Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИНТЕГРАЦИЯ ЦЕЛЕЙ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ В ДИСЦИПЛИНЕ "ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА" В ПЕДВУЗЕ

Бобров П.П. 1
1 ФГБОУ ВПО "Омский государственный педагогический университет Минобрнауки России"
Отмечены недостатки школьного физического образования студентов-первокурсников педвузов: неумение работать с учебниками, отсутствие навыков самостоятельной работы, неумение решать уравнения с одним неизвестным и др. В условиях сокращения учебного времени, отводимого на изучение физики, на физическом факультете педвуза предлагается дисциплины компьютерно-информационного цикла "Информационные технологии" и "Вычислительная физика" проводить параллельно изучению разделов общей физики и в содержании этих дисциплин максимально возможным образом вводить решение физических задач из соответствующих разделов общей физики. Приведена возможная тематика решаемых задач и моделирования физических процессов, параллельно изучаемых в курсе общей физики. Предполагается, что таким образом удастся повысить мотивацию изучения физики и достичь более глубокого проникновения в суть изучаемых проблем. Содержание практических занятий дисциплины "Вычислительная физика" разработано с использованием программного продукта MS Excel.
оптимизация учебного процесса
компьютерное моделирование
вычислительная физика
физико-математическое образование
1. Бобров П.П. Компьютерное моделирование и анализ данных с помощью MS Excel : учеб. пособ. - Омск : Изд-во ОмГПУ, 2009. - 93 с.
2. Бобров П.П. Применение табличного процессора MS Excel для изучения метода Монте-Карло // Информатика и образование. - 2009. - № 12. - С. 54-58.
3. Бояринцев В.И., Самарин А.Н., Фионова Л.К. Разгром науки и деградация образования - угроза безопасности России [Электронный ресурс]. - URL: http://www.confstud.ru/content/view/44/2/ (дата обращения: 18.02.2012).
4. Кирьянов Д.В., Кирьянова Е.Н. Вычислительная физика. - М. : Полибук Мультимедиа, 2006. - 353 с.
5. Королев М.Ю. Методическая система обучения методу моделирования студентов естественно-научных и математических направлений подготовки в педвузах : автореф. дис. ... доктора пед. наук. - М., 2012. - 42 с.
6. Кунин С. Вычислительная физика : пер. с англ. - М. : Мир, 1992. - 518 с.
7. Мусаелян Л.А. Есть ли стратегия в российских реформах образования? // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 1 [Электронный ресурс]. - URL: www.science-education.ru/101-5512 (дата обращения: 18.02.2012).
8. Переслегин С. Проблемы школьного образования и мышление молодёжи (о деградации российского образования) [Электронный ресурс]. - URL: http://www.treko.ru/show_article_789 (дата обращения: 18.02.2012).

 

Модернизация экономики страны невозможна без модернизации физико-математического и естественно-научного образования. В настоящее время наметилась тенденция несоответствия между достижениями педагогики и теории обучения и уровнем подготовки выпускников школ и вузов. К сожалению, значительная часть инноваций внедрена в практику без должного научного обеспечения и дает, как правило, отрицательный эффект [7]. Конечно, имеются элитные школы и вузы, на базе которых, по-видимому, и отрабатываются инновационные педагогические приемы. Похвальное желание сравнить уровень подготовки в разных регионах с помощью ЕГЭ привело к фактическому снижению этого уровня, так как систематическое обучение заменилось банальным натаскиванием. Разные авторы, сходясь во мнении о существовании процесса деградации образования, объясняют его разными причинами [3; 8].

Наиболее болезненным образом ситуация отразилась на наборе на естественно-научные факультеты педвузов - кузницы кадров образования.. На естественно-научные специальности (исключая, может быть, географию) в последние десятилетия наблюдается низкий конкурс и низкие проходные баллы. Причиной этого является трудность учебы и невысокая востребованность на рынке труда за пределами системы образования. У значительной части студентов-первокурсников отсутствуют простейшие навыки самостоятельной работы: они не умеют работать с учебниками, не могут решать алгебраические уравнения с одним неизвестным, не могут быстро оценивать численный результат решения задач. У них слабо развита память. Они не помнят основных законов физики, изучаемых в школе. Многие не помнят содержания занятий, прошедших несколько дней назад, а после каникул практически ничего не помнят из содержания дисциплин, по которым были сданы экзамены. Все это сопровождается плохим знанием русского языка и недостаточно развитой речью.

Свой «вклад» в дело снижения квалификации учителей вносит и система высшего педагогического образования. Переход на двухуровневую систему «бакалавр - магистр» сопровождался снижением объема часов, отводимых на физико-математическую подготовку. В ГОСах третьего поколения число аудиторных занятий в магистратуре уменьшено ровно в два раза под благовидным предлогом увеличения объема самостоятельной работы. При стипендии, в несколько раз меньшей прожиточного минимума, студент потратит освободившееся время понятно на какие цели.

В сложившейся ситуации у преподавателей вузов есть весьма скромные возможности для предотвращения катастрофического упадка физико-математической подготовки будущих учителей.

Одним из возможных способов углубления знаний по физике является интегрирование целей и содержания компьютерных дисциплин и курса общей физики. Мотивация изучения дисциплин с помощью компьютера, как правило, выше, чем изучения физики в традиционном ключе. В связи с этим в учебном плане бакалавриата по направлению «педагогическое образование» (профиль «физика») предлагается параллельное изучение дисциплин компьютерного цикла и общей физики (табл. 1)

Таблица 1 - Распределение дисциплин компьютерного и физического циклов по семестрам (в скобках указано число зачетных единиц, отводимых на дисциплину)

Семестр

1

2

3

4

5

6

7

Разделы курса общей физики

Введение в физику (4)

Меха-ника (8)

Молеку-лярная физика (9)

Электро-магне-тизм (9)

Оптика (9)

Атомная физика (6)

-

Разделы курса теоре-тической физики

-

-

Класси-ческая механика (4)

-

Электро-динамика (5)

Кванто-вая механи-ка (3)

Ядер-ная физи-ка (2)

Компью-терные дисци-плины

Информа-ционные технологии (2).

Обработка экспери-ментальных данных (3)

Инфор-маци-онные техно-логии (3)

Вычис-литель-ная физика (1)

Вычис-литель-ная физика (2)

Компью-терное модели-рование физиче-ских процессов (2)

Вычис-литель-ная физика (2)

-

Обычно курс «Вычислительная физика» нацелен главным образом на изучение вычислительных методов, при этом тематика решаемых задач определяется логикой изучения этих методов [4; 6] и не связана с содержанием параллельно изучаемых курсов общей и теоретической физики. В то же время в работе [5] отмечается, что необходимо осуществлять целенаправленный отбор учебного материала для обучения методу моделирования.

В предлагаемом нами варианте содержание дисциплин (вопросы теории, перечень решаемых задач и т.д.) распределяется между физикой и компьютерными дисциплинами с учетом особенностей и возможностей информационных технологий и времени, отведенного на изучение этих дисциплин. При этом процесс обучения становится более разнообразным и интересным. В лекционном курсе дисциплины «Вычислительная физика» рассматриваются численные методы и компьютерное моделирование, а тематика значительной части лабораторных работ связана с тематикой изучаемых в это время разделов физики.

Уровень сложности задач, решаемых с помощью компьютера, возрастает от простого к сложному. Изменяется также формулировка условий от жестко заданных с приведением всех необходимых данных до задач, в которых формулируется только цель, а все необходимые данные студент должен находить самостоятельно.

В первом семестре в курсе «Введение в физику» устраняются пробелы в знании школьного курса, выполняются простые лабораторные работы, а в рамках дисциплины «Обработка экспериментальных данных» устанавливаются простейшие умения работы с электронными таблицами (ввод данных с клавиатуры, импорт данных, сортировка данных, ввод, копирование и редактирование формул, устранение ошибок в формулах, построение графиков, простейшие методы статистического анализа данных). Эти умения закрепляются при обработке данных лабораторных работ, выполненных по дисциплине «Введение в физику».

Во втором семестре параллельно с разделом «Механика» нет специализированного вычислительного курса, однако по договоренности с преподавателями кафедры информатики в содержание дисциплины «Информационные технологии» включаются задачи с физическим содержанием.

В третьем семестре ввиду малого времени, отводимого на дисциплину «Вычислительная физика», в последней рассматриваются элементы статистики и регрессионного анализа. При этом сокращается время на изучение статистических распределений и некоторых вопросов термодинамики в разделе «молекулярная физика», поскольку задачи на распределение Максвелла-Больцмана и на термодинамические процессы решаются на компьютере.

В четвертом семестре в курсе «Вычислительная физика», проводимом параллельно разделу «Электромагнетизм», изучается работа с матрицами и комплексными числами, что позволяет на более высоком уровне решать задачи на разветвленные цепи постоянного тока, колебания и цепи переменного тока, исследуя не только амплитудные, но и фазовые характеристики, изучать поля систем зарядов и токов, движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

В пятом семестре проводится курс «Компьютерное моделирование физических процессов», где студенты знакомятся с основами технологии аналитического и имитационного моделирования процессов, изучаемых в разных разделах физики. Кроме того, численными методами решаются некоторые задачи оптики: сферическая и хроматическая аберрация линз; двухлучевая и многолучевая интерференция; расчет дифракции методом Френеля-Кирхгофа; отражение света от границ диэлектриков; дисперсия в полярных жидкостях.

В шестом семестре параллельно с разделом «Атомная физика» изучаются следующие задачи: моделирование теплового излучения, статистический смысл электромагнитной теории в применении к фотонам, моделирование опыта Резерфорда, решение уравнения Шредингера для частицы в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками, моделирование радиоактивного распада.

Базой для проведения дисциплины «Вычислительная физика» является приложение Excel из пакета Microsoft Office. MS Excel имеет все возможности для применения в математических, инженерных и научных расчетах: широкий набор инструментов и функций, включая специальные функции, функции для работы с комплексными числами, статистические функции и др. Конечно, в решении чисто научных задач Excel кое в чем уступает таким системам программирования высокого уровня, как Mathcag, Matlab или «Фортран», системам, специально созданным для инженерных и научных расчетов. К достоинствам Excel следует отнести весьма удобный, как говорят, «дружественный» пользовательский интерфейс и широкие графические возможности, простоту составления электронных таблиц и доступность функций программ. К тому же Excel распространен значительно шире и более доступен, чем упомянутые выше программные средства. А если учесть, что Excel имеет встроенный алгоритмический язык Visual Basic for Applications (VBA), его вполне можно применять не только для демонстрации принципов моделирования и обработки данных, но и для практической деятельности в этой области. Домашние компьютеры с установленным MS Office имеются сейчас почти у каждого студента, что значительно упрощает организацию самостоятельной работы студентов [1; 2].

В заключение отметим, что наполнение дисциплины «Вычислительная физика» задачами и моделями физических процессов, параллельно изучаемых в курсе физики, способствует повышению эффективности преподавания как вычислительных методов, так и физических законов, позволяет экономить учебное время на объяснении физики моделируемого процесса, позволяет углубить понимание физических законов в тех случаях, когда математическая формулировка физических явлений является громоздкой и с трудом поддается аналитическому анализу, позволяет использовать повышенную мотивацию, связанную с изучением возможностей компьютеров для изучения физики.

Рецензенты

  • Лапчик М.П., д. пед. н., профессор, проректор по информатизации Омского государственного педагогического университета, г. Омск.
  • Суровикина С.А., д. пед. н., доцент, зав. кафедрой теории и методики преподавания физики Омского государственного педагогического университета, г. Омск.

Библиографическая ссылка

Бобров П.П. ИНТЕГРАЦИЯ ЦЕЛЕЙ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ В ДИСЦИПЛИНЕ "ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА" В ПЕДВУЗЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=5870 (дата обращения: 05.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074