Решение физических задач с помощью программирования

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №11»

Решение физических задач средствами компьютерного программирования

Подготовил:

Учитель физики

МБОУ СОШ № 11

Д.П.Трушов

с. Юца

2019 г.

Так как 21 век называют веком информационной цивилизации, то любой учитель, в том числе и учитель физики, должен формировать информационно- коммуникативную компетенцию, а значит, надо учить ребят умению получать информацию из различных источников, и из электронных тоже. А к услугам современного учителя множество информационных порталов, образовательных сайтов и мультимедийных курсов.

В современном естествознании физика является одной из лидирующих наук, она оказывает огромное влияние на различные отрасли науки, техники и производства. Физика является базовым предметом для технического образования после школы. Социальный спрос на технические специальности неуклонно возрастает, это требует качественной подготовки учащихся по предмету. Хорошие результаты в обучении физики можно получить применяя различные методы обучения. На уроках наиболее эффективный способ –это ученический физический эксперимент.

В практике обучения физике важное место занимает решение экспериментальных задач. Эксперимент является важнейшим элементом процесса обучения физике. Он выполняет  несколько  дидактических функций: повышает интерес к предмету, активизирует внимание  учащихся, способствует политехническому образованию. Исследовательская форма постановки учебного эксперимента является мощным средством развития интереса к предмету, подготовки учащихся к самостоятельной работе.                  Физический эксперимент должен быть краток по времени, лёгок в постановке и нацелен на усвоение и отработку конкретного учебного материала. Физический эксперимент позволяет органично связать практические  и теоретические проблемы курса физики в единое целое. В ходе эксперимента ученики принимают в работе активное участие. Это способствует развитию у школьников умений наблюдать, сравнивать, обобщать, анализировать и делать выводы. Эксперимент позволяет организовать самостоятельную деятельность учащихся, а так же развить практические умения и навыки. Опыт показывает, что проведение фронтальных лабораторных  работ, решение экспериментальных задач, выполнение кратковременного физического эксперимента эффективнее, чем ответы на вопросы или работа над упражнениями в учебнике.

Обучая учеников, я стал наблюдать понижение интереса к предмету, а вместе с этим понижение уровня знаний. Эту проблему я объяснил сложностью предмета, недостаточностью наглядного материала, отсутствием оборудования, дефицитом научной и дополнительной литературы. По сложности материала в старшем звене физика опережает даже математику и химию. Анкетирование, проведенное с учащимися 7- 11 классов, показало, что значительная часть учащиеся испытывают затруднения и теряют интерес к предмету, не реализуют свой творческий потенциал в полной мере. Современного ученика сегодня очень трудно чем-либо удивить. Стандартный комбинированный урок для них скучен, неинтересен.

Причины, которые ведут к потере интереса к освоению новых знаний при традиционном подходе к преподаванию:

- Применение традиционного обучения рассчитанного на увеличения информационного потока при ограниченном времени, не позволяющего полностью раскрыть учащимся свой творческий потенциал.

- Не в полной мере применяются элементы исследования, как важнейшего компонента при обучении физике, в лабораторных и практических работах: в виду недостаточности оборудования или упрощённости самой экспериментальной модели, затрат большого количества времени учащимися на расчет искомых величин и погрешностей измерений, невозможности многократного повторения эксперимента при различных параметрах и т.д.;

- Формальный подход к решению физических задач (решение их только на бумаги и невозможность проверки полученного результата на практике);

- Слабая оснащенность демонстрационным оборудованием из-за недостаточного финансирования;

- Невозможность показа некоторых физических экспериментов в условиях школы, в виду их дорогой стоимости или высокой опасности и т.д.;

Возникшие проблемы связаны и с бурно и непрерывно растущим объемом человеческих знаний. В условиях, когда каждые несколько лет объем информации удваивается, классический учебник и преподаватель неизбежно становятся поставщиками устаревших знаний. Но также я отметил и то, что число детей, умеющих пользоваться компьютером, стремительно растет.  Компьютер для учащихся - как источник получения новой информации и как инструмент интеллектуальной и в целом – познавательной деятельности. Поэтому основная задача современного педагога правильно преподнести учебную информацию. Такой процесс возможен только при использовании учителем новых технологий, которые позволяют сделать урок более наглядным, содержательным и более интересным для нынешнего поколения.

Но как давно подмечено, дети чаще всего используют компьютер только в «потребительском» смысле. Они играют, ищут готовую информацию в сети Интернет, смотрят видео. Созидательного элемента в работе с компьютером проявляется крайне мало, дети либо обрабатывают мультимедийную информацию, либо создают простые презентации и текстовые документы.

При этом доступный практически на каждом компьютере элемент офисного пакета для работы с таблицами (excel, calc, gnumeric) позволяют провести ряд серьезных расчетов по школьному курсу физики.

Одним из примеров использования мною табличного редактора, является поиск решения задачи на свободное падение тела. По заданным физическим величинам строится таблица дискретных значений координаты тела в определенные моменты времени. Далее с помощью диаграммы можно четко проиллюстрировать процесс движения тела.

Данная модель является довольно простой по своей сути, но она помогает разобраться в сущности процесса движения тела с ускорением свободного падения. По графику видно, как меняется пройденный путь телом за равные промежутки времени, а соответственно меняется скорость по величине и направлению. Также данная модель помогает объяснить тот факт, что при нахождении высоты тела нам приходиться решать квадратное уравнение, а соответственно получать два решения.

Кроме того, для того, чтобы ученику создать подобную модель, ему необходимо разобраться в формулах, описывающих данное явление. При таком подходе, ученик начинает на более глубоком уровне понимать происходящий процесс.

Для создания подобной модели ученик использует свои знания из предмета информатики. Здесь мы можем пронаблюдать метапредметную функцию информатики, что особенно актуально в связи с полным переходам среднего звена школы на ФГОС.

Рассмотрим еще один пример решения физической задачи с помощью компьютерных технологий, но уже с использованием языка программирования (Basic, Pascal, C++ и др.).

Перед учениками 10 класса ставится задача создания компьютерной модели для проверки формулы давления идеального газа. Так как это формула в своей основе имеет статистическое описание процесса хаотичного движения большого числа частиц, то для реализации модели на компьютере необходимо использовать метод Монте-Карло. При создании данной модели, ученик начинает понимать каковы границы применимости формулы, что подразумевается под статистическим распределением. А также совершенствует свои навыки в программировании.

Изучение метода Монте-Карло для решения ряда задач в программирование позволяют в впоследствии экстраполировать его на решение задач без применения персонального компьютера. Одним из примеров такой экстраполяции является задача по определению площади сложной фигуры. Ученику дается вырезанная из картона фигура «амеба», кусок картона, ряд различного измерительного оборудования и предлагается определить площадь данной фигуры. Первый распространенный способ решения данной задачи сводится к рассечению фигуры на клетки 0,5х0,5 см и дальше производится их подсчет. Другой способ является следствием метода Монте-Карло –когда фигура взвешивается на весах и сравнивается с массой листа картона, площадь которого найти легко из-за его прямоугольной формы. Далее решается обычная пропорция отношений массы к площади фигуры.

Сформировать навыки владения информационными и коммуникационными технологиями можно, только имея возможность каждому учащемуся работать самостоятельно. Самостоятельная работа учащихся - форма учебных занятий, повышающая эффективность процесса обучения физике. Одним из основных преимуществ программированного обучения является возможность большой экономии времени преподавателя и учащихся. Использование этой возможности предполагает, однако, очень чёткую организацию всей подготовки к выполнению заданий и результатов работы. И это применение обучающих программ хорошо организует самостоятельную работу.

Основная цель, которая ставится при решении задач, заключается в том, чтобы учащиеся глубже поняли физические закономерности, научились разбираться в них, применять их к анализу физических явлений, к практическим вопросам. Эти задачи не очень сложные, но они позволяют дополнительно обращаться к физическому материалу. При решении задач учащиеся должны уметь: определять принадлежность задачи к тому или иному типу, по заданным структурным формулам; составить структурных элементов, выявлять основные физические закономерности, по исходной структурной формуле воспроизводить физическую ситуацию; анализировать задачи. Практика показала: решение задач по физике с использованием компьютерных технологий дает уникальную возможность за счёт сочетания традиционных методов организации учебной деятельности, повысить эффективность урока, познавательную активность учащихся, мотивацию педагогов к повышению уровня педагогического мастерства и провести урок на качественно новом уровне. Гибкая и разнообразная структура заданий с выбором ответа открывает возможность осуществить эти процессы своевременно, при живом участии и повышенной активности учащихся