Лекция Компьютерное моделирование в решении физических задач. Типы компьютерных задачных моделей и методика организации познавательной деятельности

Вид материала

Лекция

Содержание Компьютерная модель Рабочий стол

Подобный материал:

• Лекция Моделирование физических процессов, 111.71kb.
• Рабочей программы дисциплины Компьютерное моделирование в профессиональной деятельности, 20.72kb.
• Календарный план учебных занятий по дисциплине «Компьютерное моделирование оптических, 38.78kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 13. 18 «Математическое, 93.92kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине компьютерное моделирование (физико-математический, 429.03kb.
• План Введение Динамические характеристики познавательной деятельности учащихся в ходе, 189.49kb.
• Элективный курс «Компьютерное моделирование физических процессов с помощью математического, 342.03kb.
• Тема Моделирование и классы моделей, 45.36kb.
• 1. Введение Основы анализа данных. Методология построения моделей сложных систем. Модель, 399.94kb.
• Программа дисциплины Компьютерное имитационное моделирование для решения задач логистики, 176.04kb.

Лекция 7. Компьютерное моделирование в решении физических задач. Типы компьютерных задачных моделей и методика организации познавательной деятельности.

Особенности использования на уроке виртуального физического эксперимента. Методические правила управления учебной деятельностью на базе компьютерных моделей.


Физика – экспериментальная наука, поэтому в изучении предмета значительное место занимают решение задач и физический эксперимент всех видов. Приведём известное высказывание Э. Ферми: «Человек знает физику, если он умеет решать задачи». Компьютерные технологии и здесь оказывают революционизирующее воздействие. Остановимся на этом более детально.

«Физическая задача» определяется большинством исследователей как «…учебная ситуация, требующая от учащегося мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, и направлена на овладение знаниями по физике и развитие мышления» (Хуторской А.В., с.234).

Учителями-практиками выявлены типичные трудности в решении школьниками физических задач:

• незнание общей схемы действий при решении задач;
  
• неумение найти физическую суть явления и формализовать её в рамках выбранной модели задачи;
  
• серьёзная проблема - наглядного представления физических величин и процессов задачной ситуации.
  

В целом, чтобы решить задачу, учащемуся надо понимать физические законы и сущность физических явлений/процессов, описанных в ней, уметь привести данную задачу к типовому виду, и далее - использовать существующий для этого типа задач общий алгоритм познавательных действий. Конечно, устойчивые навыки решения физических задач формируются в процессе длительного и системного тренажа. Возможности поэтапного интерактивного моделирования ученических действий и названные в предыдущих лекциях преимущества виртуальной наглядности в представлении учебного материала, пожалуй, в наибольшей степени отвечают этим требованиям.

Задачи обычно разделяют на расчётные, экспериментальные, графичес-кие. Компьютерная модель в решении физических задач выступает как способ обобщения задачной ситуации путём логически упорядоченного представления учебной информации в специфической наглядной форме. Имитационная учебная модель может отображать физический процесс/явление, техническое устройство/ прибор, цикл деятельности системы, физическую ситуацию. Такая модель является системообразующим компонентом всей компьютерной программы, обучающей решению физических задач. Каким общим дидактическим требованиям должна отвечать компьютерная задачная модель?

Прежде всего – она должна быть интерактивной, т.е. обеспечивать диалог программы модели с учеником для детального рассмотрения предлагаемого физического процесса (объекта), его динамики, параметров начального и конечного состояний, их выявления путём манипуляций с переменными и инвариантными характеристиками. Далее – учебная модель обязательно имеет гиперссылки на теорию вопроса, словарь терминов, таблицу с формулами и физическими постоянными. Возможен вызов встроенного калькулятора для расчётов и составления формул. Предварительная проверка уровня усвоения теории проводится, как правило, серией тестовых заданий, допускающих к работе с моделью. Конечно, уровень трудности и доступности задачной модели должен соответствовать учебной программе и возрастным возможностям школьника, допускать многократное проигрывание модели, иметь удобный и понятный ребёнку интерфейс. Напомним, в случае отображения причинно-следственных связей компьютерная модель предлагает описание поведения объекта в терминах событий. При этом различают события следования и события изменения состояний. События следования описывают поведение системы как смену фаз деятельности (примеры: работа 4^-х-тактного ДВС, цикл Карно, колебательный контур, математический маятник, перемещение тела). Специфика физических моделей состоит в том, что события следования часто влекут за собой события изменения состояния. Потому в задачной модели программируется представленное и в событиях следования (обычно – визуальное изображение), и в событиях изменения состояния (как правило, - графики в нужной системе координат). При этом различают физические (натурные) модели и математические. Натурные модели представляют средствами видео-, мультипликации или анимации физическую реальность с целью наглядного отображения, подчёркивания сущности изучаемого (виртуальная наглядность). Математические модели описывают реальные объекты на языке математики. Это позволяет делать качественные и количественные оценки поведения физической системы, сравнивать результаты, задавая разные начальные условия. Задачные модели, как правило, относятся к математическим моделям и потому рассчитаны на ученическое исследование.

По учебному содержанию задачные модели можно условно разделить на следующие типы:

• статическая модель-рисунок/схема задачной ситуации (возможна фрагментарно анимация);
  
• мультипликационная модель-имитация физического процесса/явления, действия механизма;
  
• интерактивная модель-график
  
• проблемная физическая ситуация, в том числе в форме натурного видеосюжета;
  
• конструкторская модель;
  

Статическая модель-рисунок формирует навык визуального отображения условия физической задачи: правильной расстановки сил, условных обозначений физических величин, выбора системы отсчета и необходимых физических констант. Хорошо, если модель – интерактивная, что позволяет учащемуся самому произвести расстановку действующих сил и указать систему отсчёта. Примером может служить CD «Курс физики XXI века» автора Л.Я. Боревского (тема № 13 «Электростатика», задача 13.19 – торможение заряда в электрическом поле шара).

ЗАДАЧА 13.19. Точечный заряд 0,1 млКл и массой 1г прошёл со скоростью 1 м/с с бесконечно большого расстояния до закреплённого шара 0,3 млКл. До какого минимального расстояния от центра шара сможет долететь движущийся заряд?

(Принять К = 9*10⁹ Н*м²/Кл²).

ОТВЕТ: R_min. = 2K (q Q/mv²) = 0, 54м.




Решение задачи разбито на 18 шагов, фиксируется время работы, количество верных/неверных шагов, набранное число баллов. Модель демонстрирует движение меньшего заряда. Одновременно строятся графики кулоновской силы взаимодействия F_к=f(r), кинетической энергии движущегося заряда T=f(r), потенциальной энергии взаимодействия зарядов П=f(r) и полной энергии Е = Т + П.

С помощью кнопок панели управления моделью можно переключать графики, изменять параметры эксперимента, перематывать изображение вперёд/назад. Лупа времени позволяет замедлять процесс в 1 – 10 раз. На любом этапе можно включить стоп-кадр. Выдаётся теория задачи и теория ошибки, включающие в качестве примеров базовые задачи данной темы (принцип суперпозиции, расчёт взаимодействия зарядов). Для каждой подзадачи имеется своя модель – динамический рисунок.

На уроке работу учащихся с моделью задачи можно организовать индивидуально, если достаточно компьютеров, лучше – по группам, с разными заданиями и последующим коллективным обсуждением результатов. Задания типа: «Как подсчитать потенциальную энергию взаимодействия для любого r?»; «Изменится ли R_min при увеличении/уменьшении заряда и скорости одновременно в 2 раза?»; «Для выбранного r рассчитайте теоретически F_k , Т, П и сравните с графическими их значениями», «Зависит ли результат от знака зарядов?» и др. Для слабого класса возможна демонстрация решения и модели задачи на большом экране в режиме «АВТОпилот» (см. лекцию № 3). Общий алгоритм решения (запись краткого условия задачи – основную часть решения – выявление скрытых условий задачи – вывод рабочих формул – проверку размерности – получение числового значения) - лучше всего «проиграть» в ходе эвристической беседы, используя «Подсказку» в крайнем случае. Затем предложить самостоятельно повторить решение каждому, но предварительно на модели провести ещё раз физический анализ задачной ситуации и графиков, используя предложенные выше и составленные самими учащимися вопросы. Данное CD-пособие оптимально для самостоятельной работы на домашнем компьютере (нет лимита времени).

В CD «Физикон. Физика 7 – 11 классы. Практикум» интерактивные учебные модели (их в пособии 150) предназначены для ученического исследования путём изменения параметров или конфигурации модели.



Результаты эксперимента представ-лены в Приложении в виде Java-таблицы (для просмотра) и HTML-таблицы (в случае сохранения на диске). Это математические модели, выдающие конечный числовой результат. Акцент в анализе должен быть сделан на сравнение численных значений величин, влияние знака зарядов, конфигурации треугольника. Для изменения положения объектов в моделях применена технология «Схвати и потащи» (Drag-n-Drop).

Большинство тренажёров и репетиторов по физике, как правило, содержат интерактивные модели-рисунки, с разными обучающими программами.

Мультипликационные модели физических процессов/явлений часто используют при решении качественных и экспериментальных задач. На них школьник учится «задавать вопросы Природе». Для этих целей богатый набор моделей содержат CD-пособия «Физика в картинках» и «Библиотека наглядных пособий. 7 – 11 классы» (раздел Лаборатории). У читателя может возникнуть вопрос: «Можно ли отнести данные модели к задачным? Разве это не компьютерные демонстрации?». По нашему мнению, любая ситуация, приводящая к физическому вопросу и, тем более, предсказательным расчётам, может считаться задачной независимо от формы предъявления. В качестве примера обратимся к фрагментам «Фотоэффект», «Цикл Карно» и «Распределение Максвелла». Для целостного восприятия физической модели удобно при знакомстве с нею использовать обобщённые планы ответов А.В. Усовой (о явлении, законе, устройстве, приборе). Данная модель «Фотоэффект» помогает учащимся при поддержке учителя найти ответы на вопросы:

«В чём состоит фотоэффект?», «Какого знака должен быть освещаемый электрод?», «Какова роль задерживающего потенциала?», «Что такое «красная граница»

фотоэффекта?», «От чего зависит величина фототока насыщения?», «На что влияют величина и длина волны светового потока?»,

«Как определить работу выхода при заданной длине волны света?» и др.



Модель позволяет закрепить осмысленное применение уравнения Эйнштейна в расчётных задачах. Серию расчётных задач (на вариацию всех параметров) составляет учитель. Учащиеся решают группами, а затем проверяют свои результаты в ходе виртуального эксперимента (для большего эффекта следует подобрать числовые данные из доступных модели). Выбор длины волны осуществляется скроллером шкалы спектра (передвигается мышью). Инструмент Лупа позволяет увеличить изображение до полного экрана, что необходимо при коллективном обсуждении с большого экрана.

Задачные ситуации, связанные с построением и анализом графиков, традиционно являются трудными для учащихся. Им сложно уловить функциональную связь величин: не хватает динамического момента в осмыслении. Это удачно восполняют компьютерные модели-графики. Они часто сопровождаются интерактивными мультипликативными моделями процесса и ещё лучше – интерактивной пошаговой анимацией.

В модели «Цикл Карно» главное – показать, от чего зависит к.п.д. тепловой машины. Можно менять температуры нагревателя Т₁ и холодильника Т₂.




Мультипликационная модель даёт представление о микропроцессе в газе, цикл воспроизведён на интерактивном графике (справа), Представлены графики Q(t), А(t) и ∆U(t) - внизу. Рядом – расчётные параметры.

Задания к анализу модели: записать I начало ТД для всех 4-х этапов; указать, в каких процессах количество теплоты получается цилиндром, а в каких – отдаётся, сравнить ∆Q по величине; обсудить сходство и различие адиабатного и изотермического процессов; ответить, почему к.п.д. не может достичь 100% и др. Далее решаются расчётные задачи (с доступными для модели параметрами), а результаты проверяются в компьютерном эксперименте.

Просто, незаменимы модели-графики в теме «Механика» («Графики равноуско-ренного движения», «Движение тела под углом к горизонту», «Человек в лифте» и др.). Пошаговая анимация в них позволяет ученику проследить за движением и его параметрами поэтапно, видеть построение графиков по частям, воспроизводя многократно до полного осмысления.



Мультимедийная интерактивная модель «Распределение Максвелла» помогает представить тепловое движение молекул. По графику можно оценить количество частиц с выбранной скоростью v, квадратичную и наивероятнейшую скорости при разных Т. Зелёным цветом выделены частицы с заданной в модели скоростью, для которой проводится расчёт параметров.




Математическая модель механизма/ устройства позволяет оценить не только физические параметры на выходе, но, варьируя, подобрать наилучшие технические характеристики компонентов, объяснить целесообразность компоновки, принцип действия, реальные пределы возможных результатов.

К примеру, в модели «Свободные колебания в RLC контуре» уточнить, почему такой контур не излучает. Какие численно ёмкость и индуктивность нужно задать для получения радио-, ВЧ, СВЧ частот. Опять же расчётные задачи хорошо сопроводить проверкой на компьютерной модели. Совпадение результатов создаёт чувство успеха у школьника.



«Видеозадачи по физике» авторов А.И. Фишмана и др. соотнесены с оглавлением задачника А.П. Рымкевича (раздел, тема) и поурочным планированием В.А. Касьянова (для 10 – 11 кл.). Подобраны проблемные физические ситуации в форме видеосюжетов, в конце демонстрации на экране появляется проблемный вопрос.

Пример: «Выстрел в воду». Вопрос: «Почему пустая колба не раскалывается, а заполненная водой разрывается на мелкие куски?»

Такие сюжеты очень полезно предлагать для теоретического обоснования в качестве домашнего творческого задания, для обучения анализу физ. ситуации в курсах повышенного уровня, во внеклассной работе. Прекрасная база для формирования познавательных компетентенций!

Развитию творческой компоненты мышления, креативности ума способствуют задачные модели на конструирование. Конечно, первыми назовём CD «Живая физика» и «Активную физику» - в Интернете. Но есть и другие, более доступные начинающему конструкторские задачи. Так, CD «Физика в картинках» содержит «Конструктор конденсаторов» и «Конструктор резисторов»». Они удобны для индивидуальной работы в компьютерном классе: каждый учащийся составляет свою схему соединения резисторов (конденсаторов), задаёт значения парамет-ров и рассчитывает конечные значения требуемых величин. Полезно обсудить коллективно теоретические результаты (соотношения I, R, U, С в последовательных и параллельных участках) и тактику решения. Лучшие задачи можно использовать в дальнейшем. По инициативе ребят ведётся рукописный (печатный) ученический задачник.

В CD «Физика 7-11 кл. Практикум» имеется «Конструктор гальванических элементов», позволяющий подобрать материал электродов для нужной величины ЭДС.



Но ещё более интересны виртуальные лаборатории Физикона (по типу online лабораторий «Открытого колледжа»).



Рассмотрим модель «Уголковый отражатель». Имеется Рабочий стол и Объекты, Панель инструментов. Требуется доказать, что отражённый луч всегда параллелен падающему. Для исследования используются (по выбору) точечный источник света (можно его перемещать), прожектор, призмы, ширма, плоские зеркала (поворот на заданный угол). Для измерений активируют инструменты: рулетку, транспортир, фотометр. На базе модели учитель составляет,/подбирает комплекс задач разного уровня сложности с расширением инструментария и количества вовлечённых объектов. Поощряется конструкторская инициатива учащихся. Аналогичен по содержанию и учебным целям (но с большим разнообразием задач) конструктор «Оптическая скамья» из ресурса Интернет «Активная физика».

Конструкторские задачи можно учителю предлагать на базе виртуальных конструкторов (типа «Знаток», ЛЕГО).


Физические натуральные демонстра-ции, как показала практика школы, не могут полностью подменяться компьютерными моделями. Виртуальный эксперимент ещё долго будет играть вспомогательную роль поддержки, дополнения «живого» опыта. Признавая это, определим учебные цели использования компьютерных демонстраций на уроке:

• воссоздание классических (исторических) опытов, невоспроизводимых в школьных условиях;
  
• мультипликационное отображение процессов и объектов, микро-, мега- и макро- мира, недоступных напрямую органам восприятия человека;
  
• воспроизведение процессов и событий в динамике, в собственном компьютерном пространстве и времени;
  
• целостная система опытов (от простых – к сложным), созданная к отдельным разделам курса физики;
  
• экспериментальные задания и проблемные физические ситуации;
  
• виртуальная лабораторная установка для индивидуальных ученических исследований;
  
• «живая» демонстрационная лабора-торная установка с подключением электронных датчиков измерений и компьютера для обработки и представления результатов.
  

Электронные пособия, в которых содержится материал для демонстраций физических опытов, явлений, устройств, представлены в лекциях №№ 3-4. Покажем на отдельных примерах возможные способы управления познавательной деятельностью учащихся. Общая педагогическая цель – включение «интеллектуального зрения», т.е. умений школьника «смотреть и видеть».

В сравнении с реальной физической демонстрацией виртуальный её вариант более компактно во времени представляет вариативность параметров и условий опыта. Удобно для этих целей использовать компьютерные лабораторные работы по физике. Пока работа в компьютерном классе на уроках физики будет эпизодической, и каждый школьник не будет иметь домашнего компьютера, основной практический вариант использования виртуальной лаборатории в ходе урока – фронтальная демонстрация на большом экране.

«Виртуальная лаборатория. 8 класс. Регулирование силы тока в цепи с помощью реостата»:



Разумно включать её после реальной демонстрации действия реостата для теоретического анализа и ответа на вопросы: «Почему и как реостат влияет на силу тока в цепи?»; «Как изменятся показания амперметра при движении ползунка влево/вправо?»; «При каком положении ползунка сила тока в цепи будет минимальной?»; «Почему не рекомендуется уменьшать сопротивление реостата до 0? Когда это происходит, что может при этом случиться?». Предложить зарисовать схему в своих тетрадях и записать показания приборов (а после изучения закона Ома построить график U=f(I), выполнить расчёты R). Большое экранное изображение лучше концентрирует внимание детей, а реальный опыт подтверждает достоверность модели. Очень полезно учащимся дома составить краткий ответ по обобщённому плану А.В. Усовой о приборе и занести его в личный Физический словарь (его можно вести в конце тетради по физике).

«Лабораторные работы по физике. 11 класс. Наблюдение линейчатого спектра на экране (дневной свет, свеча, водород, гелий, неон)». Конечно, при наличии в физкабинете нужного оборудования живой опыт необходим (отображение на макроуровне невидимых человеку микропроцессов). А анализ результатов опять же удобнее проводить на компьютерной модели. Серия эвристических вопросов для осмысления

опыта подбирается учителем.



Мультимедийное приложение к учебно-методическим комплектам Р.С. Пурышевой и Н.Е. Важеевской включает виртуальные лаборатории для демонстрационных опытов. В качестве примеров можно привести анимацию «Движение 2-х поездов относительно друг друга» и интерактивную анимацию капризного опыта «Равномерное движение тележки с капельницей».






Отметим наличие подобного задания в КИМах ЕГЭ.

Удобные для работы на уроке анимационные модели содержит CD «Физика на вашем компьютере». В него включены демонстрационные модели из «Физики в картинках», «Волновая оптика на компьютере», «Молекулярная физика на компьютере», «Открытая физика 1.0». Их использование оптимально после «живых»

демонстраций с целью теоретического анализа (на рисунке представлен монтаж из 3-х опытов: дифракция света, диффузия газов, поперечная механическая волна). В каждой модели возможны изменения физических параметров и зрительное отображение результатов.



Наиболее близки к натуральным демонстрациям видеофрагменты опытов из учебных CD-пособий: «Вся физика. Физэнциклопедия, серия Руссобит-педагог, 2004», «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия» (ВШКМ-2003), «Уроки физики Кирилла и Мефодия. 7 – 11 кл.», «Физика в школе. Электронные уроки и тесты» фирмы «Просвещение - МЕДИА». В случае отсутствия оборудования они могут замещать натуральный опыт со всеми функциями живого эксперимента, но… в крайнем случае и эпизодически. В числе последних изданий - «Экспериментальные задачи физического практикума». В кадре – список задач. Новое – возможность интерактивного построения графиков по своим данным, измеренным с помощью виртуальных инструментов.



Можно предложить следующие правила управления учебной деятельностью в случае использования демонстрационных компьютерных моделей:

- перед просмотром сформулировать учебную проблему и определить задачу демонстрации (Зачем смотрим?);

- дать познавательную установку на восприятие и осмысление (Что выделить?);

- учителю не следует мешать своими комментариями процессу восприятия (включаться «до» и «после»);

- продумать заранее серию познавательных вопросов/заданий для последующего анализа;

- предпочтительна диалоговая форма взаимодействия учителя и учеников с учётом интерактивных возможностей самого электронного учебного материала;

- полезна повторная демонстрация с использованием стоп-кадра/изменения параметров в узловых моментах объяснения или для комментария учащимися;

- необходимо отметить условность и ограниченность демонстрационной модели (менее всего это присуще видеофрагментам);

- предусмотреть возвращение к содержанию демонстрации на последующих уроках (особенно в решении задач и обобщении материала темы);

- очень ценной является подборка усложняющихся демонстраций на одной базовой компьютерной модели;

- фронтальный компьютерный эксперимент разумно дополнить (с учётом возможностей) индивидуальной работой с ним вне урока.

В целом, эта перспективная область применения компьютера в обучении физике.


Вопросы для самоконтроля.

1. Как определяется в школьной практике понятие «физическая задача»?
   
2. Перечислите виды задачных моделей.
   
3. Какова структура задачной компьютерной модели?
   
4. Какие формы учебной работы Вы предпочитаете в случае использования компьютерных моделей? Почему?
   
5. Составляете ли Вы в своей практике расчётные задачи на базе компьютерных моделей?
   

7. Используете ли Вы конструкторские зада-чи? В какой ситуации? В чём их ценность?
   
8. Назовите основные учебные цели использования компьютерных эксперимен-тальных моделей.
   
9. Каким, на Ваш взгляд, требованиям (техническим и педагогическим) должны отвечать компьютерные модели, чтобы стать необходимым учебным средством?
   

Рекомендуемая литература

1. Единая Коллекция цифровых образовательных ресурсов (ЦОР) - llection.informika.ru/
   
2. Статьи из методических и педагогических журналов «Физика в школе», «Школьные технологии», «Информатика и образование».
   

3. Хуторской А.В. Методы эвристического обучения//Школьные технологии. – 1999. - №1.