В работе представлены учебные компьютерные модели поперечных и продольных механических волн, которые позволяют наглядно продемонстрировать учащимся распространение таких волн в пространстве, а также различные волновые явления: отражение волны от препятствия, преломление волны, интерференцию волн.
Ключевые слова: модель, моделирование, учебные компьютерные модели, волновые явления, механические волны, поперечные волны, продольные волны, обучение физике.
Современная деятельность людей протекает в условиях использования сложного машинного оснащения и научно-технического прогресса [1, с. 7]. Это в определенной степени влияет на решение задач, стоящих перед школой на данном этапе развития общества [3]. Структура современного урока физики и используемые методы обучения иногда не обеспечивают нужной мыслительной деятельности учащихся. Это бывает связано с использованием целого ряда абстрактных понятий современной физики, непривычных для предметного способа мышления учащихся и не поддающихся конкретно-чувственному изображению [1, с. 10]. Поиск путей качественного улучшения организации учебного процесса приводит к созданию более эффективных методов обучения физике. Довольно часто это связано с увязыванием методики преподавания учебной дисциплины с методологией базисной науки. Эта методология подразумевает использование моделирования — исследование объектов познания на их моделях. Этот процесс может быть автоматизирован с помощью компьютерной техники, тогда можно говорить о компьютерных моделях. Если такие модели можно использовать в обучении, мы называем их учебными компьютерными моделями [2].
В данной статье рассмотрим, что из себя представляют учебные модели, с помощью которых можно изучать поперечные и продольные механические волны в курсе физики. Созданные нами приложения, которые реализуют данные модели, являются многооконными и предназначены для запуска в операционных системах семейства Windows (рис. 1–8).
Как правило, такие приложения имеют три окна. В первом окне учащиеся наблюдают непосредственно волну, во втором они видят графики зависимостей смещения, скорости и ускорения выбранной ими частицы от времени, в третьем размещены элементы управления моделью (рис. 1).
Рис. 1. Многооконное приложение для изучения поперечных волн
Образная часть модели (первое окно), отвечающая за визуализацию волны, занимает большую часть экрана. В случае моделирования поперечной волны на экране изображаются две пластины, между которыми натянут упругий шнур, по которому и будет распространяться волна. В окне, предназначенном для размещения элементов управления моделированием, расположены кнопки для запуска и полной остановки виртуального эксперимента, а также для режима паузы; элементы для ввода коэффициента затухания, начального смещения выбранного элемента шнура и номера этого элемента; меню для выбора типа возмущения (можно выбрать одиночную волну, цуг волны, гармоническую волну и щипок); меню для выбора типа начального смещения элементов шнура. Также предусмотрено изменение параметров второй среды, в которой распространяется волна: задание ее левой и правой границы, показателя преломления относительно первой среды и степени прозрачности второй среды. Кроме того, пользователь программы может выбирать различные варианты визуализации сцены моделирования: изменять расстояние до объекта наблюдения и ракурсы, выделять с помощью специальных меток отдельные элементы шнура, заменять «непрерывный» шнур системой связанных частиц, убирать изображения пластин.
Рис. 2. Распространение поперечной волны до отражения
Рис. 3. Распространение поперечной волны после отражения
Рассмотрим лишь некоторые возможности учебной модели поперечной волны. Например, с ее помощью можно продемонстрировать учащимся отражение волны (рис. 2 и 3). При этом сначала наблюдают волну, распространяющуюся в сторону, например, правой пластины (рис. 2). Замечают, что впереди расположен «горб» волны, а за ним — «впадина». После отражения от пластины видят, что теперь впереди расположена «впадина», а за ней — «горб» (рис. 3). Таким образом может быть продемонстрирована так называемая потеря половины длины волны при отражении от препятствия.
Рис. 4. Прохождение поперечной волны сквозь границу раздела двух сред
Следующий вариант демонстрации предполагает изучение с помощью моделирования прохождение поперечной волны сквозь границу раздела двух сред (рис. 4). Из виртуального опыта учащиеся могут сделать вывод, что при прохождении волны сквозь границу происходит отражение от границы раздела сред. При этом волна, прошедшая сквозь границу, и отраженная от нее имеют разные длины волн.
Изменяя параметры сред, преподаватель с помощью данной модели может показать различные варианты прохождения волны через границу, тем самым познакомив учащихся со всеми возможными при этом вариантами, изложенными в теории волн.
Как уже было сказано выше, в приложении предусмотрена возможность изображения шнура как системы частиц. В этом случае, наблюдая волну, можно судить о деформациях шнура в различных его частях (рис. 5).
Рис. 5. Изображение поперечной волны с помощью частиц
Приложение для учебного исследования продольных волн похоже на рассмотренное ранее. В нем моделируется продольная волна, также распространяющаяся между двумя пластинами (рис. 6). Оно тоже имеет элементы управления моделированием: кнопки для запуска и прекращения виртуального эксперимента, а также его остановки и продолжения; элементы для ввода коэффициента затухания, начального смещения выбранного элемента и номера этого элемента; меню для выбора типа возмущения (вновь можно выбрать одиночную волну, цуг волны, гармоническую волну и щипок). В модели предусмотрено изменение параметров второй среды, в которой распространяется волна: задание ее левой и правой границы, показателя преломления относительно первой среды и степени прозрачности второй среды. Пользователь компьютерной программы может выбирать различные варианты визуализации сцены моделирования: изменять расстояние до объекта наблюдения и ракурсы, выделять с помощью специальных меток отдельные элементы волны, изменять режим визуализации волны (демонстрируются либо линии, как это показано на рис. 6, либо колеблющиеся частицы, как на рис. 7), упрощать представление волны на экране (рис. 8) и т. п.
Рис. 6. Многооконное приложение для изучения продольных волн
В заключении отметим, как могут быть использованы рассмотренные в статье учебные компьютерные модели в обучении физике. Во-первых, они могут быть применены при изучении теоретического материала как демонстрации (своеобразные виртуальные опыты); во-вторых, возможно их применение в виде виртуальных лабораторных исследовательских работ; в-третьих, на их базе можно организовать кратковременные практические работы; в-четвертых, можно использовать такие модели для решения виртуальных экспериментальных задач. Все эти виды обучения относятся к классной работе. Возможно использование учебных компьютерных моделей и при выполнении внеклассных (домашних) работ.
Рис. 7. Изображение продольной волны с помощью частиц
Поиск инновационных средств и методов обучения является актуальной задачей педагогической науки. В связи с этим большое значение имеет поиск походов, интегрирующих теоретическое и эмпирическое исследование в процессе обучения. На наш взгляд, современная образовательная система, требующая инновационных научно обоснованных технологий, может быть обогащена включением в нее учебных компьютерных моделей.
Рис. 8. Упрощенное представление продольной волны с помощью одного ряда частиц
Литература:
- Бушок Г. Ф. Методика преподавания физики в высшей школе / Г. Ф. Бушок, Е. Ф. Венгер. — Киев: «Освита Украины», 2009. — 415 с.
- Данилов О. Е. Использование компьютерных моделей маятников при изучении механических колебаний / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 7. — С. 40–47.
- Данилов О. Е. Обучение в человеко-машинных системах / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 2. — С. 84–90.
