시된 대화형 수학 모델을 사용하여 컴퓨터 실험을 수행합니다.

기하학적 모델 연구(평면 측정)

정식 모델. 삼각형 ABC는 각도 중 하나(예: 각도 B)가 직각(즉, 90°)인 경우 직사각형이라고 합니다. 직각과 반대되는 삼각형의 변을 빗변이라고 합니다. 다른 두 측면은 다리입니다.

피타고라스 정리에 따르면 직각 삼각형에서 다리의 제곱의 합은 빗변의 제곱과 같습니다: AB2 + BC2 = AC.

대화형 컴퓨터 모델(그림 2.5). 대화형 모델은 직각 삼각형의 주요 관계를 보여줍니다.

정삼각형. 열린 수학.

모델 5.1. 피타고라스의 정리

Planimetry V51G(CD의 TsOR)

마우스로 점 A(수직 방향)와 점 C(수평 방향)를 이동할 수 있습니다. 직각 삼각형의 변의 길이, 각도의 정도가 표시됩니다.

영사기 아이콘 버튼을 사용하여 데모 모드로 전환하여 애니메이션을 볼 수 있습니다. 시작 버튼은 애니메이션을 시작하고 중지 버튼은 애니메이션을 일시 중지하고 재설정 버튼은 애니메이션을 원래 상태로 되돌립니다.

손 모양 아이콘이 있는 버튼은 모델을 다시 대화형 모드로 전환합니다.

쌀. 2.5. 피타고라스 정리의 대화형 수학적 모델

자기실현을 위한 과제

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

실용적인 작업. 인터넷에 게시된 대화형 평면 모델로 컴퓨터 실험을 수행합니다.

기하학적 모델 연구(입체 측정)

정식 모델. 밑변이 평행사변형인 프리즘을 평행육면체라고 합니다. 평행육면체의 마주보는 면은 같고 평행합니다. 평행 육면체는 모든 면이 직사각형인 경우 직사각형이라고 합니다. 모서리가 같은 직육면체를 정육면체라고 합니다.

직육면체의 한 꼭짓점에서 나오는 세 모서리를 치수라고 합니다. 정사각형

직육면체의 대각선은 치수의 제곱의 합과 같습니다.

2 2.12, 2 a = a + b + c

직육면체의 부피는 치수의 곱과 같습니다.

대화형 컴퓨터 모델. 마우스로 점을 드래그하여 상자의 크기를 변경할 수 있습니다. 변의 길이가 변할 때 대각선의 길이, 표면적 및 부피가 어떻게 변하는지 관찰하십시오. Direct 플래그는 임의의 상자를 직사각형으로 바꾸고 Cube 플래그는 큐브로 바꿉니다.

평행 육면체. 수학을 엽니다.

모델 6.2.입체 측정)