Изследване на интерактивни компютърни модели. Съвременни проблеми на науката и образованието. Интерактивен експеримент по моделна физика

Опит в използването на компютърни модели в часовете по физика

Александър Федорович Кавтрев , кандидат на физ.-мат. науки, учител на Сорос, ръководител на лабораторията на Центъра за информационна култура в Санкт Петербург

Напоследък често можете да чуете въпроси: „Необходим ли е компютър в уроците по физика? Ще заменят ли компютърните симулации истински експеримент от учебен процес?" Най-често такива въпроси се задават от учители, които не познават информационните технологии и наистина не разбират как тези технологии могат да бъдат полезни в преподаването.

Нека се опитаме да отговорим на въпроса: "Кога е оправдано използването на компютърни програми в часовете по физика?" Смятаме, че на първо място в онези случаи, в които има значително предимство пред традиционните форми на обучение. Един такъв случай е използването на компютърни модели в учебния процес. Трябва да се отбележи, че под компютърни модели авторът разбира компютърни програми, които позволяват симулиране на физични явления, експерименти или идеализирани ситуации, срещани в задачи.

Какво е предимството на компютърната симулация в сравнение с естествения експеримент? На първо място, компютърното моделиране позволява да се получат визуални динамични илюстрации на физически експерименти и явления, да се възпроизведат техните фини детайли, които често се изплъзват при наблюдение на реални явления и експерименти. Когато използва модели, компютърът предоставя уникална, непостижима в реален физически експеримент възможност за визуализиране не на реално природно явление, а на неговия опростен модел. В този случай в разглеждането могат постепенно да се включват допълнителни фактори, които постепенно усложняват модела и го доближават до реално физическо явление. В допълнение, компютърната симулация дава възможност да се променя времевата скала на събитията, както и да се симулират ситуации, които не могат да бъдат реализирани във физически експерименти.

Работата на студентите с компютърни модели е изключително полезна, тъй като компютърните модели позволяват промяна на началните условия на физически експерименти в широк диапазон, което им позволява да извършват множество виртуални експерименти. Подобна интерактивност отваря огромни когнитивни възможности за учениците, правейки ги не само наблюдатели, но и активни участници в текущите експерименти. Някои модели позволяват едновременно с хода на експериментите да се наблюдава изграждането на съответните графични зависимости, което повишава тяхната яснота. Такива модели са от особено значение, тъй като студентите обикновено изпитват значителни трудности при конструирането и четенето на графики.

Разбира се, компютърната лаборатория не може да замени истинската лаборатория по физика. Извършването на компютърна лабораторна работа обаче изисква определени умения, които са характерни и за реален експеримент - избор на начални условия, настройка на параметрите на експеримента и др.

Голям брой компютърни модели в целия училищен курс по физика се съдържат в мултимедийни курсове, разработени от компанията " Physicon „Physics in Pictures“, „Open Physics 1.1“, „Open Physics 2.0“, „Open Astronomy 2.0“ и „Open Chemistry 2.0“.Основната отличителна черта на тези компютърни курсове са многобройните компютърни модели – уникални и оригинални разработки, които са високо оценен от потребителите в много страни. (Имайте предвид, че значителен брой модели се намират и на уебсайта на Open College на адрес: http://www.college.ru/).

Компютърните модели, разработени от фирма "Physicon", лесно се вписват в урока и позволяват на учителя да организира нови, нетрадиционни видове учебни дейностистуденти. Ето три примера за такива дейности:

• 1. Урок за решаване на проблеми, последван от компютърна проверка. Учителят предлага на учениците индивидуални задачи за самостоятелно решаване в класната стая или като домашна работа, чието решение те могат да проверят чрез поставяне на компютърни експерименти. Самопроверкарезултатите, получени с помощта на компютърен експеримент, засилват познавателния интерес на учениците, а също така правят работата им творческа и често я доближават по своя характер до научните изследвания. В резултат на това много ученици започват да измислят свои собствени проблеми, да ги решават и след това да проверят правилността на разсъжденията си с помощта на компютърни модели. Учителят може съзнателно да насърчава учениците към подобни дейности, без да се страхува, че ще трябва да решава куп задачи, измислени от учениците, за които обикновено няма достатъчно време. Освен това задачите, съставени от ученици, могат да се използват в класната работа или да се предлагат на други ученици за самостоятелно изучаване под формата на домашна работа.
• 2. Урок – изследване. Студентите се насърчават сами да проведат малко проучване, използвайки компютърен модел, и да получат необходимите резултати. Освен това много модели ви позволяват да проведете такова проучване само за няколко минути. Разбира се, учителят помага на учениците във фазите на планиране и експериментиране.
• 3. Урок – компютърна лабораторна работа. За провеждане на такъв урок е необходимо да се разработят подходящи раздавателни материали. Задачите във формите на лабораторната работа трябва да бъдат подредени с нарастване на тяхната сложност. Първоначално има смисъл да се предлагат прости задачи от уводен характер и експериментални задачи, след това изчислителни задачи и накрая задачи от творчески и изследователски характер. Когато отговаря на въпрос или решава задача, ученикът може да постави необходимия компютърен експеримент и да провери своите идеи. Задачите за изчисление се препоръчва първо да бъдат решени по традиционния начин на хартия и след това да се поставят на компютърен експеримент, за да се провери правилността на отговора. Трябва да се отбележи, че задачите с творчески и изследователски характер значително повишават интереса на учениците към изучаването на физиката и са допълнителен мотивиращ фактор. Поради тази причина уроците от последните два типа се доближават до идеала, тъй като учениците получават знания в процеса на самостоятелна творческа работа, тъй като знанията са им необходими за получаване на конкретен резултат, видим на екрана на компютъра. Учителят в тези случаи е само помощник в творческия процес на овладяване на знания.

^^ 1 ЕЛЕКТРОННИ ОБУЧИТЕЛНИ РЕСУРСИ:

>/ РАЗРАБОТКА И МЕТОДИКА ЗА ПРИЛОЖЕНИЕ В ОБУЧЕНИЕТО

UDC 004.9 BBK 420.253

ДА. Антонова

ПРИНЦИПИ НА ПРОЕКТИРАНЕ НА ИНТЕРАКТИВНИ МОДЕЛИ ЗА ОБУЧЕНИЕ НА ФИЗИЧЕСКИ ЕКСПЕРИМЕНТ С ИЗПОЛЗВАНЕ НА МАКСИМАЛНО РЕАЛИСТИЧНА ИНТЕРФЕЙСНА ТЕХНОЛОГИЯ

Разглежда се съдържанието на проектната дейност на учениците по разработването на интерактивни модели на училищен физически експеримент, реализиран в технологията на най-реалистичния интерфейс. Определят се основните принципи за проектиране на модели от този тип: реалистична визуализация на експерименталната инсталация и нейната функционалност, квазиреалистични действия с елементите на инсталацията и изследваните физически обекти, осигуряване на високо ниво на интерактивност на модела и съответствие на неговия сценарий. решения с методологията на експерименталното изследване, фокусирано върху формирането на обобщени умения на учениците за работа с компютърен модел. Обосновава се важността на връзката между методически и технологични подходи при проектирането на образователни интерактивни модели.

Ключови думи: обучение по физика, физически експеримент, експериментални умения, интерактивен модел, принципи на проектиране на образователни модели на физически експеримент

Овладяването на курса по физика в средното училище трябва да се основава на множество наблюдения и експерименти (както демонстрационни, така и лабораторни). Провеждането на експерименти позволява на учениците да натрупат достатъчен за систематизиране и смислено обобщение обем фактически материал и да придобият необходимите практически умения. Емпиричните знания, получени в хода на наблюдения и експерименти, формират необходимата основа за последващото теоретично разбиране на същността на изучаваните природни явления.

За съжаление етапът на емпирично познание, свързан с провеждането на експерименти, е много ограничен във времето в гимназията. Обемът на съответната практическа работа, извършена от учениците, също е малък (демонстрационният физически експеримент е предимно работа „от ръцете на учителя“, лабораторният експеримент е малко, а домашните експерименти рядко се включват от учителите в съдържанието на обучението). Съвременната техническа среда също оказва негативно влияние върху тази ситуация. Не насърчава учениците да наблюдават природни явления и да изучават особеностите на курса си. „Причината за това е „опаковката“

© Антонова Д.А., 2017

тези явления в сложни технически устройства, които внимателно ни заобикалят и невидимо задоволяват нашите нужди и интереси.

Ресурсите на виртуалната среда могат да се разглеждат като важен допълнителен инструмент за обучение на студентите в областта на методологията на експерименталните изследвания. На първо място, трябва да се обърне внимание на подобряването и разширяването на базата от видео материали (репортажни, сценични), свързани с естествени физически експерименти (наблюдения и експерименти). Реалистичната видео поредица допринася за разширяването на емпиричните хоризонти на учениците, прави физическите знания контекстуални и търсени на практика. Полезни в обучението са снимки и обекти от статична и интерактивна компютърна графика, разкриващи съдържанието и етапите на поставяне на различни физически експерименти. Необходимо е да се разработи образователна анимация, илюстрираща особеностите на протичането на изучаваните явления, както и работата на различни обекти на техниката, включително физически устройства.

Предмет на особен интерес са обектите на виртуалната среда, симулиращи учебния физически опит и практическите действия на потребителя с устройства и материали за реализирането му. Комплексът от уникални характеристики на тази учебна среда (интелигентност, моделиране, интерактивност, мултимедия, комуникация, производителност) позволява на разработчиците да създават тези обекти на високо ниво на качество. Интерактивните образователни модели на физически експеримент са в голямо търсене на образователния пазар, така че е необходимо да се проведат постоянна работавърху запълването на предметната среда с модели от този тип.

Търсенето на подходи за създаване на виртуални модели на физически експерименти и първото им внедряване датират от началото на 2000-те години. През този период такива модели, като правило, най-простата анимацияестествени физични процеси или етапи на извършване на физически експеримент за тяхното изследване. По-късно се появиха модели с анимиран интерфейс с бутони, който позволява на потребителя да променя параметрите на модела и да наблюдава поведението му. Скоро визуализацията на външните признаци на явленията започва да се допълва от визуализацията на механизмите на тяхното възникване, за да се илюстрират положенията на една или друга физическа теория, обясняваща тези явления. Особеност на визуалното представяне на физически експерименти във виртуална среда през този период е неговата достатъчна схематичност. Важно е да се отбележи, че използването на аналози на схематичен модел на физически експеримент в обучението е приемливо предимно за ученици от гимназията, тъй като те имат достатъчно развито абстрактно мислене и опит в провеждането на полеви експериментални изследвания. В началния етап на усвояване на курса по физика работата с такива обекти на виртуалната среда е много трудна за повечето ученици и често води до формиране на неправилни идеи за естеството на потока от природни явления, както и до неадекватна възприемане на методите на тяхното експериментално изследване. Схематичният характер на моделите за обучение и традиционният начин за управление на тяхното поведение за работещи прозорци (бутони от различни видове, списъци, ленти за превъртане и др.) Със сигурност могат да бъдат приписани на групата причини за тяхното недостатъчно търсене и ниска ефективност в масовото обучение практика.

В средата на първото десетилетие на новия век структурата и функционалността на бутонно-анимационния интерфейс на моделите за обучение бяха активно подобрени. Базата данни от модели със строго определени сценарии на работа (по отношение на състав и последователност от действия) започна да се попълва с нови модели, които позволяват на учениците самостоятелно да поставят цели и да определят план за действие за постигането им. Въпреки това, доста революционни трансформации в практиката на разработване на образователни модели от този тип в домашното образование се случиха едва в края на 2000-те години. Благодарение на развитието на технологиите за виртуално моделиране стана възможно възпроизвеждането на физически обекти в 3D формат във виртуална среда, а с включването на процедурата „drag & dshp“ във виртуална среда, идеите за модела на дейност на ученика с виртуална среда обектите започнаха да се променят. Развитието вървеше в посока осигуряване на квазиреалистични действия с тези обекти. Тези актуализации се оказаха особено важни за разработването на интерактивни модели на образователен физически експеримент. Стана възможно да се реализира почти естествен начин за управление на елементите на виртуална експериментална постановка, както и на хода на експеримента като цяло. Благодарение на технологията drag & drop, мишката и клавиатурата на компютъра всъщност започнаха да изпълняват функциите на "ръката" на експериментатора. Интерактивен 3D експеримент с квазиреалистичен процес на контрол на експеримента (движение, завъртане, въртене, натискане, триене, промяна на формата и т.н.) беше определен като нов еталон в проектирането на обекти от предметна виртуална среда. Неговите предимства като значително по-високо дидактично качество бяха безспорни.

Важно е да се отбележи, че с известно закъснение протича процесът на подобряване на компютърната графика при представянето на модели на физически експерименти. Това се дължи преди всичко на високите разходи за труд за такава работа. Ниското ниво на компютърна графика, тази или онази степен на несъответствие между изображенията на обекти и техните реални двойници оказват негативно влияние върху процедурата за прехвърляне на знания и умения, придобити от учениците в една учебна среда, към обекти в друга среда (от реална към виртуална и обратно). обратно). Не може да се отрече, че реализмът на един компютърен модел може и трябва да има известна степен на ограничение. Въпреки това е необходимо да се създават във виртуална среда лесно "разпознаваеми изображения" на реални образователни обекти, използвани при провеждането на пълномащабни физически експерименти. Важно е да се покаже всеки такъв обект, като се вземат предвид неговите съществени външни характеристики и функции, изпълнявани в експеримента. Комбинацията от реалистична визуализация на лабораторната постановка с квазиреалистични действия на експериментатора създава своеобразна виртуална реалност на експерименталното изследване и значително повишава дидактическия ефект от работата на студента във виртуална среда.

Очевидно, като се има предвид текущото ниво на развитие на ИТ инструменти и хардуерни технологии, елементите на виртуалната реалност в образователните експериментални изследвания скоро ще бъдат заменени от самата виртуална реалност. Рано или късно ще бъдат създадени достатъчен брой 3D модели на интерактивни физически експерименти за учебния процес в училище и университета. 3D модел на физическа лаборатория, реализиран във виртуална среда с реалистична визуализация на лабораторното оборудване за провеждане на изследвания и възможност за извършване на реалистични експериментални действия и операции, е ефективно допълнително средство за развитие на знанията, уменията и способностите на учениците в областта. на методологията

експериментално изследване. Все пак трябва да се помни, че виртуалната реалност е изпълнена с обекти, които не взаимодействат с външния свят.

Вече се правят опити за разработване на модели от ново поколение за учебни физически експерименти. Създаване на интерактивна лаборатория на физичен експеримент, реализиран в технологията на виртуалната реалност, по отношение на софтуера и ХардуерТози процес и самото производство на продукта е много времеемка и скъпа дейност. В същото време е съвсем очевидно, че с развитието на технологиите за създаване на обекти на виртуална среда и достъпността на тези технологии за широк кръг от разработчици, този проблем ще загуби своята острота.

В момента, благодарение на появата на свободен достъпбезплатни (макар и с ограничена функционалност) версии на модерните софтуервече стана възможно динамично 3D моделиране на обекти на виртуална среда, както и създаване на образователни обекти, използващи технологиите за добавена реалност и смесена (хибридна) реалност (или, с други думи, добавена виртуалност). Така например в последния от случаите интерактивни 2.5D модели (с псевдо-3D ефект) или действителните 3D модели на образователни обекти се проектират върху реален работен плот. Илюзията за реализъм в този случай виртуалната работа, извършена от ученика, се увеличава значително.

Необходимостта от създаване на ново поколение обучителни модели, характеризиращи се с високо ниво на интерактивност и максимално реалистичен интерфейс, определя важността на обсъждането на методологичните аспекти на тяхното проектиране и разработване. Тази дискусия трябва да се изгради на базата на предназначението на тези модели в образователния процес, а именно: 1) получаване от учениците на необходимата образователна информация за физически обекти и процеси, изучавани във виртуална среда; 2) овладяване на елементите на методологията на експерименталното изследване (нейните етапи, действия и отделни операции), консолидиране на методологични знания и развитие на умения, формиране на необходимото ниво на тяхното обобщение; 3) осигуряване на адекватен трансфер на придобитите знания и умения при прехода от пълномащабни обекти на естествената среда към моделни обекти на виртуалната среда (и обратно); 4) насърчаване на формирането на идеи на учениците за ролята на компютърното моделиране в научното познание и обобщени умения за работа с компютърни модели.

Изпълнението на моделен физически експеримент във виртуална учебна среда трябва да се извършва, като се вземат предвид съвременните образователни технологииформиране у учениците на предметни и метапредметни знания, специфични и обобщени умения (както предметни, така и метапредметни нива на обобщение), универсални учебни дейности, както и ИКТ компетентности. За да се постигне тази цел, авторът-разработчик или група специалисти, участващи в създаването на модели на физически експеримент, трябва да притежават съответните методологични познания. Посочваме областите на това знание:

Училищно оборудване за кабинет по физика;

Изисквания към лабораторни и демонстрационни физични опити;

Структурата и съдържанието на учебните дейности, свързани с провеждането на физически експеримент;

Методика за формиране на експериментални умения и способности у учениците;

Насоки и методи за използване на ИКТ инструменти по време на експеримента;

Изисквания за разработване на интерактивни образователни модели на физичен експеримент;

Методика за формиране на обобщени умения и способности на учениците за работа с компютърни модели;

Организиране на образователни експериментални изследвания на ученици във виртуална среда на базата на компютърни модели.

На първия етап от разработването е необходимо да се извърши предпроектно проучване на обекта на моделиране: да се проучат физическите основи на природните явления, изучавани в експеримента; обмислете съдържанието и методологията на провеждане на подобен пълномащабен експеримент (образователен, научен); изясни състава и характеристиките на оборудването, инструментите и материалите за неговото изпълнение; анализират модели-аналози на проектирания физически опит, създадени от други автори (ако има такива), идентифицират техните предимства и недостатъци, както и възможни области за подобрение. Важно е най-накрая да се определи съставът на експерименталните умения, които е препоръчително да се формират у учениците въз основа на създадения модел.

След това се разработва проект за интерфейса на работния прозорец на модела, който включва всички статични и интерактивни елементи, както и тяхната функционалност. Дизайнът на интерфейса се основава на методологични модели на физическо знание и образователни дейности, които са представени в педагогическата наука чрез обобщени планове: физическо явление (обект, процес), експериментално изследване и изпълнение на отделните му етапи, разработване на инструкции за обучение, работа с компютърен модел.

Всъщност разработването на модела на образователния експеримент се извършва на базата на избраните за всеки отделен случай технологии за представяне и обработка на информация, среди и езици за програмиране.

В края на работата моделът се тества и усъвършенства. Етапът на апробиране на виртуалния модел в реалния образователен процес е важен за проверка на неговата дидактическа ефективност.

Нека формулираме най-общите принципи за проектиране на интерактивни образователни модели на физически експерименти, използвайки технологията на най-реалистичния интерфейс.

1. Реалистична визуализация на експерименталната постановка (изследван обект, технически средства, устройства и инструменти). На виртуална лабораторна маса е поставен визуален аналог на пълномащабна инсталация за провеждане на моделен експеримент. В редица специални случаи може да се създаде реалистичен модел на полеви условия на експеримента. Нивото на детайлност във всяка визуализация трябва да бъде обосновано. Основен критерий в случая са елементите на нейния външен образ, които са от съществено значение за адекватното възприемане на инсталацията и основните елементи на функционалността. За да се получи реалистично изображение, е препоръчително да се направят снимки на експерименталната установка и нейните отделни части, снимки на обектите, изследвани в експеримента, както и инструментите и материалите, необходими за експеримента. Характеристиките на снимане се определят от избраната технология за моделиране на обекти във виртуална среда (2D или 3D моделиране). В някои случаи може да е необходимо да се визуализира вътрешната структура на устройството. Преди изображенията да могат да бъдат включени в интерфейса на модела, те обикновено са необходими допълнителна обработкаизползване на различни редактори.

2. Реалистично моделиране на функционалността на инсталацията и физическото явление, изследвано в експеримента. Изпълнението на това изискване е свързано с задълбочен анализ на хода на пълномащабния експеримент, изследване на функционалността на всеки елемент от експерименталната установка и анализ на процеса на възникване на физическото явление, възпроизведено върху него. Е необходимо развитиефизични и математически модели на функционалните компоненти на експерименталната постановка, както и обекти и процеси, изследвани в експеримента.

3. Квазиреализъм на действията на ученика с елементите на експерименталната постановка и изучаваните физически обекти. Моделът на физически експеримент трябва да позволи на учениците да изследват физически явления в режим на реалистични манипулации с виртуално оборудване и да идентифицират модели в техния курс. На фиг. 1 показва пример за такъв модел (“”, клас 7).

Ориз. 1. Интерактивен модел "Равновесие на силите на лоста" (проект на студент Е. С. Тимофеев, PSGPU, Перм, дипломиране 2016 г.)

В работното поле на този модел има демонстрационно рамо с окачвания и балансиращи гайки, както и комплект от шест тежести по 100 г. Ученикът, използвайки „влачене и пуснете", може: 1) да балансира лоста чрез развиване или затягане на балансиращите гайки чрез плъзгащи движения по краищата им (нагоре, надолу); 2) последователно окачване на товари от закачалки; 3) преместете окачванията с товари, така че лостът да влезе в баланс; 4) извадете стоките от лоста и ги върнете в контейнера. По време на експеримента ученикът попълва таблицата „Баланс на силите на лоста“, представена на дъската (виж фиг. 1). Имайте предвид, че моделът възпроизвежда реалистичното поведение на лоста при нарушен баланс. Лостът във всеки такъв случай се движи с нарастваща скорост.

На фиг. 2 показва друг модел на обучение („Електрификация на телата“, 8 клас). Когато работи с този модел, ученик, базиран на технологията drag&drop, може да направи същото

експериментални действия, като на пълномащабна инсталация. В работното поле на модела можете да изберете някоя от електрифицираните пръчици (ебонит, стъкло, органично стъкло или восък, месинг), да я електрифицирате чрез триене в един от материалите, разположени на масата (козина, гума, хартия или коприна). Степента на наелектризиране на пръчката поради продължителността на триене може да бъде различна. Когато пръчката се доближи до проводника на електрометъра, стрелката му се отклонява (наелектризиране чрез въздействие). Степента на отклонение на стрелката зависи от степента на наелектризиране на пръчката и разстоянието до електрометъра.

Ориз. 2. Модел "Наелектризиране на тела". Инсталация за моделен експеримент:

а) "макро ниво" на демонстрацията; б) „микрониво“ на демонстрацията (проект на студент А.А. Василченко, PSGPU, Перм, дипломиран през 2013 г.)

Възможно е електромерът да се зарежда чрез докосване на пръчка. С последващото привеждане на същата електрифицирана пръчка към електрометъра, зареден от нея, отклонението на стрелката се увеличава. Когато към този електрометър се донесе пръчка със заряд с различен знак, отклонението на стрелката намалява.

С помощта на този модел е възможно да се демонстрира как се зарежда електромер чрез докосване на „виртуална ръка“. За да направите това, до проводника се поставя електрифицирана пръчка, която се отстранява след докосване на "ръката" на проводника на електрометъра. Възможно е впоследствие да се определи знакът на заряда на този електрометър чрез електризация чрез влияние.

Интерактивен модел на демонстрационен експеримент върху електрифицирането на тела (чрез въздействие, чрез докосване) позволява в режим на реалистични манипулации с виртуално оборудване да се изследва взаимодействието на електрифицираните тела и да се направи заключение за съществуването на заряди от два вида (т.е. за електричеството от "стъкло" и "смола" или как стоманата говори по-късно за положителни и отрицателни електрически заряди).

4. Визуализация на механизма на явлението. Прилагането на този принцип се извършва в случай на необходимост да се обяснят на студентите основите на теорията на изучаваното явление. По правило това са виртуални идеализации. Важно е да се коментират условията за подобна идеализация в препратката към модела. По-специално в споменатия по-горе модел за електрификация на тела

беше реализирано стартирането на „микронивото” на демонстрацията (фиг. 2б). При стартиране дадено нивопоказва се знак за зареждане отделни елементиелектрометър и условната стойност на този заряд (поради по-голям или по-малък брой знаци "+" и "-" на всеки от елементите на електрометъра). Работата в режим "микрониво" има за цел да помогне на ученика да обясни наблюдаваните ефекти от наелектризирането на телата въз основа на идеи за структурата на материята.

5. Осигуряване на високо ниво на интерактивност на модела. В работата са описани възможните нива на интерактивност на обучителните модели. При разработването на модели на физически експеримент с максимално реалистичен интерфейс е препоръчително да се акцентира върху високи нива на интерактивност (трето, четвърто), които осигуряват достатъчна степен на свобода на обучаемите. Моделът трябва да позволява както прости сценарни решения (работа по инструкции), така и самостоятелно планиране от учениците на целта и хода на експеримента. Независимостта на дейността се осигурява от произволен избор на обекти и условия на изследване в предложения диапазон, както и разнообразие от действия с елементи на модела. Колкото по-широки са тези диапазони, толкова по-непредвидими за учениците стават както самият изследователски процес, така и резултатът от него.

6. Прилагане на модели на учебна дейност. Структурата на дейността по наблюдение и експериментално изследване е представена в методическата наука чрез обобщени планове. Всички елементи на интерфейса на реалистичен модел на физически експеримент и тяхната функционалност трябва да бъдат разработени, като се вземат предвид тези планове. Това са обобщени планове за осъществяване на физически експеримент и отделни действия в състава му (избор на оборудване, планиране на експеримента, измерване, проектиране на таблици от различни видове, изграждане и анализ на графики на функционална зависимост, формулиране на заключение), т.к. както и обобщени планове за изучаване на физически явления и технически обекти. Този подход към разработването на модел ще позволи на студентите да работят пълноценно и методологически компетентно с виртуална експериментална постановка. Работата с модела в този случай ще допринесе за формирането на обобщени умения у учениците за провеждане на физически експерименти.

Интерактивните модели, направени в най-реалистичната интерфейсна технология, са предназначени, като правило, за студентите да провеждат пълноценна лабораторна работа. Квазиреалистичният характер на модела и съответствието на неговата функционалност със съдържанието и структурата на експерименталното изследване осигуряват в резултат на това сравнително лесен трансфер на знанията и уменията, придобити от студентите във виртуална среда, в реална лабораторна среда . Това се осигурява от факта, че в хода на виртуален експеримент в среда, визуално и функционално близка до реалната, учениците извършват обичайните си действия: запознават се с учебното оборудване, в някои случаи го избират и сглобяват експерименталната инсталация (пълна или частично), извършете експеримента (осигурете необходимото "въздействие" върху обекта, който се изследва, вземете показания от инструменти, попълнете таблици с данни и извършете изчисления) и в края на експеримента формулирайте заключения. Практиката показва, че учениците впоследствие доста успешно извършват подобна работа със същите устройства в училищната лаборатория.

7. Проектиране и разработване на модела, като се вземе предвид обобщеният план за работа на учениците с компютърен модел. В работите е представен обобщен план за работа с компютърен модел. От една страна, такъв план определя ключовите действия на потребителя с всеки

модел в неговото изследване, от друга страна, съдържанието на етапите на работа, представени в него, показва на разработчика на модела какви интерфейсни елементи трябва да бъдат създадени, за да се осигури високо ниво на неговата интерактивност и необходимата дидактическа ефективност.

Образователната работа с интерактивни модели, разработени на базата на този принцип, осигурява формирането на подходящи обобщени умения у учениците, позволява им да оценят напълно обяснителната и предсказваща сила на моделирането като метод на познание.

Имайте предвид, че този обобщен план е препоръчително да се прилага при разработване на инструкции за виртуална лабораторна работа. Процедурата за изготвяне на наръчник за обучение въз основа на такъв план е дадена в работата.

8. Модулният принцип на формиране на учебни материали за организиране на самостоятелна работа на учениците с компютърни модели. Препоръчително е в обучителния модул да се включи интерактивен модел на физически експеримент, който дефинира относително завършен цикъл на обучение (фиг. 3) (презентация учебен материалпод формата на кратка теоретична и историческа информация (фиг. 4); развиване на знанията и уменията на учениците въз основа на модела, представяне, в случай на затруднения, примери от дейности или индикации за грешки, допуснати по време на работа (фиг. 1); самоконтрол на резултатите от усвояването на учебния материал с помощта на интерактивен тест (фиг. 5).

Министерство на образованието и науката Руска федерацияПермски държавен хуманитарен и педагогически университет Катедра по мултимедийна дидактика и информационни технологииФизически факултет

Рамо на лоста. Балансът на силите на лоста

студент от МЗ група

Тимофеев Евгений Сергеевич

Ръководител

Д-р Лед Нюк, професор

Оспеникова Елена Василиевна

Ориз. 3. Интерактивен образователен модул "Баланс на силите на лоста": заглавие и съдържание (проект на студент E.S. Тимофеев, PSGPU, Перм)

Рамо на лоста. Балансът на силите на лоста

Лостът е твърдо тяло, което може да се върти около неподвижна опора.

Фигура 1 показва лост, чиято ос на въртене O (опорна точка) е разположена между точките на прилагане на силите A и B. Фигура 2 показва диаграма на този лост. Силите p1 и действащи върху лоста са насочени в една посока.

Рамо на лоста. Балансът на силите на лоста

¡Лостът е в равновесие, когато силите, действащи върху него, са обърнати; пропорционални на рамената на тези сили.

Това може да се запише под формата на формула:

I ¡^ където p1 и Pr са сили,

Действайки на лоста, "2 b и \r - раменете на тези сили.

Правилото за баланс на лоста е установено от древногръцкия учен Архимед, физик, математик и изобретател.

Ориз. 4. Интерактивен обучителен модул "Баланс на силите на лоста": теоретична информация(проект на студент Е. С. Тимофеев, PSGPU, Перм)

Кой от показаните инструменти не използва лост?

1) човек премества товар #

3) болт и гайка

2) педал на автомобила

4) ножици

Ориз. 5. Интерактивен образователен модул "Баланс на силата на лоста": тест за самоконтрол (проект на студента E.S. Тимофеев, PSGPU, Перм)

Интерактивният модел е основна част от модула, останалите му части са със съпътстващ характер.

При провеждането на виртуалния експеримент се проследяват резултатите от работата на учениците. Неправилните действия на "експериментатора" трябва да предизвикат реалистична "реакция" на изследвания физически обект или лабораторна инсталация. В някои случаи тази реакция може да бъде заменена от изскачащ прозорец текстово съобщениекакто и аудио или видео сигнали. Препоръчително е да се обърне внимание на учениците върху грешките, допуснати при изчисленията и при попълване на таблиците с експериментални данни. Възможно е да се преброят извършените грешни действия и да се представи коментарът на ученика в края на работата въз основа на нейните резултати.

В рамките на модула трябва да се организира удобна навигация, осигуряваща бърз преход на потребителя към различните му компоненти.

Горните принципи за проектиране на интерактивни образователни модели на физически експеримент са основните. Възможно е с развитието на технологиите за създаване на обекти на виртуална среда и методите за управление на тези обекти съставът и съдържанието на тези принципи да бъдат усъвършенствани.

Следването на формулираните по-горе принципи гарантира създаването на интерактивни образователни модели с висока дидактическа ефективност. Моделите на физически експеримент, реализирани в технологията на най-реалистичния интерфейс, всъщност изпълняват функцията на симулатори. Създаването на такива симулации отнема много време, но тези разходи са напълно оправдани, тъй като в резултат на това на студентите се предоставя широко поле за допълнителна експериментална практика, която не изисква специална материална, техническа, организационна и методическа подкрепа. Реалистичната визуализация и функционалност на експерименталната постановка, квазиреалистичните действия на студентите с нейните елементи допринасят за формирането на адекватни представи за реалната практика на емпиричните изследвания. При проектирането на такива модели се прилагат до известна степен технологии за управление на учебната работа на учениците (систематичен подход към представянето на образователна информация и организация на образователните дейности, подкрепа за самостоятелна работа на ниво уведомяване за грешни действия или представяне (ако необходими) образователни инструкции, създаване на условия за систематичен самоконтрол и наличие на окончателен контрол на нивото на усвояване на учебния материал).

Важно е да се отбележи, че интерактивните модели на физически експеримент не са предназначени да заменят пълномащабната му версия. Това е само още един дидактически инструментпредназначени да допълнят системата от средства и технологии за формиране на опит на учениците в експерименталното изучаване на природни явления.

Библиография

1. Антонова ДА. Организация на проектни дейности на студенти за разработване на интерактивни модели на обучение по физика за средно училище // Обучение по природни науки, математика и информатика в университета и училището: кол. материали X междун. научен - практика. конф. (31 октомври - 1 ноември 2017 г.). - Томск: TSPU: 2017. - стр. 77 - 82.

2. Антонова Д.А., Оспеникова Е.В. Организация на самостоятелната работа на студентите от педагогическия университет в контекста на използването на технология за продуктивно обучение // Педагогическо образование в Русия. -2016 г. - № 10. - С. 43 - 52.

3. Баяндин Д.В. Виртуална учебна среда: състав и функции // Висше образование в Русия. - 2011. - № 7. - стр. 113 - 118.

4. Баяндин Д.В., Мухин О.И. Моделна работилница и интерактивен проблемник по физика на базата на системата STRATUM - 2000 // Компютър учебни програмии иновация. - 2002. - № 3. - С. 28 - 37.

5. Ospennikov N.A., Ospennikova E.V. Видове компютърни модели и насоки за използване в обучението по физика // Бюлетин на Томския държавен педагогически университет. -2010 г. - № 4. - С. 118 - 124.

6. Ospennikov N.A., Ospennikova E.V. Формиране в студентите на обобщени подходи за работа с модели // Известия на Южния федерален университет. Педагогически науки. -2009 г. - № 12- стр. 206 - 214.

7. Оспеникова Е.В. Използването на ИКТ в обучението по физика в средно училище: Инструментариум. - М.: Бином. Лаборатория на знанието. - 2011. - 655 с.

8. Оспеникова Е.В. Методическа функция на виртуалния лабораторен експеримент // Информатика и образование. - 2002. - № 11. - С. 83.

9. Оспеникова Е.В., Оспеников А.А. Разработване на компютърни модели във физиката с помощта на технологията на най-реалистичния интерфейс // Физика в системата съвременно образование(FSSO - 2017): Материали на XIV Междунар. конф. - Ростов n / a: DSTU, 2017. - стр. 434 - 437.

10. Скворцов А.И., Фишман А.И., Генденщайн Л.Е. Мултимедиен учебник по физика за средно училище // Физиката в системата на съвременното образование (FSSO - 15): материали от XIII Междунар. конф. - Санкт Петербург: Издателство на Санкт Петербург. ГУ, 2015. - С. 159 - 160.

Л. В. Пигалицин,
, www.levpi.narod.ru, средно училище № 2, Дзержинск, област Нижни Новгород.

Експеримент по компютърна физика

4. Изчислителен компютърен експеримент

Изчислителният експеримент се обръща
в самостоятелна област на науката.
Р. Г. Ефремов, доктор на физико-математическите науки

Изчислителният компютърен експеримент е в много отношения подобен на конвенционалния (естествен) експеримент. Това включва планирането на експерименти и създаването на експериментална постановка, и извършването на контролни тестове, и серия от експерименти, и обработката на експериментални данни, тяхната интерпретация и т.н. Извършва се обаче не върху реален обект, а върху неговия математически модел, като ролята на експериментална установка играе оборудваната специална програмаКОМПЮТЪР.

Изчислителният експеримент става все по-популярен. Те са ангажирани в много институти и университети, например в Московския държавен университет. Московският държавен педагогически университет, Институтът по цитология и генетика на Сибирския клон на Руската академия на науките, Институтът по молекулярна биология на Руската академия на науките и др. Учените вече могат да получат важни научни резултати без истинско, „мокро“ експеримент. За това има не само компютърна мощност, но и необходимите алгоритми и най-важното - разбиране. Ако е споделено преди - ин виво, ин витро, - добавено сега в силико. Всъщност изчислителният експеримент става самостоятелна научна област.

Предимствата на подобен експеримент са очевидни. Обикновено е по-евтино от естественото. Може лесно и безопасно да се намеси. Може да се повтаря и прекъсва по всяко време. По време на този експеримент можете да симулирате условия, които не могат да бъдат създадени в лабораторията. Важно е обаче да запомните, че изчислителният експеримент не може напълно да замени естествения и бъдещето е в тяхната разумна комбинация. Изчислителният компютърен експеримент служи като мост между естествения експеримент и теоретичните модели. Отправната точка на численото симулиране е разработването на идеализиран модел на разглежданата физическа система.

Нека разгледаме някои примери за изчислителен физически експеримент.

Момент на инерция.В "Open Physics" (2.6, част 1) има интересен изчислителен експеримент за намиране на инерционния момент на твърдо тяло, използвайки примера на система, състояща се от четири топки, нанизани на една спица. Можете да промените позицията на тези топки върху спицата, както и да изберете позицията на оста на въртене, като я начертаете както през центъра на спицата, така и през нейните краища. За всяка подредба на топки учениците изчисляват стойността на инерционния момент, като използват теоремата на Щайнер за паралелното преместване на оста на въртене. Данните за изчисления се предоставят от учителя. След изчисляване на инерционния момент данните се въвеждат в програмата и се проверяват резултатите, получени от учениците.

"Черна кутия".За да осъществим изчислителния експеримент, моите ученици и аз създадохме няколко програми за изследване на съдържанието на електрическата „черна кутия“. Може да съдържа резистори, крушки с нажежаема жичка, диоди, кондензатори, бобини и др.

Оказва се, че в някои случаи е възможно, без да отваряте "черната кутия", да разберете нейното съдържание, като свържете различни устройства към входа и изхода. Разбира се, на училищно ниво това може да се направи за обикновена три- или четиритерминална мрежа. Такива задачи развиват въображението, пространственото мислене и креативността на учениците, да не говорим за факта, че за решаването им са необходими задълбочени и солидни познания. Ето защо не е случайно, че на много всесъюзни и международни олимпиади по физика изучаването на "черни кутии" в механиката, топлината, електричеството и оптиката се предлага като експериментални задачи.

В часовете по специалния курс провеждам три реални лабораторни упражнения, когато съм в "черната кутия":

- само резистори;

- резистори, лампи с нажежаема жичка и диоди;

- резистори, кондензатори, намотки, трансформатори и трептящи вериги.

Конструктивно "черните кутии" се правят в празни кибритени кутии. Вътре в кутията е електрическа схема, а самата кутия е залепена с тиксо. Изследванията се извършват с помощта на инструменти - авометри, генератори, осцилоскопи и др., - т.к. За да направите това, трябва да изградите CVC и AFC. Студентите въвеждат показанията на инструмента в компютър, който обработва резултатите и изгражда CVC и честотната характеристика. Това позволява на учениците да разберат какви части има в "черната кутия" и да определят техните параметри.

При извършване на предна лабораторна работа с "черни кутии" има трудности, свързани с липсата на инструменти и лабораторно оборудване. Наистина за изследване е необходимо да има да речем 15 осцилоскопа, 15 звукогенератора и т.н., т.е. 15 комплекта скъпо оборудване, което повечето училища нямат. И тук на помощ идват виртуалните "черни кутии" - съответните компютърни програми.

Предимството на тези програми е, че изследването може да се извършва едновременно от целия клас. Като пример, помислете за програма, която прилага "черни кутии", съдържащи само резистори, използвайки генератор на произволни числа. От лявата страна на работния плот има "черна кутия". Той има електрическа верига, състояща се само от резистори, които могат да бъдат поставени между точките А, Б, Ви д.

Ученикът има на разположение три устройства: източник на захранване (вътрешното му съпротивление се приема равно на нула, за да се опростят изчисленията, а ЕМП се генерира произволно от програмата); волтметър (вътрешното съпротивление е безкрайно); амперметър (вътрешното съпротивление е нула).

Когато стартирате програмата вътре в "черната кутия", на случаен принцип се генерира електрическа верига, съдържаща от 1 до 4 резистора. Ученикът може да направи четири опита. След натискане на произволен клавиш му се предлага да свърже някое от предложените устройства към клемите на "черната кутия" в произволна последователност. Например, той се свърза с терминалите ABизточник на ток с EMF = 3 V (стойността на EMF се генерира произволно от програмата, в този случай се оказа 3 V). Към терминали CDсвърза волтметър и показанията му се оказаха 2,5 V. От това следва да се заключи, че в "черната кутия" има поне делител на напрежението. За да продължите експеримента, вместо волтметър можете да свържете амперметър и да вземете показания. Тези данни явно не са достатъчни, за да се разкрие мистерията. Следователно могат да се проведат още два експеримента: източникът на ток е свързан към клемите CD, а волтметъра и амперметъра - към клемите AB. Данните, получени в този случай, вече ще бъдат напълно достатъчни, за да разгадаят съдържанието на "черната кутия". Ученикът рисува схема на хартия, изчислява параметрите на резисторите и показва резултатите на учителя.

Учителят, след като провери работата, въвежда съответния код в програмата и веригата вътре в тази „черна кутия“ и параметрите на резисторите се появяват на работния плот.

Програмата е написана от мои ученици на BASIC. За да го пусна Уиндоус експиили в Windows Vista можете да използвате емулатор DOS, например, dos кутия. Можете да го изтеглите от моя уебсайт www.physics-computer.by.ru.

Ако в "черната кутия" има нелинейни елементи (лампи с нажежаема жичка, диоди и т.н.), тогава в допълнение към директните измервания ще трябва да вземете CVC. За целта е необходимо наличието на източник на ток, напрежение, на изходите на който напрежението може да се променя от 0 до определена стойност.

За да се изследват индуктивностите и капацитетите, е необходимо да се измери честотната характеристика с помощта на виртуален звуков генератор и осцилоскоп.

Селектор на скоростта.Нека разгледаме още една програма от "Open Physics" (2.6, част 2), която прави възможно провеждането на изчислителен експеримент със селектор на скорост в масспектрометър. За да се определи масата на частица с помощта на масспектрометър, е необходимо да се извърши предварителен подбор на заредени частици по скорости. За тази цел служи т.нар селектори на скоростта.

В най-простия селектор на скорост заредените частици се движат в кръстосани еднородни електрически и магнитни полета. Между плочите се създава електрическо поле плосък кондензатор, магнитни - в междината на електромагнита. начална скорост υ заредени частици е насочен перпендикулярно на векторите д и AT .

Върху заредената частица действат две сили: електрическата сила р д и магнитната сила на Лоренц р υ × б . При определени условия тези сили могат точно да се балансират една друга. В този случай заредената частица ще се движи равномерно и праволинейно. След като прелети през кондензатора, частицата ще премине през малък отвор в екрана.

Състоянието на праволинейна траектория на частица не зависи от заряда и масата на частицата, а зависи само от нейната скорост: qE = qυB→υ = E/B.

В компютърен модел можете да промените стойностите на силата на електрическото поле E, индукцията на магнитното поле би началната скорост на частиците υ . Експериментът за избор на скорост може да се извърши за електрон, протон, α-частица и напълно йонизирани атоми на уран-235 и уран-238. Изчислителен експеримент в този компютърен модел се провежда, както следва: на учениците се казва коя заредена частица лети в селектора на скоростта, силата на електрическото поле и началната скорост на частицата. Учениците изчисляват силата на магнитното поле, като използват формулите по-горе. След това данните се въвеждат в програмата и се наблюдава полета на частицата. Ако частицата лети хоризонтално вътре в селектора на скоростта, тогава изчисленията са правилни.

По-сложни изчислителни експерименти могат да се извършват с помощта на безплатния пакет "МОДЕЛ ВИЗИЯ за WINDOWS".Пакет Model Vision Studio (MVS)е интегрирана графична обвивка бързо създаванеинтерактивни визуални модели на сложни динамични системи и провеждане на изчислителни експерименти с тях. Пакетът е разработен от изследователска група "Експериментални обектни технологии" към катедра "Разпределени изчисления и компютърни мрежи» Факултет по техническа кибернетика, Санкт Петербургски държавен технически университет. Разпространява се свободно безплатна версияпакет MVS 3.0 е достъпен на www.exponenta.ru. Технология на моделиране в околната среда MVSсе основава на концепцията за виртуален лабораторен стенд. Потребителят поставя виртуални блокове от симулираната система на стойката. Виртуалните блокове за модела се избират от библиотеката или се създават отново от потребителя. Пакет MVSе предназначен за автоматизиране на основните етапи на изчислителен експеримент: изграждане на математически модел на обекта, който се изследва, генериране на софтуерна реализациямодел, изучават свойствата на модела и представят резултатите в удобен за анализ вид. Изследваният обект може да принадлежи към класа на непрекъснати, дискретни или хибридни системи. Пакетът е най-подходящ за изследване на сложни физически и технически системи.

Като примерНека разгледаме един доста популярен проблем. Нека материална точка бъде хвърлена под някакъв ъгъл към хоризонтална равнина и се сблъсква абсолютно еластично с тази равнина. Този модел стана почти задължителен в демонстрационния набор от примерни пакети за моделиране. Всъщност това е типична хибридна система с непрекъснато поведение (летене в гравитационно поле) и дискретни събития (отскачания). Този пример също така илюстрира обектно-ориентиран подход към моделирането: топка, летяща в атмосферата, е потомък на топка, летяща в безвъздушно пространство, и автоматично наследява всички общи характеристики, като същевременно добавя свои собствени характеристики.

Последният, последен, от гледна точка на потребителя, етап на моделиране е етапът на описание на формата за представяне на резултатите от изчислителен експеримент. Това могат да бъдат таблици, графики, повърхности и дори анимации, илюстриращи резултати в реално време. Така потребителят реално наблюдава динамиката на системата. Точките на фазовото пространство могат да се движат, начертаните от потребителя структурни елементи могат да променят цветовете и потребителят може да следи на екрана, например, процесите на нагряване или охлаждане. В създадените пакети за софтуерна реализация на модела могат да се предвидят специални прозорци, които позволяват по време на изчислителния експеримент да се променят стойностите на параметрите и веднага да се видят последствията от промените.

Много работа по визуално моделиране на физически процеси в MVSпроведено в МПГУ. Там бяха разработени редица виртуални работи по курса на общата физика, които могат да бъдат свързани с реални експериментални съоръжения, което ви позволява едновременно да наблюдавате на дисплея в реално време промяната в параметрите както на реалния физически процес, така и на параметри на своя модел, ясно демонстриращи неговата адекватност. Като пример цитирам седем лабораторни работи по механика от лабораторния семинар на интернет портала за отворено образование, който отговаря на съществуващите държавни образователни стандарти по специалността „Учител по физика“: изучаване на праволинейно движение с помощта на машината на Атууд; измерване на скоростта на куршума; добавяне на хармонични вибрации; измерване на инерционния момент на колело на велосипед; изследване на въртеливото движение на твърдо тяло; определяне на ускорението на свободното падане с помощта на физическо махало; изследване на свободните трептения на физическо махало.

Първите шест са виртуални и се симулират на компютър ModelVisionStudio Безплатно, като последният има както виртуална версия, така и две реални. Един за дистанционно обучение, ученикът трябва самостоятелно да направи махало от голям кламер и гумичка и да го окачи под вала компютърна мишкабез топка, вземете махало, чийто ъгъл на отклонение се отчита от специална програма и трябва да се използва от ученика при обработка на резултатите от експеримента. Този подход позволява част от уменията, необходими за експериментална работа, да се отработят само на компютър, а останалите - при работа с налични реални устройства и с отдалечен достъп до оборудване. В друга версия, предназначена за домашна подготовка на редовни студенти за лабораторна работа в работилницата на катедрата по обща и експериментална физика на Физическия факултет на Московския държавен педагогически университет, студентът практикува уменията за работа с експериментална установка на виртуален модел, а в лабораторията провежда експеримент едновременно върху конкретна реална постановка и с нейния виртуален модел. В същото време той използва както традиционни измервателни уреди под формата на оптична скала и хронометър, така и по-точни и по-бързи средства - сензор за движение на базата на оптична мишка и компютърен таймер. Едновременното сравнение на трите представяния (традиционни, усъвършенствани с помощта на електронни сензори, свързани към компютър, и модел) на едно и също явление ни позволява да направим заключение за границите на адекватността на модела, когато данните от компютърната симулация започват да се различават все повече от показанията след известно време, заснети на реална инсталация.

Горното не изчерпва възможностите за използване на компютър във физически изчислителен експеримент. Така за един творчески работещ учител и неговите ученици винаги ще има неизползвани възможности в областта на виртуалния и реалния физически експеримент.

Ако имате някакви коментари или предложения за различни видовефизически компютърен експеримент, пишете ми на:

Проучване физически моделиИзготвил: Куклева Анастасия

Моделирането е средство за изучаване на система чрез замяната й със система (модел), която е по-удобна за изследване, запазвайки свойствата, които представляват интерес за изследователя. Моделирането е конструиране (или подбор) и изучаване на модели с цел получаване на нови знания за обектите. Моделът е обект от всякакво естество, който е в състояние да замени обекта, който се изследва, в свойствата, които представляват интерес за изследователя (например глобусът е модел на Земята). Описание на обекта - набор от информация за изследваната система и условията, при които е необходимо да се проведе изследване.

Класификация (предложена от В. А. Веников) Логически модели Логическите модели се създават на базата на разсъждение. Всеки човек, преди да извърши някакво действие, изгражда логически модел. Коректността на логическия модел показва времето. Потвърдени са модели от този тип, които не винаги са ни известни. Предимството на логическите модели е присъствието във всички останали видове модели. Физически модели Модели, които са физически подобни на реална система. Основната разлика между физическите модели е физическото сходство на най-важните изследвани свойства. Най-ярките примери за физически модели са детските играчки. Друг пример - когато проектират автомобил, дизайнерите изграждат пластилинов физически модел на бъдещия продукт. Предимството на този тип модели е най-високата степен на видимост на резултатите. Математически модели Математическият модел е описание на изследваната система, строго формализирано на езика на математиката. Предимството е строго формализирано доказателство и валидност на получените резултати. (например система от линейни уравнения е метод за нейното решаване). Този видПонастоящем симулацията е определящият фактор в системните изследвания. Симулационно (компютърно) моделиране Симулацията е числен експеримент с математически модели на елементите на изследваната система, комбинирани на информационно ниво. Симулационните модели могат да съдържат не само математически модели на елементите на изследваната система, но и физически модели. (например треньор).

Изследване на физически модели. Движението под въздействието на гравитацията е добре известно. Това е падането на тяло от определена височина и движението на тяло, хвърлено под ъгъл спрямо хоризонта и т.н. Ако в такива задачи не се вземе предвид силата на съпротивлението на въздуха, тогава всички изброени видове движение се описват с известни формули. Но задачите, в които се взема предвид съпротивлението на въздуха, са не по-малко интересни.

Задача Движение на парашутиста.

I етап. Постановка на проблема ОПИСАНИЕ НА ПРОБЛЕМА При падане на земята парашутистът изпитва действието на гравитацията и въздушното съпротивление. Експериментално е установено, че съпротивителната сила зависи от скоростта на движение: колкото по-голяма е скоростта, толкова по-голяма е силата. При движение във въздуха тази сила е пропорционална на квадрата на скоростта с някакъв коефициент на съпротивление k, който зависи от конструкцията на парашута и теглото на човека. Каква трябва да бъде стойността на този коефициент, за да може парашутистът да кацне на земята със скорост не повече от 8 m / s, което не представлява опасност за здравето? Определете целите на моделирането и формализирайте задачата.

II етап. Разработване на модел ИНФОРМАЦИОНЕН МОДЕЛ Изградете свой собствен информационен модел. МАТЕМАТИЧЕСКИ МОДЕЛ Фигурата показва силите, действащи върху парашутиста. Според втория закон на Нютон движението под действието на сили може да се запише като равенство.

Проектираме това равенство върху оста на движение, заместваме израза за силата на съпротивление на въздуха.Получаваме формула за изчисляване на ускорението

Ще изчислим скоростта и разстоянието, които парашутистът е прелетял на равни интервали Δt. Формулата за изчисляване на моментите от време е: ti+1=ti+Δt Ще приемем също, че ускорението е постоянно и равно на ai за всеки интервал. Формулата за изчисляване на ускорението е: където Vi е скоростта в началото на интервала (V0 е началната скорост).

Скоростта в края на интервала (и съответно в началото на следващия) се изчислява по формулата за равномерно ускорено движение.

КОМПЮТЪРЕН МОДЕЛ За симулация ще изберем среда на електронна таблица. В тази среда информацията и математически моделсе обединяват в таблица, която съдържа три области: изходни данни; междинни селища; резултати.

III етап. компютърен експеримент

Формален модел За формализиране на модела използваме познатите от курса на физиката формули за равномерно и равномерно ускорено движение.

Благодаря за вниманието!!!

Министерство на образованието и науката на Краснодарския край

Държавна професионална бюджетна образователна институция на Краснодарския край

"Пашковски селскостопански колеж"

Методическа разработка

Приложение на интерактивни модели на физичен експеримент в изучаването на физиката

Краснодар 2015 г

ДОГОВОРЕНО

Депутат Директор за MR

GBPOU KK PSHC

ТЯХ. Строцкая

2015 г

Методическа разработка, разгледана на заседание на ЦК

математически и природонаучни дисциплини

Председател на ЦК

_________________ (Пушкарева Н.Я.)

ВЪВЕДЕНИЕ

Модернизиране на образованието в областта на компютъризацията на учебния процес, разширява възможностите за самореализация на учениците, привиква ги към самоконтрол, значително обогатява съдържанието на обучението, позволява индивидуализация на обучението. Компютърните иновативни технологии осигуряват информационна ориентация на образователната система, подготвят учениците за нови условия на дейност в информационната среда.

В статията е даден пример за използване на виртуални модели на математически и физически махала, щанга в равнина и система от свързани тела при изследване на хармоничните трептения и движението на тялото под действието на няколко сили. Авторът дава насоки за приложението им за ефективно използване на дигиталните ресурси в образователния процес. Особено актуално е използването на иновативна технологияпо специалности технически профил, с практически ориентирано обучение, което е предвидено в изискванията на професионалния стандарт и се определя от по-нататъшната професия на бъдещите квалифицирани висшисти.

Целта на тази работа е да осигури методически условия за улесняване на изучаването и преподаването на разделите на физиката "Хармонични трептения" и "Динамика" със задължителното използване на интерактивната част.

- изберете и адаптирайте теорията по този въпрос в съответствие с изискванията на Федералните държавни образователни стандарти от трето поколение (FSES SPO) за дисциплината "ODP 11. Физика";

Ефективно използвайте представените методически материали за формиране на общи и, най-важното, професионални компетенции;

- да се разработи пример за възможно приложение на модели за работа в лекции, практически и лабораторни упражнения;

- разработване на урочни планове за работа с интерактивни модели;

- вземете предвид характеристиките на прилагане на съществуващия опит за работа в класната стая със студенти от технически специалности:

08.02.01 "Строителство и експлоатация на сгради и съоръжения"; 08.02.07 "Монтаж и експлоатация на вътрешни водопроводни инсталации, климатизация и вентилация";

08.02.03 "Производство на неметални строителни изделия и конструкции";

21.02.04 "Управление на земята".

Разработката използва компютърни модели на физически процеси, изготвени от Богданов N.E. през 2007г. Представлява виртуален конструктор, насочен към осигуряване на подход към обучението, базиран на дейности, което е особено важно да се използва при обучението на специалисти от средно ниво. Особено в областта на строителството, за което е особено важно да можете да анализирате и разбирате същността на физическите процеси, условията на равновесие, границите на якост на различни видове конструкции.

Това методическо развитие отговаря на изискванията за резултатите от овладяването на основния професионален образователна програма, според който техникът трябва да притежава следните общи и професионални компетенции:

OK 4. Търсене и използване на информацията, необходима за изпълнение на професионални задачи.

OK 5. Използвайте информационни и комуникационни технологии в професионална дейност.

PC 1.4. Участвайте в разработването на проект за производство на произведения с помощта на информационни технологии.

1Компютърно моделиранеексперимент

На първо място, компютърното моделиране позволява да се получат визуални динамични илюстрации на физически експерименти и явления, да се възпроизведат техните фини детайли, които често се изплъзват при наблюдение на реални явления по време на учебния процес. При използване на модели компютърът предоставя уникална възможностученикът на визуализацията не е реален природен феномен, а негов опростен модел. В същото време учителят има възможност постепенно да включва допълнителни фактори, които постепенно усложняват модела и го доближават до реално физическо явление. В допълнение, компютърната симулация позволява да се променя времевата скала на събитията, да се разглеждат на етапи, както и да се симулират ситуации, които не могат да бъдат реализирани във физически експерименти.

Работата на студентите с интерактивни модели е полезна, тъй като компютърните модели позволяват промяна на началните условия на физически експерименти в широк диапазон и извършване на множество виртуални експерименти. Пред обучаемите се разкриват огромни познавателни възможности, които им позволяват да бъдат не само наблюдатели, но и активни участници в протичащите експерименти. Някои модели позволяват едновременно с хода на експериментите да се наблюдава изграждането на съответните графични зависимости, което повишава тяхната яснота. Учителят трябва да се съсредоточи върху формата на тези графични зависимости, особено в раздела "Механични вибрации", където е удобно да се покаже на учениците същността на закона за запазване на енергията. В това методическа разработкатази точка е разкрита в параграф 2.1.1. Раздел 2 представя използването на модели за лекционна работа на учителя в класната стая или за самостоятелна работа на студента с материал, който прави възможно „съживяването“ на сухата теория. Екранните снимки на модела ви позволяват да демонстрирате динамиката на промените във физическите величини.

Когато наблюдава и описва физически опит, симулиран на компютър, обучаемият трябва:

определя какво физическо явление, процес илюстрира опита;

назовава основните елементи на инсталацията;

описват накратко хода на експеримента и резултатите от него;

предложи какво може да се промени в инсталацията и как това ще се отрази на резултатите от експеримента;

да заключа.

За да може урокът в компютърния клас да бъде не само интересен по форма, но и да даде максимален образователен ефект, учителят трябва предварително да подготви работен план с компютърния модел, избран за изучаване, да формулира въпроси и задачи, съобразени с функционалността на модела, също така е желателно да предупредите учениците, че в края на урока ще трябва да отговорят на въпроси или да напишат кратък отчет за свършената работа. Авторът предоставя в приложенията към тази разработка урочни планове, задачи за самостоятелна класна и домашна работа, тест за контрол на знанията.

Един от видовете самостоятелни задачи са тестови задачи с последваща компютърна проверка. В началото на урока учителят раздава индивидуални задачи на учениците в печатен вид и предлага самостоятелно решаване на задачите в клас или като домашна работа. Правилността на решението на задачите може да бъде проверена от учениците, използвайки компютърна програма. Възможността за независима последваща проверка на получените резултати във виртуален експеримент засилва познавателния интерес, прави работата на учениците творческа и може да я доближи по своя характер до научните изследвания.

Има още един положителен фактор в полза на използването на компютърни експерименти. Тази технологияНасърчава обучаемите да измислят свои собствени проблеми и след това да проверят правилността на разсъжденията си с помощта на интерактивни модели.

Учителят, от друга страна, може да покани учениците да се занимават с такива дейности, без да се страхува, че по-късно ще трябва да проверява куп задачи, които те са измислили. Подобни задачи са полезни с това, че позволяват на учениците да видят на живо връзката между компютърен експеримент и физиката на изучаваните явления. Освен това съставените от учениците задачи могат да се използват в класната работа или да се предлагат на други ученици за самостоятелно изучаване под формата на домашна работа.

1.1 Плюсове и минуси на използването на електронни средства

яснота на процесите, ясни изображения на физически инсталации и модели, които не са претрупани с второстепенни детайли;

физическите процеси, явленията могат да се повтарят многократно, спират, превъртат назад, което позволява на учителя да фокусира вниманието на учениците, да даде подробни обяснениябез да бързате да експериментирате;

способността да се променят параметрите на системата по желание, да се извършва физическо моделиране, да се излагат хипотези и да се проверява тяхната валидност;

получават и анализират графични зависимости, които описват синхронното развитие на процеса;

използват данни, за да формулират своите цели;

препращат към теоретичен материал, правят исторически справки, работят с определения и закони, показани на екрана на проектора;

Недостатъци на използването на инструменти за електронно обучение:

плътен поток от информация, кодирана в различни форми, която учениците не винаги имат време да обработват;

бързо възниква „пристрастяване“ към конкретен софтуерен продукт, в резултат на което се губи остротата на интереса;

компютърът замества живото емоционално общуване с учителя;

обучаемите трябва да преминат от обичайния глас на учителя към глас зад кадър, често с лошо качество на звука;

присъствието на обучаемите на някакъв елемент от шоуто, когато те играят ролята на външни наблюдатели, а не участници в процеса.

Както плюсовете, така и минусите могат да бъдат допълнени или някои от негативните страни на използването на компютър могат да бъдат превърнати в положителни. Така, например, да се преведат мотивационните аспекти на използването на компютърна симулация в образователните дейности в равнината на дидактическите игри.

2 Използването на виртуални модели в изучаването на физиката

Следващите раздели описват използването на виртуален модел на математическо и физическо махало за разбиране на същността на теорията на хармоничните трептения, както и на модел на свързани тела и прът в равнина при изучаване на движението на телата под действието от няколко сили. Следват примери за задачи, които могат да се използват при работа със студенти от технически специалности на средни специализирани учебни заведения.

2.1 Математическо махало

2.1.1 Хармонични вибрации и техните характеристики

Трептения се наричат ​​движения или процеси, които се характеризират с определена повторяемост във времето. Флуктуациите са широко разпространени в околния свят и могат да имат много различно естество. Те могат да бъдат механични (махало), електромагнитни (колебателен кръг) и други видове трептения. Свободни или собствени трептения се наричат ​​трептения, които възникват в система, оставена сама на себе си, след като е била изведена от равновесие чрез външно въздействие. Пример са вибрациите на топка, окачена на конец, Фигура 1.

Фигура 1 - Пример за най-простия колебателен процес- трептене на топката върху нишката

Специална роля в колебателните процеси има най-простата формавибрации - хармонични вибрации. Хармоничните трептения са в основата на единен подход при изучаването на трептения от различно естество, тъй като колебанията, възникващи в природата и технологията, често са близки до хармоничните, а периодичните процеси с различна форма могат да бъдат представени като суперпозиция на хармонични трептения.

Хармонични трептения се наричат ​​такива трептения, при които осцилиращата стойност варира от време на време според закона на синуса или косинуса.
Уравнението на хармоничните трептения има формата:

Където А е амплитудата на трептенията (стойността на най-голямото отклонение на системата от равновесното положение); - кръгова (циклична) честота. Периодично променящият се косинус аргумент се нарича фаза на трептене. Фазата на трептене определя изместването на осцилиращото количество от равновесното положение в даден момент t. Константата φ е стойността на фазата в момент t = 0 и се нарича начална фаза на трептенето. Стойността на началната фаза се определя от избора на референтна точка. Стойността x може да приема стойности от -A до +A.

Интервалът от време T, след който се повтарят определени състояния на трептене, се нарича период на трептене. косинус - периодична функцияс период от 2π, следователно, за период от време T, след което фазата на трептене ще получи нарастване, равно на 2π, състоянието на системата, извършваща хармонични трептения, ще се повтори. Този период от време T се нарича период на хармонични трептения.

Периодът на хармоничните трептения е: T = 2π/.

Броят на трептенията за единица време се нарича честота на трептене ν.

Честотата на хармоничните трептения е: ν = 1/T. Мерната единица за честота е херц (Hz) - едно трептене в секунда.

Кръговата честота = 2π/T = 2πν дава броя на трептенията за 2π секунди.

Графично хармоничните трептения могат да бъдат изобразени като зависимост на x от t иметод на въртяща се амплитуда (метод на векторна диаграма), което е илюстрирано на фигури 1, 2 (A, B).

Фигура 2 Графично изображениеосцилаторно движение в координати ( x, t ) (A) и по метода на векторните диаграми (B).

Методът на въртящата се амплитуда ви позволява да визуализирате всички параметри, включени в уравнението на хармоничните трептения. Наистина, ако векторът на амплитудата A е разположен под ъгъл φ спрямо оста x (виж Фигура 2 B), тогава неговата проекция върху оста x ще бъде: x = Acos(φ). Ъгълът φ е началната фаза. Ако векторът A се върти с ъглова скорост, равна на кръговата честота на трептенията, тогава проекцията на края на вектора ще се движи по оста x и ще приема стойности в диапазона от -A до +A, а координатата на тази проекция ще се промени с времето според закона: . Това е илюстрирано подробно на фигура 3 (A-D).

Така дължината на вектора е равна на амплитудата на хармоничното трептене, посоката на вектора в началния момент образува ъгъл с оста x, равен на началната фаза на трептенето φ, а промяната в посоката ъгъл с времето е равен на фазата на хармоничните трептения. Времето, за което амплитудният вектор прави един пълен оборот, е равно на периода T на хармоничните трептения. Броят на оборотите на вектора за секунда е равен на честотата на трептене ν.

Фигура 3 - Илюстрация на графики на осцилаторно движение в зависимост от фазата на трептенията: 0.5π (A), π (B), 1.5π (C), 2π (D).

2.1.2 Затихващи хармонични трептения

Във всяка реална колебателна система съществуват съпротивителни сили, чието действие води до намаляване на енергията на системата. Ако загубата на енергия не се попълва от работата на външни сили, трептенията ще се разпаднат. Такива трептения се наричат ​​затихващи. Извеждането на уравненията на движение на трептенията и тяхното решение, дадено в интерактивния модел на математическо махало, е показано на фигура 4A, B. Нека ги разгледаме по-подробно.

В най-простия и в същото време най-често срещания случай силата на съпротивление е пропорционална на скоростта:
, където r е постоянна стойност, наречена коефициент на съпротивление. Знакът минус се дължи на факта, че силата и скоростта имат противоположни посоки; следователно техните проекции върху оста X имат различни знаци. Като се има предвид големината на възстановяващата сила
. Уравнението на втория закон на Нютон при наличие на съпротивителни сили има формата:
или
, което е диференциално уравнение от втори ред.

НО

б

Фигура 4 - Извеждане на уравнения за трептене (A) и решение на уравнения за трептене (B)

Така уравнението на движението приема формата

.

Прехвърляйки членовете от дясната страна в лявата страна, разделяйки уравнението на m и обозначавайки,
получаваме уравнението във формата

където - честотата, с която биха възникнали свободни трептения на системата при липса на съпротивление на околната среда (естествена честота на системата). Коефициент
, който характеризира скоростта на затихване на трептенията, се нарича коефициент на затихване.

Интерактивният модел ясно илюстрира стойността на коефициента на затихване. Фигура 6 AB показва добре как изглежда графиката на скоростта и координатите на математическото махало в зависимост от неговите параметри (дължина на окачването и ъгъл на отклонение) и зададената стойност . Също във виртуалния модел можете да проследите как се изгражда фазовият портрет и неговата същност. Цифрите ясно показват, че с увеличаване на коефициента на затихване с n пъти броят на трептенията намалява с n пъти.

Фигура 5 A, B - Примери за затихнали трептения

Фигура 7 A, B - Изчисления на основните параметри на системата

2.1.3 Енергия на хармоничните трептения

Общата механична енергия на трептящата система е равна на сбора от механичната и потенциалната енергия.

Разграничете по отношение на времето израза
, получаваме

= = -а грях(T + ).

Кинетичната енергия на товара е

д =
.

Потенциалната енергия се изразява с добре познатата формула
замествайки x от
, получаваме

защото
.

обща енергия
стойността е постоянна. В процеса на трептене потенциалната енергия се трансформира в кинетична енергия и обратно, но всяка енергия остава непроменена.

Фигури 7 и 8 добре илюстрират промените в кинетичната и потенциалната енергия за трептения на математическо махало без коефициент на затихване и за затихващи трептения.

Фигура 7 - Графики на промените в кинетичната и потенциалната енергия за хармонични трептения

Фигура 8 - Графики на промените в кинетичната и потенциалната енергия за затихнали трептения.

2.2 Физическо махало

Физическо махало е всяко твърдо тяло, което може да осцилира под действието на гравитацията около фиксирана хоризонтална ос, която не минава през центъра на масата.

Фигура 9 - Физическо махало

Махалото извършва хармонични трептения при малки ъгли на отклонение от равновесното положение.

Периодът на хармоничните трептения на физическото махало се определя от връзката

Където

Инерционният момент на махалото около оста на въртене,

тегло на махалото,

Най-късото разстояние от точката на окачване до центъра на масата,

Гравитационно ускорение.

Оста на въртене на махалото не минава през неговия център на тежестта, така че инерционният момент се определя от теоремата на Щайнер:

Където

Инерционният момент на тяло спрямо ос, минаваща през центъра на масата и успоредна на дадената. Имайки това предвид, пренаписваме формулата за периода:

.

Периодът на малки трептения на физическо махало понякога се записва като:

Където .

- намалена дължина на физическо махало- стойност, числено равна на дължината на такова математическо махало, чийто период на трептене съвпада с периода на това физическо махало.

П Физическото махало, използвано в тази работа, има формата на тънък прът с дължинал . - център на тежестта,- точка на окачване, през която минава оста на въртене, перпендикулярна на фигурата.

При неподвижна призма прътът осцилира около хоризонталната ос O, опирайки се на долния ръб на призмата върху неподвижна твърда стойка, държана от статив.

Фигура 10 - Схема на физ

махало

Като фиксирате точката на окачване в различни точки на пръта, можете да промените разстоянието.

Инерционният момент на хомогенен тънък прът около ос, минаваща през центъра на масата, е

Където е масата на пръта, е дължината.

Замествайки израза за инерционния момент във формулата за периода, получаваме:

. Да обозначим тогава .

Периодът на трептене може да се намери експериментално, като се измери с хронометър времето, за което пръчката прави пълни трептения.

Нека повдигнем на квадрат и получим работната формула за изчисляване на ускорението на гравитацията:

(10).

2.3 Бар върху наклонена равнина

Моделът реализира виртуален експеримент, предназначен да изследва движението на прът по наклонена равнина при наличие на сила на сухо триене и външна сила. Когато извършвате експеримента, можете да изберете коефициента на триене μ, масата на пръта м, ъгъл на наклон на равнината α. За различни параметри е дадена графика на относителната скорост спрямо времето. Плъзгането на прът по наклонена равнина е възможно само ако силата на статично триене достигне максималната си стойност ( Е tr) макс.:

Тези сили се наричат ​​сила на триене при плъзгане. Ускорението, което при това условие придобива бар при плъзгане по наклонена равнина, се определя от втория закон на Нютон

При а < 0 брусок начинает двигаться вверх по наклонной плоскости (из-за наличия внешней силы). В этом случае сила трения скольжения изменяет знак на противоположный.

Ако няма външна сила, тогава максималният ъгъл α max на наклона на равнината, при който прътът все още се държи неподвижно от силата на статично триене, се определя от съотношението

На практика това съотношение се използва за измерване на коефициента на сухо триене.

Нека разгледаме виртуален модел на щанга върху наклонена равнина на Фигура 11 Директно в прозореца на модела, в горната лява част, има бутони "Старт", "Нулиране" и "Помощ". Когато щракнете върху бутона "Нулиране", моделът се връща в първоначалното си състояние. В центъра на прозореца е работното поле на модела с изображение на наклонена равнина и лента, плъзгаща се по нея. Под работното поле има дисплей със стойностите на силата на триене, силата на реакция на опората, ускорението на тялото и проекцията на силата на гравитацията. Над графиката на скоростта има три контроли. С тяхна помощ е възможно да се промени коефициентът на триене на тялото върху равнината, масата на тялото, ъгълът на наклон на равнината. Разгледайте внимателно модела и намерете всички контроли.

Фигура 11 - Бар на равнина

Този модел може да се използва като помощно учебно средство при обучението за решаване на задачи по темата "Движение на тяло по наклонена равнина".

2.4 Две тела върху наклонена равнина

Фигура 12 - Свързани тела върху наклонена равнина

Начертайте картина и рисувайте върху нея активни сили. Приемаме, че телата се движат с еднаква абсолютна стойност на ускорение a и опънът на нишката T е постоянен по цялата й дължина.

Да приемем, че дясната тежест е спусната, а лявата се качва по наклонена равнина. Правилното тегло се движи под действието на две сили:

- гравитация и сила на опън на нишката T 2 .

Левият товар се движи по наклонена равнина под действието на три сили: гравитация m 1 g , сила на опорна реакция N и сила на опън на нишката T 1 . Във векторна форма уравненията на движението ще бъдат записани като система:

Нека проектираме първото уравнение върху посоката X по протежение на наклонената равнина:

Нека проектираме второто уравнение на системата върху вертикалната посока X":

Имайте предвид, че винаги можем да проектираме всяко векторно уравнение в две независими посоки. Събирайки тези две уравнения (те образуват система), получаваме израза:

От него намираме

Виждаме, че ако стойността на m 1 sin α беше по-голяма от m 2, тогава ускорението a ще стане отрицателна стойност. Тоест системата ще се движи в обратна посока (летвата m 1 е спусната и товарът m 2 е повдигнат). Силата на опън на нишката се намира от последното уравнение:

Помислете сега за виртуален модел на система, състояща се от два свързани пръта върху наклонена равнина.

Фигура 13 - Виртуален модел на свързани тела

В горната дясна част на работното поле има регулатори, с помощта на които можете да зададете параметрите на системата: маса на товарите, ъгъл на наклон, коефициент на триене. По-долу са информационните прозорци, в които се дава резултатът от изчисленията на ускорението, силата на триене и напрежението на конеца.бутони "Старт", "Нулиране" и "Помощ". Когато щракнете върху бутона "Нулиране", моделът се връща в първоначалното си състояние. В центъра на прозореца е работното поле на модела с изображение на наклонена равнина и лента, плъзгаща се по нея. Когато натиснете бутона "Помощ", ученикът вижда уравнения, с които можете самостоятелно да изчислите неизвестни количества (Фигура 14).

Фигура 14 - Меню "Помощ" модел на свързани тела

Този модел може да се използва при обучение за решаване на задачи за движение на свързани тела по наклонена равнина. В приложението са дадени примери за задачи, които могат да бъдат решени с помощта на този виртуален модел.

3 Практически упражнения

Във 2-ри раздел на тази работа бяха разгледани основите на теорията на хармоничните трептения и два често срещани случая на тела с наклонена равнина с илюстрации от интерактивни модели. В раздел 3 ще анализираме как този модел може да се използва като виртуална лаборатория при работа с ученици от средно професионално учебно заведение с технически профил на обучение в практическите занятия. За изучаване на механични трептения се отделят 8 часа, включително 1 лабораторна работа за изчисляване на ускорението на свободното падане с помощта на математическо махало (2 часа).

За контрол на усвояването и разбирането на темата "Механични вибрации" от учениците е възможно да се използва виртуален модел на математическо махало. На учениците беше представен такъв модел, за да демонстрират нагледно принципите на колебателния процес, както и да наблюдават пример за такъв процес.

3.1.1 Лабораторна работа

Както бе споменато по-горе, изучаването на темата "Механични вибрации" включва изпълнението на лабораторна работа, чиято инструкционна и технологична карта е дадена в Приложение 2. Интерактивен модел на математическо махало се използва за допускане до практическа работа или неговата защита . Приложение 3 определя кратка инструкциядо попълване на таблицата въз основа на експериментални данни, получени от студента в процеса на работа с модела. Има и въпроси за самоконтрол, които ще помогнат на ученика да защити работата. Такъв интегриран и цялостен подход ще позволи на учителя обективно да оцени знанията и значително да спести време, което може да се използва по-ефективно за индивидуална работа и консултации.

3.1.2 Задаване на модела на математическо махало

Задачата съдържа параграфи, описващи инструкциите за управление на модела, описание на основните функции и графики. Дадено е в Приложение 4. Помага на обучавания да разбере предназначението на модела и да овладее настройките му. Освен това задачата включва контролни въпроси по темата "Механични вибрации" и няколко компютърни експеримента.

Експериментите, включени в уводните задачи, ви позволяват да навлезете по-дълбоко в смисъла на случващото се на екрана. За извършване на експерименти е достатъчно да знаете основните формули на изучаваната тема. Въпреки привидната простота, такива задачи са много полезни, тъй като позволяват на учениците да видят жива връзка между компютърен експеримент и физиката на изучаваните явления.

Приложение 4 предлага и лист за отговори за всяка уводна задача. Записването на получените отговори във формуляра ви позволява значително да намалите времето за работа с компютърен модел и улеснява проверката на отговорите.

3.1.3 Тест "Механични вибрации".

В хода на работата беше приложен теоретичен тест по темата „Механични вибрации“ (Приложение 5).

Целта на тестването: да се проверят знанията, придобити от обучаемия в хода на изучаване на материала.

Тестовият контрол е много важен в педагогическия процес. В зависимост от резултатите от контрола се взема решение за необходимостта от допълнителни занятия и консултации, за оказване на помощ на изоставащите. Отговорите на подготвителния тест можете да намерите в Приложение 5.

Този тест от затворен тип е ориентиран към критериите, т.е. тестването се извършва, за да се определи степента на познаване на материала и да се сравнят резултатите с добре дефинирана област на постижение.

Тестът се състои от 35 задачи с различна сложност. В зависимост от целта на теста учителят може да избере една или друга задача.

3.1.4 Конспект на уроците "Механични вибрации" и "Движение на тела под действието на няколко сили"

Приложения 1 и 6 съдържат бележки към уроците, които могат да се използват в лекции.

3.1.5 Задачи с практическа насоченост

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Съществуващият опит показва, че при формирането на професионални компетенции на бъдещите технически специалисти е ефективно използването на тази методическа препоръка и използването на виртуални модели на физически експерименти.

Генерираните примерни задачи за лекции и практически занятия, използвани в обучението, дадоха положителни резултати. Допринесе за укрепване на активностния подход на ученика към обучението, мотивира го за саморазвитие, включително в областта на информационните технологии и задълбочаване на знанията по физиката на природните и техногенните процеси. Също така се наблюдава, че при използване на данните насокиучениците тренират логика, възникващите трудности ги тласкат към независимо решениезадачи, което пряко допринася за формирането на общи и професионални компетентности, необходими на бъдещия техник.

Набор от въпроси за ученика, осигуряващ условия за самоконтрол, ще позволи обективна оценка на междинния и финалния контрол на знанията.

В заключение бих искал още веднъж да подчертая значението и необходимостта от използване на иновативни образователни модели и технологии при работа с ученици от средни специализирани образователни институции. Тъй като в процеса на прилагането им се създадоха благоприятни условия за диференциация и индивидуализация на обучението.

СПИСЪК НА ИЗПОЛЗВАНИТЕ ИЗТОЧНИЦИ

Аванесов V.S. Състав на тестови задачи / V.S. Аванесов. - М.: Адепт, 1998. - 191 с.

Боев В.Д., Сипченко Р.П., Компютърно моделиране / В.Д. Боев, Р.П. Сипченко. - М.: Издателство INTU IT.RU, 2010. - 349 с.

Булавин Л.А., Вигорницки Н.В., Лебовка Н.И. Компютърно моделиране физически системи/ Л.А. Булавин, Н.В. Вигорницки - Долгопрудни: Издателска къща "Интелект", 2011. - 352 с.

За учител по физика. Използването на компютър в изучаването на физиката. - (рус.). – URL: http://www. уроки. нето/ docfiz/ docfiz27. htm

Майоров A.N. Тестове за училищни постижения: дизайн, изпълнение, използване. Образование и култура / A.N. Майоров. - Санкт Петербург: 1996. - 304 с.

Майоров A.N. Теория и практика на създаване на тестове за образователната система / A.N. Майоров. - М .: "Интелект-център", 2001. - 296 с.

Minskin E.M. От игри към знания: ръководство за учители / Minskin E.M. - М.: Просвещение, 1982. - 192 с.

Обучение по физика, което развива ученика. книга 1. Подходи, компоненти, уроци, задачи / Изд. Е. М. Брейвърман. – М.: Асоциация на учителите по физика, 2003. – 400 с.

Самойленко П.И. Физика за професии от социално-икономически и хуманитарни профили: учебник за средното проф. образование / П.И. Самойленко. - 6-то изд., изтрито. - М.: Издателски център "Академия", 2014. - 469 с.

Фирсов А.В. Физика за професии и специалности от технически и природонаучни профили: учебник / A.V. Фирсов; изд. Т. И. Трофимова. - 6-то изд., изтрито. - М.: Издателски център "Академия", 2014. - 352 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

План-обобщение на урока "Механични вибрации"

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Лаборатория #5

Определяне на ускорението на свободно падане с помощта на махало.

Обективен: определете ускорението на свободното падане въз основа на зависимостта на периода на колебание на махалото върху окачването от дължината на окачването.

Придобити знания и умения:

Времева норма: 2 часа

Оборудване на работното място: статив със съединител и крак, лента с халки в краищата, комплект тежести, рулетка с милиметрови деления, електронен хронометър

Кратка теория

П Периодът на математическото махало може да се определи по формулата:

(1)

За да се увеличи точността на измерване на периода, е необходимо времето t да се измерва остатъчно Голям брой N пълни трептения на махалото. След това периодът

T=t/N (2)

И ускорението на свободното падане може да се изчисли по формулата

Завършване на работата:

1. Прикрепете крачето към горната част на оста на статива. Поставете статива на масата така, че краят на крачето да излиза извън ръба на повърхността на масата. Прикрепете една тежест от комплекта към крака. Товарът трябва да виси на 3-4 см от пода.

2. За да запишете резултатите от измерването и изчислението, изгответе таблица:

номер опит

L, m

t, s

t cf, s

Т, с

g, m/s 2

3. Измерете дължината на махалото L с лента.
4. Подгответе часовника за работа в режим на хронометър.
5. Отклонете махалото с 5-10 см и го пуснете.
6. Измерете времето t, през което той ще направи 40 пълни трептения.
7. Повторете опита 5-7 пъти, след което изчислете средното време, за което махалото ще направи 40 трептения t cf.
8. Изчислете периода на трептене по формула (2).
9. Изчислете ускорението на свободно падане по формула (3).
10. Определете относителната грешка на резултата:

* 100% къде жизм - стойността на ускорението, изчислена в резултат на извършената работа,ж– стойност, взета от директорията.

Заключение:

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Задача към модела на математическо махало

Когато изпълнявате задачи, можете да използвате бутона "Помощ".

Задайте максималния ъгъл на отклонение.

Задайте максималната дължина на махалото.

Натиснете бутона "Старт".

След четири пълни осцилации натиснете бутона Stop.

Моля, обърнете внимание, че в процеса на трептене потенциалната енергия се преобразува в кинетична енергия и обратно. В този случай общата енергия остава постоянна.

В долния ляв ъгъл на прозореца са осцилаторът и хронометърът. Изчислете периода на трептене по два начина. Използвайте броя трептения и времето на хронометъра, за да изчислите по първия начин. За второто - използвайте формулата на Томпсън. Сравнете вашите резултати.

Ускорението на свободното падане g за тази и следващите задачи се приема равно на 10 m/s 2 . Закръглете резултатите до два знака след десетичната запетая. Запишете резултатите в листа за отговори.

При какви условия може да се използва формулата на Томпсън?

Познавайки периода на трептене, изчислете ъгловата честота ω 1 .

Изчислете ъгловата честота ω 2 за минималната дължина на махалото.

Изчислете амплитудата на люлеене за максималната и минималната дължина на махалото.

Напишете решение на уравнението на трептене за максималната и минималната дължина на махалото.

Изключете графиките на скоростта, кинетичната и потенциалната енергия.

Сравнете графиките на преместването спрямо времето за максималната и минималната дължина на махалото.

Запишете какво нарастване получава фазата на трептенето за време, равно на периода на хармоничното трептене.

Изчислете максималната скорост за махало с дължина 2,5 m и дължина 1,25 m.

Проверете изчисленията си графично. За да направите това, изключете диаграмата на отместването и активирайте диаграмата скорост спрямо време. Сравнете максимални скоростиза различни дължини на махалото графично.

Изчислете максималното ускорение на люлеене за максималната и минималната дължина на махалото. Сравнете вашите резултати.

Активиране на всички диаграми. Задайте максималната дължина на махалото и максималния ъгъл на отклонение. Също така задайте максималния декремент на затихване.

Натиснете бутона "Старт".

Внимателно проучете графиките на изместването, скоростта, кинетичната и потенциалната енергия спрямо времето и фазовия портрет.

Моля, обърнете внимание, че в процеса на трептене потенциалната енергия се преобразува в кинетична енергия и обратно. В този случай общата енергия намалява експоненциално.

Изчислете периода на трептене, като използвате формулата на Томпсън.

Сравнете получения период на трептене с периода, получен в
параграф 7.

Познавайки периода на трептене, изчислете ъгловата честота ω.

Изчислете максималната амплитуда на трептенето.

Натиснете отново бутона "Старт". След едно пълно замахване натиснете бутона Stop.

Изчислете максималната амплитуда на второто трептене, като знаете коефициента на затихване и таймера.

Проверете вашите изчисления, като щракнете върху бутона "Изчисли".

Напишете решението на уравнението на трептене за максималната дължина на махалото.

Изчисли максимални стойностискорост и ускорение за момента, който показва таймерът.

Форма за отговор на задачата към модела на математическо махало
ПЪЛНО ИМЕ. студент ___________________________________________________

1. Период на трептене в 1 случай __________________ сек.
   Период на трептене в случай 2 _________________ сек.

1. Формулата на Томпсън може да се използва, когато _________________________________________________________________________________________________________________________________

   ω 1 \u003d _______________ rad / сек.

   ω 2 \u003d _______________ rad / сек.

   НО 1 = _______________ м. НО 2 = _______________ м.

   __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

   С увеличаване на дължината на махалото ______________________ ________________________________________________________________

   ______________________________________________________ ________________________________________________________________

   υ 1 \u003d _______________ m / s. υ 2 \u003d _______________ m / s.
   С увеличаване на дължината на махалото скоростта ___________________________ ________________________________________________________________

   а 1 \u003d _______________ m / s 2. а 2 \u003d _______________ m / s 2.
   С увеличаване на дължината на махалото ________________________________________________ ________________________________________________________________

   T= ___________________ сек.

   С увеличаване на коефициента на затихване периодът на математическото махало ___________________________________________ ________________________________________________________________

   ω \u003d ___________________ рад / сек.

   НО 1 = _______________ м.

   НО 2 = _______________ м.

   ______________________________________________________________________________________________________________________

   υ = _______________ m/s. а\u003d _______________ m / s 2.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Задание за самостоятелна работа

Попълнените таблици се предават от студентите в тетрадки за лабораторни упражнения. За попълване се използва интерактивен модел на математическо махало.

1 А) Като поставите плъзгача на 2-3 различни позиции в редовете "Ъгъл на отклонение" и "Дължина на махалото", попълнете таблицата. В същото време оставете плъзгача в реда "Коефициент на затихване" в нулева позиция.

Ъгъл на отклонение

дължина на махалото

месечен цикъл

ъглова честота

Скорост mx

Ускорение макс

В) Намерете максималните стойности на кинетичната и потенциалната енергия. Начертайте графика на енергията спрямо времето.

В) Направете заключение за вида на механичните вибрации.

2 A) Като поставите плъзгача на 2-3 различни позиции в редовете "Ъгъл на отклонение", "Дължина на махалото" и "Коефициент на затихване", попълнете таблицата.

Ъгъл на отклонение

дължина на махалото

Коефициент на затихване

месечен цикъл

ъглова честота

Скорост mx

Ускорение макс

B) Изчислете сами посочените стойности и сравнете с тези, дадени в изчисленията. Носете изчисленията в тетрадката си и нарисувайте фазов портрет.

Въпроси за самоконтрол:

Какви вибрации се наричат ​​хармонични? Дайте примери за хармонични трептения.

Определете следните характеристики на хармонично трептене: амплитуда, фаза, начална фаза, период, честота, циклична честота.

Изведете диференциалното уравнение на хармоничните трептения и напишете решението му.

Как се променят кинетичната и потенциалната енергия на хармонично трептене с времето? Защо общата енергия на хармонично трептене остава постоянна?

Изведете диференциално уравнение, описващо затихнали трептения и напишете решението му.

Какъв е логаритмичният фактор на затихване?

Какво е резонанс? Начертайте графика на амплитудата на принудителните трептения спрямо честотата на движещата сила, когато тази сила е проста хармонична функция на времето.

Какво е собствено трептене? Дайте примери за собствени колебания.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

тест по темата "Механични вибрации"

1. 1. Какво се нарича математическо махало?

Твърдо тяло, окачено на пружина

Материална точка, окачена на безтегловна неразтеглива нишка

Твърдо тяло, окачено на безтегловна неразтеглива нишка

Всяко твърдо тяло, което се колебае около своето равновесно положение

1. 1. Какво е вълнов фронт?

Геометрично място на точки, осцилиращи в една фаза

Локус на точки, осцилиращи с различна фаза

Геометрично място на точките, до които достигат трептенията за време t

Геометричното място на точките върху вълновата повърхност

1. 1. Какво се нарича амплитуда на трептенията?

Максимална стойност на периода

Максималната стойност на променливото количество

Максималната стойност на честотата, при която се наблюдава явлението резонанс

Минимална стойност на променливо количество

1. 1. Какво се нарича свободна вибрация?

Трептения, които се правят поради първоначално придадената енергия с последващо отсъствие на външни влияния върху осцилаторната система

Трептения, които възникват поради енергията на външни въздействия върху трептящата система

4) Всякакви колебания, възникващи в природата

1. 1. Какво е хармонично трептене?

Всякакви колебания, открити в природата

Процеси, които се характеризират с определена повторяемост във времето

Трептения, при които осцилиращата величина се променя с времето според закона на синуса или косинуса

Трептения, които възникват поради общата енергия на външните въздействия и собствените трептения на системата

1. 1. Каква е честотата на трептене?

Времето, необходимо за едно пълно трептене

Общият брой на пълните трептения, направени за време t

Време е за четвърт суинг

Броят на пълните трептения за единица време

1. 1. Какво се нарича период на трептене?

Времето, необходимо за пълното изчезване на вибрациите

Време на едно пълно трептене

Стойност, равна на реципрочната стойност на броя трептения

Логаритъм на отношението на последователните амплитуди

1. 1. Какво представлява фазата на трептене?

Стойността, която е под знака на синус или косинус и определя моментната стойност на периода на колебание

Стойността, която е под знака на синус или косинус и определя продължителността на едно пълно трептене

Стойност, която е под знака на синус или косинус и определя моментното състояние на трептящата система.

Стойността под знака за синус или косинус и която определя максималното отклонение от равновесното положение

1. 1. Какво нарастване получава фазата на трептенето за време, равно на периода на хармоничното трептене?

1. 1. При какъв максимален ъгъл на отклонение можем да приемем, че математическото махало все още извършва хармонични трептения?

Намалява

се увеличава

Не се променя

Леко се променя

1. 1. Как корелират честотите на затихналите и незатихналите трептения?

Честотите са равни

Честотата на незатихващите трептения е по-малка

Честотата на затихващите трептения е по-малка

Честотата на затихващите трептения е по-голяма

1. 1. По какъв закон намалява амплитудата на затихващите трептения?

Линеен

Според закона на косинуса

По квадрат

Експоненциален

1. 1. Как се нарича намалената дължина на физическо махало?

Дължината на цялото махало

Дължината на математическо махало, чийто период на трептене е равен на периода на трептене на физическо махало

Дължината на математическото махало

1/2 от дължината на математическото махало

1. 1. Каква формула може да се използва за изчисляване на ускорението на свободното падане с помощта на математическо махало?

1. 1. Фигурата показва графиките на преместването, скоростта, потенциалната и кинетичната енергия спрямо времето. Какъв е цветът на графиката на кинетичната енергия спрямо времето?

3. Виолетово

1. 1. Фигурата показва графиките на преместването, скоростта, потенциалната и кинетичната енергия спрямо времето. Какъв е цветът на графиката на отместването спрямо времето?

3. Виолетово

1. 1. Фигурата показва графиките на преместването, скоростта, потенциалната и кинетичната енергия спрямо времето. Коя зависимост е показана в жълто?

Зависимости на отместване във времето

Скорост срещу време

Зависимости на кинетичната енергия от времето

Потенциална енергия спрямо времето

1. 1. Какво е фазов портрет?

Графика на отместването спрямо времето

Графика на скоростта спрямо времето

Графика на преместване спрямо скорост

Графика на общата енергия спрямо времето

1. 1. Фигурата показва графика на фазовия портрет на трептенето. Определете какво е люлеенето.

Хармонично затихване

Хармонично поддържано

Нехармонично затихване

Нехармоничен незатихващ

Отговори на теста "Механични вибрации"

Номер
въпрос

Номер
правилен отговор

Номер
въпрос

Номер
правилен отговор

Номер
въпрос

Номер
правилен отговор

3) Сила за реакция на подкрепа ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) N ​​​​= ____________________

5) Коефициент на триене - ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) µ=_____________________

7) Максимален ъгъл на наклон (ограничителен ъгъл), α max _________________________________________________

8) Ускорение, a \u003d _______________________________________

1. Подредете регулаторите в произволни позиции и запишете изходните данни в таблицата.

   Натиснете бутона "Старт" и наблюдавайте движението на лентата

   Запишете стойността на силата на триене, силата на реакция на опората, ускорението на тялото, разположени в таблото на работното поле на модела.

   Изчислете независимо стойността на силата на триене, силата на реакция на опората, ускорението на тялото, както и максималния ъгъл на наклон на равнината.

Ъгъл на наклон, α, град

коефициент на триене,
µ

м, кг

Стойности, изчислени от модела

Стойности, изчислени от ученика

Граничен ъгъл, α макс

Сила на триене, F tr, N

Ускорение, m/s 2

Сила на опорна реакция, N, N

Сила на триене, F tr, N

Ускорение, m/s 2

Сила на опорна реакция, N, N

График на скоростта спрямо времето V(t):

Заключение________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________