В статье предложена классификация учебного вычислительного эксперимента, построенная на базе классификации учебного физического эксперимента. Кратко рассмотрена методика изучения физических явлений и объектов, построенная на сочетании вычислительного и натурного экспериментов.
Ключевые слова:учебный физический эксперимент, вычислительный эксперимент, учебный вычислительный эксперимент, учебный натурный эксперимент, обучение физике.
В системе учебного физического эксперимента выделяют следующие его виды [4, с. 188]:
- демонстрационные опыты;
- фронтальные лабораторные работы;
- кратковременные практические работы;
- физические практикумы;
- экспериментальные задачи;
- внеклассные (домашние) экспериментальные работы.
Учитывая то, что вычислительный эксперимент (эксперимент с использованием компьютерных моделей объектов) может заменить в случае необходимости натурный эксперимент, можно прийти к выводу о том, что все эти виды учебного физического эксперимента можно сопоставить соответствующим типам учебного вычислительного эксперимента, который будет реализован с теми же организационными и учебными целями. Иными словами, преподаватель может осуществлять демонстрации компьютерных моделей для всего класса (демонстрационный вычислительный эксперимент); использовать фронтальную работу, когда каждый учащийся работает с одной и той же компьютерной моделью одновременно (фронтальный вычислительный эксперимент); конкретизировать с помощью таких моделей и развивать полученные учащимися знания (кратковременный вычислительный эксперимент); организовывать самостоятельную работу с моделями (вычислительный практикум); формировать умение решать практические задачи (решение экспериментальных задач с помощью компьютерных моделей); задавать задания для работы с моделями на дом (домашний вычислительный эксперимент).
Рис. 1. Связь между вычислительным и натурным экспериментом
Учебный вычислительный эксперимент может не только заменять учебный физический эксперимент в тех случаях, когда последний невозможен. Он может сочетаться с ним в тех случаях, когда натурные опыты возможны, дополняя при этом натурный эксперимент и облегчая задачу объяснения преподавателю с помощью современных вычислительных средств (рис. 1).
Рассмотрим, каким образом может быть организован процесс обучения физике с сочетанием натурного и вычислительного учебных экспериментов. В кибернетике широко применяется такой инструмент исследования как имитационное математическое моделирование [3, с. 18–19]. Выделяют следующие этапы имитационного моделирования [3, с. 19]:
- постановка задачи и описание объекта исследования на естественном языке с формулировкой гипотезы, подлежащей проверке;
- сбор исходных данных об объекте исследования;
- построение имитационной математической модели;
- экспериментирование с математической моделью;
- интерпретация полученных результатов и перенесение их на объект исследования.
Таким образом, при использовании математических моделей, запрограммированных с помощью ЭВМ, можно говорить об имитационном эксперименте на ЭВМ [2]. Кроме того, использование таких моделей в обучении требует проведения серии имитационных экспериментов с различным входным воздействием [1]. Например, Н. Винером предложена методика раскрытия так называемого «черного ящика», которую можно представить следующим образом. Эксперименты проводятся с реальным объектом исследования («черным ящиком») и его моделью («белым ящиком»), для которой полностью известны и изменяемы в широких пределах параметры, характеризующие ее свойства. Эксперименты с объектом и его моделью проводятся таким образом, чтобы удалось добиться приемлемого совпадения результатов опытов. Это осуществляется с помощью подстройки «белого ящика» под поведение «черного ящика» (рис. 2). Если удается добиться такого результата, то можно говорить о том, что свойства модели в условиях данного вычислительного эксперимента (например, математическое описание закономерностей ее поведения) можно перенести на реальный объект в «аналогичных» (близких к условиям вычислительного эксперимента) условиях натурного эксперимента.
Рис. 2. Раскрытие «черного ящика» путем одновременного проведения имитационного эксперимента с объектом исследования («черным ящиком») и его моделью («белым ящиком»)
Литература:
1. Данилов О. Е. Изучение интерференции с помощью компьютерного моделирования / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 9. — С. 50–58.
2. Данилов О. Е. Применение имитационного моделирования механических взаимодействий при обучении физике / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2014. — № 5. — С. 97–103.
3. Зарубин В. С. Моделирование: учеб. пособие для студ. учреждений высш. проф. образования / В. С. Зарубин. — М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 336 с.
4. Смирнов А. В. Методика применения информационных технологий в обучении физике: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / А. В. Смирнов. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 240 с.
