РОЗДІЛ І. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В ОСВІТІ

ВСТУП

Впровадження нових технологій у навчальний процес сприяє всебічному розвитку й формуванню світогляду учнів,студентів. Сучасний розвиток інформаційних технологій дає можливість застосовувати їх на уроках фізики як в основній школі так і в університеті.

Фізика – наука експериментальна, для її вивчення необхідно використовувати досліди. Добре відомо, що курс фізики включає розділи, вивчення і розуміння яких вимагає розвиненого образного мислення, уміння аналізувати, порівнювати. Насамперед мова йде про такі розділи, як «Ядерна фізика» і «Квантова фізика» і ін. Багато явищ в умовах фізичного кабінету не можуть бути продемонстровані,виникають значні труднощі при постановці та виконанні демонстраційних дослідів з розділів, які пов’язані з неможливістю спостерігати без спеціальних приладів і необхідних умов для їх здійснення. В результаті учні,студенти зазнають труднощів при вивченні цих тем, оскільки не взмозі їх уявити. Частковим рішенням цієї проблеми є моделювання дослідів на комп’ютері, так звана комп’ютерна підтримка вивчення складних тем та дослідів квантової фізики.

Комп'ютер може не лише створити модель таких явищ, а й дозволити змінювати умови протікання процесу, "прокрутити" із оптимальною для засвоєння швидкістю. Найдоцільнішим є використання комп'ютерної моделі для демонстрацій під час пояснення нового матеріалу, розв'язування практичних задач. Найбільш фундаментальними дослідами квантової фізики є досліди Резерфорда, Франка і Герца, Штерна і Герлаха,ефект Комптона, фотоефект.Дуже важливими у ядерній фізиці є дослідження радіоактивності,ядерних реакцій та ядерного реактора.

Краще і простіше, а також наочніше показати, як електрон за моделлю Бора перескакує в атомі з орбіти на орбіту, що супроводжується поглинанням чи випромінюванням кванта, ніж пояснювати це за допомогою дошки і крейди. А якщо взяти до уваги те, що ця модель дає можливість одночасно показати переходи електрона й на інші орбіти в динамічному режимі роботи електронних рівнів і вигляд спектральних ліній, тоді стає зрозумілим, що подану демонстраційну модель неможливо забезпечити іншими засобами., або дослід Резерфрда по бомбардуванню альфа-частинками тонких металевих пластинок, показує як альфа частинки розсіюються в речовині,і в результаті Е. Резерфорд припустив, що атом має складну будову, схожу на Сонячну систему: всередині його міститься позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони.

На сайті нашого університету є розроблений навчально-методичний посібник «Квантова фізика» автор Соколенко О.І.. В якому розглянуті всі розділи квантової фізики:квантові властивості випромінювання,хвильові властивості мікрочастинок, будова атомів, фізика атомного ядра,елементарні частинки. У кожному з цих розділів коротко розглянуті основні питання теорії, подані основні формули з розділу і методичні вказівки щодо розв’язування задач,а також наведені приклади типових задач.

Практика показала що цей посібник має широкий спектр використання як студентами так і магістрантами нашого ВУЗу,для більш ефективного використання навчального посібника була необхідність доповнити його комп’ютерними демонстраційними матеріалами анімаціями,візуалізаціями та відео фрагменти явищ,що і будо виконано в даній роботі.

Всі демонстраційні матеріали було апробовано при викладанні квантової фізики в «ДНЗ Одеський професійний ліцей морського транспорту» і в «Південноукраїнському національному педагогічному університеті імені К.Д. Ушинського» на 4 курсах спеціальності «фізика менеджмент»,а також на асистентській практиці з фізики магістрантами. Як показали результати контролю якість і упішність знань підвищилась на 3%-6%.

Я вважаю що тема моєї магістерської роботи є актуальною.

Метою даної магістерської роботи є забезпечення вивчення квантової фізики використовуючи засоби комп’ютерного моделювання, обґрунтування необхідності використання комп’ютерних моделей при вивченні фізики.

Об'єкт дослідження: Забезпечення навчального процесу з тем квантової фізики з використанням засобів комп’ютерного моделювання.

Предмет дослідження: Форми, методи та засоби реалізації вивчення квантовоъ фізики за допомогою комп’ютерного моделювання.

Гіпотеза дослідження використання комп’ютерного моделювання при викладанні квантової фізики повинно підвищити ефективність і якість засвоєння знань формування відповідних умінь та навичок. Відповідно до предмету і гіпотези дослідження були визначенні його конкретні завдання:

1. Провести аналіз літературних джерел, наукових праць, статей з питання використання комп’ютерних моделей при викладанні фізики.

2. Розглянути психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп’ютерного моделювання при викладанні фізики.

3. Розробка методичних рекомендацій, щодо використання комп’ютерного моделювання.

РОЗДІЛ І. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В ОСВІТІ

1.1 Використання ІТ в освіті

Інформатизація освіти вимагає підвищення якості навчального процесу, здійснення відповідних досліджень і розробок сучасних методів навчання, заснованих на використанні інформаційних технологій, до рівня вимог постіндустріального суспільства. Це передбачає залучення учнів і студентів до інформаційної культури, побудова в їхній свідомості наукової картини світу, оволодіння сучасними методами обробки інформації. В інформатиці під інформаційною (комп'ютерною) технологією розуміють технологію переробки інформації на ЕОМ, в результаті яких виходить новий інформаційний продукт (текстовий, графічний, звуковий або відео-файл).

Система віртуальної реальності занурює студента в уявну тривимірну модель реального світу. Вона забезпечує "безпосередню" взаємодію з різними об'єктами цього світу і маніпулювання ними. Це якісно змінює механізм сприйняття і осмислення одержуваної інформації, сприяє формуванню чуттєво-наочного образу досліджуваного явища. Мультимедійні засоби навчання повинні відповідати дидактичним вимогам науковості, доступності, проблемності, наочності, свідомості, систематичності і послідовності навчання.

1.2 Зв'язок між фізикою і інформатикою

Як вже зазначалося, викладання фізики, в першу чергу атомної і ядерної, пов'язано з вивченням обчислювальної техніки та сучасних технологій збирання, зберігання, обробки і передачі інформації.

Фізика – наука експериментальна. Сучасні інформаційні технології дозволяють створювати моделі різних фізичних об'єктів, явищ і процесів і відображати їх на екрані ПК з можливістю варіювати параметри. За допомогою інтерфейсних блоків і датчиків фізичних величин можна виконувати і реальний експеримент, а також дистанційно керувати реальними об'єктами, здійснювати автоматизований контроль, обробляти результати досліджень і т.д. У зв'язку з цим під навчальним фізичним експериментом зараз розуміється не тільки традиційний натурний (демонстраційний і лабораторний) експеримент, але і чисто комп'ютерний, віртуальний. Особливо ефективний останній у разі неможливості проведення натурного експерименту через відсутність обладнання, небезпеки для здоров'я, тривалості виконання, складності математичного обрахунку результатів і т.д.

Крім того, комп'ютерний експеримент, як уже було сказано, надає широкі можливості варіювання параметрів процесу, що просто неможливо зробити в натурі.

Атомна і ядерна фізика належать до таких розділів фізики вивчення яких, повинно супроводжуватися експериментальними дослідженнями.

Віртуальні експерименти значно прискорюють процес освоєння досліджуваного матеріалу. Ніяка кількість вирішених завдань з фізики не може замінити досвіду, придбаного при проведенні експериментальних досліджень. Комп'ютер можна розглядати як універсальний лабораторний стенд.

1.3 Методологічна і дидактична складові віртуального експерименту

Унікальні особливості віртуально інформаційного середовища (мультимедіа, інтелектуальність, моделінг, інтерактив, комунікативність, продуктивність) визначають безперечну ефективність її застосування в будь-якій сфері пізнавальної діяльності,в тому числі і в проведенні лабораторних фізичних експериментів.

Зазначимо переваги і недоліки віртуального фізичного експерименту. Такий експеримент дозволяє:

Вивчати складні фізичні явища на рівні, доступному розумінню, виключаючи звернення до їх нерідко громіздкого математичного опису;

«Досліджувати» явище навіть у тих випадках, коли проведення реального експерименту ускладнене або недоцільно (наприклад, робота ядерного реактора, рух космічних об'єктів, вивчення поведінки тіл при великих тисках,дослідження мікроскопічних об'єктів, і т.д.);

Зупиняти і відновлювати експеримент з метою аналізу проміжних результатів і можливої ​​зміни його ходу;

Вивчати явище в динаміці(тобто спостерігати його розвиток в просторі і часу);

Здійснити операцію, неможливу в натурному експерименті – змінювати просторово-часові масштаби протікання явища;

Задавати необхідні умови проведення експерименту і параметри досліджуваної системи об'єктів, не побоюючись за її стан, а також безпеку і збереження компонентів експериментальної установки;

Супроводжувати модельний експеримент візуальної інтерпретацією закономірних зв'язків між параметрами досліджуваної системи(у формі динамічних графіків, діаграм, схем тощо);

Досліджувати явище в «чистому» вигляді, точно відтворюючи необхідні умови його протікання;

Акцентувати, завдяки ефектам мультимедіа, увагу учнів на головному в досліджуваному явищі і сприяти тим самим більш глибокому розумінню його сутності.

При використанні інтерактиву як функції нового середовища навчання до раніше вказаним перевагам віртуального експерименту додаються нові:

Забезпечення діяльнісного підходу до навчання, орієнтованого на розвиток ключових компонентів навчальної активності студентів:зокрема інтересу до навчання, вміння планувати свої дії, виконувати і контролювати якість їх виконання;

Розвиток пізнавальної самостійності студентів, визначальною успіх у реалізації їх навчальної активності;

Створення умов для творчої діяльності студентів.

Слід зазначити, що введення даного типу фізичного експерименту в курсі фізики має і недоліки:

практичне здійснення віртуальних експериментів буває утруднено у зв'язку з недостатнім рівнем комп'ютерного забезпечення ;

не отримується навички практичної роботи з реальним дослідницьким обладнанням;

низька в порівнянні з натурним експериментом ступінь наочності.