Введение - Компьютерное моделирование физических процессов и явлений, как метод научного познания

Важнейшей задачей преподавания физики, является формирование личности, способной ориентироваться в потоке информации в условиях непрерывного образования. Осознание общечеловеческих ценностей возможно только при соответствующем познавательном, нравственном, этическом и эстетическом воспитании личности. В связи с этим первую цепь можно конкретизировать более частными целями: воспитание в процессе деятельности положительного отношения к науке вообще и к физике в частности; развитие интереса к физическим знаниям, научно - популярным статьям, жизненным проблемам. Физика является основой естествознания и современного научно - технического прогресса, что определяет следующие конкретные цели обучения: осознание роли физики в науке и производстве, воспитание экологической культуры, понимание нравственных и этических проблем, связанных с физикой.

В настоящее время исследования ученых убедительно показали, что возможности людей, которых обычно называют талантливыми, гениальными - не аномалия, а норма. Задача заключается лишь в том, чтобы раскрепостить мышление человека, повысить коэффициент его полезного действия, наконец, использовать те богатейшие возможности, которые дала ему природа, и о существовании которых многие подчас и не подозревают. Поэтому особо остро в последние годы стал вопрос о формировании общих приемов познавательной деятельности.

Познавательный интерес - избирательная направленность личности на предметы и явления окружающие действительность. Эта направленность характеризуется постоянным стремлением к познанию, к новым, более полным и глубоким знаниям. Систематически укрепляясь и развиваясь познавательный интерес становится основой положительного отношения к учению. Познавательный интерес носит поисковый характер. Под его влиянием у человека постоянно возникают вопросы, ответы на которые он сам постоянно и активно ищет. При этом поисковая деятельность совершается с увлечением, он испытывает эмоциональный подъем, радость от удачи. Познавательный интерес положительно влияет не только на процесс и результат деятельности, но и на протекание психических процессов - мышления, воображения, памяти, внимания, которые под влиянием познавательного интереса приобретают особую активность и направленность.

Одним из способов развития познавательного интереса является компьютерное моделирование физических процессов и явлений.

Абстрактное моделирование с помощью компьютеров - вербальное, информационное, математическое - в наши дни стало одной из информационных технологий, в познавательном плане исключительно мощной. Изучение компьютерного математического моделирования открывает широкие возможности для осознания связи информатики с математикой и другими науками - естественными и социальными.

Говоря о математических моделях, имеется в виду сугубо прикладной аспект. В современной математике есть достаточно формализованный подход к понятию "математическая модель". Внутри него вполне допустимо игнорировать вопрос о связи математики с реалиями физического мира. В этом подходе моделями являются, например, система целых чисел, система действительных чисел, евклидова геометрия, алгебраическая группа, топологическое пространство и т. д. К исследованию таких формальных моделей вполне можно подключить компьютеры, но все равно это останется "чистой" математикой.

Компьютерное математическое моделирование в разных своих проявлениях использует практически весь аппарат современной математики.

С понятием "модель" мы сталкиваемся с детства. Игрушечный автомобиль, самолет или кораблик для многих были любимыми игрушками, равно как и плюшевый медвежонок или кукла. В развитии ребенка, в процессе познания им окружающего мира, такие игрушки, являющиеся, по существу, моделями реальных объектов, играют важную роль. В подростковом возрасте для многих увлечение авиамоделированием, судомоделированием, собственноручным созданием игрушек, похожих на реальные объекты, оказало влияние на выбор жизненного пути.

Что же такое модель? Что общего между игрушечным корабликом и рисунком на экране компьютера, изображающим сложную математическую абстракцию? И все же общее есть: и в том, и в другом случае мы имеем образ реального объекта или явления, "заместителя" некоторого "оригинала", воспроизводящего его с той или иной достоверностью и подробностью. Или то же самое другими словами: модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования.

Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование вначале этой модели. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода.

В моделировании есть два заметно разных пути. Модель может быть похожей копией объекта, выполненной из другого материала, в другом масштабе, с отсутствием ряда деталей. Например, это игрушечный кораблик, самолетик, домик из кубиков и множество других натурных моделей. Модель может, однако, отображать реальность более абстрактно - словесным описанием в свободной форме, описанием, формализованным по каким-то правилам, математическими соотношениями и т. д.

Компьютерные модели позволяют пользователю управлять поведением объектов на экране монитора, изменяя начальные условия экспериментов, и проводить разнообразные физические опыты. Некоторые модели позволяют наблюдать на экране монитора, одновременно с ходом эксперимента, построение графических зависимостей от времени ряда физических величин, описывающих эксперимент. Видеозаписи натурных экспериментов делают обучение более привлекательным и позволяют сделать занятия живыми и интересными.

Актуальность темы дипломной работы

Дипломная работа посвящена исследованию особенностей, принципов компьютерного моделирования физических процессов и явлений, как важного метода в научном познании.

Насыщенность учебных заведений современной вычислительной техникой еще не приводит к большим переменам в образовании, если преподаватель не подготовлен ни психологически, ни профессионально к внедрению ЭВМ в его жизнь.

В результате исследовательской работы автора дипломной работы оказалось, что в настоящее время накоплен большой опыт применения вычислительной техники в физических исследованиях, выработаны общие методические подходы решения основных физических проблем и можно констатировать факт, что сложился новый предмет - вычислительная физика, которая составной частью современной физики наряду с общей физикой и теоретической физикой и входит в стандарт образования по физики.

Основным методом исследования вычислительной физики является компьютерный эксперимент, теоретической базой которого служит математическое моделирование, а экспериментальной базой - ЭВМ.

Компьютерное моделирование интегрирует такие предметы, как теоретическая физика, численный анализ и программирование.

На сегодняшний день в процессе преподавания физики очень многие важные явления и опыты не могут быть реализованы в виде демонстраций в силу их сложности, а их объяснение требует от преподавателя больших "художественных возможностей". Именно поэтому появилась тенденция создания компьютерных программ для моделирования подобных процессов. Теперь преподаватель, заранее подобрав исходные данные, может по ходу объяснения демонстрировать все возможные варианты развития процесса, не затрачивая массу времени на приемлемое изображение установки, самого эксперимента, сопутствующих графиков.

Кроме того, такие программы могут быть также использованы в лабораторном практикуме с дополнительными заданиями разного уровня сложности, а в совокупности с прилагаемыми описаниями и для самостоятельного изучения материала.

Цели дипломной работы

Целями дипломной работы являлись:

    1. исследование особенностей, принципов и способов компьютерного моделирования физических процессов и явлений, моделируемых процессов на предмет получения конечных аналитических решений, пригодных для создания на их основе демонстрационных программ, а в случае их отсутствия построение алгоритмов решения на основе численных методов; 2. исследование и ознакомление с компьютерными программами, используемых для создания компьютерных физических моделей 3. создания лабораторных работ на основе разработанных программ и ряда разноуровневых заданий к ним;

Научная и практическая ценность

В работе проведен теоретический анализ исследуемых процессов и приведен пример ряда моделирующих программ.

Как теоретические результаты, так и компьютерные программы дипломной работы могут быть использованы в процессе изучения физики в различных учебных заведениях и при самостоятельном изучении данного материала.

Краткое содержание и структура

Структура дипломной работы состоит из титульного листа, задания дипломной работы, календарного плана, содержания, введения, девяти разделов, заключения, приложения, содержит 74 страниц машинописного текста, 3 рисунка-схемы, список литературы включает 34 наименования и 6 используемых сайта в Интернет.

Во Введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель, излагается краткое содержание работы по главам и перечисляются результаты, являющиеся новыми. Кроме того, говорится о реализации и апробации проделанной работы.

Раздел 1 дипломной работы посвящен Математическому моделированию физических процессов

Раздел 2 посвящен описанию использования современных информационно-коммуникационных технологий.

В Разделе 3 рассматриваются методы фиксации работы по компьютерному моделированию

В Разделе 4 дипломной работы описываются этапы и цели компьютерного моделирования физических процессов.

Раздел 5 посвящен освящению принципов компьютерного моделирования

В Разделе 6 говорится об особенностях компьютерного моделирования

Раздел 7 посвящен использованию компьютерных моделей на уроках физики в школе

В Разделе 8 приведены новые информационные технологии в преподавании физики.

Преимущества компьютерного моделирования по сравнению с экспериментом приведены в Разделе 9.

О методике применения компьютерных моделей в школьном курсе физики говорится в Разделе 10 дипломной работы.

В Разделе 11 дипломной работы описываются возможности, достижения и перспективы использования компьютерного моделирования физических процессов и явлений в целях научного познания.

Заключение посвящено подведению итогов проделанной работы.

В Приложении приводятся необходимый материал к дипломной работе.

Похожие статьи




Введение - Компьютерное моделирование физических процессов и явлений, как метод научного познания

Предыдущая | Следующая