DOI: 10.17586/2226-1494-2017-17-2-201-214


УДК 53.072.127, 371.693

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗВИТИЯ ИНДИВИДУАЛИЗИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИИ МИНИ-ИССЛЕДОВАНИЙ В КУРСАХ МЕХАНИКИ

Чирцов А. С., Никольский Д. Ю., Брильянтов В. А., Ванькович И. В.


Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Чирцов А.С., Никольский Д.Ю., Брильянтов В.А., Ванькович И.В. Использование физического объектно-ориентированного моделирования для развития индивидуализированного обучения и организации мини-исследований в курсах механики // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 2. С. 201–214. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-2-201-214

Аннотация

Предмет исследования. Рассмотрен относительно простой метод создания интерактивных электронных моделей физических систем,не требующий программирования и автоматической генерации численных моделей сложных физических систем. Создаваемые учебные модели доступны для использования через Интернет и допускают практически неограниченное on-lineредактирование пользователями. Обсуждены варианты использования создаваемых электронных моделей для сопровождения массового индивидуализированного обучения и организации самостоятельных учебно-научных исследований учащихся. Метод. В основу разработки положен оригинальный метод физического объектно-ориентированного моделирования, являющийся приложением традиционных идей объектно-ориентированного программирования к задачам построения и настройки численных моделей относительно сложных физических систем. В его рамках компьютерная модель физической системы строится как совокупность программных объектов, моделирующих поведение составляющих ее относительно обособленных физических элементов - частиц и полей. Взаимодействия между элементами модели описываются с помощью самоадаптирующихся алгоритмов, выбор которых задается при построении модели в зависимости от используемого физического приближения – классического или релятивистского. Использованный подход не требует априорных представлений о характере временной эволюции рассматриваемой физической системы и составления системы дифференциальных уравнений, описывающих эту систему как целое. Основные результаты. Проверка работоспособности метода и правильности реализации алгоритмов поведения базовых объектов осуществлялась на тестовых моделях, временная эволюция которых допускает аналитическое описание. Разработанный конструктор обеспечил возможность серийной автоматизированной разработки интерактивных моделей-демонстраций по основным разделам курсов механики, изучаемых в средних и высших учебных заведениях. В состав электронных сборников многоуровневых мультимедийных ресурсов для сопровождения преподавания механики вошло более 150 оригинальных интерактивных моделей. Апробирована возможность использования электронного конструктора как основы для проведения учащимися самостоятельной поисковой работы по исследованию физических свойств сложных механических систем, анализ которых выходит за рамкистандартных программ по физике и математике. Продемонстрированы эвристические возможности создаваемых с помощью электронного конструктора моделей. Показана их применимость для изучения динамики сложных систем, априорный качественный анализ поведения которых не самоочевиден, а аналитический расчет временной эволюции затруднен или невозможен. Практическая значимость. Созданное средство автоматизации разработки интерактивных электронных образовательных ресурсов для учебного моделирования позволяет обеспечить решение актуальных задач электронного сопровождения массового индивидуализированного предметного многоуровневого обучения физике и развития активных творческих форм обучения, включающих элементы научного исследования.


Ключевые слова: численное моделирование, объектно-ориентированное программирование, объектно-ориентированное моделирование, классическая механика, релятивистская механика, автоматизация обучения, индивидуализированное обучение, исследовательская работа учащихся

Список литературы
 1.     Бобович А.В., Космачев В.М., Чирцов А.С. Интеграция информационных технологий в образование // Компьютерные учебные программы и инновации. 2001. №3. С. 39–56.
2.     Бутиков Е.И., Чирцов А.С. Законы движения макроскопических тел. Пакет обучающих и демонстрационных программ по курсу общей физики // Труды III Международной конф. Model-OrientedDataAnalysis. Санкт-Петербург. 1992. Ч. 2. С. 27.
3.     Чирцов А.С. Пакет обучающих программ по теме: “Движение заряженных частиц в силовых полях”: конструирование физических систем и моделирование процессов на компьютере // Труды Международной конференции “Физика в системе современного образования”. Петрозаводск, 1995. С. 244.
4.     Марек В.П., Чирцов А.С. Использование компьютерных технологий и моделирования для приближения лабораторных работ к научным исследованиям // Компьютерные инструменты в образовании. 2014. №1. С. 44–59.
5.     Джонсон Д., Джонсон Р., Джонсон Э. Методы обучения: Обучение в сотрудничестве. СПб.: Экономическая школа, 2001. 253 с.
6.     Мухина С.А., Соловьева А.А. Современные инновационные технологии обучения. М.: ГЭОТАР- Медиа, 2008. 360 с.
7.     Буланова-Топоркова М.В. Педагогика и психология высшей школы. Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. 544 с.
8.     Селевко Г.К. Энциклопедия образовательных технологий. М.: НИИ школьных технологий, 2006. Т. 1. 816 с.
9.     Князева О.Н. Конструктивное взаимодействие преподавателей и студентов как фактор повышения качества обучения в вузе: дис. … канд. пед. наук. Воронеж, 2011. 212 с.
10.  Панина Т.С., Вавилова Л.Н. Современные способы активизации обучения. М.: Академия, 2006. 176 с.
11.  Дмитриева Е.Л., Тиняков О.А., Бурдастых Е.Н.,Малышева Н.С. Применение интерактивных методов в образовательном процессе // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 1. С. 239–249.
12.  Butikov E.I. Spring pendulum with dry and viscous damping // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2015. V. 20. P. 298–315.
13.  Butikov E.I. Regular Keplerian motions in classical many-body systems // European Journal of Physics. 2000. V. 21. N 5. P. 465–482. doi: 10.1088/0143-0807/21/5/313
14.  Козел С.М., Орлов В.А., Кавтарева А.Ф. Открытая физика 2.5. Электронный курс. М.: Физикон, 2002. 250 с.
15.  InteractivePhysics[Электронный ресурс]. 2010. URL: http://interactivephysics.design-simulation.com/IP/index.php(дата обращения 15.02.17).
16.  LabVeiw. [Электронный ресурс]. 2010. URL: http://www.labview.ru(дата обращения 15.02.17).
17.  Живая физика. [Электронный ресурс]. URL: http://www.int-edu.ru/content/zhivaya-fizika-43-virtualnaya-fizicheskaya-laboratoriya(дата обращения 15.02.17).
18.  Бандин Д.В., Мухин О.И. Виртуальна физика [Электронный ресурс]. 2010. URL: http://stratum.ac.ru/rus/products/vphysics/page8.html(дата обращения 15.02.17).
19.  Crocodile Physics [Электронный ресурс]. 2009. URL: http://www.crocodile-clips.com(дата обращения 15.02.17).
20.  Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Математическое моделирование в картинках или рисуем поведение динамических систем с помощью "MODELVISION" // Компьютерные инструменты в образовании. 1999. №5. С. 45–52.
21.  Баяндин Д.В., Мухин О.И. Модельный практикум и интерактивный задачник по физике на основе системы STRATUM 2000 // Компьютерные учебные программы. 2002. № 3. С. 28–37.
22.  Электричество и магнетизм. Оптика и волны. Виртуальные лаборатории ЕНКА [Электронный ресурс]. URL: http://www.int-edu.ru/content/elektrichestvo-i-magnetizm-optika-i-volny-virtualnye-laboratorii-enka(дата обращения 15.02.17).
23.  Монахов В.В., Кожедуб А.В., Евстигнеев Л.А., Стафеев С.К. Конструкторы виртуальных лабораторных работ по физике на основе среды BARSIC // Труды VIII междунар. конф. ФССО-05. С. 577–579.
24.  Чирцов А.С. Новые подходы к созданию электронных конструкторов виртуальных физических моделей с простым удаленным доступом // Компьютерные инструменты в образовании. 2010. №6. С. 42–56.
25.  Weisfeld M. The Object-Oriented Thought Process. 4th ed. Addison-Wesley, 2013. 336 p.
26.  Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. 3-еизд. М.: Наука, 1967. 368 с.
27.  Gamma E., Helm R., Johnson R., Vlissides J. Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. Oregon, 1994. 395 p.
28.  Колесов Ю.Б. Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем. СПб.: СПбГПУ, 2004. 239 с.
29.  Труб И.И. Объектно-ориентированное моделирование на С++. СПб.: Изд-во Питер, 2006. 416 с.
30.  Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Моделирование систем. Объектно-ориентированный подход. СПб.: БХВ Петербург, 2012. 185 с.
31.  Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Основы применения. Полное руководство пользователя. М.: СОЛОН-Пресс,2003. 576 с.
32.  Jeandel A., Boudaud F. Physical system modelling languages: from ALLAN to Modelica // Building Simulation'97, IBPSA Conference. Prague, 1997.
33.  Карпов Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 403 с.
34.  Микушев В.М., Чайковская О.М., Чирцов А.С. Использование физического объектно-ориентированного моделирования в МООС по механике. Томск: НТЛ, 2015. 36 с.
35.  Чирцов А.С. Физическое объектно-ориентированное моделирование в курсах механики. LAPLAMBERTAcademicPublishing, 2015. 148 c.
36.  Моклев В.В., Чирцов А.С. Вариант использования компьютерного моделирования физических систем для организации самостоятельной исследовательской работы студентов младших курсов // Современное образование: содержание, технологии, качество. 2014. Т. 1. С. 153–154.
37.  Абутин М.В., Колинько К.П., Чирцов А.С. Серия электронных сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность». Старшеклассникам о гравитации // Компьютерные инструменты в образовании. 2004. №6. С. 3–16.
38.  Абутин М.В., Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов А.С. Серия электронных сборников «Физика: модель, эксперимент, реальность». Использование возможностей мультимедиа и информационных технологий для поддержки преподавания курса оптики // Вестник СПбГУ. 2005. №2. С. 104–110.
39.  Чирцов А.С. Концепции современного естествознания. СПб.: Бельведер, 2002. 280 с.
40.  Чирцов А.С. Гравитация: развитие взглядов от Ньютона до Эйнштейна [Электронный ресурс]. 2016. URL: https://www.youtube.com/channel/UCnJpbR9H110msdbkwhyokWQ (дата обращения 15.02.17).
41.  Sychov S.V., Chirtsov A.S. Automation of creation of educational content for a courses of physics and chemistry for mass inividualised education // Science and Society. 2016. №2. P. 34–47.
42.  Бобович А.В., Космаев В.М., Чирцов А.С. Интеграция информационных технологий в образование // Компьютерные учебные программы и инновации. 2001. №3. С. 39–56.
43.  Чирцов А.С., Абутин М.В., Марек В.П., Микушев С.В. Новые варианты использования информационных и мультимедийных технологий для реализации непрерывного высшего образования // Физическое образование в вузах. 2012. Т. 18. № 1. С. 109–125.
44.  Курашова С.А., Чирцов А.С., Колчанов А.А. и др. Организация интенсивного обучения углубленному курсу физики в бакалавриате Университета ИТМО для подготовки кадров для научно-ориентированных магистратур в проекте «5-100» //Современное образование: содержание, технологии, качество. 2016.Т.1.С. 161–163.
45.  Трифонов А.В., Курашова С.А., Чирцов А.С. Учебное мини-исследование особенностей движения классических и релятивистских частиц в электромагнитных полях // Современное образование: содержание, технологии, качество. 2016.Т.1.С.57–59.
46.  Чирцов А.С., Панин М.И. Анализ возможностей использования численных симуляций случайных процессов при моделировании нелокальной плазмы // Труды конференции Инновационные внедрения в области естественных и математических наук. Москва, 2017. Т. 1. С.56–64.
Chirtsov A.S., Mikushev V.M., Lebedeva E.V., Sychov S.V. Numerical simulation of glow discharge in air mixtures under low pressure conditions // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. N 24. P. 11836–11846.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика