Бимбетова Г.М., Курочкина Т.Н., Сон Т.Е.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Об опыте применения ИКТ в физическом образовании бакалавров в области техники и технологий

В условиях перехода на кредитную технологию, когда количество аудиторных часов на изучение физики в техническом вузе заметно сократилось, особенно остро стоит вопрос о правильной организации учебного процесса. В то же время, одна из задач высшей школы на современном этапе – гуманизация процесса обучения, которая предполагает, что необходимо уделять большое внимание целям развития студентов, формированию их индивидуальности. Происходит постепенное осознание потребности в обеспечении студентов не только профессиональными навыками, но и в формировании их информационной культуры.

На кафедре физики КарГТУ с 90-х годов ведется активная работа по внедрению компьютерных технологий в учебный процесс. В настоящее время в учебном процессе в высших учебных заведениях вопросам моделирования, исследования различных моделей, использования моделей в управлении учебным процессом и т.д. уделяется все больше внимания. Систематическое применение моделирования на занятиях позволяет максимально приблизить учебную деятельность к научно-исследовательской работе. Наибольшего внимания заслуживает моделирование, позволяющее наряду с демонстрацией изучаемых процессов проводить и вычислительные эксперименты.

Часто компьютерные модели проще и удобнее исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых затруднена или может дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемых объектов, исследовать отклик физической системы на изменения ее параметров и начальных условий.

Современные программные средства позволяют за несколько секунд решить сложную систему уравнений, промоделировать трудновоспроизводимый эксперимент, построить график изучаемой зависимости. Идеальное средство для изучения математических, естественнонаучных и инженерных дисциплин - Mathcad, достаточно распространенная система автоматического проектирования, имеет мощный математический аппарат, позволяющий выполнять символьные вычисления, решать системы алгебраических и дифференциальных уравнений, писать программы, строить графики и поверхности и т.п. При этом система имеет удобный интерфейс и превосходную графику, для освоения Mathcad и написания программ с его использованием требуется совсем немного времени.

Рисунок 1

Преподавателями кафедры физики КарГТУ совместно со студентами создано несколько приложений по разделам «Механика», «Молекулярная физика», «Электромагнетизм», «Колебания и волны», «Волновая оптика», «Квантовая физика». При решении физических проблем с применением системы компьютерной математики в курсе общей физики целью является наглядная иллюстрация того или иного явления, а потому помимо встроенных функций и операторов для вычислений использовано и графическое представление в виде 3D-моделей.

На рис. 1 представлена рабочая страница (Worksheet) задачи, моделирующей фигуры Лиссажу при сложении взаимноперпендикулярных колебаний. Изменяя исходные данные, легко видеть, как изменяется вид фигуры.

Кроме прочего, Mathcad позволяет создавать анимации, которые сохраняются в файле с расширением .avi. Решения некоторых задач включают такие анимированные ролики. Основной принцип анимации в Mathcad — покадровая анимация. Ролик анимации — это просто последовательность кадров, представляющих собой некоторый участок документа, который выделяется пользователем.

Рисунок 2

Расчеты производятся обособленно для каждого кадра, причем формулы и графики, которые в нем содержатся, должны быть функцией от номера кадра. Номер кадра задается системной переменной FRAME, которая может принимать лишь натуральные значения. На рис. 2 представлен кадр анимационного ролика, демонстрирующего изменение фигуры Лиссажу при изменении разности фаз складываемых колебаний.

Mathcad делает изучение физики более легким и интересным, поскольку избавляет от массы рутинной вычислительной работы и в то же время позволяет рассмотреть множество интересных вопросов на очень высоком и часто профессиональном уровне. Данный пакет позволяет не только наглядно иллюстрировать физические явления, но и служит моделью того, как можно использовать Mathcad при изучении спецкурсов и в дальнейшей профессиональной деятельности.

Литература:

1. В.П. Дьяконов. Энциклопедия Mathcad 2011i и Маткад 11. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 832 с.

2. K.D. Muller. Learning by computing, with examples using Mathcad. – NY: Springer – Verlag, 2003. – р. 460.