Введение 3
Глава 1. Факультативные курсы в современной школе 6
1.1. Факультативные курсы - форма работы с учащимися 6
1.2. Цели и задачи факультативных курсов 10
1.3. Структура программы факультативного курса 12
Глава 2. Основные сведения об атомистическом моделировании 14
2.1. Методы моделирования физических процессов на атомном уровне 14
2.2. Программы для моделирования 18
Глава 3. Разработка факультативного курса «Основы атомистического моделирования» 21
3.1. Связь факультативного курса со школьной программой 21
3.2. Программа факультативного курса «Основы атомистического
моделирования» 23
3.3. Пример разработки занятия 28
Заключение 43
Библиографический список 45
Приложение 1. Конспекты уроков 53
Актуальность исследования. Наука в современном своём виде невозможна без компьютерного моделирования. Это связано со многими причинами, такими как дороговизна эксперимента или физическая невозможность его провести. Именно в таких случаях на помощь приходит моделирование физического процесса на компьютере. Современное развитие электронно-вычислительных средств позволило выделить данные методы в отдельную группу и добиться результатов, мало отличающихся от эксперимента.
Огромное развитие компьютерное моделирование получило в физике, изучающей процессы, проходящие на атомном уровне, так как прямые наблюдения таких явлений чрезвычайно затруднены, а иногда и невозможны. В настоящее время эта область науки активно развивается ввиду востребованности новых материалов и технологий их получения.
Компьютерное моделирование является неотъемлемым элементом школьной программы по информатике, так же как молекулярная физика всегда изучается школьниками, однако в обоих случаях уровень знаний получаемый учащимися недостаточен для появления у них интереса к передовым исследованиям в данных областях. А вовлечение школьников в наукоёмкую работу не может не отразиться благотворно на их уровне подготовки и образования, а также может повлиять на профессиональное самоопределение.
С данной задачей и призван справляться наш факультативный курс.
Объект исследования: учебный процесс по физике и информатике в старших классах общеобразовательной школы
Предмет исследования: организация факультативных курсов по информатике и физике в старших классах общеобразовательной школы.
Исходя из актуальности, объекта и предмета работы нами была сформулирована цель исследования: разработка содержания факультативного курса «Основы атомистического моделирования» для учащихся старших классов
На основании цели были выдвинуты следующие задачи:
1. проанализировать учебно-методическую литературу по тематике исследования;
2. рассмотреть роль и место факультативных курсов в процессе обучения учащихся старших классов;
3. выявить возможности программного пакета LAMMPS в компьютерном моделировании и методические особенности работы с пакетом, разработать примеры моделей физических процессов с помощью данного пакета молекулярной динамики;
4. разработать программу и содержание занятий факультативного курса «Основы атомистического моделирования» для учащихся старших классов;
5. провести апробацию факультативного курса «Основы атомистического моделирования»
Методы исследования: анализ литературных и интернет источников по исследуемой теме, обобщение, классификация, компьютерное моделирование физических явлений.
Практическая значимость: разработанные учебно-методические материалы (программа факультативного курса, разработки занятий, модели) могут использоваться в учебном процессе общеобразовательной школы.
Работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы.
Во введении обосновывается выбор темы дипломной работы, определяются цель, объект, предмет, задачи, показывается её практическая значимость.
В первой главе рассматриваются: факультативные курсы, их особенности, цели, задачи и виды.
Во второй главе приводятся некоторые сведения необходимые для понимания принципов моделирования процессов на атомном уровне, а также рассматриваются программные средства, реализующие такое моделирование.
В третьей главе содержится анализ действующих учебников по информатике и физике для старших классов средней школы, приведено сравнение их содержания с содержанием факультативного курса. В данной главе приведена программа факультативного курса «Основы атомистического моделирования» и пример занятия. Также представлена апробация материалов дипломной работы.
В заключении обобщены результаты исследования.
В данной работе нами были разработаны методические материалы по моделированию атомных процессов методом молекулярной динамики и ab initio методами.
Целью исследования была разработка содержания факультативного курса «Основы атомистического моделирования» для учащихся старших классов.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
Анализ литературы показал, что компьютерное моделирование занимает важное место в курсе информатики, однако не нацелено на решение научных задач и дальнейшее профессиональное применение. Углубление школьного курса позволит расширить спектр возможностей выпускника школы, а также может поспособствовать его профессиональному самоопределению.
Ознакомившись с характеристиками программных пакетов LAMMPS и Quantum ESPRESSO, командами их управления и методами моделирования мы пришли к выводу что данные программные пакет позволяют исследовать широкий спектр моделей и решать задачи, которые невозможно решать посредством натурного эксперимента.
В ходе практической работы нами была разработана программа факультативного курса «Основы атомистического моделирования». Было разработано поурочное планирование и содержание занятий данного курса.
Факультативный курс способствует созданию и развитию у учащихся научного мировоззрения, пониманию межпредметных связей между физикой и информатикой, приобретению навыков полезных в своей будущей профессиональной деятельности. Практическая значимость данного курса состоит в том, что он может быть включен в систему факультативных курсов для учащихся старших классов.
Работа прошла апробацию:
1. Публикация ряда статей в центральных рецензируемых изданиях.
2. Участие в региональных, всероссийских и международных конференциях.
