Учебный модуль "Компьютерное моделирование физических процессов" (для учебного курса ДС. 06 "Компьютерное моделирование") Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ "КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ"

(для учебного курса ДС.06 "Компьютерное моделирование")

Общие положения

Персональный компьютер в современной школе должен стать не только средством обучения для учителя, но и инструментом учебной деятельности для учащегося.

Задача учителя - помочь школьнику освоить этот инструмент.

Роль компьютерных технологий в исследовании физических явлений трудно переоценить. Быстродействие и большие графические возможности современных ПК позволяют проводить количественный анализ сложных физических явлений и наглядно представлять результаты этого анализа. Используя дифференциальные знания об объекте, которые представляют нам общие законы физики, в численном моделировании можно установить интегральное поведение объекта и наглядно представить основные закономерности в его поведении. Важным моментом в математическом моделировании является корректная формулировка задачи. Использование собственных единиц измерения физической системы знакомит учащихся с элементами теории подобия и позволяет исследовать целый класс подобных физических объектов, устанавливать существенные связи в поведении объектов с их характеристиками.

Студенты физического факультета педагогического вуза, осваивая компьютер как инструмент познания, должны приобрести опыт организации подобной деятельности с учащимися средней школы. Эта цель может быть достигнута за счет включения в курс

"Компьютерное моделирование" межпредметного учебного модуля, связанного с изучением вопросов методики применения в школьной практике отдельных задач по моделированию физических явлений.

1. Цели учебного модуля:

- содействие становлению специальной профессиональной компетентности учителя физики с дополнительной специальностью “Информатика” в области научного компьютерного моделирования физических процессов на основе овладения содержания модуля;

- содействие становлению профессиональной компетентности учителя физики в области методики построения иллюстративных моделей физических процессов и явлений и организации самостоятельного исследования физических явлений учениками средней школы с помощью ПК.

2. Задачи учебного модуля:

- формирование у студентов системы знаний по компьютерному моделированию физических процессов, необходимых для решения профессиональной задачи, соответствующей базовому и специальному уровню профессиональной компетентности учителя физики в области компьютерного моделирования;

- формирование у студентов системы знаний о составе и содержании современных ЦОР (на СЭ и в сети Интернет), ориентированных на решение профессиональных задач учителя физики и информатики;

© Бирих Р.В., 2008

- развитие умений ставить задачи динамики сложных систем для компьютерного моделирования, необходимых для решения педагогической задачи, соответствующей базовому и специальному уровню профессиональной компетентности учителя физики в области компьютерного моделирования;

- организация деятельности, направленной на применение ранее полученных знаний по физике и математике в учебной деятельности по компьютерному моделированию и численному физическому эксперименту;

- формирование умения наглядного представления результатов численного эксперимента, необходимого для становления специальной компетентности учителя физики;

- формирование готовности будущих учителей физики к самостоятельной профессиональной деятельности по разработке простейших компьютерных моделей физических явлений и их исследованию на этих моделях.

3. Ожидаемые результаты освоения учебного модуля (в логике компетент-ностного подхода)

В результате изучения модуля студент должен:

1) решать задачи, соответствующие ключевой и базовой профессиональной компетентности:

- изучение и качественный анализ готовых ЦОР;

- проведение численных экспериментов на компьютерных моделях физических явлений, построенных под руководством преподавателя;

2) решать задачи, соответствующие специальной профессиональной компетентности:

- построение собственной компьютерной модели физического явления и проведение эксперимента на ней;

- планирование и руководство учебноисследовательской работой школьников по разработке и исследованию моделей физических явлений.

4. Ожидаемые результаты освоения модуля (в логике традиционного, действующего для нынешнего поколения ГОС ВПО, подхода).

В результате изучения дисциплины модуля студент должен

ЗНАТЬ:

- основные направления и перспективы развития образования с использованием информационных технологий;

- состав и содержание некоторых ЦОР по физике, которые могут быть использованы на занятиях по компьютерному моделированию физических процессов;

- этапы построения компьютерных моделей физических процессов;

- особенности построения моделей эволюционных систем и систем с периодическим поведением;

- особенности построения моделей со случайным поведением;

- особенности планирования и руководства учебно-исследовательской работой школьников по разработке и исследованию моделей физических явлений;

УМЕТЬ:

- на математическом языке описать физическую ситуацию;

- осуществить переход от метрической системы единиц к безразмерным (собственным) единицам измерения физических величин;

- разработать алгоритм численного эксперимента,

- провести анализ результатов эксперимента,

- выбрать в ЦОР наиболее удачную модель для демонстрации физического явления, провести критический анализ модели;

- организовать творческую деятельность учащихся по созданию и исследованию компьютерных моделей физических явлений;

ВЛАДЕТЬ:

- методами поиска необходимых ЦОР;

- навыками строгой математической формулировки физических проблем;

- численными методами решения типичных физических задач;

- основными конструкциями языка Паскаль и его графическими возможностями;

- методикой руководства самостоятельной работой учащихся по разработке и исследованию моделей физических явлений;

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:

- о роли компьютерного моделирования в образовательном процессе;

- о роли компьютерного моделирования в современной науке и технике.

5. Инновационность комплекта учебнометодических материалов

По целям обучения: формирование профессиональной компетентности будущих учителей в области научного компьютерного исследования физических явлений и организации учебно-исследовательской работой школьников по разработке и исследованию моделей физических явлений.

По содержанию обучения: реализация межпредметных связей специального профессионального курса "Компьютерное моделирование" и курса по теории и методике обучения физике (в данном курсе рассматриваются физические задачи, которые соответствуют по содержанию программе школьного курса физики, но не могут или трудно решаются традиционными методами; решение задач и представление результатов осуществляется с помощью ПК).

По методам обучения:

- применение исследовательских методов обучения (ориентация на самостоятельную разработку и исследование студентами компьютерных моделей физических явлений с представлением результатов работы в виде графиков функциональных зависимостей);

- организация лабораторных занятий и подготовки к ним с применением элементов технологии дистанционного обучения (в частности, размещение в дистанционном

курсе содержания учебных лекций, инструктивных материалов к лабораторным работам, файлов программного обеспечения; организация форумов для обсуждения проблем моделирования физических явлений и методики организации учебной деятельности школьников с учебными моделями; формирование цифрового портфолио студента);

- апробация студентами авторских моделей физических явлений в ходе педагогической практики (проектирование учебного процесса в средней общеобразовательной школе с использованием подготовленных студентами учебных моделей).

По формам обучения: разнообразие форм учебной работы на учебном занятии (индивидуальные консультации, самостоятельная работа, работа в паре; работа в группе над творческими проектами, коллективное обсуждение - публичная защита творческих проектов студентов).

По средствам обучения:

- использование стандартных и специализированных инструментальных программ (в частности системы визуального программирования Эе1рЫ);

- применение на лабораторных занятиях "готовых" учебных моделей как образцов для самостоятельной творческой работы студентов;

- использование на занятии банка моделей, разработанных студентами в ходе самостоятельной работы;

- организация учебных занятий с применением аппаратной техники и ПО лаборатории ЦОР и педагогического проектирования.

Рабочая программа

1. Требования к обязательному объему учебных часов на изучение учебного модуля.

Распределение часов учебного модуля по видам учебной деятельности в соответствии с учебным планом.

деятельности Всего часов Распределение часов по формам обучения

Очная Очно- заочная Заочная

Семестр Неделя Год Год

Лекции 2 2

Лабораторные занятия 10 10 2

Самостоятельная работа 12 12 2

2. Требования к обязательному уровню и объему подготовки по учебному модулю 2.1. Лекционные занятия

№ , Тема лекции п/п Объем в часах по формам обучения

Очная Очно-заочная Заочная

1 Математическое моделирование физических процессов. Основные положения. Примеры компьютерных моделей 2

Всего 2

2.2. Лабораторные занятия

№ , Наименование занятия п/п Номер темы лекции Объем в часах по формам обучения

Очная Очно- заочная Заочная

1 Анализ механических моделей на С Б «Открытая 1 2

2 Эксперименты на компьютерной модели «Движение спутников» 3 Эксперименты н а модели «Рассеивание частиц (модели атомов)» 4 Эксперименты н а модели «Периодические движения» 5 Построение собственной модели по изучению механического явления 1 1 1 1 2 2 2 2

Всего 10

2.3. Самостоятельная работа

№ Наименование расчетно-графической п/п работы (РГР), расчетно-графического задания (РГЗ), курсового проекта (работы) Номера тем лекций (только для РГР и РГЗ) Неделя семестра, в которую выдается задание

1 Анализ и сравнение моделей в разделе механика для ЦОР на СО: «Библиотека наглядных пособий. 1С»; «Открытая физика», ООО «Физикон»; Физика. 7-11 кл. Практикум.ООО «Физикон» 1

2 Самостоятельная работа по созданию моделей физических явлений. 6 часов 3

3. Требования к обязательному минимуму содержания программы

Понятие модели. Иллюстративные и экспериментальные модели.

Математическое моделирование детерминированных физических процессов. Этапы построения модели и ее исследования. Естественные (собственные) единицы измерения системы и критерии подобия.

Эволюционные механические модели: движение спутников, рассеивание частиц на кулоновском центре.

Периодические движения. Фазовые портреты. Математический маятник. Вынужденные колебания в колебательном контуре.

Учебные компьютерные модели по физике в ЦОР для средней общеобразовательной школы. Организация учебных исследований школьников с использованием компьютерных моделей физических явлений.

4. Формы текущего, промежуточного и итогового контроля

I. Проверка выполнения лабораторных заданий и отчетов по каждой лабораторной работе (численное моделирование физических процессов) - 5 заданий:

I) анализ механических моделей на СЭ "Открытая физика. 41" (выделить иллюстративные и экспериментальные модели);

2) эксперименты на компьютерной модели "Движение спутников" (анализ структуры модели; постановка проблемы исследования и представление результатов);

3) эксперименты на модели "Рассеивание частиц (модели атомов)" (анализ структуры модели; постановка проблемы исследования и представление результатов);

4) эксперименты на модели "Периодические движения (анализ структуры модели; постановка проблемы исследования и представление результатов);

5) разработка авторской модели по изучению механического явления.

2. Интегрированный тест (по базовым понятиям модуля).

5. Рекомендации по использованию информационных технологий и инновационных методов в образовательном процессе

При проведении занятий модуля используются:

- мультимедийное сопровождение к учебной лекции (презентация МБ РРот!);

- специалированное программное обеспечение лабораторных занятий модуля, подготовленное в среде Ое1рЫ: "Компьютерные модели в школьном курсе физики" (Информатика, 2006. № 14. С. 3 - 45; № 15. С. 3 -13).

Статья подготовлена в рамках проекта "Информатизация системы образования", реализуемого Национальным фондом подготовки кадров по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации. Проект финансируется из средств Международного банка реконструкции и развития.