Что такое компьютерное моделирование физических явлений
Все мы знаем, что физика – наука экспериментальная. И наглядная д емонстрация физических явлений или процессов на уроках является основой обучения физики в школе. Она способствуют созданию физического мышления у обучающихся, делает более понятными объяснения учителя при изложении нового материала, пробуждает познавательный интерес у обучающихся к предмету.
В условиях школьной лаборатории не всегда возможно продемонстрировать физические процессы или провести эксперименты. Причины на то могут быть разные:
- отсутствие необходимого оборудования;
- опасность проведения эксперимента в данных условиях;
- невозможность проведения демонстрации в реальных условиях.
Конечно, можно объяснить физическое явление по картинкам или «на пальцах», но будет ли от этого результат? Насколько правильно представят то или иное явление ученики? Чтобы понять физическое явление, а потом уметь его объяснить, необходимо его визуально представить. Визуальное представление физического явления или процесса позволяет ученику лучше его запомнить и изучить. Именно поэтому на каждом уроке физики должна присутствовать демонстрация, визуальное представление физических явлений. И если это невозможно провести в данных условиях, то значит нужно использовать компьютерную демонстрацию. А я бы еще добавил – нужно использовать!
С помощью компьютера возможно создавать не только статические модели физических явлений в виде иллюстраций, но и динамические модели. А эффективнее всего использовать в учебном процессе интерактивные компьютерные модели, которые позволяют замедлить или ускорить ход времени, увеличить или уменьшить, повторить или изменить ситуацию. Интерактивные компьютерные модели, используемые в индивидуальной работе, например, в модели «1 ученик – 1 компьютер», позволяют каждому ученику изучать физическое явление в собственном темпе. Когда компьютерной моделью управляет учитель на интерактивной доске, ученик просто пассивно наблюдает, при этом у каждого ученика своя скорость восприятия. Но когда ученики будут самостоятельно управлять компьютерной моделью, то это уже позволит увеличить степень усвоения получаемой учебной информации и повысить познавательную активность.
Компьютерная модель явления фотоэффекта
Фотоэффект достаточно сложное для понимания учениками физическое явление в силу того, что невозможно пронаблюдать явление выбивания электронов с поверхности металла частицами света. В условиях школьной лаборатории можно лишь провести сам эксперимент явления фотоэффекта с вольт-амперной характеристикой, и то только при наличии соответствующего оборудования. Но увидеть, что происходит в реальности невозможно, это можно только смоделировать на компьютере.
Компьютерная модель двигателя внутреннего сгорания
Изучение принципа работы двигателя внутреннего сгорания на статической модели достаточно сложно для понимания учениками. Реальный двигатель в классе запустить невозможно, да еще в разрезе, чтобы увидеть, что происходит внутри самого двигателя. Нужно иметь хорошее воображение, чтобы это все представить. Намного эффективнее для усвоения, когда ученики изучают динамическую модель и могут ею сами управлять.
Компьютерная модель деления ядер урана
А вот проведение ядерных реакций вообще невозможно ни при каких условиях. Явления, которые протекают на атомном уровне не только опасны, но и визуально недоступны для наблюдения. Здесь также поможет компьютерное моделирование. Моделирование деления ядер урана позволяет учащимся увидеть сам процесс протекания ядерной реакции в динамике.
Компьютерные модели можно использовать в разных технологиях обучения, о чем поговорим позже.
Тип урока: урок изучения нового материала .
Вид урока: комбинированный.
Оборудование:
- На столе - модели: кукла, машинка, портрет, фрукты, глобус, модели молекул и атомов, кристаллических решёток веществ, геометрические фигуры, игрушечный мишка, формула, схема плана эвакуации кабинета.
- Презентация к уроку.
- Физический эксперимент: трубка с окрашенной водой, линейка, секундомер, пластилин,
салфетки. - Формула - заготовка на плакате.
- Пакет Microsoft Office, система программирования Visual Basic.
- Звуковоспроизводящая и проецирующая аппаратура.
- Создание условий усвоения учащимися особенностей и способов моделирования объектов, явлений, процессов реального мира средствами ИКТ,
- формирование умений и навыков, носящих в современных условиях общенаучный и обще интеллектуальный характер, формирование целостного и образного подхода к анализу окружающего мира, развитие ассоциативного и операционного мышления,
- воспитание потребности в совершенствовании, понимания важности познания мира путём моделирования.
- Организационный момент:
- регистрация в журнале учёта.
- о правилах ТБ при работе за компьютером.
- Мотивационное начало урока.
- Постановка проблемы.
- Изложение плана урока.
- Фронтальная беседа для проверки уровня подготовки учащихся к усвоению материала урока.
- Эксперимент.
- Моделирование эксперимента средствами ИКТ,
- Презентация работ, выводы, осмысление проделанной работы.
- Домашнее задание
- Рефлексия.
- Итоги урока. Оценки.
I. Организационный момент:
- регистрация в журнале учёта.
- о правилах ТБ при работе за компьютером (хочу вам напомнить о соблюдении правил ТБ при работе за компьютером)
II. Мотивационное начало урока.
Вступление: Ну что, начнём!
Учитель начинает демонстрацию презентации и на первом слайде делает вид, что происходит случайное включение другой, незапланированной ранее мелодии к слайду. Начинает суетиться, несколько раз переключая различные мелодии.
Слайд 1 :Одну секунду, я прошу меня простить, но это не моя мелодия.
Слайд 1 : Благодарю. Извините за столь сумбурное начало, но, согласитесь, в душе и жизни у каждого из нас всегда звучит своя мелодия. В моей душе живет именно эта музыка – спокойная, романтическая, с лёгкой таинственностью мелодия.
Каждый из вас, слушая определённое музыкальное произведение, замечал, что в сознании невольно рождаются различные образы ( слайды 2, 3 с природой).
Но, не только слушая музыку, можно что-то представлять. При выполнении человеком какого- либо действия ему обычно предшествует возникновение в сознании модели будущего поведения. Собирается ли он строить дом или решать задачу, переходит улицу или отправляется в поход - он непременно представляет себе это в уме.
Т.е. часто, не замечая того, каждый из нас моделирует свои действия.
Слайд 4 : Человеческий мозг устроен так, что в кажущемся хаосе окружающих его объектов он хочет отыскать осмысленные фигуры. Сами того не желая, мы ищем и узнаём в контурах деревьев, облаков, гор знакомые очертания людей, животных, предметов. Это не просто игра, а глубоко укоренившееся свойство человеческого сознания. Это главное отличие человека мыслящего от всех живых существ на земле.
Тема нашего урока: Моделирование физических явлений на компьютере.
III. Постановка проблемы. Целей урока.
Человек, в силу своих интеллектуальных способностей, способен не только
(как я уже сказала) моделировать своё поведение, но и всё то, что его окружает (объекты реального мира).
Сегодня на уроке мы с вами проведём физический эксперимент и построим несколько различных моделей этого явления с использованием совершенного в наши дни инструмента – компьютера, а также постараемся понять и объяснить то, что сделали.
Слайд 7 :
Эпиграф:
Слово «эксперимент» может, в сущности,
применяться для обозначения лишь такого
действия, когда мы в состоянии рассказать другим ,
что нами проделано и что нам стало известно в итоге .
Нильс Бор
Нильс Бор - датский физик, один из создателей современной физики, Лауреат Нобелевской премии.
IV. Изложение плана урока.
Мы с вами будем одной стороны – проводить эксперимент, с другой - строить его модель, а затем проанализируем проделанное и сделаем выводы.
V. Фронтальная беседа для проверки уровня подготовки учащихся к усвоению материала урока.
Проверка домашнего задания:
- На столе некоторое количество предметов: что их объединяет?
(каждый предмет повторяет какой-то объект реального мира)
-скажите, моделью какого реального объекта, явления или процесса они являются?
( создается человеком в процессе познания окружающего мира и отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса).
- Объектов моделирования, огромное количество: для того, чтобы ориентироваться в многообразии моделей необходимо их классифицировать, то есть каким-то образом их упорядочить, систематизировать.
Как по способу представления классифицируются модели? Сформируйте из предметов на столе две группы - поясните почему? аргументируйте свой выбор
Материальные - воспроизводят геометрические и физические свойства объекта и всегда имеют реальное воплощение (игрушки, чучела птиц, глобус, макеты, муляжи)
Информационные - нельзя потрогать, так как не имеют материальной основы, а строятся только на информации (мысленные образы, рисунки, тексты, графики, чертежи,
формулы).
Информационные (знаковые - выражаются средствами формального языка,
Вербальные (образные)- в мысленной или разговорной форме - естественные языки)
Гелиоцентрическая модель мира Коперника.
- Назовите причины, по которым прибегают к построению моделей?
Главное – изучение свойств объектов, познание окружающего мира:
- В реальном времени оригинал может уже не существовать или его нет в действительности - теория вымирания динозавров, модель «Глобального потепления - парниковый эффект» и т.д.
- Оригинал либо очень велик, либо очень мал - глобус, модель Солнечной системы, модель атома.
- Процесс протекает очень быстро или очень медленно-геологические модели, модель двигателя внутреннего сгорания.
- Почему не исследовать сам оригинал, а строить его модель?
(иногда исследование может привести к разрушению объекта - самолёт, автомобиль, здание)
- Почему басня и притча являются моделями?- фокусируют внимание читателя на определённых сторонах человеческой жизни.
- Моделирование- ?
( метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей).
VI. Эксперимент.
- Выбор наиболее существенной информации при создании информационной модели и её сложность обусловлены целью моделирования.
- Наш эксперимент заключается в изучении прямолинейного равномерного движения на примере движения пузырька воздуха по трубке наполненной жидкостью.
Мы имеем на столе всё необходимое для эксперимента. Перечислите оборудование.
Слайд 8:
- Практическая работа : Изучение равномерного прямолинейного движения.
Цель: Определить скорость тела по его перемещению и времени движения.
Оборудование: трубка, наполненная окрашенной водой, в которой оставлен пузырёк воздуха, секундомер, линейка.
Ход эксперимента:
1).Проведение исследования: трубка, наполненная окрашенной водой, в которой оставлен пузырёк воздуха, переворачивается.
2). Наблюдения: движение пузырька воздуха вверх. В конечном итоге пузырёк поднимается на поверхность воды.
3). Показания: время, перемещение.
4). Результаты: Скорость равномерного прямолинейного движения пузырька.
Вспомним формулу, по которой можно рассчитать скорость равномерного прямолинейного движения: демонстрация плаката с формулой.
Проведение эксперимента, наблюдения, показания фиксируются на доске в таблице:
3. Разбиение на группы - какая музыка нравится: спокойная, быстрая или умеренного темпа?
Результат - три группы.
4. Для создания моделей используется огромный спектр инструментов. Это фотоаппарат, токарный и фрезерный станки, пила, топор, кисть художника, карандаш, линейка и т.д. и, наконец, но самый совершенный в наши дни инструмент- компьютер.
Как правильно воспользоваться этим инструментом моделирования?
Слайд 9: Этапы построения моделей на компьютере:
- Описательная (вербальная) информационная модель - выделение существенных, с точки зрения целей проводимого исследования, свойств или параметров объекта, а несущественными параметрами пренебрегаем.
- Формализованная модель - записывается модель с помощью формального языка ( формулы, уравнения)
- Компьютерная модель - преобразование формализованной модели в компьютерную (выразить её на понятном для компьютера языке)
приложения - VB, электронные таблицы, графический редактор, презентация, текстовый редактор.
- Компьютерный эксперимент.
- Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели.
VII. Моделирование эксперимента средствами ИКТ.
Сегодня, когда компьютер стал основным инструментом исследователя, различные виды моделей можно строить на нём с помощью различных программ. При построении компьютерной модели необходимо правильно выбрать программную среду.
После того как модель создана, необходимо выяснить её работоспособность или внедрить в производство.
Построение компьютерной модели
1 группа- создание в среде программирования модели, позволяющей рассчитать скорость равномерного прямолинейного движения, используя результаты эксперимента.
2 группа – в электронной таблице построить модель, позволяющую рассчитать скорость равномерного прямолинейного движения, используя результаты эксперимента, построить график движения)
3 группа - в программе создания презентаций Power Point создать анимационную модель эксперимента: движения пузырька воздуха в трубке.
Акцентирование внимания на том, что затем нужно сравнить полученные результаты и объяснить грамотно, средствами какого приложения строили какую модель.
VIII. Презентация работ, выводы, осмысление проделанной работы.
Указать: - что делали?
- какими средствами? - какой тип модели был построен?
- сравнить свои результаты с результатами других.
IX. Домашнее задание - карточки, в которых задания на выбор.
1. Как понятие «фотомодель» можно связать с моделированием?
Указать критерии, по которым определяется возможность человека стать фотомоделью.
Фотомодель: (выбрать верное утверждение и пояснить свой выбор)
- играет в исследовании роль реального объекта?
- является объектом, который моделирует реальное явление или процесс?
2. Составить словесную модель объяснения с родителями в ситуации, когда вы получили «двойку». Попробуйте убедить родителей в том, что ваша «двойка» является едва ли не благом.
3. Постройте графическую модель какого-либо исторического сражения.
( Инструментом моделирования может быть все что угодно: компьютер, фотоаппарат, бумага и карандаш).
Х. Рефлексия.
1. Слайд 11 :
Мы затронули только одну сторону только одной науки, которая помогает познать мир и объяснить многие явления, этот эксперимент можно было рассмотреть, учитывая другие свойства этого явления.
Учитель зачитывает под спокойную музыку такие строки:
Каков наш мир?
Открытый всем взорам, изученный,
понятный каждому, кто хочет его понять,
или непостижимый,
не поддающийся не только нашим чувствам,
но и нашему разуму?
ВОПРОС: Скажите, а как думаете вы, каков наш мир?
2. Слайд 12: Учащимся предлагается заполнить карту настроения.
XI. Итоги урока. Оценки.
Поблагодарить учащихся за урок. Объявить оценки.
Компьютерное моделирование. Моделирование физический и математических процессов на компьютере.
Вложение | Размер |
---|---|
rabota.docx | 155.67 КБ |
Предварительный просмотр:
УЧЕНИК 9 КЛАССА
учитель математики и информатики
- вВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………3
- КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ…………………………………. 5
- ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ…………………………………………………..10
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………. 18
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………. 20
Изучая тему по информатике, «Компьютерное моделирование», меня заинтересовал вопрос – «Любой ли процесс, или явление можно смоделировать с помощью ПК?». Это и послужило выбором моего исследования.
Тема моего исследования: «Компьютерное моделирование».
Гипотеза: любой процесс или явление можно смоделировать с помощью ПК.
Цель работы – изучить возможности компьютерного моделирования, использование его в различных предметных областях.
Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:
– дать теоретические сведения о моделировании;
– описать этапы моделирования;
– привести примеры моделей процессов или явлений из различных предметных областей;
- сделать общий вывод о компьютерном моделировании в предметных областях.
Я решил подробнее рассмотреть компьютерное моделирование в программах MS Excel и «Живая математика». В работе рассмотрены преимущества программы MS Excel. С помощью данных программ, мной были построены компьютерные модели из различных предметных областей, таких как математика, физика, биология.
Построение и исследование моделей – это один из важнейших методов познания, умение использовать компьютер для построения моделей – одно из требований сегодняшнего дня, поэтому я считаю данную работу актуальной. Она является важной для меня, так как я хочу продолжить свое дальнейшее обучение в этом направлении, а также рассмотреть другие программы при разработке компьютерных моделей, это цель на дальнейшее продолжение этой работы.
Анализируя литературу по теме исследования, я выяснил, что практически во всех естественных и социальных науках построение и использование моделей, является мощным инструментом исследований. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения оказывается построение модели, отображающей лишь какую-то часть реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность.
Модель (лат. modulus — мера) — это объект-заместитель объекта-оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала.
Модель - создаваемый с целью получения и (или) хранения информации специфический объект (в форме мысленного образа, описания знаковыми средствами либо материальной системы), отражающий свойства, характеристики и связи объекта – оригинала произвольной природы, существенные для задачи, решаемой субъектом.
Моделирование – процесс создания и использования модели.
- Познание действительности
- Проведение экспериментов
- Проектирование и управление
- Прогнозирование поведения объектов
- Тренировка и обучения специалистов
- Обработка информации
Классификация по форме представления
- Материальные - воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение (детские игрушки, наглядные учебные пособия, макеты, модели автомобилей и самолетов и прочее).
- a) геометрически подобные масштабные, воспроизводящие пространственно- геометрические характеристики оригинала безотносительно его субстрату (макеты зданий и сооружений, учебные муляжи и др.);
- b) основанные на теории подобия субстратно подобные, воспроизводящие с масштабированием в пространстве и времени свойства и характеристики оригинала той же природы, что и модель, (гидродинамические модели судов, продувочные модели летательных аппаратов);
- c) аналоговые приборные, воспроизводящие исследуемые свойства и характеристики объекта оригинала в моделирующем объекте другой природы на основе некоторой системы прямых аналогий (разновидности электронного аналогового моделирования).
- Информационные - совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также их взаимосвязь с внешним миром).
- 2.1. Вербальные - словесное описание на естественном языке).
- 2.2. Знаковые - информационная модель, выраженная специальными знаками (средствами любого формального языка).
- 2.2.1. Математические - математическое описание соотношений между количественными характеристиками объекта моделирования.
- 2.2.2. Графические - карты, чертежи, схемы, графики, диаграммы, графы систем.
- 2.2.3. Табличные - таблицы: объект-свойство, объект-объект, двоичные матрицы и так далее.
- Идеальные – материальная точка, абсолютно твердое тело, математический маятник, идеальный газ, бесконечность, геометрическая точка и прочее.
- 3.1. Неформализованные модели - системы представлений об объекте оригинале, сложившиеся в человеческом мозгу.
- 3.2. Частично формализованные .
- 3.2.1. Вербальные - описание свойств и характеристик оригинала на некотором естественном языке (текстовые материалы проектной документации, словесное описание результатов технического эксперимента).
- 3.2.2. Графические иконические - черты, свойства и характеристики оригинала, реально или хотя бы теоретически доступные непосредственно зрительному восприятию (художественная графика, технологические карты).
- 3.2.3. Графические условные - данные наблюдений и экспериментальных исследований в виде графиков, диаграмм, схем.
- 3.3. Вполне формализованные (математические) модели.
- Конечность : модель отображает оригинал лишь в конечном числе его отношений и, кроме того, ресурсы моделирования конечны;
- Упрощенность : модель отображает только существенные стороны объекта;
- Приблизительность : действительность отображается моделью грубо или приблизительно;
- Адекватность : насколько успешно модель описывает моделируемую систему;
- Информативность : модель должна содержать достаточную информацию о системе - в рамках гипотез, принятых при построении модел;
- Потенциальность : предсказуемость модели и её свойств;
- Сложность : удобство её использования;
- Полнота : учтены все необходимые свойства;
- Адаптивность .
Так же необходимо отметить:
- Модель представляет собой «четырехместную конструкцию», компонентами которой являются субъект; задача, решаемая субъектом; объект-оригинал и язык описания или способ воспроизведения модели. Особую роль в структуре обобщенной модели играет решаемая субъектом задача. Вне контекста задачи или класса задач понятие модели не имеет смысла.
- Каждому материальному объекту, вообще говоря, соответствует бесчисленное множество в равной мере адекватных, но различных по существу моделей, связанных с разными задачами.
- Паре задача-объект тоже соответствует множество моделей, содержащих в принципе одну и ту же информацию, но различающихся формами ее представления или воспроизведения.
- Модель по определению всегда является лишь относительным, приближенным подобием объекта-оригинала и в информационном отношении принципиально беднее последнего. Это ее фундаментальное свойство.
- Произвольная природа объекта-оригинала, фигурирующая в принятом определении, означает, что этот объект может быть материально-вещественным, может носить чисто информационный характер и, наконец, может представлять собой комплекс разнородных материальных и информационных компонентов. Однако независимо от природы объекта, характера решаемой задачи и способа реализации модель представляет собой информационное образование.
- Частным, но весьма важным для развитых в теоретическом отношении научных и технических дисциплин является случай, когда роль объекта-моделирования в исследовательской или прикладной задаче играет не фрагмент реального мира, рассматриваемый непосредственно, а некий идеальный конструкт, т.е. по сути дела другая модель, созданная ранее и практически достоверная. Подобное вторичное, а в общем случае n-кратное моделирование может осуществляться теоретическими методами с последующей проверкой получаемых результатов по экспериментальным данным, что характерно для фундаментальных естественных наук. В менее развитых в теоретическом отношении областях знания (биология, некоторые технические дисциплины) вторичная модель обычно включает в себя эмпирическую информацию, которую не охватывают существующие теории.
Процесс построения модели называется моделированием.
В силу многозначности понятия «модель» в науке и технике не существует единой классификации видов моделирования: классификацию можно проводить по характеру моделей, по характеру моделируемых объектов, по сферам приложения моделирования (в технике, физических науках, кибернетике и т. д.). Например, можно выделить следующие виды моделирования:
- Информационное моделирование
- Компьютерное моделирование
- Математическое моделирование
- Математико-картографическое моделирование
- Молекулярное моделирование
- Цифровое моделирование
- Логическое моделирование
- Педагогическое моделирование
- Психологическое моделирование
- Статистическое моделирование
- Структурное моделирование
- Физическое моделирование
- Экономико-математическое моделирование
- Имитационное моделирование
- Эволюционное моделирование
- Графическое и геометрическое моделирование
- Натурное моделирование
Компьютерное моделирование включает в себя процесс реализации информационной модели на компьютере и исследование с помощью этой модели объекта моделирования — проведение вычислительного эксперимента . С помощью компьютерного моделирования решаются многие научные и производственные вопросы.
Выделение существенных сторон реального объекта и отвлечение от его второстепенных свойств с точки зрения поставленной задачи, позволяет развить аналитические способности. Реализация модели объекта на компьютере требует знания прикладных программ, а также языков программирования.
Обилие инструментов может поначалу испугать, но если двигаться по шагам, освоиться будет несложно.
Русифицировать программу следует после завершения установки. Русификация создана энтузиастами, содержит ошибки и недоработки, но у любого есть возможность заняться её исправлением (а потом поделиться с остальными результатом).
Существует два корректных способа добавить русский язык: воспользоваться Algodoo-установщиком (файл с расширением phi), либо вручную записать пару файлов (графический и текстовой конфигурационный) в нужную директорию.
Теперь можно запустить программу и сменить в настройках язык на русский. После запуска открывается окно приветствия.
Нажмите "Setup" (либо шестерёнку в программном меню) и выберите "Set your language" ("Choose language"), Russian. Готово.
Можно проверить и остальные настройки, но нет большой необходимости что-либо ещё менять.
Очень полезно будет пройти начальное обучение. Для этого следует щёлкнуть по знаку вопроса в главном меню ("Помощь") и выбрать учебник "Crash course" или "Курс молодого бойца" (в зависимости от перевода).
Можно также щёлкнуть по значку "Мои сцены" ("Открыть") и выбрать "Algodoo Play", специальный демонстрационный игровой проект, в котором нужно суметь прокатить шарик по своеобразному лабиринту, выполняя необходимые действия по подсказкам (подсказки на английском языке, это часть проекта). Текущий инструмент меняется буквенными клавишами или при помощи мыши.
Но полезнее всего просто самостоятельно поэкспериментировать с различными инструментами и объектами, а затем закрепить полученные знания, создав функционирующую кинематическую схему, заготовку для шагающего механизма.
Нажмите значок "Новая сцена", выберите цветовую палитру (например, "Default"). Вы увидите пустое пространство, небо (голубое, c "облаками") и землю (зелёную). Изображение можно перемещать, "ухватив" правой кнопкой мыши за "небо" или за "землю", а колёсиком мыши масштабировать. У нашей компьютерной "вселенной" существуют границы, но пусть нас пока это не волнует.
Щёлкните по значку "Инструмент для создания круга (C)" ("Circle").
Теперь нарисуйте на голубом поле ("в небе") круглый объект произвольного размера.
Проверим, может ли это "колёсико" кататься. Щёлкните по кнопке "Play" (зелёный треугольничек, "Пауза и Запуск симуляции"). Круг упал на землю в соответствии с силами гравитации. Не останавливая симуляцию выберите инструмент D ("Drag tool", "перетаскивание"), "зацепите" им кружочек и двиньте в сторону. Колесо покатилось и исчезло за краем экрана.
Не пугайтесь, просто остановите симуляцию. Затем воспользуйтесь кнопкой "Отменить". Несколько раз нажимая добейтесь того, чтобы круг вернулся в своё первоначальное положение "в воздухе". Этим приёмом в Algodoo приходится пользоваться постоянно, "намудрить" очень легко.
Давайте разберёмся с очень важным аспектом - настройками столкновений объектов. Нарисуйте над кругом горизонтальный прямоугольник произвольного размера.
Запустите симуляцию. Как видите, объекты сталкиваются друг с другом.
Проведите ещё один эксперимент - передвиньте прямоугольник, чтобы его позиция пересеклась с кругом (инструментом M, "Move", "перемещение") и запустите симуляцию. Эффектно разлетелись, не правда ли? Верните всё как было.
Можно ли добиться того, чтобы объекты размещались в разных плоскостях? Это потребуется при создании кинематических схем. Щёлкните правой кнопкой мыши по прямоугольнику и выберите "столкновения слоёв". Снимите маркер в одном слое, поставьте в другом.
Теперь круг и прямоугольник занимают разные слои - A и B соответственно. Столкновения нет. Проверьте это. Кстати, обратите внимание, что есть разница между слоем столкновений и слоем отображения. В данном случае прямоугольник отображается поверх круга (сменить это можно командами контекстного меню "выбрать", "переместить на задний/передний план").
Ещё один способ добиться того, чтобы объекты считались не сталкивающимися друг с другом - явным образом задать тип кинематической связи между ними. Сделать это можно инструментом F ("Fixate", "Гвоздь") либо H ("Axle tool", "Ось").
Давайте проверим. Создайте ещё один прямоугольник, теперь вертикальный, достаточной длины, чтобы он мог связать первые две фигуры. Лучше где-нибудь сбоку, потом мы переместим.
Круг и вертикальный прямоугольник занимают слой A, горизонтальный прямоугольник - слой B (можете проверить). Поместите инструментом M вертикальный прямоугольник поверх горизонтального прямоугольника и круга. Теперь свяжите двумя осями все фигуры - выберите инструмент H (не путайте с инструментом F, "гвоздь") и щёлкните по двум точкам.
Запустите симуляцию. То, что получилось, упало и стало вести себя как взаимосвязанный набор деталей. Причем ни один из объектов не сталкивается ни с одним другим.
Заключительный эксперимент перед созданием нашего "шагохода". Верните связанные осями объекты в первоначальное положение (просто кнопкой "назад", естественно). Вновь поправьте систему столкновений, пусть все фигуры занимают один общий слой A.
Теперь "прибейте" верхнюю горизонтальную балку к "небесной тверди" "гвоздём" (инструментом F). Простите за используемую терминологию, но в данном случае подобные названия хорошо отражают суть того, что получается.
"Прибивать гвоздём" допустимо в любой точке, деталь считается жёстко зафиксированной и не проворачивается, как вокруг оси. Если позже понадобится, точку закрепления ("гвоздь" или ось) можно будет выделить (инструментом M, например) и удалить.
Запустите симуляцию. Верхняя балка закреплена неподвижно, две нижние детали раскачиваются. Можете проверить - теперь круг и горизонтальная балка сталкиваются, поскольку занимают один слой и связаны не напрямую, а через промежуточный элемент.
Можно экспериментировать и дальше, но пора приступать к основной нашей задаче. Для хорошей кинематической схемы потребуются детали с точно выверенными размерами. Не беда, нам поможет сетка. Включите её отображение соответствующей кнопкой.
Обратите внимание, что детализация сетки (абсолютный размер каждой клетки) меняется при изменении масштаба. Давайте для определённости будем начинать работу в таком масштабе, при котором одна клетка равна 25 см. Тогда можно будет обозначать размер и в тех, и в других единицах измерения (и в клетках, и в сантиметрах).
Итак, нажмите на иконку "Новая сцена". Затем последовательно создайте фигуры следующих размеров:
- прямоугольник шириной 10 клеток и высотой 7 клеток (иными словами 250 см на 175 см);
- круг диаметром 6 клеток;
- вертикальный прямоугольник 1 на 6 клеток;
- вертикальный прямоугольник 1 на 14;
- вертикальный прямоугольник 1 на 15;
- горизонтальный прямоугольник 7 на 1;
- горизонтальный прямоугольник 14 на 1;
- горизонтальный прямоугольник 9 на 1.
Получившийся набор фигур должен выглядеть примерно так.
Теперь скомпонуйте детали нашего механизма, переместив их в нужные позиции.
Осталось закрепить основу (большой прямоугольник) и задать кинематические связи между всеми элементами конструкции.
Крепить объект к "небесной тверди" мы уже научились. Давайте научимся ещё добавлять ось прямо в середину круга. Щёлкните по нему правой кнопкой мыши и выберите "Geometry actions", а далее соответствующую команду. Этот способ удобен и может выручить при отключенной сетке.
Теперь круг связан осью с нижележащим объектом, в данном случае это большой прямоугольник 10x7.
Осталось поставить оси во все другие необходимые позиции. Увеличьте масштаб, появятся дополнительные линии, к перекрестью которых будет "приклеиваться" курсор. Расстояние от осей до краёв балок - половина поперечного сечения, то есть 12,5 см.
Напоследок добавим ещё один элемент, трассер (инструментом E) на кончик "ноги".
Общий вид конструкции теперь должен быть таким.
Нажмите на кнопку "Play". Механическая нога начала свободно покачиваться. Выберите инструмент D и покрутите "пальцем" колесо. Вы увидите, что механизм пришёл в движение, а кончик ноги описывает занятную траекторию.
В заключение хотелось бы сказать, что мы затронули лишь малую толику возможностей этой чудесной программы. В частности, благодаря тому, что каждый объект Algodoo способен хранить и использовать собственные скрипты, можно предусмотреть любые самые невообразимые связи между элементами проекта.
Человек, в силу своих интеллектуальных способностей, способен не только моделировать своё поведение, но и всё то, что его окружает, то есть объекты реального мира, к которым в том числе относятся и физические явления.
Просмотр содержимого документа
««Компьютерное моделирование физических явлений»»
Муниципальное автономное образовательное учреждение
дополнительного образования «Центр детского творчества»
городского округа город Кумертау Республики Башкортостан
Методическая разработка занятия на тему:
«Компьютерное моделирование физических явлений»
Болотова Галина Михайловна
педагог дополнительного образования
Тема «Компьютерное моделирование физических явлений»
Создание условий усвоения учащимися особенностей и способов моделирования объектов, явлений, процессов реального мира средствами ИКТ,
формирование умений и навыков, носящих в современных условиях общенаучный и обще интеллектуальный характер, формирование целостного и образного подхода к анализу окружающего мира, развитие ассоциативного и операционного мышления,
воспитание потребности в совершенствовании, понимания важности познания мира путём моделирования.
Оборудование:
На столе - модели: кукла, машинка, портрет, фрукты, глобус, модели молекул и атомов, геометрические фигуры, игрушечный мишка, формула, схема плана эвакуации кабинета.
Презентация к уроку.
Физический эксперимент: трубка с окрашенной водой, линейка, секундомер, пластилин,
салфетки.
Формула - заготовка на плакате.
Пакет Microsoft Office, Macromedia Flash 8.
Звуковоспроизводящая и проецирующая аппаратура.
План занятия:
Мотивационное начало урока.
Изложение плана урока.
Фронтальная беседа для проверки уровня подготовки учащихся к усвоению материала урока.
Моделирование эксперимента средствами ИКТ,
Презентация работ, выводы, осмысление проделанной работы.
I. Организационный момент.
II. Мотивационное начало урока.
Вступление: Начнём!
Слайд 1:
-Согласитесь, в душе и жизни у каждого из нас всегда звучит своя мелодия. В моей душе живет именно эта музыка – спокойная, романтическая, с лёгкой таинственностью мелодия.
Каждый из вас, слушая определённое музыкальное произведение, замечал, что в сознании невольно рождаются различные образы (слайды 2, 3 с природой).
Но, не только слушая музыку, можно что-то представлять. При выполнении человеком какого- либо действия ему обычно предшествует возникновение в сознании модели будущего поведения. Собирается ли он строить дом или решать задачу, переходит улицу или отправляется в поход - он непременно представляет себе это в уме.
Т.е. часто, не замечая того, каждый из нас моделирует свои действия.
Слайд 4:
- Человеческий мозг устроен так, что в окружающих его объектов он хочет отыскать осмысленные фигуры. Сами того не желая, мы ищем и узнаём в контурах деревьев, облаков, гор знакомые очертания людей, животных, предметов. Это не просто игра, а глубоко укоренившееся свойство человеческого сознания. Это главное отличие человека мыслящего от всех живых существ на земле. Человек способен моделировать свои поступки, окружающие его предметы и явления.
Тема нашего занятия: Моделирование физических явлений на компьютере.
III. Постановка проблемы и цели
-Человек, в силу своих интеллектуальных способностей, способен не только
(как я уже сказала) моделировать своё поведение, но и всё то, что его окружает (объекты реального мира).
-Как вы думаете, какова же цель нашего сегодняшнего урока?
(построение модели физического явления, исследования какого-то явления, возможно эксперимент, т.к. физическое явление).
-Действительно, сегодня мы с вами проведём физический эксперимент и построим несколько различных моделей этого явления с использованием совершенного в наши дни инструмента – компьютера, а также постараемся понять и объяснить то, что сделали.
Слайд 7:
Эпиграф:
Слово «эксперимент» может, в сущности,
применяться для обозначения лишь такого
действия, когда мы в состоянии рассказать другим ,
что нами проделано и что нам стало известно в итоге.
Нильс Бор
Нильс Бор - датский физик, один из создателей современной физики, Лауреат Нобелевской премии.
IV. Изложение плана урока.
Таким образом мы с вами будем работать по следующему плану:
2. Построение модели.
3.Анализ проделанной работы.
V. Фронтальная беседа
-На столе некоторое количество предметов: что их объединяет?
(каждый предмет повторяет какой-то объект реального мира)
-Скажите, моделью какого реального объекта, явления или процесса они являются?
- Что же мы называем Моделью?
( Модель- то, что создается человеком в процессе познания окружающего мира и отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса).
- Объектов моделирования, огромное количество: для того, чтобы ориентироваться в многообразии моделей их классифицируют, то есть каким-то образом их упорядочивают, систематизируют.
- Как по способу представления классифицируются модели?
Сформируйте из предметов на столе две группы - поясните почему? аргументируйте свой выбор
( материальные: игрушки, глобус, муляжи геом. фигур..
информационные: формулы, портрет(рисунок), схема плана эвакуации )
Слайд 6:
Материальные - воспроизводят геометрические и физические свойства объекта и всегда имеют реальное воплощение (игрушки, чучела птиц, глобус, макеты, муляжи)
Информационные - нельзя потрогать, так как не имеют материальной основы, а строятся только на информации (мысленные образы, рисунки, тексты, графики, чертежи,
формулы).
Информационные (знаковые - выражаются средствами формального языка,
Вербальные (образные)- в мысленной или разговорной форме - естественные языки)
- Предлагаю вам составить словесную модель объяснения с родителями в ситуации, когда вы получили «двойку». Попробуйте убедить родителей в том, что ваша «двойка» является едва ли не благом.
(Заслушиваются варианты детей.)
-Вы сейчас создали, какую модель? С помощью чего?
(информационная, вербальная. С помощью слов, т.е. с помощью естественного языка)
- Почему басня и притча являются моделями?
( фокусируют внимание читателя на определённых сторонах человеческой жизни.)
- Так, что же такое Моделирование?
( метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей).
VI. Эксперимент.
-Наш эксперимент заключается в изучении прямолинейного равномерного движения на примере движения пузырька воздуха по трубке наполненной жидкостью.
Мы имеем на столе всё необходимое для эксперимента. Перечислите оборудование.
Слайд 8:
Практическая работа: Изучение равномерного прямолинейного движения.
Цель: Определить скорость тела по его перемещению и времени движения.
Оборудование: трубка, наполненная окрашенной водой, в которой оставлен пузырёк воздуха, секундомер, линейка.
Ход эксперимента:
1).Проведение исследования: трубка, наполненная окрашенной водой, в которой оставлен пузырёк воздуха, переворачивается.
2). Наблюдения: движение пузырька воздуха вверх. В конечном итоге пузырёк поднимается на поверхность воды.
3). Показания: время, перемещение.
4). Результаты: Скорость равномерного прямолинейного движения пузырька.
-Вспомним формулу, по которой можно рассчитать скорость равномерного прямолинейного движения: демонстрация плаката с формулой.
-Проведение эксперимента, наблюдения, показания фиксируются на доске в таблице:
- Для создания моделей используется огромный спектр инструментов. Это фотоаппарат, токарный и фрезерный станки, пила, топор, кисть художника, карандаш, линейка и т.д. и, наконец, но самый совершенный в наши дни инструмент- компьютер.
- Как правильно воспользоваться этим инструментом моделирования?
-Вспомним этапы построения моделей на компьютере.
Слайд 9: Этапы построения моделей на компьютере:
Описательная (вербальная) информационная модель - выделение существенных, с точки зрения целей проводимого исследования, свойств или параметров объекта, а несущественными параметрами пренебрегаем.
Формализованная модель - записывается модель с помощью формального языка ( формулы, уравнения)
Компьютерная модель - преобразование формализованной модели в компьютерную (выразить её на понятном для компьютера языке)
приложения - VB, электронные таблицы, графический редактор, презентация, текстовый редактор.
Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели.
VII. Моделирование эксперимента средствами ИКТ.
-Сегодня, когда компьютер стал основным инструментом исследователя, различные виды моделей можно строить на нём с помощью различных программ.
- При построении компьютерной модели необходимо правильно выбрать программную среду.
После того как модель создана, необходимо выяснить её работоспособность или внедрить в производство.
Построение компьютерной модели
1 группа- в программе MacromediaFlash8 создать модель эксперимента: движение пузырька воздуха в трубке.
2 группа – в электронной таблице построить модель, позволяющую рассчитать скорость равномерного прямолинейного движения, используя результаты эксперимента, построить график движения)
3 группа - в программе создания презентаций Power Point создать анимационную модель эксперимента: движения пузырька воздуха в трубке.
-Обращаю ваше внимание на том, что затем нужно сравнить полученные результаты и объяснить грамотно, средствами, какого приложения строили какую модель.
VIII. Презентация работ, выводы, осмысление проделанной работы.
Указать: - что делали?
- какими средствами? - какой тип модели был построен?
- сравнить свои результаты с результатами других.
IX. Рефлексия.
1. Слайд 11:
-Мы затронули только одну сторону только одной науки, которая помогает познать мир и объяснить многие явления, этот эксперимент можно было рассмотреть, учитывая другие свойства этого явления.
Учитель зачитывает под спокойную музыку такие строки:
Каков наш мир?
Открытый всем взорам, изученный,
понятный каждому, кто хочет его понять,
или непостижимый,
не поддающийся не только нашим чувствам,
но и нашему разуму?
Читайте также: