Компьютер как универсальный инструмент учебного физического исследования

В статье указывается на то, что компьютер является универсальным инструментом учебного физического исследования. Он сочетает в себе функции накопления, хранения, обработки информации и управления реальными и виртуальными экспериментами. Рассмотрена роль компьютера в учебных исследованиях.

Ключевые слова: компьютерные технологии, учебный физический эксперимент, компьютерное моделирование, обучающие и контролирующие программы, экспериментальные установки, учебные исследования

Задача введения компьютерной техники в процесс обучения в настоящее время решена, и вполне понятно, как надо обучать студентов использовать компьютер в учебных и научных исследованиях. Посредством применения компьютерной техники достигнута индивидуализация обучения и повышение производительности труда студентов и преподавателей. Педагогические вузы располагают достаточно мощными компьютерами для решения учебных и научно-исследовательских задач.

Применение вычислительной техники является на данном этапе развития науки почти обязательным в экспериментальных физических исследованиях. Это находит отражение и в учебном процессе. Например, при изучении курса общей физики используются такие методы компьютерных исследований, как обработка результатов измерений в лабораторных работах [1], компьютерное моделирование [3], физический натурный эксперимент на основе компьютерных установок [4], применяются информационные, обучающие и контролирующие программы [2]. Как было сказано ранее, современный физик часто прибегает к помощи компьютера, поэтому программирование стало важной частью техники физического исследования — оно представляет элемент исследовательской культуры. Овладение основами работы на компьютере позволяет оперативно и самостоятельно проводить расчеты, которые до недавнего времени считались сложными и трудоемкими. При этом вырабатывается алгоритмический способ мышления.

Если разделить использование компьютера в учебных физических исследованиях на две формы: 1) для вычислений и компьютерного моделирования и 2) для натурного эксперимента на основе компьютерных установок; то можно прийти к следующему выводу. Для того, чтобы при обучении сформировать алгоритмический способ мышления, необходима первая форма, так как при работе с физической установкой это сделать достаточно сложно. Поэтому естественным является то, что современные учебные планы для физических специальностей педагогических вузов предусматривают на 1–3 курсах изучение программирования и компьютерного моделирования, и лишь затем (на 4–5 курсах) — экспериментальной физики. Только на старших курсах в полной мере может быть реализована исследовательская работа с экспериментальными компьютерными установками, предполагающая научный подход к исследованию и получение субъективно новых для обучаемого результатов. Знакомство студента с компьютером, как измерительным прибором, может происходить ранее — при выполнении лабораторных работ курса общей физики, то есть на трех младших курсах. В этом случае студенту для работы предлагаются готовые экспериментальные установки, не требующие анализа и новых конструкторских и программных решений.

Рассмотрим роль компьютерного моделирования в учебных исследованиях. Компьютер оснащен средствами визуализации численного моделирования, что позволяет представлять решение физической задачи в наглядной динамической форме. Кроме того, можно наблюдать зависимость компьютерной модели от различных параметров. Это приближает вычислительный эксперимент к натурному, но не означает полной замены им последнего, — возникает важный и непростой вопрос о соотношении вычислительного (виртуального) и натурного (реального) экспериментов. Если провести разделение моделей на два типа: предметные и знаковые, то можно утверждать, что знаковые модели, используемые исследователем (схемы, чертежи, формулы, изображения на дисплее), получают в настоящее время еще большее распространение, благодаря появлению компьютеров и развитию компьютерного моделирования. Именно поэтому иногда вычислительный компьютерный эксперимент рассматривают как разновидность знакового модельного эксперимента. Различают математические, алгоритмические, имитационные, статистические, функциональные и динамические знаковые модели.

Результатом любого эксперимента является теоретическое осмысление исследователем эмпирических данных и установление им причинно-следственных связей, на основании которых можно предсказывать ход процессов. В более узком смысле результатом эксперимента для исследователя может быть полученная им математическая модель, демонстрирующая функциональные связи между переменными характеристиками изучаемых процессов и явлений. Один из наиболее рациональных современных способов создания и исследования такой модели — провести ее компьютерный анализ.

Таким образом, компьютер является универсальным инструментом учебного физического исследования, так как сочетает в себе функции накопления, хранения, обработки информации и управления как реальными (в составе экспериментальной установки), так и виртуальными (в случае компьютерного моделирования) объектами.

Литература:

1. Данилов О. Е. Лабораторный практикум: Компьютерные измерения в молекулярной физике и термодинамике. Учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов. — Глазов: ГГПИ, 2009. — 28 с.
2. Данилов О. Е. Обучающая программа-тренажер по физике / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — № 15. — С. 256–258.
3. Данилов О. Е. Учебное экспериментирование в виртуальной реальности / О. Е. Данилов // Школьная педагогика. — 2016. — № 3. — С. 33–35.
4. Данилов О. Е. Экспериментальное изучение дифракции звука на круглом диске с помощью метода компьютерного сканирования полей / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 1. — С. 50–55.