Municipale Autonome

établissement d'enseignement

"École secondaire n°31"

Syktyvkar

Expérience informatique

dans un cours de physique au lycée.

Reizer E.E.

République des Komis

g .Syktyvkar

CONTENU:

JE. Introduction

II. Types et rôle de l'expérimentation dans le processus d'apprentissage.

III. Utiliser un ordinateur dans les cours de physique.

V. Conclusion.

VI. Glossaire.

VII. Bibliographie.

VIII. Applications:

1. Classification des expériences physiques

2. Résultats de l'enquête auprès des étudiants

3. Utilisation d'un ordinateur lors d'une expérience de démonstration et résolution de problèmes

4. Utilisation d'un ordinateur pendant

Travaux pratiques et laboratoire

EXPÉRIENCE INFORMATIQUE

DANS LE COURS DE PHYSIQUE DU SECONDAIRE.

…Il est temps d'armer

les enseignants avec un nouvel outil,

et le résultat est immédiat

affectera les générations suivantes.

Potachnik M.M.,

Académicien de l'Académie russe de l'éducation, docteur en sciences pédagogiques, professeur.

JE. Introduction.

La physique est une science expérimentale. L'activité scientifique commence par l'observation. L'observation est plus précieuse lorsque les conditions qui l'affectent sont précisément contrôlées. Ceci est possible si les conditions sont constantes, connues et peuvent être modifiées à la demande de l'observateur. L'observation effectuée dans des conditions strictement contrôlées est appelée expérience. Et les sciences exactes se caractérisent par un lien organique entre les observations et l'expérimentation avec la détermination de valeurs numériques des caractéristiques des objets et des processus étudiés.

Une expérience est la partie la plus importante de la recherche scientifique, dont la base est une expérience menée scientifiquement dans des conditions précisément prises en compte et contrôlées. Le mot expérience lui-même vient du latin expérimentum- essai, expérience. Dans le langage scientifique et les travaux de recherche, le terme « expérience » est généralement utilisé dans un sens commun à un certain nombre de concepts connexes : expérience, observation ciblée, reproduction d'un objet de connaissance, organisation de conditions particulières pour son existence, vérification de prédiction. Ce concept inclut la mise en place scientifique d'expériences et l'observation du phénomène étudié dans des conditions précisément prises en compte, ce qui permet de suivre le déroulement du phénomène et de le recréer à chaque fois que ces conditions se répètent. La notion même d'« expérimentation » désigne une action visant à créer les conditions de mise en œuvre d'un phénomène particulier et, si possible, le plus fréquent, c'est-à-dire pas compliqué par d'autres phénomènes. L'objectif principal de l'expérience est d'identifier les propriétés des objets étudiés, de tester la validité des hypothèses et, sur cette base, une étude large et approfondie du sujet de la recherche scientifique.

AvantXVIIIc., quand la physique était une heurecette philosophie, les scientifiques ont considéré les journauxles conclusions scientifiques sont sa base, et seulementexpérience de pensée pourrait être pourils sont convaincants pour se forger une opinionsur la structure du monde, fi de baselois zytiques. Galilée, queconsidéré à juste titre comme le père de l'expérimentationphysique réelle, ne pouvait rien prouver à ses contemporains en menant des expériences avecchutes de boules de différentes masses de Pisantour du ciel. "L'idée de Galilée a suscité des remarques dédaigneuses et une perplexité."Expérience de pensée suranalyse du comportement de trois corps de masse égalesy, dont deux étaient apparentésun indice s'est avéré être pour ses collèguesplus convaincant que directementexpérience finale.

De la même manière, Galilée a prouvé la validité de la loi de l'inertie avec deux plans inclinés et des boules se déplaçant le long d'eux. I. Newton lui-même a tenté de justifier les lois connues et découvertes par lui dans son livre « Fondements mathématiques de la philosophie naturelle », en utilisant le schéma d'Euclide, en introduisant des axiomes et des théorèmes basés sur eux. Sur la couverture de ce livre

représente la Terre, la montagne (G) et un canon ( P.) (Fig. 1).

Le canon tire des boulets de canon qui tombent à différentes distances de la montagne en fonction de leur vitesse initiale. À une certaine vitesse, le noyau fait un tour complet autour de la Terre. Newton, avec son dessin, a suggéré la possibilité de créer des satellites artificiels de la Terre, créés plusieurs siècles plus tard.

À ce stade de développement de la physique, une expérience de pensée était nécessaire, car en raison du manque d'instruments et de bases technologiques nécessaires, une véritable expérience était impossible. L'expérience de pensée a été utilisée à la fois par D.C. Maxwell lors de la création d'un système d'équations de base de l'électrodynamique (bien que les résultats d'expériences naturelles menées plus tôt par M. Faraday aient également été utilisés) et par A. Einstein lors du développement de la théorie de la relativité.

Ainsi, les expériences de pensée sont l’une des composantes du développement de nouvelles théories. La plupart des expériences physiques ont d'abord été simulées et réalisées mentalement, puis en réalité. Nous donnerons ci-dessous des exemples d'expériences de pensée qui ont joué un rôle important dans le développement de la physique.

Au 5ème siècle AVANT JC. Le philosophe Zénon a créé une contradiction logique entre les phénomènes réels et ce qui peut être obtenu par des déductions logiques. Il a proposé une expérience de pensée dans laquelle il a montré qu'une flèche n'attraperait jamais un canard (Fig. 2).

G. Galilée, dans son travail scientifique, a eu recours à un raisonnement basé sur le bon sens, en se référant aux soi-disant « expériences mentales ». Les disciples d'Aristote, réfutant les idées de Galilée, ont cité un certain nombre d'arguments « scientifiques ». Cependant, Galilée était un grand polémiste et ses contre-arguments étaient indéniables. Pour les scientifiques de cette époque, le raisonnement logique était plus convaincant que les preuves expérimentales.

Physique du "Crétacé", comme d'autres méthodes d'enseignement de la physique qui ne correspondent pas à la méthode expérimentale de compréhension de la nature, a commencé à attaquer l'école russe il y a environ 10 à 12 ans. Au cours de cette période, le niveau de fourniture d’équipements scolaires est tombé en dessous de 20 % de ce qui était nécessaire ; l'industrie qui produisait du matériel éducatif a pratiquement cessé de fonctionner ; Le poste budgétaire dit protégé « pour l'équipement », qui ne pouvait être dépensé que conformément à sa destination, a disparu des prévisions scolaires. Lorsque la situation critique s'est avérée, le sous-programme « Cabinet de physique » a été inclus dans le programme fédéral « Technologie éducative ». Dans le cadre du programme, la production d'équipements classiques a été restaurée et des équipements scolaires modernes ont été développés, notamment en utilisant les dernières technologies de l'information et informatiques. Les changements les plus radicaux ont eu lieu dans les équipements pour le travail frontal ; des ensembles thématiques d'équipements en mécanique, physique moléculaire et thermodynamique, électrodynamique et optique ont été développés et produits en grande quantité (l'école dispose d'un ensemble complet de ces nouveaux équipements pour ces sections ).

Le rôle et la place de l'expérimentation indépendante dans le concept d'éducation physique ont changé : l'expérimentation n'est pas seulement un moyen de développer des compétences pratiques, elle devient un moyen de maîtriser la méthode de cognition. L'ordinateur a « fait irruption » dans la vie scolaire à une vitesse fulgurante.

L'ordinateur ouvre de nouvelles voies dans le développement de la pensée, offrant de nouvelles opportunités d'apprentissage actif. Donner des cours à l'aide d'un ordinateur

les exercices, les tests et les travaux de laboratoire, ainsi que l'enregistrement des progrès deviennent plus efficaces et un énorme flux d'informations devient facilement accessible. L'utilisation d'un ordinateur dans les cours de physique contribue également à mettre en œuvre le principe de l'intérêt personnel de l'élève pour l'apprentissage de la matière et de nombreux autres principes de l'éducation au développement.
Cependant, à mon avis, un ordinateur ne peut pas remplacer complètement un enseignant. L'enseignant a la possibilité d'intéresser les élèves, d'éveiller leur curiosité, de gagner leur confiance, il peut orienter leur attention sur certains aspects de la matière étudiée, récompenser leurs efforts et les forcer à apprendre. Un ordinateur ne pourra jamais assumer un tel rôle d’enseignant.

L'éventail de l'utilisation de l'ordinateur dans les activités parascolaires est également large : il contribue au développement de l'intérêt cognitif pour le sujet, élargit les possibilités de recherche créative indépendante pour les étudiants en physique les plus enthousiastes.

II. Types et rôle de l'expérimentation dans le processus d'apprentissage.

Principaux types d'expériences physiques :

Expérience de démonstration ;

Travail de laboratoire frontal ;

Atelier physique;

Tâche expérimentale ;

Travaux expérimentaux à domicile ;

Expérimentez avec un ordinateur (nouvelle vue).

Expérience de démonstration est l'une des composantes d'une expérience physique pédagogique et est une reproduction de phénomènes physiques par un enseignant sur une table de démonstration à l'aide d'instruments spéciaux. Il fait référence à des méthodes d’enseignement expérientielles illustratives. Le rôle d'une expérience de démonstration dans l'enseignement est déterminé par le rôle que joue l'expérience en physique et en science en tant que source de connaissances et critère de sa vérité, et par ses capacités à organiser les activités éducatives et cognitives des étudiants.

L’importance de l’expérience physique de démonstration est la suivante :

Les étudiants se familiarisent avec la méthode expérimentale de connaissance en physique, avec le rôle de l'expérience dans la recherche physique (ils développent ainsi une vision scientifique du monde) ;

L'étudiant développe certaines compétences expérimentales : la capacité d'observer des phénomènes, la capacité d'émettre des hypothèses, la capacité de planifier une expérience, la capacité d'analyser des résultats, la capacité d'établir des relations entre des quantités, la capacité de tirer des conclusions, etc.

Une expérience de démonstration, étant un moyen de clarté, permet d'organiser la perception par les élèves du matériel pédagogique, sa compréhension et sa mémorisation ; permet la formation polytechnique des étudiants; contribue à accroître l’intérêt pour l’étude de la physique et à créer une motivation pour l’apprentissage. Mais lorsqu’un enseignant mène une expérience de démonstration, les élèves se contentent d’observer passivement l’expérience menée par l’enseignant, sans rien faire de leurs propres mains. Il est donc nécessaire que les étudiants en physique effectuent des expériences indépendantes.

L'enseignement de la physique ne peut pas être présenté uniquement sous forme de cours théoriques, même si les étudiants se voient présenter des expériences physiques de démonstration en classe. À tous les types de perception sensorielle, il faut impérativement ajouter le « travail des mains » en classe. Ceci est réalisé lorsque les étudiants terminent expérience physique en laboratoire, lorsqu'ils assemblent eux-mêmes des installations, effectuent des mesures de grandeurs physiques et réalisent des expériences. Les cours de laboratoire suscitent un très grand intérêt chez les étudiants, ce qui est tout à fait naturel, puisque dans ce cas l'étudiant découvre le monde qui l'entoure à partir de sa propre expérience et de ses propres ressentis.

L'importance des cours de laboratoire en physique réside dans le fait que les étudiants développent des idées sur le rôle et la place de l'expérimentation dans la connaissance. En réalisant des expériences, les étudiants développent des compétences expérimentales, qui comprennent à la fois des compétences intellectuelles et pratiques. Le premier groupe comprend les compétences nécessaires pour déterminer le but d'une expérience, émettre des hypothèses, sélectionner des instruments, planifier une expérience, calculer les erreurs, analyser les résultats et rédiger un rapport sur le travail effectué. Le deuxième groupe comprend les compétences nécessaires pour assembler une configuration expérimentale, observer, mesurer et expérimenter.

De plus, l'importance de l'expérience en laboratoire réside dans le fait qu'en la réalisant, les étudiants développent des qualités personnelles aussi importantes que la précision dans le travail avec les instruments ; maintien de la propreté et de l'ordre sur le lieu de travail, dans les notes prises lors de l'expérimentation, organisation, persévérance dans l'obtention des résultats. Ils développent une certaine culture du travail mental et physique.

- il s'agit d'un type de travaux pratiques où tous les élèves d'une classe réalisent simultanément le même type d'expérience en utilisant le même matériel. Les travaux de laboratoire de première ligne sont le plus souvent réalisés par un groupe d'étudiants composé de deux personnes ; il est parfois possible d'organiser un travail individuel. En conséquence, le bureau devrait disposer de 15 à 20 ensembles d'instruments pour le travail frontal en laboratoire. Le nombre total de ces appareils sera d'environ un millier de pièces. Les noms des travaux de laboratoire frontal sont donnés dans le programme. Il y en a beaucoup, ils sont fournis pour presque tous les sujets du cours de physique. Avant d'effectuer le travail, l'enseignant identifie la volonté des élèves d'effectuer consciemment le travail, détermine avec eux son objectif, discute de l'avancement du travail, des règles de travail avec les instruments et des méthodes de calcul des erreurs de mesure. Le travail de laboratoire frontal n'a pas de contenu très complexe, est étroitement lié chronologiquement à la matière étudiée et, en règle générale, est conçu pour une leçon. Des descriptions des travaux de laboratoire peuvent être trouvées dans les manuels de physique scolaires.

Atelier de physique est réalisé dans le but de répéter, d'approfondir, d'élargir et de généraliser les connaissances acquises dans divers sujets du cours de physique, de développer et d'améliorer les compétences expérimentales des étudiants en utilisant des équipements plus complexes, une expérience plus complexe et de développer leur indépendance dans la résolution de problèmes liés à l’expérience. Un atelier de physique n'est pas temporel par rapport à la matière étudiée ; il se tient en règle générale à la fin de l'année universitaire, parfois à la fin du premier et du deuxième semestre, et comprend une série d'expériences sur un sujet particulier. Les étudiants effectuent des travaux pratiques physiques en groupe de 2 à 4 personnes à l'aide de divers équipements ; Lors des cours suivants, il y a un changement de travail, qui s'effectue selon un horaire spécialement conçu. Lors de l'élaboration d'un planning, tenez compte du nombre d'élèves dans la classe, du nombre d'ateliers et de la disponibilité du matériel. Chaque atelier de physique se voit attribuer deux heures d'enseignement, ce qui nécessite l'introduction de doubles cours de physique dans le planning. Cela présente des difficultés. Pour cette raison et faute de matériel nécessaire, des ateliers physiques d’une heure sont pratiqués. Il est à noter que le travail de deux heures est préférable, car les travaux en atelier sont plus complexes que les travaux frontaux en laboratoire, ils sont réalisés sur des équipements plus complexes, et la part de participation indépendante des étudiants est bien plus importante que dans le cas de travail de laboratoire frontal. Pour chaque travail, l'enseignant doit rédiger une notice qui doit contenir le nom, le but, la liste des appareils et équipements, une brève théorie, une description des appareils inconnus des élèves et un plan pour réaliser le travail. Après avoir terminé le travail, les étudiants doivent remettre un rapport qui doit contenir le titre du travail, le but du travail, une liste d'instruments, un schéma ou un dessin de l'installation, un plan d'exécution du travail, un tableau des résultats. , formules par lesquelles les valeurs des quantités ont été calculées, calculs des erreurs de mesure et conclusions. Lors de l'évaluation du travail des étudiants en atelier, il convient de prendre en compte leur préparation au travail, un rapport sur le travail, le niveau de développement des compétences, la compréhension du matériel théorique et les méthodes de recherche expérimentale utilisées.

N et aujourd'hui l'intérêt pourex tâche périmentale encore dicté et les raisons sociales et économiquesCaractère chinois. En raison du « sous-financement » actuel de l’école, nouslaboratoire de vieillissement physique et physiqueLa base de bureaux du ator est exla tâche périmentale peut jouerpour l'école le rôle d'un itinéraire de secours, quiry est capable de sauver l'ex physiqueexpérience. La garantie en est la surprisecombinaison parfaite de simplicité d'équipementconnaissance de la physique sérieuse et profonde,ce que l'on peut observer dans les meilleurs exemples de ces problèmes. Coupe organique expérimentaltâches en traditionnel programme d'enseignement cours de physique à l'écoledevient possible seulement lorsqu'il est utilisé approprié

les technologies.

habituer les élèves à élargir de manière autonome les connaissances acquises en classe et à en acquérir de nouvelles, à développer des compétences expérimentales grâce à l'utilisation d'articles ménagers et d'appareils faits maison ; développer l'intérêt; fournir un feedback (les résultats obtenus lors du DER peuvent constituer un problème à résoudre dans la leçon suivante ou peuvent servir de renforcement du matériel).

Tout ce qui précède types principaux l'expérience physique éducative doit être complétée par une expérience utilisant un ordinateur, des tâches expérimentales et des travaux expérimentaux à domicile. Possibilités ordinateur permettre
varier les conditions expérimentales, construire indépendamment des modèles d'installations et observer leur travail, développer la capacité expérimentétravailler avec des modèles informatiques, effectuer des calculs automatiquement.

De notre point de vue, ce type d’expérimentation devrait compléter l’expérimentation pédagogique à toutes les étapes de l’apprentissage par l’activité, car elle contribue au développement de l’imagination spatiale et de la pensée créatrice.

III . Utiliser un ordinateur dans les cours de physique.

La physique est une science expérimentale. Il est difficile d’imaginer étudier la physique sans travaux de laboratoire. Malheureusement, l'équipement d'un laboratoire physique ne permet pas toujours un travail de laboratoire programmatique et ne permet pas l'introduction de nouveaux travaux nécessitant un équipement plus complexe. Un ordinateur personnel vient à la rescousse, qui permet d'effectuer des travaux de laboratoire assez complexes. Dans ceux-ci, l'enseignant peut, à sa discrétion, modifier les paramètres initiaux des expériences, observer comment le phénomène lui-même change en conséquence, analyser ce qu'il a vu et tirer les conclusions appropriées.

La création de l'ordinateur personnel a donné naissance à de nouvelles technologies de l'information qui améliorent considérablement la qualité de l'assimilation de l'information, en accélèrent l'accès et permettent l'utilisation de la technologie informatique dans une grande variété de domaines de l'activité humaine.

Les sceptiques diront qu'aujourd'hui un ordinateur multimédia personnel est trop cher pour équiper les écoles secondaires. Cependant, l'ordinateur personnel est le fruit du progrès, et le progrès, comme nous le savons, ne peut être arrêté par des difficultés économiques temporaires (ralenti - oui, arrêté - jamais). Afin de suivre le niveau moderne de la civilisation mondiale, il devrait être introduit, si possible, dans nos écoles russes.

Ainsi, l'ordinateur passe d'une machine exotique à un autre outil pédagogique technique, peut-être le plus puissant et le plus efficace de tous les moyens techniques existants dont l'enseignant disposait.

Il est bien connu qu'un cours de physique au lycée comprend des sections dont l'étude et la compréhension nécessitent une pensée imaginative développée, la capacité d'analyse et de comparaison. Tout d'abord, nous parlons de sections telles que « Physique moléculaire », certains chapitres « Électrodynamique », « Physique nucléaire », « Optique », etc. À proprement parler, dans n'importe quelle section du cours de physique, vous pouvez trouver des chapitres qui sont difficile à comprendre.

Comme le montre 14 années d'expérience professionnelle, les étudiants ne possèdent pas les capacités de réflexion nécessaires pour une compréhension approfondie des phénomènes et des processus décrits dans ces sections. Dans de telles situations, des moyens pédagogiques techniques modernes, et en premier lieu un ordinateur personnel, viennent en aide à l'enseignant.

L'idée d'utiliser un ordinateur personnel pour simuler divers phénomènes physiques, démontrer la structure et le principe de fonctionnement d'appareils physiques est née il y a plusieurs années, dès l'apparition de la technologie informatique à l'école. Déjà les premiers cours sur ordinateur ont montré qu'avec leur aide, il est possible de résoudre un certain nombre de problèmes qui ont toujours existé dans l'enseignement de la physique à l'école.

Citons-en quelques-uns. De nombreux phénomènes ne peuvent pas être démontrés dans une classe de physique scolaire. Par exemple, il s'agit de phénomènes du micromonde, de processus qui se produisent rapidement ou d'expériences avec des instruments qui ne se trouvent pas au bureau. En conséquence, les élèves ont du mal à les apprendre car ils sont incapables de les imaginer mentalement. Un ordinateur peut non seulement créer un modèle de tels phénomènes, mais vous permet également de modifier les conditions du processus et de le « faire défiler » à une vitesse optimale d'assimilation.

L'étude de la structure et du principe de fonctionnement de divers dispositifs physiques fait partie intégrante des cours de physique. Habituellement, lors de l'étude d'un appareil particulier, l'enseignant le démontre, explique le principe de fonctionnement, à l'aide d'un modèle ou d'un schéma. Mais les étudiants ont souvent du mal à imaginer toute la chaîne de processus physiques qui assurent le fonctionnement d'un appareil donné. Des programmes informatiques spéciaux permettent « d'assembler » un appareil à partir de pièces individuelles et de reproduire de manière dynamique et à vitesse optimale les processus qui sous-tendent le principe de son fonctionnement. Dans ce cas, il est possible de « faire défiler » l'animation plusieurs fois.

Bien entendu, l'ordinateur peut être utilisé dans d'autres types de cours : pour étudier de manière indépendante du nouveau matériel, pour résoudre des problèmes, lors de tests.

A noter également que l'utilisation de l'ordinateur dans les cours de physique en fait un véritable processus créatif et permet de mettre en œuvre les principes de l'éducation au développement.

Il faut dire quelques mots sur le développement des cours d'informatique. Nous connaissons des paquets de programmes pour la physique « scolaire », développés à l'Université de Voronej, au Département de physique et de mathématiques de l'Université d'État de Moscou, et les auteurs ont à leur disposition un manuel électronique sur disque laser, « La physique en images », qui a devenir largement connu. La plupart d'entre eux sont réalisés de manière professionnelle, ont de beaux graphismes, contiennent de bonnes animations, ils sont multifonctionnels, bref, ils ont beaucoup d'avantages. Mais pour la plupart, ils ne rentrent pas dans le cadre de cette leçon particulière. Avec leur aide, il est impossible d'atteindre tous les objectifs fixés par l'enseignant pendant la leçon.

Après avoir dispensé nos premiers cours d'informatique, nous sommes arrivés à la conclusion qu'ils nécessitent une préparation particulière. Nous avons commencé à écrire des scénarios pour de telles leçons, en y « tissant » organiquement à la fois une expérience réelle et une expérience virtuelle (c'est-à-dire mise en œuvre sur un écran de contrôle). Je voudrais surtout noter que la modélisation de divers phénomènes ne remplace en aucun cas les expériences réelles et « vivantes », mais en combinaison avec elles, elle permet d'expliquer le sens de ce qui se passe à un niveau supérieur. L'expérience de notre travail montre que de tels cours suscitent un réel intérêt chez les élèves et obligent tout le monde à travailler, même les enfants qui trouvent la physique difficile. Dans le même temps, la qualité des connaissances augmente sensiblement. Les exemples d'utilisation d'un ordinateur en classe comme TSO peuvent se poursuivre pendant assez longtemps.

L'ordinateur est largement utilisé comme technique de multiplication pour tester les élèves et réaliser des tests à choix multiples (chacun a sa propre tâche). Dans tous les cas, grâce aux programmes de recherche, un enseignant peut trouver beaucoup de choses intéressantes sur Internet.

L'ordinateur est un assistant indispensable dans les cours parascolaires, pour effectuer des travaux pratiques et de laboratoire et pour résoudre des problèmes expérimentaux. Les étudiants l'utilisent pour traiter les résultats de leurs petits travaux de recherche : réaliser des tableaux, construire des graphiques, effectuer des calculs, créer des modèles simples de processus physiques. Cette utilisation d'un ordinateur développe les compétences d'acquisition autonome de connaissances, la capacité d'analyser les résultats et forme la pensée physique.

IV. Exemples d'utilisation d'un ordinateur dans différents types d'expériences.

L'ordinateur en tant qu'élément du dispositif expérimental pédagogique est utilisé à différentes étapes de la leçon et dans presque tous les types d'expériences (généralement des expériences de démonstration et des travaux de laboratoire).

Leçon « Structure de la matière » (expérience de démonstration)

Objectif : étudier la structure de la matière dans différents états d'agrégation, identifier quelques régularités dans la structure des corps à l'état gazeux, liquide et solide.

Lors de l’explication d’un nouveau matériel, l’animation par ordinateur est utilisée pour démontrer clairement la disposition des molécules dans différents états d’agrégation.

L'ordinateur permet de montrer les processus de transition d'un état d'agrégation à un autre, l'augmentation de la vitesse de déplacement des molécules avec l'augmentation de la température, le phénomène de diffusion et la pression des gaz.

Leçon de résolution de problèmes sur le thème : « Mouvement selon un angle par rapport à l'horizon ».

Objectif : étudier le mouvement balistique, son application dans la vie quotidienne.

À l’aide d’une animation par ordinateur, vous pouvez montrer comment la trajectoire du mouvement d’un corps (altitude et distance de vol) change en fonction de la vitesse initiale et de l’angle d’incidence. Utiliser un ordinateur de cette manière permet de le faire en quelques minutes, ce qui permet de gagner du temps pour résoudre d'autres problèmes et évite aux élèves d'avoir à faire un dessin pour chaque problème (ce qu'ils n'aiment pas vraiment faire).

Le modèle démontre le mouvement d'un corps projeté selon un angle par rapport à l'horizontale. Vous pouvez modifier la hauteur initiale, ainsi que l'ampleur et la direction de la vitesse du corps. En mode « Strobe », le vecteur vitesse du corps lancé et ses projections sur les axes horizontal et vertical sont affichés sur la trajectoire à intervalles réguliers.

Travaux de laboratoire « Etude d'un procédé isotherme ».

Objectif : Établir expérimentalement la relation entre la pression et le volume de gaz à température constante.

Les travaux sont entièrement accompagnés d'un ordinateur (nom, destination, choix du matériel, procédure d'exécution des travaux, calculs nécessaires). L'objet est l'air dans le tube. Les paramètres dans deux états sont pris en compte : original et compressé. Les calculs correspondants sont effectués. Les résultats sont comparés et un graphique est construit sur la base des données obtenues.

Tâche expérimentale : déterminer le nombre Pi par pesée.

Objectif : déterminer la valeur de Pi de différentes manières. Montrer qu'il peut être égal à 3,14 par pesée.

Pour réaliser le travail, un carré et un cercle sont découpés dans le même matériau de manière à ce que le rayon du cercle soit égal au côté du carré, et ces chiffres sont pesés. Le nombre Pi est calculé par le rapport des masses d'un cercle et d'un carré.

Expérience à domicile pour étudier les caractéristiques du mouvement oscillatoire.

Objectif : consolider les connaissances acquises dans la leçon sur la période et la fréquence des oscillations d'un pendule mathématique.

Un modèle de pendule oscillant est réalisé à partir de moyens improvisés (un petit corps est suspendu à une corde) ; pour l'expérience, il faut disposer d'une montre avec une trotteuse ; Après avoir compté 30 oscillations pendant un certain temps, la période et la fréquence sont calculées. Vous pouvez mener une expérience avec différents corps, en établissant que les caractéristiques des vibrations ne dépendent pas du corps. Et aussi, en menant une expérience avec des fils de différentes longueurs, vous pouvez établir la dépendance correspondante. Tous les résultats à domicile doivent être discutés en classe.

Tâche expérimentale : calcul du travail et de l'énergie cinétique.

Objectif : montrer comment la valeur du travail mécanique et de l'énergie cinétique dépend de diverses conditions du problème.

À l’aide d’un ordinateur, la relation entre la gravité (poids corporel), la force de traction, l’angle d’application de la force et le coefficient de frottement est très rapidement révélée.

Le modèle illustre la notion de travail mécanique à l'aide de l'exemple du mouvement d'un bloc sur un plan avec frottement sous l'action d'une force extérieure dirigée selon un certain angle par rapport à l'horizon. En modifiant les paramètres du modèle (masse du bloc t, coefficient de frottement, module et direction de la force agissante F ), vous pouvez surveiller la quantité de travail effectué lorsque le bloc bouge, la force de frottement et la force externe. Vérifiez par une expérience informatique que la somme de ces travaux est égale à l'énergie cinétique du bloc. Veuillez noter que le travail effectué par la force de frottement UN toujours négatif.

Des tâches similaires peuvent être utilisées pour contrôler les connaissances des élèves. L'ordinateur permet de modifier rapidement les paramètres de la tâche, créant ainsi un grand nombre d'options (la tricherie est éliminée). L'avantage de ce type de travail est une vérification rapide. Le travail peut être vérifié immédiatement en présence des étudiants. Les étudiants obtiennent des résultats et peuvent évaluer eux-mêmes leurs connaissances.

Préparation à l'examen d'État unifié.

Objectif : apprendre aux enfants à répondre rapidement et correctement aux questions du test.

À ce jour, un programme a été élaboré pour préparer les étudiants à la réussite de l'examen d'État unifié. Il contient des tâches de test de différents niveaux de difficulté pour toutes les sections du cours de physique scolaire.

V. Conclusion.

Enseigner la physique à l’école implique d’accompagner constamment le cours d’expériences de démonstration. Cependant, dans les écoles modernes, mener des travaux expérimentaux en physique est souvent difficile en raison du manque de temps d'enseignement et du manque de matériel et d'équipements techniques modernes. Et même si le laboratoire de la classe de physique est entièrement équipé des instruments et du matériel nécessaires, une véritable expérience nécessite beaucoup plus de temps tant pour la préparation et la réalisation que pour l'analyse des résultats du travail. De plus, en raison de ses spécificités (mesure importante). erreurs, limitations de temps de la leçon, etc.) une expérience réelle ne réalise souvent pas son objectif principal - servir de source de connaissances sur les modèles et les lois physiques. Toutes les dépendances identifiées ne sont qu'approximatives ; souvent une erreur correctement calculée dépasse les valeurs mesurées elles-mêmes.

Une expérience informatique peut compléter la partie « expérimentale » d’un cours de physique et augmenter considérablement l’efficacité des cours. Lorsque vous l'utilisez, vous pouvez isoler l'essentiel d'un phénomène, supprimer des facteurs mineurs, identifier des modèles, effectuer des tests à plusieurs reprises avec des paramètres variables, enregistrer les résultats et reprendre vos recherches à un moment opportun. De plus, un nombre beaucoup plus important d’expériences peuvent être réalisées dans la version informatique. Ce type d'expérience est mis en œuvre à l'aide d'un modèle informatique d'une loi, d'un phénomène, d'un processus particulier, etc. Travailler avec ces modèles ouvre d'énormes opportunités cognitives aux étudiants, faisant d'eux non seulement des observateurs, mais également des participants actifs aux expériences menées.

La plupart des modèles interactifs offrent des options pour modifier les paramètres initiaux et les conditions expérimentales dans une large plage, faire varier leur échelle de temps, ainsi que simuler des situations qui ne sont pas disponibles dans des expériences réelles.

Un autre point positif est que l'ordinateur offre une opportunité unique, non mise en œuvre dans une expérience physique réelle, de visualiser non pas un phénomène naturel réel, mais son modèle théorique simplifié, qui permet de retrouver rapidement et efficacement les principales lois physiques du phénomène observé. . De plus, l'étudiant peut observer simultanément la construction des dépendances graphiques correspondantes au fur et à mesure de l'avancement de l'expérience. La manière graphique d'afficher les résultats de la simulation permet aux étudiants d'assimiler plus facilement de grandes quantités d'informations reçues. De tels modèles sont particulièrement précieux, car les étudiants éprouvent généralement des difficultés importantes à construire et à lire des graphiques.

Il faut également prendre en compte que tous les processus, phénomènes, expériences historiques en physique ne peuvent pas être imaginés par l'étudiant sans l'aide de modèles virtuels (par exemple, le cycle de Carnot, la modulation et la démodulation, l'expérience de Michelson pour mesurer la vitesse de lumière, expérience de Rutherford, etc.). Des modèles interactifs permettent à l'étudiant de visualiser les processus sous une forme simplifiée, d'imaginer des schémas d'installation et de réaliser des expériences généralement impossibles dans la vie réelle, par exemple contrôler le fonctionnement d'un réacteur nucléaire.

Il existe déjà aujourd'hui un certain nombre de logiciels pédagogiques (PPS), contenant sous une forme ou une autre des modèles interactifs en physique. Malheureusement, aucun d’entre eux ne s’adresse directement à un usage scolaire. Certains modèles sont surchargés de possibilités de modification des paramètres en raison de leur orientation vers l'application dans les universités ; dans d'autres programmes, le modèle interactif n'est qu'un élément illustrant le matériel principal. De plus, les modèles sont dispersés parmi différentes équipes pédagogiques. Par exemple, « Physics in Pictures » de la société Physikon, tout en étant le plus optimal pour mener une expérience informatique frontale, est construit sur des plates-formes obsolètes et ne prend pas en charge une utilisation dans les réseaux locaux. D'autres logiciels pédagogiques, tels que « Open Physics » de la même société, contiennent, outre des modèles, une vaste gamme de supports d'information qui ne peuvent pas être désactivés pendant le travail en classe. Tout cela complique considérablement la sélection et l'utilisation de modèles informatiques lors des cours de physique dans les écoles secondaires.

L'essentiel est que pour utiliser efficacement une expérience informatique, il faut un personnel enseignant spécifiquement axé sur l'utilisation dans les écoles secondaires. Récemment, on a constaté une tendance à la création de personnel enseignant spécialisé pour les écoles dans le cadre de projets fédéraux, tels que les concours pour développeurs de logiciels éducatifs organisés par la Fondation nationale pour la formation du personnel. Peut-être que dans les années à venir, nous verrons un personnel enseignant soutenir pleinement les expériences informatiques dans les cours de physique des lycées. J'ai essayé de révéler tous ces points dans mon travail.

VI. Glossaire.

Expérience est une activité sensorielle-objective en science.

Expérience physique- il s'agit de l'observation et de l'analyse des phénomènes étudiés dans certaines conditions, permettant de suivre le déroulement des phénomènes et de le recréer à chaque fois dans des conditions fixes.

Manifestation est une expérience physique qui représente des phénomènes physiques, des processus, des modèles, perçus visuellement.

Travaux de laboratoire avant– un type de travaux pratiques effectués dans le cadre de l'étude du matériel du programme, lorsque tous les étudiants de la classe réalisent simultanément le même type d'expérience, en utilisant le même équipement.

Atelier de physique– des travaux pratiques réalisés par les étudiants à l'issue des sections précédentes du cours (ou en fin d'année), sur des équipements plus complexes, avec une plus grande autonomie que lors des travaux de laboratoire de première ligne.

Travail expérimental à domicile- l'expérience indépendante la plus simple réalisée par les élèves à la maison, en dehors de l'école, sans l'aide directe de l'enseignant.

Tâches expérimentales– des problèmes dans lesquels l'expérience sert à déterminer certaines quantités initiales nécessaires à la solution ; donne une réponse à la question qui y est posée ou est un moyen de vérifier les calculs effectués en fonction de la condition.

VII. Bibliographie:

1. Bashmakov L.I., S.N. Pozdnyakov, N.A Reznik « Environnement d'apprentissage de l'information », Saint-Pétersbourg : « Svet », p.121, 1997.

2 Belostotsky P.I., G. Yu. Maksimova, N.N. Gomulina "Technologies informatiques : une leçon moderne de physique et d'astronomie". Journal "Physique" n°20, p. 3, 1999.

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9. Théorie et méthodes d'enseignement de la physique à l'école. Questions générales. Edité par S.E. Kameneykogo, Nouvelle-Écosse Purycheva. M : "Académie", 2000

10. Trofimova T.I. "Cours de Physique", éd. "Ecole Supérieure", M., 1999

11. Chirtsov A.S. Technologies de l'information dans l'enseignement de la physique. Revue « Outils informatiques dans l'éducation », Saint-Pétersbourg : « Informatisation de l'éducation », 12, p. Z, 1999.

Annexe n°1

Classification de l'expérience physique

Annexe n°2

Résultats de l'enquête auprès des étudiants.

Une enquête a été menée auprès des élèves des années 5 K, 6 A, 7 – 11 sur les questions suivantes :

Quel rôle l’expérience joue-t-elle pour vous dans vos études de physique ?

Le programme a créé 107 modèles pouvant être utilisés pour expliquer de nouveaux matériaux et résoudre des problèmes expérimentaux. Je voudrais donner quelques exemples que j'utilise dans mes cours.

Fragment de la leçon « Réactions nucléaires. Fission nucléaire."

Objectif : formuler les concepts de réactions nucléaires et démontrer leur diversité. Développer une compréhension de l’essence de ces processus.

L'ordinateur est utilisé pour expliquer du nouveau matériel afin de démontrer plus clairement les processus étudiés, vous permet de modifier rapidement les conditions de réaction et permet de revenir aux conditions précédentes.


Ce modèle montre

divers types de transformations nucléaires.

Les transformations nucléaires se produisent à la suite de

processus de désintégration radioactive des noyaux, et

en raison de réactions nucléaires accompagnées

fission ou fusion de noyaux.

Les changements survenant dans les noyaux peuvent être décomposés

en trois groupes :

1. changement d'un des nucléons du noyau ;

   restructuration de la structure interne du noyau;

   réarrangement des nucléons d'un noyau à un autre.

Le premier groupe comprend divers types de désintégration bêta, lorsqu'un des neutrons du noyau se transforme en proton ou vice versa. Le premier type (le plus fréquent) de désintégration bêta se produit avec l’émission d’un électron et d’un antineutrino électronique. Le deuxième type de désintégration bêta se produit soit par l'émission d'un positron et d'un neutrino électronique, soit par la capture d'un électron et l'émission d'un neutrino électronique (la capture d'un électron se produit à partir de l'une des couches électroniques les plus proches du noyau ). Notez que dans un état libre, un proton ne peut pas se désintégrer en neutrinos de neutrons, de positrons et d'électrons - cela nécessite une énergie supplémentaire, qu'il reçoit du noyau. Cependant, l’énergie totale du noyau diminue à mesure qu’un proton se transforme en neutron par le processus de désintégration bêta. Cela se produit en raison d'une diminution de l'énergie de répulsion coulombienne entre les protons du noyau (qui sont moins nombreux).

Le deuxième groupe comprend la désintégration gamma, dans laquelle le noyau, initialement dans un état excité, libère un excès d'énergie, émettant un quantum gamma. Le troisième groupe comprend la désintégration alpha (l'émission par le noyau d'origine d'une particule alpha - le noyau d'un atome d'hélium constitué de deux protons et de deux neutrons), la fission nucléaire (absorption d'un neutron par le noyau suivie d'une désintégration en deux noyaux plus légers et l'émission de plusieurs neutrons) et la fusion nucléaire (lorsque la collision de deux noyaux légers produit un noyau plus lourd et laisse éventuellement derrière lui des fragments légers ou des protons ou neutrons individuels).

Veuillez noter que pendant la désintégration alpha, le noyau subit un recul et est sensiblement déplacé dans la direction opposée à la direction d'émission de la particule alpha. Dans le même temps, les rendements de la désintégration bêta sont beaucoup plus faibles et ne sont pas du tout perceptibles dans notre modèle. Cela est dû au fait que la masse de l'électron est des milliers (et même des centaines de milliers de fois - pour les atomes lourds) inférieure à la masse du noyau.

Fragment de la leçon « Réacteur Nucléaire »

Objectif : se forger une idée sur la structure d'un réacteur nucléaire, démontrer son fonctionnement à l'aide d'un ordinateur.


L'ordinateur vous permet de modifier les conditions

le déroulement des réactions dans le réacteur. Après avoir supprimé les inscriptions,

vous pouvez tester les connaissances des étudiants en matière de construction

réacteur, montrer les conditions dans lesquelles

une explosion est possible.

Un réacteur nucléaire est un appareil

conçu pour convertir l'énergie

noyau atomique en énergie électrique.

Le cœur du réacteur contient des substances radioactives

substance (généralement de l’uranium ou du plutonium).

L'énergie libérée en raison de la désintégration a de ces

atomes, chauffe l’eau. La vapeur d'eau qui en résulte s'engouffre dans la turbine à vapeur ; Du fait de sa rotation, un courant électrique est généré dans le générateur électrique. De l'eau tiède, après une purification appropriée, est versée dans un plan d'eau voisin ; De là, de l'eau froide entre dans le réacteur. Un boîtier scellé spécial protège l’environnement des radiations mortelles.

Des tiges de graphite spéciales absorbent les neutrons rapides. Avec leur aide, vous pouvez contrôler la progression de la réaction. Cliquez sur le bouton « Augmenter » (cela ne peut être fait que si les pompes pompant l'eau froide dans le réacteur sont allumées) et activez « Conditions de processus ». Une fois les tiges levées, une réaction nucléaire va commencer. Température Tà l’intérieur du réacteur, la température montera jusqu’à 300°C et l’eau commencera bientôt à bouillir. En regardant l'ampèremètre dans le coin droit de l'écran, vous constatez que le réacteur a commencé à produire du courant électrique. En repoussant les tiges, vous pouvez arrêter la réaction en chaîne.

Annexe n°4

Utiliser un ordinateur lors de travaux de laboratoire et d'exercices physiques.

Il existe 4 SD avec le développement de 72 travaux de laboratoire, qui facilitent le travail de l'enseignant et rendent les cours plus intéressants et modernes. Ces développements peuvent être utilisés lors de la conduite d'un atelier de physique, car Les thèmes de certains d’entre eux dépassent le cadre du programme scolaire. Voici quelques exemples. Le nom, le but, l'équipement, l'exécution étape par étape du travail - tout cela est projeté sur l'écran à l'aide d'un ordinateur.


Travaux de laboratoire : « Etude du processus isobare ».

Objectif : établir expérimentalement la relation entre le volume et

température d'un gaz d'une certaine masse dans ses différentes

États.

Équipement : bac, tube - réservoir avec deux robinets,

thermomètre, calorimètre, ruban à mesurer.

L'objet d'étude est l'air dans le tube -

réservoir. A l'état initial, son volume est déterminé par

la longueur de la cavité interne du tube. Le tube est placé bobine à bobine dans le calorimètre, la vanne supérieure est ouverte. Versez de l'eau à 55 0 - 60 0 C dans le calorimètre. Observez la formation de bulles. Ils se formeront jusqu'à ce que la température de l'eau et de l'air dans le tube soit égale. La température est mesurée avec un thermomètre de laboratoire. L'air est transféré au deuxième état en versant de l'eau froide dans le calorimètre. Une fois l’équilibre thermique établi, la température de l’eau est mesurée. Le volume dans le deuxième état est mesuré par sa longueur dans le tube (la longueur d'origine moins la longueur de l'eau entrée).

Connaissant les paramètres de l'air dans deux états, un lien est établi entre l'évolution de son volume et l'évolution de la température à pression constante.

Leçon - atelier : « Mesure du coefficient de tension superficielle.

Objectif : pratiquer une des techniques de détermination du coefficient de tension superficielle.

Matériel : balance, plateau, verre, compte-gouttes avec de l'eau.

L'objet d'étude est l'eau. La balance est mise en position de travail et équilibrée. Ils servent à déterminer la masse du verre. Environ 60 à 70 gouttes d'eau s'écoulent du cendrier dans le verre. Déterminez la masse d’un verre d’eau. La différence de masse dans le verre sert à déterminer la masse d’eau. Connaissant le nombre de gouttes, vous pouvez déterminer la masse d'une goutte. Le diamètre du trou du compte-gouttes est indiqué sur sa capsule. La formule calcule le coefficient de tension superficielle de l'eau. Comparez le résultat obtenu avec la valeur du tableau.

Pour les étudiants forts, vous pouvez suggérer de mener des expériences supplémentaires avec de l'huile végétale.

L. V. Pigalitsyne,
, www.levpi.narod.ru, Établissement d'enseignement municipal, école secondaire n° 2, Dzerjinsk, région de Nijni Novgorod.

Expérience physique informatique

4. Expérience informatique

L’expérience informatique tourne
dans un domaine scientifique indépendant.
R.G. Efremov, docteur en sciences physiques et mathématiques

Une expérience informatique informatique est à bien des égards similaire à une expérience conventionnelle (à grande échelle). Cela comprend la planification d'expériences, la création d'une configuration expérimentale, la réalisation de tests de contrôle, la réalisation d'une série d'expériences, le traitement des données expérimentales, leur interprétation, etc. Cependant, elle n'est pas réalisée sur un objet réel, mais sur son modèle mathématique ; le rôle de dispositif expérimental est joué par un ordinateur équipé d'un programme spécial.

L’expérimentation informatique devient de plus en plus populaire. Elle est pratiquée dans de nombreux instituts et universités, par exemple à l'Université d'État de Moscou. M.V. Lomonosov, MPGU, Institut de cytologie et de génétique SB RAS, Institut de biologie moléculaire RAS, etc. Les scientifiques peuvent déjà obtenir des résultats scientifiques importants sans une véritable expérience « humide ». Pour cela, il n’y a pas seulement la puissance informatique, mais aussi les algorithmes nécessaires et, surtout, la compréhension. Si auparavant ils se divisaient - in vivo, in vitro, – alors maintenant, d’autres ont été ajoutés in silico. En fait, l’expérimentation informatique est en train de devenir un domaine scientifique indépendant.

Les avantages d’une telle expérience sont évidents. C'est généralement moins cher que le naturel. Il peut être perturbé facilement et en toute sécurité. Elle peut être répétée et interrompue à tout moment. Cette expérience peut simuler des conditions qui ne peuvent pas être créées en laboratoire. Cependant, il est important de se rappeler qu’une expérience informatique ne peut pas remplacer complètement une expérience à grande échelle et que l’avenir réside dans leur combinaison raisonnable. Une expérience informatique sert de pont entre l’expérience naturelle et les modèles théoriques. Le point de départ de la modélisation numérique est le développement d'un modèle idéalisé du système physique considéré.

Considérons plusieurs exemples d'expériences de physique computationnelle.

Moment d'inertie. Dans « Open Physics » (2.6, partie 1), il existe une expérience informatique intéressante pour trouver le moment d'inertie d'un corps rigide en utilisant l'exemple d'un système composé de quatre pelotes enfilées sur une aiguille à tricoter. Vous pouvez modifier la position de ces billes sur le rayon, mais également sélectionner la position de l'axe de rotation, en le tirant à la fois par le centre du rayon et par ses extrémités. Pour chaque disposition des billes, les élèves calculent la valeur du moment d'inertie à l'aide du théorème de Steiner sur la translation parallèle de l'axe de rotation. Les données pour les calculs sont fournies par l'enseignant. Après avoir calculé le moment d'inertie, les données sont saisies dans le programme et les résultats obtenus par les étudiants sont vérifiés.

"Boîte noire". Pour mettre en œuvre l'expérience informatique, mes étudiants et moi avons créé plusieurs programmes pour étudier le contenu d'une « boîte noire » électrique. Il peut contenir des résistances, des ampoules à incandescence, des diodes, des condensateurs, des bobines, etc.

Il s'avère que dans certains cas, il est possible, sans ouvrir la « boîte noire », de connaître son contenu en connectant divers appareils à l'entrée et à la sortie. Bien entendu, au niveau scolaire, cela peut être réalisé pour un simple réseau à trois ou quatre terminaux. De telles tâches développent l'imagination, la pensée spatiale et la créativité des élèves, sans compter que leur résolution nécessite des connaissances approfondies et solides. Ce n'est donc pas un hasard si lors de nombreuses Olympiades de physique de l'Union et internationales, l'étude des « boîtes noires » en mécanique, chaleur, électricité et optique est proposée comme problèmes expérimentaux.

Dans mes cours spéciaux, je réalise trois véritables travaux de laboratoire dans une « boîte noire » :

– uniquement les résistances ;

– résistances, lampes à incandescence et diodes ;

– résistances, condensateurs, bobines, transformateurs et circuits oscillants.

Structurellement, les « boîtes noires » sont conçues dans des boîtes d’allumettes vides. Un circuit électrique est placé à l’intérieur de la boîte et la boîte elle-même est scellée avec du ruban adhésif. La recherche s'effectue à l'aide d'instruments - avomètres, générateurs, oscilloscopes, etc. - car Pour ce faire, vous devez construire la caractéristique courant-tension et la réponse en fréquence. Les étudiants saisissent les lectures des instruments dans un ordinateur, qui traite les résultats et trace la caractéristique courant-tension et la réponse en fréquence. Cela permet aux élèves de déterminer quelles pièces se trouvent dans la boîte noire et de déterminer leurs paramètres.

Lors de travaux de laboratoire de première ligne avec des « boîtes noires », des difficultés surviennent en raison du manque d'instruments et d'équipements de laboratoire. En effet, pour mener des recherches, il faut disposer, disons, de 15 oscilloscopes, 15 générateurs de sons, etc., soit 15 ensembles d'équipements coûteux que la plupart des écoles n'ont pas. Et c’est là que les « boîtes noires » virtuelles – les programmes informatiques correspondants – viennent à la rescousse.

L'avantage de ces programmes est que la recherche peut être effectuée simultanément par toute la classe. À titre d'exemple, considérons un programme qui utilise un générateur de nombres aléatoires pour implémenter des « boîtes noires » contenant uniquement des résistances. Il y a une « boîte noire » sur le côté gauche du bureau. Il contient un circuit électrique constitué uniquement de résistances pouvant être localisées entre les points A, B, C Et D.

L'étudiant dispose de trois appareils : une source d'alimentation (sa résistance interne est prise égale à zéro pour simplifier les calculs, et la force électromotrice est générée aléatoirement par le programme) ; voltmètre (la résistance interne est l'infini) ; ampèremètre (la résistance interne est nulle).

Au lancement du programme, un circuit électrique contenant de 1 à 4 résistances est généré aléatoirement à l'intérieur de la « boîte noire ». L'élève peut faire quatre tentatives. Après avoir appuyé sur n'importe quelle touche, il lui est demandé de connecter l'un des appareils proposés dans n'importe quel ordre aux bornes de la « boîte noire ». Par exemple, il s'est connecté aux bornes UN B source de courant avec EMF = 3 V (la valeur EMF a été générée de manière aléatoire par le programme, dans ce cas, elle s'est avérée être de 3 V). Vers les terminaux CD J'ai connecté un voltmètre et ses lectures se sont avérées être de 2,5 V. Il faut en conclure que la «boîte noire» possède au moins un diviseur de tension. Pour continuer l'expérience, au lieu d'un voltmètre, vous pouvez connecter un ampèremètre et effectuer des lectures. Ces données ne suffisent clairement pas à résoudre le mystère. Par conséquent, deux autres expériences peuvent être réalisées : la source de courant est connectée aux bornes CD, et le voltmètre et l'ampèremètre - aux bornes UN B. Les données obtenues dans ce cas suffiront amplement à démêler le contenu de la « boîte noire ». L'élève dessine un schéma sur papier, calcule les paramètres des résistances et montre les résultats à l'enseignant.

L'enseignant, après avoir vérifié le travail, entre le code approprié dans le programme, et le circuit situé à l'intérieur de cette « boîte noire » et les paramètres des résistances apparaissent sur le bureau.

Le programme a été écrit par mes étudiants en BASIC. Pour l'exécuter Windows XP ou dans Windows Vista vous pouvez utiliser un programme d'émulation DOS, Par exemple, DosBox. Vous pouvez le télécharger depuis mon site Web www.physics-computer.by.ru.

S'il y a des éléments non linéaires à l'intérieur de la « boîte noire » (lampes à incandescence, diodes, etc.), alors en plus des mesures directes, la caractéristique courant-tension devra être prise. Pour cela, il est nécessaire de disposer d'une source de courant, de tension, aux sorties de laquelle la tension peut passer de 0 à une certaine valeur.

Pour étudier les inductances et les capacités, il est nécessaire de supprimer la réponse en fréquence à l'aide d'un générateur de son virtuel et d'un oscilloscope.

Sélecteur de vitesse. Considérons un autre programme de « Open Physics » (2.6, partie 2), qui vous permet de mener une expérience informatique avec un sélecteur de vitesse dans un spectromètre de masse. Pour déterminer la masse d'une particule à l'aide d'un spectromètre de masse, il est nécessaire d'effectuer une sélection préalable de particules chargées par vitesses. Cet objectif est atteint par ce qu'on appelle sélecteurs de vitesse.

Dans le sélecteur de vitesse le plus simple, les particules chargées se déplacent dans des champs électriques et magnétiques homogènes croisés. Un champ électrique est créé entre les plaques d'un condensateur plat et un champ magnétique est créé dans l'espace de l'électro-aimant. vitesse de démarrage υ les particules chargées sont dirigées perpendiculairement aux vecteurs E Et DANS .

Une particule chargée est soumise à l'action de deux forces : la force électrique q E et force magnétique de Lorentz q υ × B . Dans certaines conditions, ces forces peuvent s’équilibrer exactement. Dans ce cas, la particule chargée se déplacera de manière uniforme et rectiligne. Après avoir traversé le condensateur, la particule passera par un petit trou dans l’écran.

La condition d'une trajectoire rectiligne d'une particule ne dépend pas de la charge et de la masse de la particule, mais dépend uniquement de sa vitesse : qE = qυB→υ = E/B.

Dans le modèle informatique, vous pouvez modifier les valeurs de l'intensité du champ électrique E, de l'induction du champ magnétique B et vitesse initiale des particules υ . Des expériences de sélection de vitesse peuvent être réalisées pour les électrons, les protons, les particules alpha et les atomes entièrement ionisés d'uranium 235 et d'uranium 238. L'expérience informatique dans ce modèle informatique est réalisée comme suit : les étudiants sont informés de la particule chargée qui vole dans le sélecteur de vitesse, de l'intensité du champ électrique et de la vitesse initiale de la particule. Les élèves calculent l’induction du champ magnétique à l’aide des formules ci-dessus. Après cela, les données sont saisies dans le programme et le vol de la particule est observé. Si la particule vole horizontalement à l’intérieur du sélecteur de vitesse, alors les calculs sont effectués correctement.

Des expériences informatiques plus complexes peuvent être réalisées à l'aide du package gratuit "VISION MODÈLE pour WINDOWS". Sac plastique ModèleVisionStudium (MVS) est un shell graphique intégré permettant de créer rapidement des modèles visuels interactifs de systèmes dynamiques complexes et de mener des expériences informatiques avec eux. Le package a été développé par le groupe de recherche sur les technologies d'objets expérimentaux du Département d'informatique distribuée et de réseaux informatiques, Faculté de cybernétique technique, Université technique d'État de Saint-Pétersbourg. Version gratuite du package disponible gratuitement MVS 3.0 est disponible sur le site www.exponenta.ru. Technologie de simulation d'environnement MVS est basé sur le concept d’une paillasse de laboratoire virtuelle. L'utilisateur place les blocs virtuels du système simulé sur le support. Les blocs virtuels du modèle sont soit sélectionnés dans la bibliothèque, soit recréés par l'utilisateur. Sac plastique MVS est conçu pour automatiser les principales étapes d'une expérience informatique : construire un modèle mathématique de l'objet étudié, générer une implémentation logicielle du modèle, étudier les propriétés du modèle et présenter les résultats sous une forme pratique pour l'analyse. L'objet étudié peut appartenir à la classe des systèmes continus, discrets ou hybrides. Le package est le mieux adapté à l’étude de systèmes physiques et techniques complexes.

Par exemple Considérons un problème assez populaire. Supposons qu'un point matériel soit projeté selon un certain angle par rapport à un plan horizontal et entre en collision de manière absolument élastique avec ce plan. Ce modèle est devenu presque obligatoire dans l'ensemble de démonstration des packages de modélisation. En effet, il s’agit d’un système hybride typique avec un comportement continu (vol dans un champ gravitationnel) et des événements discrets (rebonds). Cet exemple illustre également l'approche de modélisation orientée objet : une balle volant dans l'atmosphère est la descendante d'une balle volant dans un espace sans air, et hérite automatiquement de toutes les caractéristiques communes, tout en y ajoutant ses propres caractéristiques.

La dernière, dernière étape, du point de vue de l'utilisateur, de la modélisation est l'étape de description de la forme de présentation des résultats d'une expérience informatique. Il peut s'agir de tableaux, de graphiques, de surfaces et même d'animations illustrant les résultats en temps réel. Ainsi, l’utilisateur observe réellement la dynamique du système. Les points dans l'espace des phases, les éléments de conception dessinés par l'utilisateur peuvent se déplacer, la palette de couleurs peut changer et l'utilisateur peut surveiller, par exemple, les processus de chauffage ou de refroidissement sur l'écran. Dans les packages créés pour la mise en œuvre logicielle du modèle, il est possible de fournir des fenêtres spéciales qui vous permettent de modifier les valeurs des paramètres au cours d'une expérience informatique et de voir immédiatement les conséquences des modifications.

De nombreux travaux sur la modélisation visuelle des processus physiques dans MVS tenu à l'Université pédagogique d'État de Moscou. Là, un certain nombre d'ouvrages virtuels ont été développés pour le cours de physique générale, qui peuvent être associés à des installations expérimentales réelles, ce qui permet d'observer simultanément sur l'écran en temps réel les changements dans les paramètres à la fois du processus physique réel et du paramètres de son modèle, démontrant clairement son adéquation. A titre d'exemple, je cite sept travaux de laboratoire sur la mécanique issus d'un atelier de laboratoire sur le portail Internet de l'enseignement ouvert, correspondant aux normes pédagogiques de l'État en vigueur pour la spécialité « Professeur de Physique » : l'étude du mouvement rectiligne à l'aide de la machine Atwood ; mesurer la vitesse d'une balle ; ajout de vibrations harmoniques ; mesure du moment d'inertie d'une roue de vélo ; étude du mouvement de rotation d'un corps rigide ; déterminer l'accélération de la chute libre à l'aide d'un pendule physique ; étude des oscillations libres d'un pendule physique.

Les six premiers sont virtuels et sont simulés sur PC en ModèleVisionStudiumGratuit, et ce dernier a à la fois une version virtuelle et deux versions réelles. Dans l'un, destiné à l'enseignement à distance, l'étudiant doit fabriquer indépendamment un pendule à partir d'un gros trombone et d'une gomme et, en l'accrochant sous le manche d'une souris d'ordinateur sans boule, obtenir un pendule dont l'angle de déviation est lu par un programme spécial et doit être utilisé par l'étudiant lors du traitement des résultats de l'expérience. Cette approche permet de mettre en pratique certaines des compétences nécessaires au travail expérimental uniquement sur un PC, et le reste - lorsque vous travaillez avec des appareils réels disponibles et avec un accès à distance aux équipements. Dans une autre option, destinée à la préparation à domicile des étudiants à temps plein pour effectuer des travaux de laboratoire dans l'atelier du Département de physique générale et expérimentale, Faculté de physique, Université pédagogique d'État de Moscou, l'étudiant met en pratique ses compétences en travaillant avec une configuration expérimentale sur un modèle virtuel, et mène en laboratoire une expérience simultanément sur une configuration réelle spécifique et avec son modèle virtuel. Parallèlement, il utilise à la fois des instruments de mesure traditionnels sous la forme d'une balance optique et d'un chronomètre, ainsi que des moyens plus précis et à action rapide - un capteur de déplacement basé sur une souris optique et une minuterie informatique. La comparaison simultanée des trois représentations (traditionnelle, affinée à l'aide de capteurs électroniques associés à un ordinateur et modèle) d'un même phénomène permet de tirer une conclusion sur les limites d'adéquation du modèle lorsque les données de modélisation informatique commencent à différer davantage. et plus encore des lectures après un certain temps filmées sur une installation réelle.

Ce qui précède n’épuise pas les possibilités d’utilisation d’un ordinateur dans une expérience informatique physique. Ainsi, pour un enseignant créatif et ses élèves, il y aura toujours des opportunités inexploitées dans le domaine des expériences physiques virtuelles et réelles.

Si vous avez des commentaires ou des suggestions sur différents types d'expériences physiques sur ordinateur, veuillez m'écrire à :

Un ordinateur moderne a de nombreuses utilisations. Parmi eux, comme vous le savez, les capacités de l'ordinateur en tant que moyen d'automatiser les processus d'information revêtent une importance particulière. Mais ses capacités ne sont pas moins importantes outil réaliser des travaux expérimentaux et analyser leurs résultats.

Expérience informatique est connu depuis longtemps dans la science. Souvenez-vous de la découverte de la planète Neptune « au bout d’un stylo ». Souvent, les résultats de la recherche scientifique ne sont considérés comme fiables que s'ils peuvent être présentés sous forme de modèles mathématiques et confirmés par des calculs mathématiques. De plus, cela ne s'applique pas seulement à la physique

ou le design technique, mais aussi à la sociologie, à la linguistique, au marketing - disciplines traditionnellement humanitaires et éloignées des mathématiques.

Une expérience informatique est une méthode théorique de cognition. Un développement de cette méthode est modélisation numérique- une méthode scientifique relativement nouvelle qui s'est généralisée grâce à l'avènement des ordinateurs.

La modélisation numérique est largement utilisée tant dans la pratique que dans la recherche scientifique.

Exemple. Sans construire des modèles mathématiques et effectuer une variété de calculs sur des données en constante évolution provenant d'instruments de mesure, le fonctionnement de lignes de production automatiques, de pilotes automatiques, de stations de suivi et de systèmes de diagnostic automatiques est impossible. De plus, pour garantir la fiabilité des systèmes, les calculs doivent être effectués en temps réel et leurs erreurs peuvent s'élever à des millionièmes de pour cent.

Exemple. Un astronome moderne peut souvent être vu non pas à l'oculaire d'un télescope, mais devant un écran d'ordinateur. Et pas seulement un théoricien, mais aussi un observateur. L'astronomie est une science inhabituelle. En règle générale, elle ne peut pas expérimenter directement avec des objets de recherche. Les astronomes « espionnent » et « écoutent » uniquement divers types de rayonnements (flux électromagnétiques, gravitationnels, de neutrinos ou de rayons cosmiques). Cela signifie que vous devez apprendre à extraire autant d'informations que possible des observations et à les reproduire dans des calculs pour tester les hypothèses décrivant ces observations. Les applications des ordinateurs en astronomie, comme dans d’autres sciences, sont extrêmement diverses. Cela inclut l'automatisation des observations et le traitement de leurs résultats (les astronomes voient les images non pas dans un oculaire, mais sur un moniteur connecté à des instruments spéciaux). Des ordinateurs sont également nécessaires pour travailler avec de larges catalogues (étoiles, analyses spectrales, composés chimiques, etc.).

Exemple. Tout le monde connaît l’expression « une tempête dans une tasse de thé ». Pour étudier en détail un processus hydrodynamique aussi complexe qu'une tempête, il est nécessaire d'utiliser des méthodes de modélisation numérique sophistiquées. C'est pourquoi, dans les grands centres hydrométéorologiques, il y a des ordinateurs puissants : « la tempête se joue » dans le cristal du processeur informatique.

Même si vous effectuez des calculs pas très complexes, mais que vous devez les répéter un million de fois, il est préférable d'écrire le programme une fois, et l'ordinateur le répétera autant de fois que nécessaire (la limitation, bien sûr, sera la vitesse de l'ordinateur).

La modélisation numérique peut être une méthode de recherche indépendante lorsque seules les valeurs de certains indicateurs sont intéressantes (par exemple, le coût de production ou le spectre intégral de la galaxie), mais le plus souvent elle constitue l'un des moyens de construction informatique modèles au sens large du terme.

Historiquement, les premiers travaux de modélisation informatique étaient liés à la physique, où toute une classe de problèmes d'hydraulique, de filtration, de transfert et d'échange thermique, de mécanique des solides, etc. étaient résolus à l'aide de la modélisation numérique. La modélisation était principalement la solution de problèmes non linéaires complexes. de la physique mathématique et, par essence, était, bien sûr, une modélisation mathématique. Les succès de la modélisation mathématique en physique ont contribué à son extension aux problèmes de chimie, de génie électrique et de biologie, et les schémas de modélisation n'étaient pas trop différents les uns des autres. La complexité des problèmes résolus sur la base de la modélisation n'était limitée que par la puissance des ordinateurs disponibles. Ce type de modélisation est encore très répandu aujourd'hui. De plus, au cours du développement de la modélisation numérique, des bibliothèques entières de sous-programmes et de fonctions ont été accumulées pour faciliter l'application et étendre les capacités de modélisation. Et pourtant, à l'heure actuelle, le concept de « modélisation informatique » n'est généralement pas associé aux disciplines fondamentales des sciences naturelles, mais principalement à l'analyse de systèmes complexes du point de vue de la cybernétique (c'est-à-dire du point de vue de la gestion, de l'autonomie gouvernementale). , auto-organisation). Et désormais, la modélisation informatique est largement utilisée en biologie, en macroéconomie, dans la création de systèmes de contrôle automatisés, etc.

Exemple. Souvenez-vous de l'expérience de Piaget décrite dans le paragraphe précédent. Bien entendu, cela pourrait être réalisé non pas avec des objets réels, mais avec une image animée sur l’écran d’affichage. Mais le mouvement des jouets pourrait être filmé sur un film ordinaire et diffusé à la télévision. Est-il approprié d’appeler dans ce cas l’utilisation d’un ordinateur une simulation informatique ?

Exemple. Un modèle du vol d'un corps projeté verticalement vers le haut ou selon un angle par rapport à l'horizon est, par exemple, un graphique de la hauteur du corps en fonction du temps. Vous pouvez le construire

a) sur une feuille de papier, en pointillés ;

b) dans un éditeur graphique aux mêmes points ;

c) en utilisant un programme de graphisme commercial, par exemple, dans
feuilles de calcul ;

d) en écrivant un programme qui non seulement affiche
trajectoire de vol des blessures, mais vous permet également de définir différents
toutes les données initiales (angle d'inclinaison, vitesse initiale
croissance).

Pourquoi ne voulez-vous pas appeler l'option b) un modèle informatique, mais les options c) et d) correspondent entièrement à ce nom ?

Sous modèle informatique fait souvent référence à un programme (ou à un programme plus un appareil spécial) qui imite les caractéristiques et le comportement d'un objet spécifique. Le résultat de ce programme est également appelé modèle informatique.

Dans la littérature spécialisée, le terme « modèle informatique » est défini plus strictement comme suit :

Image conventionnelle d'un objet ou d'un système d'objets (processus, phénomènes), décrite à l'aide de tableaux informatiques interconnectés, d'organigrammes, de diagrammes, de graphiques, de dessins, de fragments d'animation, d'hypertextes, etc., et affichant la structure (éléments et relations entre eux). ) de l'objet. Les modèles informatiques de ce type sont appelés structurel et fonctionnel ;

Un programme distinct ou un ensemble de programmes qui permet, à l'aide d'une séquence de calculs et d'un affichage graphique de leurs résultats, de reproduire (simuler) les processus de fonctionnement d'un objet, soumis à l'influence de divers facteurs, généralement aléatoires, sur celui-ci . De tels modèles sont appelés imitation.

Les modèles informatiques peuvent être simples ou complexes. Vous avez créé à plusieurs reprises des modèles simples lorsque vous appreniez la programmation ou construisiez votre base de données. Dans les systèmes graphiques tridimensionnels, les systèmes experts et les systèmes de contrôle automatisés, des modèles informatiques très complexes sont construits et utilisés.

Exemple. L'idée de construire un modèle de l'activité humaine à l'aide d'un ordinateur n'est pas nouvelle, et il est difficile de trouver un domaine d'activité dans lequel elle n'a pas été tentée. Les systèmes experts sont des programmes informatiques qui simulent les actions d'un expert humain lors de la résolution de problèmes dans n'importe quel domaine sur la base des connaissances accumulées qui constituent la base de connaissances. ES résout le problème de la modélisation de l'activité mentale. En raison de la complexité des modèles, le développement d’ES prend généralement plusieurs années.

Les systèmes experts modernes, en plus d'une base de connaissances, disposent également d'une base de précédents - par exemple, les résultats d'une enquête auprès de personnes réelles et des informations sur le succès/l'échec ultérieur de leurs activités. Par exemple, la base de précédents du système expert de la police de New York est 786 000 personnes, Hobby Center (politique du personnel dans l'entreprise) - 512 000 personnes, et selon les spécialistes de ce centre, l'ES qu'ils ont développé n'a commencé à fonctionner avec la précision attendue que lorsque la base a dépassé 200 000 mec, il a fallu 6 ans pour créer.

Exemple. Les progrès dans la création d'infographies sont passés d'images filaires de modèles tridimensionnels avec de simples images en demi-teintes à des images réalistes modernes qui sont des exemples d'art. Cela résulte du succès de la définition plus précise de l'environnement de modélisation. La transparence, la réflexion, les ombres, les éclairages et les propriétés des surfaces sont quelques-uns des domaines sur lesquels les équipes de recherche travaillent d'arrache-pied, proposant sans cesse de nouveaux algorithmes pour créer des images artificielles toujours plus réalistes. Aujourd'hui, ces méthodes sont également utilisées pour créer des animations de haute qualité.

Besoins pratiques V la modélisation informatique pose des défis aux développeurs de matériel fonds ordinateur. Autrement dit, la méthode influence activement non seulement l'émergence de nouveaux nouveaux programmes Mais Et sur développement moyens techniques.

Exemple. L’holographie informatique a été évoquée pour la première fois dans les années 80. Ainsi, dans les systèmes de conception assistée par ordinateur, dans les systèmes d'information géographique, il serait bien de pouvoir non seulement regarder un objet d'intérêt sous forme tridimensionnelle, mais aussi de le présenter sous la forme d'un hologramme pouvant pivoter. , incliné et regardé à l’intérieur. Pour créer une image holographique utile dans des applications réelles, vous avez besoin

holographique

Des photos

des écrans avec un nombre gigantesque de pixels - jusqu'à un milliard. Ce travail est désormais activement en cours. Parallèlement au développement de l’affichage holographique, les travaux battent leur plein pour créer un poste de travail tridimensionnel basé sur le principe appelé « substitution de réalité ». Derrière ce terme se cache l'idée de l'utilisation généralisée de toutes ces méthodes naturelles et intuitives qu'une personne utilise lorsqu'elle interagit avec des modèles naturels (matériau-énergie), mais en même temps l'accent est mis sur leur amélioration et leur développement global en utilisant le capacités uniques des systèmes numériques. On s'attend, par exemple, à ce qu'il soit possible de manipuler et d'interagir avec des hologrammes informatiques en temps réel à l'aide de gestes et de touches.

La modélisation informatique a les caractéristiques suivantes avantages :

Offre de la visibilité ;

Disponible à l'emploi.

Le principal avantage de la modélisation informatique est qu'elle permet non seulement d'observer, mais également de prédire le résultat d'une expérience dans certaines conditions particulières. Grâce à cette opportunité, cette méthode a trouvé des applications en biologie, chimie, sociologie, écologie, physique, économie et bien d'autres domaines de la connaissance.

La simulation informatique est largement utilisée dans l’enseignement. À l'aide de programmes spéciaux, vous pouvez visualiser des modèles de phénomènes tels que les phénomènes du micromonde et du monde aux dimensions astronomiques, les phénomènes de la physique nucléaire et quantique, le développement des plantes et la transformation des substances dans des réactions chimiques.

La formation de spécialistes dans de nombreux métiers, notamment comme contrôleurs aériens, pilotes, répartiteurs de centrales nucléaires et électriques, s'effectue à l'aide de simulateurs contrôlés par ordinateur qui simulent des situations réelles, y compris des situations d'urgence.

Le travail de laboratoire peut être effectué sur un ordinateur si les appareils et instruments réels nécessaires ne sont pas disponibles ou si la résolution du problème nécessite l'utilisation de méthodes mathématiques complexes et de calculs fastidieux.

La modélisation informatique permet de « faire revivre » les lois physiques, chimiques, biologiques et sociales étudiées et de mener de nombreuses expérimentations avec le modèle. Mais il ne faut pas oublier que toutes ces expériences sont de nature très conditionnelle et que leur valeur éducative est également très conditionnelle.

Exemple. Avant l'utilisation pratique de la réaction de désintégration nucléaire, les physiciens nucléaires ne connaissaient tout simplement pas les dangers des radiations, mais la première utilisation massive des « réalisations » (Hiroshima et Nagasaki) a clairement montré comment les radiations

c est dangereux pour l homme. Les physiciens commencent par l’électronucléaire

stations, l’humanité n’aurait pas pris connaissance des dangers des radiations depuis longtemps. La découverte des chimistes au début du siècle dernier - le pesticide le plus puissant, le DDT - a été considérée pendant assez longtemps comme absolument sans danger pour l'homme -

Dans le contexte de l'utilisation de technologies modernes puissantes, de la réplication généralisée et de l'utilisation irréfléchie de produits logiciels erronés, des questions apparemment hautement spécialisées telles que l'adéquation d'un modèle informatique de la réalité peuvent acquérir une signification universelle significative.

Expériences informatiques- c'est un outil pour étudier des modèles plutôt que des phénomènes naturels ou sociaux.

Par conséquent, simultanément à une expérience informatique, une expérience à grande échelle doit toujours être réalisée afin que le chercheur, en comparant ses résultats, puisse évaluer la qualité du modèle correspondant, la profondeur de notre compréhension de l'essence des phénomènes du phénomène.

accouchement. N'oubliez pas que la physique, la biologie, l'astronomie, l'informatique sont des sciences du monde réel, et non de la réalité virtuelle.

Dans la recherche scientifique, à la fois fondamentale et pratique (appliquée), un ordinateur constitue souvent un outil nécessaire au travail expérimental.

Une expérience informatique est le plus souvent associée à :

Avec des calculs mathématiques complexes (nombre
modélisation linéaire);

Avec la construction et l'étude d'éléments visuels et/ou dynamiques
modèles de micros (modélisation informatique).

Sous modèle informatique désigne un programme (ou un programme en combinaison avec un dispositif spécial) qui permet de simuler les caractéristiques et le comportement d'un certain objet, ainsi que le résultat de l'exécution de ce programme sous forme d'images graphiques (fixes ou dynamiques ), valeurs numériques, tableaux, etc.

Il existe des modèles informatiques structurels-fonctionnels et de simulation.

Structurel-fonctionnel un modèle informatique est une image conventionnelle d'un objet ou d'un système d'objets (processus, phénomènes), décrite à l'aide de tableaux informatiques interconnectés, d'organigrammes, de diagrammes, de graphiques, de dessins, de fragments d'animation, d'hypertextes, etc., et affichant la structure du objet ou son comportement.

Un modèle de simulation informatique est un programme ou un progiciel distinct qui permet, à l'aide d'une séquence de calculs et d'un affichage graphique de leurs résultats, de reproduire (simuler) les processus de fonctionnement d'un objet, soumis à l'influence de divers facteurs aléatoires sur celui-ci.

La modélisation informatique est une méthode permettant de résoudre le problème d'analyse ou de synthèse d'un système (le plus souvent un système complexe) basée sur l'utilisation de son modèle informatique.

Avantages de la modélisation informatique est-ce que c'est ça :

Vous permet non seulement d'observer, mais également de prédire le résultat d'une expérience dans certaines conditions particulières ;

Vous permet de simuler et d'étudier des phénomènes prédits par n'importe quelle théorie ;

Il est respectueux de l’environnement et ne présente aucun danger pour la nature et l’homme ;

Offre de la visibilité ;

Disponible à l'emploi.

La méthode de modélisation informatique a trouvé des applications en biologie, chimie, sociologie, écologie, physique, économie, linguistique, droit et dans de nombreux autres domaines de la connaissance.

La modélisation informatique est largement utilisée dans l'éducation, la formation et le recyclage des spécialistes :

Pour une représentation visuelle de modèles de phénomènes du microcosme et du monde aux dimensions astronomiques ;

Simuler les processus se produisant dans le monde de la nature vivante et inanimée

Simuler des situations réelles de gestion de systèmes complexes, y compris des situations d'urgence ;

Effectuer des travaux de laboratoire lorsque les appareils et instruments nécessaires ne sont pas disponibles ;

Pour résoudre des problèmes, si cela nécessite l'utilisation de méthodes mathématiques complexes et de calculs à forte intensité de main-d'œuvre.

Il est important de se rappeler que ce n'est pas la réalité objective qui est modélisée sur un ordinateur, mais nos idées théoriques à son sujet. L'objet de la modélisation informatique est constitué de modèles mathématiques et autres modèles scientifiques, et non d'objets, processus et phénomènes réels.

Expériences informatiques- c'est un outil pour étudier des modèles plutôt que des phénomènes naturels ou sociaux.

Le critère d'exactitude de l'un des résultats de la modélisation informatique était et reste une expérience à grande échelle (physique, chimique, sociale). Dans la recherche scientifique et pratique, une expérience informatique ne peut qu'accompagner une expérience naturelle, afin que le chercheur puisse comparer

En étudiant leurs résultats, j'ai pu évaluer la qualité du modèle et la profondeur de notre compréhension de l'essence des phénomènes naturels.

Il est important de se rappeler que la physique, la biologie, l'astronomie, l'économie et l'informatique sont des sciences qui concernent le monde réel et non des sciences.
réalité virtuelle.

Exercice 1

Presque personne ne qualifierait une lettre écrite dans un traitement de texte et envoyée par courrier électronique de modèle informatique.

Les éditeurs de texte vous permettent souvent de créer non seulement des documents ordinaires (lettres, articles, rapports), mais également des modèles de documents dans lesquels se trouvent des informations permanentes que l'utilisateur ne peut pas modifier, des champs de données qui sont remplis par l'utilisateur et des champs de données remplis par l'utilisateur. champs dans lesquels les calculs sont basés sur les données saisies. Un tel modèle peut-il être considéré comme un modèle informatique ? Si oui, quel est l’objet de la modélisation dans ce cas et quel est le but de créer un tel modèle ?

Tâche 2

Vous savez qu'avant de pouvoir créer une base de données, vous devez d'abord créer un modèle de données. Vous savez aussi qu’un algorithme est un modèle d’activité.

Les modèles de données et les algorithmes sont le plus souvent développés en pensant à la mise en œuvre informatique. Est-il juste de dire qu’à un moment donné, ils deviennent un modèle informatique, et si oui, quand cela se produit-il ?

Note. Vérifiez votre réponse par rapport à la définition de « modèle informatique ».

Tâche 3

Décrire les étapes de construction d'un modèle informatique en utilisant l'exemple du développement d'un programme qui simule un phénomène physique.

Tâche 4

Donnez des exemples de cas où la modélisation informatique a apporté de réels avantages et de cas où elle a entraîné des conséquences indésirables. Préparez un rapport sur ce sujet.

Modélisation informatique - la base de la représentation des connaissances dans un ordinateur. La modélisation informatique pour la génération de nouvelles informations utilise toute information pouvant être mise à jour à l'aide d'un ordinateur. Les progrès de la modélisation sont associés au développement des systèmes de modélisation informatique, et les progrès des technologies de l'information sont associés à la mise à jour de l'expérience de modélisation sur ordinateur, à la création de banques de modèles, de méthodes et de systèmes logiciels permettant la collecte de nouveaux modèles. à partir de modèles bancaires.

Un type de modélisation informatique est une expérience informatique, c'est-à-dire une expérience réalisée par un expérimentateur sur le système ou le processus étudié à l'aide d'un instrument expérimental - un ordinateur, un environnement informatique, une technologie.

Une expérience informatique devient un nouvel outil, une méthode de connaissance scientifique, une nouvelle technologie également en raison de la nécessité croissante de passer de l'étude de modèles mathématiques linéaires de systèmes (pour lesquels les méthodes et théories de recherche sont assez bien connues ou développées) à l'étude de modèles mathématiques complexes et non linéaires de systèmes (dont l'analyse est beaucoup plus difficile). En gros, notre connaissance du monde qui nous entoure est linéaire, mais les processus dans le monde qui nous entoure ne sont pas linéaires.

Une expérience informatique permet de trouver de nouveaux modèles, de tester des hypothèses, de visualiser le déroulement des événements, etc.

Pour donner vie à de nouveaux développements de conception, introduire de nouvelles solutions techniques en production ou tester de nouvelles idées, une expérimentation est nécessaire. Dans un passé récent, une telle expérience pouvait être réalisée soit en laboratoire sur des installations spécialement créées à cet effet, soit in situ, c'est-à-dire sur un échantillon réel du produit, en le soumettant à toutes sortes de tests.

Avec le développement de la technologie informatique, une nouvelle méthode de recherche unique est apparue : une expérience informatique. Une expérience informatique comprend une certaine séquence de travail avec un modèle, un ensemble d'actions utilisateur ciblées sur un modèle informatique.

Étape 4. Analyse des résultats de simulation.

Objectif final modélisation - prendre une décision qui doit être prise sur la base d'une analyse complète des résultats obtenus. Cette étape est décisive : soit vous poursuivez la recherche, soit vous la terminez. Peut-être connaissez-vous le résultat attendu, vous devez alors comparer les résultats obtenus et attendus. S'il y a un match, vous pourrez prendre une décision.

La base du développement d’une solution repose sur les résultats des tests et des expériences. Si les résultats ne correspondent pas aux objectifs de la tâche, cela signifie que des erreurs ont été commises lors des étapes précédentes. Il peut s'agir soit d'une construction trop simplifiée d'un modèle d'information, soit d'un choix infructueux d'une méthode ou d'un environnement de modélisation, soit d'une violation des techniques technologiques lors de la construction d'un modèle. Si de telles erreurs sont identifiées, il est alors nécessaire ajustement du modèle , c'est-à-dire revenir à l'une des étapes précédentes. Processus se répète jusqu'à ce que les résultats de l'expérience répondent objectifs la modélisation. L'essentiel est de toujours se rappeler : une erreur identifiée est aussi un résultat. Comme le dit la sagesse populaire, on apprend de ses erreurs.

Programmes de simulation

ANSYS- système logiciel universel d'éléments finis ( FEA) l'analyse, existante et en développement au cours des 30 dernières années, est très appréciée des spécialistes du domaine de l'ingénierie informatique ( CAE, Ingénierie Assistée par Ordinateur) et solutions FE de problèmes spatiaux linéaires et non linéaires, stationnaires et non stationnaires de mécanique d'un solide déformable et de mécanique des structures (y compris les problèmes non stationnaires géométriquement et physiquement non linéaires d'interaction de contact d'éléments structurels), problèmes de mécanique des fluides et des gaz , transfert de chaleur et échange thermique, électrodynamique, acoustique, ainsi que mécanique des champs couplés. Dans certaines applications industrielles, la modélisation et l’analyse peuvent éviter des cycles de développement de conception-construction-test coûteux et longs. Le système fonctionne sur la base d'un noyau géométrique Parasolide .

TouteLogique - logiciel Pour modélisation par simulation systèmes complexes Et processus, développé russe par XJ Technologies ( Anglais XJ Les technologies). Le programme a environnement utilisateur graphique et vous permet d'utiliser Langage Java pour le développement de modèles .

Les modèles AnyLogic peuvent être basés sur l'un des principaux paradigmes de simulation : simulation d'événements discrets, dynamique du système, Et modélisation basée sur des agents.

Dynamique des systèmes et modélisation à événements discrets (processus), par laquelle nous entendons tout développement d'idées GPSS Il s’agit d’approches traditionnelles et établies ; la modélisation basée sur les agents est relativement nouvelle. La dynamique des systèmes fonctionne principalement avec des processus continus dans le temps, tandis que la modélisation à événements discrets et basée sur des agents fonctionne avec des processus discrets.

La dynamique des systèmes et la modélisation des événements discrets ont toujours été enseignées à des groupes d'étudiants très différents : gestion, ingénieurs industriels et ingénieurs en systèmes de contrôle. En conséquence, trois communautés différentes, pratiquement sans chevauchement, ont émergé et n'ont pratiquement aucune communication entre elles.

Jusqu’à récemment, la modélisation basée sur les agents était un domaine strictement académique. Cependant, la demande croissante d'optimisation globale de la part des entreprises a obligé les principaux analystes à prêter une attention particulière à la modélisation basée sur les agents et à sa combinaison avec les approches traditionnelles afin d'obtenir une image plus complète de l'interaction de processus complexes de diverses natures. Ainsi est née la demande de plateformes logicielles permettant l’intégration de différentes approches.

Examinons maintenant les approches de simulation à l'échelle du niveau d'abstraction. La dynamique du système, remplaçant les objets individuels par leurs agrégats, suppose le plus haut niveau d'abstraction. La simulation d'événements discrets fonctionne dans les gammes basse et moyenne. Quant à la modélisation basée sur les agents, elle peut être utilisée à presque tous les niveaux et à toutes les échelles. Les agents peuvent représenter des piétons, des voitures ou des robots dans un espace physique, un client ou un vendeur au milieu, ou des entreprises concurrentes dans le haut de gamme.

Lors du développement de modèles dans AnyLogic, vous pouvez utiliser des concepts et des outils issus de plusieurs méthodes de modélisation, par exemple, dans un modèle basé sur des agents, utiliser des méthodes de dynamique du système pour représenter les changements dans l'état de l'environnement, ou prendre en compte des événements discrets de manière continue. modèle d’un système dynamique. Par exemple, la gestion de la chaîne d'approvisionnement utilisant la modélisation de simulation nécessite la description des acteurs de la chaîne d'approvisionnement par agents : fabricants, vendeurs, consommateurs, réseau d'entrepôts. Dans ce cas, la production est décrite dans le cadre d'une modélisation à événements discrets (processus), où le produit ou ses pièces sont des applications, et les voitures, trains et gerbeurs sont des ressources. Les approvisionnements eux-mêmes sont représentés comme des événements discrets, mais la demande de biens peut être décrite par un diagramme dynamique de système continu. La possibilité de mélanger les approches permet de décrire des processus réels, plutôt que d’ajuster le processus aux appareils mathématiques disponibles.

LabVIEW (Anglais Laboratoire art oratoire V virtuel je instrumentation E ingénierie W orkbench) est environnement de développement Et plate-forme pour exécuter des programmes créés dans le langage de programmation graphique "G" de l'entreprise Instruments nationaux(ETATS-UNIS). La première version de LabVIEW a été publiée en 1986 pour Apple Macintosh, il existe actuellement des versions pour UNIX, GNU/Linux, Mac OS etc., et les plus développées et les plus populaires sont les versions pour Microsoft Windows.

LabVIEW est utilisé dans les systèmes d'acquisition et de traitement de données, ainsi que pour la gestion d'objets techniques et de processus technologiques. Idéologiquement, LabVIEW est très proche de SCADA-systèmes, mais contrairement à eux, il est davantage axé sur la résolution de problèmes, pas tellement sur le terrain APC, combien dans la région ASNI.

MATLAB(court pour Anglais « Matrice Laboratoire» ) est un terme désignant un progiciel d'application permettant de résoudre des problèmes informatiques techniques, ainsi que le langage de programmation utilisé dans ce progiciel. MATLAB Utilisé par plus de 1 000 000 d'ingénieurs et de scientifiques, il fonctionne sur la plupart des systèmes modernes. systèmes d'exploitation, y compris GNU/Linux, Mac OS, Solaris Et Microsoft Windows .

Érable- progiciel, système de calcul formel. C'est un produit de Waterloo Maple Inc., qui 1984 produit et commercialise des produits logiciels axés sur les calculs mathématiques complexes, la visualisation et la modélisation de données.

Le système Maple est conçu pour calculs symboliques, bien qu'il dispose d'un certain nombre d'outils de résolution numérique équations différentielles et trouver intégrales. Possède des outils graphiques développés. A sa propre langage de programmation, qui rappelle Pascal.

Mathématique - système de calcul formel entreprises Recherche Wolfram. Contient de nombreux les fonctions tant pour les transformations analytiques que pour les calculs numériques. De plus, le programme prend en charge le travail avec graphique Et son, y compris la construction de plans bidimensionnels et tridimensionnels graphiques fonctions, dessin arbitraire formes géométriques, importer Et exporter des images et du son.

Outils de prévision- des produits logiciels dotés de fonctions de calcul de prévisions. Prévision- l'une des activités humaines les plus importantes aujourd'hui. Même dans les temps anciens, les prévisions permettaient de calculer les périodes de sécheresse, les dates des éclipses solaires et lunaires et bien d’autres phénomènes. Avec l’avènement de la technologie informatique, la prévision a reçu un puissant élan de développement. L’une des premières utilisations des ordinateurs a été de calculer la trajectoire balistique des projectiles, c’est-à-dire de prédire le point auquel le projectile toucherait le sol. Ce type de prévision est appelé statique prévision. Il existe deux grandes catégories de prévisions : statiques et dynamiques. La principale différence réside dans le fait que les prévisions dynamiques fournissent des informations sur le comportement de l'objet étudié sur une période de temps significative. À leur tour, les prévisions statiques reflètent l'état de l'objet étudié uniquement à un moment donné et, en règle générale, dans de telles prévisions, le facteur temps dans lequel l'objet subit des changements joue un rôle mineur. Il existe aujourd'hui un grand nombre d'outils qui permettent de faire des prévisions. Tous peuvent être classés selon de nombreux critères :

Nom de l'outil	Champ d'application	Modèles implémentés	Formation utilisateur requise	Prêt à l'emploi
Microsoft Excel , OpenOffice.org	usage général	algorithmique, régression	connaissances de base en statistiques	nécessite une amélioration significative (mise en place de modèles)
Statistique , SPSS , Vues électroniques	recherche	un large éventail de régression, réseau neuronal		produit en boîte
Matlab	recherche, développement d'applications	algorithmique, régression, réseau de neurones	enseignement spécial des mathématiques	programmation requise
SAP APO	prévisions commerciales	algorithmique	aucune connaissance approfondie requise
PrévisionsPro , PrévisionsX	prévisions commerciales	algorithmique	aucune connaissance approfondie requise	produit en boîte
Logilité	prévisions commerciales	réseau neuronal algorithmique	aucune connaissance approfondie requise	nécessite une modification importante (pour les processus métier)
PrévisionsPro SDK	prévisions commerciales	algorithmique	connaissance de base en statistiques requise	programmation requise (intégration avec le logiciel)
iLog , TouteLogique , je pense , MatlabSimulink , GPSS	développement d'applications, modélisation	imitation	formation spéciale en mathématiques requise	programmation requise (pour des domaines spécifiques)

CRI PC- un progiciel multifonctionnel conçu pour la conception et le calcul de structures d'ingénierie mécanique et de bâtiments à des fins diverses. Les calculs du programme sont effectués pour les impacts statiques et dynamiques. La base des calculs est méthode des éléments finis(FEM). Différents modules enfichables (processeurs) permettent de sélectionner et de vérifier des sections de structures en acier et en béton armé, de modéliser les sols, de calculer les ponts et le comportement des bâtiments lors de l'installation, etc.

Une expérimentation informatique avec un modèle de système lors de sa recherche et de sa conception est réalisée afin d'obtenir des informations sur les caractéristiques du processus de fonctionnement de l'objet considéré. La tâche principale de la planification des expériences informatiques est d'obtenir les informations nécessaires sur le système étudié avec des restrictions de ressources (coûts du temps informatique, de la mémoire, etc.). Les problèmes particuliers résolus lors de la planification d'expériences informatiques incluent les tâches de réduction du temps informatique consacré à la modélisation, l'augmentation de la précision et de la fiabilité des résultats de la modélisation, la vérification de l'adéquation du modèle, etc.

L'efficacité des expériences informatiques avec des modèles dépend de manière significative du choix du plan expérimental, puisque c'est le plan qui détermine le volume et l'ordre des calculs sur un ordinateur, les méthodes d'accumulation et de traitement statistique des résultats de la modélisation du système. . Par conséquent, la tâche principale de planification d'expériences informatiques avec un modèle est formulée comme suit : il est nécessaire d'obtenir des informations sur l'objet de modélisation, spécifiées sous la forme d'un algorithme de modélisation (programme), avec une dépense minimale ou limitée de ressources machine pour mettre en œuvre le processus de modélisation.

L'avantage des expériences informatiques par rapport aux expériences naturelles est la possibilité de reproduire pleinement les conditions expérimentales avec un modèle du système étudié. . Un avantage significatif par rapport aux méthodes naturelles est la facilité d'interrompre et de reprendre les expériences informatiques, ce qui permet d'utiliser des techniques de planification séquentielle et heuristique qui peuvent ne pas être réalisables dans des expériences avec des objets réels. Lorsque vous travaillez avec un modèle informatique, il est toujours possible d'interrompre l'expérience pendant le temps nécessaire pour analyser les résultats et prendre des décisions quant à sa progression ultérieure (par exemple, sur la nécessité de modifier les valeurs des caractéristiques du modèle).

L'inconvénient des expériences informatiques est que les résultats d'une observation dépendent des résultats d'une ou plusieurs précédentes et contiennent donc moins d'informations que les observations indépendantes.

Par rapport à une base de données, une expérimentation informatique consiste à manipuler des données conformément à un objectif donné à l'aide d'outils SGBD. L'objectif de l'expérience peut être déterminé sur la base de l'objectif global de la simulation et en tenant compte des exigences de l'utilisateur spécifique. Il existe par exemple une base de données « Bureau du Doyen ». L'objectif global de la création de ce modèle est de gérer le processus éducatif. Si vous avez besoin d'obtenir des informations sur les performances des étudiants, vous pouvez faire une demande, c'est-à-dire réaliser une expérience pour échantillonner les informations nécessaires.

Les outils de l'environnement SGBD permettent d'effectuer les opérations suivantes sur les données :

1) tri – classer les données selon certains critères ;

2) recherche (filtrage) – sélection de données qui satisfont à une certaine condition ;

3) création de champs de calcul - conversion des données en un autre type basé sur des formules.

La gestion des modèles d'information est inextricablement liée au développement de divers critères de recherche et de tri des données. Contrairement aux classeurs papier, où le tri est possible selon un ou deux critères, et où la recherche s'effectue généralement manuellement par tri sur fiches, les bases de données informatiques permettent de préciser toute forme de tri selon différents champs et différents critères de recherche. L'ordinateur triera ou sélectionnera les informations nécessaires selon un critère donné sans aucun investissement de temps.

Pour travailler avec succès avec un modèle d'information, les environnements logiciels de bases de données vous permettent de créer des champs de calcul dans lesquels les informations d'origine sont converties sous une autre forme. Par exemple, sur la base des notes semestrielles, la moyenne cumulative d’un étudiant peut être calculée à l’aide d’une fonction intégrée spéciale. Ces champs calculés sont utilisés soit comme informations supplémentaires, soit comme critères de recherche et de tri.

Une expérience informatique comprend deux étapes : tester (vérifier l'exactitude des opérations) et mener une expérience avec des données réelles.

Après avoir créé des formules pour les champs de calcul et les filtres, vous devez vous assurer qu'elles fonctionnent correctement. Pour ce faire, vous pouvez saisir des enregistrements de tests dont le résultat de l'opération est connu à l'avance.

L'expérience informatique se termine par la sortie des résultats sous une forme pratique pour l'analyse et la prise de décision. L'un des avantages des modèles d'informations informatiques est la possibilité de créer diverses formes de présentation des informations de sortie, appelées rapports. Chaque rapport contient des informations pertinentes au but de l'expérience particulière. La commodité des rapports informatiques réside dans le fait qu'ils permettent de regrouper les informations selon des caractéristiques spécifiées, de saisir les champs totaux pour compter les enregistrements par groupe et en général pour l'ensemble de la base de données, puis d'utiliser ces informations pour prendre des décisions.

L'environnement vous permet de créer et de stocker plusieurs formulaires de rapport standard fréquemment utilisés. Sur la base des résultats de certaines expériences, vous pouvez créer un rapport temporaire, qui est supprimé une fois copié dans un document texte ou imprimé. Certaines expériences ne nécessitent aucun rapport. Par exemple, il est nécessaire de sélectionner l’étudiant le plus performant pour lui attribuer une bourse majorée. Pour ce faire, il suffit de trier par la note moyenne des notes du semestre. Les informations que vous recherchez seront contenues dans la première entrée de la liste des étudiants.