Реферат на тему:
Навчальні фізичні задачі і комп’ютерне моделювання
Розвитку модельного підходу до генезису поняття навчальної фізичної
задачі сприяло становлення інформатики і запровадження обчислювальної
техніки в навчальний процес. Це дозволило звернути увагу на той факт, що
в існуючих збірниках для середньої школи та із загальної фізики задачі
підібрані так, щоб їх розв’язок можна було знайти аналітичним шляхом,
тобто шляхом використання знакових моделей у вигляді певних формул або
їх комбінацій. Формули для обчислень пропонуються достатньо прості. І
хоча такі задачі, без сумніву, є необхідними і корисними у навчанні
фізики, особливо за курс середньої школи, однак, як зазначає
Е.В.Бурсіан, у реальному житті, на виробництві ми зустрічаємося і з
такими задачами, що аналітичним шляхом не розв’язуються, або
розв’язуються дуже складно. Практично ні одна реальна задача, навіть на
динаміку рівномірного руху з тертям не може бути розв’язана аналітично
(за виключенням дуже повільних рухів, коли сила в’язкого тертя
пропорційна першій степені швидкості) (2, 3).
Потрібно відзначити, що у наведених прикладах аналітична розв’язуюча
ідеальна модель перестає влаштовувати потреби “розв’язувача” стосовно
результату. Їй на зміну повинна прийти більш точна, більш адекватна
математична модель, із залученням числових методів, обчислювальної
техніки і т.п. (комп’ютеризований спосіб розв’язку, з допомогою ЕОМ). З
цього приводу переважна більшість шкільних задач в підручниках і
збірниках може вважатися “неправильними”, або “надто грубими” з точки
зору обчислювальної математики. Проте у навчанні розв’язуванню задач
навіть із загальної фізики важливим є саме усвідомлення динамічної зміни
розв’язуючих моделей в залежності від актуальної потреби. “Розв’язок
більшості фізичних задач не вимагає програмування. Більше того, важливе
значення при вивченні фізики мають якісні задачі, де взагалі ніякі
обчислення не потрібні, а також задачі, де вимагається оцінка
якої-небудь величини з точністю до порядка. Розумна частка задач із
застосуванням ОТ, мабуть, близька до 10…20% від загальної кількості
задач” (Там же, 4).
Суттєвим і важливим на наш погляд є те, що використання готових моделей
у навчанні фізики в школі не повністю реалізує метод моделювання. Лише
коли учень сам може будувати або усвідомлено відшукувати різноманітні
моделі, можна говорити про досягнення мети навчання моделюванню.
Так, в останньому російському виданні педагогічної енциклопедії
моделювання розглядається у двох аспектах: як зміст, який учні повинні
засвоїти, і як навчальну дію, засіб, без якого унеможливлюється
повноцінне навчання. Моделювання є методом дослідження об’єктів на їх
моделях-аналогах і одноразово – побудовою і вивченням моделей реально
існуючих предметів і явищ, конструйованих об’єктів (4, 580-581).
Отже, моделювання в процесі розгляду НФЗ повинне бути представлено всіма
своїми сторонами, не тільки як метод дослідження реально існуючих
фізичних об’єктів і явищ на їх моделях-аналогах (сформульованих,
готових, “зовнішніх” для суб’єкта навчання задачах як знакових моделях),
але одноразово і побудовою та вивченням таких моделей (самостійним
складанням, постановкою, формулюванням “внутрішніх” для суб’єкта
навчання фізичних задач).
Таким чином, модельне подання навчальних фізичних задач у середній школі
дозволяє:
а) показати пізнаванність навколишнього реального світу, поступове
наближення до істини шляхом динамічної цілеспрямованої зміни модельних
уявлень і моделей, що лежать в основі задач;
б) актуалізувати на практиці навчання розв’язуванню і складанню задач
гносеологічний цикл пізнання;
в) показати діалектичну обмеженість моделей-гіпотез і наших образних
уявлень про фізичні явища і об’єкти за конкретної інтерпретації
розглядуваної задачі;
г) створити можливість на прикладі розв’язування НФЗ актуалізації і
вивчення не лише певної системи фізичних понять і законів, а й в повному
обсязі елементів і структури фізичних теорій у їх генезі;
д) використовувати модельні конструкти не лише на стадії статичного
опису задачі, але й на стадії її динамічного перетворення у ході
постановки задачі і її підзадач та наступного розв’язання у вигляді
ланцюжка мислених моделей. Моделі і процес їх побудови (моделювання) є
одночасно і засобом унаочнення, усвідомлення задачі і методом її
постановки (складання) і розв’язку;
е) розглянути різні варіанти генетичного визначення поняття НФЗ в
учінні, в онтогенезі.
Дуже часто спрощені умови та обмеження формулюються у самій задачі, але
інколи вони присутні в задачі у прихованому або неявному вигляді.
Наприклад ( № 213 із шкільного збірника ( 5 )):
* Знайти висоту підйому і дальність польоту сигнальної ракети, випущеної
зі швидкістю 40 м/с під кутом 60( до горизонту. (У примітці до параграфа
шкільного збірника додатково читаємо: “При розв’язуванні задач цього
параграфа опором повітря нехтувати. Дальність польоту відраховувати у
горизонтальному напрямі”).
Ця задача вже використовує готові ідеалізації, одна з них, що накладає
умову нехтування опором повітря, спрощує розв’язок, але досить багато
інших тільки маються на увазі. Перелічимо лише деякі з них: прискорення
вільного падіння у всіх точках траекторії ракети вважається постійним: g
= 9,8 м/с2 = const; прискорення вільного падіння на Землі не залежить
від географічних координат і висоти над рівнем моря місця події;
ракетниця і ракета приймаються за матеріальну точку; не враховується
обертання Землі навколо власної осі; не враховується рух Землі навколо
Сонця і т.д.
gd:HAe
язками і взаємодіями: коли, за яких умов тим чи іншим зв’язком або
взаємодією можна знехтувати, а за яких не можна? Це питання він пов’язує
з методом аналізу фізичної задачі та методом оцінки. “…Внаслідок
ідеалізації і спрощення фізики розглядають замість реального фізичного
явища його схематичну модель. Як правило, у моделі реального фізичного
явища відтворюється головне, основне, враховуються тільки суттєві
зв’язки і взаємодії і замість реальних тіл розглядаються різні ідеальні
об’єкти. Дуже часто успіх розв’язування тієї чи іншої фізичної задачі
або проблеми залежить від того, наскільки вдало вибрана ця модель” (1 ,
12).
Отже, можна стверджувати, що такий підхід до ідеальних об’єктів і
моделей у структурі задачі, що є за своїм змістом традиційним в методиці
розв’язування фізичних задач, по-перше, є розрізненим і “застиглим”,
нединамічним: ідеальні об’єкти і моделі розглядаються окремо, в той час
як ідеальні об’єкти – це не що інше як результат моделювання: ідеальні
моделі (матеріальна точка, абсолютно тверде тіло, абсолютно пружне тіло
і т.п.); по-друге: моделі, як результат моделювання, автори збірників
фізичних задач використовують у відриві від процесу моделювання у
діяльності учня під час навчання: моделі входять до системи готових
вихідних “фундаментальних” понять, а метод їх отримання – моделювання
цілеспрямовано не виокремлюється, хоча і застосовується в його
конкретизаціях. До останніх відносяться загальні і окремі (часткові)
методи розв’язування задач.
Виходячи з поліаспектності та поліфункціональності використання моделей
під час розв’язування і складання фізичних задач (яких, як правило,
нараховується під час розв’язування задачі у загальному випадку кілька),
стає цілком зрозумілим, що моделювання паралельно з застосуванням як
загальнонаукового методу, може бути одночасно конкретизоване в інших
проявах, де вже відіграватиме роль способу чи навіть засобу. Можливо з
погляду на це треба погодитися з висновком С.Є.Каменєцького та
В.П.Орєхова про те, що наш час не можна звести всі способи розв’язування
фізичних задач до обмеженого числа, їх різноманіття не дає можливості це
зробити, врахувавши позицію авторів фактичного нерозмежування методів і
способів розв’язку фізичних задач (3, 28). Наша класифікація системи
способів розв’язування і складання навчальних фізичних задач, де в
основі є науковий метод моделювання подана на рисунку (рис. 1).
Розглянемо можливе використання комп’ютерного моделювання під час
розв’язування задач з теми “Тіло, кинуте під кутом до горизонту” для 9
класу. У відповідності із заданим фізичним та математичним операторами
задачі, що відтворюються у машинній програмі, ПЕОМ відтворює траекторії
тіла (матеріальної точки) для різних кутів до лінії горизонту з
довільним кроком (мінімальний складає 1() у діапазоні від +90( до -90(.
На цій основі вчитель робить висновок про загальну характеристику опису
механічного руху в аналітичній формі для цікавих окремих підзадач (тіло
кинуте горизонтально, тіло кинуте вертикально і т.п.). Спочатку у
загальному аналітичному вигляді знаходяться характеристики траекторії
(дальність, висота, час польоту і т.п.) за умови узагальненої постановки
задачі. Потім наводяться і розв’язуються випадки для окремих підзадач,
розглядаються аналогічні і обернені задачі до вихідної підзадачі,
самостійне складання окремих із них (подолання перешкоди по горизонталі
під час кидання тіла під кутом до горизонту; перешкоди по вертикалі на
заданій відстані по горизонталі і т.п.) із наступною можливою графічною
перевіркою на дисплеї комп’ютера (комп’ютерний експеримент) або за
допомогою безпосереднього фізичного експерименту з допомогою
балістичного пістолета і т.п. Ускладнений варіант самостійної постановки
і розв’язування задачі полягає у випадку знаходження екстремума змінної
шуканої величини (дальність польоту, висота польоту) у залежності від
значення кута кидання (дослідження задачі); розгляду випадку на похилій
площині і т.п.
Вихідна фізична модель, на якій базується розглянутий приклад, може
змінюватися, ставати більш адекватною реальності. Так, після отримання
результату в 45( для максимальної дальності польоту, вчитель може
повідомити, що насправді в артилерії користуються іншими параметрами (на
кілька градусів більше). Чому? Відповідь на це запитання приводить до
побудови більш адекватної фізичної моделі реального процесу з
урахуванням сили опору повітря. Остання є розвитком попередньої
узагальненої задачі, предметом дослідження балістики і потребує для
своєї реалізації більш потужних математичних операторів із застосуванням
обчислювальної техніки.
Література
Беликов Б.С. Решение задач по физике. Общие методы.- М.: Высш. школа,
1986.
Бурсиан Э.В. Задачи по физике для компьютера. – М.: Просвещение, 1991.
Каменецкий С.Е., Орехов В.П. Методика решения задач по физике в средней
школе. – М.: Просвещение, 1987.
Российская педагогическая энциклопедия: В 2-х т./Гл.ред. В.В.Давыдов.-
М.: 1993.- Т.1.
Рымкевич А.П., Рымкевич П.А. Сборник задач по физике для 8-10 классов
средней школы.- М.: Просвещение, 1983.
СПОСОБИ РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ФІЗИЧНИХ ЗАДАЧ
ФІЗИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ (ТЕОРЕТИЧНЕ)
ФІЗИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ (ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЕ)
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ
ВЕКТОРНЕ
КООРДИНАТНЕ
Рисунок 1.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
