Элективный курс «Компьютерное моделирование физических процессов и явлений» -

Рецензенты: Фазылов К.Р., кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных коммуникаций Евразийского национального университета.

Авторы-составители: Шарипова И.С., учитель физики сш №28,

Хисматуллина Н.Ю., учитель информатики сш №28.

Элективный курс «Компьютерное моделирование физических процессов и явлений» -   стр.

Данный интегрированный курс предназначен для учащихся 8 классов и рассматривает одну из важнейших областей информационных технологий – компьютерное моделирование и физические явления, процессы, понятия, как источник фундаментальных естественнонаучных и технических знаний. Разработанный курс может быть использован учителями физики и информатики для активации познавательной деятельности и развития интереса к предметам физики и информатики.

Пояснительная записка

Одной из важнейших задач развития образования в Республике Казахстан является обеспечение реализации принципа «образование для всех в течение всей жизни».

«В условиях быстроизменяющегося мира и увеличения потоков информации фундаментальные предметные знания являются обязательной, но не достаточной целью образования. Обучающиеся должны не просто овладеть суммой знаний, умений и навыков, на что направлена система казахстанского образования (знаниецентризм). Гораздо важнее и сложнее привить обучающимся умение самостоятельно добывать, анализировать, структурировать и эффективно использовать информацию для максимальной самореализации и полезного участия в жизни общества (компетентность)». (Государственная программа развития образования в Республике Казахстан на 2005-2010 годы).

Изменение приоритетов в школьном образовании в связи с переходом на профильное обучение диктует выделить следующие цели обучения физике и информатике:

·         формирование научного мировоззрения учащегося путем целостного  представления объективной физической картины мира как развивающейся системы  фундаментальных  физических теорий;

·         развитие способностей ученика на основе усвоения им способов самостоятельного приобретения знаний по физике, а также социального опыта эмоционально-ценностного отношения к действительности, ставшей объектом деятельности, благодаря которой решаются возможные личные и социальные проблемы.

·         подготовка учеников к активной полноценной жизни и работе в условиях информационного общества;

·         воспитание у учащихся информационной культуры, адекватной современным информационным технологиям;

·         раскрытие им значения информационных процессов в формировании современной научной картины мира, роли информационных технологий и вычислительной техники в развитии современного общества.

 (ИНСТРУКТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПИСЬМО 2007 г)

Одним из способов добиться поставленных целей является использование элективных курсов. Элективные курсы - обязательные курсы по выбору.

Актуальность

Возрастающая роль информационных технологий в жизни современного общества определяет особое положение предмета «Информатика» в общей системе школьного образования. С одной стороны, информатика должна подготовить человека к решению практических задач в условиях информационного общества, т.е. научить пользоваться средствами компьютерной техники и технологии. С другой стороны, она обеспечивает важнейший компонент фундаментального образования. Вместе с другими предметами естественнонаучного и технического циклов информатика создает основу для формирования способностей к аналитическому, формально-логическому мышлению.

Данный интегрированный курс рассматривает одну из важнейших областей информационных технологий - компьютерное моделирование и физические явления, процессы, понятия, как источник фундаментальных естественнонаучных и технических знаний

Интегрированное обучение призвано отразить интеграцию научного знания, объективно происходящую в обществе. Курс «Компьютерное моделирование физических процессов и явлений» активизирует творческую и познавательную деятельность учащихся, развивает навыки исследовательской деятельности, умение самостоятельно добывать, анализировать, структурировать и эффективно использовать информацию. В дальнейшем вышеперечисленные навыки и умения позволяют учащемуся правильно сориентироваться в выборе профессии и преобразовать процесс развития в саморазвитие.

 Цель курса: развитие познавательных умений, повышение интереса к физике и информатике для дальнейшей профилизации обучения и профессиональной деятельности.

Для реализации цели определены следующие задачи:

• способствовать адаптации учащихся к жизни в быстроразвивающемся технологизированном обществе;
• развить познавательные способности и мышление учащихся, приобщить их к творческой деятельности;

·         привить учащимся навыки сознательного и рационального использования компьютеров в учебной, а затем и в профессиональной деятельности;

·         способствовать развитию алгоритмического и логического мышления;

• выработка умений применять компьютерную технику для проведе­ния компьютерного эксперимента и решения задач с физическим
  содержанием;
• закрепление представлений о постановке, классификации, приемах
  и методах решения школьных физических задач.

Поставленные цели и задачи позволяют реализовать принцип «образование для всех в течение всей жизни».

Предметы интегрирования: физика и информатика.

Адресная направленность

Разработанный курс может быть использован учителями физики и информатики для активизации познавательной деятельности и развития интереса к предметам физики и информатики.

Данный курс предназначен для учащихся 8 классов. Особенность его в том, что он может проводиться и для учащихся 9-11 классов (следует подобрать соответствующий материал по физике и усложнить средства компьютерного моделирования).

Построение моделей осуществляется в среде программирования, в графических редакторах, в прикладном пакете программ MS Office. В данных программах моделируются физические процессы, явления и задачи.

Основными формами проведения занятий курса являются: лекции, практическая работа на компьютере, экспериментальные задания, решение задач, проекты. Обучение осуществляется  по модульно-рейтинговой и проектной технологии. Программа разбита на модули. После каждого модуля учащиеся выполняют итоговый проект. За каждый вид деятельности в модуле учащиеся получают определенные баллы. После изучения модуля,  накопленные баллы переводятся в пятибалльную систему оценивания. Общее количество баллов в каждом модуле может быть разным. Все зависит от сложности материала и вида деятельности. Перевод осуществляется по процентной шкале: 95-100% - «5»;  75-94% - «4»; 40-74 – «3».

Тематический план

Содержание курса.

(VIII класс, всего 68 часов)

I          Основы теории моделирования – 6 ч

1)      Понятие модели, процесса моделирования.

2)      Классификация моделей.

3)      Этапы моделирования.

4)      Анализ модели.

5)      Виды и типы физических задач.

6)      Этапы решения физических задач.

Практикум «Создание материальных моделей».

Итоговый контроль: тест.

II        Моделирование физических процессов, явлений в среде программирования (33 часа)

1)      Понятие алгоритма, типы алгоритмов, формы записи алгоритмов, исполнители, свойства алгоритмов.

2)      Язык программирования Basic, алфавит языка, структура программы, типы данных и выражения.

3)      Простые операторы, операторы вводы и вывода данных, оператор присваивания.

4)      Оператор условия, оператор выбора.

5)      Операторы организации цикла.

Практикум «Создание компьютерных моделей физических процессов, явлений».

Итоговый контроль:

·         проект №1 «Составление алгоритмов»;

·         проект №2 «Составление программ с использованием линейных алгоритмов»;

·         проект № 3 «Составление программ с использованием разветвляющихся алгоритмов»;

·         проект № 4 «Составление программ с использованием циклических алгоритмов

Методические рекомендации:

В данном разделе рассматриваются задачи и лабораторные работы по темам: «Кинематика», «Тепловые явления», «Изменение агрегатных состояний вещества», «Архимедова сила. Плавание тел».

Примеры задач:

Задача 1. Автомобиль прошел 240 км за 6 часов. Какова средняя скорость автомобиля? (линейный алгоритм)

Задача 2 . В алюминиевом чайнике массой 300 г нагревается 2 л воды от 16 до 100˚С. Какое количество теплоты затрачено на нагревание воды? Чайника? (линейный алгоритм)

Задача 3. Объем ящика грузом 1,5 м³, сила тяжести, действующая на него, 12000 Н. Всплывет он или утонет, если его опустить в воду? (разветвляющийся алгоритм)

Задача 4. Модель детали машины изготовлена из дерева (сосна). Имеет массу 600 г. Какую массу будет иметь эта деталь, изготовленная из алюминия? Сравните массы деталей. (разветвляющийся алгоритм)

Задача 5. Какое количество теплоты выделяет 15 кг воды, взятое при температуре 25˚С, 15˚С, 5˚С, превратившись в лед при температуре 0˚С.

Лабораторная работа «Измерение удельной теплоемкости твердого тела».

Лабораторная работа «Условия плавания твердых тел в жидкости».

Лабораторная работа «Графики плавления и отвердевания».

Лабораторная работа «Давление в жидкости на дно сосуда».

III     Моделирование физических процессов, явлений в программе Excel (12 ч).

1)      Основные понятия и операции: ячейка, лист, строка, столбец.

2)      Правила работы с формулами, мастер функций.

3)      Построение и редактирование диаграмм.

Практикум «Создание компьютерных моделей физических процессов, явлений».

Итоговый контроль: проект № 5 «Составление компьютерной модели в электронной таблице»

Методические рекомендации:

В данном разделе рассматриваются задачи и лабораторные работы по теме: «Электростатическое поле», «Постоянный электрический ток».

Примеры задач:

Задача 1. Определите сопротивление электрической лампы, сила тока в которой 0,5 А при напряжении 120 В.

Задача 2. Рассчитайте сопротивление медного контактного провода длиной 5 км, площадью поперечного сечения 0,65 см².

Задача 3. Два маленьких одинаковых шарика находятся на расстоянии 0,2 м друг от друга, притягиваются с силой 4*10^-3 Н. Определите заряды шариков.

Лабораторная работа «Измерение напряжения на различных участках цепи».

Лабораторная работа «Измерение сопротивления проводника при помощи амперметра и вольтметра».

Лабораторная работа «Измерение КПД установки с электрическим нагревателем».

IV      Моделирование физических процессов, явлений в графическом редакторе (11 ч)

1)      Основные понятия.

2)      Работа с векторными объектами.

Практикум «Составление графических моделей».

Итоговый контроль: проект № 6 «Составление графической модели»

Итоговый проект по курсу (6 ч).

Методические рекомендации:

В данном разделе рассматриваются задачи и лабораторные работы по теме: «Свойства света», «Геометрическая оптика».

Примеры задач

Задача 1. Угол падения луча равен 15˚С. Чему равен угол между падающим и отраженным лучом?

Задача 2. Постройте изображение предмета в плоском зеркале MN

Задача 3. Найдите изображение светящейся точки в каждом случае.

Лабораторная работа «Наблюдение явления преломления света».

Лабораторная работа «Построение изображений в плоском зеркале».

Лабораторная работа «Получение изображения при помощи линз».

Требования к уровню подготовки   учащихся

Знать:

·      основные понятия, процессы, явления базового курса физики 7-8 кл.;

·      принцип автоматического исполнения программ;

·      системы программирования;

·      графические редакторы, их основные возможности;

·      электронные редакторы, их основные возможности;

·      назначение, содержание, взаимосвязь основных звеньев цепочки "объект - постановка задачи – построение информационной  модели - построение   алгоритма - компьютерная реализация - получение и анализ результатов";

·      понятие алгоритма, свойства алгоритма;

·      понятие системы команд исполнителя;

·      основные характеристики величин (имя, тип, значение, размерность);

·      основные алгоритмические конструкции;

·      различные способы записи алгоритмов;

·      правила записи алгоритмов на языке программирования;

·      основные принципы и идеи моделирования.

Уметь:

·      вызывать графический редактор, создавать рисунок, используя разнообразные инструменты редактора, сохранять  его во внешней памяти, считывать рисунок из внешней памяти, модифицировать его;

·      применять электронные таблицы для решения простейших задач хранения, поиска и обработки информации.

·      иллюстрировать на конкретных примерах понятие алгоритма и его свойства;

·      определять возможность использования исполнителя для решения конкретных задач по системе его команд;

·      составлять алгоритмы различными способами;

·      записывать и исполнять алгоритмы решения учебных задач,   используя   основные   конструкции   языка программирования;

·      составлять,   набирать,  редактировать  и  запускать программу;

·      приводить примеры моделей;

·      применять изученные программы для компьютерного моделирования физических процессов, явлений.

Приложение

МОДУЛЬ 1

Тема:  Основы теории моделирования

Цели модуля:

Образовательные:

1)  Научить учащихся определять цели и задачи моделирования, производить их классификацию.

2)  Закрепить умения и навыки по решению и классификации физических задач.

3)      Проконтролировать уровень усвоения пройденного материала.

4)      Познакомить учащихся с этапами моделирования.

Воспитательные:

1)  Воспитывать добросовестное отношение к труду.

Развивающие:        

1)  Развивать умение работать в должном темпе.

2)  Развивать алгоритмическое мышление.

3)  Развивать умение вести конспект, обобщать и систематизировать знания.

план Модуля

Рейтинговая карта

39 - 42 – «5»

31 - 38– «4»

17 - 30 – «3»

Лекция  «Моделирование. Физическая задача»

Модель — упрощенное представление о реальном объекте процессе или явлении.

Моделирование — построение моделей для исследования и изучения объектов, процессов, явлений.

Классификация моделей

Из чего сделаны?

Для чего, с какой целью используются?

Этапы моделирования

I этап — Постановка задачи

II этап — Разработка модели

III этап — Компьютерный эксперимент.

Тестирование — проверка правильности модели.

Тест — набор данных с заранее заданными свойствами.

IV этап — Анализ результатов моделирования.

Все задачи можно классифицировать следующим образом: по требованию, по содержанию, по способу задания и решения. Остановимся на всех видах задач. Качественные задачи, которые, как правило, не требуют математических расчетов и по типу условия делятся на словесные, графические и экспериментальные. Основная цель качественных задач научить:

-          различать физические явления в природе и технике;

-          объяснять физические явления и процессы на основе имеющихся
теоретических знаний.

Количественные задачи, которые для решения требуют проведения математических расчетов. По типу решения их принято подразделять на:

-          аналитические (решаются посредством использования одного или
нескольких необходимых уравнений);

-          графические (решаются посредством построения графика);

-          оценочные (для их решения необходимо сформулировать простую физическую модель рассматриваемого явления, подобрать разумные значения необходимых физических величин и получить примерный числовой результат, например: «Оценить, с какой скоростью может бежать по Луне космонавт в легком, удобном скафандре»);

-           экспериментальные.

При решении задач необходимо придерживаться определенных требований и этапов. Для этого детально остановимся на каждом шаге решении задач:

Этап 1. Понять суть задачи

1.      Внимательно прочитать текст задачи.

2.      Разбить текст задачи на такие фрагменты, в каждом из которых речь идет только об одной теме, об одном явлении, об одном свойстве, об одной физической величине.

3.      Выяснить смысл всех непонятных слов и выражений.

4.      Записать, что требуется и что дано.

5.      Сделать схематический рисунок или серию рисунков, если позволяет характер задачи. Указать на чертеже все векторные величины, выбрать систему отсчета.

6.      Кратко, одним-двумя предложениями, сделать запись, выражающую суть задачи.

Этап 2. Составить план решения задачи.

1. Рассмотреть физическую картину задачи, уяснив для себя, о каких темах и взаимодействиях тел идет речь в задаче, какие явления и процессы имеют место, какие принимаются упрощения (идеализация), какие физические величины описывают свойства тел и явления, какие связи (отношения) существуют между этими физическими величинами.

2.      Провести анализ задачи. Пояснить все буквенные обозначения величин. Составить план решения задачи. Приведя систему уравнений – следует пояснить каждое из них.

Этап 3. Реализовать план решения задачи.

1.     Найти решение задачи в общем, алгебраическом виде, проверить, правильную ли оно имеет размерность.

2.     Произвести необходимые расчеты, соблюдая правила приближенных вычислений и выполняя операции над наименованиями единиц физических величин.

Этап 4. Проверить или даже исследовать полученный результат.

1.      Оценить правдоподобность полученного численного результата.

2.      Установить и оценить все частные (предельные) случаи.

3.      Записать полученный ответ.
III.  Закрепление материала

Предлагается на отдельных развернутых тетрадных листах оформит по данному плану следующую задачу:

Деталь, изготовленная из сплава золота и серебра, имеет массу 412 г и объем 29,4см (в кубе). Сколько серебра содержится в этой детали?

При оформлении учитывать все основные пункты плана.

Домашнее задание

Закончить оформление задачи. Подобрать или составить свою задачу и оформить ее по плану,  создать модель-оригами+граф модель+описание модели (цель моделирования, классификация модели).

Решение задач

Для каждой задачи учащиеся определяют тип и реализовывают все этапы решения задачи. Учитель должен показать, что процесс решения задачи – это составление информационной и знаковой модели.

Качественные задачи

1. Словесная

Почему жидкости и газы нагревают снизу?

2. Графическая

Определите по графику, каким процессам соответствуют участки АВ, ВС, СD.

Для какого вещества построен график?

3. Экспериментальная

Возьмите стеклянную , деревянную и железные палочки. Потрогайте их на ощупь, какая палочка кажется холоднее? Почему?

Количественные задачи:

1. Аналитическая

Для нагревания 100 г. металла от 20˚С до 40˚С потребовалось 260 Дж энергии. Определите, что это за металл. (Золото)

2. Графическая

Постройте примерный график для нагревания, плавления стали, взятой при комнатной температуре.

3. Оценочная

Оценить с какой скоростью может бежать на луне космонавт в лёгком удобном скафандре.

      4. Экспериментальная

           Возьмите пробирку, заполненную наполовину водой, плотно зажмите в руке. Пользуясь мензуркой и термометром, определите количество теплоты, переданное вводе в процессе теплопередачи.

Тест

1. Модель есть замещение изучаемого объекта другим объектом, который отражает:

1) все стороны объекта

2) некоторые стороны данного объекта

3) существенные стороны данного объекта

4) несущественные стороны данного объекта

5) только одну сторону данного объекта

2. Какие атрибуты (признаки) объекта должны быть отражены в информационной модели, описывающей хобби ваших одноклассников, если эта модель позволяет получить ответы на следующие вопросы:

указать возраст всех детей, увлекающихся компьютером;

указать имена девочек, увлекающихся пением;

указать фамилии мальчиков, увлекающихся хоккеем.

1)  имя, пол, хобби

2) фамилия, пол, хоккей, пение, возраст

3) имя, пол, хобби, возраст

4) имя, возраст, хобби

5) фамилия, имя, пол, возраст, хобби

3. Какие из моделей не относятся к графическим?

1) схема

2)   карта

3) макет

4) чертеж

5) график

4. Какая из следующих моделей не является информационной моделью:

1) эскизы костюмов к театральному спектаклю

2) географический атлас

3) макет скелета человека

4) расписание движения поездов

5) оглавление книги

5. Какая из следующих моделей является динамической:

1)      напечатанная в газете программа телепередач

2)      макет строения молекулы воды

3)      схема метрополитена

4)      глобус

5)   уравнение химической реакции

6. Какая из следующих моделей является вербальной:

1) уравнение химической реакции: СО₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + Н₂О

2) новости по радио

3) формула определения площади квадрата со стороной h: S = h²

4) географический атлас

5) макет декорационного оформления театральной постановки

7. Информационной моделью организации занятий в школе является:

1) свод правил поведения учащихся

2) список класса

3) расписание уроков

4) перечень учебников

5) классный журнал

8. Предметной моделью является:

1)   макет самолета

2) карта

3) чертеж

4) диаграмма
5)схема

9. Информационной (знаковой) моделью является:

1) анатомический муляж

2) макет здания

3) модель корабля

4) заводной игрушечный автомобиль

5)   диаграмма

10. Изменение объектов во времени описывается с помощью:

1) предметной модели

2) логической модели

3) статической информационной модели

4) динамической информационной модели

5)  любой информационной модели

11.  Дано расписание уроков физкультуры в 9-11 классах. Определите минимальное количество учителей физкультуры при таком расписании.

1)  1

2) 2

3) 3

4) 4

5) 5

12. Ситуация требующая от учащегося мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики и на развитие мышления – это:

   А – физический эксперимент

   Б – экскурсия         

   В – физические задачи

   Г – физический практикум

13. Все задачи можно классифицировать следующим образом:

А – по требованью

Б – по эксперименту

В – по содержанию

Г – по способу задания и решения

14. Сколько существует видов задач:

   А – 3

   Б – 2

   В – 4

   Г – 5

15. Качественные задачи по типу условия делятся на:

А – словесные

Б – графические

В – экспериментальные

Г – оценочные

16. Качественные задачи по типу решения подразделяются на:

А – словесные

Б – аналитические

В – графические

Г – экспериментальные

Д – оценочные

Е – модульные

17. Расставьте правильно этапы решения физической задачи:

   А – составьте план решения задачи

   Б – реализовать план решения задачи

   В – проверить полученный результат

   Г – понять суть задачи

Литература для учителей

1.    «Государственная программа развития образования в Республике Казахстан на 2005-2010 годы»  - Указ Президента Республики Казахстан от 11 октября 2004 года N 1459 "Казахстанская правда" от 16 октября 2004 года N 237 .

2.    «Инструктивно-методическое письмо об особенностях преподавания основ наук в общеобразовательных организациях образования Республики Казахстан в 2007-2008 учебном году. – Казахская Академия образования им. Ы. Алтынсарина, 2007 г.

3.    Авторские программы учителей школ г. Астаны «Элективные курсы по математике» - ИПК и ПКСО, 2008.

4.    Иванова Т.В. «Интегрированные естественнонаучные курсы: «За» и «Против»», - «Естествознание в школе», №6, 2004.

5.    Шаронова Н.В. «Методические рекомендации по разработке авторской программы учебного курса», - «Завуч», №4, 2000.

6.    Теремов А.В. «Интеграция предметов гуманитарного и естественнонаучного цикла: необходимость и возможность», - «Естествознание в школе», №4, 2004.

7.    Сердитых З.Н. «Физика и методы научного познания» - «Физика в школе», №8, 2005.

8.    Златопольский Д.М. Я иду на урок информатики :Задачи по программированию 7-11 классы – М.: Издательство «Первое сентября, 2001.

9.    Гутман Г. Изучаем Basic. – СПб.: Питер, 2003.

10. Р.А. Гладкова, В.Е. Добронравов, Л.С. Жданов, Ф.С. Цодиков  Сборник задач и вопросов по физике для средних специальных учебных заведений. – М.: Наука, 1988.

11. Симонович С.В., Евсеев Г.А. Практическая информатика – М.: АСТ-Пресс: Информкорм-Пресс, 1998.

12. Симонович С.В., Евсеев Г.А. Специальная информатика – М.: АСТ-Пресс:Информкорм-Пресс, 1998.

13. Джанколи Д. Физика в 2-х т.: Пер. с англ. – М.: Мир,1989.

Литература для учащихся

1.    Информатика. 7-9 класс. Базовый курс. Практикум-задачник по моделированию/ Под ред. Н.В. Макаровой. – СПб.: Питер, 2006.

2.    Майоров А.Н. Физика для любознательных или О чем не узнаешь на уроке. – Ярославль: «академия развития», «Академия К», 1999.

3.    Коган Б.Ю. Сто задач по физике. – М.: Наука, 1986

4.    Задачи московских физических олимпиад / Под ред. С.С. Короткова. – М.: Наука, 1988.

5.    Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика в задачах. – Л., 1974.

6.    Ланина И.Я. 100 игр по физике. – М.: Просвещение, 1995.

7.    Володарский В.Е. Развитие мышления учащихся в работе с физическими задачами. – Алматы: Рауан, 1998.

8.    Горев Л.А. Занимательные опыты по физике в 6-7 классах средней школы. – М.: Просвещение, 1985.

9.    Перельман Я.И. Занимательная физика в 2-х книгах. – М.: Наука, 1986.\

10. Ланге В.Н. Экспериментальные физические задачи на смекалку. – М.: Наука, 1985.