Использование компьютерного моделирования при изучении раздела «Механика» в средней общеобразовательной школе

1. Введение

Одним из важнейших направлений развития общества является образование. Образование «работает» на будущее, оно определяет личные качества каждого человека, его знания, умения, навыки, культуру поведения, мировоззрение, тем самым создавая экономический, нравственный и духовный потенциал общества. Информационные технологии являются одним из главных инструментов в образовании, поэтому разработка стратегии их развития и использования в сфере образования составляет одну из ключевых проблем. Следовательно, использование вычислительной техники приобретает общегосударственное значение. Многие специалисты полагают, что в настоящее время компьютер позволит осуществить качественный рывок в системе образования, так как учитель получил в свои руки мощное средство обучения. Обычно выделяют два основных направления компьютеризации. Первое ставит цель обеспечить всеобщую компьютерную грамотность, второе - использовать компьютер в качестве средства, повышающего эффективность обучения.

Слова «информационные технологии» впервые появились в учебных программах в связи с деятельностью по моделированию. Согласно этой новой формулировке, «ученики должны уметь моделировать основные физические явления и процессы с эффективным использованием современных информационных технологий». Эта цель соединила две тенденции современного физического образования: усиление роли информационных технологий и дидактическое преобразование современных методов исследования в школьное обучение. Достижение такой цели возможно только при соблюдении некоторых основных условий. К ним относятся, прежде всего, необходимые технологии в классе, хорошо подготовленный учитель и соответствующие учебные ресурсы.

В этой статье мы сосредоточимся на последнем. После краткого обсуждения компьютерного моделирования приводятся примеры созданных компьютерных симуляций вместе с краткими примечаниями для их использования на занятиях. В заключительной части статьи обобщаются результаты тестирования в трех различных группах пользователей.

2. Методы компьютерного моделирования

Помимо реального эксперимента, поддерживаемого компьютером, методы моделирования представляют собой один из самых прогрессивных компьютерных методов обучения / обучения в физическом образовании. Они дополняют реальные лаборатории и даже более уместны в некоторых случаях (опасные или дорогостоящие эксперименты).

В нашем обзоре мы сосредоточимся только на одном из методов компьютерного моделирования – компьютерная симуляция. Компьютерная симуляция – это программы, позволяющие пользователю взаимодействовать с компьютерным представлением научной модели природного или физического мира. Эти программы могут использоваться как демонстрационные для учителей, так и непосредственно для учеников, чтобы исследовать различные системы и манипулировать переменными.

Ученики могут визуально наблюдать физический процесс, протекающий на экране компьютера в “реальной среде”. Возможность изменения параметров взаимодействующих тел, характеристик окружающей среды, характера и количества взаимодействий между телами дает возможность исследовать процесс в различных условиях. Большим преимуществом таких симуляций является их способность моделировать также условия, которые не могут быть достигнуты в реальной лаборатории: окружающая среда без сопротивления воздуха, без трения, без гравитации и т. д.

Благодаря своей способности оживлять, моделирование может передавать динамическую информацию более точно, чем диаграмма, и может помочь ученикам визуализировать различные явления. Они позволяют ученикам видеть то, что обычно происходит слишком быстро, слишком медленно или скрыто. Ученикам предлагается одновременно наблюдать, как строится график, в то время как они исследуют процесс. Значения величин обычно могут быть считаны и использованы в дальнейших расчетах.

Благодаря описанным характеристикам метод компьютерного моделирования представляет собой важный метод обучения: Она может способствовать развитию у учеников индуктивного и дедуктивного мышления, а также способности решать задачи, формулировать и проверять гипотезы, исследовать взаимосвязи между природными явлениями и процессами.

Симуляции, созданные в интерактивной физике, обеспечивают среду, ориентированную на учащегося, которая позволяет учащимся исследовать различные системы и явления. Программа подходит в основном для моделирования динамических моделей механических процессов. Модель можно легко настроить, вставив объекты из панели инструментов. Значения величин могут быть изменены непосредственно в процессе моделирования с помощью доступных инструментов. Управление моделями очень простое – это делается кнопками START и RESET. Кнопка STOP позволяет остановить исследуемый процесс в любой момент.

В следующей части представлены несколько симуляций из разработанного набора, охватывающих учебную область механики. Выбраны темы движения в гравитационном поле и закон сохранения линейного импульса.

3. Примеры компьютерного моделирования

Разработанные компьютерные модели могут быть использованы как демонстрационные средства или как проблемные задания для учеников. Роль учителя состоит в том, чтобы выбрать наиболее подходящий способ их применения в конкретной учебной обстановке.

Каждое моделирование сопровождается краткими инструкциями для учителя. К ним относятся:

• описание моделирования;
• применение моделирования – рекомендация о возможной интеграции моделирования в учебный процесс;
• задания для учеников.

Первый пример из разработанного набора вводится вместе с полными построениями, остальные симуляции лишь кратко характеризуются.

3.1. Движение снаряда

Объект подбрасывается вверх с начальной скоростью ν₀ (ν₀ = 8,5 м/с^-1); пользователь может изменить угол наклона (рис. 1). Записывается траектория движущегося объекта. Кнопка сопротивления воздуха позволяет исследовать движение снаряда в идеале (без сопротивления воздуха) или в реальной среде. Если задана реальная среда, то траектория движущегося объекта – это не парабола, а так называемая баллистическая кривая.

Риc. 1. Движение снаряда

Моделирование предлагает исследование основных особенностей движения снаряда. Ученики могут анализировать параболические траектории движущихся объектов под различными углами наклона как в идеальной, так и в реальной среде. После первоначального наблюдения ученики могут решить ряд проблемных задач.

Задания для студента

• Сравните траектории полета снаряда, брошенного вверх в идеальных и реальных условиях. Какое явление вызывает их различие?
• Постарайтесь найти угол, при котором дальность полета снаряда, брошенного вверх, максимальна как в идеальных, так и в реальных условиях. Сравните полученные таким образом значения.

3.2. Движение планеты и спутника

Моделирование (рис. 2) вводит процесс гравитационного взаимодействия между планетой и спутником. Кнопки массы позволяют изменять массу движущейся планеты и спутника. Моделирование показывает, что гравитационное поле планеты вызывает изменение траектории и скорости спутника.

Рис. 2. Движение планеты и спутника

3.3. Сохранение линейного импульса

В этом моделировании есть два движущихся объекта, соединенных эластичной нитью (рис. 3). Массы объектов могут быть изменены с помощью кнопок массы. Эластичная нить заставляет одни и те же импульсы (но с разными направлениями) воздействовать на объекты. Числовые значения линейного импульса обоих движущихся объектов доступны. Кнопки предыдущий шаг и следующий шаг позволяют вернуть объект в момент столкновения и узнать его координаты. Моделирование может быть использовано как виртуальная лаборатория с заданием для учеников доказать сохранение линейного импульса.

Рис. 3. Сохранение линейного импульса

 4. Результаты опроса

Разработанные модели были апробированы на учениках средних школ двух классов (всего 53) в 2020/2021 учебном году. Моделирование проводилось на экспериментальном занятии (ЭК) учениками 14 и 15 лет (8-й класс) для ознакомления с основными особенностями физических процессов механики. После окончания этой части курса физики ученики проходили тест, с помощью которого проверялось их понимание вводимых процессов. Вторая группа учеников (из той же школы), которые не использовали симуляцию на уроках физики (контрольный класс – КК), выполнила тот же тест одновременно. Результаты обоих тестов сравниваются на графике ниже (рис. 4).

Из графика можно сделать вывод, что учащиеся экспериментального класса были более успешными, чем учащиеся контрольного класса. Лучшие результаты учеников ЭК подтверждают утверждение о том, что интеграция компьютерного моделирования в школьную физику положительно влияет на уровень знаний учеников по физике.

Рис. 4. Сравнение результатов испытаний экспериментального и контрольного классов

Помимо тестирования понимания учениками механических процессов, ученикам было предложено заполнить анкету, ориентированную на некоторые другие аспекты интеграции компьютерного моделирования в школьную физику-мотивацию и интересы учащихся к изучению физики.

Результаты анкетирования показывают, что лишь немногие ученики из обоих классов любят физику и считают этот предмет интересным. Многие ученики (каждый пятый) говорили, что ненавидят физику и этот предмет для них очень труден и непонятен. С другой стороны, 98% учеников любят работать с компьютером, хотя используют его только в курсе информатики. Все эти ученики доказали, что уроки физики с использованием компьютерного моделирования будут для них очень интересными. Они положительно оценивали, прежде всего, возможность визуализации исследуемых процессов, их графическое представление, а также предложение модифицировать условия эксперимента.

5. Выводы

Проведенный опрос доказывает, что компьютерное моделирование представляет собой метод, способный, прежде всего, значительно повысить мотивацию и интерес учеников к изучению физики. Накопленный опыт работы со всеми группами возможных пользователей позволяет считать, что обучение с использованием компьютерного моделирования предоставляет ученикам эффективные и действенные возможности для изучения как продуктов науки, так и процессов, которые могут быть полезны ученикам и в других областях или в их будущих профессиях.