Деякі перспективи реалізації модельних експериментів на комп’ютері
та створення віртуальних лабораторних практикумів із фізики
Надзвичайно важливою частиною будь-якого курсу фізики є лабораторний практикум. Лабораторні роботи дають можливість перевірити на практиці правильність теоретичних уявлень про фізичні явища, що вивчаються в лекційному курсі. Крім того, на лабораторних роботах відпрацьовуються уміння й навички, необхідні для постановки експерименту.
Однак існує велика кількість процесів, механізми роботи яких відомі, але безпосереднє їх спостереження неможливе в реальному часі і в масштабі один до одного. Зокрема, більшість процесів ядерної фізики, квантової механіки, фізики напівпровідників відбуваються на мікроскопічному атомарному або молекулярному рівні. Тривають вони надзвичайно короткий час. З іншого боку, явища, що вивчаються астрономією, відбуваються на макрорівні. Їх тривалість може сягати мільярди років. Усе це сильно звужує демонстраційну і експериментальну базу курсів фізики. Необхідно відмітити також, що існує широке коло фізичних експериментів, постановка яких вимагає великих матеріальних і фінансових витрат.
Розширити демонстраційну і експериментальну базу можуть модельні експерименти на комп’ютері. Ресурси сучасних комп’ютерних систем у цілому достатні для проведення якісного модельного експерименту з екранною візуалізацією процесів.
Сучасне програмне забезпечення для ілюстрації фізичних процесів представлене демонстраційними і моделюючими програмами.
Демонстраційні програми суттєво відрізняються від моделюючих. Окремі логічно закінчені фрагменти навчального матеріалу в демонстраційних програмах, як правило, складаються з мультимедійних кліпів, з’єднаних між собою через спільне меню. Негативні й позитивні якості таких програм пов’язані саме з цією специфікою. Виклад теми не може бути змінено за обсягом чи порядком, однак його можна призупинити, повертати назад, прокручувати повторно.
Візуальна складова цих мультимедійних навчальних систем дозволяє побачити розвиток процесу, але втручатися в його проходження немає можливості.
Ауді-складова навчальної системи відповідає за пояснення подій, які демонструються візуальною складовою.
Ядром моделюючої програми є модель процесу – сукупність формул, співвідношень, алгоритмів, правил, які регламентують взаємодію між об’єктами моделювання. Процесом можна керувати за допомогою вхідних і поточних параметрів.
Основним недоліком більшості існуючих модельних програм є те, що в кожному окремому випадку модель охоплює невелику частину навчального матеріалу з теми. Кожна програма, як правило, моделює тільки один конкретний процес.
У поданій роботі зроблено спробу подолати цей недолік.
Метою цієї роботи є аналіз перспектив створення лабораторних практикумів з фізики на комп’ютері, призначених для проведення широкого кола віртуальних, фізичних, модельних експериментів з екранною імітацією процесів.
В межах модельних програм пропонується створити окремі візуальні компоненти, що виконують роль віртуальних фізичних об’єктів і можуть динамічно взаємодіяти під час роботи моделі. Саме з цих компонентів буде формуватись експериментальна база. Широке коло віртуальних фізичних експериментів повинно легко формуватися з палітри окремих компонентів.
Використання візуальних компонентів, які програмно імітують реальні фізичні об’єкти, при побудові моделі приведе до більш раціонального розподілу часу, що витрачається на створення моделі. Відповідно, більше часу залишиться на програмну реалізацію механізмів роботи моделі.
Побудову віртуального практикуму на комп’ютері можна розбити на такі проміжні етапи:
створення системи завдань для практикуму;
розробка віртуальних фізичних об’єктів;
розробка віртуальних вимірювальних пристроїв.
Створення системи завдань для практикуму. При створенні системи завдань для практикуму треба передбачити їх сполучення таким чином, щоб вони розмістилися в порядку ускладнення. Необхідно підібрати завдання так, щоб кожне наступне було прямим ускладненням попереднього і виконання наступного завдання відбувалося на основі виконаного попереднього. Це збігається з систематизацією завдань у фізиці, адже велика кількість фізичних процесів розглядається в порядку першого, другого і так далі наближення [1; 2; 3].
Передбачається, що система завдань для практикуму буде не лінійною низкою завдань, а двомірною деревоподібною структурою, коли одне просте завдання може стати родоначальником кількох більш складних.
Системи завдань для різних практикумів можуть частково доповнювати один одний.
Враховуючи вищесказане, наведемо приклад поступової деталізації завдань для моделювання в механіці і їх зв’язок з іншими розділами фізики. Початковий фрагмент системи завдань з механіки може включати:
рівномірний прямолінійний рух тіла по екрану вздовж його краю;
рівномірний прямолінійний рух тіла в будь-якому заданому напрямі з будь-якою заданою швидкістю;
рух тіла до і після зіткнення з перешкодою;
рівноприскорений (рівносповільнений) рух тіла;
коливання пружинного маятника;
рух тіла, кинутого під кутом до горизонту;
рух математичного маятника.
|
Скачати "Реферат на тему Деякі перспективи реалізації модельних експериментів на комп`ютері та створення віртуальних лабораторних практикумів із фізики"
