Моделирование физических процессов в информационно-технологической сфере, дальнейшее развитие в будущем

Все мы знаем, что физика – наука экспериментальная. И наглядная демонстрация физических явлений или процессов на уроках является основой обучения физики в школе. Она способствуют созданию физического мышления у обучающихся, делает более понятными объяснения учителя при изложении нового материала, пробуждает познавательный интерес у обучающихся к предмету. В условиях школьной лаборатории не всегда возможно продемонстрировать физические процессы или провести эксперименты. Причины на то могут быть разные:

• -    отсутствие необходимого оборудования;

• -    опасность проведения эксперимента в данных условиях;

• -    невозможность проведения демонстрации в реальных условиях.

Конечно, можно объяснить физическое явление по картинкам или «на пальцах», но будет ли от этого результат? Насколько правильно представят то или иное явление ученики? Чтобы понять физическое явление, а потом уметь его объяснить, необходимо его визуально представить. Визуальное представление физического явления или процесса позволяет ученику лучше его запомнить и изучить. Именно поэтому на каждом уроке физики должна присутствовать демонстрация, визуальное представление физических явлений. И если это невозможно провести в данных условиях, то значит нужно использовать компьютерную демонстрацию. А я бы еще добавил – нужно использовать! С помощью компьютера возможно создавать не только статические модели физических явлений в виде иллюстраций, но и динамические модели. А эффективнее всего использовать в учебном процессе интерактивные компьютерные модели, которые позволяют замедлить или ускорить ход времени, увеличить или уменьшить, повторить или изменить ситуацию. Интерактивные компьютерные модели, используемые в индивидуальной работе, например, в модели «1 ученик –   1

компьютер», позволяют каждому ученику изучать физическое явление в собственном темпе. Когда компьютерной моделью управляет учитель на интерактивной доске, ученик просто пассивно наблюдает, при этом у каждого ученика своя скорость восприятия. Но когда ученики будут самостоятельно управлять компьютерной моделью, то это уже позволит увеличить степень усвоения получаемой учебной информации и повысить познавательную активность.

В качестве примера можно рассмотреть интерактивную модель явления фотоэффекта:

Компьютерная модель явления фотоэффекта

Фотоэффект достаточно сложное для понимания учениками физическое явление в силу того, что невозможно пронаблюдать явление выбивания электронов с поверхности металла частицами света. В условиях школьной лаборатории можно лишь провести сам эксперимент явления фотоэффекта с вольт-амперной характеристикой, и то только при наличии соответствующего оборудования. Но увидеть, что происходит в реальности невозможно, это можно только смоделировать на компьютере.

Еще один пример, это - интерактивная модель двигателя внутреннего сгорания:

Компьютерная модель двигателя внутреннего сгорания

Изучение принципа работы двигателя внутреннего сгорания на статической модели достаточно сложно для понимания учениками. Реальный двигатель в классе запустить невозможно, да еще в разрезе, чтобы увидеть, что происходит внутри самого двигателя. Нужно иметь хорошее воображение, чтобы это все представить. Намного эффективнее для усвоения, когда ученики изучают динамическую модель и могут его сами управлять.

Следующий пример, - ядерные реакции :

В результате бомбардировки ядра изотопа урана-235 медленным нейтроном, ядро, захватывая нейтрон, делится на два

радиоактивных изотопа - на изотоп криптона Кг88 и изотоп бария Ва145 все это сопровождается испусканием трей вторичных нейтронов и выделением энергии 200 МэВ

Компьютерная модель деления ядер урана

А вот проведение ядерных реакций вообще невозможно ни при каких условиях. Явления, которые протекают на атомном уровне не только опасны, но и визуально недоступны для наблюдения. Здесь также поможет компьютерное моделирование. Моделирование деления ядер урана позволяет учащимся увидеть сам процесс протекания ядерной реакции в динамике.

Ниже мы приводим информацию о программе Multisim Electronics WorkBench (National Instruments), которая используется в системе автоматизации и моделирования физических процессов, в частности электронных и схемотехнических процессов.

Программа Electronics WorkBench (National Instruments) Multisim имитирует реальное рабочее место исследователя в реальном времени -радиоэлектронную лабораторию - оснащенную измерительными приборами. С помощью программы можно проектировать, моделировать и исследовать аналоговые и цифровые радиоэлектронные устройства любой сложности. Программа Electronics WorkBench (National Instruments) используется для моделирования электрических и электронных схем. Программа Multisim (EWB) имитирует реальное рабочее место исследователя в реальном времени -радиоэлектронную лабораторию, оснащенную измерительными приборами. С помощью программы можно создавать, моделировать и исследовать аналоговые и цифровые радиоэлектронные устройства любой сложности.

С умением пользоваться экспериментом для объяснения физического явления, связано не только качество усвоения излагаемого материала обучаемыми, но также развитие их творческой инициативы. Однако творческая инициатива поддерживается не столько привлечением эксперимента к объяснению физического явления, сколько умением самостоятельно разрабатывать и изготавливать новые конструкции и модели, реализующие творческие идеи, возникающие у студента в процессе обучения по курсу «Экспериментальная физика и компьютерное моделирование физических процессов». В связи с этим, в курсе “Экспериментальная физика и компьютерное моделирование физических процессов» предусматривается не только выполнение лабораторных и практических работ по плану, но и самостоятельная разработка технических конструкций новых демонстрационных устройств и компьютерных моделей физических процессов, демонстрируемых этими устройствами. Такие разработки являются темами курсовых работ и могут лечь в основу дипломного проекта. С целью активизации процесса обучения и развития творческой инициативности будущих преподавателей физики особое внимание уделяется компьютерному моделированию физических процессов в окружающей среде и изготовлению устройств для кружков детского физико-технического творчества. В рамках учебного курса предусмотрены встречи со сnециалистами по техническому проектированию и с разработчиками компьютерных моделей для физических исследований.