Учебно-методический комплекс по дисциплине дс. В. 05 Основы компьютерного моделирования в физике ( Ч. 1 ) ( индекс по гос/наименование дисциплины

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание Рекомендована к утверждению Рассмотрена и одобрена на Сведения о переутверждении рабочей программы учебной дисциплины 1 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 1.1 Требования государственного образовательного стандарта к содержанию данной дисциплины 1.2 Цели, учебные задачи дисциплины, место и роль учебной дисциплины в подготовке специалиста 1.3 Виды учебной деятельности студентов 1.4 Контроль знаний студентов 2 Содержание программы

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен. Ф. 03 Физика индекс по гос/наименование, 1084.49kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен. В. 02 Язык С++ индекс по гос/наименование, 281.51kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине дс. 05 Астрофизика индекс по гос/наименование, 1011.11kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен,Ф. 01. Компьютерные науки индекс по гос/наименование, 318.23kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен. Ф. 041. Программирование индекс по гос/наименование, 668.07kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен. Ф. 04 Концепции современного естествознания, 708.53kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен. Ф. 04 Концепции современного естествознания, 726.55kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине опд. Ф. 015 Теоретическая физика: Квантовая, 400.35kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине опд. Ф. 02. Методы математической физики., 351.4kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Сети ЭВМ и телекоммуникации (наименование, 743.2kb.

Рекомендована к утверждению Рассмотрена и одобрена на

решением учебно-методической заседании кафедры

комиссии (учебно-методического теоретической и прикладной

совета) физико-математического физики

факультета (название кафедры)

(название факультета / института, специальности)

протокол заседания № 1 от протокол заседания № 4 от

«11» сентября 2009 г. «20» ноября 2009 г.

/Косов А.А. Косов А.А.

(подпись, Ф.И.О. председателя) (подпись, Ф.И.О., зав. кафедрой)


СОГЛАСОВАНО с выпускающей кафедрой общей физики

(название кафедры)


протокол заседания № 1 от «31» августа 2009 г. Леухин А.В.

(Ф.И.О. зав. кафедрой, подпись)

Сведения о переутверждении рабочей программы учебной дисциплины

на очередной учебный год и регистрация изменений

Учебный год	Решение кафедры (№ протокола, дата заседания кафедры, Ф.И.О., подпись зав. кафедрой)	Автор изменения (Ф.И.О., подпись)	Номер изменения

1 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

1.1 Требования государственного образовательного стандарта к содержанию данной дисциплины

	Дисциплина специализации по выбору
1	Основы компьютерного моделирования в физике (Ч. 1)	ДС.В.05

1.2 Цели, учебные задачи дисциплины, место и роль учебной дисциплины в подготовке специалиста

Дисциплина базируется на знаниях полученных студентами в ходе изучения общепрофессиональных дисциплин: информатика, основы информационных технологий, языки программирования и методы трансляции, системное и прикладное программное обеспечение, базы данных и экспертные системы.
Научными основами дисциплины являются информатика, теории информации, общая теория систем, основы системного анализа.
Целью дисциплины является изучение основ теории моделирования и приобретение навыков построения математических моделей различных классов, проведение экспериментов с моделями на компьютере.
Учебный курс дисциплины ориентирован на то, чтобы в результате его освоения студенты
имели представление:

• видах моделирования в естественных и технических науках;
  
• подходах классификации математических моделей;
  
• простых, сложных и больших системах;
  
• системном подходе в научных исследованиях,
  

знали:

• классы и схемы математических моделей;
  
• этапы компьютерного моделирования;
  
• инструментальные средства имитационного моделирования,
  

умели:

• формулировать цели моделирования;
  
• создать информационную и математическую модель;
  
• анализировать модели;
  
• составить план целевого эксперимента;
  
• организовать эксперимент и интерпретировать его результаты;
  
• формулировать выводы.
  

Профессиональная деятельность специалиста по специальности «Физика», изучающего курс Основы компьютерного моделирования направлена на возможность освоения новых теорий и моделей; исследований и оценку состояния и обработки полученных результатов научных исследований на современном уровне и их анализ.

Студенты, окончившие курс «Основы компьютерного моделирования», должны быть подготовлены к решению следующих задач:

• научные исследования поставленных проблем;
  
• формулировка новых задач, возникающих в ходе научных исследований;
  
• разработка новых методов исследований;
  
• выбор необходимых методов исследования;
  
• освоение новых методов научных исследований;
  
• освоение новых теорий и моделей;
  
• обработка полученных результатов научных исследований на современном уровне и их анализ;
  
• работа с научной литературой с использованием новых информационных технологий, слежение за научной периодикой.
  

1.3 Виды учебной деятельности студентов

Лекции и лабораторные занятия. В качестве внеаудиторной самостоятельной работы: работа с научной литературой с использованием новых информационных технологий, слежение за научной периодикой.

Самостоятельная работа также включает в себя:

• изучение теоретического материала;
  
• переработку материала лекций;
  
• подготовку к практическим занятиям;
  
• индивидуальную работу в компьютерном классе
  

1.4 Контроль знаний студентов

6 семестр – экзамен.

1.5 Другие пояснения автора

Математическая модель выражает существенные черты объекта или процесса языком уравнений и математических символов. Толчок развитию математического моделирования дало появление ЭВМ, хотя сам метод зародился одновременно с математикой тысячи лет назад. Математическое моделирование как таковое отнюдь не всегда требует компьютерной поддержки. Каждый специалист, профессионально занимающийся математическим моделированием, делает все возможное для аналитического исследования модели. Аналитические решения (т.е. представленные формулами, выражающими результаты исследования через исходные данные) обычно удобнее и информативнее численных методов. Возможности аналитических методов решения сложных математических задач, однако, очень ограниченны и, как правило, сложнее численных.
Однако, понятия "аналитическое решение" и "компьютерное решение" отнюдь не противостоят друг другу, так как
а) все чаще компьютеры при математическом моделировании используются не только для численных расчетов, но и для аналитических преобразований;
б) результат аналитического исследования математической модели часто выражен столь сложной формулой, что при взгляде на нее не складывается восприятия описываемого ей процесса. Эту формулу (систему формул) нужно протабулировать, представить графически, проиллюстрировать в динамике, иногда озвучить, т.е. проделать "визуализацию абстракции". При этом компьютер - незаменимое техническое средство.

В настоящее время моделирование составляет неотъемлемую часть современной фундаментальной и прикладной науки, причем по важности оно приближается к традиционным экспериментальным и теоретическим методам научного познания.

Цель курса - расширить представления студентов о моделировании как методе научного познания, о использовании компьютера как инструмента научно-исследовательской деятельности.

Процесс моделирования требует проведения математических вычислений, которые в подавляющем большинстве случаев являются весьма сложными. Для разработки программ, позволяющих моделировать тот или иной процесс, от обучающихся потребуется не только знание конкретных языков программирования, но и владение методами вычислительной математики. При изучении данного курса представляется целесообразным использовать пакеты прикладных программ для математических и научных расчетов, ориентированные на широкий круг пользователей.

2 СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

Изучение курса начинается с метода проектов. Метод проектов возник в начале XX века в США. Его называли также методом проблем, и связывался он с идеями гуманистического направления в философии и образовании, разработанными американским философом и педагогом Дж.Дьюи, а также его учеником В.Х.Клипатриком. Дж.Дьюи предлагал строить обучение на активной основе, через целесообразную деятельность обучающегося, сообразуясь с его личным интересом именно в этом знании. Со временем реализация метода проектов претерпела некоторую эволюцию. Родившись из идеи свободного воспитания, она становится в настоящее время интегрированным компонентом вполне разработанной и структурированной системы образования.

Метод проектов и обучение в сотрудничестве находят все большее распространение в системах образования разных стран мира. В последнее время этому методу уделяется пристальное внимание и в России. Причинами этого являются:

• необходимость не столько передавать обучаемым сумму тех или иных знаний, сколько научить приобретать эти знания самостоятельно, уметь пользоваться приобретенными знаниями для решения новых познавательных и практических задач;
  
• актуальность приобретения коммуникативных навыков и умений, т.е. умений работать в разнообразных группах, выполняя разные социальные роли (лидера, исполнителя, посредника и пр.);
  
• актуальность широких человеческих контактов, знакомства с разными культурами, точками зрения на одну проблему;
  
• значимость для развития человека умения пользоваться исследовательскими методами: собирать информацию, факты, уметь анализировать их с разных точек зрения, выдвигать гипотезы, делать выводы и заключения.
  

Если обучаемый приобретает указанные выше навыки и умения, он оказывается более приспособленным к жизни, умеющим адаптироваться к изменяющимся условиям, ориентироваться в разнообразных ситуациях, работать совместно в различных коллективах.

Метод проектов всегда предусматривает решение какой-то проблемы. А решение проблемы предусматривает, с одной стороны, использование совокупности разнообразных методов и средств обучения, а с другой - необходимость интегрирования знаний и умений из различных сфер науки, техники, технологии, творческих областей.

Учебный проект определяется как определенным образом организованная целенаправленная деятельность. Результатом проектной деятельности обучаемых является новое знание.

Е.С. Полат определяет основные требования к использованию метода проектов:

1. Наличие значимой в исследовательском плане проблемы/задачи, требующей интегрированного знания, исследовательского поиска для ее решения (например, исследование демографической проблемы в разных регионах мира; создание серии репортажей из разных концов земного шара по одной проблеме; проблема влияния кислотных дождей на окружающую среду и т.д.).
   
2. Практическая, теоретическая, познавательная значимость предполагаемых результатов (например, доклад в соответствующие службы о демографическом состоянии данного региона, факторах, влияющих на это состояние, тенденциях, прослеживающихся в развитии данной проблемы; совместный с партнером по проекту выпуск газеты, альманаха с репортажами с места событий; охрана леса.
   
3. Самостоятельная (индивидуальная, парная, групповая) деятельность учащихся.
   
4. Структурирование содержательной части проекта (с указанием поэтапных результатов).
   
5. Использование исследовательских методов, предусматривающих определенную последовательность действий:
   
   • определение проблемы и вытекающих из нее задач исследования (использование в ходе совместного исследования метода "мозговой атаки", "круглого стола");
     
   • выдвижение гипотезы их решения;
     
   • обсуждение способов оформления конечных результатов (презентаций, защиты, творческих отчетов, просмотров и пр.);
     
   • сбор, систематизация и анализ полученных данных;
     
   • подведение итогов, оформление результатов, их презентация;
     
   • выводы, выдвижение новых проблем исследования.
     

Проектирование учебной деятельности на основе метода проектов состоит из нескольких этапов, на каждом из которых происходит последовательное уточнение проекта:

• цели и задачи проекта, анализ ситуации, выяснение проблемы;
  
• идея проекта, этап генерации идей и методов решения задач, творческий акт к поиску идей решения;
  
• организационный этап проекта, определение участников проекта, время, место и роли участников, терминология, понятийный аппарат (для нахождения общего языка);
  
• таблица ответственности, план-график, ответственные и их взаимодействие;
  
• диаграмма супермаркета, проект - это "супермаркет": помещения, комнаты с оборудованием, ресурсы;
  
• характеристика ключевых ситуаций, проектирование и прогнозирование ситуаций;
  
• диалог, принципы взаимодействия человека с программой или людей между собой;
  
• моделирование вариантов ожидаемых результатов;
  
• инструкция, документация по проекту, формальности: авторские права, издание, лицензирование, идея проекта, концепция, педагогика, описание: композиция, действующие лица, состояния, диалоги, инструкции для координатора проекта, для учителя-предметника, приложения.
  

Рассмотрим содержание проектной организации занятий на примере одной из тем курса компьютерного моделирования. Одним из важных разделов компьютерного моделирования являются компьютерные игры. Многими педагогами различных дисциплин широко используются существующие игровые программы в обучении, однако, для многих педагогических целей больший интерес может представить технология моделирования компьютерных игр. Особенно значительные возможности в обучении предоставляют компьютерные модели карточных и шахматных игр.

Главной целью моделирования шахматных и карточных игр является изучение вероятностных процессов на практике, приобретение навыков разработки оптимальных игровых стратегий. Основными этапами обучения в рамках компьютерного моделирования игр являются следующие работы:

• создание компьютерной модели;
  
• разработка машинного алгоритма игры;
  
• моделирование стратегии игры игроков и компьютерной модели;
  
• решение задач, связанных с моделированием игры.
  

Примерами моделей шахматных игр могут служить различные шахматные этюды, различные варианты "шашек", "уголков", "шахмат", а также другие логические игры, использующие клеточные поля, например, крестики-нолики и т.п.

Карточных игр существует множество. Здесь имеется большой простор для компьютерного моделирования пасьянсов, различных азартных и стратегических игр - "очко", "пьяница", "преферанс" и др.

При создании компьютерной игры на начальной стадии учащийся закладывает простейшую игровую стратегию для компьютера (часто без стратегии) нулевого уровня. Затем, после приобретения игрового "мастерства", им моделируется некоторая, по его мнению, выигрышная игровая стратегия и разрабатывается новый компьютерный алгоритм на тактическом и стратегическом уровнях. Далее вновь осуществляется игровой процесс с целью усовершенствования или выработки наиболее оптимальной стратегии игры, и т.д.

Для усиления познавательного процесса при моделировании игры целесообразным является обмен между учащимися разработанными компьютерными программами с целью угадывания заложенных в алгоритмы стратегий и проведения соревнований компьютерных игровых программ.

Продолжение курса основано на компьютерном моделировании физических моделей.