Введение. 3
Глава 1. Средства визуализации компьютерного эксперимента в физике 7
1.1. Виды визуализаций в различных областях физики 7
1.2. Программные средства визуализации и их основные свойства 11
1.3. Возможности и свойства пакета визуализации ParaView 18
Глава 2. Научные исследования школьников в области физики 25
2.1. Тематики исследований 25
2.2. Анализ достаточности пакета визуализации ParaView 29
2.3. Базовые функции и свойства пакета ParaView, необходимые для изучения школьниками 32
2.4. Методические приемы и рекомендации по освоению пакета ParaView школьниками 38
Заключение 47
Список использованной литературы 49
Приложение 51
Насколько современный мир технологичен, настолько и сложен. Мы сейчас полностью зависим от различного рода компьютеров, будь то простой калькулятор или какая то сложная технология VR (виртуальной реальности) или AR (дополненной реальности), позволяющая не только пользоваться различными приложениями, играми и прочими средствами развлечения, но и использовать это на благо - в образовании (для саморазвития или же как дополнительный инструмент при проведении учебных занятий), наглядная демонстрация явлений в науке (моделирование различного рода процессов – физических, химических или может даже биологических, которые невозможно провести в обычных условия ввиду их невыполнимости или опасности). К тому же, такие технологии могут находить и прикладное применение, например, при профессиональной подготовке людей, работающих в условиях потенциальной опасности (при подготовке кадров в МЧС используется виртуальное моделирование критической ситуации с целью проверки кадра на психологическую устойчивость и наблюдение за его поведением в данной ситуации). Все эти технологии используют хоть и моделирование с эффектной визуализацией, но все же в данных ситуациях используются абстрактные модели (модели, где некоторыми условиями можно пренебречь и как следствие упростить процесс моделирования ситуации и ее визуализации). Аналогичный пример из физики – модель идеального газа, модель «материальная точка» и пр. Но в некоторых ситуациях, особенно когда проводятся серьезные исследования в области физики, химии и смежных с ними прикладных науках, необходим полный учет всех условий, которые могут повлиять на результат. Например, в модели идеального газа пренебрегается взаимодействие между молекулами, хотя в реальном газе это взаимодействие играет немаловажную роль. Модель идеального газа была создана для упрощения, но теперь, когда существуют весьма мощные компьютеры и разработаны необходимые программные средства для такого «энергозатратного» моделирования, появилась возможность смоделировать не только кинетическую энергию молекул, но и потенциальную энергию их взаимодействия. Поэтому, особенно в последнее десятилетие, когда суперкомпьютеры перестали быть чем то недосягаемым и используются повсеместно во множестве прикладных областей наук, появилась возможность провести данные расчеты и показать, какие процессы происходят в том же реальном газе. Расчетных платформ в современной науке достаточное количество – OpenFOAM (пакет для моделирования задач механики сплошных сред), SALOME (пакет для работы с геометрией и сетками), LAMMPS (пакет для классической молекулярной динамики с применением моделирования до десятков миллионов атомов), NAMD (пакет для молекулярной динамики с применением моделирования до нескольких миллионов атомов) и т.д. К сожалению, все расчеты представляют процессы только математически – в виде чисел, функций и т.д. Чтобы увидеть все процессы наглядно (а зачастую в этом возникает необходимость), были созданы различные средства визуализации – софт, позволяющий визуализировать процессы, смоделированные и рассчитанные в одном из пакетов для расчетов. Программ для визуализации есть достаточное количество, но в основном практически любой пакет для расчетов по умолчанию поддерживает определенное средство визуализации – ParaView. ParaView может визуализировать практически любые вычисления, совершенные в почти всех известных на данный момент пакетах. К тому же, относительная простота в освоении данного софта делает его применимым не только в условиях научного эксперимента и научного моделирования, но и для любительского использования, а так же возможно его использование и в условиях школы учителями физики и химии. К тому же, если его рассматривать в отрыве от больших вычислений, сам пакет не требователен к компьютерному обеспечению и может применяться даже на не самых мощных машинах в условиях обычной школы. К тому же наглядная демонстрация каких-либо процессов, изучаемых в средней и старшей школе (например, упругие и неупругие столкновения, идеальный и реальный газ, рассмотрение электрических полей) повышает мотивацию обучающихся больше интересоваться наукой, разрушая стереотип о том, что наука – «скучная» вещь, при этом давая понимание о природе физических процессов и демонстрирует, как устроен наш мир и как в нем работают физические законы. Исходя из всего вышеперечисленного, актуальность данного исследования можно сформулировать следующим образом...
Визуализация как наглядное средство демонстрации физических явлений и процессов является одним из самых эффективных средств для понимания сути явлений и для понимания протекания различных физических процессов. Механика, молекулярная физика, электричество, термодинамика, магнетизм, атомная физика – в любом разделе найдется хотя бы одно явление, которое возможно визуализировать с помощью специальных программных средств. И если представить себя на месте обучающихся – использование визуализации при изучении какого-либо раздела физики делает сам процесс изучения более наглядным, а информацию, воспринятую с помощью визуальных средств, более запоминающуюся. И если углубиться дальше в изучение тех или иных явлений, перевести деятельность обучающихся в научно-исследовательскую область, то обучение уже обретает более прикладной характер, что самым наилучшим образом можно использовать не только для участия в различных конференциях и научных форумах, но и в будущем позволяет ученику сориентироваться в профессии и в выборе учебной программы уже на высшей ступени образования.
В результате исследования были выделены основные разделы курса физики старшей школы, в которых может применяться «высокоточная» визуализация. Так же был проведен анализ основных программ для визуализации результатов компьютерного физического эксперимента, в результате чего было выбрано программное средство под названием ParaView, и в качестве основной программы для визуализации в данной был выбран именно этот пакет.
Так же проведен анализ эффективных сфер применения ParaView, где был выявлен весьма обширный размер тематик, которые в той или иной степени поддерживаются данным визуализатором – начиная от демонстрации простейших геометрических фигур с различными плоскостями сечения и т.д. и заканчивая объемной визуализацией векторных полей и демонстрацией различный явлений из электричества, например, отрисовка линий тока и напряженности, поведения электрических зарядов, из молекулярной физики, таких как процессы в газах, приближенных к реальным, процессы обтекания жидкостью телом (гидродинамика) и т.д.
Применяя пакет для визуализации ParaView, взятый как основное средство для визуализации физических явлений в курсе физики старшей школы, можно прийти к выводу, что данное программное средство отлично подходит для визуализации явлений в молекулярной динамике, электричестве, физике твердого тела и в разделе «строение атома и элементарные частицы». К тому же, приняв во внимание тот факт, что данный визуализатор поддерживает большое количество входных форматов, его использование возможно при моделировании явлений в разделах гидро- и аэродинамика, демонстрация деформаций твердого тела, распределение напряженности и давления внутри тела и т.д.
В соответствии с подобранной тематикой физических процессов и явлений была создана инструкция по работе с данным программным средством, причем инструкция была оформлена как для работы со встроенными возможностями пакета, так и по подключению собственного формата данных VTK, для работы с уже более сложными и объемными данными.
В результате, на выходе мы получаем весьма гибкий инструмент, который, несмотря на то, что разработан он был в основном для визуализации результатов высокопроизводительных вычислений, имеется возможность использовать его и для «любительских» целей, в том числе для использования на домашний компьютерах, а не только на высокомощном железе. К тому же относительная простота в работе с данным визуализатором открывает возможности и перспективы для использования его учителями физики для организации научно-исследовательской деятельности по визуализации результатов компьютерного эксперимента по физике.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
