В статье приводится описание компьютерного приложения, моделирующего движение физического маятника. Данное приложение может быть использовано при изучении теории колебаний в учебных заведениях.
Ключевые слова:компьютерное моделирование, модель, физический маятник, обучение физике.
Принцип наглядности можно считать основополагающим при применении информационных технологий в обучении физике [7, с. 43]. Требования наглядности сформулированы еще со времен Я. А. Коменского [6, с. 302–303]. Обучающийся познает окружающий мир с помощью органов чувств, основными из которых являются зрение и слух. Согласно исследованиям, около 90 % всей информации человек получает с помощью зрения, 9 % — с помощью слуха и только 1 % — с помощью других органов чувств [7, с. 44]. В настоящее время происходит эволюция понимания принципа наглядности. Современная интерпретация заключается в том, что он предполагает не только отражение внешних, чувственно воспринимаемых свойств изучаемого объекта, формирование понятий в сознании обучающегося и эмпирического мышления, но и деятельностный подход обучающегося в контексте его самостоятельной работы, предполагающей комплексное использование исследовательских и творческих средств информационных технологий. В своей практике обучающий педагог все чаще сталкивается с необходимостью доступного объяснения объектов и явлений, которые имеют отношение к абстрактным обобщениям [2; 3, с. 6–17]. При таком объяснении обучающийся, чаще всего, получает знания, опираясь на наглядные образы, полученные в ходе своего познавательного опыта и с помощью специальных средств наглядности, которые определяют ориентиры познавательной деятельности [4; 5]. Использование средств наглядности позволяет визуализировать абстрактные теоретические понятия. Реализация принципа наглядности на практике может быть осуществлена с помощью учебных компьютерных моделей — своеобразных дидактических образов-моделей, улучшающих доступность восприятия. Кроме доступности восприятия, к признакам наглядности относят достоверность формируемых образов и визуализацию понятий [7, с. 45]. Под визуализацией в данном случае подразумевается возможность показа, демонстрации объекта или явления, а также его отдельных сторон и признаков. А. В. Смирнов предлагает понимать под наглядностью «образное восприятие явлений и процессов с помощью тех или иных моделей, которые создаются из элементов живого созерцания на основании определенных знаний об этих явлениях и процессах» [7, с. 46].
Рис. 1. Вид окон приложения, моделирующего движение физического маятника в ОС Windows 8.1
Рассмотрим, каким образом может быть реализован принцип наглядности в обучении физике, на примере использования учебных компьютерных моделей. В качестве образной модели объекта в нашем случае будет выступать мысленная система — физический маятник. Модель будет являться источником, дающим обучающимся материал для размышления и воображения. Окна компьютерного приложения, реализующего модель представлены на рис. 1 и 2. Такой дизайн приложений мы используем довольно часто [1]. Модель является динамической. Динамичность модели определяется не только тем, что объект исследования движется на экране, но и тем, что синхронно с этим движением осуществляется построение графиков зависимостей характеристик маятника от времени.
Рис. 2. Вид окон приложения, моделирующего движение физического маятника в ОС Windows 7
Предлагаемая нами модель является интерактивной, что порождает «эффект присутствия» обучающегося в виртуальной среде. Ощущение соучастия формирует необходимую эмоциональную основу. Это облегчает переход от чувственного восприятия образа к абстрагированию и логическому мышлению.
Образная модель может выступать и как средство формирования навыков наблюдения. Наблюдение, как известно, является предпосылкой для анализа, абстрагирования и отбора фактов. Наша модель предусматривает задания для самостоятельных наблюдений и последующих выводов, требующих догадки, опоры на уже известные факты. Главная задача, которую решает такая образная модель, — это формирование понятия физического маятника, которое складывается в результате анализа и синтеза наблюдаемых фактов. Компьютерная модель позволяет сжать этот процесс во времени.
Рис. 3. Моделирование незатухающих колебаний маятника
Кратко, опишем саму модель. В предлагаемом компьютерном приложении физический маятник визуально представляет собой стержень с двумя размещенными на нем грузами, расположение которых может изменяться. Массы грузов, которые считаются материальными точками, могут быть изменены пользователем программы в заданных пределах, масса стержня считается равной нулю. Такое моделирование позволяет при существенном уменьшении массы одного из грузов (или ее равенстве нулю) показать, что система, представляющая собой физический маятник, «вырождается» в математический маятник. Программа позволяет также учитывать при моделировании трение в оси маятника, что позволяет рассматривать незатухающие (рис. 3) и затухающие (рис. 4) колебания маятника. Специфика предлагаемого нами средства информационных технологий заключается в том, что оно позволяет интересно и увлекательно раскрывать обучающимся противоречия между знанием и незнанием. Например, многие обучающиеся (да что скрывать, и обучающие тоже) находятся в заблуждении, считая, что маятники всегда совершают гармонические колебания (хотя, конечно же, таких колебаний в природе вообще не существует, существуют только колебания, близкие к ним по своим характеристикам). Похожие колебания мы можем наблюдать только при совсем небольших углах отклонения маятника от положения равновесия. При очень больших углах обучающиеся, наблюдающие за моделью, увидят парадоксальную с их точки зрения картину, когда графики зависимостей углового перемещения, угловой скорости и углового ускорения от времени имеют неожиданный для них вид (рис. 3).
Рис. 4. Моделирование затухающих колебаний маятника
Появление таких средств обучения, как представленная выше компьютерная модель физического маятника, произошло благодаря информатизации образования и последующему внедрению в систему этого образования человеко-машинных систем. В этих человеко-машинных системах машинный компонент выступает как средство эффективной реализации образовательной деятельности. В них цель действия системы определяется человеком, а достижение цели осуществляется с помощью машины. Любая человеко-машинная система эффективна только при согласованном и правильном использовании машинной части в деятельности человека.
Литература:
1. Данилов О. Е. Дизайн компьютерных приложений для визуализации информации об учебных компьютерных моделях / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — № 13. — С. 26–36.
2. Данилов О. Е. Изучение интерференции с помощью компьютерного моделирования / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 9. — С. 50–58.
3. Данилов О. Е. Компьютерное моделирование колебательного движения. Численные методы решения задач: учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов, А. Ю. Трефилова. — Глазов: Глазов. гос. пед. ин-т, 2012. — 36 с.
4. Данилов О. Е. Обучение компьютерному моделированию на примере создания компьютерной модели кругового математического маятника / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 10. — С. 80–87.
5. Данилов О. Е. Применение имитационного моделирования механических взаимодействий при обучении физике / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2014. — № 5. — С. 97–103.
6. Коменский Я. А. Избранные педагогические сочинения / Я. А. Коменский. — М.: Учпедгиз, 1955. — 655 с.
7. Смирнов А. В. Методика применения информационных технологий в обучении физике: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / А. В. Смирнов. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 240 с.
