Использование компьютерного моделирования для организации активного изучения студентами курса физики

УДК 53.072.1

В. М. Микушев, А. С. Чирцов

использование компьютерного моделирования

для организации активного изучения студентами

курса физики

Рассмотрены основные требования, принципы построения и реализация электронных конструкторов физических систем, создаваемых на базе оригинального подхода, названного авторами физическим объектно-ориентированным моделированием. Показана применимость конструкторов для частичной автоматизации работы преподавателей по созданию оригинальных материалов для сопровождения лекций курса физики для студентов бакалавров нефизических специализаций. Созданная на базе конструкторов электронная продукция апробирована и используется при чтении курса физики для студентов, обучающихся по образовательным направлениям фундаментальной медицины.

Ключевые слова: электронные учебные ресурсы, физическое объектно-ориентированное программирование, активные формы обучения.

Во второй половине ХХ столетия произошел беспрецедентный по своим масштабам и значимости технологический скачок, результатом которого явилось появление компьютерных технологий. Его последствия уже сейчас воспринимаются как судьбоносные в масштабах всей цивилизации. Появление компьютеров и связанных с ними современных информационных, сетевых, телекоммуникационных и мультимедийных технологий за рекордно короткие сроки (около двух десятилетий) привело к принципиальным изменениям практически всех сторон жизни и деятельности общества. Если в докомпьютерную эпоху автоматизация, как одна из важнейших составляющих общечеловеческого прогресса, была направлена главным образом на решение задач замены человека в наиболее простых, но требующих физического напряжения однообразных операциях, то современные компьютерные технологии открывают пути для автоматизации многих видов интеллектуальной деятельности.

В настоящее время употребление термина «автоматизация» в применении к производственным процессам, проектированию, планированию, управлению и даже к научным исследованиям, как правило, не встречает возражений. В то же время выражение «автоматизация обучения» на современном этапе у многих участников образовательного процесса вызывает настороженное отношение. В этом кроется одна из причин сохранения сравнительно медленных темпов внедрения компьютерных технологий в реальную практику учебного процесса, несмотря на то, что теоретические дискуссии о целесообразности использования компьютеров в предметном обучении на сегодняшний день уже потеряли свою актуальность. Бурно развивающийся рынок цифровой техники ставит перед системой образования проблемы в виде быстро меняющихся предложений новых привлекательных для использования технологий. Правильной тактикой «потребителя» в создавшейся ситуации является не отказ от таких предложений и не попытки их безоговорочного внедрения, а работа по селекции эффективных инноваций [1]. Стремление разработать электронные аналоги практически всех видов традиционных (некомпьютерных) форм обучения,

сочетается с устойчивой тенденцией к увеличению уровня интерактивности электронных средств. Развитие последней позволяет прогнозировать возможность существенного расширения активных форм обучения вплоть до привлечения учащихся к самостоятельной поисково-исследовательской работе [2]. Возможность же размещения многовариантных информационных ресурсов в электронных обучающих средствах позволяет ставить принципиально новую задачу перед системой образования — задачу перехода к массовому, но, одновременно, индивидуализированному (личностно-ориентированному) обучению.

Несмотря на экспоненциально расширяющиеся возможности использования 1Т в обучении, приходится признать, что надежды на коренное повышение его эффективности и качества вследствие использования компьютерных средств во многом остались нереализованными. Одной из причин, сдерживающих прогресс в данной области, является отсутствие общей концепции использования электронных средств в обучении.

Систематическая деятельность по разработке персонально-ориентированного образовательного контента, допускающего быструю адаптацию к индивидуальным интересам и запросам участников образовательного процесса (как обучаемых, так и занимающихся обучением), является весьма ресурсоемкой задачей. В принципе, она может решаться для каждой возникающей образовательной задачи путем организации временных коллективов квалифицированных разработчиков. Последнее требует существенных организационных и материальных затрат. Кроме того, как показывает опыт, практически любой коллектив разработчиков в конечном итоге реализует не идеи автора или заказчика разработки, а свои собственные идеи, пусть даже порождаемые формулируемым заданием. Именно по этой причине в практике использования электронного образовательного контента наблюдается явно выраженный разрыв между профессиональным производством учебного контента и его использованием: создаваемые профессионалами-программистами электронные ресурсы весьма неохотно используются практикующими преподавателями. Последние предпочитают разрабатывать свои собственные ресурсы, реализуя свои оригинальные педагогические и научные идеи. При этом качество технической реализации цифрового ресурса далеко не всегда оказывается соответствующим уровню его информационно-педагогического содержания. Использование такого контента другими преподавателями-практиками оказывается ограниченным из-за наличия у последних своих концепций преподавания. Наиболее естественным вариантом решения описанного круга проблем является разработка средств автоматизированного создания образовательного контента. Эти средства должны предоставлять участникам образовательного процесса возможность создавать качественные учебные ресурсы и требовать от них трудозатрат, допускающих разработку оригинального контента на фоне выполняемой авторами педагогической и исследовательской нагрузки [3].

Современные тенденции развития программных средств общего назначения ориентированы на предоставление пользователю возможностей самостоятельной реализации собственных замыслов по созданию весьма качественной (вплоть до профессионального уровня) продукции на цифровых носителях без привлечения специалистов. Сказанное касается не только простейших видов статической символьной информации (электронных текстов, рисунков, фотографий), программ-редакторов, которые уже практически вошли в повседневную жизнь, но и быстро развивающих-

ся средств для создания непрофессионалами почти профессиональных разработок простейших типов мультимедийного контента. К таким средствам относятся аудио-и видео- редакторы, программные пакеты, предназначенные для создания мультимедийных презентаций, анимаций и т. д. [4]. В связи с этим возникает актуальная задача разработки концепции создания средств автоматизированного создания цифровых образовательных ресурсов нового поколения, отличительной чертой которых является высокий уровень интерактивности.

В основе предлагаемой концепции использования электронных средств в обучении лежит тезис об оправданности их применения лишь в тех случаях, когда это дает дополнительные возможности или преимущества по сравнению с традиционными подходами.

В рамках сформулированной концепции под руководством авторов был создан комплекс программ-конструкторов [5], позволяющих преподавателям и учащимся создавать собственные оригинальные интерактивные модели изучаемых систем для обеспечения наглядных лекционных демонстраций, виртуальных лабораторных работ и самостоятельных мини-исследований учащихся, привлекаемых к активным формам изучения материала. На сегодняшний день электронные конструкторы оказались одним из немногочисленных видов электронный учебной продукции, используемой не для тривиального переноса традиционных и неплохо работающих образовательных технологий на новые (электронные) носители, а для поиска и апробаций новых форм обучения, принципиально недоступных в докомпьютернную эпоху. Отличительной особенностью созданной серии электронных конструкторов является простота их on-line сетевого использования, не требующего от участника образовательного процесса не только программирования, но даже инсталляций каких-либо программных модулей.

Для реализации описанной идеи был разработан принципиально новый подход, получивший название физического объектно-ориентированного моделирования. В его основе лежит отказ от использования какого-либо интегрального описания конструируемой системы на языках математики или глобальных программных алгоритмов. Вместо этого реализовывалась идея современных подходов к объектно-ориентированному программированию, позволившая на программном уровне описывать системы в виде максимально приближенном к современной физической картине протекания процессов в природе. В ее рамках система рассматривается как совокупность элементарных объектов (например, «атомов» или более сложных макроскопических подсистем). Эти объекты на основе собственных самоадаптирующихся алгоритмов самостоятельно «принимают решения» о своем поведении в системе в зависимости от своего состояния и информации о состояниях других участвующих во взаимодействиях объектов, получаемой в ходе организуемой программой «диалога» между элементами виртуальной системы. Для примера на рис. 1 представлены упрощенные алгоритмы основных режимов работы программы-конструктора «Частицы в силовых полях».

На базе описанной идеи были создана серия электронных конструкторов самых простых из природных систем — физических (пример визуализации физических систем представлен на рис. 2) [6]. Простота и универсальность базовой идеи позволила перейти к разработке аналогичных конструкторов моделей систем более высоких уровней; химических, микробиологических и даже социально-экономических. Тот

же подход был использован при создании программного комплекса численного моделирования нелокальной нестационарной плазмы [7], являющегося сегодня наиболее эффективным и адекватным методом теоретического исследования уникального класса объектов неживой природы, проявляющих способность к самоорганизации и саморазвитию.

Рис. 1. Упрощенные алгоритмы основных режимов работы программы-конструктора «Частицы в силовых полях»

Разработанные на базе конструкторов модели нашли широкое использование в преподавании. На их базе создано семь мультимедийных сборников (электронных учебников) по физике для учащихся и преподавателей старших классов физико-математических школ и студентов бакалавриатов классических университетов. В Псковском государственном университете конструкторы виртуальных систем используются в чтении курса физики на образовательной программе «Медицинская кибернетика», где, очевидно, преподавание фундаментального курса должно базироваться в первую очередь на наглядных интерактивных моделях, а не на абстрактных математических построениях.

[-й>| Пространство 1 I läl Ii—s^-i Щ Пространство I—1—' I

Рис. 2. Примеры интерактивных моделей, создаваемых с помощью электронных конструкторов в реальном времени лекций: слева — движение электрона в поле магнитного монополя (частицы, пока не обнаруженной в экспериментах); справа - квазипериодический перезахват планеты-спутника, движущегося в гравитационном поле двойной звезды

Литература

1. Микушев В. М., Чирцов А. С. Опыт реализации на физическом факультете СПбГУ национального проекта «Инновационная образовательная среда в классическом университете» // Успехи современного естествознания. 2008. № 2. С. 82-84.

2. Абутин М. В., Марек В. П., Микушев В. М., Чирцов А. С. Новые варианты использования информационных и мультимедийных технологий для реализации непрерывного высшего профессионального образования // Физическое образование в ВУЗах. 2012. Т. 18. № 1. С. 109-126.

3. Венедиктов В. Ю., Микушев В. М., Надолинский А. А., Чирцов А. С. Опыт организации интенсивного обучения и эффективного контроля качества в бакалавриате по направлению «Прикладные математика и физика» // Материалы Х Межд. конф. «Физика в системе современного образования (ФСС0-09)», (Санкт-Петербург, 31 мая — 4 июня 2009 г.). СПб., 2009. Т. 1. С. 42-44.

4. Марек В. П., Чирцов А. С. Серия электронных сборников мультимедийных материалов по курсу общей физики: оригинальные подходы к созданию мультимедийных ресурсов и их использованию // Компьютерные инструменты в образовании. 2012. № 1. С. 58-72.

5. Чирцов А. С. Серия электронных сборников мультимедийных материалов по курсу общей физики: новые подходы к созданию электронных конструкторов виртуальных физических моделей с простым удаленным доступом // Компьютерные инструменты в образовании. 2010. № 6. С. 42-56.

6. Чирцов А. С. Физическое объектно-ориентированное моделирование в курсах механики. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2015. 148 с.

7. Kudryavtsev A., Chirtsov A., Kapustin K. Paradoxical behavior of electron fluxes for local EDF at moderate and high pressures in DC positive column plasmas // 51st Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, (Salk Lake City, Utah, USA, November 14-18, 2011).

Вестник Псковского государственного университета Об авторах

Микушев Владимир Михайлович — кандидат физико-математических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет; проректор по учебной работе и стратегическому развитию образовательной деятельности, Псковский государственный университет, Россия.

E-mail: vicerector_edu@pskgu.ru

Чирцов Александр Сергеевич — доктор технических наук, профессор, Институт точной механики и оптики (университет ИТМО), Санкт-Петербург, Россия.

E-mail: alex_chirtsov@mail.ru

V. Mikushev, A. Chirtsov

THE USE OF COMPUTER SIMULATION FOR ACTIVE STUDY OF A PHYSICS COURSE BY STUDENTS

The study focuses on basic requirements, principles and program implementation of electronic designers ofphysical systems, created on the basis of original approach, called by the authors as a physical object-oriented modeling. The study shows applicability of electronic virtual system constructors for partial automation ofteachers' work of developing new materials to accompany the lectures on fundamental physics course for students ofnon-physical education profiles. Electronic products created with the constructors is approved and used in teaching Physics course to students studying in the fields of basic medicine.

Key words: electronic training resources, physical object-oriented programming, active study forms.

About the authors

Dr. V. Mikushev, Associate Professor, Saint-Petersburg State University; Vice-Rector for Academic Affairs and Strategic Development, Pskov State University, Russia.

E-mail: vicerector_edu@pskgu.ru

Dr. techn. Sci. A. Chirtsov, Professor of the Department of Physics, Institute of Precise Mechanics and Optics (ITMO University), Saint-Petersburg, Russia.

E-mail: alex_chirtsov@mail.ru