Компьютерное моделирование физических процессов и явлений, как метод научного познания

Использование динамического гипертекста позволяет провести диагностику знаний, а затем автоматически выбрать один из возможных уровней изучения одной и той же темы курса физики. Все это создает условия для реализации дифференцированного подхода к обучению физике.

Кроме того, электронные учебники являются по своей структуре открытыми системами. Их можно дополнять, корректировать, модифицировать в процессе эксплуатации.

Интернет технологии в физическом образовании обеспечивают доступ к гигантским объемам информации, хранящимся в различных уголках нашей планеты.

Образовательный web-сайт учебного заведения в сети Интернет позволяет регулировать образовательные процессы внутри учебного заведения.

3.8 Анализ некоторых электронных пособий по физике

«Репетитор. Физика» - мультимедийный электронный учебник по физике, содержащий демонстрацию физических явлений методами компьютерной анимации, компьютерное моделирование физических закономерностей, видеоматериалы, демонстрирующие реальные физические опыты, набор тестов и задач для самоконтроля, справочные таблицы и формулы.

«Физика 1.5» - электронный учебник с высокой степенью наглядности представления теоретического материала. Диск содержит теоретические материалы по основным разделам школьной программы для 9-11-го классов и раздел «Подготовка в вуз». Эту программу рационально использовать на уроках физики в качестве обучающей, демонстрационной и контролирующей.

Программы «Открытая физика» и «Живая физика 2.5» позволяют моделировать целый ряд физических явлений (например, движение частиц в различных силовых полях), а также решать физические задачи, которые не удается решить, используя «школьную» математику. "Открытая физика» - полный мультимедиа курс физики для средних школ, лицеев, гимназий, колледжей и институтов, подготовки в ВУЗ и самостоятельного изучения. В первую часть курса "Открытая физика 2.0" включено 50 физических моделей, позволяющих в динамике проиллюстрировать изучаемое физическое явление, 12 лабораторных работ.

Многочисленные компьютерные модели выше перечисленных программ расположены также на сайте "Открытый колледж" по адресу: http://www.college.ru. Интернет-проект «Открытый колледж» предназначен для самообразования учеников и учителей. Он включает новейшие технологические Интернет-решения: систему разработки и редактирования содержания курсов, реализацию on-line управления курсами, журнал достижений, систему удаленной on-line и off-line режимов обучения.

«Физика в картинках, Физика на Вашем PC» содержит справочные сведения по физике, сопровождаемые изображениями экспериментов, а также справочник формул, таблицы физических величин, калькулятор. В программу внесены вопросы и задачи, предусмотрена возможность ввода ответов и их проверки.

Для компьютерного моделирования интересны программы «Физика колебаний», «Движение космических тел» профессора физического факультета СПбГУ Е.И.Бутикова (http:// www.phys.spbu.ru), «Начала электроники» - электронный конструктор для сборки различных электрических схем (http://www.elektronika.newmail.ru). На сайте «Физика в анимациях» (http://physics.nad.ru/physics.htm представлены трёхмерные анимации по механике, волнам, термодинамике, оптике. На сайтах http://center.fio.ru/workroom/physics и http://www.edu.delfa.net:8101/teacher/club.html можно найти сценарии уроков физики с использованием информационных технологий.

Информационно-обучающий сервер «Физика для школ через Интернет» (http://www.spin.nw.ru) обеспечивает информационную поддержку квалифицированного преподавания физики в школах.

Действует виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов «Эффективная физика» (http://www.effects.ru). Он представляет собой современное учебно-методическое и справочное средство, ориентирован на разные уровни образования, в том числе и общее среднее, и может применяться в учебном процессе в рамках практических и лабораторных занятий в качестве электронного справочника.

В Интернете активно идёт процесс создания и систематизации ресурсов, имеющих непосредственное отношение к образованию. Наиболее обширным является аннотированный тематический каталог Интернет-ресурсов по физике http://www.college.ru/physics, а также каталог научной лаборатории школьников http://www.nsu.ru/materials/ssl/.

3.9 Преимущества компьютерного моделирования по сравнению с натурным экспериментом

Компьютерное моделирование по сравнению с натурным экспериментом дает возможность:

§ получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить их тонкие детали, которые часто ускользают при наблюдении реальных явлений и экспериментов;

§ визуализации не реального явления природы, а его упрощённой модели не достижимой в реальном физическом эксперименте. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному физическому явлению;

§ варьировать временной масштаб событий;

§ моделировать ситуации, не реализуемые в физических экспериментах.

3.10 Методика применения компьютерных моделей в школьном курсе физики

Прежде всего, чрезвычайно удобно использовать компьютерные модели в качестве демонстраций при объяснении нового материала или при решении задач. Согласитесь, что гораздо проще и нагляднее показать как электрон в соответствии с моделью Бора перескакивает в атоме с орбиты на орбиту, что сопровождается поглощением или испусканием кванта, используя компьютерную модель , чем объяснять это при помощи доски и мела. А если учесть, что данная модель позволяет одновременно с переходом электрона на другую орбиту показать в динамическом режиме соответствующий переход на диаграмме электронных уровней, а также вид соответствующей спектральной линии, то становится ясно, что данную демонстрацию невозможно обеспечить другими средствами. Конечно подобная демонстрация будет иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора, или в кабинете имеется проекционная техника, позволяющая отобразить экран компьютера на стенной экран большого формата подобно кодослайду (указанная техника начинает появляться в школах города). В противном случае учитель может предложить учащимся самостоятельно поработать с моделями в компьютерном классе (такая возможность уже не является экзотикой) или в домашних условиях, что иногда бывает наиболее реально.

Разумеется дети с большим интересом повозятся с предложенными моделями, испробуют все регулировки, как правило, не особенно вникая в физическое содержание происходящего на экране. Как показывает практический опыт обычному школьнику может быть интересна в течении 3-5 минут в зависимости от красочности и сложности, а затем неизбежно возникает вопрос: А что делать дальше?

К сожалению авторы программ не продумали методику использования моделей в процессе индивидуального обучения, задачи и вопросы, которые прилагаются к моделям крайне не многочисленны и не всегда удачны, то есть выбора практически нет. Что же делать чтобы урок в компьютерном классе был не только интересен по форме но и дал максимальный учебный эффект? Учителю необходимо заранее подготовить план работы для учащихся с выбранной для изучения компьютерной моделью, сформулировать задачи, согласованные с возможностями модели, а также желательно предупредить учащихся, что им будет необходимо ответить на вопросы или написать небольшой отчёт о проделанной работе. Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока раздаёт учащимся указанные материалы в распечатанном виде. Какие же виды учебной деятельности можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями?

Прежде всего это знакомство с моделью, то есть небольшая исследовательская работа - экскурс по устройству модели и её функциональным возможностям, в которую входит знакомство с основными регулировками модели. В ходе этой работы учитель в компьютерном классе, переходя от ученика к ученику помогает освоить модель, поясняя наиболее сложные моменты и задавая вопросы, отвечая на которые учащиеся глубже вникают в суть происходящего на экране.

После того как компьютерная модель освоена в первом приближении, имеет смысл предложить учащимся выполнить 1 - 3 компьютерных эксперимента. Эти эксперименты позволят учащимся научиться уверенно управлять происходящем на экране и вникнуть в смысл демонстраций.

Далее, если модель позволяет, можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи для решения которых не обязательно производить вычисления, а необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Цель подобных заданий...

На данном этапе, когда учащиеся уже достаточно хорошо овладели моделью и углубили свои знания по изучаемому явлению, имеет смысл предложить 2 - 3 задачи не требующих длительного решения, которые необходимо решить без использования компьютера (некоторых учеников даже необходимо отсадить подальше от ...), а затем проверить полученный ответ, поставив эксперимент на компьютере. Задачи, правильность решения которых можно проверить, используя компьютерную модель. При составлении таких задач необходимо учитывать как функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров заложенные авторами модели. Следует отметить, что, если эти задачи решаются в компьютерном классе, то их решение не должно превышать 5 -8 минут. В противном случае работа с компьютером становится мало эффективной. Задачи, требующие более длительного решения имеет смысл предлагать в виде домашнего задания. Задачи, требующие более длительного решения, имеет смысл предлагать для предварительной проработки в виде домашнего задания и только после этого использовать их в компьютерном классе.

Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательские задачи, то есть задачи в ходе решения которых учащимся необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. Самым продвинутым ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности.

Творческие задания лучше предложить ученикам в виде домашнего задания. В рамках таких заданий учащиеся самостоятельно придумывают и решают задачи, а затем проверяют свои результаты в компьютерном классе.

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. Возможности аналитических методов решения сложных математических задач, однако, очень ограниченны и, как правило, эти методы гораздо сложнее численных. В данной курсовой доминируют численные методы, реализуемые на компьютерах. Это связано с тем, что моделирование здесь рассматривается под углом зрения компьютерных (информационных) технологий. Такой подход несколько сужает возможности метода в целом; его достоинство - некоторое снижение барьера необходимой математической подготовки (хотя, разумеется, и в численные методы при профессиональном занятии математическим моделированием приходится углубляться настолько, что при этом требуется значительное математическое образование). Наконец, понятия «аналитическое решение» и «компьютерное решение» отнюдь не противостоят друг другу, так как

§ все чаще компьютеры при математическом моделировании используются не только для численных расчетов, но и для аналитических преобразований;

§ результат аналитического исследования математической модели часто выражен столь сложной формулой, что при взгляде на нее не складывается восприятия описываемого ей процесса. Эту формулу (хорошо еще, если просто формулу!) нужно протабулировать, представить графически, проиллюстрировать в динамике, иногда даже озвучить, т.е. проделать то, что называется «визуализацией абстракций» . При этом компьютер - незаменимое техническое средство.

3.11 Компьютерное моделирование в естествознании: возможности, достижения, перспективы

Применение компьютеров в научных исследованиях является необходимым условием изучения сложных систем. Традиционная методология взаимосвязи теории и эксперимента должна быть дополнена принципами компьютерного моделирования. Эта новая эффективная процедура дает возможность целостного изучения поведения наиболее сложных систем как естественных, так и создаваемых для проверки теоретических гипотез.

Методами компьютерного моделирования пользуются специалисты практически всех отраслей и областей науки и техники - от истории до космонавтики, поскольку с их помощь можно прогнозировать и даже имитировать явления, события или проектируемые предметы в заранее заданных параметрах. Компьютерное моделирование в естествознании: возможности, достижения, перспективы

Большинство естественнонаучных теорий очень похожи на математику внутренней логикой своего построения. В основе любой математической теории лежит несколько аксиом, а все частные результаты, называемые теоремами, выводятся из аксиом посредством дедуктивных логических рассуждений. Аксиомы являются идеальными абстрактными образами реальных объектов.

Точно также во всех т.н. точных науках после этапа накопления экспериментальных данных формулируются основные законы, из которых могут быть получены все свойства различных систем и процессов, охватываемых данной теорией. Компактная и точная формулировка законов естествознания делается на языке математики в виде каких-либо уравнений. Таким образом, математической моделью любой реальной системы является некоторое уравнение или система уравнений с определенными значениями параметров и определенными граничными условиями.

Во многих случаях для решения этих уравнений традиционными аналитическими методами требуется использование серьезного, порой, очень громоздкого математического аппарата. Иногда решения в аналитической форме вообще отсутствуют. Попытка ограничиться рассмотрением простейших систем, для которых решение основных уравнений может быть найдено элементарными методами, существенно обедняет наши представления об окружающем мире.

Эффективный путь преодоления этих трудностей - построение компьютерной модели изучаемого явления , под которой понимается совокупность численных методов решения основных уравнений, алгоритмов их реализации и компьютерных программ. Хорошая компьютерная модель превращает компьютер из сверхбыстрого калькулятора в интеллектуальный инструмент, способствующий открытию новых эффектов, явлений и даже созданию новых теорий.

Результативность компьютерной модели в значительной степени определяется качеством используемого программного обеспечения. Основные требования, предъявляемые к программам - это, конечно, простота ввода и корректировки исходных данных, а также визуализация (наглядность) результатов счета. Сегодня имеются и мощные специализированные системы программирования (MAPLE , SolidWorks , AutoCAD и др.) и специальные программы, в которых реализуется удобные графические пользовательские возможности.

Использование компьютерных моделей превращает компьютер в универсальную экспериментальную установку. В компьютерном эксперименте обеспечен полный контроль за всеми параметрами системы, компьютерный эксперимент дешев и безопасен, с помощью компьютера удается ставить "принципиально невозможные" эксперименты (геологические процессы, космология, экологические катастрофы и т.д.).

Приведу примеры задач, которые имеют красивые и неожиданные решения, найденные и исследованные с использованием компьютерного моделирования:

§ Как изменилась бы траектория спутника Земли, если бы солнечный ветер стал «дуть» сильнее?

§ Как происходит перераспределение энергии между частицами макроскопической системы при их тепловом движении?

В 1954 г. Э. Ферми, Дж. Паста и С. Улам путем компьютерного моделирования обнаружили удивительные особенности динамики атомов в кристаллах, что стимулировало активные исследования нелинейных систем и привело к ряду важнейших открытий в физике и математике.

За последние 7-8 лет промышленными предприятиями накоплен немалый опыт автоматизации локальных служб конструкторских и технологических подразделений. Несмотря на ограниченное применение средств САПР в реальной работе, результат очевиден: уровень владения новыми технологиями, знание различных прикладных систем, приобретенный реальный опыт работы плюс сотни (тысячи) разработанных чертежей, управляющих программ, моделей и т.п. Практически на каждом предприятии используются сети, ширится применение телекоммуникационных технологий (электронной почты, ИНТЕРНЕТ).

Системы автоматизированного проектирования (САПР) постепенно, но все же становятся обычным и привычным инструментом конструктора, технолога, расчетчика. Конкурировать иначе в условиях, когда сроки являются основным требованием заказчика, не представляется возможным. И хотя психологически руководителю отечественного промышленного предприятия трудно свыкнуться с мыслью, что дискеты с программами могут стоить дороже оборудования, это нисколько не удивительно, ибо интеллектуальный продукт является плодом многолетних научных, исследовательских и практических работ целого коллектива и колоссальных финансовых вложений. Надо осознать, что не только аппаратные, но и программные средства компьютеризации являются такими же важнейшими частями и ресурсами научно-производственного процесса, как персонал, сырье или электроэнергия.

Стремительно развивающаяся компьютерная индустрия и выход новейших операционных систем WINDOWS 98 и WINDOWS NT 4.0 явно обозначили новый виток гонки информационных технологий. При этом WINDOWS не ограничивается красивым оформлением, это качественно новый уровень работы пользователя, архитектуры комплекса, тесная интеграция разнородных систем, встроенные сетевые возможности и многое другое. Здесь стали реальностью многие задачи, решение которых в ранее в принципе не представлялось возможным.

К новейшим средствам компьютерного моделирования относится:

1. Параметрическое моделирование трехмерных твердотельных объектов в AutoCAD Designer R2.1 (модуль PARTS)

Как правило, даже сложные машиностроительные детали формируются из сравнительно простых элементов. Более того, многие формообразующие элементы являются стандартными конструкторско-технологическими элементами, например: фаска, сопряжение, отверстие. Другие же элементы, отличаясь простотой образующих поверхностей, тем не менее, обладают достаточно произвольной формой, но и в этом случае они всегда имеют один или более типичных профилей в одной из проекций или в сечении.

Процесс моделирования в AutoCAD Designer как раз и сводится к тому, чтобы сначала задать на плоскости типовой профиль, а затем придать ему пространственные свойства, построив так называемую базовую форму, а затем добавлять к ней новые конструкторско-технологические элементы (стандартные или описываемые типовыми профилями). Создание типовых профилей формообразующих элементов в AutoCAD Designer происходит в два этапа (при этом выполняемые действия максимально приближены к операциям, осуществляемым конструкторами в повседневной практике): сначала строится на так называемой эскизной плоскости концептуальный эскиз профиля, а затем на его элементы накладываются геометрические связи и вводятся параметрические размеры. По умолчанию при создании базовой формы в качестве эскизной плоскости используется плоскость XY пользовательской системы координат, однако задание профилей других конструкторских элементов может производиться и в плоскостях, отличных от исходной. В этом случае следует определить новую эскизную плоскость при помощи команды AMSKPLN (опция Sketch Plane в меню Parts, подменю Sketch или опция Плоскость построений в меню Детали, подменю Эскиз). Для ориентации эскизной плоскости в пространстве можно использовать как непосредственно грани существующей модели, так и специальные неформообразующие конструкционные элементы - рабочие плоскости. Помимо рабочих плоскостей в AutoCAD Designer для привязки формообразующих элементов при моделировании также эффективны другие неформообразующие конструкционные элементы: рабочая ось и рабочая точка.

2. Моделирование трехмерных твердотельных объектов в SolidWorks

Одним из самых заметных программных продуктов, относящихся к новому поколению, является SolidWorks, разработанный американской компанией SolidWorks Corporation, которая преследовала цель создания массовой системы для каждого конструктора под лозунгом “последние разработки в области CAD/CAM на каждый рабочий стол”. При этом потенциал продукта по возможностям конструирования позволяет создавать достаточно сложные трехмерные детали и сборки в машиностроении.

Твердотельное параметрическое моделирование детали базируется на создании дерева построений, отражающего этапы ее формообразования. Простые формы (объекты), добавляемые к текущей модели или вычитаемые из нее, формируются на базе плоского эскиза (плоского замкнутого контура без самопересечений), выполненного в произвольно ориентированной плоскости. К ним относятся тела вращения и выдавливания, тела, полученные сопряжением произвольно ориентированных сечений или сдвигом. Мощный аппарат наложения размерных и геометрических связей (ограничений) на геометрические элементы обеспечивают построение модели с возможностью изменения произвольного параметра, связывания его с значением другого параметра и т.п. Сохраняется неразрывная связь «эскиз - твердое тело», дающая возможность при необходимости корректировать модель через изменение её эскиза.

Возможности моделирования включают также в себя построения трёхмерных фасок и скруглений, ребер жесткости и литейных уклонов, создание различными способами полых (тонкостенных) тел, использование мощного аппарата построения вспомогательных плоскостей и осей. В версии SolidWorks-97 появились возможности оперировать трехмерными объектами и достаточно сложными поверхностями, которые могут служить частью других объектов, что позволяет всесторонне проследить формирование и свойства проектируемого изделия. Создание и ведение компьютерного файла проектируемого объекта позволяет отслеживать процесс создания трехмерной модели и вносить в него необходимые изменения. Можно изменить любой параметр модели и через несколько секунд увидеть результаты полной перестройки модели.

Широкие возможности визуализации и создания фотоизображений с использованием дополнительных источников освещения и регулированием характеристик поверхности материала (отражение или поглощение им света, излучение и шероховатость поверхности) позволяют работать в режиме реального времени с тонированными изображениями модели.

Созданные детали могут объединяться в сборку с заданием ограничений взаимного расположения любых деталей друг относительно друга (соосность, фиксация, совпадение точек и плоскостей и многое другое) и регулировкой характеристик каждой детали.

На основе трехмерного объекта возможно автоматическое создание чертежа детали, состоящего из основных и вспомогательных видов, сложных разрезов и сечений. Поддержка многочисленных форматов обмена позволяет использовать любой чертежно-графический редактор.

Вообще следует отметить мощные интеграционные возможности системы, обеспечивающей интерфейс с ведущими технологическими и расчетными приложениями, а существующие средства разработки приложений позволяют стыковать прикладные системы с геометрическим ядром SolidWorks. Новая генерация систем может заметно потеснить дорогостоящие интегрированные системы и существенно снизит количественную потребность их применения.

3.12 Компьютерное моделирование и виртуальная реальность

Успешная визуализация и имитирование реальной среды взаимодействия человека и техники посредством компьютера разработана Национальным аэрокосмическим агенством США (NASA) еще 20 лет назад. Целью этой технологии являлась проверка работы техники и поведения человека при работе в сложных и опасных условиях космоса и, таким образом, оценка и улучшение космических проектов. Долгое время весьма высокая стоимость аппаратно-программных комплексов, позволяющих осуществить подобную визуализацию, ограничивала их применение только военными проектами и космической промышленностью. Однако, прогресс и удешевление этих технологий за последние годы, позволили внести концепцию виртуальной реальности и виртуального прототипирования во все отрасли промышленности и бизнеса.

Развитие технической мысли и постоянно возникающий конкурентный спрос, быстро приводящие к тому, что вчерашние решения не эффективны уже сегодня, заставили производителей самых разных отраслей искать инновационные подходы, которые позволили бы сокращать сроки и затраты на разработку, увеличивая тем самым конкурентоспособность как отдельного изделия, так и предприятия в целом.

Наиболее привлекательным и оптимальным оказалось применение компьютерных технологий моделирования, визуализации и имитирования, давно испробованных в военно-промышленном комплексе.

Компьютер обеспечивает для человеческого разума возможность мгновенно реагировать на изменения в создаваемой виртуальной среде. Сила виртуальной реальности состоит в достижении свободы взаимодействия человека с виртуальной средой - там нет принципиальных ограничений в этом плане и можно исследовать и опробовать любой компонент любой пространственной модели (виртуального прототипа). Будучи созданной в компьютере, эта модель, также как и среда, в которой она находится, свободна от ограничений физического пространства и времени.

Компьютерное проектирование позволяет не только создать, но и усовершенствовать сложное изделие, оценить и опробовать его не на реальном предприятии, а в среде виртуальной реальности. Это особенно актуально для дорогостоящих, сложных, уникальных технологических и военно-технических комплексов.

В настоящее время мы наблюдаем все более массированное применение технологий виртуального прототипирования, т.е. процесса создания виртуальной (электронной) модели объекта, предназначенного для последующего производства, ее всесторонней оценки на этапе наличия виртуального прототипа (например, безопасности, функциональности, технологичности и т.д.), оптимизации технологических процессов его изготовления. Только после получения удовлетворительных результатов принимается решение об изготовлении физического объекта.

Немаловажным также, является и внешний вид изделия, его формы, характеристики - дизайн. Дизайн - это новая область применения компьютерной графики в промышленности.

Обычно цель дизайнерской проработки нового изделия - выбор наиболее удачной концепции внешнего облика изделия из множества вариантов и детальный визуальный анализ выбранной концепции. Если дизайн изделия выполняется с помощью компьютера, то это позволяет сократить в несколько раз время как на дизайнерскую проработку, так и на общий цикл разработки (например, выпуск на рынок такого сложного изделия, как автомобиль, может произойти на один-два года раньше). При этом также происходит значительная экономия средств, поскольку все аспекты внешнего вида оцениваются на компьютерных, а не натурных моделях.

Дизайнерская часть общего цикла производства включает в себя:

1. концептуальное моделирование, т. е. предварительную разработку нескольких вариантов изделия, в результате которой появляются "трехмерные наброски";

2. создание компьютерных "рисунков", представляющих собой ортогональные проекции будущего изделия (при традиционном дизайне такие рисунки могли бы служить конечным результатом работы);

3. собственно моделирование: трассировку рисунков, то есть создание с их помощью трехмерных объектов, а затем - построение поверхностей по этим объектам;

4. оценку таких свойств моделируемых объектов, как кривизна, непрерывность кривизны, распределение бликов и т.д;

5. задание "материалов" (то есть оптических свойств поверхностей), выбор и расстановка источников света, задание свойств окружающей среды, выбор фона - все это заканчивается просчетом построенной таким образом сцены с высокой степенью фотореализма;

6. передачу трехмерной модели объекта (вид которого наглядно представлен, оценен, согласован и утвержден) в САПР для дальнейшей разработки внутреннего устройства объекта, конструкторских расчетов, оформления чертежной документации и т.д.

Трехмерное моделирование - это область функционального пересечения дизайнерской системы и САПР, однако назначение моделирования в этих системах различается. Для дизайнера трехмерная модель - всего лишь предварительная конструкция, на основе которой получаются фотоизображения. При этом, нужно заметить, реально процесс разработки нового изделия происходит в режиме тесного сотрудничества конструкторов и технологов и содержит обратные связи, что позволяет еще на этапе дизайнерской разработки (а не при уже готовом изделии) довести модель "до ума", а это делает применение компьютерных технологий жизненно важным для будущего изделия.

Таким образом, уже с самого начала формы будущего объекта согласуются с требованиями конструкторов и технологов. Созданный с помощью систем моделирования объект, можно помещать в различные среды, имитировать и прослеживать не только его перемещения в созданном для него виртуальном пространстве, но и демонстрировать его функционирование.

Если виртуальную реальность использовать просто как средство коммуникации между участниками процесса проектирования, она позволит проектировщикам, специалистам по надежности систем, персоналу и другим специалистам обсуждать, даже находясь в разных точках планеты, средствами Интернета, достоинства и недостатки проекта, используя виртуальную модель, как наглядное, трехмерное справочное пособие, которое можно как угодно перемещать в пространстве, "гулять" по нему и т.д. Это неизбежно приведет к более ясному пониманию сути проблем и более скорой выработке решений по устранению потенциальных затруднений во время проектирования и производства любого изделия.

3.13 Моделирование физических процессов на ЭВМ

Для изучения того ил иного явления в физике очень часто используется такой метод изучения, как моделирование. Моделирование представляет собой воспроизведение определенных свойств и связей объекта - оригинала в другом, специально созданном объекте - в модели с целью их более тщательного изучения. ЭВМ позволяет создать широкий спектр программных средств и активно использовать их в учебном процессе, позволяя сделать многие физические задачи доступными и наглядными[1].

Вместе с тем нужно отметить, что самая совершенная модель не может полностью описать явление, а представляет лишь его основные, наиболее характерные черты.

Таким образом цель моделирования физического процесса - создание модели является "волшебным" инструментом познания, позволяющим на разных степенях исследования выделить главные, наиболее существенные характеристики физического процесса.

Каждая модель физического процесса должна отвечать следующим требованиям:

1) модель не должна искажать физическую реальность

2) модель должна быть динамичной

3) модель должна базироваться на проверенных данных

4) модель должна действовать в определенных рамках

5) модель должна наглядно представлять физическое явление, для которого создана.

Заключение

Абстрактное моделирование с помощью компьютеров - вербальное, информационное, математическое - в наши дни стало одной из информационных технологий, в познавательном плане исключительно мощной. Изучение компьютерного математического моделирования открывает широкие возможности для осознания связи информатики с математикой и другими науками - естественными и социальными.

Можно отметить, что, говоря о математических моделях, имеется в виду сугубо прикладной аспект. В современной математике есть достаточно формализованный подход к понятию «математическая модель». Внутри него вполне допустимо игнорировать вопрос о связи математики с реалиями физического мира. В этом подходе моделями являются, например, система целых чисел, система действительных чисел, евклидова геометрия, алгебраическая группа, топологическое пространство и т.д. К исследованию таких формальных моделей вполне можно подключить компьютеры, но все равно это останется «чистой» математикой. В данном случае термин «математическая модель» увязывается с некоторой предметной областью, сущностью окружающего мира.

Компьютерное математическое моделирование в разных своих проявлениях использует практически весь аппарат современной математики.

Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование вначале этой модели. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода.

В ходе выполнения дипломной работы:

ь проведен теоретический анализ моделируемых процессов;

ь выявлены новые эффекты;

ь на основе полученных данных представлены демонстрационные программы;

ь на основе компьютерных программ для моделирования физических процессов и явлений представлены лабораторные работы.

В процессе выполнения дипломной работы, было разработано пособие для использования на уроках физики в средней школе. В нём собран материал по компьютерному моделированию физических процессов и явлений. Пособие может быть использовано в качестве демонстрационного материала для показа сложных физических процессов. Также может быть применено на лабораторных работах для проведения испытаний и расчёта сложных данных. В пособии собран видеоматериал, с помощью которого можно наглядно демонстрировать материал проводимого урока. Для составления данного электронного пособия были использованы материалы сайтов Интернет.

В дальнейшем автор предполагает продолжать работу в данном направлении для увеличения объёма демонстрируемого материала и данных для лабораторных работ.

Список использованной литературы

1. Педагогические нововведения в высшей школе. Материалы IV Всероссийской научно-методической конференции. КубГТУ. Часть VI. Инновации в методиках преподавания учебных дисциплин. Краснодар. 1998. С. 14-16.

2. Современный физический практикум. Сборник тезисов докладов V учебно-методической конференции стран СНГ. Под ред. В.И. Николаева и М.Б. Шапочкина. Москва. 1998. С.212.

3. ЭВМ в курсе общей физики. Под ред. А.Н. Матвеева. Изд-во Московского университета. 1982. С.15-18.

4. Любарский Г.Я., Слабочинский Р.П. Математическое моделирование и эксперимент. - Киев: Наукова думка. 1987. - С.5-7.

5. А. Ф. Кавтрев. Компьютерные программы по физике в средней школе. Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", ї1, с. 42-47, 1998.

6. Е. И Бутиков. Лаборатория компьютерного моделирования. Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", с.26, 1999.

7. А. С. Чирцов. Информационные технологии в обучении физике. Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", с.3, 1999.

8. Е. И. Бутиков. Основы классической динамики и компьютерное моделирование. Материалы 7 научно-методической конференции, Академическая Гимназия, Санкт-Петербург - Старый Петергоф, с. 47, 1998.

9. А. Ф. Кавтрев. "Компьютерные модели в школьном курсе физики". Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", с. 41-47, 1998.

10. М. И. Башмаков, С. Н. Поздняков, Н. А Резник "Информационная среда обучения", Санкт-Петербург: "Свет", с.121, 1997.

11. А. Ф. Кавтрев. "Методика использования компьютерных моделей на уроках физики". Пятая международная конференция "Физика в системе современного образования" (ФССО-99), тезисы докладов, том 3, Санкт-Петербург: "Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена", с. 98-99, 1999.

12. А. Ф. Кавтрев "Опыт использования компьютерных моделей на уроках физики в школе "Дипломат", Сборник РГПУ им. А. И. Герцена "Физика в школе и вузе", Санкт-Петербург: "Образование", с. 102-105, 1998.

13. П. И. Белостоцкий, Г. Ю. Максимова, Н. Н. Гомулина "Компьютерные технологии: современный урок физики и астрономии". Газета "Физика" 20, с. 3, 1999.

14. В.А. Буров «Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе». Москва Просвещение 1979г

15. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. «Информатика» Москва «Академа» 2001 г.

16. Гудман С., Хидетниеми С. «Введение в разработку и анализ алгоритмов». М.:Мир, 1981 г.

17. Белошапка В. К. Информационное моделирование в примерах и задачах. -Омск: Из-во ОГПИ, 1992.

18. Акулич И. Л. Математическое программирование в примерах и задачах. - М.: Высшая школа, 1993.

19. Араманович И. Г., Левин В. И. Уравнения математической физики. - М.: Наука 1969.

20. Кондаков В.М. Математическое программирование. Элементы линейной алгебры и линейного программирования. - Пермь: Из-во ЛГУ, 1992.

21. Математическое моделирование: Пер. с англ. / Под ред. Дж. Эндрюса, Р. Мак-Лоуна. - М.: Мир, 1979.

22. Матюшкин-Герке А. Учебно-прикладные задачи в курсе информатики. Информатика и образование, № 3-4, 5-6, 1992.

23. Мигулин В.В., Медведев В.И., Парыгин В.Н. Основы теории колебаний. - M.: Наука, 1988.

24. Стрелков С. П. Введение в теорию колебаний. - М.: Наука, 1964.

25. Варламов С.Д., Эминов П.А.. Сурков В.А.Использование Microsoft Office в школе. Учебно-методическое пособие для учителей. Физика. М: ИМА-пресс, 2003. - 112 с ил.

26. Громов С.В.Физика: Оптика. Тепловые явления. Строение вещества: Учеб. для 11 кл. общкобразоват. Учреждений/С.В.Громов; Под ред. Н.В. Шароновой.-3-е изд.-М.; Просвещение, 2002.-287с.

27. Дьячук П.П., Лариков Е.В. Применение компьютерных технологий обучения в средней школе. Красноярск: Изд-во КГПУ, 1996. С.167.

28. Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе: Учеб. пособие для студ. Высш. Пед. учеб. заведений/С.Е. Каменецкий, С.В. Степанов, Е.Б. Петрова и др.; Под ред. С.Е. Каменецкого и С.В.Степанова. - М.: Издательский центр «Академия», 2002. - 304с.

29. Мастропас З.П., Синдеев Ю.Г. Физика: Методика и практика преподавания/ Серия «Книга для учителя».- Ростов н/Д: Феникс, 2002. - 288с.

30. Усова А.В., Бобров А.А.Формирование учебных навыков на уроках физики. - М.: Просвещение, 1988. - 112.: ил.- (Б-ка учителя физики).

31. Хорошавин С.А.Физический эксперимент в средней школе: 6-7 кл.-ил.: Просвещение. 1988. -175 с.: ил. - (Б-ка учителя физики).

32. Виртуальная школа Кирилла и Мефодия. Сетевая версия 2003. Медиатека по физике.

33. Рекомендации научно- методического симпозиума «Компьютерное моделирование в обучении точным наукам» // Педагогическая информатика 2004, №1

34. Бутиков Е.И. Интерактивные компьютерные модели в преподавании физики// «Компьютерное моделирование 2003» : Труды 4-й Международной научно- технической конференции.СП6: Нестор, 2003.

Использованные сайты:

1. http://www.college.ru

2. http://www.emc.spb.ru

3. http://www.cacedu.unibel.by

4. http://www.phys.spbu.ru

5. http://www.elektronika.newmail.ru.

6. http://center.fio.ru/workroom/physics

7. http://www.edu.delfa.net:8101/teacher/club.html

Размещено на Allbest.ru