Применение программных средств учебного назначения на уроках физики и информатики

При изучении естественнонаучных и технических дисциплин ПК может эффективно использоваться как часть экспериментальной установки, учебной автоматизированной системы управления, в качестве программируемого источника сигналов и регистрирующего устройства.

Табл. 1.

1.2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Развитие компьютерной техники и средств связи обусловило появление распространение вычислительных сетей. Школы и вузы имеют компьютерные классы и лаборатории, в которых ПК объединены в локальную сеть, допускающую вход в Интернет.

Совокупность ПК после их объединения в сеть приобретает качественно иные свойства, расширяя возможности пользователя. Использование общих информационных и аппаратных ресурсов позволяет изменить работу учителя и учащихся, применяемую методику. Учитель, сидя за головным компьютером, может обратиться по сети к другому ПК, за которым работает учащийся, скачать с него файлы, либо использовать его аппаратные ресурсы (накопитель, Web-камера, сканер, принтер и т.д.)

Интернет-технология — автоматизированный способ хранения, передачи и получения требуемой информации, существующей в режиме постоянного обновления, с помощью глобальной телекоммуникационной сети. Всемирная Паутина (World Wide Web — WWW) позволяет получать доступ к различным каталогам, базам данных, пользоваться электронной доской объявлений, проводить компьютерные конференции, общаться в реальном масштабе времени, то есть читать информацию по мере ее ввода другим пользователем. Это делает возможным дистанционное образование, предполагающее доступ обучаемых к информационным ресурсам по Интернет, использование электронной почты для рассылки учебных текстов и контрольных работ.

Полноценное информационное обеспечение учебного процесса предусматривает создание единого информационно-образовательного пространства. Для этого необходимо:

1. Объединить ПК одного или нескольких компьютерных классов в единую локально-вычислительную сеть (ЛВС), создать сервер, обеспечить авторизацию и регистрацию пользователей.
2. Организовать файл-сервер, обеспечивающий электронный документооборот, запись и чтение файлов, хранящихся на сервере, с любого ПК сети.
3. На сервере создать динамично развивающийся внутренний сайт, содержащий файлы с конспектами лекций, учебными программами, методическими рекомендациями и т.д. Файлы должны быть в формате .html и содержать гипертекстовые ссылки на другие файлы. Через модем подключить сервер к глобальной сети Интернет, установить программное обеспечение, позволяющее выйти в Интернет с любого ПК локальной сети.
4. Создать внешний сайт учебного учреждения или его подразделения, разместить его на сервере провайдера (организации, обеспечивающей подключение к Интернет).

Организация ЛВС и ее подключение к Интернет качественно изменяет работу учителя и учащихся, позволяя сделать следующее:

1. Создать на сервере базу данных, содержащую, например, информацию об учащихся, их оценки. Система позволяет обратиться к базе данных с запросом и выдать на ПК требуемую информацию.
2. При наличии доступа авторизированный пользователь может с любого ПК изменить содержимое базы данных.
3. Обеспечить сохранение на сервере учебных и иных работ учащихся и учителя. Каждая группа пользователей может иметь свои имя и пароль, которые позволяют им считывать и записывать файлы в соответствующую папку сервера.
4. Просмотреть внутренний сайт образовательного учреждения (ее подразделения), скачать электронный вариант лекций, учебных заданий, методических рекомендаций, экзаменационных билетов, а также создать свою Web-страницу.
5. Организовать тестирование с помощью интерактивных Web-страниц, обрабатывающих данные по CGI-сценарию. Учащиеся со своих ПК вызывают форму с вопросами теста, в которой они выбирают правильные ответы или заполняют открытые поля. Результаты тестирования обрабатывает специальная программа, размещенная на сервере. Она ставит оценку, которая записывается в файл и/или выводится на экран соответствующего ПК.
6. Подключиться к Интернету, использовать электронную почту, скачивать полезную информацию, использовать различные справочные системы, дистанционное образование.
7. Развивать внешний сайт образовательного учреждения (вуза, школы) или его подразделения (факультета, кафедры), публиковать на нем информационные материалы о планируемых и прошедших мероприятиях (олимпиадах, конференциях), работы учащихся и учителей.
8. Внешний сайт обычно включает в себя учебный раздел: дидактические материалы, программы курсов, учебные работы учащихся; раздел управления учебно-воспитательным процессом: база данных о преподавателях и студентах, различная документация, учебные планы, графики учебного процесса; информационный раздел: информация о факультете, кафедре студентах и выпускниках, новости, среда общения с разграниченным доступом (чат, форум, гостевая книга ...).
9. При этом вместе с статическими могут быть использованы динамические Web-страницы, обновление которых осуществляется автоматически в результате информационного обмена с базой данных. В базе данных сформированы несколько исходных таблиц, поля которых связаны между собой. Возможно создание вторичных таблиц, поля которых заполняются как результат математических и логических операций первичной таблицы. Внесение изменений в исходную таблицу приводит к соответствующим изменениям в других, связанных с ней таблицах. При запросе специальная компьютерная программа читает информацию из БД и осуществляет автоматическое формирование и обновление запрашиваемой Web-страницы, на которой отображаются требуемые поля первичной и вторичной таблиц. Эта система предусматривает авторизацию пользователя, ограничение доступа, изменение и пополнение базы данных по сети.

1.3 СВЯЗЬ МЕЖДУ ФИЗИКОЙ И ИНФОРМАТИКОЙ

Как уже отмечалось, преподавание физики, в первую очередь электродинамики, связано с изучением вычислительной техники и современных технологий сбора, хранения, обработки и передачи информации. Это обусловлено объективными причинами: развитие компьютерной техники и средств телекоммуникации стало возможным благодаря достижениям микроэлектроники, развитие которой опирается на физические законы. На примере этих устройств может быть показано значение физики для развития современной техники, ее роль в практической деятельности.

Учитель физики должен приблизительно ориентироваться в современной вычислительной технике, понимать назначение и функционирование различных устройств. На (Рис. 1.6.1) представлена структурная схема ЭВМ, на которой изображены процессор, системная шина, внешняя и внутренняя память, устройства ввода и вывода.

В идеале учитель должен уметь объяснять взаимодействие рассмотренных блоков компьютера при решении различных задач: ввод текста, выполнение математических операции, запись и считывание информации из внешней памяти, информационный обмен между оперативной памятью и устройствами ввода вывода и т.д. Учителю следует сообщить о возможности построения различных электронных устройств: логических элементов, выполняющих операции И, ИЛИ, НЕ, генератора импульсов, вырабатывающего прямоугольные импульсы, триггера, способного находиться в двух устойчивых состояниях и запоминать 1 бит информации и т.д. Учащиеся должны понимать, что на их основе могут быть созданы такие узлы ЭВМ, как регистр памяти, сумматор, арифметико-логическое устройство, оперативная память, шифратор и дешифратор и т.д. На уроке, посвященном принципу радиосвязи и передаче информации посредством электромагнитных волн, учитель может напомнить учащимся о современных достижениях в области телекоммуникации. Имеет смысл рассмотреть или упомянуть амплитудную, частотную и фазовую модуляции, принцип частотного и временного разделения канала связи, использование оптоволокна для одновременной коммутации нескольких источников и потребителей информации и т.д. Примерами использования внешнего и внутреннего фотоэффекта является работа лазерного принтера, сканера, фото и видео камеры, оптодатчиков. Изучение магнитных свойств вещества, явления остаточной намагниченности, электромагнитной индукции может сопровождаться рассмотрением работы магнитных запоминающих устройств.

Рассматривая технологии изготовления микросхем, учитель может напомнить, что большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС) составляют элементную базу современных ЭВМ. Электронная промышленность продолжает развиваться в направлении уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на кристалле. Это приводит к увеличению производительности процессора, росту тактовой частоты, снижению напряжения питания.

Так, в 2003 г. был освоен 90-нм технологический процесс, в 2005 осуществлен переход на 65-нм технологию, в 2007 планируется внедрение 45-нм технологии.

На уроке физики могут быть обсуждены перспективные направления развития компьютерной техники:

1. Молекулярные компьютеры. Компания IBM получила ротаксан — вещество, молекула которого обладает свойствами диода (1974 г.). Из нее можно сделать аналог транзистора, а из двух — аналог триггера. Переключения молекулы ротаксана из одного состояния в другое осуществляется с помощью света или слабого электрического поля. Тактовая частота процессора возрастет до 1 ТГц=1012 Гц. По прогнозам первый молекулярный компьютер появится к 2015 г.
2. Биокомпьютеры. Примером биокомпьютера является мозг человека. Применение в вычислительной технике биологических материалов делает возможным построение белковой памяти, создание биокомпьютера на ДНК. Он будет иметь малые размеры, высокое быстро- действие, потреблять мало энергии и может служить частью живого организма.
3. Нейрокомпьютеры. Это вычислительная система, созданная на базе нейронных систем живого мира. Примером искусственной нейронной сети является перцептрон Розенблата. Нейрокомпьютерам присущи параллельность обработки информации, способность к обучению, распознаванию образов, установлению ассоциативных связей, высокая надежность.
4. Оптические компьютеры. Логические операции могут быть реализованы с помощью оптических элементов, что позволяет упростить работу оптических повторителей и усилителей оптоволоконных линий дальней связи. При этом используется явление оптической бистабильности: за счет нелинейности оптической среды возможны два стационарных состояния прошедшей световой волны, отличающихся интенсивностью и поляризацией. Оптоволокно имеет предел пропускной способности в 5-10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны. По каждому волокну может пропускаться до 8 лучей с разными длинами волн. Применяемые ЭВМ перейдут на оптическую основу, это позволит сохранять сигнал в световой форме и существен повысить быстродействие.
5. Квантовые компьютеры. Квантовые вычислительные системы состоят из совокупности микрочастиц (атомов), способных переходить из одного энергетического состояния в другое. Это осуществляется за счет вынужденных переходов атомов под действием световых волн.
6. (фотонов) с частотой . Спонтанные переходы должны быть исключены. При этом могут быть реализованы все логические операции: И, ИЛИ, НЕ. Единицей информации является кубит (qubit, Quantum Bit). Двум значениям кубита 0 и 1 могут соответствовать основное и возбужденное состояния атома, различная ориентация спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце и т.д. Условия работы квантового компьютера: 1) известно точное число частиц; 2) имеется способ приведения системы в определенное начальное состояние; 3) система изолирована от внешней среды; 4) имеется возможность изменения состояния системы требуемым образом.
7. В будующем электронно-вычислительная техника объединится не только со средствами связи, различными технологическими процессами, но и с биологическими организмами. Станет возможным создание искусственных имплантантов, человеко-машинных киборгов, разумных роботов-адроидов. К 2050 году ЭВМ достигнет мощности человеческого мозга.

ГЛАВА 2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения систем. 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 позволяют выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемых объектов, исследовать отклик физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Компьютерное моделирование требует абстрагирования от конкретной природы явлений, построения сначала качественной, а затем и количественной моделей. За этим следует проведение серии вычислительных экспериментов на ЭВМ, интерпретация результатов, сопоставление результатов моделирования с поведением исследуемого объекта, последующее уточнение модели и т.д.

К основным этапам компьютерного моделирования относятся: постановка задачи, определение объекта моделирования; разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия; формализация, то есть переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы; планирование и проведение компьютерных экспериментов; анализ и интерпретация результатов.

Различают аналитическое и имитационное моделирование. Аналитическими называются модели реального объекта, использующие алгебраические и другие уравнения, а также предусматривающие осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. Имитационными называются математические модели, воспроизводящие алгоритм функционирования исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Принципы моделирования [3]:

1. Принцип информационной достаточности. При полном отсутствии информации об объекте построить модель невозможно. При наличии полной информации моделирование лишено смысла. Существует уровень информационной достаточности, при достижении которого может быть построена модель системы.
2. Принцип осуществимости. Создаваемая модель должна обеспечивать достижение поставленной цели исследования за конечное время.
3. Принцип множественности моделей. Любая конкретная модель отражает лишь некоторые стороны реальной системы. Для полного исследования необходимо построить ряд моделей исследуемого процесса, причем каждая последующая модель должна уточнять предыдущую.
4. Принцип системности. Исследуемая система представима в виде совокупности взаимодействующих друг с другом подсистем, которые моделируются стандартными математическими методами. При этом свойства системы не являются суммой свойств ее элементов.
5. Принцип параметризации. Некоторые подсистемы моделируемой системы могут быть охарактеризованы единственным параметром: вектором, матрицей, графиком, формулой.