Компьютерное моделирование поперечных механических волн в обучении физике



В статье представлена обучающая компьютерная программа, моделирующая распространение поперечных механических волн. Она представляет собой учебную компьютерную модель, то есть такую визуализирующую программу, с помощью которой обучение строится на основе принципа наглядности.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, 3D-моделирование, модель, поперечные механические волны, обучение физике

Современные информационные технологии, как правило, в процессе обучения используются в двух случаях:

‒ при изложении нового учебного материала;

‒ при контроле знаний.

В психологической теории учебной деятельности предлагается трехступенчатая модель освоения информационной технологией в обучении [4, с. 50]:

‒ первая ступень связана с развитием элементарной компьютерной грамотности и информационной культуры;

‒ вторая ступень предполагает освоение новых областей знаний с помощью средств информационных технологий;

‒ третья ступень связана с тем, что обучающийся учится управлять процессами и видами деятельности, используя возможности компьютерного моделирования и других компьютерных технологий.

Важной тенденцией развития современного образования является сочетание необходимого минимума основополагающих знаний с новой интенсивной технологией обучения [2, с. 10]. Такой технологией может быть технология, построенная на использовании компьютерных средств. В связи с этим существует проблема создания дидактических материалов, ориентированных на использование этой технологии, и создание методологической основы для обучения на ее базе [3]. Одним из примеров дидактических материалов такого вида являются используемые нами на занятиях по физике учебные компьютерные модели — специальные визуализирующие программы, предназначенные для наблюдения абстрактных объектов [1].

Рассмотрим одну из таких программ. Приложение, моделирующее распространение поперечных волн, имеет три окна (рис. 1): 1) окно для визуализации образной модели — поперечной волны, распространяющейся в упругом шнуре; 2) окно для вывода графиков зависимостей значений характеристик выбранной пользователем колеблющейся части шнура от времени; 3) окно с элементами управления моделью. С помощью элементов, размещенных в последнем окне, можно изменять параметры волны и останавливать виртуальный эксперимент в нужный момент, получая «мгновенный снимок» волны.

Рис. 1. Приложение, моделирующее возникновение поперечных волн в упругом шнуре

Рассмотрим визуализирующие возможности моделирующей программы. Возможны два способа наглядного представления волн на экране компьютера: в виде сплошного колеблющегося шнура (рис. 1) и в виде отдельных колеблющихся частиц (рис. 2). Во втором случае связи между частицами не изображаются, это способствует лучшему восприятию колебаний отдельных составляющих шнура, по которому распространяется поперечная волна.

Рис. 2. Визуализация процесса распространения волн с помощью движущихся частиц

Волна распространяется в шнуре, концы которого закреплены на прямоугольных пластинах. Это позволяет продемонстрировать отражение поперечных волн от поверхности и образование стоячей волны между пластинами (интерференцию поперечных волн).

Итак, предусмотрены следующие действия пользователя при работе с приложением, которые он может осуществлять, используя элементы управления, размещенные в одном из окон: 1) изменение начального смещения части шнура; 2) изменение показателя преломления среды, в которой распространяется волна; 3) создание неоднородности с ярко выраженной границей раздела двух сред (рис. 3); 4) изменение точки наблюдения волны; 5) изменение расстояния до наблюдателя; 6) изменение способов визуализации волны (рис. 1 и 2); 7) регулирование степени прозрачности среды, в которой распространяется волна; 8) выбор типа возмущений в среде (одиночная волна (рис. 1), цуг волны (рис. 3), бесконечная гармоническая волна (рис. 4) и др.); 9) выделение элемента (или элементов) шнура (рис. 4); 10) получение «мгновенных фотографий» волн.

Рис. 3. Моделирование отражения и преломления волны при прохождении ее через границу раздела двух сред

Программа может быть использована преподавателем при демонстрациях, сопровождающих объяснение нового учебного материала, а также учащимися в самостоятельных учебных исследованиях волнового движения [1].

На примере рассмотренной выше учебной компьютерной модели мы показали, как может быть реализован принцип наглядности в обучении физике. Как правило, в качестве образной модели объекта в наших программах выступает какая-либо мысленная система (в данном случае идеальная волна). Такая модель дает обучающимся материал для размышления и мысленных операций над ним. Дизайн приложения, представленный в этой статье, мы используем довольно часто. Все учебные модели, созданные таким образом, являются динамическими и интерактивными. Это позволяет «погрузить» обучающегося в созданную на экране компьютера виртуальную среду, что формирует необходимую основу для обучения. Такое «погружение» облегчает переход от чувственного восприятия наглядного образа к абстрактному мышлению.

Рис. 4. Моделирование гармонической волны с выделением первого смещаемого элемента упругого шнура

Литература:

1. Данилов О. Е. Решение задач механики с помощью компьютерных моделей / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 3. — С. 40–48.
2. Кондратьев А. С. Современные технологии обучения физике: Учебное пособие / А. С. Кондратьев, Н. А. Прияткин. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2006. — 342 с.
3. Самарский А. А. Неизбежность новой методологии / А. А. Самарский // Коммунист. — 1989. — № 1. — С. 84–92.
4. 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.