Autonomă Municipală

instituție educațională

„Școala medie nr. 31”

Syktyvkar

Experiment pe calculator

la un curs de fizică de liceu.

Reizer E.E.

Republica Komi

G .Syktyvkar

CONŢINUT:

eu. Introducere

II. Tipuri și rolul experimentului în procesul de învățare.

III. Utilizarea calculatorului la lecțiile de fizică.

V. Concluzie.

VI. Glosar.

VII. Bibliografie.

VIII. Aplicatii:

1. Clasificarea experimentului fizic

2. Rezultatele sondajului studenților

3. Utilizarea computerului în timpul unui experiment demonstrativ și rezolvarea de probleme

4. Utilizarea unui computer în timpul

Lucrări de laborator și practică

EXPERIMENTUL CALCULATORULUI

LA CURSUL DE FIZICĂ ÎN ŞCOALA MEDIA.

…E timpul să înarmezi

profesori cu un nou instrument,

iar rezultatul este imediat

va afecta generațiile următoare.

Potashnik M.M.,

Academician al Academiei Ruse de Educație, Doctor în Științe Pedagogice, Profesor.

eu. Introducere.

Fizica este o știință experimentală. Activitatea științifică începe cu observarea. Observarea este cea mai valoroasă atunci când condițiile care o afectează sunt controlate cu precizie. Acest lucru este posibil dacă condițiile sunt constante, cunoscute și pot fi modificate la cererea observatorului. Se numește observație efectuată în condiții strict controlate experiment. Și științele exacte sunt caracterizate de o legătură organică între observații și experimente cu determinarea valorilor numerice ale caracteristicilor obiectelor și proceselor studiate.

Un experiment este cea mai importantă parte a cercetării științifice, a cărei bază este un experiment condus științific cu condiții luate în considerare și controlate cu precizie. Cuvântul experiment în sine provine din latină experimentum- încercare, experiență. În limbajul științific și în activitatea de cercetare, termenul „experiment” este de obicei folosit într-un sens comun unui număr de concepte înrudite: experiență, observație țintită, reproducerea unui obiect de cunoaștere, organizarea condițiilor speciale pentru existența acestuia, verificarea predicției. Acest concept include realizarea științifică a experimentelor și observarea fenomenului studiat în condiții precis luate în considerare, ceea ce face posibilă monitorizarea cursului fenomenelor și recrearea acestuia de fiecare dată când aceste condiții sunt repetate. Însuși conceptul de „experiment” înseamnă o acțiune care vizează crearea condițiilor pentru implementarea unui anumit fenomen și, dacă este posibil, cel mai frecvent, adică. nu este complicat de alte fenomene. Scopul principal al experimentului este identificarea proprietăților obiectelor studiate, testarea validității ipotezelor și, pe această bază, studiul larg și aprofundat al temei cercetării științifice.

Inainte deXVIIIc., când fizica era o orăaceastă filozofie, oamenii de știință au considerat busteniconcluziile științifice stau la baza ei și numaiexperiment de gândire ar putea fi pentruei este convingător în formarea unei opiniiasupra structurii lumii, fi de bazălegi zitice. Galileo, pe careconsiderat pe bună dreptate părintele experimentuluifizică, nu a putut demonstra nimic contemporanilor săi prin efectuarea de experimente cubile căzând de diferite mase din Pisanzgârie nori. „Ideea lui Galileo a provocat remarci disprețuitoare și nedumerire.”Experiment de gândire peanaliza comportamentului a trei corpuri de masă egalăsy, dintre care doi erau rudeun indiciu s-a dovedit a fi pentru colegii luimai convingător decât directexperiență finală.

Într-un mod similar, Galileo a demonstrat validitatea legii inerției cu două plane înclinate și bile care se mișcă de-a lungul lor. I. Newton însuși a încercat să fundamenteze legile cunoscute și descoperite de el în cartea sa „Fundamentele matematice ale filosofiei naturale”, folosind schema lui Euclid, introducând axiome și teoreme bazate pe acestea. Pe coperta acestei cărți

înfățișează Pământul, muntele (G)și un tun ( P) (Fig. 1).

Tunul trage ghiule care cad la distante diferite de munte in functie de viteza lor initiala. La o anumită viteză, nucleul face o revoluție completă în jurul Pământului. Newton, cu desenul său, a sugerat posibilitatea de a crea sateliți artificiali de pe Pământ, care au fost creați câteva secole mai târziu.

În această etapă de dezvoltare a fizicii, era necesar un experiment de gândire, deoarece din cauza lipsei instrumentelor necesare și a bazei tehnologice, un experiment real era imposibil. Experimentul de gândire a fost folosit atât de D.C. Maxwell la crearea unui sistem de ecuații de bază ale electrodinamicii (deși au fost folosite și rezultatele experimentelor naturale efectuate anterior de M. Faraday), cât și de A. Einstein la dezvoltarea teoriei relativității.

Astfel, experimentele de gândire sunt una dintre componentele dezvoltării noilor teorii. Majoritatea experimentelor fizice au fost inițial simulate și efectuate mental, apoi în realitate. Mai jos vom oferi exemple de experimente de gândire care au jucat un rol important în dezvoltarea fizicii.

În secolul al V-lea î.Hr. Filosoful Zenon a creat o contradicție logică între fenomenele reale și ceea ce se poate obține prin deducții logice. El a propus un experiment de gândire în care a arătat că o săgeată nu va prinde niciodată o rață (Fig. 2).

G. Galileo în opera sa științifică a recurs la raționamentul bazat pe bunul simț, referindu-se la așa-numitele „experimente mentale”. Adepții lui Aristotel, respingând ideile lui Galileo, au citat o serie de argumente „științifice”. Cu toate acestea, Galileo a fost un mare polemist, iar contraargumentele sale erau de netăgăduit. Pentru oamenii de știință din acea epocă, raționamentul logic era mai convingător decât dovezile experimentale.

Fizica „cretacicului”, ca și alte metode de predare a fizicii care nu corespund metodei experimentale de înțelegere a naturii, a început să atace școala rusă în urmă cu aproximativ 10-12 ani. În acea perioadă, nivelul de furnizare a echipamentelor sălii de clasă a scăzut sub 20% din ceea ce era necesar; industria care producea echipamente educaționale a încetat practic să funcționeze; Așa-numitul articol bugetar protejat „pentru echipamente”, care nu putea fi cheltuit decât în ​​scopul propus, a dispărut din devizele școlii. Când s-a realizat situația critică, subprogramul „Cabinetul de fizică” a fost inclus în programul federal „Tehnologia educațională”. În cadrul programului, a fost restabilită producția de echipamente clasice și s-au dezvoltat echipamente școlare moderne, inclusiv folosind cele mai noi tehnologii informatice și informatice. Cele mai radicale schimbări s-au produs în echipamentele pentru lucru frontal seturi tematice de echipamente din mecanică, fizică moleculară și termodinamică, electrodinamică și optică au fost dezvoltate și produse în cantități de masă (școala are un set complet de acest nou echipament pentru aceste secțiuni; ).

Rolul și locul experimentului independent în conceptul de educație fizică s-au schimbat: experimentul nu este doar un mijloc de dezvoltare a abilităților practice, ci devine o modalitate de stăpânire a metodei de cunoaștere. Computerul „a izbucnit” în viața școlii cu o viteză extraordinară.

Calculatorul deschide noi căi în dezvoltarea gândirii, oferind noi oportunități de învățare activă. Desfășurarea lecțiilor folosind un computer

exercițiile, testele și lucrările de laborator, precum și înregistrarea progresului devin mai eficiente, iar un flux imens de informații devine ușor accesibil. Folosirea unui computer în lecțiile de fizică ajută, de asemenea, la implementarea principiului interesului personal al elevilor pentru învățarea materialului și a multor alte principii ale educației pentru dezvoltare.
Cu toate acestea, în opinia mea, un computer nu poate înlocui complet un profesor. Profesorul are ocazia să-i intereseze pe elevi, să le stârnească curiozitatea, să le câștige încrederea, le poate îndrepta atenția către anumite aspecte ale materiei studiate, să le răsplătească eforturile și să-i oblige să învețe. Un computer nu va putea niciodată să-și asume un asemenea rol de profesor.

Gama de utilizare a computerului în activități extracurriculare este, de asemenea, largă: contribuie la dezvoltarea interesului cognitiv pentru subiect, extinde posibilitatea cercetării creative independente pentru cei mai entuziaști studenți la fizică.

II. Tipuri și rolul experimentului în procesul de învățare.

Principalele tipuri de experimente fizice:

Experiență demonstrativă;

Lucrări frontale de laborator;

Atelier fizic;

Sarcina experimentală;

Lucru experimental la domiciliu;

Experimentați folosind un computer (vizualizare nouă).

Experiment demonstrativ este una dintre componentele unui experiment fizic educațional și este o reproducere a fenomenelor fizice de către un profesor pe o masă demonstrativă folosind instrumente speciale. Se referă la metode ilustrative de predare experiențială. Rolul unui experiment demonstrativ în predare este determinat de rolul pe care experimentul îl joacă în fizică și știință ca sursă de cunoaștere și criteriu al adevărului său, precum și de capacitățile sale de organizare a activităților educaționale și cognitive ale elevilor.

Semnificația experimentului fizic demonstrativ este următoarea:

Elevii se familiarizează cu metoda experimentală a cunoașterii în fizică, cu rolul experimentului în cercetarea fizică (în consecință, își dezvoltă o viziune științifică asupra lumii);

Elevii dezvoltă unele abilități experimentale: capacitatea de a observa fenomene, capacitatea de a formula ipoteze, capacitatea de a planifica un experiment, capacitatea de a analiza rezultate, capacitatea de a stabili relații între cantități, capacitatea de a trage concluzii etc.

Un experiment demonstrativ, fiind un mijloc de claritate, ajută la organizarea percepției elevilor asupra materialului educațional, înțelegerea și memorarea acestuia; permite pregătirea politehnică a studenților; ajută la creșterea interesului pentru studiul fizicii și la crearea motivației pentru învățare. Dar când un profesor realizează un experiment demonstrativ, elevii observă doar pasiv experimentul condus de profesor, fără a face nimic cu propriile mâini. Prin urmare, este necesar ca elevii să aibă experimente independente în fizică.

Predarea fizicii nu poate fi prezentată doar sub formă de ore teoretice, chiar dacă elevilor li se prezintă în clasă experimente fizice demonstrative. La toate tipurile de percepție senzorială, este imperativ să adăugați „lucrați cu mâinile” la cursuri. Acest lucru se realizează atunci când elevii finalizează experiment fizic de laborator, când ei înșiși asamblează instalații, efectuează măsurători ale mărimilor fizice și efectuează experimente. Orele de laborator trezesc un interes foarte mare în rândul studenților, ceea ce este destul de firesc, deoarece în acest caz elevul învață despre lumea din jurul său pe baza propriei experiențe și a propriilor sentimente.

Importanța orelor de laborator în fizică constă în faptul că elevii își dezvoltă idei despre rolul și locul experimentului în cunoaștere. Atunci când efectuează experimente, elevii dezvoltă abilități experimentale, care includ atât abilități intelectuale, cât și abilități practice. Primul grup include abilitățile de a determina scopul unui experiment, de a formula ipoteze, de a selecta instrumente, de a planifica un experiment, de a calcula erori, de a analiza rezultatele și de a întocmi un raport cu privire la munca depusă. Al doilea grup include abilitățile de a asambla o configurație experimentală, de a observa, de a măsura și de a experimenta.

În plus, semnificația experimentului de laborator constă în faptul că, la efectuarea acestuia, elevii dezvoltă calități personale atât de importante precum acuratețea în lucrul cu instrumentele; menținerea curățeniei și ordinii la locul de muncă, în notele făcute în timpul experimentului, organizare, perseverență în obținerea rezultatelor. Ei dezvoltă o anumită cultură a muncii mentale și fizice.

- acesta este un tip de muncă practică când toți elevii dintr-o clasă realizează simultan același tip de experiment folosind același echipament. Lucrarea de laborator frontală este efectuată cel mai adesea de un grup de studenți format din două persoane, uneori este posibil să se organizeze munca individuală. În consecință, biroul ar trebui să aibă 15-20 de seturi de instrumente pentru lucrul frontal de laborator. Numărul total de astfel de dispozitive va fi de aproximativ o mie de bucăți. Denumirile lucrărilor frontale de laborator sunt date în curriculum. Sunt destul de multe, sunt furnizate pentru aproape fiecare subiect al cursului de fizică. Înainte de a efectua lucrarea, profesorul identifică disponibilitatea elevilor de a efectua în mod conștient lucrarea, determină scopul acesteia cu ei, discută despre progresul lucrării, regulile de lucru cu instrumente și metodele de calcul a erorilor de măsurare. Lucrările de laborator frontale nu sunt foarte complexe ca conținut, sunt strâns legate cronologic de materialul studiat și, de regulă, sunt concepute pentru o lecție. Descrierile lucrărilor de laborator pot fi găsite în manualele școlare de fizică.

Atelier de fizică se desfășoară cu scopul de a repeta, aprofunda, extinde și generaliza cunoștințele dobândite din diverse teme ale cursului de fizică, dezvoltarea și îmbunătățirea abilităților experimentale ale studenților prin utilizarea unor echipamente mai complexe, un experiment mai complex și dezvoltarea independenței acestora în rezolvarea problemelor. legate de experiment. Un atelier de fizică nu are legătură în timp cu materialul studiat, se ține, de regulă, la sfârșitul anului universitar, uneori la sfârșitul primului și al doilea semestru, și include o serie de experimente privind; un anumit subiect. Elevii efectuează lucrări fizice practice în grup de 2-4 persoane folosind diverse echipamente; În cursurile următoare are loc o schimbare de lucru, care se face după un program special conceput. La întocmirea unui program, luați în considerare numărul de elevi din clasă, numărul de ateliere și disponibilitatea echipamentului. Fiecărui atelier de fizică îi sunt alocate două ore de predare, ceea ce necesită introducerea în orar a unor lecții duble de fizică. Acest lucru prezintă dificultăți. Din acest motiv și din lipsa echipamentului necesar, se practică ateliere fizice de o oră. Trebuie remarcat faptul că munca de două ore este de preferat, deoarece munca atelierului este mai complexă decât munca frontală de laborator, acestea sunt efectuate pe echipamente mai complexe, iar ponderea participării independente a studenților este mult mai mare decât în ​​cazul lucru frontal de laborator. Pentru fiecare lucrare, profesorul trebuie să întocmească instrucțiuni, care să conțină numele, scopul, lista dispozitivelor și echipamentelor, o scurtă teorie, o descriere a dispozitivelor necunoscute elevilor și un plan de finalizare a lucrării. După finalizarea lucrării, studenții trebuie să depună un raport, care trebuie să conțină titlul lucrării, scopul lucrării, o listă de instrumente, o diagramă sau desen al instalației, un plan de executare a lucrării, un tabel de rezultate. , formule prin care au fost calculate valorile cantităților, calcule ale erorilor de măsurare și concluzii. Atunci când se evaluează munca studenților într-un atelier, ar trebui să se țină cont de pregătirea lor pentru muncă, un raport asupra lucrării, nivelul de dezvoltare a abilităților, înțelegerea materialului teoretic și metodele experimentale de cercetare utilizate.

N iar astăzi interesul pentruex sarcina perimentala dictat încă și motivele sociale și economicecaracterul cerului. Din cauza „subfinanțării” actuale a școlii, noiimbatranire ral si fizica laboator baza de birouri este exsarcina experimentală poate jucapentru şcoală rolul unui traseu de rezervă, carery este capabil să salveze ex-ul fizicexperiment. Garanția acestui lucru este surprizacombinație perfectă de simplitate a echipamentuluicunoștințe de fizică serioasă și profundă,ceea ce poate fi observat în cele mai bune exemple ale acestor probleme. Potrivire organică experimentalsarcinile în tradiționale schema de predare curs de fizica scolaradevine posibil numai atunci când este folosit adecvat

tehnologii.

obișnuiți elevii să extindă în mod independent cunoștințele dobândite în clasă și să dobândească altele noi, să dezvolte abilități experimentale prin utilizarea articolelor de uz casnic și a dispozitivelor de casă; dezvoltarea interesului; oferi feedback (rezultatele obținute în timpul DER pot fi o problemă de rezolvat în lecția următoare sau pot servi ca întărire a materialului).

Toate cele de mai sus Principalele tipuri experimentul fizic educațional trebuie completat cu un experiment folosind un computer, sarcini experimentale și muncă experimentală la domiciliu. Posibilitati calculator permite
variați condițiile experimentale, construiți în mod independent modele de instalații și observați funcționarea acestora, dezvoltați capacitatea experimentatlucrul cu modele computerizate, face calcule automat.

Din punctul nostru de vedere, acest tip de experiment ar trebui să completeze experimentul educațional în toate etapele învățării bazate pe activități, deoarece contribuie la dezvoltarea imaginației spațiale și a gândirii creative.

III . Utilizarea calculatorului la lecțiile de fizică.

Fizica este o știință experimentală. Este greu de imaginat că studiezi fizica fără muncă de laborator. Din păcate, echipamentul unui laborator fizic nu permite întotdeauna munca programatică de laborator și nu permite introducerea de noi lucrări care necesită echipamente mai complexe. Un computer personal vine în ajutor, ceea ce vă permite să efectuați lucrări de laborator destul de complexe. În ele, profesorul poate, la discreția sa, să modifice parametrii inițiali ai experimentelor, să observe cum se schimbă fenomenul în sine, să analizeze ceea ce a văzut și să tragă concluziile adecvate.

Crearea computerului personal a dat naștere la noi tehnologii informaționale care îmbunătățesc semnificativ calitatea asimilării informațiilor, accelerează accesul la aceasta și permit utilizarea tehnologiei informatice într-o mare varietate de domenii ale activității umane.

Scepticii vor argumenta că astăzi un computer personal multimedia este prea scump pentru a echipa școlile secundare. Cu toate acestea, un computer personal este creația progresului, iar progresul, după cum știm, nu poate fi oprit de dificultăți economice temporare (încetinit - da, oprit - niciodată). Pentru a ține pasul cu nivelul modern al civilizației mondiale, ar trebui introdus, dacă este posibil, în școlile noastre rusești.

Deci, computerul se transformă dintr-o mașină exotică într-un alt instrument tehnic de predare, poate cel mai puternic și mai eficient dintre toate mijloacele tehnice existente anterior pe care profesorul le avea la dispoziție.

Este bine cunoscut faptul că un curs de fizică de liceu include secțiuni, a căror studiu și înțelegere necesită gândire imaginativă dezvoltată, capacitatea de a analiza și compara. În primul rând, vorbim despre secțiuni precum „Fizica moleculară”, unele capitole din „Electrodinamică”, „Fizica nucleară”, „Optică”, etc. Strict vorbind, în orice secțiune a cursului de fizică puteți găsi capitole care sunt greu de inteles.

După cum arată 14 ani de experiență în muncă, studenții nu au abilitățile de gândire necesare pentru o înțelegere profundă a fenomenelor și proceselor descrise în aceste secțiuni. În astfel de situații, mijloacele didactice tehnice moderne și, în primul rând, un computer personal vin în ajutorul profesorului.

Ideea de a utiliza un computer personal pentru a simula diferite fenomene fizice, a demonstra structura și principiul de funcționare al dispozitivelor fizice a apărut cu câțiva ani în urmă, de îndată ce tehnologia informatică a apărut în școală. Deja primele lecții folosind un computer au arătat că cu ajutorul lor este posibil să se rezolve o serie de probleme care au existat dintotdeauna în predarea fizicii școlare.

Să enumerăm câteva dintre ele. Multe fenomene nu pot fi demonstrate într-o clasă de fizică școlară. De exemplu, acestea sunt fenomene ale microlumii sau procese care apar rapid sau experimente cu instrumente care nu sunt în birou. Drept urmare, elevii întâmpină dificultăți în a le învăța deoarece nu sunt capabili să le imagineze mental. Un computer nu numai că poate crea un model al unor astfel de fenomene, dar vă permite și să schimbați condițiile procesului și să îl „defilați” la o viteză optimă pentru asimilare.

Studierea structurii și principiului de funcționare a diferitelor dispozitive fizice este o parte integrantă a lecțiilor de fizică. De obicei, când studiază un anumit dispozitiv, profesorul îl demonstrează, explică principiul de funcționare, folosind un model sau o diagramă. Dar elevii întâmpină adesea dificultăți în a-și imagina întregul lanț de procese fizice care asigură funcționarea unui anumit dispozitiv. Programele speciale de calculator fac posibilă „asamblarea” unui dispozitiv din părți individuale și reproducerea în dinamică și la o viteză optimă a proceselor care stau la baza principiului funcționării acestuia. În acest caz, este posibil să „defilați” animația de mai multe ori.

Desigur, computerul poate fi folosit și în alte tipuri de lecții: la studierea independentă a materialelor noi, la rezolvarea problemelor, la teste.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că utilizarea computerelor în lecțiile de fizică le transformă într-un adevărat proces creativ și face posibilă implementarea principiilor educației pentru dezvoltare.

Trebuie spuse câteva cuvinte despre dezvoltarea lecțiilor de calculator. Cunoaștem pachete de programe pentru fizica „școlară”, dezvoltate la Universitatea Voronezh, la Departamentul de Fizică și Matematică a Universității de Stat din Moscova, iar autorii au la dispoziție un manual electronic pe disc laser, „Fizica în imagini”, care are devin cunoscute pe scară largă. Majoritatea sunt realizate profesional, au o grafică frumoasă, conțin animații bune, sunt multifuncționale, pe scurt, au o mulțime de avantaje. Dar, în cea mai mare parte, ele nu se încadrează în schița acestei lecții particulare. Cu ajutorul lor, este imposibil să se atingă toate obiectivele stabilite de profesor în lecție.

După ce am condus primele noastre lecții de calculator, am ajuns la concluzia că acestea necesită o pregătire specială. Am început să scriem scenarii pentru astfel de lecții, „țesând” organic în ele atât un experiment real, cât și unul virtual (adică implementat pe un ecran de monitor). Aș dori mai ales să remarc că modelarea diferitelor fenomene nu înlocuiește în niciun caz experiențele reale, „vii”, dar în combinație cu acestea ne permite să explicăm sensul a ceea ce se întâmplă la un nivel superior. Experiența muncii noastre arată că astfel de lecții trezesc un real interes în rândul elevilor și îi obligă pe toți să muncească, chiar și acei copii cărora le este dificilă fizica. În același timp, calitatea cunoștințelor crește considerabil. Exemplele de utilizare a unui computer în sala de clasă ca OTS pot fi continuate destul de mult timp.

Calculatorul este utilizat pe scară largă ca tehnică de multiplicare pentru testarea elevilor și efectuarea de teste cu alegere multiplă (fiecare are propria sarcină). În orice caz, cu ajutorul programelor de căutare, un profesor poate găsi o mulțime de lucruri interesante pe Internet.

Calculatorul este un asistent indispensabil în orele extracurriculare, atunci când efectuează lucrări practice și de laborator și rezolvă probleme experimentale. Elevii îl folosesc pentru a procesa rezultatele micilor sarcini de cercetare: alcătuiesc tabele, construiesc grafice, efectuează calcule, creează modele simple ale proceselor fizice. Această utilizare a computerului dezvoltă abilități în dobândirea independentă a cunoștințelor, capacitatea de a analiza rezultatele și formează gândirea fizică.

IV. Exemple de utilizare a unui computer în diferite tipuri de experimente.

Calculatorul ca element al configurației experimentale educaționale este utilizat în diferite etape ale lecției și în aproape toate tipurile de experimente (de obicei experimente demonstrative și lucrări de laborator).

Lecția „Structura materiei” (experiment demonstrativ)

Scop: studierea structurii materiei în diferite stări de agregare, identificarea unor regularități în structura corpurilor în stare gazoasă, lichidă și solidă.

Când se explică material nou, animația pe computer este folosită pentru a demonstra clar aranjarea moleculelor în diferite stări de agregare.

Computerul vă permite să afișați procesele de tranziție de la o stare de agregare la alta, o creștere a vitezei de mișcare a moleculelor cu creșterea temperaturii, fenomenul de difuzie și presiunea gazului.

Lecție de rezolvare a problemelor pe tema: „Mișcarea într-un unghi față de orizont”.

Scop: studierea mișcării balistice, aplicarea acesteia în viața de zi cu zi.

Folosind animația pe computer, puteți arăta cum se modifică traiectoria mișcării unui corp (altitudine și distanță de zbor) în funcție de viteza inițială și unghiul de incidență. Utilizarea unui computer în acest fel vă permite să faceți acest lucru în câteva minute, ceea ce economisește timp pentru rezolvarea altor probleme și scutește studenții de a fi nevoiți să deseneze o imagine pentru fiecare problemă (ceea ce nu le place să facă).

Modelul demonstrează mișcarea unui corp aruncat în unghi față de orizontală. Puteți modifica înălțimea inițială, precum și mărimea și direcția vitezei corpului. În modul „Strobe”, vectorul viteză al corpului aruncat și proiecțiile sale pe axele orizontale și verticale sunt afișate pe traiectorie la intervale regulate.

Lucrare de laborator „Studiul unui proces izoterm”.

Scop: Stabilirea experimentală a relației dintre presiunea și volumul gazului la temperatură constantă.

Lucrarea este însoțită complet de un computer (nume, scop, alegerea echipamentului, procedura de executare a lucrării, calculele necesare). Obiectul este aerul din tub. Sunt considerați parametrii în două stări: original și comprimat. Se fac calculele corespunzătoare. Se compară rezultatele și se construiește un grafic pe baza datelor obținute.

Sarcina experimentală: determinarea numărului Pi prin cântărire.

Scop: determinați valoarea lui Pi în moduri diferite. Arătați că poate fi egal cu 3,14 prin cântărire.

Pentru a efectua lucrarea, un pătrat și un cerc sunt tăiați din același material, astfel încât raza cercului să fie egală cu latura pătratului, iar aceste cifre sunt cântărite. Numărul Pi se calculează prin raportul dintre masele unui cerc și un pătrat.

Experiment de acasă pentru a studia caracteristicile mișcării oscilatorii.

Scop: consolidarea cunoștințelor acumulate la lecție despre perioada și frecvența oscilațiilor unui pendul matematic.

Un model de pendul oscilant este realizat din mijloace improvizate (un corp mic este suspendat pe o frânghie, trebuie să aveți un ceas cu a doua mână); După numărarea a 30 de oscilații pentru un anumit timp, se calculează perioada și frecvența. Puteți efectua un experiment cu diferite corpuri, stabilind că caracteristicile vibrațiilor nu depind de corp. Și, de asemenea, efectuând un experiment cu fire de diferite lungimi, puteți stabili dependența corespunzătoare. Toate rezultatele temelor trebuie discutate în clasă.

Sarcina experimentală: calculul muncii și energiei cinetice.

Scop: a arăta modul în care valoarea muncii mecanice și a energiei cinetice depinde de diferite condiții ale problemei.

Folosind un computer, relația dintre gravitație (greutatea corporală), forța de tracțiune, unghiul de aplicare a forței și coeficientul de frecare este foarte rapid dezvăluită.

Modelul ilustrează conceptul de lucru mecanic folosind exemplul mișcării unui bloc pe un plan cu frecare sub acțiunea unei forțe externe îndreptate la un anumit unghi față de orizont. Prin modificarea parametrilor modelului (masa blocului t, coeficientul de frecare, modulul și direcția forței care acționează F ), puteți monitoriza cantitatea de muncă efectuată atunci când blocul se mișcă, forța de frecare și forța externă. Verificați într-un experiment pe calculator că suma acestor lucrări este egală cu energia cinetică a blocului. Vă rugăm să rețineți că munca efectuată de forța de frecare Aîntotdeauna negativ.

Sarcini similare pot fi folosite pentru a monitoriza cunoștințele elevilor. Computerul vă permite să modificați rapid parametrii sarcinii, creând astfel un număr mare de opțiuni (înșelăciunea este eliminată). Avantajul acestui tip de lucru este verificarea rapidă. Lucrarea poate fi verificată imediat în prezența elevilor. Elevii obțin rezultate și își pot evalua singuri cunoștințele.

Pregătirea pentru examenul de stat unificat.

Scop: să-i înveți pe copii să răspundă rapid și corect la întrebările testului.

Până în prezent, a fost elaborat un program de pregătire a studenților pentru promovarea examenului unificat de stat. Conține sarcini de testare cu diferite niveluri de dificultate pentru toate secțiunile cursului de fizică a școlii.

V. Concluzie.

Predarea fizicii la scoala presupune insotirea constanta a cursului cu experimente demonstrative. Cu toate acestea, în școlile moderne, desfășurarea lucrărilor experimentale în fizică este adesea dificilă din cauza lipsei timpului de predare și a lipsei de materiale și echipamente tehnice moderne. Și chiar dacă laboratorul clasei de fizică este complet echipat cu instrumentele și materialele necesare, un experiment real necesită mult mai mult timp atât pentru pregătire și desfășurare, cât și pentru analiza rezultatelor lucrării, mai mult, datorită specificului său (măsurare semnificativă erori, limitări de timp ale lecției etc.) un experiment real nu își realizează adesea scopul principal - să servească drept sursă de cunoștințe despre tiparele și legile fizice. Toate dependențele detectate sunt doar aproximative, adesea o eroare calculată corect depășește valorile măsurate în sine.

Un experiment pe calculator poate completa partea „experimentală” a unui curs de fizică și poate crește semnificativ eficiența lecțiilor. Când îl utilizați, puteți izola principalul lucru dintr-un fenomen, puteți tăia factorii minori, puteți identifica modele, efectuați în mod repetat teste cu parametri variabili, salvați rezultatele și reveniți la cercetarea dvs. la un moment convenabil. În plus, un număr mult mai mare de experimente poate fi efectuat în versiunea pentru computer. Acest tip de experiment este implementat folosind un model computerizat al unei anumite legi, fenomen, proces etc. Lucrul cu aceste modele deschide oportunități cognitive enorme pentru studenți, făcându-i nu numai observatori, ci și participanți activi la experimentele care se desfășoară.

Majoritatea modelelor interactive oferă opțiuni pentru modificarea parametrilor inițiali și a condițiilor experimentale într-o gamă largă, variind scala lor de timp, precum și simularea situațiilor care nu sunt disponibile în experimentele reale.

Un alt punct pozitiv este că computerul oferă o oportunitate unică, neimplementată într-un experiment fizic real, de a vizualiza nu un fenomen natural real, ci modelul său teoretic simplificat, care vă permite să găsiți rapid și eficient principalele legi fizice ale fenomenului observat. . În plus, elevul poate observa simultan construcția dependențelor grafice corespunzătoare în timp ce experimentul progresează. Modul grafic de afișare a rezultatelor simulării facilitează asimilarea unor cantități mari de informații primite de către elevi. Astfel de modele sunt de o valoare deosebită, deoarece elevii, de regulă, întâmpină dificultăți semnificative în construirea și citirea graficelor.

De asemenea, este necesar să se țină cont de faptul că nu toate procesele, fenomenele, experimentele istorice din fizică pot fi imaginate de către elev fără ajutorul unor modele virtuale (de exemplu, ciclul Carnot, modulația și demodularea, experimentul lui Michelson în măsurarea vitezei lumina, experimentul lui Rutherford etc.). Modelele interactive permit elevului să vadă procesele într-o formă simplificată, să-și imagineze diagrame de instalare și să efectueze experimente care sunt în general imposibile în viața reală, de exemplu, controlul funcționării unui reactor nuclear.

Astăzi, există deja o serie de instrumente software pedagogice (PPS), într-o formă sau alta care conțin modele interactive în fizică. Din păcate, niciuna dintre ele nu vizează direct utilizarea școlară. Unele modele sunt supraîncărcate cu capacitatea de a modifica parametrii datorită concentrării lor pe aplicarea în universități în alte programe, modelul interactiv este doar un element care ilustrează materialul principal; În plus, modelele sunt împrăștiate în diferite cadre didactice. De exemplu, „Physics in Pictures” al companiei Physikon, deși este cel mai optim pentru efectuarea unui experiment frontal pe computer, este construit pe platforme învechite și nu acceptă utilizarea în rețelele locale. Alte programe de predare, cum ar fi „Open Physics” de la aceeași companie, conțin, împreună cu modele, o gamă largă de materiale informative care nu pot fi dezactivate în timpul lucrărilor de clasă. Toate acestea complică semnificativ selecția și utilizarea modelelor computerizate atunci când se desfășoară lecții de fizică în școlile secundare.

Principalul lucru este că, pentru utilizarea eficientă a unui experiment pe computer, este necesar personal didactic care se concentrează în mod special pe utilizarea în școlile secundare. Recent, a existat o tendință spre crearea de cadre didactice specializate pentru școli în cadrul proiectelor federale, cum ar fi competițiile pentru dezvoltatori de software educațional susținute de Fundația Națională de Formare a Personalului. Poate că în următorii ani vom vedea cadre didactice care susțin cuprinzător experimentele pe computer în cursurile de fizică din liceu. Am încercat să dezvălui toate aceste puncte în munca mea.

VI. Glosar.

Experiment este o activitate senzorio-obiectivă în știință.

Experiment fizic- aceasta este observarea și analiza fenomenelor studiate în anumite condiții, permițând monitorizarea cursului fenomenelor și recrearea acestuia de fiecare dată în condiții fixe.

Demonstrație este un experiment fizic care reprezintă fenomene fizice, procese, tipare, percepute vizual.

Lucrări de laborator din față– un tip de muncă practică efectuată în procesul de studiere a materialului programului, când toți elevii din clasă realizează simultan același tip de experiment, folosind același echipament.

Atelier de fizică– lucrări practice efectuate de studenți la finalizarea secțiunilor anterioare ale cursului (sau la sfârșitul anului), pe echipamente mai complexe, cu un grad de independență mai mare decât în ​​munca de laborator de primă linie.

Lucru experimental la domiciliu- cel mai simplu experiment independent care este realizat de elevi acasă, în afara școlii, fără îndrumarea directă a profesorului.

Sarcini experimentale– probleme în care experimentul servește ca mijloc de determinare a unor cantități inițiale necesare rezolvării; dă răspuns la întrebarea pusă în acesta sau este un mijloc de verificare a calculelor efectuate conform condiţiei.

VII. Bibliografie:

1. Bashmakov L.I., S.N Pozdnyakov, N.A Reznik „Mediul de învățare a informațiilor”, Sankt Petersburg: „Svet”, p.121, 1997.

2 Belostotsky P.I., G. Yu Maksimova, N.N Gomulina „Tehnologii informatice: o lecție modernă de fizică și astronomie”. Ziarul „Fizica” nr. 20, p. 3, 1999.

3. Burov V.A. „Experiment demonstrativ în fizică în liceu”. Iluminismul de la Moscova 1979

4. Butikov E.I. Fundamente ale dinamicii clasice și modelării computerizate. Materiale ale celei de-a VII-a conferințe științifice și metodologice, Gimnaziul Academic, Sankt Petersburg - Old Peterhof, p. 47, 1998.

5. Vinnitsky Yu.A., G.M. Nurmukhamedov „Experiment pe calculator într-un curs de fizică de liceu”. Jurnalul „Fizica la școală” nr.6, p. 42, 2006.

6. Golelov A.A. Concepte de științe naturale moderne: manual. Atelier. – M.: Editura Centrul Umanitar VLADOS, 1998

7. Kavtrev A.F. „Metodologie de utilizare a modelelor computerizate în lecțiile de fizică”. A cincea conferință internațională „Fizica în sistemul educației moderne” (FSSO-99), rezumate, volumul 3, St. Sankt Petersburg: „Editura Universității Pedagogice de Stat Ruse numită după A.I. Herzen”, p. 98-99, 1999.

8. Kavtrev A.F. „Modele de calculator într-un curs de fizică școlar”. Jurnalul „Computer Tools in Education”, Sankt Petersburg: „Informatizarea educației”, 12, p. 41-47, 1998.

9. Teoria și metodele de predare a fizicii la școală. Probleme generale. Editat de S.E. Kameneykogo, N.S. Purysheva. M: „Academie”, 2000

10. Trofimova T.I. „Curs de fizică”, ed. „Școala superioară”, M., 1999

11. Chirtsov A.S. Tehnologiile informației în predarea fizicii. Jurnalul „Computer Tools in Education”, Sankt Petersburg: „Informatizarea educației”, 12, p. Z, 1999.

Anexa nr. 1

Clasificarea experimentului fizic

Anexa nr. 2

Rezultatele sondajului studenților.

A fost realizat un sondaj în rândul elevilor din clasele 5 K, 6 A, 7 – 11 cu privire la următoarele întrebări:

Ce rol joacă experimentul pentru tine când studiezi fizica?

Programul a creat 107 modele care pot fi folosite pentru a explica materiale noi și pentru a rezolva probleme experimentale. Aș dori să dau câteva exemple pe care le folosesc în lecțiile mele.

Fragment din lecția „Reacții nucleare. Fisiune nucleara."

Scop: formularea conceptelor de reacții nucleare și demonstrarea diversității acestora. Dezvoltați o înțelegere a esenței acestor procese.

Calculatorul este folosit atunci când se explică materialul nou pentru a demonstra mai clar procesele studiate, vă permite să schimbați rapid condițiile de reacție și face posibilă revenirea la condițiile anterioare.


Acest model arată

diverse tipuri de transformări nucleare.

Transformările nucleare apar ca urmare a

procesele de dezintegrare radioactivă a nucleelor ​​și

datorită reacţiilor nucleare însoţite

fisiunea sau fuziunea nucleelor.

Modificările care apar în nuclee pot fi defalcate

în trei grupe:

1. schimbarea unuia dintre nucleonii din nucleu;

   restructurarea structurii interne a nucleului;

   rearanjarea nucleonilor de la un nucleu la altul.

Primul grup include diferite tipuri de dezintegrare beta, când unul dintre neutronii nucleului se transformă într-un proton sau invers. Primul tip (mai frecvent) de dezintegrare beta are loc cu emisia unui electron și a unui antineutrin electronic. Al doilea tip de dezintegrare beta are loc fie prin emisia unui pozitron și a unui neutrin electronic, fie prin captarea unui electron și emisia unui neutrin electronic (captarea unui electron are loc dintr-unul dintre învelișurile de electroni cele mai apropiate de nucleu). ). Rețineți că, în stare liberă, un proton nu se poate descompune într-un neutron, pozitron și neutrin electron - aceasta necesită energie suplimentară, pe care o primește de la nucleu. Cu toate acestea, energia totală a nucleului scade pe măsură ce un proton se transformă într-un neutron prin procesul de dezintegrare beta. Acest lucru se întâmplă din cauza scăderii energiei de repulsie coulombiană între protonii nucleului (dintre care sunt mai puțini).

Al doilea grup include dezintegrarea gamma, în care nucleul, care a fost inițial într-o stare excitată, eliberează excesul de energie, emițând un cuantic gamma. Al treilea grup include dezintegrarea alfa (emisia de către nucleul original a unei particule alfa - nucleul unui atom de heliu format din doi protoni și doi neutroni), fisiunea nucleară (absorbția unui neutron de către nucleu urmată de descompunerea în două nuclee mai ușoare). și emisia mai multor neutroni) și fuziunea nucleară (când ciocnirea a două nuclee ușoare produce un nucleu mai greu și posibil să lase în urmă fragmente ușoare sau protoni sau neutroni individuali).

Vă rugăm să rețineți că în timpul dezintegrarii alfa, nucleul experimentează recul și este deplasat vizibil în direcția opusă direcției de emisie a particulei alfa. În același timp, randamentele de la decăderea beta sunt mult mai mici și nu se observă deloc în modelul nostru. Acest lucru se datorează faptului că masa electronului este de mii (și chiar de sute de mii de ori - pentru atomii grei) mai mică decât masa nucleului.

Fragment din lecția „Reactor nuclear”

Scop: de a forma idei despre structura unui reactor nuclear, de a demonstra funcționarea acestuia folosind un computer.


Computerul vă permite să schimbați condițiile

cursul reacțiilor în reactor. După ce au eliminat inscripțiile,

puteți testa cunoștințele elevilor în domeniul construcțiilor

reactor, arata conditiile in care

este posibilă o explozie.

Un reactor nuclear este un dispozitiv

concepute pentru a converti energia

nucleul atomic în energie electrică.

Miezul reactorului conține radioactiv

substanță (de obicei uraniu sau plutoniu).

Energia eliberată din cauza a - descompunerii acestora

atomi, încălzește apa. Vaporii de apă rezultați se repetă în turbina cu abur; Datorită rotației sale, în generatorul electric este generat un curent electric. Apa caldă, după purificarea corespunzătoare, se toarnă într-un corp de apă din apropiere; De acolo, apa rece intră în reactor. O carcasă etanșă specială protejează mediul înconjurător de radiațiile mortale.

Tijele speciale de grafit absorb neutronii rapidi. Cu ajutorul lor, puteți controla progresul reacției. Faceți clic pe butonul „Ridicare” (acest lucru se poate face numai dacă pompele care pompează apă rece în reactor sunt pornite) și porniți „Condiții de proces”. Odată ce tijele sunt ridicate, va începe o reacție nucleară. Temperatura Tîn interiorul reactorului temperatura va crește la 300°C, iar apa va începe în curând să fiarbă. Privind la ampermetrul din colțul din dreapta al ecranului, puteți vedea că reactorul a început să producă curent electric. Împingând tijele înapoi, puteți opri reacția în lanț.

Anexa nr. 4

Utilizarea computerului la efectuarea lucrărilor de laborator și a exercițiilor fizice.

Există 4 SD-uri cu dezvoltarea a 72 de lucrări de laborator, care facilitează munca profesorului și fac lecțiile mai interesante și mai moderne. Aceste dezvoltări pot fi folosite la desfășurarea unui atelier fizic, deoarece Subiectele unora dintre ele depășesc domeniul de aplicare al curriculum-ului școlar. Aici sunt cateva exemple. Numele, scopul, echipamentul, execuția pas cu pas a lucrării - toate acestea sunt proiectate pe ecran folosind un computer.


Lucrări de laborator: „Studiul procesului izobaric”.

Scop: stabilirea experimentală a relației dintre volum și

temperatura unui gaz de o anumită masă în diversele sale

state.

Echipament: tavă, tub - rezervor cu două robinete,

termometru, calorimetru, bandă de măsurare.

Obiectul de studiu este aerul din tub -

rezervor. În starea inițială, volumul său este determinat de

lungimea cavității interioare a tubului. Tubul este plasat bobină la bobină în calorimetru, supapa de sus este deschisă. Se toarnă apă la 55 0 - 60 0 C în calorimetru. Observați formarea bulelor. Se vor forma până când temperatura apei și a aerului din tub sunt egale. Temperatura se măsoară cu un termometru de laborator. Aerul este transferat în a doua stare prin turnarea apei rece în calorimetru. După stabilirea echilibrului termic, se măsoară temperatura apei. Volumul în a doua stare se măsoară prin lungimea sa în tub (lungimea inițială minus lungimea apei care a intrat).

Cunoscând parametrii aerului în două stări, se stabilește o legătură între modificarea volumului acestuia și modificarea temperaturii la presiune constantă.

Lecție - atelier: „Măsurarea coeficientului de tensiune superficială.

Scop: exersarea uneia dintre tehnicile de determinare a coeficientului de tensiune superficială.

Echipament: cantar, tava, pahar, picurator cu apa.

Obiectul de studiu este apa. Cantarul este adus in pozitie de lucru si echilibrat. Sunt folosite pentru a determina masa sticlei. Aproximativ 60 - 70 de picături de apă picură din scrumieră în pahar. Determinați masa unui pahar cu apă. Diferența de masă din sticlă este utilizată pentru a determina masa apei. Cunoscând numărul de picături, puteți determina masa unei picături. Diametrul orificiului picuratorului este indicat pe capsula acestuia. Formula calculează coeficientul de tensiune superficială a apei. Comparați rezultatul obținut cu valoarea tabelului.

Pentru studenții puternici, puteți sugera efectuarea de experimente suplimentare cu ulei vegetal.

| Planificarea lecțiilor pentru anul școlar | Etapele principale ale modelării

Lectia 2
Etapele principale ale modelării

După ce ați studiat acest subiect, veți învăța:

Ce este modelarea;
- ce poate servi drept prototip pentru modelare;
- ce loc ocupă modelajul în activitatea umană;
- care sunt principalele etape ale modelării;
- ce este un model de calculator;
- Ce este un experiment pe calculator?

Experiment pe calculator

Pentru a da viață noilor dezvoltări de design, pentru a introduce noi soluții tehnice în producție sau pentru a testa idei noi, este nevoie de un experiment. Un experiment este o experiență care se realizează cu un obiect sau model. Constă în efectuarea anumitor acțiuni și determinarea modului în care eșantionul experimental reacționează la aceste acțiuni.

La școală faci experimente în lecții de biologie, chimie, fizică și geografie.

Experimentele sunt efectuate atunci când se testează mostre de produse noi la întreprinderi. De obicei, pentru aceasta se folosește o instalație special creată, care permite efectuarea unui experiment în condiții de laborator, sau produsul real în sine este supus la tot felul de teste (experiment la scară completă). Pentru a studia, de exemplu, proprietățile de funcționare ale oricărei unități sau componente, se pune într-un termostat, se îngheață în camere speciale, se testează pe suporturi de vibrații, se scapă, etc. E bine dacă este un ceas nou sau un aspirator - pierderea datorată la distrugere nu este grozav. Dacă este un avion sau o rachetă?

Experimentele de laborator și de teren necesită costuri mari de materiale și timp, dar semnificația lor este totuși foarte mare.

Odată cu dezvoltarea tehnologiei informatice, a apărut o nouă metodă unică de cercetare - un experiment pe computer. În multe cazuri, studiile computerizate ale modelelor au venit în ajutor și uneori chiar înlocuiesc mostrele experimentale și bancurile de testare. Etapa de realizare a unui experiment pe calculator include două etape: elaborarea unui plan de experiment și efectuarea cercetării.

Plan experimental

Planul experimental trebuie să reflecte în mod clar succesiunea de lucru cu modelul. Primul punct al unui astfel de plan este întotdeauna testarea modelului. 

Testarea este procesul de verificare a corectitudinii modelului construit.

Un test este un set de date inițiale care permit determinarea corectitudinii construcției modelului.

Pentru a fi sigur de corectitudinea rezultatelor modelării obţinute, trebuie să: ♦ să verificaţi algoritmul dezvoltat pentru construirea modelului; ♦ asigurați-vă că modelul construit reflectă corect proprietățile originalului care au fost luate în considerare în timpul modelării.

Pentru a verifica corectitudinea algoritmului de construcție a modelului, se folosește un set de test de date inițiale, pentru care rezultatul final este cunoscut în prealabil sau predeterminat în alte moduri.

De exemplu, dacă utilizați formule de calcul pentru modelare, atunci trebuie să selectați mai multe opțiuni pentru datele inițiale și să le calculați „manual”. Acestea sunt sarcini de testare. Odată construit modelul, testați cu aceleași variații ale datelor de intrare și comparați rezultatele simulării cu concluziile obținute prin calcul. Dacă rezultatele coincid, atunci algoritmul este dezvoltat corect, dacă nu, trebuie să căutăm și să eliminăm motivul discrepanței lor. Este posibil ca datele de testare să nu reflecte deloc situația reală și să nu aibă niciun conținut semantic. Cu toate acestea, rezultatele obținute în timpul procesului de testare vă pot determina să vă gândiți la schimbarea informațiilor originale sau a modelului simbolic, în primul rând în partea în care este încorporat conținutul semantic.

Pentru a vă asigura că modelul construit reflectă proprietățile originalului care au fost luate în considerare în timpul modelării, este necesar să selectați un exemplu de testare cu date sursă reale.

Efectuarea de cercetări

După testare, când aveți încredere în corectitudinea modelului construit, puteți trece direct la efectuarea cercetării. 

Planul trebuie să includă un experiment sau o serie de experimente care să satisfacă obiectivele modelării. Fiecare experiment trebuie să fie însoțit de o înțelegere a rezultatelor, care servește drept bază pentru analizarea rezultatelor modelării și luarea deciziilor.

Schema pentru pregătirea și desfășurarea unui experiment pe calculator este prezentată în Figura 11.7.

Orez. 11.7. Schema de experimente pe calculator

Analiza rezultatelor simulării

Scopul final al modelării este luarea unei decizii, care ar trebui luată pe baza unei analize cuprinzătoare a rezultatelor modelării. Această etapă este decisivă – fie continui cercetarea, fie o termini. Figura 11.2 arată că etapa de analiză a rezultatelor nu poate exista independent. Descoperirile contribuie adesea la realizarea unei serii suplimentare de experimente și, uneori, la schimbarea problemei.

Baza pentru dezvoltarea unei soluții sunt rezultatele testelor și experimentelor. Dacă rezultatele nu corespund obiectivelor sarcinii, înseamnă că au fost făcute greșeli în etapele anterioare. Aceasta poate fi fie o formulare incorectă a problemei, fie o construcție prea simplificată a unui model de informații, fie o alegere nereușită a unei metode sau a unui mediu de modelare, fie o încălcare a tehnicilor tehnologice la construirea unui model. Dacă sunt identificate astfel de erori, atunci modelul trebuie ajustat, adică revenirea la una dintre etapele anterioare. Procesul se repetă până când rezultatele experimentale ating obiectivele modelării.

Principalul lucru este să vă amintiți întotdeauna: o eroare identificată este și un rezultat. După cum spune înțelepciunea populară, înveți din greșeli. Marele poet rus A. S. Pușkin a mai scris despre asta:

O, câte descoperiri minunate avem
Pregătiți spiritul de iluminare
Și experiența, fiul greșelilor grele,
Și geniu, prieten al paradoxurilor,
Și șansa, Doamne inventatorul...

Testați întrebări și sarcini

1. Numiți cele două tipuri principale de probleme de modelare.

2. În celebra „Cartea problemelor” de G. Oster există următoarea problemă:

Vrăjitoarea rea, lucrând neobosit, transformă 30 de prințese pe zi în omizi. Câte zile îi vor lua pentru a transforma 810 de prințese în omizi? Câte prințese vor trebui transformate în omizi pe zi pentru a finaliza treaba în 15 zile?
Ce întrebare poate fi clasificată ca tipul „ce se va întâmpla dacă...” și care întrebare poate fi clasificată ca „cum se poate face asta...”?

3. Enumerați cele mai cunoscute scopuri ale modelării.

4. Formalizați problema umoristică din „Cartea problemelor” a lui G. Oster:

Din două cabine situate la o distanță de 27 km unul de celălalt, doi câini luptători au sărit unul spre celălalt în același timp. Primul rulează cu o viteză de 4 km/h, iar al doilea cu 5 km/h.
Cât va dura până să înceapă lupta? 

5. Numiți cât mai multe caracteristici ale obiectului „pereche de pantofi”. Creați un model de informații al unui obiect în diferite scopuri:
■ alegerea pantofilor pentru drumeții;
■ alegerea unei cutii de pantofi potrivite;
■ achiziționarea cremei de îngrijire a pantofilor.

6. Ce caracteristici ale unui adolescent sunt importante pentru recomandări privind alegerea unei profesii?

7. Din ce motive este computerul utilizat pe scară largă în modelare?

8. Numiți instrumentele de modelare pe computer pe care le cunoașteți.

9. Ce este un experiment pe calculator? Dă un exemplu.

10. Ce este testarea modelului?

11. Ce erori apar în timpul procesului de modelare? Ce ar trebui să faceți când se descoperă o eroare?

12. Ce este analiza rezultatelor simulării? Ce concluzii se trag de obicei?

Un computer modern are multe utilizări. Dintre acestea, după cum știți, capacitățile computerului ca mijloc de automatizare a proceselor informaționale sunt de o importanță deosebită. Dar nu mai puțin semnificative sunt capabilitățile sale ca instrument efectuarea de lucrări experimentale și analizarea rezultatelor acesteia.

Experimentul de calcul este cunoscută de mult în știință. Amintiți-vă de descoperirea planetei Neptun „la vârful unui stilou”. Adesea, rezultatele cercetării științifice sunt considerate de încredere numai dacă pot fi prezentate sub formă de modele matematice și confirmate prin calcule matematice. Mai mult, acest lucru se aplică nu numai fizicii

sau design tehnic, dar și sociologie, lingvistică, marketing - discipline tradițional umanitare departe de matematică.

Un experiment de calcul este o metodă teoretică de cunoaștere. O dezvoltare a acestei metode este modelare numerică- o metodă științifică relativ nouă care s-a răspândit datorită apariției computerelor.

Modelarea numerică este utilizată pe scară largă atât în ​​practică, cât și în cercetarea științifică.

Exemplu. Fără construirea de modele matematice și efectuarea unei varietăți de calcule asupra datelor în continuă schimbare provenite de la instrumentele de măsurare, operarea liniilor automate de producție, a piloților automati, a stațiilor de urmărire și a sistemelor automate de diagnosticare este imposibilă. Mai mult, pentru a asigura fiabilitatea sistemelor, calculele trebuie efectuate în timp real, iar erorile acestora se pot ridica la milioane de procente.

Exemplu. Un astronom modern poate fi văzut adesea nu la ocularul unui telescop, ci în fața unui ecran de computer. Și nu doar un teoretician, ci și un observator. Astronomia este o știință neobișnuită. Ea, de regulă, nu poate experimenta direct cu obiecte de cercetare. Astronomii doar „spionează” și „ascultă cu urechea” diferite tipuri de radiații (fluxuri electromagnetice, gravitaționale, neutrino sau cosmice). Aceasta înseamnă că trebuie să înveți să extragi cât mai multe informații din observații și să le reproduci în calcule pentru a testa ipotezele care descriu aceste observații. Aplicațiile computerelor în astronomie, ca și în alte științe, sunt extrem de diverse. Aceasta include automatizarea observațiilor și procesarea rezultatelor acestora (astronomii văd imaginile nu într-un ocular, ci pe un monitor conectat la instrumente speciale). De asemenea, computerele sunt necesare pentru a lucra cu cataloage mari (stele, analize spectrale, compuși chimici etc.).

Exemplu. Toată lumea cunoaște expresia „o furtună într-o ceașcă de ceai”. Pentru a studia în detaliu un proces hidrodinamic atât de complex ca o furtună, este necesar să se utilizeze metode sofisticate de modelare numerică. Prin urmare, în marile centre hidrometeorologice există computere puternice: „furtuna se desfășoară” în cristalul procesorului computerului.

Chiar dacă efectuați calcule nu foarte complexe, dar trebuie să le repetați de un milion de ori, este mai bine să scrieți programul o dată, iar computerul îl va repeta de câte ori este necesar (limitarea, desigur, va fi viteza computerului).

Modelarea numerică poate fi o metodă de cercetare independentă atunci când doar valorile unor indicatori sunt de interes (de exemplu, costul de producție sau spectrul integral al galaxiei), dar cel mai adesea acționează ca unul dintre mijloacele de construire a computerului. modele în sensul mai larg al termenului.

Din punct de vedere istoric, primele lucrări de modelare pe calculator au fost legate de fizică, unde au fost rezolvate o întreagă clasă de probleme de hidraulică, filtrare, transfer de căldură și schimb de căldură, mecanică a solidelor etc a fizicii matematice și, în esență, era, desigur, modelarea matematică. Succesele modelării matematice în fizică au contribuit la extinderea acesteia la probleme din chimie, ingineria energiei electrice și biologie, iar schemele de modelare nu au fost prea diferite unele de altele. Complexitatea problemelor rezolvate pe baza modelării a fost limitată doar de puterea calculatoarelor disponibile. Acest tip de modelare este și astăzi răspândit. Mai mult, în timpul dezvoltării modelării numerice, s-au acumulat biblioteci întregi de subrutine și funcții care facilitează aplicarea și extind capacitățile de modelare. Și totuși, în prezent, conceptul de „modelare pe computer” este de obicei asociat nu cu disciplinele fundamentale ale științelor naturii, ci în primul rând cu analiza de sistem a sistemelor complexe din perspectiva ciberneticii (adică din perspectiva managementului, a autoguvernării). , autoorganizare). Și acum modelarea pe computer este utilizată pe scară largă în biologie, macroeconomie, în crearea sistemelor de control automate etc.

Exemplu. Amintiți-vă de experimentul lui Piaget descris în paragraful anterior. Desigur, ar putea fi realizat nu cu obiecte reale, ci cu o imagine animată pe ecranul de afișare. Dar mișcarea jucăriilor ar putea fi filmată pe film obișnuit și afișată la televizor. Este potrivit să se numească utilizarea unui computer în acest caz simulare pe computer?

Exemplu. Un model al zborului unui corp aruncat vertical în sus sau într-un unghi față de orizont este, de exemplu, un grafic al înălțimii corpului în funcție de timp. Îl poți construi

a) pe o coală de hârtie, punctată;

b) într-un editor grafic la aceleași puncte;

c) utilizarea unui program de grafică pentru afaceri, de exemplu, în
foi de calcul;

d) prin scrierea unui program care nu numai că afișează
rănile calea de zbor, dar vă permite, de asemenea, să setați diferite
toate datele inițiale (unghiul de înclinare, viteza inițială
creştere).

De ce nu doriți să apelați opțiunea b) un model de computer, dar opțiunile c) și d) corespund pe deplin acestui nume?

Sub model de calculator adesea se referă la un program (sau un program plus un dispozitiv special) care oferă o imitație a caracteristicilor și comportamentului unui anumit obiect. Rezultatul acestui program se mai numește și model de computer.

În literatura de specialitate, termenul „model de computer” este definit mai strict după cum urmează:

O imagine convențională a unui obiect sau a unui sistem de obiecte (procese, fenomene), descrisă folosind tabele computerizate interconectate, organigrame, diagrame, grafice, desene, fragmente de animație, hipertexte și așa mai departe și afișând structura (elementele și relațiile dintre ele). ) a obiectului. Modelele computerizate de acest tip sunt numite structurale si functionale;

Un program separat sau un set de programe care permite, folosind o succesiune de calcule și afișarea grafică a rezultatelor acestora, să reproducă (simuleze) procesele de funcționare a unui obiect, sub influența diverșilor factori, de obicei aleatorii, asupra acestuia . Se numesc astfel de modele imitaţie.

Modelele computerizate pot fi simple sau complexe. Ați creat modele simple de multe ori când învățați programarea sau construiați baza de date. În sistemele grafice tridimensionale, sistemele expert și sistemele de control automatizate, sunt construite și utilizate modele de computer foarte complexe.

Exemplu. Ideea de a construi un model de activitate umană folosind un computer nu este nouă și este dificil să găsești un domeniu de activitate în care să nu fi fost încercat. Sistemele experte sunt programe de calculator care simulează acțiunile unui expert uman atunci când rezolvă probleme în orice domeniu pe baza cunoștințelor acumulate care alcătuiesc baza de cunoștințe. ES rezolvă problema modelării activității mentale. Datorită complexității modelelor, dezvoltarea ES durează de obicei câțiva ani.

Sistemele expert moderne, pe lângă o bază de cunoștințe, au și o bază precedentă - de exemplu, rezultatele unui sondaj de oameni reali și informații despre succesul/eșecul ulterior al activităților lor. De exemplu, baza precedentă a sistemului expert al poliției din New York este 786 000 oameni, Hobby Center (politica de personal la întreprindere) - 512 000 oameni, iar conform specialiștilor acestui centru, ES pe care l-au dezvoltat au început să funcționeze cu precizia așteptată abia atunci când baza a depășit 200 000 omule, a fost nevoie de 6 ani pentru a crea.

Exemplu. Progresul în crearea graficii pe computer a avansat de la imagini wireframe ale modelelor tridimensionale cu imagini simple în semiton la imagini moderne realiste care sunt exemple de artă. Acest lucru a rezultat din succesul în definirea mai precisă a mediului de modelare. Transparența, reflexia, umbrele, modelele de iluminare și proprietățile suprafeței sunt câteva dintre domeniile în care echipele de cercetare lucrează din greu, venind constant cu noi algoritmi pentru crearea de imagini artificiale din ce în ce mai realiste. Astăzi, aceste metode sunt folosite și pentru a crea animații de înaltă calitate.

Nevoi practice V modelarea pe computer reprezintă provocări pentru dezvoltatorii de hardware fonduri calculator. Adică, metoda influențează activ nu numai apariția de noi și programe noi Dar Și pe dezvoltare mijloace tehnice.

Exemplu. Holografia computerizată a fost discutată pentru prima dată în anii '80. Așadar, în sistemele de proiectare asistată de computer, în sistemele de informații geografice, ar fi bine să poți nu doar să privești un obiect de interes în formă tridimensională, ci să-l prezinți sub forma unei holograme care poate fi rotită. , s-a înclinat și s-a uitat înăuntru. Pentru a crea o imagine holografică utilă în aplicații reale, aveți nevoie

holografică

Poze

ecrane cu un număr gigantic de pixeli - până la un miliard. Această lucrare este acum în desfășurare activă. Concomitent cu dezvoltarea afișajului holografic, munca este în plină desfășurare pentru a crea o stație de lucru tridimensională bazată pe principiul numit „substituție a realității”. În spatele acestui termen se află ideea utilizării pe scară largă a tuturor acelor metode naturale și intuitive pe care o persoană le folosește atunci când interacționează cu modele naturale (material-energie), dar în același timp se pune accent pe îmbunătățirea și dezvoltarea lor cuprinzătoare folosind capabilități unice ale sistemelor digitale. Este de așteptat, de exemplu, că va fi posibilă manipularea și interacțiunea cu hologramele computerului în timp real folosind gesturi și atingeri.

Modelarea pe computer are următoarele avantaje:

Oferă vizibilitate;

Disponibil pentru utilizare.

Principalul avantaj al modelării computerizate este că permite nu numai observarea, ci și prezicerea rezultatului unui experiment în anumite condiții speciale. Datorită acestei oportunități, această metodă și-a găsit aplicație în biologie, chimie, sociologie, ecologie, fizică, economie și multe alte domenii de cunoaștere.

Simularea pe calculator este utilizată pe scară largă în predare. Folosind programe speciale, puteți vizualiza modele ale unor astfel de fenomene precum fenomenele microlumii și lumea cu dimensiuni astronomice, fenomenele de fizică nucleară și cuantică, dezvoltarea plantelor și transformarea substanțelor în reacții chimice.

Pregătirea specialiştilor în numeroase profesii, în special precum controlorii de trafic aerian, piloţii, dispecerii centralelor nucleare şi electrice, se realizează cu ajutorul simulatoarelor controlate de calculator care simulează situaţii reale, inclusiv cele de urgenţă.

Lucrările de laborator pot fi efectuate pe un computer dacă dispozitivele și instrumentele reale necesare nu sunt disponibile sau dacă rezolvarea problemei necesită utilizarea unor metode matematice complexe și calcule intensive în muncă.

Modelarea computerizată face posibilă „reanimarea” legile fizice, chimice, biologice și sociale studiate și efectuarea unui număr de experimente cu modelul. Dar nu trebuie să uităm că toate aceste experimente sunt de natură foarte condiționată și valoarea lor educațională este, de asemenea, foarte condiționată.

Exemplu. Înainte de utilizarea practică a reacției de dezintegrare nucleară, fizicienii nucleari pur și simplu nu știau despre pericolele radiațiilor, dar prima utilizare în masă a „realizărilor” (Hiroshima și Nagasaki) a arătat clar cum radiația

c este periculos pentru oameni. Fizicienii încep cu electronucleul

stații, omenirea nu ar fi aflat mult timp despre pericolele radiațiilor. Realizarea chimiștilor de la începutul secolului trecut - cel mai puternic pesticid DDT - a fost considerat absolut sigur pentru oameni pentru o perioadă destul de lungă -

În contextul utilizării tehnologiilor moderne puternice, replicarea pe scară largă și utilizarea necugetată a produselor software eronate, problemele aparent foarte specializate, cum ar fi adecvarea unui model computerizat al realității, pot dobândi o semnificație universală semnificativă.

Experimente pe calculator- este un instrument pentru studierea tiparelor mai degrabă decât a fenomenelor naturale sau sociale.

Prin urmare, simultan cu un experiment pe calculator, trebuie efectuat întotdeauna un experiment la scară completă, astfel încât cercetătorul, comparând rezultatele lor, să poată evalua calitatea modelului corespunzător, profunzimea înțelegerii noastre a esenței fenomenelor din fenomen.

naştere. Nu uitați că fizica, biologia, astronomia, informatica sunt științe despre lumea reală, și nu despre realitatea virtuală.

În cercetarea științifică, atât fundamentală, cât și orientată practic (aplicată), un computer acționează adesea ca un instrument necesar pentru munca experimentală.

Un experiment pe calculator este cel mai adesea asociat cu:

Cu calcule matematice complexe (număr
modelare liniară);

Cu construirea și studiul vizual și/sau dinamic
modele de microfon (modelare pe calculator).

Sub model de calculator este înțeles ca un program (sau un program în combinație cu un dispozitiv special) care oferă simularea caracteristicilor și comportamentului unui anumit obiect, precum și rezultatul executării acestui program sub formă de imagini grafice (fixe sau dinamice). ), valori numerice, tabele etc.

Există modele pe computer structural-funcțional și de simulare.

Structural-funcțional un model de calculator este o imagine convențională a unui obiect sau a unui sistem de obiecte (procese, fenomene), descrisă folosind tabele computerizate interconectate, organigrame, diagrame, grafice, desene, fragmente de animație, hipertexte și așa mai departe și afișând structura computerului. obiectul sau comportamentul acestuia.

Un model de simulare pe calculator este un program sau pachet software separat care permite, folosind o succesiune de calcule și afișarea grafică a rezultatelor acestora, să reproducă (simuleze) procesele de funcționare ale unui obiect, sub influența diverșilor factori aleatori asupra acestuia.

Modelarea computerizată este o metodă de rezolvare a problemei analizei sau sintetizării unui sistem (cel mai adesea un sistem complex) pe baza utilizării modelului său computerizat.

Avantajele modelării pe calculator sunt asta:

Vă permite nu numai să observați, ci și să preziceți rezultatul unui experiment în anumite condiții speciale;

Vă permite să simulați și să studiați fenomene prezise de orice teorie;

Este prietenos cu mediul și nu reprezintă un pericol pentru natură și oameni;

Oferă vizibilitate;

Disponibil pentru utilizare.

Metoda de modelare pe calculator și-a găsit aplicație în biologie, chimie, sociologie, ecologie, fizică, economie, lingvistică, drept și multe alte domenii de cunoaștere.

Modelarea computerizată este utilizată pe scară largă în educația, formarea și recalificarea specialiștilor:

Pentru o reprezentare vizuală a modelelor de fenomene ale microcosmosului și lumii cu dimensiuni astronomice;

Pentru a simula procese care au loc în lumea vie și a naturii neînsuflețite

Să simuleze situații reale de gestionare a sistemelor complexe, inclusiv situații de urgență;

Să efectueze lucrări de laborator atunci când dispozitivele și instrumentele necesare nu sunt disponibile;

Pentru a rezolva probleme, dacă acest lucru necesită utilizarea de metode matematice complexe și calcule intensive în muncă.

Este important să ne amintim că nu realitatea obiectivă este modelată pe un computer, ci ideile noastre teoretice despre aceasta. Obiectul modelării computerizate este modelele matematice și alte modele științifice, și nu obiecte, procese și fenomene reale.

Experimente pe calculator- este un instrument pentru studierea tiparelor mai degrabă decât a fenomenelor naturale sau sociale.

Criteriul de corectitudine a oricăruia dintre rezultatele modelării computerizate a fost și rămâne un experiment la scară completă (fizică, chimică, socială). În cercetarea științifică și practică, un experiment pe computer nu poate însoți decât unul natural, astfel încât cercetătorul să poată compara

Analizând rezultatele acestora, am putut evalua calitatea modelului și profunzimea înțelegerii noastre a esenței fenomenelor naturale.

Este important să ne amintim că fizica, biologia, astronomia, economia, informatica sunt științe despre lumea reală, nu despre
realitate virtuala.

Exercitiul 1

Cu greu cineva ar suna o scrisoare scrisă într-un procesor de text și trimisă prin e-mail un model de computer.

Editorii de text vă permit adesea să creați nu numai documente obișnuite (scrisori, articole, rapoarte), ci și șabloane de documente în care există informații permanente pe care utilizatorul nu le poate modifica, există câmpuri de date care sunt completate de utilizator și există câmpurile în care calculele pe baza datelor introduse. Un astfel de model poate fi considerat un model computerizat? Dacă da, care este obiectul modelării în acest caz și care este scopul creării unui astfel de model?

Sarcina 2

Știți că înainte de a putea crea o bază de date, mai întâi trebuie să construiți un model de date. De asemenea, știți că un algoritm este un model de activitate.

Atât modelele de date, cât și algoritmii sunt dezvoltați cel mai adesea având în vedere implementarea computerului. Este corect să spunem că la un moment dat devin un model de computer și, dacă da, când se întâmplă acest lucru?

Notă. Verificați răspunsul cu definiția „modelului de computer”.

Sarcina 3

Descrieți etapele construirii unui model de calculator folosind exemplul dezvoltării unui program care simulează un fenomen fizic.

Sarcina 4

Dați exemple când modelarea pe computer a adus beneficii reale și când a dus la consecințe nedorite. Pregătiți un raport pe această temă.

Modelare pe calculator - baza pentru reprezentarea cunoștințelor într-un calculator. Modelarea computerizată pentru generarea de noi informații utilizează orice informație care poate fi actualizată folosind un computer. Progresul modelării este asociat cu dezvoltarea sistemelor de modelare pe computer, iar progresul în tehnologia informației este asociat cu actualizarea experienței de modelare pe computer, cu crearea de bănci de modele, metode și sisteme software care permit colectarea de noi modele. din modelele bancare.

Un tip de modelare computerizată este un experiment de calcul, adică un experiment efectuat de un experimentator asupra sistemului sau procesului studiat folosind un instrument experimental - un computer, un mediu de calculator, o tehnologie.

Un experiment de calcul devine un nou instrument, o metodă de cunoaștere științifică, o nouă tehnologie și datorită nevoii tot mai mari de a trece de la studiul modelelor matematice liniare ale sistemelor (pentru care metodele și teoria de cercetare sunt destul de bine cunoscute sau dezvoltate) la studiul modelelor matematice complexe și neliniare ale sistemelor (a căror analiză este mult mai dificilă). În linii mari, cunoștințele noastre despre lumea din jurul nostru sunt liniare, dar procesele din lumea din jurul nostru sunt neliniare.

Un experiment de calcul vă permite să găsiți noi modele, să testați ipoteze, să vizualizați cursul evenimentelor etc.

Pentru a da viață noilor dezvoltări de design, pentru a introduce noi soluții tehnice în producție sau pentru a testa idei noi, este nevoie de un experiment. În trecutul recent, un astfel de experiment putea fi realizat fie în condiții de laborator pe instalații special create pentru acesta, fie in situ, adică pe un eșantion real de produs, supunându-l la tot felul de teste.

Odată cu dezvoltarea tehnologiei informatice, a apărut o nouă metodă unică de cercetare - un experiment pe computer. Un experiment pe computer include o anumită secvență de lucru cu un model, un set de acțiuni ale utilizatorului vizate pe un model de computer.

Etapa 4. Analiza rezultatelor simulării.

Scopul final modelare – luarea unei decizii care ar trebui luată pe baza unei analize cuprinzătoare a rezultatelor obţinute. Această etapă este decisivă – fie continui cercetarea, fie o termini. Poate că știți rezultatul așteptat, atunci trebuie să comparați rezultatele obținute și cele așteptate. Dacă există o potrivire, vei putea lua o decizie.

Baza pentru dezvoltarea unei soluții sunt rezultatele testelor și experimentelor. Dacă rezultatele nu corespund obiectivelor sarcinii, înseamnă că au fost făcute greșeli în etapele anterioare. Aceasta poate fi fie o construcție prea simplificată a unui model de informații, fie o alegere nereușită a unei metode sau a unui mediu de modelare, fie o încălcare a tehnicilor tehnologice la construirea unui model. Dacă sunt identificate astfel de erori, atunci este necesar ajustarea modelului , adică revenirea la una dintre etapele anterioare. Proces se repetă până când rezultatele experimentului răspund obiective modelare. Principalul lucru este să vă amintiți întotdeauna: o eroare identificată este și un rezultat. După cum spune înțelepciunea populară, înveți din greșeli.

Programe de simulare

ANSYS- sistem software universal cu elemente finite ( FEM) analiza, existentă și în curs de dezvoltare în ultimii 30 de ani, este destul de populară în rândul specialiștilor din domeniul ingineriei informatice ( CAE, Computer-Aided Engineering) și soluții FE de probleme spațiale liniare și neliniare, staționare și nestaționare de mecanică a unui solid deformabil și mecanică structurală (inclusiv probleme nestationare geometrice și fizice neliniare de interacțiune de contact a elementelor structurale), probleme de mecanică a fluidelor și a gazelor , transferul și schimbul de căldură, electrodinamica, acustica, precum și mecanica câmpurilor cuplate. În unele aplicații industriale, modelarea și analiza pot evita ciclurile de dezvoltare de proiectare-construcție-testare costisitoare și consumatoare de timp. Sistemul funcționează pe baza unui nucleu geometric Parasolid .

AnyLogic - software Pentru modelare prin simulare sisteme complexeȘi proceselor, dezvoltat Rusă de XJ Technologies ( Engleză XJ Tehnologii). Programul are mediul grafic al utilizatoruluiși vă permite să utilizați limbajul Java pentru dezvoltarea modelului .

Modelele AnyLogic se pot baza pe oricare dintre principalele paradigme de simulare: simulare de evenimente discrete, dinamica sistemului, Și modelare bazată pe agenți.

Dinamica sistemului și modelarea cu evenimente discrete (proces), prin care înțelegem orice dezvoltare a ideilor GPSS Acestea sunt abordări tradiționale, stabilite, modelarea bazată pe agenți este relativ nouă. Dinamica sistemului operează în principal cu procese continue în timp, în timp ce modelarea bazată pe evenimente și pe agenți operează cu procese discrete.

Dinamica sistemului și modelarea evenimentelor discrete au fost predate din istorie unor grupuri foarte diferite de studenți: management, ingineri industriali și ingineri de sisteme de control. Ca urmare, au apărut trei comunități diferite, practic nesuprapuse, care nu au aproape nicio comunicare între ele.

Până de curând, modelarea bazată pe agenți era un domeniu strict academic. Cu toate acestea, cererea tot mai mare de optimizare globală din partea afacerilor i-a forțat pe analiștii de top să acorde o atenție specială modelării bazate pe agenți și combinației acesteia cu abordările tradiționale pentru a obține o imagine mai completă a interacțiunii proceselor complexe de diferite naturi. Astfel s-a născut cererea de platforme software care să permită integrarea diferitelor abordări.

Acum să ne uităm la abordările de simulare la scara nivelului de abstractizare. Dinamica sistemului, înlocuirea obiectelor individuale cu agregatele lor, presupune cel mai înalt nivel de abstractizare. Simularea evenimentelor discrete funcționează în intervalul scăzut până la mediu. În ceea ce privește modelarea bazată pe agenți, aceasta poate fi utilizată la aproape orice nivel și la orice scară. Agenții pot reprezenta pietoni, mașini sau roboți într-un spațiu fizic, un client sau un agent de vânzări la mijloc sau companii concurente în high-end.

Când dezvoltați modele în AnyLogic, puteți utiliza concepte și instrumente din mai multe metode de modelare, de exemplu, într-un model bazat pe agenți, puteți utiliza metode de dinamică a sistemului pentru a reprezenta schimbări în starea mediului sau puteți lua în considerare evenimentele discrete într-un mod continuu. modelul unui sistem dinamic. De exemplu, managementul lanțului de aprovizionare folosind modelarea prin simulare necesită descrierea participanților lanțului de aprovizionare de către agenți: producători, vânzători, consumatori, rețeaua de depozite. În acest caz, producția este descrisă în cadrul modelării cu evenimente discrete (proces), în care produsul sau părțile sale sunt aplicații, iar mașinile, trenurile, stivuitoarele sunt resurse. Produsele în sine sunt reprezentate ca evenimente discrete, dar cererea de bunuri poate fi descrisă printr-o diagramă dinamică a sistemului continuă. Abilitatea de a combina abordări face posibilă descrierea proceselor din viața reală, mai degrabă decât ajustarea procesului la aparatul matematic disponibil.

LabVIEW (Engleză laborator oratorie V virtual eu instrumentaţie E inginerie W orkbench) este mediu de dezvoltareȘi platformă pentru executarea programelor create în limbajul de programare grafică „G” al companiei National Instruments(STATELE UNITE ALE AMERICII). Prima versiune a LabVIEW a fost lansată în 1986 pentru Apple Macintosh, există în prezent versiuni pentru UNIX, GNU/Linux, MacOS etc., iar cele mai dezvoltate și populare sunt versiunile pentru Microsoft Windows.

LabVIEW este utilizat în sistemele de achiziție și procesare a datelor, precum și pentru gestionarea obiectelor tehnice și a proceselor tehnologice. Ideologic, LabVIEW este foarte aproape de SCADA-sisteme, dar spre deosebire de ele este mai concentrat pe rezolvarea problemelor nu atât în ​​domeniu APCS, câte în regiune ASNI.

MATLAB(scurt pentru Engleză « Matrice Laborator» ) este un termen care se referă la un pachet software de aplicație pentru rezolvarea problemelor tehnice de calcul, precum și la limbajul de programare utilizat în acel pachet. MATLAB Folosit de peste 1.000.000 de ingineri și oameni de știință, funcționează pe cele mai moderne sisteme de operare, inclusiv GNU/Linux, MacOS, SolarisȘi Microsoft Windows .

arțar- pachete software, sistem algebric computerizat. Este un produs al Waterloo Maple Inc., care 1984 produce și comercializează produse software axate pe calcule matematice complexe, vizualizare și modelare a datelor.

Sistemul Maple este conceput pentru calcule simbolice, deși are o serie de instrumente pentru rezolvarea numerică ecuatii diferentialeși găsirea integrale. Posedă instrumente grafice dezvoltate. Are propria limbaj de programare, amintind Pascal.

Mathematica - sistem algebric computerizat companiilor Cercetarea Wolfram. Conține multe funcții atât pentru transformări analitice cât şi pentru calcule numerice. În plus, programul acceptă lucrul cu graficăȘi sunet, inclusiv construcția de două și tridimensionale grafice funcții, desen arbitrar forme geometrice, importȘi export imagini si sunet.

Instrumente de prognoză- produse software care au funcții de calculare a prognozelor. Prognoza- una dintre cele mai importante activități umane astăzi. Chiar și în cele mai vechi timpuri, prognozele permiteau oamenilor să calculeze perioadele de secetă, datele eclipselor de soare și de lună și multe alte fenomene. Odată cu apariția tehnologiei informatice, prognoza a primit un impuls puternic pentru dezvoltare. Una dintre primele utilizări ale computerelor a fost să calculeze traiectoria balistică a proiectilelor, adică, de fapt, să prezică punctul în care proiectilul va lovi pământul. Acest tip de prognoză se numește static prognoza. Există două categorii principale de prognoze: statice și dinamice. Diferența cheie este că prognozele dinamice oferă informații despre comportamentul obiectului studiat pe orice perioadă semnificativă de timp. La rândul lor, previziunile statice reflectă starea obiectului studiat doar la un singur moment în timp și, de regulă, în astfel de prognoze factorul de timp în care obiectul suferă modificări joacă un rol minor. Astăzi există un număr mare de instrumente care vă permit să faceți prognoze. Toate pot fi clasificate după mai multe criterii:

PC LIRA- un pachet software multifuncțional conceput pentru proiectarea și calculul structurilor de inginerie mecanică și de construcții pentru diverse scopuri. Calculele din program sunt efectuate atât pentru impacturile statice, cât și pentru cele dinamice. Baza calculelor este metoda elementului finit(FEM). Diverse module plug-in (procesoare) vă permit să selectați și să verificați secțiuni de structuri din oțel și beton armat, modelarea solului, calcularea podurilor și comportamentul clădirilor în timpul instalării etc.

La sfârșitul capitolului, vom lua în considerare întrebarea: unde se clasifică un experiment pe calculator și modelarea pe computer ( calculator simulări) !

Inițial, modelarea pe computer a apărut în meteorologie și fizica nucleară, dar astăzi gama de aplicații a acesteia în știință și tehnologie este extrem de largă. Un exemplu foarte indicativ în acest sens este „modelarea globală”, în care lumea este considerată ca un set de subsisteme care interacționează între ele: populație, societate, economie, producție alimentară, complex de inovare, resurse naturale, habitat, țări și regiuni ale lume (primul exemplu este publicat în 1972 d. raport către Clubul de la Roma „Limits to Growth”). Dezvoltarea și interacțiunea acestor subsisteme determină dinamica globală.

Este evident că avem de-a face aici cu un sistem super complex cu o masă de interacțiuni neliniare, pentru care Nu este posibil să construiți un model de tip VIO. Prin urmare, aici procedează după cum urmează. Se constituie un grup multidisciplinar, format din specialisti apartinand diferitelor subsisteme. Acest grup, pe baza cunoștințelor membrilor săi, întocmește o organigramă dintr-o mare varietate de elemente și conexiuni. Această diagramă bloc este convertită într-un model matematic de calculator care reprezintă sistemul care este modelat. După care se efectuează experimente numerice cu un model computerizat, adică. experimente pe calculator care, în ceea ce privește crearea de modele de obiecte și procese, depanare și execuție, seamănă cu un adevărat experiment complex.

Există o anumită analogie între experimentele de gândire și experimentele pe computer. În cazul unui experiment pe computer, modelul computerizat elaborat în timpul acestuia este un analog al modelului VIO din experimentul VIO gândit. În ambele cazuri, cercetarea experimentală este un element al căutării unui model teoretic adecvat. În timpul acestei căutări, în primul caz, sunt selectate PIO-uri și interacțiunile dintre ele (și magnitudinea lor), iar în al doilea caz sunt selectate elemente și conexiuni (și magnitudinea lor). Din această comparație este evident că rezultatul unei astfel de activități experimentale în ambele cazuri este apariția unor noi cunoștințe. Adică, modelele computerizate corespund modelelor teoretice VIO ale fenomenului, iar un experiment computerizat este un mijloc de construire a acestora. În acest caz, experimentarea are loc cu un model, și nu cu un fenomen (conform lucrării, același lucru este indicat în lucrări).

În fizică și în alte științe ale naturii, în cazul fenomenelor „de laborator”, un experiment real poate schimba ceva în fenomenul însuși („a-i pune o întrebare”). Dacă acest lucru se dovedește a fi suficient pentru a crea un model VIO și rămâne singura întrebare cu privire la clarificarea parametrilor săi, atunci în acest caz modelul computerizat are o aplicație mai trivială decât cea descrisă mai sus - rezolvarea ecuațiilor complexe care descriu un sistem fizic sau tehnic , și selectarea parametrilor pentru sistemele pentru care modelul VIO a fost deja specificat. Acest caz este adesea numit „experiment numeric”.

Cu toate acestea, fizica se ocupă și de fenomene care trebuie studiate calitativ înainte de a le plasa în laborator, de exemplu, eliberarea energiei nucleare sau nașterea particulelor elementare. O situație similară poate apărea: 1) în cazurile de complexitate economică sau tehnică a unui experiment real listat pentru un experiment de gândire, 2) în absența unui model VIO, i.e. lipsa unei teorii a fenomenului (ca în cazul curgerilor turbulente). În fizica nucleară și a particulelor avem primele cazuri, dacă nu ambele. Aici avem o situație asemănătoare „modelării globale” și începem să experimentăm modele teoretice prin simulări pe calculator. Prin urmare, nu este de mirare că modelarea computerizată a apărut foarte devreme în fizica nucleară.

Deci, un experiment pe computer și modele pe computer într-un caz non-trivial, ca în exemplul cu „modelare globală”, corespund, respectiv, unui experiment VIO mental și modelelor VIO teoretice ale fenomenului.

Un experiment este o formă de comunicare între două părți - un fenomen și un model teoretic. În principiu, aceasta implică posibilitatea manipulării cu două părți. În cazul unui experiment real, experimentarea are loc cu un fenomen, iar în cazul unui experiment mental și computerizat, care poate fi considerat ca un analog al unui experiment mental, cu un model. Dar, în ambele cazuri, scopul este obținerea de noi cunoștințe sub forma unui model teoretic adecvat.

• Aceasta include observația lui E. Winsberg: „Nu este adevărat că un experiment real manipulează întotdeauna doar obiectul de interes. De fapt, atât într-un experiment real, cât și într-o simulare, există o relație complexă între ceea ce este manipulat în studiu , pe de o parte, și sistemele lumii reale, care sunt scopul studiului, pe de altă parte... Mendel, de exemplu, a manipulat mazărea și era interesat să studieze fenomenul eredității generale."