В статье приведен пример учебной компьютерной модели, предоставляющей обучающимся возможность исследовать вертикальный пружинный маятник с помощью вычислительного эксперимента.
Ключевые слова:пружинный маятник, компьютерное моделирование, модель, учебная компьютерная модель, когнитивная модель, информационная модель, обучающая модель, объяснительная модель, прогностическая модель, человеко-машинные системы.
Любая человеко-машинная система эффективна только при согласовании своих компонентов, при правильном вписывании машинной ее части в целостную деятельность человека [6]. Необходим учет потребностей, мотивов, целей и действий, который в конечном счете определяет производительность и функционирование этой системы [9, с. 51]. В таких системах в той части, которая характеризует поведение человека, выделяют информационные каналы, память, мышление и принятие решений, психологию [3; 7]. Для машинной части важны устройства ввода-вывода, текстовый и графический режимы, гипертекст, печать и сканирование, управление памятью, графика, устройства позиционирования и указания, моделирование визуальной среды, мультимедиа, распознавание речи и визуальных образов. Если речь идет о взаимодействии упомянутых выше частей системы, то рассматриваются модели взаимодействия, фреймы и окна, уровень абстракции и стили взаимодействия, контекст и протоколы взаимодействия, эргономика.
При проектировании пользовательских интерфейсов человеко-машинных систем проводят анализ использования информации в процессе работы, моделирование вариантов использования и генерацию требований к проектированию таких интерфейсов. При этом важна модель поведения пользователя (человека): модели мышления, целевые установки, языки описания предметной области, обратная связь и отображение информации, способ моделирования объекта, поведение в виртуальной среде, математическая модель, используемые разумные ограничения. Диалоговые графические интерфейсы могут предполагать текстовый диалог, описание режимов и виртуальных устройств графического диалога, семантику диалога, сообщения и события, объектно-ориентированную парадигму. При создании интерактивной системы используют стандартные формализмы, модели взаимодействия, анализ состояний и событий, действия и проработку сообщений об их результатах. Разработка интерфейса требует создания элементов управления в многооконных приложениях, программирования реакции на действия пользователя, использования библиотек и наборов инструментов, инструментальных сред программирования графического диалога [1].
Современная тенденция развития человеко-машинных интерфейсов в системах, созданных для достижения целей обучения, такова, что требует визуализации данных [2, с. 18–32], то есть создания визуального интерфейса.
Теоретическую базу любой учебной дисциплины можно рассматривать как совокупность моделей, описывающих поведение рассматриваемого в рамках данной дисциплины класса некоторых объектов [8, с. 16]. При теоретическом изучении конкретного объекта из этого класса обучающийся может воспользоваться готовой моделью (созданной преподавателем или методистом) в качестве инструмента, позволяющего изучить свойства объекта и его реакцию на воздействия со стороны других объектов окружающего мира. Такая модель является когнитивной, кроме того, она может быть объяснительной и даже прогностической. Мы называем такие модели учебными. Если они построены как информационные модели, включающие в себя как составную часть некоторые математические модели, то можно говорить об учебных компьютерных моделях. Они, как правило, представляют собой алгоритм, реализованный в виде программы для ЭВМ. В этом случае также можно говорить и об имитационном моделировании, если предполагается изучение реакций модели на различные заданные входные воздействия [4].
Рис. 1. Вертикальный пружинный маятник
Рассмотрим одну из учебных компьютерных моделей, созданных нами и используемых в обучении физике. Она имитирует поведение такой абстрактной системы, как идеальный вертикальный пружинный маятник (рис. 1). Уровень абстракции в данном случае следующий: груз считается материальной точкой, пружина является невесомой.
Рис. 2. Окна приложения, моделирующего движение пружинного маятника
На рис. 2 изображены окна приложения, реализующего учебную компьютерную модель. Слева находится окно, в котором выводится изображение маятника, в среднем окне — графические представления закономерностей, связывающих характеристики движения маятника, в правом окне размещены элементы управления моделью и текущие значения характеристик движения. Подробнее рассмотрим информацию, размещенную в среднем окне. В нем расположены графики зависимостей смещения от положения равновесия, проекций на вертикальное направление скорости и ускорения груза маятника от времени. Также в этом окне представлены графики зависимостей потенциальных энергий пружины и груза и кинетической энергии груза от времени. В нижней части окна размещена фазовая диаграмма, представляющая собой зависимость смещения груза от проекции его скорости.
Рис. 3. Один из возможных вариантов движения маятника
Программа предоставляет возможность наглядно продемонстрировать обучающимся движение маятника в динамике с синхронным выводом на экран графиков зависимостей и текущих значений характеристик движения. Существует возможность остановить вычислительный эксперимент, а затем вновь его продолжить или начать заново. Обучающийся может изменять следующие параметры модели: начальное смещение груза относительно положения равновесия, проекцию начальной скорости груза, длину пружины и ее жесткость, массу груза, ускорение свободного падения и коэффициент затухания колебаний. Моделирование не ограничивается только незатухающими гармоническими колебаниями (рис. 3 и 4), как это часто бывает в подобных моделях. Обучающийся имеет возможность не только наблюдать колебания и видеть графическое представление зависимостей характеристик движения от времени (рис. 4), но и убедиться, например, в справедливости закона сохранения полной механической энергии в случае незатухающих колебаний (рис. 1).
Рис. 4. Затухающие колебания маятника
Учебные компьютерные модели можно использовать как при демонстрациях, когда результаты моделирования показываются и объясняются преподавателем всем обучающимся одновременно, так и в индивидуальном вычислительном эксперименте, когда каждому обучающемуся предлагается самостоятельно исследовать модель для получения новых для него знаний. Возможно и проведение своеобразного лабораторного практикума, когда обучающиеся получают определенные задания экспериментального характера, которые они должны выполнить, используя компьютерную модель [5].
Литература:
1. Данилов О. Е. Дизайн компьютерных приложений для визуализации информации об учебных компьютерных моделях / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — № 13. — С. 26–36.
2. Данилов О. Е. Компьютерное моделирование колебательного движения. Численные методы решения задач: учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов, А. Ю. Трефилова. — Глазов: Глазов. гос. пед. ин-т, 2012. — 36 с.
3. Данилов О. Е. Обучение компьютерному моделированию на примере создания компьютерной модели кругового математического маятника / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 10. — С. 80–87.
4. Данилов О. Е. Применение имитационного моделирования механических взаимодействий при обучении физике / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2014. — № 5. — С. 97–103.
5. Данилов О. Е. Сочетание натурного и вычислительного экспериментов в обучении физике / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — № 19. — С. 10–11.
6. Данилов О. Е. Учебная компьютерная модель физического маятника / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — № 15. — С. 49–52.
7. Данилов О. Е. Формирование умения проводить теоретическое исследование при изучении распределения физической величины в пространстве с помощью компьютерной модели / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 7. — С. 84–94.
8. Зарубин В. С. Моделирование: учеб. пособие для студ. учреждений высш. проф. образования / В. С. Зарубин. — М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 336 с.
9. 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.
