Учебная компьютерная модель двойного пружинного маятника



В статье рассматривается компьютерная программа, реализующая модель вертикального двойного пружинного маятника. Она является примером программной части обучающей человеко-машинной системы. Приведена методика применения подобных учебных компьютерных моделей в сочетании с учебным натурным экспериментом.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, модель, учебная компьютерная модель, пружинный маятник, человеко-машинные системы, обучающая человеко-машинная система.

Информатизация системы образования является одной из форм интенсивного проникновения компьютеризированных человеко-машинных систем во все сферы общественной жизни [2]. Согласно современным представлениям в таких системах ведущим компонентом является человеческая деятельность, а машинный компонент выступает как инструмент ее эффективной реализации [3, с. 50–51].

В настоящее время создано большое количество обучающих машин тренажерного типа, которые реализуют процесс усвоения знаний и проверку этого усвоения. Такие системы позволили механизировать некоторые операции преподавательского труда [2]. Однако, по мнению многих исследователей, они существенно затруднили освоение обучающимися основ рефлексивно-теоретического мышления и вызвали своеобразную «запрограммированность» действий обучающихся. Кроме того, существует вероятность, что массовое внедрение таких систем в процесс обучения может вызвать распад целостной системы «преподаватель — обучающиеся» на отдельные, не связанные друг с другом, элементы типа «обучающийся — компьютер». Поэтому поиск новых способов организации учебного процесса на базе человеко-машинных систем является на данный момент весьма актуальной задачей [3, с. 52].

Целостность организации учебного процесса может быть достигнута за счет следующих аспектов [3, с. 52]:

— управление познавательной активностью обучающихся;

— управление учебной деятельностью как системой «преподаватель — машина — обучающийся»;

— управление взаимодействиями и сотрудничеством преподавателя с обучающимися и обучающихся друг с другом.

Рис. 1. Двойной пружинный маятник

Системы «обучающийся — компьютер», тем не менее, могут в некоторых ситуациях быть эффективными, несмотря на то, что в них в явном виде преподаватель отсутствует. Часть его функций может выполнить сам компьютер. Ясно, что программное обеспечение, которое выполняет при этом функцию обучения, создано также людьми, принимающими участие в таком обучении опосредованно (через компьютер). Мы реализуем такое обучение с помощью компьютерных программ, использующих учебные модели физических объектов, явлений и процессов [1]. Такие программные средства мы создаем сами, опираясь при их создании на полученный ранее практический опыт.

Рассмотрим одну из этих компьютерных программ, моделирующую объект физической теории. Этот объект представляет собой колебательную систему, состоящую из двух вертикальных пружинных маятников, один из которых имеет пружину с закрепленным (неподвижным) концом, а к другому концу этой пружины прикреплен груз, к которому прикреплена пружина второго маятника (рис. 1).

Приложение имеет три окна (рис. 2): 1) окно для визуализации образной модели — идеальной колебательной системы; 2) окно для синхронного с движением колеблющихся тел вывода графиков зависимостей координат этих тел, проекций скоростей и ускорений тел на вертикальную ось от времени, а также фазовых диаграмм (зависимостей координат тел от проекций их скоростей на вертикальное направление); 3) окно с элементами управления моделью. С помощью элементов, размещенных в последнем окне, можно изменять начальные параметры колебательной системы, останавливать виртуальный эксперимент в нужный момент, получая «мгновенный снимок» колебательной системы.

Рис. 2. Многооконное приложение, моделирующее колебания маятника

Модель позволяет продемонстрировать обучающему закономерности колебательного движения идеальной системы с помощью визуализации ее образа и синхронного вывода на экран графиков зависимостей характеристик движения системы от времени. Возможно использование рассмотренного программного обеспечения в качестве лабораторной работы в рамках виртуального лабораторного практикума, а также в индивидуальном виртуальном эксперименте (например, в качестве домашнего задания экспериментального характера).

Сравнивать модель с реальным объектом в процессе обучения можно следующим образом (рис. 3). Реальный объект приводится в движение. Одновременно с его движением будет происходить наблюдение за моделью, для которой созданы некоторые начальные условия. При этом изначально условия, в которых находится модель, отличаются от начальных условий, в которых находится объект. Однако они различаются так, что отличным является только один из начально заданных параметров. Обучающиеся видят, что поведение объекта и модели существенно отличаются. Затем начальные условия для модели изменяются таким образом, что они приближаются к условиям, в которых находился изначально объект, и в какой-то момент обучающиеся замечают, что поведение объекта и модели становятся похожими (или отличаются совсем незначительно). В нашем случае это может проявляться в том, что образная модель и реальный маятник двигаются почти синхронно. При дальнейшем изменении условий объект и модель вновь ведут себя по-разному, и расхождение в поведении увеличивается.

Рис. 3. Сравнение реального объекта с его моделью

Планирование и создание человеко-машинных систем учебной деятельности являются довольно сложными процессами. Содержанием учебной деятельности является овладение обучающимися знаниями и умениями, опираясь на которые можно успешно решать практические задачи. Учебные операции, связанные с условиями выполнения учебных умственных действий разнообразны и изменчивы, поэтому определить однозначный состав операций в таких человеко-машинных системах практически невозможно. Именно с этим обстоятельством связаны наиболее серьезные проблемы создания человеко-машинных систем в области учебной деятельности.

Литература:

1. Данилов О. Е. Использование компьютерных моделей маятников при изучении механических колебаний / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 7. — С. 40–47.
2. Данилов О. Е. Обучение в человеко-машинных системах / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 2. — С. 84–90.
3. 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.