Компьютерное моделирование продольных механических волн для обучения физике



Компьютерное моделирование продольных механических волн для обучения физике

Данилов Олег Евгеньевич, кандидат педагогических наук, доцент

Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко

В статье рассматриваются различные аспекты создания систем виртуальной реальности для достижения учебных целей и некоторые рекомендации для разработки таких систем. В качестве примера приводится обучающая компьютерная программа, моделирующая продольные волны.

Ключевые слова: виртуальная реальность, система виртуальной реальности, компьютерное моделирование, продольные волны, обучение физике.

Computer simulation of longitudinal waves for physics teaching

O. Ye. Danilov

The paper considers different aspects of virtual reality system creation for training purposes and some recommendations for the development of such systems. The training software simulating longitudinal waves is given as an example.

Key words: virtual reality, virtual reality system, computer simulation, longitudinal waves, physics teaching.

Система виртуальной реальности — это комплекс программно-аппаратных средств, создающих эффект погружения пользователя в искусственно созданную трехмерную среду на основе сенсорных впечатлений [10, с. 40]. Таким образом сенсорные или виртуальные ощущения формируются на основе искусственно созданных представлений.

Участие человека, обучающегося с помощью системы виртуальной реальности, не должно ограничиваться его пассивным участием в виртуальной сцене [2; 3; 4; 7]. Он должен иметь возможность интерактивного взаимодействия с этой средой [7].

В настоящее время известно достаточно много областей, в которых активно используются технологии виртуальной реальности. К ним можно отнести визуализацию, моделирование, навигацию, поиск информации, развлечения. Визуальные модели применяются при имитационном моделировании [6]. Визуализация и моделирование являются важными областями практического применения технологий виртуальной реальности [1; 2; 5].

К основным признакам систем виртуальной реальности относят следующие [10, с. 42]:

 пользователь имеет возможность воздействовать на модель реальности, при этом обеспечиваются сенсорные впечатления операций, возможных с аналогичными реальными объектами;

 используется высококачественная визуализация с высоким разрешением и быстродействием для того, чтобы у пользователя возникли ощущения, похожие на ощущения восприятия реального мира;

 пользователь имеет возможность интерактивно взаимодействовать с виртуальной средой и влиять на нее в режиме реального времени;

 присутствует трехмерная зрительная обратная связь — пользователь может изменять точку наблюдения или поворачивать и перемещать объекты виртуальной реальности для удобства наблюдения.

Обучающие системы виртуальной реальности могут быть предназначены для коллективного или для персонального использования [3]. Одна из главных целей систем виртуальной реальности заключается в таком воздействии на органы чувств человека, которое создает сенсорные впечатления об искусственно созданной обстановке [5].

Существует два подхода к организации пространства трехмерной сцены [10, с. 148]: 1) конструкция изображения (расположение объектов в пространстве, которое можно логически воссоздать по изображению на экране); 2) композиция изображения (расположение объектов на плоскости изображения как абстрактных фигур). Первый подход основан на рациональном восприятии, а второй на зрительном. Виртуальное пространство возникает в результате конструктивного восприятия, а экранное пространство — в результате композиционного. Оба восприятия, соединяясь, дают пространство изображения.

Все, что находится в визуализированной сцене, имеет графический вес. Под этим термином подразумевается степень заметности участка сцены для наблюдателя или преобладание этого участка в композиции. Более яркие и контрастные элементы имеют большой графический вес. Более крупные элементы также имеют больший вес по сравнению с мелкими. Обучающемуся достаточно бросить беглый взгляд для того, чтобы определить те участки сцены, на которых должно быть сосредоточено его основное внимание.

Важное значение имеет предусмотренное движение объектов сцены и размещение виртуальной камеры [1]. При этом чаще всего принимают во внимание: 1) точку интереса; 2) точку наблюдения зрителя; 3) линии действия, в том числе углы расположения камеры и композиции.

Для улучшения композиции может быть использовано кадрирование, которое зависит от того, какие объекты должны быть видны в визуализированном изображении и от того, как разделяется пространство внутри изображения. Иногда при неправильном кадрировании изображение выглядит неестественно или неинтересно для обучающегося. В этом случае композиция оказывается неудачной.

Рис. 1. Моделирование продольной волны

Рассмотрим, каким образом может выглядеть приложение, реализующее виртуальную реальность для достижения целей обучения, на примере компьютерной программы для изучения продольных механических волн. Приложение визуально представляет собой три окна (рис. 1), в которых расположены: 1) объект визуализации (продольная волна); 2) элементы управления компьютерной моделью волны; 3) вспомогательная графическая информация (графики зависимостей характеристик волны от времени).

Рис. 2. Визуализация продольной волны с помощью линий

В окне, демонстрирующем объект исследования, возможны различные варианты визуализации волны. Она может изображаться с помощью частиц-шариков (рис. 1 и 3), либо прямолинейных отрезков (рис. 2). Волна распространяется на участке пространства, ограниченном двумя прямоугольными пластинами. Это позволяет продемонстрировать отражение волны от поверхности и образование стоячей волны между пластинами (интерференцию механических волн).

Предусмотрены следующие действия экспериментатора при работе с компьютерной моделью: 1) изменение начального смещения частиц среды; 2) изменение величины, характеризующей затухание волны (коэффициента затухания); 3) изменение показателя преломления среды; 4) создание неоднородности в среде (с ярко выраженной границей раздела двух сред); 5) изменение точки наблюдения волны; 6) изменение расстояния до наблюдателя; 7) изменение способов визуализации волны; 8) регулирование степени прозрачности среды, в которой распространяется волна; 9) выбор типа возмущений в среде (одиночная волна, цуг волны, бесконечная гармоническая волна и т. п.); 10) выделение элемента (или элементов) среды, имеющего начальное смещение, отличное от нуля; 11) получение «мгновенных фотографий» волны.

Рис. 3. Вариативность наблюдаемой сцены

При использовании учебных компьютерных моделей объектов [1; 6; 7] исследователь-обучающийся может воспользоваться этими «готовыми» моделями в качестве инструмента, позволяющего изучить свойства объекта и его реакцию на внешние воздействия [8; 9, с. 16]. По своему назначению такие модели можно назвать объяснительными и прогностическими [9, с. 16]. Объяснительная функция этих моделей очевидна, а прогностическими их можно считать потому, что они позволяют обучающемуся прогнозировать поведение объекта исследования, опираясь на уже полученные знания о нем.

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. Изучение интерференции с помощью компьютерного моделирования / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 9. — С. 50–58.
3. Данилов О. Е. Обучение в человеко-машинных системах / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 2. — С. 84–90.
4. 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.
5. Данилов О. Е. Подготовка и осуществление компьютерной визуализации в процессе создания учебной модели / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2015. — № 2. — С. 45–48.
6. Данилов О. Е. Применение имитационного моделирования механических взаимодействий при обучении физике / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2014. — № 5. — С. 97–103.
7. Данилов О. Е. Решение задач механики с помощью компьютерных моделей / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 3. — С. 40–48.
8. 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.
9. Зарубин В. С. Моделирование: учеб. пособие для студ. учреждений высш. проф. образования / В. С. Зарубин. — М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 336 с.
10. Крапивенко А. В. Технологии мультимедиа и восприятие ощущений: учебное пособие / А. В. Крапивенко. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. — 271 с.