Учебный модуль "Компьютерное моделирование физических процессов" (для учебного курса ДС. 06 "Компьютерное моделирование")

УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ "КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ"

Общие положения

Персональный компьютер в современной школе должен стать не только средством обучения для учителя, но и инструментом учебной деятельности для учащегося.

Задача учителя - помочь школьнику освоить этот инструмент.

Роль компьютерных технологий в исследовании физических явлений трудно переоценить. Быстродействие и большие графические возможности современных ПК позволяют проводить количественный анализ сложных физических явлений и наглядно представлять результаты этого анализа. Используя дифференциальные знания об объекте, которые представляют нам общие законы физики, в численном моделировании можно установить интегральное поведение объекта и наглядно представить основные закономерности в его поведении. Важным моментом в математическом моделировании является корректная формулировка задачи. Использование собственных единиц измерения физической системы знакомит учащихся с элементами теории подобия и позволяет исследовать целый класс подобных физических объектов, устанавливать существенные связи в поведении объектов с их характеристиками.

Студенты физического факультета педагогического вуза, осваивая компьютер как инструмент познания, должны приобрести опыт организации подобной деятельности с учащимися средней школы. Эта цель может быть достигнута за счет включения в курс

"Компьютерное моделирование" межпредметного учебного модуля, связанного с изучением вопросов методики применения в школьной практике отдельных задач по моделированию физических явлений.

1. Цели учебного модуля:

- содействие становлению специальной профессиональной компетентности учителя физики с дополнительной специальностью “Информатика” в области научного компьютерного моделирования физических процессов на основе овладения содержания модуля;

- содействие становлению профессиональной компетентности учителя физики в области методики построения иллюстративных моделей физических процессов и явлений и организации самостоятельного исследования физических явлений учениками средней школы с помощью ПК.

2. Задачи учебного модуля:

- формирование у студентов системы знаний по компьютерному моделированию физических процессов, необходимых для решения профессиональной задачи, соответствующей базовому и специальному уровню профессиональной компетентности учителя физики в области компьютерного моделирования;

- формирование у студентов системы знаний о составе и содержании современных ЦОР (на СЭ и в сети Интернет), ориентированных на решение профессиональных задач учителя физики и информатики;

© Бирих Р.В., 2008

- развитие умений ставить задачи динамики сложных систем для компьютерного моделирования, необходимых для решения педагогической задачи, соответствующей базовому и специальному уровню профессиональной компетентности учителя физики в области компьютерного моделирования;

- организация деятельности, направленной на применение ранее полученных знаний по физике и математике в учебной деятельности по компьютерному моделированию и численному физическому эксперименту;

- формирование умения наглядного представления результатов численного эксперимента, необходимого для становления специальной компетентности учителя физики;

- формирование готовности будущих учителей физики к самостоятельной профессиональной деятельности по разработке простейших компьютерных моделей физических явлений и их исследованию на этих моделях.

3. Ожидаемые результаты освоения учебного модуля

В результате изучения модуля студент должен:

1) решать задачи, соответствующие ключевой и базовой профессиональной компетентности:

- изучение и качественный анализ готовых ЦОР;

- проведение численных экспериментов на компьютерных моделях физических явлений, построенных под руководством преподавателя;

2) решать задачи, соответствующие специальной профессиональной компетентности:

- построение собственной компьютерной модели физического явления и проведение эксперимента на ней;

- планирование и руководство учебноисследовательской работой школьников по разработке и исследованию моделей физических явлений.

4. Ожидаемые результаты освоения модуля (в логике традиционного, действующего для нынешнего поколения ГОС ВПО, подхода).

В результате изучения дисциплины модуля студент должен

ЗНАТЬ:

- основные направления и перспективы развития образования с использованием информационных технологий;

- состав и содержание некоторых ЦОР по физике, которые могут быть использованы на занятиях по компьютерному моделированию физических процессов;

- этапы построения компьютерных моделей физических процессов;

- особенности построения моделей эволюционных систем и систем с периодическим поведением;

- особенности построения моделей со случайным поведением;

- особенности планирования и руководства учебно-исследовательской работой школьников по разработке и исследованию моделей физических явлений;

УМЕТЬ:

- на математическом языке описать физическую ситуацию;

- осуществить переход от метрической системы единиц к безразмерным (собственным) единицам измерения физических величин;

- разработать алгоритм численного эксперимента,

- провести анализ результатов эксперимента,

- выбрать в ЦОР наиболее удачную модель для демонстрации физического явления, провести критический анализ модели;

- организовать творческую деятельность учащихся по созданию и исследованию компьютерных моделей физических явлений;

ВЛАДЕТЬ:

- методами поиска необходимых ЦОР;

- навыками строгой математической формулировки физических проблем;

- численными методами решения типичных физических задач;

- основными конструкциями языка Паскаль и его графическими возможностями;

- методикой руководства самостоятельной работой учащихся по разработке и исследованию моделей физических явлений;

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:

- о роли компьютерного моделирования в образовательном процессе;

- о роли компьютерного моделирования в современной науке и технике.

5. Инновационность комплекта учебнометодических материалов

По целям обучения: формирование профессиональной компетентности будущих учителей в области научного компьютерного исследования физических явлений и организации учебно-исследовательской работой школьников по разработке и исследованию моделей физических явлений.

По содержанию обучения: реализация межпредметных связей специального профессионального курса "Компьютерное моделирование" и курса по теории и методике обучения физике (в данном курсе рассматриваются физические задачи, которые соответствуют по содержанию программе школьного курса физики, но не могут или трудно решаются традиционными методами; решение задач и представление результатов осуществляется с помощью ПК).

По методам обучения:

- применение исследовательских методов обучения (ориентация на самостоятельную разработку и исследование студентами компьютерных моделей физических явлений с представлением результатов работы в виде графиков функциональных зависимостей);

- организация лабораторных занятий и подготовки к ним с применением элементов технологии дистанционного обучения (в частности, размещение в дистанционном

курсе содержания учебных лекций, инструктивных материалов к лабораторным работам, файлов программного обеспечения; организация форумов для обсуждения проблем моделирования физических явлений и методики организации учебной деятельности школьников с учебными моделями; формирование цифрового портфолио студента);

- апробация студентами авторских моделей физических явлений в ходе педагогической практики (проектирование учебного процесса в средней общеобразовательной школе с использованием подготовленных студентами учебных моделей).

По формам обучения: разнообразие форм учебной работы на учебном занятии (индивидуальные консультации, самостоятельная работа, работа в паре; работа в группе над творческими проектами, коллективное обсуждение - публичная защита творческих проектов студентов).

По средствам обучения:

- использование стандартных и специализированных инструментальных программ (в частности системы визуального программирования Эе1рЫ);

- применение на лабораторных занятиях "готовых" учебных моделей как образцов для самостоятельной творческой работы студентов;

- использование на занятии банка моделей, разработанных студентами в ходе самостоятельной работы;

- организация учебных занятий с применением аппаратной техники и ПО лаборатории ЦОР и педагогического проектирования.

Рабочая программа

1. Требования к обязательному объему учебных часов на изучение учебного модуля.

Распределение часов учебного модуля по видам учебной деятельности в соответствии с учебным планом.

деятельности Всего часов Распределение часов по формам обучения

Очная Очно- заочная Заочная

Семестр Неделя Год Год

Лекции 2 2

Лабораторные занятия 10 10 2

Самостоятельная работа 12 12 2

2. Требования к обязательному уровню и объему подготовки по учебному модулю 2.1. Лекционные занятия

№ , Тема лекции п/п Объем в часах по формам обучения

Очная Очно-заочная Заочная

1 Математическое моделирование физических процессов. Основные положения. Примеры компьютерных моделей 2

Всего 2

2.2. Лабораторные занятия

№ , Наименование занятия п/п Номер темы лекции Объем в часах по формам обучения

Очная Очно- заочная Заочная

1 Анализ механических моделей на С Б «Открытая 1 2

2 Эксперименты на компьютерной модели «Движение спутников» 3 Эксперименты н а модели «Рассеивание частиц (модели атомов)» 4 Эксперименты н а модели «Периодические движения» 5 Построение собственной модели по изучению механического явления 1 1 1 1 2 2 2 2

Всего 10

2.3. Самостоятельная работа

№ Наименование расчетно-графической п/п работы (РГР), расчетно-графического задания (РГЗ), курсового проекта (работы) Номера тем лекций (только для РГР и РГЗ) Неделя семестра, в которую выдается задание

1 Анализ и сравнение моделей в разделе механика для ЦОР на СО: «Библиотека наглядных пособий. 1С»; «Открытая физика», ООО «Физикон»; Физика. 7-11 кл. Практикум.ООО «Физикон» 1

2 Самостоятельная работа по созданию моделей физических явлений. 6 часов 3

3. Требования к обязательному минимуму содержания программы

Понятие модели. Иллюстративные и экспериментальные модели.

Математическое моделирование детерминированных физических процессов. Этапы построения модели и ее исследования. Естественные (собственные) единицы измерения системы и критерии подобия.

Эволюционные механические модели: движение спутников, рассеивание частиц на кулоновском центре.

Периодические движения. Фазовые портреты. Математический маятник. Вынужденные колебания в колебательном контуре.

Учебные компьютерные модели по физике в ЦОР для средней общеобразовательной школы. Организация учебных исследований школьников с использованием компьютерных моделей физических явлений.

4. Формы текущего, промежуточного и итогового контроля

I. Проверка выполнения лабораторных заданий и отчетов по каждой лабораторной работе (численное моделирование физических процессов) - 5 заданий:

I) анализ механических моделей на СЭ "Открытая физика. 41" (выделить иллюстративные и экспериментальные модели);

2) эксперименты на компьютерной модели "Движение спутников" (анализ структуры модели; постановка проблемы исследования и представление результатов);

3) эксперименты на модели "Рассеивание частиц (модели атомов)" (анализ структуры модели; постановка проблемы исследования и представление результатов);

4) эксперименты на модели "Периодические движения (анализ структуры модели; постановка проблемы исследования и представление результатов);

5) разработка авторской модели по изучению механического явления.

2. Интегрированный тест (по базовым понятиям модуля).

5. Рекомендации по использованию информационных технологий и инновационных методов в образовательном процессе

При проведении занятий модуля используются:

- мультимедийное сопровождение к учебной лекции (презентация МБ РРот!);

- специалированное программное обеспечение лабораторных занятий модуля, подготовленное в среде Ое1рЫ: "Компьютерные модели в школьном курсе физики" (Информатика, 2006. № 14. С. 3 - 45; № 15. С. 3 -13).

Статья подготовлена в рамках проекта "Информатизация системы образования", реализуемого Национальным фондом подготовки кадров по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации. Проект финансируется из средств Международного банка реконструкции и развития.