ВКЛЮЧЕНИЕ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ В КУРС ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

П.В. Захаров; У.И. Янковская; О.Н. Макарова; Е.А. Еремеев; Р.М. Беликова

дентов (4,3%; 14,4%; 22,6%; 3,8% - соответственно по классам). Нами выявлена значимая тенденция снижения тревожных фиксаций при переходе от класса к классу на протяжении подросткового возраста (Н = 17,987 при г = 0,000).

Важным показателем антивитальности является склонность к асоциальному поведению, которая присутствует у третьей части подростков всей выборки. Числовые показатели свидетельствуют о том, что наибольшее количество школьников с данной тенденцией - это шестиклассники (42,7%), в других классах - не более трети. Это подростки, склонные нарушать правила, манипулировать другими, проявлять агрессию и не испытывать чувства вины за совершенные проступки. Средние показатели характерны для половины участников эксперимента. Эмпирическое значение критерия (Н = 6,188 при г = 0,103) свидетельствует об отсутствии значимых различий между обучающимися разных классов, что показывает необходимость мероприятий первичной и вторичной профилактики с обучающимися на протяжении всего периода обучения в среднем звене школы.

Таким образом, проведённое нами исследование позволяет сформулировать следующие выводы:

1. Эмпирические данные свидетельствуют о высоком риске антивитального поведения обучающихся и низких ресурсах их витальности. При этом обучающиеся шестых и девятых классов в большей степени нуждаются в психологической поддержке.

Библиографический список

2. Согласно результатам исследования, особенности направленности профилактики антивитальных тенденции должны иметь возрастную специфику: для обучающихся 6 и 7 классов по нивелированию антивитальных переживаний, страха негативного оценивания, микросоциального конфликта, чувства одиночества; 6 и 8 классов - вредных привычек; с 6по 8 классы включительно - тревожных руминаций, 6 и 9 - антивитальных мыслей, действий, а также склонности к асоциальным поступкам.

3. Высокий уровень антивитальных тенденций, низкая стрессоустойчи-вость и жизнестойкость обучающихся доказывают необходимость проведения мероприятий просветительской, профилактической и коррекционной работы не только со школьниками, но и с их родителями, педагогическим коллективом. Мно-гокомпонентность изучаемого явления подразумевает систематическое и разноплановое психолого-педагогическое сопровождение обучающихся подросткового возраста.

Вместе с тем следует отметить, что в перспективах продолжения исследования необходимо детальное изучение факторов, провоцирующих рост антивитальных тенденций на разных этапах подросткового возраста, а также динамику их проявлений в юношестве. Необходимой составляющей в дальнейшем является также разработка комплексных программ профилактики антивитальности на основе полученных экспериментальных данных для обучающихся в соответствии с потребностями и особенностями возраста.

1. Резапкина ГВ. Саморазрушительное поведение: причины и профилактика. Академический вестник Академии социального управления. 2017; № 2 (24): 18-24.

2. Александрова Л.А. Субъективная витальность как личностный ресурс. Психологические исследования. 2011; № 3 (17): 5. Available at: http://psystudy.ru

3. Цисарь И.Н. Формирование витального поведения в рамках внеурочной деятельности. Методист. 2019; № 1: 53-58.

4. Кий Е.В. Направления профилактики антивитального поведения подростков в условиях общеобразовательных учреждений. Профилактика агрессии и деструктивного поведения молодежи: сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции. Москва, 2022: 144-147.

5. Богинская О.С. Выявление антивитальных настроений учащихся образовательных организаций. Методист. 2018; № 1: 36-38. Available at: https://elibrary.ru/item. asp?id=32870357

6. Сагалакова О.А., Труевцев Д.В., Стоянова И.Я., Смирнова Н.С. Нарушения социальной ситуации развития в подростковом возрасте в контексте антивитального поведения и социальной тревоги. Сибирский вестник психиатрии и наркологии. 2017; № 1 (94): 25-32. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=28922285

7. Сагалакова О.А., Туровцев Д.В. Опросник Антивитальность и Жизнестойкость. Медицинская психология в России. 2017; Т. 9, № 2 (43): 4.

References

1. Rezapkina G.V. Samorazrushitel'noe povedenie: prichiny i profilaktika. Akademicheskij vestnikAkademiisocial'nogo upravleniya. 2017; № 2 (24): 18-24.

2. Aleksandrova L.A. Sub'ektivnaya vital'nost' kak lichnostnyj resurs. Psihologicheskie issledovaniya. 2011; № 3 (17): 5. Available at: http://psystudy.ru

3. Cisar' I.N. Formirovanie vital'nogo povedeniya v ramkah vneurochnoj deyatel'nosti. Metodist. 2019; № 1: 53-58.

4. Kij E.V. Napravleniya profilaktiki antivital'nogo povedeniya podrostkov v usloviyah obscheobrazovatel'nyh uchrezhdenij. Profilaktika agressii i destruktivnogo povedeniya molodezhi: sbornik nauchnyh trudov Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Moskva, 2022: 144-147.

5. Boginskaya O.S. Vyyavlenie antivital'nyh nastroenij uchaschihsya obrazovatel'nyh organizacij. Metodist. 2018; № 1: 36-38. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=32870357

6. Sagalakova O.A., Truevcev D.V., Stoyanova I.Ya., Smirnova N.S. Narusheniya social'noj situacii razvitiya v podrostkovom vozraste v kontekste antivital'nogo povedeniya i social'noj trevogi. Sibirskij vestnik psihiatrii i narkologii. 2017; № 1 (94): 25-32. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=28922285

7. Sagalakova O.A., Turovcev D.V. Oprosnik Antivital'nosf i Zhiznestojkost'. Medicinskaya psihologiya v Rossii. 2017; T. 9, № 2 (43): 4.

Статья поступила в редакцию 24.08.22

УДК 378

Zakharov P.V., Doctor of Sciences (Physics, Mathematics), Professor, Shukshin Altai State University for Humanities and Pedagogy (Biysk, Russia);

Professor, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (St. Petersburg, Russia), E-mail: zakharovpvl@rambler.ru

Yankovskaya U.I., teacher, ASMU of the Ministry of Health of the Russian Federation (Barnaul, Russia), E-mail: zalaevau@gmail.com

Makarova O.N., Cand. of Sciences (Pedagogy), senior lecturer, Shukshin Altai State University for Humanities and Pedagogical University (Biysk, Russia),

E-mail: fmfmak.on@mail.ru

Eremeev E.A., teacher, Shukshin Altai State University for Humanities and Pedagogy (Biysk, Russia), E-mail: jonny-english-007@mail.ru Belikova R.M., Cand. of Sciences (Biology), senior lecturer, Shukshin Altai State University for Humanities and Pedagogy (Biysk, Russia), E-mail: radmila.belikova.76@list.ru

INCLUSION OF THE METHOD OF MOLECULAR DYNAMICS IN THE COURSE OF LABORATORY WORKS ON SOLID STATE PHYSICS. The article considers an approach to conducting laboratory work in solid state physics for students of natural science areas of training using computer simulation in order to form a natural science component of students' functional literacy. Of the available methods, the molecular dynamics method is chosen. A set of software is proposed that allows modeling without deep knowledge in the field of programming. An expert survey of 5th year students of the specialty "Physics and Informatics" with experience in atomistic modeling was conducted on the need and share of laboratory work using computer modeling from their total number. The results obtained testify to the general positive attitude of students to this type of experiment and its significance for the formation of the natural science component of students' functional literacy. Key words: modeling, molecular dynamics method, solid state physics, functional literacy.

П.В. Захаров, д-р физ.-мат. наук, проф., ФГБОУ ВО «Алтайский государственный гуманитарно-педагогический университет

имени В.М. Шукшина», г. Бийск, проф., ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург,

E-mail: zakharovpvl@rambler.ru

У.И. Янковская, преп., ФГБОУ ВО «Алтайский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Барнаул, E-mail: zalaevau@gmail.com

О.Н. Макарова, канд. пед. наук, доц., ФГБОУ ВО «Алтайский государственный гуманитарно-педагогический университет имени В.М. Шукшина», г. Бийск, E-mail: fmfmak.on@mail.ru

Е.А. Еремеев, преп., ФГБОУ ВО «Алтайский государственный гуманитарно-педагогический университет имени В.М. Шукшина», г. Бийск, E-mail: jonny-english-007@mail.ru

Р.М. Беликова, канд. биол. наук, доц., ФГБОУ ВО «Алтайский государственный гуманитарно-педагогический университет имени В.М. Шукшина», г. Бийск, E-mail:radmila.belikova.76@list.ru

ВКЛЮЧЕНИЕ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ В КУРС ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

В работе рассмотрен подход к проведению лабораторных работ по физике твердого тела для студентов естественно-научных направлений подготовки с использованием компьютерного моделирования с целью формирования естественно-научного компонента функциональной грамотности обучающихся. Из имеющихся методов был выбран метод молекулярной динамики. Предложен набор программного обеспечения, позволяющий обеспечить моделирование без глубоких знаний в области программирования. Проведено экспертное анкетирование студентов 5 курса специальности «Физика и информатика», имеющих опыт атомистического моделирования, по вопросам необходимости и доли лабораторных работ с применением компьютерного моделирования от их общего числа. Полученные результаты свидетельствуют об общем положительном отношении студентов к данному виду эксперимента и его значимости для формирования естественно-научного компонента функциональной грамотности обучающихся.

Ключевые слова: моделирование, метод молекулярной динамики, физика твердого тела, функциональная грамотность.

Исследование выполнено при поддержке Министерства просвещения РФ в рамках государственного задания АГГПУ им. В.М. Шукшина на выполнение НИР «Формирование естественно-научного компонента функциональной грамотности обучающихся», № государственной регистрации темы 122050400046-8

Развитие современной техники и программного обеспечения позволяет качественно улучшить образовательный процесс. В частности, метод компьютерного моделирования является не только общепризнанным инструментом для научных исследований, но и достаточно эффективным методом современного образования [1-5]. Внедрение методов моделирования на лабораторных работах у студентов естественно-научных направлений подготовки позволяет решить ряд образовательных задач: приобщить к современным методам исследования и расширить спектр изучаемых объектов и явлений за счет преимуществ компьютерных симуляций. На данный момент существует достаточно обширный набор инструментов для физических исследований посредством моделирования, что, несомненно, упрощает работу преподавателей средних и высших учебных организаций. Однако в рамках одного инструмента сложно провести различные занятия по узкоспециализированным областям физики с элементами научных исследований для студентов естественно-научных и технических специальностей.

Целью данной работы выступает исследование возможности применения компьютерных симуляций на базе метода молекулярной динамики как элемента лабораторных работ в курсе физики твердого тела при подготовке учителей физики и информатики.

Актуальность данного исследования заключается в том, что формирование всестороннего представления о свойствах, характеристиках и структуре различных материалов на атомном уровне остается сложной образовательной задачей. В первую очередь проблема формирования представлений о таких объектах заключается в отсутствии доступной лабораторной базы и сложности в проведении натурных экспериментов. С другой стороны, многие натурные эксперименты позволяют изучить достаточно опосредованно свойства материалов, без должной визуализации. Таким образом, у студентов имеется пробел между изученной теорией и практикой (натурным экспериментом). Зачастую многие студенты испытывают сложность в связи экспериментальных данных и теоретических выкладок, что также подтверждает актуальность поиска решения данной проблемы. При этом такая задача заложена во многих компетенциях профессиональных стандартов обучающихся. Решение может быть в поддержке изучаемого студентами курса посредством новых информационных технологий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач. К их числу в первую очередь относится выбор инструмента симуляции. Это возможно сделать путем анализа литературных источников и опыта коллег. Следующая задача заключается в определении доли времени, выделяемого на такой вид деятельности студентам. Также необходимо получить обратную связь от обучающихся для оценки целесообразности внедрения рассматриваемых инструментов.

Научная новизна данного исследования определяется необходимостью применения современных подходов в образовании, которые позволяют поднять качество образования, в том числе при подготовке будущих педагогов школ.

Практическая значимость исследования состоит в том, что рассматриваемые методические разработки могут быть применены в учебном процессе при подготовке учителей физики.

Вопрос выбора подходящих инструментов и объема достаточно сложен. В последнее время появилась масса готовых компьютерных решений по широкому спектру дисциплин естественно-научного цикла [6-8], что в значительной степени упрощает подготовку и проведение занятий. В то же время это влечет ограничения на выбор тем и сковывает возможности научно-исследовательской работы студентов. При этом нужно учитывать специфику будущей профессии студентов. Так, многие учащиеся не обладают необходимыми компетенциями в сфере программирования или использования сложных программных сред. Все эти аспекты нами были приняты к рассмотрению, и здесь предлагается компромиссное решение, позволяющее, на наш взгляд, гибко подойти к обеспечению необходимого уровня знаний студентов в области физики твердого тела. В качестве базового инструмента выбран метод молекулярной динамики, который обладает универсальностью и широким спектром программного обеспечения для его реализации. В силу того, что сам метод молекулярной динамики достаточно сложен с позиции его реализации полностью собственным кодом, целесообразно применение широко распространенного программного пакета, в качестве которо-

го нами выбран 1атт^ [9]. Кроме того, одной из проблем реализации является подготовка входных данных для моделирования. Без понимания входных параметров студенты затрудняются в интерпретации полученных результатов [10; 11]. Для этих целей будет применена программа АЬт^к [12].

Вместе с тем компьютерное моделирование во многом позволяет решить проблему формирования естественно-научного компонента функциональной грамотности учащихся через создание условий для их подготовки к решению практических задач, построенных на реальных жизненных ситуациях, мотивируя стремление учащихся изучать естественно-научные проблемы, участвовать в их аргументированном обсуждении. Компьютерное моделирование в физике позволяет, с одной стороны, создать продуктивную среду для исследовательской деятельности (поиск информации, умение объяснять физические явления, проводить естественно-научные исследования, интерпретировать результаты, делать выводы), с другой стороны, выступает как объект изучения, расширяющий компетенции студентов.

К числу наиболее эффективных методов компьютерного моделирования относится метод молекулярной динамики. Применению этого метода в учебном процессе посвящен ряд работ [13-16]. Авторы данных работ в целом положительно оценивают применение данного метода. В ряде работ [9; 18; 20] обращается внимание на трудности студентов начальных курсов, связанные с отсутствием базовых знаний в физике твердого тела и программировании входных скриптов. В частности, подчеркивается, что возникают сложности в разделении процесса моделирования и визуализации результатов, что, несомненно, требует особого внимания. Так, в последних работах говорится о применении систем виртуальной реальности для визуализации результатов эксперимента в реальном времени [13-16]. Отмечается, что большинство студентов оценили данный подход выше традиционного. Сложности с отсутствием базовых знаний и навыков программирования в данной работе мы стремимся нивелировать за счет применения соответствующего программного обеспечения и времени работ, реализуемых через этот подход.

Обращаясь к работам с виртуальными моделями, необходимо отметить разнообразие мнений на этот счет [17-20]. В большинстве случаев высказывается предложение о полной замене реальной работы на виртуальную в виду ряда очевидных положительных моментов, связанных в первую очередь с экономической целесообразностью и техникой безопасности. Также определяется, что компьютерное моделирование совместно с натурными экспериментами способствует правильной интерпретации «тончайших» опытов - позволяет получить полную информацию об изучаемых объектах и процессах [21]. С другой стороны, требования к общему количеству времени, проведенному за компьютером, ограничивают такой подход. Кроме того, нужно также учитывать специфику подготовки: если ставится задача обучить проведению экспериментов, то имитационный эксперимент может использоваться лишь как вспомогательное средство.

Говоря о подходах данного исследования, отметим на первом этапе анализ литературы, посвященный применению компьютерных моделей в физике и смежных областях. Преимущественно для качественной характеристики рассматривались работы до 2019 года, т. к. внедрение такого подхода к преподаванию в физики конденсированных сред, на наш взгляд, не должно мотивироваться внешними факторами. Однако стоит признать, что внедрение дистанционного обучения является дополнительным стимулом и точкой роста для развития данного направления в естественных науках в целом.

Техническая часть работы в методическом плане состояла в подборе необходимого программного обеспечения, удовлетворяющего требованиям бесплатного распространения и не требующего специализированных знаний в области программирования. Как отмечено выше, были применены следующие программные пакеты: подготовка входных файлов Atomsk [12], визуализация - ШЬ [20], непосредственно моделирование в 1атт^ [9]. В качестве примера приведен алгоритм подготовки модели для молекулярно-динамических расчетов свойств кристалла меди, армированного углеродной нанотрубкой. Полученные модели могут быть преобразованы в контент для демонстрации в гарнитурах виртуальной и смешанной реальности по алгоритму, предложенному в работе [22].

Далее осуществлялось анкетирование студентов, обладающих опытом работы в среде lammps. Ряд преподавателей проводили с этой группойстудентов исследование по построению входных структур, тем самым оффпоющидея щве обладают необходимыми компетенциями в этой области [22; 2щ]. foc рад иннн-правление подготовки включает два профпоо-«Дрнока е епЩпрмативд», е ипп-же учитывая то, что они будущие упоосл«,е»кета носилмпдсиеруныУопро-гер и включала три вопроса: 1) «Оцениее необходимонтьурннононна рорт^лноме лабораторных работ в курсе фпсиеп тндодог» тдноа; 2) «Ыц»титу ре»«сoдимocти применения дополнительного торфа«oд»го одле со-тта»ов1^л вхо»-ных файлов моделирования диное-оив; 3)аОоенина

необходимость применения д»й^^ийт^урн1т1х с|э^дтвй ннвуолизаoиикpoэc мони« тора (системы виртуально, доролнаттер, левшалтвТ |Э(^аутнотти, гoл«гpафйсд-ские изображения и т. д.)». Дме -о-°огл злнвотануедполаголась пяuиДадмснaя шкала, где крайние значения 1 - нецелесообразно, 5 - крнрто целеодабраено. Также был задан вопрос о максималотом гол«дес^«о»дт^^л£-лси,э;х ра»сн о дфо-центах от общего их числа.

Для обработки полученных экснориных мненте г^°1имен^/гся подход, базе-рующийся на обобщении числомнынoцейoK;Ыдпользовалснметод выоислеоиа среднего взвешенного, с введени ем веса эксперта обратно нуогораиаиасон о ега вкладу в общую дисперсию оцено к.

Рассмотрим процесс создонин л^оддли о еспользсванодм пеолложтетаго программного обеспечения. KaкoтмУйдмрть иышо, длисоздапип вхощного фас-ла для расчета методом молооуляртаИ диитмнки жданной пример-дня Atomsk [12]. Это бесплатная программа, Ппо мсафиеенвого ннид«Ф»йиу, с етк=ы-тым исходным кодом, предназнач еннес сод еонднеся, о{гра»»есп о ппгг;а»д»оано-ния файлов данных для модалиыcкапря к ытодиртк» меcштocа. -т (оснюег)- ^»oii работы мы рассматриваем еоц-недн що-р»-.^™ диц; оoлиpoвинсей

углеродной нанотрубкой.

Для создания элементарной ячейки н^со-ыполортт ссмандо «л ,a-вmТ.а»e; --create fcc 3.597 Cu -center com copfOHXof кДс В роо°/лмтнпе нол^пподеа фойла («copper.xsf» и «copper.cfg») с опиеунием c^в^^кмyf^тo

После запуска команды copper.xsf -duplicate 12 12 6 -select in cylinderZ 0.5*box 0.5*box 5 -remove-atom select CU.cfg откроется окно консоли, в котером программа напишет последовательность своих действий (рис. 1а). Каждао из частей команды имеет следующее значение: dupl¡cate1И12 6 о- доалирзвзние элементарной ячейки; select in cylinde г Z 0.5* ЬеоОИЬох 5 со здаот др-ппу ововюо, находящихся в цилиндре с осью z радиусом в 5 А;оед ove-atom ¡select ~бухб\лт выбранную группу атомов.

Если программа не обнааоживсео дшибок, то дополеательных ы^йсттдп пользователя не потребуется.

Далее создадим углеродаою санотрубку. В Atomsk ^^оое^»/Пы-i оолтопт создавать с помощью режима «-create. ^юеемие дотек о»о »сполимтсаиия «nanotube» (или «NT»), и за ним .ooрlжныoмeедпaть oo^ сн^рд а» хидольйед индексы m и n и химическое вещесткр»

Для создаваемой нами уте-сдн oil и анст—бке )им = У» и = 0> с0 = «,6 0: --c^^atenai^(^t^ 0 C-Mhift От 1*»ар 1 .10кйе ))10 -di-))Mc:;cite ) t = сЛТТтдМ cO-« Кяк можво аяметить, нстот^»оИда пeеллб-uoетциo )-0и«;ы«Щ- с -;;нвиюдде (-shi)t) а авпкасш'лпоВ систсме ооундтрст.

лджол нист^е^щать две создадмые соттемы. Эсо ортиоисдоиси dio« мощяю рожимс «-merge», --mercie 2 СЮр-0 ■UCOfin.u^t- «тi)_До,»ef «Ос Этос »жсы объедаясла см о мост тс сиятс м в ¡рсу )>|if;-^зbсl васм, вксд.п ско ноете од (¡-»иь й в татк -oe файлы их овисания и выходноЫфойи (сяеаь A'nmsk соьдаст дса фсТла. сия Мыло ^^^^^o^no то^^тд л exiEJHn.xsf т|).

Ho осИд 1i( днмонсткмиатаоа сТ|^оам<Е!ня кадаои к|3кс"(ал(1£г пяеди ^наросся-нога диол^ сад яой аанотеиОиоо оосредстаом кнтаализаоора Ов/ito с вримонеател модифскояора оМсе. Ома сооаветаниуют базлныа маи1сталк101^р(^дна|^еави1и на наnв-а^ди^иям <с 00Кд оОЮ>' оМ01>

аа) ®

Рис. 1. Подготовкга входной модели: ход выполнения nporpaMMbiAtomsk (а) и фрагмент готового кристалла меди, армированного углеродной нанотрубкой (б)

Дальнейшая работа с моделью производится в 1аттрэ посредством коман-ды«геаТ_Ьа(а»с указанием в качествепараметра имя файла.Вданном

случе^ег^ладовалас!^ стм{^ельеост!^1еддеув ери амзлеисыо кемоеваеуувх, ее ко-ао«о в1н- _фамйда, вксадяе^вму к ааем в 1атй-[ас. вкаеота с роравыло сокуивва аи, еав и в (К0В1ВМ11ТВС;ТЕВ«5 иесве,сокав1миЯ, -со твыщаят ваевсвтткенвВО --О].

FИacвмoиникк овмрльпаты ывщавй оуесди чиодвоиоо (рие, 2), вмеющва опытра-олии, в дамках иаадисдооссого подамдИ1 л текже с иткои-гаваити еаедсао виуоу-алиядя а с-лоокаени0! еа«миинчси в воааеиео твмиении Щснвлк сииадаго тови. ^к пах е кнчсэс^^^ оивхиив оииолозодля определения С^т^р^В^еос^с^г^о яяaчеоея тcпoя^;зoваг^(Е средиое взкeшeннаа:

— 2С(П=1 УЛ >

(1)

где Ai(- - относителеная значимость иго объекта по мнению j-ro еьсеерта,

Ь(

V( но рмированныйаес j-ro э ксперта:

(2)

гдс го- = СГ=лС0г=1(^17 — ^¿л)2 - сумма квадратичных отклонений оценок У-го ак^с^^е^т^а ат остсльных о^кои-4

Рассмотренная методика статистической обработки мнений экспертов нгиаод0 а опек<^долт^1лс^,(с св^^ноо внaчеовiс, лченавеиИ дот^Ык иoтамой вааяагаяи и одеинн- ссио етекаетс^оT фдваы- отавкеи ирmaеотониoити, взаимосвязии другихмненийэкспертов.

ЧИоля^^нь>1 чладумщио нн^в((кеиа оятС-ко^выыи^.х ореиев ныевеаоаы cаввcoдамy и к чдвч яеcoаиав (^^(Зл, 1)к

ТеЬлиц еЧ

Результатыобобщенныхоценок

Коэффициент веха, и Стандартно отклонением Дюексиа Коэффициент варигЛюль-ности, M Среднее взвешенное, Л

Вопрос 1 (0,38 0,029 0,0008 0,375 4,52

Вопрос2 0,41 0,057 0,0032 0,','40 4,67

В опросЗ 3,81 0,061 0,0037 3,4489 2,88

Исо ртстето>д^ит^нмга)1^с^1^, что eннтдтнявoмпeoeнтосртиотулe нтов-«ими-рдсзки, то всо же оазостаютси.Знандиие д» фсдт до иари^днисна) ттипомрэиloмoо маличнс. рай»=оседнф^;^»,^^)) olгенод. ^оиннрдёниыд ранч«иы нпицем»мнимтмют о ном, -ото »о псоиниф лслы рекдввндл оцепкт мфмкоoтос(cтудe0) тов) можно считать согласованными. В вопросе же о необходимости применения ыопомеиниттные сдедосп риu,сaл■л;iсlцuю и»вл:aucиaои«ипт oроyттмвм«о (си(^, с).

вопрос 1

вопрос 2

вопрос 3

Рис.2. Оценке! результатов средне го взвешенно го и коэффициента вариабельности по результатам анкетирования студентов

Как видно из рис. 3а, вопрос о необходимости применения дополнительного программного обеспечения для подготовки входных файлов моделирования методом молекулярной динамики имеет больший вес и согласованность среди студентов, иееющивопыт модэоироеанея.

Особо отметим результаты ответа на третий вопрос об использовании до-долниоельно1х предсикюизушлизацош. Боовшонвтво посчиталидоэтаточшымвсе пользование обычных мониторов для визуализации результатов. При этом такой тлиулитаи ншекедокооолииоеинт оходндеюции, нбозюачаонойп рабоке ПСтопВ. Bennie, Kara E. Ranaghan и др. [17]. Возможно, это связано с тем, что группа

(a)

(б)

Рис. 3. Результаты опроса студентов: экспертная оценка в весовых коэффициентах по вопросам анкеты (а), мнение студентов по величине максимальной доли виртуальных работ от общего числа лабораторных работ (б)

студентов, участвующая в обсуждении, имеет значительный опыт использования систем виртуальной, дополненной и смешанной реальности в рамках широкого спектра дисциплин. Тем самым эффект новизны, вызывающий дополнительный интерес, утрачивается.

Вопрос доли компьютерных лабораторных работ от общегочисла у специалистов часто является дискуссионным. В рамках опроса (рис. 3б) 2/3 студентов высказачись,что долялабхратореых раЧоеочопоримырвсимцпяции на компьютере, не должна превышать трети от общего их числа. И одна треть заявила, что допучкаот до ОООб Оркой подход со рточохы схцдчнтовобучлощюптем, чтр они уже сами являются практикующему педагогами в школах и знакомы с нормативами времени, проводимого за компьютером, и с определенными плюсами натурного экспери ента.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о целесообразности применения метода молекулярной динамики в качестве дополнительного инструмента в лабораторном практикуме по физике твердого тела как средства формирования естественно-научного компонента функциональной грамотности студентов при условии использования дополнительного программного обеспечения. Наиболее ярко его преимущества проявляются в том, что компьютерный эксперимент при изучении физики твердого тела может выступать в качестве связывающего звена между теоретическим материалом и натурным экспериментом, что, несомненно, повышает его практическую значимость для обозначен-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ного учебного курса. К тому же метод молекулярной динамики позволяет качественно визуализировать кинетику процессов, а также получить разнообразные трехмерные модели, пригодные для демонстрации в гарнитурах виртуальной реальности или мониторе компьютера. Осуществление сложнореализуемых натурных экспериментов, раскрывающих суть физического явления посредством компьютерной симуляции, также является несомненным плюсом этого подхода. Тем самым впервые предложен набор программных средств, позволяющий относительно просто изучить структуры кристаллических тел, а также различных процессоввних.

Полученные положительные отклики студентов на предложенный подход, не требующий обширных знаний в программировании, свидетельствует о целесообразности его применения. Ограничительным фактором применения метода молекулярной динамики всегда являлась сложность его реализации. В данном случае студентам не требовалось строить сложные модели кристалла, используя прямое программирование или встроенные возможности LAMMPS. Это существенно сократило время на подготовку к выполнению физической части моделирования, тем самым обеспечив больше времени для анализа физической составляющей рассматриваемых процессов. Полученные результаты могут быть полезны при подготовке курса лабораторных и практических работ по физике твердого тела, а также для начинающих исследователей в области материаловедения.

Библиографический список

1. Толстик А.М. Роль компьютерного эксперимента в физическом образовании. Физическое образование в вузах. 2002; № 8, № 2: 94-102.

2. Ваганова В.Г. Информационная образовательная среда технического университета как условие выполнения требования ФГОС ВО 3++. Современные проблемы науки и образования. 2020; № 2: 62.

3. Петросян В.Г Решение задач по физике с помощью компьютера: монография. Москва: Прометей, 2006.

4. Дудышева Е.В., Захаров П.В. Использование сред виртуальной и смешанной реальности при изучении студентами моделей кристаллов в физике твердого тела. Вестник Московского городского педагогического университета. Серия: Информатика и информатизация образования. 2020; № 2 (52): 67-74.

5. Старовиков М.И. Обучение школьников экспериментальному методу в курсе физики с использованием компьютера: монография. Бийск: Бийский педагогический государственный университет им. В.М. Шукшина, 2006.

6. Harms U. Virtual and remote labs in physics education. In Proceedings of the Second European Conference on Physics Teaching in Engineering Education. Budapest, Romania, 2000.

7. Lynch T., Ghergulescu I. Review of virtual labs as the emerging technologies for teaching stem subjects. Technology: Education and Development: 11th International Conference. Valencia, Spain, 2017: 6082-6091.

8. Potkonjak V., Gardner M., Callaghan V., Mattila P., Guetl Ch., Petrovic V.M., Jovanovic K. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: A review. Computers & Education. 2016; Vol. 95: 309-327.

9. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator Retrieved from. Available at: http://lammps.sandia.gov/

10. Guajardo-Cuellar A. Molecular Dynamics Simulations as a Competence Developer for Materials Science. Automation and Knowledge Management (ICCAKM): International Conference on Computation. 2020: 328-331.

11. Zakharov P.V. et al. J. Phys.: Conf. Ser. 1515 022001. 2020.

12. Atomsk: A tool for manipulating and converting atomic data files Pierre Hirel. Comput. Phys. Comm. 2015; № 197: 212-219.

13. Patriarca M., Kuronen A., Robles M., Kaski K. Three-dimensional interactive Molecular Dynamics program for the study of defect dynamics in crystals. Computer Physics Communications. 2007; Vol. 176: 38-47.

14. Баимова Ю.А., Дмитриев С.В., Куранова Н.Н., Мулюков РР, Пушин А.В., Пушин В.Г. Применение метода молекулярной динамики для исследования механизмов деформации металлических материалов при структурных и фазовых (мартенситных) превращениях. Физика металлов и металловедение. 2018; 119 (6): 626-635.

15. Норман ГЭ., Стегайлов В.В. Стохастическая теория метода классической молекулярной динамики. Математическое моделирование. 2012, № 24 (6): 3-44.

16. Рапапорт Д.К. Искусство молекулярной динамики. Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2012.

17. Bennie S.J., Ranaghan K.E., Deeks H. et al. Teaching enzyme catalysis using interactive molecular dynamics in virtual reality. Journal of Chemical Education. 2019; № 96 (11): 2488-2496.

18. Weinhart T., Orefice L., Post M. et al. Fast, flexible particle simulations - An introduction to MercuryDPM. Computer Physics Communications. 2020; Vol. 249: 107-129.

19. E E. et al. J. Phys. Conf. Ser. 1882 012030. 2021.

20. Stukowski A. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 18 015012. 2010. Available at: iopscience.iop.org/article/10.1088/0965-0393/18/1/015012/meta

21. Масленникова Л.В., Арюкова О.А., Родиошкина Ю.Г Методика подготовки будущих инженеров к применению математического моделирования в профессиональной деятельности при обучении физике в вузе. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2016; № 2 (42): 188-194

22. Zakharov P.V. et al. J. Phys.: Conf. Ser. 1889 022023. 2021.

23. Zakharov P.V. et al. J. Phys.: Conf. Ser. 1691 012015. 2020.

References

1. Tolstik A.M. Rol' komp'yuternogo 'eksperimenta v fizicheskom obrazovanii. Fizicheskoe obrazovanie v vuzah. 2002; № 8, № 2: 94-102.

2. Vaganova V.G. Informacionnaya obrazovatel'naya sreda tehnicheskogo universiteta kak uslovie vypolneniya trebovaniya FGOS VO 3++. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2020; № 2: 62.

3. Petrosyan V.G. Resheniezadach po fizike s pomosch'yu komp'yutera: monografiya. Moskva: Prometej, 2006.

4. Dudysheva E.V., Zaharov P.V. Ispol'zovanie sred virtual'noj i smeshannoj real'nosti pri izuchenii studentami modelej kristallov v fizike tverdogo tela. Vestnik Moskovskogo gorodskogo pedagogicheskogo universiteta. Seriya: Informatika i informatizaciya obrazovaniya. 2020; № 2 (52): 67-74.

5. Starovikov M.I. Obuchenie shkol'nikov 'eksperimental'nomu metodu v kurse fiziki s ispol'zovaniem komp'yutera: monografiya. Bijsk: Bijskij pedagogicheskij gosudarstvennyj universitet im. V.M. Shukshina, 2006.