Необходимость компьютерного моделирования на уроках физики 7 - 11 классов

В настоящее время компьютеры активно используются во всех сферах деятельности и образовательная сфера не исключение.

На уроках физики ученикам часто приходится использовать абстрактное мышление и воображение для того, что бы представить какое-либо тело или явление. К примеру, даже самая простая задача на движение, где рассматриваются два автомобиля, которые едут на встречу друг другу, требует воображения. Но что говорить о более сложных явлениях, процессах или законах? Как показать ученикам расположение электронов и протонов, как рассказать об их движении?

Важно активировать их абстрактное мышление, помогать им развивать воображение, но так, что бы каждый представлял действительную (настоящую) картину. Именно с решением этой задачи нам помогает компьютерное моделирование.

Одно из основных применений компьютера при изучении физики – это управление экспериментом и его моделирование.

Компьютерное моделирование в школьном курсе помогает ознакомить обучающихся с некоторыми методами создания и исследования моделей физических процессов и явлений. Более того, кроме обучения физике одновременно происходит изучение языка программирования (ученики более подробно знакомятся с тем языком, с которым работали на уроках информатики).

Конечно, изучение компьютерных моделей не может привести к открытию совершенно нового явления или новой элементарной частицы. Однако именно компьютерное моделирование привело, например, к возникновению нового взгляда на интересное и сложное явление – турбулентность. Также расширяется применение компьютерного моделирования в технике. Например, при создании новой формы корпуса самолета, необходимо узнать его летные качества. Разумно ли сразу строить аппарат натуральных размеров и проводить полетные эксперименты?

Компьютерное моделирование – это один из эффективных методов изучения физических явлений.

Как правило, компьютерные модели воспринимаются учениками намного проще, понятнее и с их помощью удобнее проводить физические исследования. Кроме того, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых затруднена или может дать совершенно непредсказуемый результат.

Первый этап компьютерного моделирования – это построение качественной, а затем количественной модели.

В ходе следующего этапа необходимо провести серию вычислительных экспериментов на компьютере, а также дать интерпретацию полученных результатов.

И в итоге мы должны провести сопоставление результатов проведенного нами моделирования с реальным поведением исследуемого объекта.

Для того, чтобы не допускать ошибки при составлении интересующей модели, необходимо следовать согласно основным пунктам компьютерного моделирования.

1. Необходимо поставить задачи и определить объект моделирования;
2. Далее следует разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия;
3. Третий пункт связан с формализацией, другими словами это переход к математической модели;
4. Создается алгоритм и пишется программа;
5. Целесообразно провести серию компьютерных экспериментов;
6. Последний пункт – анализ и интерпретация результатов [1].

Принято различать два вида моделирования: аналитическое и имитационное. Аналитическим обычно называют модель реально существующего объекта, при составлении которого используются алгебраические, дифференциальные и другие уравнения. Имитационными называются математические модели, которые воспроизводят алгоритм действия (работы) исследуемой системы при последовательном выполнении большого количества элементарных операций[2].

Хотя на уроках и рассматривается построение именно физических задач, однако основной упор идет не на осмысление определенного процесса или явления, а на знакомство с алгоритмом построения подобных моделей. Именно по этому компьютерное моделирование важно использовать не только на уроках информатики, но и на уроках физики.

Под конец хотелось бы добавить, что в современной науке довольно часто возникает потребность в эксперименте, в котором не требуется открывать фундаментальные законы, а необходимо установить поведение какого-либо конкретного объекта или характер протекания конкретного процесса.

Обычно модель предназначается для изучения вполне конкретного процесса, происходящего в системе с определенными геометрическими параметрами и физическими свойствами в условиях, когда обстановка для натурного эксперимента неблагоприятна. Например, геометрические размеры системы чрезмерно велики или очень малы, исследуемый процесс протекает слишком быстро или слишком медленно, очень высоки значения режимных параметров процесса (температура, давление, электрическое напряжение и т.п.), дороговизна или токсичность расходуемых материалов и другие факторы.

Другой причиной использования моделей может служить привлечение их как эффективного средства обучения.

На основе проведенного выше анализа можно сформулировать следующие причины, демонстрирующие важность компьютерного моделирования на уроках физики:

1. Помогает объяснить научные основы моделирования (правила построения моделей и экспериментов с ними);
2. Углубляет знания учащихся в области физики и придает изучению данного предмета творческий характер;
3. При моделировании демонстрируются практические примеры использования математическо-физических методов, в которые вкладывается конкретный смысл практической деятельности;
4. Позволяет разнообразить с помощью конкретной деятельности уроки физики.

Список литературы:

1. Коткин, Г. Л. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием matlab: учебное пособие/ Г. Л. Коткин, В. С. Черкасский. – Новосиб. ун-т. Новосибирск, 2001. – 173 с.
2. Майер, Р. В. Основы компьютерного моделирования: учебное пособие/ Р. В. Майер. – Глазов: ГГПИ, 2005. – 25 с.
3. Угринович, Н.Д.Информатика [9 класс.]: учебник/ Н. Д. Угринович. – Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 г. – 152 с.