Разработка методики изучения темы "Энтропия" с использованием информационных технологий

Компьютерный эксперимент способен дополнить “экспериментальную” часть курса физики и значительно повысить эффективность уроков. При его использовании можно вычленить главное в явлении, отсечь второстепенные факторы, выявить закономерности, многократно провести испытание с изменяемыми параметрами, сохранить результаты и вернуться к своим исследованиям в удобное время. К тому же, в компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов. Данный вид эксперимента реализуется с помощью компьютерной модели того или иного закона, явления, процесса и т.д. Работа с этими моделями открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.

В большинстве интерактивных моделей предусмотрены варианты изменений в широких пределах начальных параметров и условий опытов, варьирования их временного масштаба, а также моделирования ситуаций, недоступных в реальных экспериментах.

Ещё один позитивный момент в том, что компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощенной теоретической модели, что позволяет быстро и эффективно находить главные физические закономерности наблюдаемого явления. Кроме того, учащийся может одновременно с ходом эксперимента наблюдать построение соответствующих графических закономерностей. Графический способ отображения результатов моделирования облегчает учащимся усвоение больших объемов полученной информации. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков. Также необходимо учитывать, что далеко не все процессы, явления, исторические опыты по физике учащийся способен представить себе без помощи виртуальных моделей (например, диффузию в газах, цикл Карно, явление фотоэффекта, энергию связи ядер и т.д.). Интерактивные модели позволяют ученику увидеть процессы в упрощенном виде, представить себе схемы установок, поставить эксперименты вообще невозможные в реальной жизни.

Для проведения компьютерного эксперимента на уроках физики в современной школе есть необходимая материальная база, которая позволяет широко использовать возможности по внедрению современных информационных технологий в образовательный процесс.

Применение компьютерных технологий позволяет учителю не только применять современные формы и методы обучения, но и помогает повысить скорость и точность сбора и обработки информации об успешности обучения учащихся, благодаря компьютерному тестированию и контролю знаний, позволяет вести экстренную коррекцию.

Приобщение учащихся к компьютерным технологиям облегчается тем, что современные ученики к 10-му классу уже владеют пользовательскими навыками, так как большинство семей имеют компьютерную технику, нередко осуществляется выход в Интернет через домашнюю телефонную линию. Применение компьютерных технологий повышает и стимулирует интерес учащихся к получению новых знаний, активизирует мыслительную деятельность, благодаря интерактивности, позволяет эффективно усваивать учебный материал. Учащимся предоставляется возможность моделировать и визуализировать процессы, сложные для демонстрации в реальности, проводить самостоятельно исследовательский поиск материалов, опубликованных в Internet, для подготовки докладов и рефератов, тем самым развивать самостоятельность у учащихся, навыки самооценки. Обучение учащихся с помощью компьютерных технологий можно организовать индивидуально, разделять учебный материал по темпу его изучения, по логике и типу его восприятия учащимися. В отличие от таких привычных пассивных форм как лекция, просмотр видео и кинофильмов ученикам, пользователям компьютера, предлагается постоянное участие в происходящем, происходит приобщение и приучение их поисковой творческой деятельности, развивается воображение и модельное видение. Любая учебная компьютерная программа фактически является моделью, отображающей реальность в виртуальном мире. Ученик познает реальность с помощью компьютера через условные понятия и изображения, их нельзя потрогать, но они фактически двумерны. Применение электронных лабораторных работ способствует формированию информационной компетентности у учащихся, они учатся интерпретировать, систематизировать, критически оценивать и анализировать полученную информацию с позиции решаемой им задачи, делать аргументированные выводы, использовать полученную информацию при планировании и реализации своей деятельности в той или иной ситуации, структурировать имеющуюся информацию, представлять её в различных формах и на различных носителях, адекватных их запросам.

Виртуальные лабораторные работы могу быть использованы:

Для проведения уроков, содержащих физический эксперимент при изучении, повторении или закреплении изученного материала в курсе физики (с применением мультимедийного видеопроектора);

Для проведения фронтальных лабораторных работ и экспериментальных заданий для учащихся в компьютерном классе;

Для дополнительных заданий “продвинутым” ученикам с целью проведения дополнительного эксперимента по темам, выходящим за рамки программы школьного курса физики.

Для контроля знаний учащихся по физике по отдельным темам (электронное тестирование).

Для индивидуальных лабораторных работ и экспериментальных заданий ученикам, пропустившим занятия по той или иной причине.

А так же виртуальный эксперимент можно использовать в ходе обычного урока физики в классе при объяснении нового материала.

В результате использования виртуальных лабораторных экспериментов удается сформировать у учащихся за годы обучения информационную компетентность.

2.3 Использование виртуальных демонстраций и компьютерных лабораторных работ в ВУЗе

Лабораторные работы являются важнейшим структурным элементом предметной подготовки по физике в вузе. Одно из преимуществ лабораторных занятий по сравнению с другими видами аудиторной работы студентов состоит в том, что они интегрируют теоретико-методологические знания и практические умения студентов в единой учебно-исследовательской деятельности. Однако, следует отметить, что традиционная схема проведения лабораторных занятий и ограниченность экспериментальной базы, практически не пополняемой в последние годы, зачастую не позволяют в полной мере реализовать их дидактический потенциал. Для повышения эффективности данного вида учебных занятий в вузах активно используются средства вычислительной техники. В системе лабораторных работ компьютеры используются в самых различных аспектах: для проведения студентами расчетов, для автоматизации методик оценивания погрешностей лабораторных измерений, для проведения автоматизированного опроса теоретического материала, для проведения с помощью компьютеров имитационных экспериментов, которые сложно воспроизвести на имеющемся лабораторном оборудовании.

При формировании общей направленности автоматизации лабораторных работ по физике для студентов наибольший интерес представляет именно последний аспект: компьютеры как инструмент для полноценной имитации реального физического эксперимента. В настоящее время существует много «официально одобренных» версий организации компьютерных лабораторных работ с привлечением методов имитационного моделирования по всем разделам курса физики. Однако, использование таких разработок зачастую сопряжено с определенными трудностями. Предлагаемые для моделирования комплексы лабораторных работ не всегда соответствуют реально существующим лабораторным работам в физических лабораториях, что затрудняет возможность проведения натурного эксперимента.

Для всех разделов курса физики, изучаемых в вузе, необходимо разработать общую концепцию организации физического компьютерного практикума, базирующегося на следующих принципах:

-принцип соответствия модельного и натурного эксперимента;

-принцип преемственности в организации лабораторной работы;

-принцип дидактической полноты педагогического сценария;

-принцип индивидуализации учебной деятельности на занятии;

-принцип "дружественности" интерфейса программы с пользователем.

Безусловно, компьютерное моделирование не должно полностью заменить традиционную практику проведения лабораторных работ по физике, однако может существенно улучшить и облегчить работу, как преподавателей, так и студентов. Основными критериями для выбора подлежащих первоочередной компьютеризации лабораторных работ должны выступать:

-необходимость реализации при рассмотрении данной темы учебного курса дидактически более полноценного комплекса физических экспериментов;

-возможность разработки программных средств имитационного эксперимента, адекватных реальному эксперименту и способных выполняться с приемлемыми временными затратами на имеющихся в лаборатории средствах вычислительной техники.

При выполнении компьютерной части каждой работы студент последовательно проходит следующие этапы физического эксперимента.

1. Воспроизведение проведенных на реальном оборудовании лабораторных экспериментов. На этом этапе студент должен:

? удостовериться в справедливости математической модели рассматриваемого явления, лежащей в основе программы имитационного моделирования;

? оценить типовые искажения, обусловленные несовершенством реальных оптических элементов и неточностью сборки оптической схемы в целом;

? получить представление о специфических артефактах цифровых алгоритмов имитационного моделирования, особенностях их проявления в различных экспериментах и возможных способах нейтрализации их влияния.

2. Воспроизведение реальных лабораторных экспериментов при критических значениях параметров, трудно реализуемых на имеющемся оборудовании.

3. Проведение дидактически важных имитационных экспериментов, которые принципиально невозможно выполнить на имеющемся лабораторном оборудовании.

4. Проведение имитационных экспериментов, самостоятельно конструируемых студентами с целью получения тех или иных требуемых в задании эффектов.

При такой организации компьютерного физического практикума занятия могут проводиться в любых лабораториях вуза, имеющих компьютеры, подключенные к Интранет-сети университета. Тем самым обеспечивается высокая мобильность организационной структуры практикума, актуальная в рамках многопрофильного вуза, с территориально разнесенными учебными корпусами. Студент с любого компьютера с помощью обычного Интернет-браузера заходит на HTML-страницу институтского сервера, соответствующую физическому практикуму, регистрируется, проходит тестовый опрос и получает индивидуальные задания. По итогам их выполнения готовится отчет в электронном виде (файл формата Word). Окончательная защита работы проводится по традиционной схеме - в собеседовании с преподавателем.

Компьютерным ядром практикума является моделирующая программа, которая предоставляет возможности виртуальной сборки типовых систем [1, с.10-17].

Дидактический потенциал компьютерного физического практикума, проводимого по описанной схеме, несомненно, выше традиционного. Во-первых, наличие в каждой лабораторной работе задания, предполагающего самостоятельное конструирование условий эксперимента, требует достаточно высокого уровня теоретической подготовленности студентов к занятиям. Во-вторых, в рамках физического практикума, студенты проводят эксперименты, реально отражающие направленность их будущей учебной и профессиональной деятельности. Кроме того, для многих студентов возможность непосредственного участия в организации имитационного эксперимента расширена за счет подключения их к разработке программного обеспечения. Разработанные студентами моделирующие программы, после того как они приняты в эксплуатацию, представляются ими как курсовые проекты по специальности.

3. Характеристики программ

3.1 Структура среды программирования

Внешний вид среды программирования Delphi отличается от многих других из тех, что можно увидеть в Windows. К примеру, Borland Pascal for Windows 7.0, Borland C++ 4.0, Word for Windows, Program Manager - это все MDI приложения и выглядят по-другому, чем Delphi. MDI (Multiple Document Interface) - определяет особый способ управления нескольких дочерних окон внутри одного большого окна.

Среда Delphi же следует другой спецификации, отличается от многих других из тех, что можно увидеть в Windows. Данная среда следует спецификации называемой Single Document Interface (SDI), и состоит из нескольких отдельно расположенных окон. Это было сделано из-за того, что SDI близок к той модели приложений, что используется в Windows 95.

Ниже перечислены основные составные части Delphi:

Дизайнер Форм (Form Designer)

Окно Редактора Исходного Текста (Editor Window)

Палитра Компонент (Component Palette)

Инспектор Объектов (Object Inspector)

Справочник (On-line help)

Есть, конечно, и другие важные составляющие Delphi, вроде линейки инструментов, системного меню и многие другие, нужные Вам для точной настройки программы и среды программирования.

Программисты на Delphi проводят большинство времени переключаясь между Дизайнером Форм и Окном Редактора Исходного Текста (которое для краткости называют Редактор). Прежде чем Вы начнете, убедитесь, что можете распознать эти два важных элемента. Дизайнер Форм показан на рисунке 4, окно Редактора - на рисунке 5.



Рисунок 4 - Дизайнер Форм - то место, где Вы создаете визуальный интерфейс программы

Рисунок 5 - В окне Редактора Вы создаете логику управления программой

Несмотря на всю важность Дизайнера Форм, местом, где программисты проводят основное время является Редактор. Логика является движущей силой программы и Редактор - то место, где Вы ее "кодируете".

Палитра Компонент (рисунок 6) позволяет Вам выбрать нужные объекты для размещения их на Дизайнере Форм. Для использования Палитры Компонент просто первый раз щелкните мышкой на один из объектов и потом второй раз - на Дизайнере Форм. Выбранный Вами объект появится на проектируемом окне и им можно манипулировать с помощью мыши.

Палитра Компонент использует постраничную группировку объектов. Внизу Палитры находится набор закладок - Standard, Additional, Dialogs и т.д. Если Вы щелкнете мышью на одну из закладок, то Вы можете перейти на следующую страницу Палитры Компонент. Принцип разбиения на страницы широко используется в среде программирования Delphi и его легко можно использовать в своей программе. (На странице Additional есть компоненты для организации страниц с закладками сверху и снизу).

Рисунок 6 - Палитра Компонент - место, где Вы выбираете объекты, которые будут помещены на вашу форму

Слева от Дизайнера Форм Вы можете видеть Инспектор Объектов (рисунок 7). Заметьте, что информация в Инспекторе Объектов меняется в зависимости от объекта, выбранного на форме. Важно понять, что каждый компонент является настоящим объектом и Вы можете менять его вид и поведение с помощью Инспектора Объектов

Рисунок 7 - Инспектор Объектов позволяет определять свойства и поведение объектов, помещенных на форму

Последняя важная часть среды Delphi - Справочник (on-line help). Для доступа к этому инструменту нужно просто выбрать в системном меню пункт Help и затем Contents.

Рисунок 8 - Справочник Delphi

Справочник является контекстно-зависимым; при нажатии клавиши F1, Вы получите подсказку, соответствующую текущей ситуации. Например, находясь в Инспекторе Объектов, выберите какое-нибудь свойство и нажмите F1 - Вы получите справку о назначении данного свойства. Если в любой момент работы в среде Delphi возникает неясность или затруднение - жмите F1 и необходимая информация появится на экране.

3.2 Дополнительные элементы

В данном разделе внимание фокусируется на трех инструментах, которые можно воспринимать как вспомогательные для среды программирования:

Меню (Menu System)

Панель с кнопками для быстрого доступа (SpeedBar)

Редактор картинок (Image Editor)

Меню предоставляет быстрый и гибкий интерфейс к среде Delphi, потому что может управляться по набору "горячих клавиш". Это удобно еще и потому, что здесь используются слова или короткие фразы, более точные и понятные, нежели иконки или пиктограммы. Вы можете использовать меню для выполнения широкого круга задач; скорее всего, для наиболее общих задач вроде открытия и закрытия файлов, управления отладчиком или настройкой среды программирования.

SpeedBar находится непосредственно под меню, слева от Палитры Компонент. SpeedBar выполняет много из того, что можно сделать через меню. Если задержать мышь над любой из иконок на SpeedBar, то Вы увидите что появится подсказка, объясняющая назначение данной иконки.

Рисунок 9 - набор «Горячих клавиш»Delphi

3.3 Описание программ

Виртуальные демонстрационные эксперименты по теме «Энтропия» предназначены для наглядного представления необратимости процессов, взаимодействия частиц с различной кинетической энергией, хаотического движения частиц, для определения вероятности нахождения частицы в данном макросостоянии, вычисления энтропии системы через её статистический вес.

Основные характеристики программ:

Название программы ;

Среда программирования - Delphi;

Место, занимаемое программоми на диске - 380 - 420 Кб;

Минимальная конфигурация оборудования для эффективной работы программы:

а) Процессор - частотой не меньше 1000 МГц;

б) Оперативная память - не меньше 4 Мбайт;

в) Разрешение монитора - 800 на 600 точек;

г) Звуковая карта - не требуется;

д) Операционная система - Windows 98/Me/XP/Vista/7.

Программа демонстрирует броуновское движение молекул. Молекулы, находясь в сосуде с постоянным объёмом, стакиваются со стенками сосуда, а также друг с другом. Число молекул фиксировано: 10, 25, 100 и 500. Сосуд может быть разделен на 2, 3 и 4 отсека прозрачными стенками, которые ни коим образом не влияют на движение частиц. При этом фиксируется количество молекул в каждом отсеке. Зная число молекул в каждом отсеке легко вычисляется термодинамическая вероятность макросостояний, с помощью которой, в дальнейшем, вычисляется и значение энтропии системы. Для отображения молекул используется инструмент графического интерфейса Canvas.

С помощью данной программы легко пронаблюдать за изменением конечного значения энтропии в случае, когда число отсеков увеличивается, либо уменьшается.

3.4 Установка программы

Программы выполнены в виде одного исполняемого файла и не требуют установки. Для начала работы достаточно просто скопировать исполняемые файлы в нужную область диска или на переносной носитель, имеющий возможность «горячей» перезаписи информации (карта Flash памяти, дискета). Во время работы, программам не требуется обращаться ни к каким файлам, как для чтения, так и для записи.

Для начала работы с приложением следует запустить файл entropy1.exe или entropy2.exe (в зависимости от необходимого приложения) из родительского каталога. После запуска программы сразу начинается физическая симуляция броуновского движения.

3.5 Описание виртуальных экспериментов «Энтропия 1», «Энтропия 2»

Интерфейс программы состоит из:

1) Рабочей области - области, в которой происходит визуализация системы;

2) Кнопки «Шаг» - проведение одной итерации и приостановка дальнейшей симуляции до нажатия кнопки «Старт»;

3) Кнопки «Старт» - возобновление симуляции после приостановки.

После запуска приложения сразу начинается симуляция движения молекул. Сосуд разделен на 2 отсека. В любой момент пользователь при помощи соответствующих кнопок может открыть перегородку либо «обратить» процесс. Для более детального анализа процесса можно пользоваться кнопкой «Шаг». Для того чтобы возобновить симуляцию после остановки необходимо нажать кнопку «Старт».

Рисунок 10 - «Энтропия - 1» после запуска



Рисунок 11 - «Энтропия - 1» процесс теплообмена

Рисунок 12 - «Энтропия - 2» после запуска

Рисунок 13 - «Энтропия - 2» процесс распространения газа



Рисунок 14 - «Энтропия-2» после нажатия клавиши обратить

3.6 Описание виртуальной модели «Энтропия 3»

Интерфейс программы состоит из:

1) Рабочей области - области, в которой происходит визуализация системы;

2) Кнопки «Шаг» - проведение одной итерации и приостановка дальнейшей симуляции до нажатия кнопки «Старт»;

3) Кнопки «Старт» - возобновление симуляции после приостановки.

4) Область, в которой регулируется количество молекул в сосуде;

5) Область регулирования количества отсеков;

6) Область вычисления количества молекул в каждом отсеке;

7) Рассчитываемые формулы для энтропии и термодинамической вероятности системы;

После запуска приложения сразу начинается симуляция движения молекул. Сосуд разделен на 4 отсека и количество молекул равно 10. В любой момент пользователь при помощи соответствующих кнопок может изменить количество молекул и отсеков, чтобы наблюдать за изменением конечного значения энтропии системы. Для более детального анализа процесса можно пользоваться кнопкой «Шаг». Для того чтобы возобновить симуляцию после остановки необходимо нажать кнопку «Старт».

Рисунок 15 - Программа Энтропия после запуска (2 отсека)

Рисунок 16 - Программа Энтропия после запуска (3 отсека)

Рисунок 17 - Энтропия после запуска (4 отсека)

3.7 Описание виртуальной модели «Энтропия 4»

Интерфейс программы состоит из:

1) Рабочей области - области, в которой происходит визуализация системы;

2) Кнопки «Шаг» - проведение одной итерации и приостановка дальнейшей симуляции до нажатия кнопки «Старт»;

3) Кнопки «Старт» - возобновление симуляции после приостановки.

4) Кнопки «увеличить»(«уменьшить») - увеличивают/уменьшают размер частиц

5) Область, в которой регулируется количество молекул в сосуде;

6) Область регулирования количества отсеков;

7) Область вычисления количества молекул в каждом отсеке;

8) Рассчитываемые формулы для энергии системы.

9) Кнопки «холодильник» и «печь», с помощью которых, на одной из стенок сосуда можно включить холодильник или печь.

Рисунок 18 - программа «Энтропия 4» после запуска

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данной курсовой работы были получены следующие результаты:

1.Рассмотрены различные методические подходы, при использовании демонстрационных экспериментов во время, как лекционных, так и практических занятий в ВУЗе и в школе. Особое внимание было уделено использованию виртуальных моделей и компьютерных лабораторных работ в процессе изложения нового материала и при проведении лабораторных занятий.

2. Так же были рассмотрены теоретические сведенья по теме «Энтропия». Материал подходит для проведения лекционного занятия в вузе и подготовки студентов к лабораторным занятиям по данной теме.

3. Разработаны 4 компьютерные модели, которые позволяют продемонстрировать термодинамические процессы, рассчитать энтропию системы с помощью термодинамической вероятности макросостояний, ознакомится с необратимыми процессами. При этом возможно изменять число молекул системы и количество отсеков, что позволяет проанализировать, каким образом изменяется энтропия в зависимости от макросостояний. Для разработки данных программ использовался язык Delphi. В ходе выполнения данной дипломной работы разработана методика проведения занятий, с использованием виртуальных демонстрационных экспериментов. Были указаны ключевые вопросы и методы изложения темы «Энтропия». Разработанную программу можно использовать для изучения, лучшего усвоения и закрепления материала по данной теме.

Результаты данной курсовой работы можно использовать при изложении и закреплении и проведении лабораторных занятий по теме «Энтропия» в ВУЗах. Изложенный материал был использован в учебно-методическом пособии по физике.

Список использованных источников

1. Грудин Б.Н., Клещева Н.А., Фищенко В.К. Оптико-электронная обработка изображений: Учебное пособие. - Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2004. - 80с. 

2. Клещева Н.А., Штагер Е.В., Шилова Е.С. Перспективные направления совершенствования процесса обучения в техническом вузе: учебно-методическое пособие. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. - 124 с.

3. Старк Г. Теория и измерение оптических Фурье-спектров // Применение методов Фурье-оптики. - М.: Радио и связь, 1998. - 432с.

4 Кубо Р. Термодинамика : учебное пособие / Р. Кубо М.: издат. Иностр. Лит. «Мир», 1965. - 307с.

5 Леонтович М.А. Статистическая физика: учебное пособие / М.А. Леонтович. - Москва: «Просвещение», 1983. - 299с.

6 Де Гроот С.Р. Термодинамика необратимых процессов: учебное пособие для вузов / С.Р. де Грот. - М.:Гос.изд. техно-теоретической литературы, 1956. - 277с.

7 Кудрявцев Б.Б. Курс физики. Теплота и молекулярная физика: учебное пособие / Б.Б. Кудрявцев. - Москва: «Просвещение», 1956. - 224с.

8 Базаров И.П. Термодинамика: учебное пособие / И.П. Базаров. - Минск: «Высшая школа»,1991. - 375с.

9 Левич В.Г. Введение в статистическую физику: учебное пособие / В.Г. Левич. - Москва: Гос.изд. техно-теоретической литературы,1954. - 529с.

10 Мелешко Л.О. Молекулярная физика и введение в термодинамику: учебное пособие / Л.О. Мелешко. - Минск: «Наука»,1977. - 414с.

11 Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики: учебное пособие для вузов / Я.М. Гельфер - М.: Высш. шк., - 1969. - 278с.

12 Базаров И.П. Термодинамика: учебное пособие для вузов / И.П. Базаров. - М.: «Высшая школа», 1991. - 378с.

13 Сивухин Д.В. Термодинамика и молекулярная физика: Учеб. Пособие для вузов / Д.В. Сивухин . - М.: Наука, 1990. - 416с.

14 Наркевич И.И. , Волмянский Э.И., Лобко С.И. Физика для ВТУЗов. Молекулярная физика: учебное пособие для втузов / И. И. Наркевич, Э. И. Волмянский, С.И. Лобко. - Минск : «Высшая школа», 1992г.- 286с.

15 Кикоин А.К., Кикоин И.К.. Молекулярная физика : учебное пособие / А. К. Кикоин, И.К. Кикоин - М.: «Наука», 1980. - 339с.

16 Методика обучения физике. Д.И. Минск: «ИВЦ Минфина», 2007г

17 Кавтрев А.Ф. Брошюра . Методические аспекты преподавания физики с использованием компьютерного курса «Открытая физика 1.0».[электронный ресурс] / Методические аспекты преподавания физики с использованием компьютерного курса.- Москва: "Физикон", 2000. - режим доступа www.college.ru/booklet/1st.html. - Дата доступа: 24.05.2010г.

Размещено на Allbest.ru