РАЗРАБОТКА ДЕМОНСТРАЦИОННОГО И ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «МАЯТНИК ГОРЕЛИКА»
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Методика и технологии разработки цифровых образовательных 8 ресурсов для курса общей физики
1.1 Обзор методики и технологии разработки виртуальных и натурных 8 лекционных демонстраций по физике
1.2 Обзор методики и технологии использования облачных сервисов 10 для разработки лекционных демонстраций по физике
2 Обзор методики преподавания механических колебаний 16
3 Применение маятника Горелика в лекционных демонстрациях и 28 виртуальных лабораторных работах
3.1 Маятник Г орелика 30
3.2 Демонстрация закона сохранения механической энергии с помощью 32 маятника Горелика
3.3 Демонстрация фигур Лиссажу с помощью маятника Горелика 43
3.4 Лабораторные работы с использованием маятника Горелика 50
4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
5 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 58
Приложение А 62
Приложение Б 66
Приложение В 75
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Методика и технологии разработки цифровых образовательных 8 ресурсов для курса общей физики
1.1 Обзор методики и технологии разработки виртуальных и натурных 8 лекционных демонстраций по физике
1.2 Обзор методики и технологии использования облачных сервисов 10 для разработки лекционных демонстраций по физике
2 Обзор методики преподавания механических колебаний 16
3 Применение маятника Горелика в лекционных демонстрациях и 28 виртуальных лабораторных работах
3.1 Маятник Г орелика 30
3.2 Демонстрация закона сохранения механической энергии с помощью 32 маятника Горелика
3.3 Демонстрация фигур Лиссажу с помощью маятника Горелика 43
3.4 Лабораторные работы с использованием маятника Горелика 50
4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
5 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 58
Приложение А 62
Приложение Б 66
Приложение В 75
Одно из центральных мест в курсе физики занимает закон сохранения механической энергии. Существует огромное количество учебных задач, специально разработанных так, что наиболее простое и методически правильное их решение строится на основе законов сохранения. Для лабораторных практикумов разработано огромное количество работ на экспериментальную проверку факта сохранения механической энергии и импульса. Для сопровождения теоретических занятий разработаны специальные лекционные демонстрации, подтверждающие закон сохранения механической энергии (маятник Галилея, маятник Максвелла).
Практика преподавания физики в школе показывает, что у учащихся имеются существенные проблемы формирование полного правильного понимания закона сохранения механической энергии. Как показывают результаты разных форм государственной итоговой аттестации школьников, большая их часть считает, что «потенциальная энергия переходит в кинетическую». Такое представление потенциально неверно. В этом случае вместо правильного понимания факта постоянства полной механической энергии формируется представление о том, что уменьшение кинетической энергии приводит к увеличению потенциальной, и наоборот. Для решения этой проблемы в контрольно-измерительные материалы школьных экзаменов все чаще включают сложные задачи на применение закона сохранения механической энергии. В таких задачах кинетическая энергия рассматривается вместе с потенциальной энергией в поле тяжести, потенциальной энергией деформированной пружины, потенциальной энергией в электрическом поле. Такие задачи используют понятие консервативных сил, что разрушает сознание у учащихся об устойчивой ассоциации «потенциальная энергия равна mgh». Если учащиеся будут правильно понимать, что формула потенциальной энергии существенно зависит от вида консервативной силы, то соблазн использовать формулировку «потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию» будет все меньше и меньше. Для достижения этого результата необходимо рассматривать задачи, в которых одновременно используется выражение для потенциальных энергий, соответствующих разным консервативным силам.
В данной работе предложено развитие указанного подхода с помощью разработки лабораторных и демонстрационных экспериментов, в которых также одновременно используется выражение для потенциальной энергии в поле тяжести и потенциальной энергии деформируемой пружины. В школьном курсе физики широко используется в качестве демонстрационных и лабораторных экспериментов маятник Галилея и пружинный маятник. Для описания движения первого из них используется только потенциальная энергия в поле силы тяжести. Пружинный (горизонтальный) маятник для описания своего движения требует только потенциальной энергии деформированной пружины. В данной работе было предложено в учебном процессе маятника Горелика, который включает в себя в качестве частных случаев маятник Галилея и вертикальный пружинный маятник.
Маятник Горелика традиционно используется в качестве демонстрационного и лабораторного эксперимента в курсе общей физики. В нашей работе впервые было предложено использовать его в школьном курсе физики для экспериментальной проверки закона сохранения механической энергии. Поскольку маятник Горелика представляет собой систему с двумя степенями свободы (взаимно перпендикулярных), то его легко можно приспособить для демонстрации фигур Лиссажу с широким набором отношения частот и сдвигом фаз.
1. Методика и технологии разработки цифровых образовательных ресурсов для курса общей физики
1.1. Обзор методики и технологии разработки виртуальных и натурных лекционных демонстраций по физике
Наука - сфера исследовательской деятельности, которая направлена на получение и обработку новых знаний в различных областях нашей жизни. В курсе общей физики неотъемлемой частью обучения является показ лекционных демонстраций. Они представляют собой вид учебной деятельности, целью которого является качественное доказательство физических законов или закономерностей. Чтобы осуществить данную цель, необходимо выполнить ряд основных задач, главной из которых является наглядность. При показе демонстрации можно воспользоваться различным оборудованием: штативы, подставки, экран (белый, чёрный, цветной), теневое проецирование, указатели, индикаторы и так далее. Следующей задачей является адекватность демонстрации. Это означает, что выбранная модель, которая будет демонстрироваться на лекции должна соответствовать закону или закономерности. Третьей задачей является однозначность трактовки выбранного эксперимента. А также можно выделить ещё одну задачу, последнюю, — эргономичность.
Исходя из этого, ещё совсем недавно преподаватели и обучающиеся не могли представить, что в какой-то момент не только вживую можно будет продемонстрировать тот или иной эксперимент . Всё чаще, наряду с новостями о росте доллара и различных катастрофах можно услышать о новом открытии в мире науки, которое не использовало бы компьютер или иное устройство. Нельзя забывать, что буквально на днях весь мир на некоторое время перешёл на «онлайн» формат. И даже в этом случае потребность в демонстрации физического эксперимента никуда не исчезла. Нельзя не согласиться, что окончательно натурный эксперимент невозможно заменить виртуальным. Но с развитием информационных технологий, все больше и больше можно увидеть результаты эксперимента на мониторе различных информационных устройств.
Действительно, если внедрить как натурный, так и виртуальный демонстрационный эксперимент в структуру лекции, то такой приём в учебном процессе даёт дополнительные возможности. Во-первых, улучшается восприятие материла: в любом виртуальном эксперименте может присутствовать сколь угодно обширная, динамическая и интерактивная графическая информация. Во-вторых, повышается качество организации учебного процесса. Помимо всего, современные технологии позволяют наглядно продемонстрировать процесс, пронаблюдать его и сделать корректные выводы, которые в натурном эксперименте в лабораторных условиях реализовать трудно. Тем самым у виртуальных лекционных демонстраций можно выделить ряд преимуществ.
Во-первых, отсутствует необходимость приобретения дорогостоящего оборудования. Во многих учебных заведениях есть небольшое финансирование или вовсе оно отсутствует. Из-за этого нет возможности закупить хорошее современное оборудование для демонстрации экспериментов или проведения лабораторных работ. Преподаватели и обучающиеся используют устаревшее оборудование, которое возможно искажает результат эксперимента или не выдаёт его совсем.
Во-вторых, безопасность, которая является немаловажным плюсом использования виртуальных демонстраций в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями или химическими веществами.
В-третьих, экономность времени и ресурсов. Компьютер позволяет быстро и качественно посчитать и обработать результаты эксперимента. Также применять данный формат при ведении занятий дистанционно, что на сегодняшний день, как никогда, актуально.
Обобщая все вышеперечисленное, можно прийти к выводу, что интерактивная и гибкая среда «онлайн» обучения может дать студентам более глубокое концептуальное понимание в изучении физики. Виртуальные демонстрационные и лабораторные эксперименты имеют возможность сэкономить время и деньги, как для студентов, так и для университета, поскольку они сокращают часы присутствия в университете в реальной лаборатории.
1.2 Обзор методики и технологии использования облачных сервисов для разработки лекционных демонстраций по физике
Система образования - это живой организм, которое изменяется в соответствии с запросами общества. На рынке образовательных услуг востребовано не только основное общее образование, но и альтернативные формы и виды получения профессиональных компетенций, которые предлагают современные технологии. Одной из таких являются облачные технологии. Они внесли достаточно большие коррективы в нашу жизнь. В них передана большая часть информации, которая ранее хранилась на устройствах.
Сам термин «облачные технологии» или «облачные вычисления» (cloud computing), который появился в середине нулевых годов и означает технологию распределенной обработки данных, в которой компьютерные ресурсы и мощности предоставляются пользователю как интернет-сервис [1 - 3]. Данная технология предполагает хранение данных, а также
их удаленную обработку. Её принцип заключается в том, что со стороны пользователя требуется лишь наличие выхода в интернет и браузер для просмотра хранилища.
Одна из первых облачных технологий, которая была использована в европейских образовательных центрах - электронная почта. Крупные корпорации предоставляли бесплатный доступ не только сотрудникам учебных заведений, но и студентам, что намного облегчало образовательный процесс. Сегодня на рынке существует большое количество хранилищ, например: iCloud, OneDrive, Яндекс.Диск, Google Drive, Dropbox и другие. Работа с хранилищами осуществляется пользователем через синхронизацию устройств или web-интерфейс таким образом, что папка или просто файл в системе устройства пользователя имеет такое же содержимое в облаке и не зависит от того, какое устройство используется для просмотра или редактирования данных. Также достаточно популярны облачные офисы, различные редакторы, в том числе графические: Adobe Photoshop, GIMP, Krita, Photofiltre, Paint.NET и так далее [4 - 5].
Сегодня многие ведущие компании пользуются таким сервисом, потому что это достаточно удобно и экономично. Исключением не стали и образовательные организации, в том числе и высшие учебные заведения, которые используют облачную инфраструктуру в образовательном процессе. Широко применяются приложения, электронные учебники, электронные дневники, личные кабинеты обучающихся и преподавателей, электронная почта, электронные учебно-методические комплексы, виртуальные лаборатории и так далее. При внедрении такого формата решается достаточно много вопросов. Прежде всего, происходит улучшение образовательного процесса, задействование новых методик и форм обучения. Это очень популярно среди тех образовательных центров, которые используют дистанционный формат обучения, так как нет возможности обеспечить каждого обучающегося лицензионным программным обеспечением для внеаудиторных занятий. Тем самым, работая с помощью облачных сервисов, нет необходимости закупать дорогостоящее оборудование и все то, что с ним связано. Так же одним из ведущих критериев является возможность одновременно работать над одним документом нескольким пользователям.
Внедряя такую технологию в учебный процесс, в том числе и в лекционную часть, можно заметить отличительную особенность сочетания современной методики преподавания с традиционным классическим приемом обучения. Поэтому на лекциях часто используются современные лекционные демонстрации, наряду с классическими демонстрационными экспериментами. Их разделяют на два типа: модельные и количественные [3, 6].
Многообразие явлений природы, в частности физических процессов, является совокупностью множества факторов, под которыми происходят те или иные взаимодействия на макро - и микроуровнях. Каждый из процессов имеет своё математическое описание, а существенное наличие внешних факторов делает его точное описание затруднительным или невозможным, переводя ожидаемые результаты в область вероятностных событий. Исходя из этого очевидно, что для полноты изучения, а также получения достоверных результатов, каждое изучаемое явление должно описываться своей отработанной, с требуемым качеством, моделью. Считается, что самое первое слово «модель» (от латинского слова modus, modulus - мера, образец, способ и другие) появилось в строительном искусстве, а именно архитектуре, и подразумевалось, как масштаб, в котором выражались все пропорции здания. В дальнейшем значение слово стало означать образец или прообраз, по которому что-либо создаётся. На сегодняшний день, моделью можно называть упрощённую копию изучаемого объекта, процесса или явления, которая отражает только требуемые его черты. Разработка модели заканчивается в процессе тщательного сравнения результатов проведения натурного эксперимента с математическим описанием при воздействии различных внешних факторов. Одним из вариантов построения моделей являются различные конструкторы, которые позволяют моделировать физические явления и проводить эксперименты по различным областям физики. Конструктор виртуального моделирования - программа, которая без программирования позволяет создать компьютерную математическую модель физического процесса с использованием заранее заданных визуальных инструментов [7]. Любой конструктор можно использовать не только в классе, но и в домашних условиях. В данный момент существуют различные конструкторы, такие как:
• Interactive Physics - позволяет моделировать плоские задачи механики, но обладает недостаточно обширным набором инструментов визуализации;
• Yenka Science - позволяет моделировать электрические и оптические явления; в качестве недостатка можно указать относительно высокую стоимость и отсутствие локализации;
• AlgoDoo - позволяет исследовать механические явления,
но обладает недостаточно развитым графическим интерфейсом;
• Физический конструктор 2.0 - позволяет моделировать широкий класс явлений, в том числе молекулярную физику; распространяется компанией 1С; обладает высокой стоимостью; очень редко встречается;
Каждый из конструкторов привязан к своей программно-аппаратной платформе и требует установки соответствующего приложения на устройство пользователя. Для того чтобы избавиться от этого недостатка, следует использовать облачный сервис.
Существует много облачных сервисов, с помощью которых можно моделировать физические явления и процессы, доступ к которым осуществляется только через web-браузер. Также некоторые из них трудны для освоения и использования. Среди широкого разнообразия таких сервисов существуют как бесплатные: SAGEmath (www.sagemath.org), Scilab (www.scilab.org), Wolfram Cloud (www.wolframcloud.com), так и платные: MATHLAB (www.mathworks.com), MapleCloud (https://maple.cloud). Из всех предложенных сервисов, наиболее сложным для изучения с нуля является Scilab. Язык программирования встроенный в этот сервис является бесплатным аналогом MATHLAB, поэтому обладает высокой скоростью исполнения, но при этом достаточно сложным синтаксисом. Кроме этого недостатком Skilab является плохо проработанный графический интерфейс пользователя (рисунок 1).....
Практика преподавания физики в школе показывает, что у учащихся имеются существенные проблемы формирование полного правильного понимания закона сохранения механической энергии. Как показывают результаты разных форм государственной итоговой аттестации школьников, большая их часть считает, что «потенциальная энергия переходит в кинетическую». Такое представление потенциально неверно. В этом случае вместо правильного понимания факта постоянства полной механической энергии формируется представление о том, что уменьшение кинетической энергии приводит к увеличению потенциальной, и наоборот. Для решения этой проблемы в контрольно-измерительные материалы школьных экзаменов все чаще включают сложные задачи на применение закона сохранения механической энергии. В таких задачах кинетическая энергия рассматривается вместе с потенциальной энергией в поле тяжести, потенциальной энергией деформированной пружины, потенциальной энергией в электрическом поле. Такие задачи используют понятие консервативных сил, что разрушает сознание у учащихся об устойчивой ассоциации «потенциальная энергия равна mgh». Если учащиеся будут правильно понимать, что формула потенциальной энергии существенно зависит от вида консервативной силы, то соблазн использовать формулировку «потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию» будет все меньше и меньше. Для достижения этого результата необходимо рассматривать задачи, в которых одновременно используется выражение для потенциальных энергий, соответствующих разным консервативным силам.
В данной работе предложено развитие указанного подхода с помощью разработки лабораторных и демонстрационных экспериментов, в которых также одновременно используется выражение для потенциальной энергии в поле тяжести и потенциальной энергии деформируемой пружины. В школьном курсе физики широко используется в качестве демонстрационных и лабораторных экспериментов маятник Галилея и пружинный маятник. Для описания движения первого из них используется только потенциальная энергия в поле силы тяжести. Пружинный (горизонтальный) маятник для описания своего движения требует только потенциальной энергии деформированной пружины. В данной работе было предложено в учебном процессе маятника Горелика, который включает в себя в качестве частных случаев маятник Галилея и вертикальный пружинный маятник.
Маятник Горелика традиционно используется в качестве демонстрационного и лабораторного эксперимента в курсе общей физики. В нашей работе впервые было предложено использовать его в школьном курсе физики для экспериментальной проверки закона сохранения механической энергии. Поскольку маятник Горелика представляет собой систему с двумя степенями свободы (взаимно перпендикулярных), то его легко можно приспособить для демонстрации фигур Лиссажу с широким набором отношения частот и сдвигом фаз.
1. Методика и технологии разработки цифровых образовательных ресурсов для курса общей физики
1.1. Обзор методики и технологии разработки виртуальных и натурных лекционных демонстраций по физике
Наука - сфера исследовательской деятельности, которая направлена на получение и обработку новых знаний в различных областях нашей жизни. В курсе общей физики неотъемлемой частью обучения является показ лекционных демонстраций. Они представляют собой вид учебной деятельности, целью которого является качественное доказательство физических законов или закономерностей. Чтобы осуществить данную цель, необходимо выполнить ряд основных задач, главной из которых является наглядность. При показе демонстрации можно воспользоваться различным оборудованием: штативы, подставки, экран (белый, чёрный, цветной), теневое проецирование, указатели, индикаторы и так далее. Следующей задачей является адекватность демонстрации. Это означает, что выбранная модель, которая будет демонстрироваться на лекции должна соответствовать закону или закономерности. Третьей задачей является однозначность трактовки выбранного эксперимента. А также можно выделить ещё одну задачу, последнюю, — эргономичность.
Исходя из этого, ещё совсем недавно преподаватели и обучающиеся не могли представить, что в какой-то момент не только вживую можно будет продемонстрировать тот или иной эксперимент . Всё чаще, наряду с новостями о росте доллара и различных катастрофах можно услышать о новом открытии в мире науки, которое не использовало бы компьютер или иное устройство. Нельзя забывать, что буквально на днях весь мир на некоторое время перешёл на «онлайн» формат. И даже в этом случае потребность в демонстрации физического эксперимента никуда не исчезла. Нельзя не согласиться, что окончательно натурный эксперимент невозможно заменить виртуальным. Но с развитием информационных технологий, все больше и больше можно увидеть результаты эксперимента на мониторе различных информационных устройств.
Действительно, если внедрить как натурный, так и виртуальный демонстрационный эксперимент в структуру лекции, то такой приём в учебном процессе даёт дополнительные возможности. Во-первых, улучшается восприятие материла: в любом виртуальном эксперименте может присутствовать сколь угодно обширная, динамическая и интерактивная графическая информация. Во-вторых, повышается качество организации учебного процесса. Помимо всего, современные технологии позволяют наглядно продемонстрировать процесс, пронаблюдать его и сделать корректные выводы, которые в натурном эксперименте в лабораторных условиях реализовать трудно. Тем самым у виртуальных лекционных демонстраций можно выделить ряд преимуществ.
Во-первых, отсутствует необходимость приобретения дорогостоящего оборудования. Во многих учебных заведениях есть небольшое финансирование или вовсе оно отсутствует. Из-за этого нет возможности закупить хорошее современное оборудование для демонстрации экспериментов или проведения лабораторных работ. Преподаватели и обучающиеся используют устаревшее оборудование, которое возможно искажает результат эксперимента или не выдаёт его совсем.
Во-вторых, безопасность, которая является немаловажным плюсом использования виртуальных демонстраций в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями или химическими веществами.
В-третьих, экономность времени и ресурсов. Компьютер позволяет быстро и качественно посчитать и обработать результаты эксперимента. Также применять данный формат при ведении занятий дистанционно, что на сегодняшний день, как никогда, актуально.
Обобщая все вышеперечисленное, можно прийти к выводу, что интерактивная и гибкая среда «онлайн» обучения может дать студентам более глубокое концептуальное понимание в изучении физики. Виртуальные демонстрационные и лабораторные эксперименты имеют возможность сэкономить время и деньги, как для студентов, так и для университета, поскольку они сокращают часы присутствия в университете в реальной лаборатории.
1.2 Обзор методики и технологии использования облачных сервисов для разработки лекционных демонстраций по физике
Система образования - это живой организм, которое изменяется в соответствии с запросами общества. На рынке образовательных услуг востребовано не только основное общее образование, но и альтернативные формы и виды получения профессиональных компетенций, которые предлагают современные технологии. Одной из таких являются облачные технологии. Они внесли достаточно большие коррективы в нашу жизнь. В них передана большая часть информации, которая ранее хранилась на устройствах.
Сам термин «облачные технологии» или «облачные вычисления» (cloud computing), который появился в середине нулевых годов и означает технологию распределенной обработки данных, в которой компьютерные ресурсы и мощности предоставляются пользователю как интернет-сервис [1 - 3]. Данная технология предполагает хранение данных, а также
их удаленную обработку. Её принцип заключается в том, что со стороны пользователя требуется лишь наличие выхода в интернет и браузер для просмотра хранилища.
Одна из первых облачных технологий, которая была использована в европейских образовательных центрах - электронная почта. Крупные корпорации предоставляли бесплатный доступ не только сотрудникам учебных заведений, но и студентам, что намного облегчало образовательный процесс. Сегодня на рынке существует большое количество хранилищ, например: iCloud, OneDrive, Яндекс.Диск, Google Drive, Dropbox и другие. Работа с хранилищами осуществляется пользователем через синхронизацию устройств или web-интерфейс таким образом, что папка или просто файл в системе устройства пользователя имеет такое же содержимое в облаке и не зависит от того, какое устройство используется для просмотра или редактирования данных. Также достаточно популярны облачные офисы, различные редакторы, в том числе графические: Adobe Photoshop, GIMP, Krita, Photofiltre, Paint.NET и так далее [4 - 5].
Сегодня многие ведущие компании пользуются таким сервисом, потому что это достаточно удобно и экономично. Исключением не стали и образовательные организации, в том числе и высшие учебные заведения, которые используют облачную инфраструктуру в образовательном процессе. Широко применяются приложения, электронные учебники, электронные дневники, личные кабинеты обучающихся и преподавателей, электронная почта, электронные учебно-методические комплексы, виртуальные лаборатории и так далее. При внедрении такого формата решается достаточно много вопросов. Прежде всего, происходит улучшение образовательного процесса, задействование новых методик и форм обучения. Это очень популярно среди тех образовательных центров, которые используют дистанционный формат обучения, так как нет возможности обеспечить каждого обучающегося лицензионным программным обеспечением для внеаудиторных занятий. Тем самым, работая с помощью облачных сервисов, нет необходимости закупать дорогостоящее оборудование и все то, что с ним связано. Так же одним из ведущих критериев является возможность одновременно работать над одним документом нескольким пользователям.
Внедряя такую технологию в учебный процесс, в том числе и в лекционную часть, можно заметить отличительную особенность сочетания современной методики преподавания с традиционным классическим приемом обучения. Поэтому на лекциях часто используются современные лекционные демонстрации, наряду с классическими демонстрационными экспериментами. Их разделяют на два типа: модельные и количественные [3, 6].
Многообразие явлений природы, в частности физических процессов, является совокупностью множества факторов, под которыми происходят те или иные взаимодействия на макро - и микроуровнях. Каждый из процессов имеет своё математическое описание, а существенное наличие внешних факторов делает его точное описание затруднительным или невозможным, переводя ожидаемые результаты в область вероятностных событий. Исходя из этого очевидно, что для полноты изучения, а также получения достоверных результатов, каждое изучаемое явление должно описываться своей отработанной, с требуемым качеством, моделью. Считается, что самое первое слово «модель» (от латинского слова modus, modulus - мера, образец, способ и другие) появилось в строительном искусстве, а именно архитектуре, и подразумевалось, как масштаб, в котором выражались все пропорции здания. В дальнейшем значение слово стало означать образец или прообраз, по которому что-либо создаётся. На сегодняшний день, моделью можно называть упрощённую копию изучаемого объекта, процесса или явления, которая отражает только требуемые его черты. Разработка модели заканчивается в процессе тщательного сравнения результатов проведения натурного эксперимента с математическим описанием при воздействии различных внешних факторов. Одним из вариантов построения моделей являются различные конструкторы, которые позволяют моделировать физические явления и проводить эксперименты по различным областям физики. Конструктор виртуального моделирования - программа, которая без программирования позволяет создать компьютерную математическую модель физического процесса с использованием заранее заданных визуальных инструментов [7]. Любой конструктор можно использовать не только в классе, но и в домашних условиях. В данный момент существуют различные конструкторы, такие как:
• Interactive Physics - позволяет моделировать плоские задачи механики, но обладает недостаточно обширным набором инструментов визуализации;
• Yenka Science - позволяет моделировать электрические и оптические явления; в качестве недостатка можно указать относительно высокую стоимость и отсутствие локализации;
• AlgoDoo - позволяет исследовать механические явления,
но обладает недостаточно развитым графическим интерфейсом;
• Физический конструктор 2.0 - позволяет моделировать широкий класс явлений, в том числе молекулярную физику; распространяется компанией 1С; обладает высокой стоимостью; очень редко встречается;
Каждый из конструкторов привязан к своей программно-аппаратной платформе и требует установки соответствующего приложения на устройство пользователя. Для того чтобы избавиться от этого недостатка, следует использовать облачный сервис.
Существует много облачных сервисов, с помощью которых можно моделировать физические явления и процессы, доступ к которым осуществляется только через web-браузер. Также некоторые из них трудны для освоения и использования. Среди широкого разнообразия таких сервисов существуют как бесплатные: SAGEmath (www.sagemath.org), Scilab (www.scilab.org), Wolfram Cloud (www.wolframcloud.com), так и платные: MATHLAB (www.mathworks.com), MapleCloud (https://maple.cloud). Из всех предложенных сервисов, наиболее сложным для изучения с нуля является Scilab. Язык программирования встроенный в этот сервис является бесплатным аналогом MATHLAB, поэтому обладает высокой скоростью исполнения, но при этом достаточно сложным синтаксисом. Кроме этого недостатком Skilab является плохо проработанный графический интерфейс пользователя (рисунок 1).....
В результате данной работы была разработана компьютерная интерактивная модель «Маятника Горелика». В её основе лежит математическая модель, включающая в себя два обыкновенных дифференциальных уравнения. Следует обратить внимание, что уравнения не были линеализированы. Выбранная технология разработки модели позволяет легко построить численное решение даже нелинейных дифференциальных уравнений. Для доступа к интерактивной модели пользователю необходим только web-браузер и любое устройство с любой операционной системой.
На основе компьютерной интерактивной модели предложено несколько лекционных демонстраций по двум тематикам: закон сохранения механической энергии и фигуры Лиссажу. Целевой аудиторией разработанных материалов являются школьники старших классов. Поэтому, кроме демонстрационных экспериментов, были разработаны три лабораторные работы. Две из них нацелены на экспериментальную проверку закона сохранения механической энергии, а последняя посвящена исследованию фигур Лиссажу. Все эксперименты были апробированы на уроках физики со школьниками 9-11 классов. При выполнении лабораторных работ школьники выполняли отчеты в рукописном виде в рабочих тетрадях. Анализ нескольких десятков отчетов позволяет сказать, что максимальная относительная погрешность измерения не превышала 15%, что вполне приемлемо для учебного лабораторного практикума. Максимальное отличие значений получаемых учениками от истинных значений, рассчитанных в математической модели, не превышает 20%. Полученные учениками значения с учетом погрешностей измерения позволяют сделать вывод о справедливости закона сохранения механической энергии.
Использование маятника Горелика на уроках физики позволяет, в рамках одной экспериментальной задачи, рассматривать потенциальную энергию, как в поле силы тяжести, так и деформированной пружины. Это способствует формированию правильного понимания понятия потенциальной энергии. Как только ученик узнает, что математических выражений для потенциальной энергии существует несколько, то неправильная формулировка «потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию» забывается. Предложенные нами виртуальные эксперименты способствуют формированию полного правильного понимания закона сохранения механической энергии. Именно это является основным результатом данной работы.
На основе компьютерной интерактивной модели предложено несколько лекционных демонстраций по двум тематикам: закон сохранения механической энергии и фигуры Лиссажу. Целевой аудиторией разработанных материалов являются школьники старших классов. Поэтому, кроме демонстрационных экспериментов, были разработаны три лабораторные работы. Две из них нацелены на экспериментальную проверку закона сохранения механической энергии, а последняя посвящена исследованию фигур Лиссажу. Все эксперименты были апробированы на уроках физики со школьниками 9-11 классов. При выполнении лабораторных работ школьники выполняли отчеты в рукописном виде в рабочих тетрадях. Анализ нескольких десятков отчетов позволяет сказать, что максимальная относительная погрешность измерения не превышала 15%, что вполне приемлемо для учебного лабораторного практикума. Максимальное отличие значений получаемых учениками от истинных значений, рассчитанных в математической модели, не превышает 20%. Полученные учениками значения с учетом погрешностей измерения позволяют сделать вывод о справедливости закона сохранения механической энергии.
Использование маятника Горелика на уроках физики позволяет, в рамках одной экспериментальной задачи, рассматривать потенциальную энергию, как в поле силы тяжести, так и деформированной пружины. Это способствует формированию правильного понимания понятия потенциальной энергии. Как только ученик узнает, что математических выражений для потенциальной энергии существует несколько, то неправильная формулировка «потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию» забывается. Предложенные нами виртуальные эксперименты способствуют формированию полного правильного понимания закона сохранения механической энергии. Именно это является основным результатом данной работы.
