«В.С. КИМ ВИРТУАЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ Монография Уссурийск – 2012 ББК 74.200 К 40 Печатается по решению редакционно-издательского совета Школы педагогики ДВФУ Рецензенты: М.Н. Невзоров - доктор ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ШКОЛА ПЕДАГОГИКИ

В.С. КИМ

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ В

ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ

Монография Уссурийск – 2012 ББК 74.200 К 40 Печатается по решению редакционно-издательского совета Школы педагогики ДВФУ Рецензенты:

М.Н. Невзоров - доктор педагогических наук, профессор И.А. Морев – кандидат физико-математических наук, доцент Ким В.С.

К 40 Виртуальные эксперименты в обучении физике. Монография.

–Уссурийск: Изд. Филиала ДВФУ в г.Уссурийске, 2012. –184 с.: ил.

ISBN 978-5-7444-2778- Монография посвящена виртуальным физическим экспериментам в обучении физике. Приведен краткий обзор экспериментального метода познания, как в научных исследованиях, так и в обучении физике. Показаны коренные различия в подходах к построению компьютерных моделей в научных исследованиях, так и в обучении физике.

Сформулированы основные требования к построению интерфейса и информационных кадров компьютерных дидактических средств.

Монография предназначается преподавателям учебных заведений, аспирантам и всем, кто интересуется проблемой применения компьютерного моделирования в обучении физике.

ББК 74. © Ким В.С., 2012-08- ISBN 978-5-7444-2778- © Издательство Дальневосточного федерального университета (филиал в г.Уссурийске),

ВВЕДЕНИЕ

Виртуальные физические эксперименты – это относительно новое направление, как в научно-исследовательском, так и в образовательном процессе, обусловленное реализацией физических моделей средствами вычислительной техники.

Развитие физической науки и изучение физики неразрывно связаны с построением и изучением моделей различных физических систем. Изучать окружающий мир во всем его многообразии и невероятной сложности невозможно. Поэтому, вероятно, единственный научно-обоснованный подход к решению проблемы изучения окружающего мира, заключается в построении и исследовании некоторого упрощенного его эквивалента.

Все развитие физики – это процесс создания и исследования различных моделей. Усилия выдающихся ученых, начиная с древних греков, были направлены на создание тех или иных моделей как окружающего мира в целом, так и его фрагментов. Системы Птолемея, Коперника, Галилея, Ньютона, Эйнштейна и многих других выдающихся мыслителей, основывались на тех или иных моделях окружающего мира.

Некоторые модели оказывались очень плодотворными и широко использовались для объяснения большого круга вопросов, например, материальная точка, идеальный газ, абсолютно твердое тело, гармонический осциллятор и т.п.

Новый этап в применении моделей начался с появлением вычислительной техники. Компьютерные модели обладают повышенной эвристической способностью, позволяют получать результаты в результате выполнения виртуальных экспериментов. Для выполнения виртуального эксперимента требуется математическое, программное обеспечение и мощная, высокопроизводительная вычислительная техника. Именно благодаря этому ведущим ядерным державам удалось прекратить натурные испытания ядерного оружия. Виртуальных экспериментов оказалось достаточно для изучения свойств новых типов ядерных зарядов. Тот факт, что некоторые страны продолжают натурные испытания говорит лишь о том, что эти страны не имеют ресурсов для выполнения виртуальных испытаний.

Быстрое развитие математической и технической базы виртуальных экспериментов привело к появлению вычислительной физики.

Это новое направление, наряду с теоретической и экспериментальной физикой, позволяющее более эффективно исследовать окружающий мир.

Другая область применения физических моделей – это область образования. Обучение физике – это изучение готовых моделей. На наивысшей ступени обучения – это построение собственных моделей учащимся. Учебное компьютерное моделирование физических процессов, реализованное в форме виртуальных физических экспериментов, играет все возрастающую роль в обучении физике.

Виртуальные эксперименты имеют много преимуществ перед натурными:

- легкость организации фронтальной лабораторной работы – для чего нужен только компьютерный класс;

- низкая стоимость виртуального эксперимента – все эксперименты выполняются на одних и тех же компьютерах. «Виртуальное оборудование» не изнашивается, не ломается, не требует обслуживания и ремонта;

- возможность многократных, итерационных исследований с изменением начальных условий, что позволяет решить сложную задачу методом имитационного моделирования;

- возможность виртуального экспериментирования во внеучебное время, самостоятельно, на домашнем компьютере.

В качестве недостатка виртуального эксперимента обычно указывают на весьма ограниченный характер взаимодействия учащегося с исследуемым объектом. Ясно, что реальный объект, реальные измерительные приборы значительно сложнее и богаче по своим свойствам по сравнению с виртуальными аналогами. Однако представляется, что это временный недостаток. По мере развития физической науки будут появляться все более сложные и точные модели физических процессов, объектов, явлений. Дальнейшее совершенствование компьютерной техники позволит реализовать модели, требующие колоссальных вычислительных мощностей. Перспективные интерфейсные методы общения с компьютером уже начинают использовать тактильный канал связи в дополнение к зрительному и слуховому. Когда это удастся реализовать в достаточной мере, то отличить виртуальный эксперимент от натурного будет практически невозможно. Обонятельный и вкусовой каналы связи, в ближайшей перспективе, видимо не будут использованы, ввиду их весьма ограниченного применения в натурных экспериментах.

Таким образом, вполне вероятно, что недостатки виртуальных экспериментов будут преодолены в недалеком будущем и натурный эксперимент будет практически полностью вытеснен из образовательного процесса.

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ В

ФИЗИКЕ

В физической науке используются различные методы познания:

теоретический и эмпирический. Рассмотрим методы познания в физической науке.

1.1. МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА

Метод — (греч. — способ познания) – в самом широком смысле слова – «путь к чему-либо», способ деятельности субъекта в любой ее форме. Метод представляет собой совокупность теоретических принципов и практических приёмов для осуществления чеголибо.

Основная функция метода – внутренняя организация и регулирование процесса познания или практического преобразования того или иного объекта. Поэтому метод сводится к совокупности определенных правил, приемов, способов, норм познания и действия. Он есть система предписаний, принципов, требований, которые должны ориентировать в решении конкретной задачи, достижении определенного результата в той или иной сфере деятельности [71].

Р. Декарт методом называл «точные и простые правила», соблюдение которых способствует приращению знания, позволяет отличить ложное от истинного. Он говорил, что уж лучше не помышлять об отыскивании, каких бы то ни было истин, чем делать это без всякого метода, особенно, без дедуктивно-рационалистического [40].

Выдающийся физиолог И. П. Павлов [90] указывал: “… при плохом методе и гениальный человек будет работать впустую и не получит ценных, точных данных”.

Понятие «методология» имеет два основных значения: система определенных способов и приемов, применяемых в той или иной сфере деятельности; учение об этой системе, общая теория метода, теория в действии [71].

Рассмотрим наиболее важные методы теоретического познания, используемые в науке.

1. Метод АНАЛИЗА – расчленение целостного предмета на составные части для их всестороннего объяснения.

2. Метод СИНТЕЗА – объединение ранее выделенных частей предмета в единое целое.

3. Метод АБСТРАГИРОВАНИЯ – мысленное отвлечение от каких-то менее существенных в данных условиях свойств, сторон, признаков, отношений изучаемого объекта с одновременным выделением одной или нескольких наиболее существенных сторон, свойств или признаков и отношений этого объекта.

4. Метод ИДЕАЛИЗАЦИИ – мысленное удаление некоторых свойств изучаемого объекта, в результате чего возникает идеализированный объект, имеющий только некоторые, наиболее характерные черты исходного объекта.

5. Метод ИНДУКЦИИ - метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента;

6. Метод ДЕДУКЦИИ - метод научного познания, который заключается в переходе от некоторых общих посылок к частным результатам-следствиям.

7. Метод ФОРМАЛИЗАЦИИ – отображение содержательного знания в знаково-символическом виде.

8. АКСИОМАТИЧЕСКИЙ метод – предполагает построение системы основных терминов, из которых создается некоторое множество аксиом – положений, не требующих доказательств. На основе выдвинутых аксиом выводятся все другие утверждения данной теории по специально сформулированным правилам [71].

9. Метод АНАЛОГИЙ - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного в ходе рассмотрения какого-либо одного объекта, на другой, менее изученный и в данный момент изучаемый;

10. Метод МОДЕЛИРОВАНИЯ - метод познания, заключающийся в замещении объекта исследования моделью, в качестве которой могут быть использованы объекты как естественного, так и искусственного происхождения.

Научный метод включает следующие составляющие:

а) сбор и накопление эмпирических данных, осуществляемых путём наблюдения и эксперимента;

б) формулирование гипотез на основании собранных путём поиска моделей взаимоотношений между данными и последующее индуктивное сообщение;

в) проверка гипотез путём вывода предсказаний, которые из них следуют, и дальнейшее планирование и осуществление экспериментов для проверки истинности гипотез;

г) отбрасывание гипотез, не подтверждающихся экспериментальными данными, и построение теории путём добавления подтверждённых гипотез.

Рассмотрим подробнее роль гипотезы в научном исследовании.

ГИПОТЕЗА представляет собой всякое предположение, догадку или предсказание, выдвигаемое для устранения ситуации неопределенности в научном исследовании. Поэтому гипотеза есть не достоверное знание, а вероятное, истинность или ложность которого еще не установлены.

Любая гипотеза должна быть обязательно обоснована либо достигнутым знанием данной науки, либо новыми фактами. Она должна обладать свойством объяснения всех фактов, которые относятся к данной области знания, систематизации их, а также фактов за пределами данной области, предсказывать появление новых фактов. При этом гипотеза не должна противоречить уже имеющимся фактам.

Гипотеза должна быть либо подтверждена, либо опровергнута.

Для этого она должна обладать свойствами фальсифицируемости и верифицируемости. Фальсификация - процедура, устанавливающая ложность гипотезы в результате экспериментальной или теоретической проверки. Требование фальсифнцируемости гипотез означает, что предметом науки может быть только принципиально опровергаемое знание. Неопровержимое знание к науке отношения не имеет. При этом сами по себе результаты эксперимента опровергнуть гипотезу не могут. Для этого нужна альтернативная гипотеза или теория, обеспечивающая дальнейшее развитие знаний. В противном случае отказа от первой гипотезы не происходит.

Верификация - процесс установления истинности гипотезы или теории в результате их эмпирической проверки. Возможна, также, косвенная верифицируемость гипотезы, основанная на логических выводах из непосредственно верифицированных фактов. Согласно принципу фальсифицируемости Карла Поппера [97], теория является фальсифицируемой, если существует методологическая возможность её опровержения путём постановки того или иного эксперимента. Согласно критерию Поппера, научная теория не может быть принципиально неопровержимой.

Рассмотрим теперь научные методы эмпирического исследования.

Метод НАБЛЮДЕНИЯ. Этот метод является наиболее простым, естественным для человека. Пытаясь взаимодействовать с внешней средой в процессе, например, удовлетворения своих базовых потребностей (А.Маслоу [82] ), человек нуждался в прогнозировании различных событий, процессов, действий. Для этого необходимо знание об окружающем мире. Наиболее естественным, простым методом получения такого знания является наблюдение. Наблюдения и последующие размышления позволяли строить картины мира, поразительно перекликающиеся с гораздо более поздними теориями. Наиболее яркие примеры дает античная философия.

Наблюдение – это целенаправленный, регламентированный процесс восприятия объектов исследования, не претерпевающих изменений под воздействием наблюдения.

Наблюдение как метод познания действительности применяется по двум, принципиально различным основаниям – когда эксперимент невозможен и, когда эксперимент запрещен. В первом случае исследователь лишен возможности вмешательства в исследуемый объект, например в космологии и вынужден ограничиваться наблюдением. Во втором случае исследователь намеренно отказывается от вмешательства, поскольку это может изменить свойства и поведение изучаемого объекта. Например, при изучении социальных систем, как правило, используется метод наблюдения, что обусловлено их чрезвычайной сложностью, нелинейностью, и, следовательно, очень низкой предсказуемостью. Эксперименты над социальными системами могут проводиться либо в очень ограниченных масштабах при тщательном учете возможных последствий, либо вообще должны быть отклонены.

Наблюдение как метод познания проводится по определенной программе исследования, построенной на основе прошлых достоверно установленных фактов, разработанных концепций, парадигм существующих в данной предметной области. Частными случаями наблюдения являются измерение и сравнение. Говоря об измерения нельзя не затронуть принцип неопределенности Вернера Гейзенберга (1927).

Отношения неопределённости Гейзенберга определяют теоретический предел точности любых измерений. В известном смысле даже наблюдение изменяет изучаемый объект и граница между наблюдением и экспериментом размывается.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ метод предполагает активное и целенаправленное вмешательство в протекание изучаемого процесса, соответствующее изменение объекта или его воспроизведение в специально созданных и контролируемых условиях [71].

Условия, в которых существует, функционирует исследуемый объект, определяются внешней средой, окружающим миром. Создавая управляемые и контролируемые условия, наблюдатель тем самым изменяет внешнюю среду, а, следовательно, и до некоторой степени, сам объект исследования. Это означает, что экспериментатор должен выделить существенные факторы и отбросить малосущественные. Подобная идеализация необходима, так как реальные объекты бесконечно сложны и их исследование возможно лишь в упрощенном виде.

Подобное упрощение способствует более глубокому пониманию явлений и создает возможность контролировать немногие существенные для данного процесса факторы и величины.

В естественных науках экспериментальный метод познания используется давно и успешно. В теоретической физике осуществляется опосредованное познание объекта на основе соответствующей математической модели. В экспериментальной физике изучение объекта осуществляется путем целенаправленного воздействия на исследуемый объект.

Экспериментальный метод представляют собой схему последовательности операций, определяемых сущностью и строением эксперимента. Эксперимент начинается после того, как будет построена модель гипотетического изменения предмета познания. Выбор средств познания осуществляется только тогда, когда будут соотнесены между собой гипотетическое изменение предмета познания и имеющиеся знания об объекте исследования.

Экспериментальный метод в физике включает в себя теоретическую и практическую подготовку эксперимента. Сюда входят: формулирование гипотезы; постановка вопроса; выдвижение познавательной задачи; создание экспериментальной установки; проведение эксперимента в кoнтpолиpуемых исследователем условиях, проведение измерений; анализ экспериментальных данных, описание открытого явления и его свойств, формулирование научного вывода или положения.

Важнейшим качеством эксперимента является его воспроизводимость.

Воспроизводимость какого-либо явления в эксперименте означает, что экспериментатору удалось выявить все условия, существенно необходимые для возникновения этого явления. Экспериментальные результаты, которые не удается воспроизвести, следует считать недостоверными с научной точки зрения. Воспроизводимость принципиально позволяет совершить переход от науки к технике. Не будь воспроизводимости эксперимента, не удалось бы создать и соответствующего технического устройства. Любое техническое устройство всегда повторяет, воспроизводит, действия необходимые человеку.

Экспериментальный метод обеспечивает связь между теорией и практикой, обусловливая развитие цивилизации Достоверные знания, полученные посредством применения именно научных методов познания, лежат в основе научного мировоззрения.

1.2. АНТИЧНАЯ ФИЛОСОФИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕЕ РАЗВИТИЕ

ФИЗИКИ

Рассмотрим, как происходило становление и развитие экспериментального метода в физике.

Мыслители древней Греции явили впечатляющие примеры мощи человеческого разума в изучении загадок Природы. Приведем наиболее примечательные моменты из истории развития Античной философии.

Демокрит (460-370 гг. до н.э.) заложил основы атомистического учения о строении материи, на многие сотни лет, опередив развитие физической науки. Демокрит считал, что не существует ничего кроме атомов и чистого пространства, все другое – только воззрение [77].

Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме. В вечном падении через бесконечное пространство большие, падают скорее, ударяются о меньшие, возникающие от этого боковые движения и вихри служат началом образования мира. Бесчисленные миры образуются и снова исчезают одни рядом с другими и одни после других. Различие в вещах происходит от различия атомов в числе, величине, форме и порядке, они действуют друг на друга только путем давления и удара.

Эратосфен Киренский (, ок. 275-194 гг. до н.э.) [42, 137] предложил и реализовал метод определения размеров Земли[137,134].

Метод основывался на одновременном измерении высоты Солнца в Сиене (современный Асуан на юге Египта) и в Александрии, лежащих примерно на одном меридиане, в момент летнего солнцестояния (рис.1.2.1). Эратосфену было известно, что в Сиене в полдень, 22 июня, солнечные лучи, падая в глубокий колодец, достигали воды и отражались вверх. Это означало, что солнечные лучи в полдень падали в Сиене строго вертикально. Измерив в полдень того же дня длину тени, отбрасываемой обелиском в Александрии, Эратосфен нашел, что отклонение солнечных лучей от вертикали составляло 7, градусов. Зная, что расстояние между Сиеной и Александрией составляет 4000 стадий, Эратосфен вычислил окружность Земли – стадий. Полученное им значение, отличается от современного всего лишь на 5% (рис.1.2.1). Кроме того, ему удалось, пусть грубо, оценить расстояние от Земли до Солнца.

Архимед из Сиракуз (около 287-212 до н. э.) [7] заявил, что если ему дадут точку опоры, то он поднимет Землю. Отметим, что эти слова Архимеда относятся не к закону рычага, а к принципу построеРис.1.2.1. К определению диаметра Земного шара Эратосфеном Киренским.

ния механических редукторов. Именно с помощью редуктора Архимед "силой одного человека" сдвинул с места вытащенный на берег корабль[6].

Пифагору Самосскому (ок. 580 г. до н.э.) [93] приписывается идея сферичности Земли. Пифагор считал сферу идеальной по форме и, кроме того, он, вероятно, руководствовался идеей симметрии между формой Земли и небесной сферы.

Аристотель. Важнейший вклад в развитие теории познания ввел величайший мыслитель древности - Аристотель (384-322 г. до н.э.) [5]. Аристотель положил начало систематизации накапливающихся знаний о природе. От считал, что предмет физики – природа, а "природа есть только отдельный род существующего". Поэтому на первое место Аристотель ставил метафизику, а физику – на второе. Аристотеля можно считать основателем физической науки.

В аристотелевской натурфилософии фундаментальное место занимает учение о движении. Движение он понимает в широком смысле, как изменение вообще, различая изменения качественные, количественные и изменения в пространстве. Кроме того, в понятие движения он включает психологические и социальные изменения - там, где речь идёт об усвоении человеком знаний или об обработке материалов. Понятие движение включает в себя также переход из одного состояния в другое, например, из бытия в небытие [5].

Все механические движения Аристотель делит на три вида: круговые, естественные и насильственные. Круговое движение - это самое совершенное движение, присущее только небесному миру. Это движение вечно и неизменно, и причиной его является перводвигатель - бог, живущий за сферой неподвижных звёзд, где кончается материальная Вселенная. Свой основной принцип динамики Аристотель формулирует так: «Всё, что находится в движении, движется благодаря воздействию другого».

Аристотелем были заложены основы логико-диалектического метода познания – новое знание производится путем логических рассуждений. Истинность полученного знания доказывается отсутствием логических противоречий. Идеи Арис тотеля не потеряли своей актуальности и в наши дни. В частности, Аристотель так определял путь познания: от более известного и явного для нас – к более явному и известному с точки зрения природы вещей.

В средние века начался принципиально новый этап в развитии науки о Природе. Прочно утвердился экспериментальный метод познания, дав начало физике как науке.

Галилео Галилей. Основателем научного метода познания принято считать Галилея, который отверг существующие представление о том, что человеческий разум должен лишь непосредственно воспринимать знания из внешнего мира. Одна из главных научных заслуг Галилея заключается в том, что он впервые в своих исследованиях применил не просто опыт, а экспериментальный метод познания, соединив опыт с логикой и математикой. Галилей разработал экспериментальный метод изучения природы, где источником познания является только опыт. Экспериментальный метод предполагает исследование явлений природы в контролируемых и управляемых условиях.

(Г, Галилей, У. Гильберт).

В 1609 году Галилей сконструировал первый телескоп, состоящий из двух линз: плосковыпуклой – объектива и плосковогнутой – окуляра. Астрономические наблюдения позволили Галилею сделать целый ряд открытий, касающихся Луны, планет. Его знаменитая книга «Диалог» посвящена обоснованию гелиоцентрической системы мира [31,32].

Галилей выдвигает классический принцип относительности:

любое механическое явление во всех инерциальных системах отсчета протекает одинаково при одинаковых начальных условиях. Исследования Галилея явились началом развития нового раздела физической науки – динамики.

Галилео Галилей наметил основные черты количественного понимания природы. С Галилея начинается новый период, в котором физика оформилась в самостоятельную науку – одну из областей естествознания.

Фрэнсис Бэкон (1561-1626) основал индуктивную методологию научного исследования. Индукция получает знание из окружающего мира через эксперимент, наблюдение и проверку гипотез Исследовательский метод, разработанный Фрэнсисом Бэконом — ранний предшественник научного метода. Метод был предложен в сочинении Бэкона «Novum Organum» («Новый Органон») и был предназначен для замены методов, которые были предложены в сочинении «Organum» («Органон») Аристотеля. [111]. Ф.Бэкону принадлежат крылатые слова: «Знание есть сила, сила есть знание» [3]. Согласно Ф.Бэкону - Самое лучшее из всех доказательства есть опыт [23]. Ученый должен «как пчела по крупице собирать нектар опыта, чтобы получить из него новый, ценный и полезный как мед продукт - полезные знания, способные изменить мир для блага человека». [22] Современная физика совершила революционный скачок в познании окружающего мира. Впервые было осознано, что в основе Мироздания лежат объекты, которые принципиально ненаглядны, не соответствуют опыту чувственного восприятия человека.

В настоящее время впечатляющий прогресс современной физики, как и всего естествознания, в значительной степени обусловлен привлечением огромных ресурсов (людских, финансовых, материальных) для постановки физических экспериментов. Если раньше физикэкспериментатор собственноручно изготавливал устройства и приборы, необходимые для проведения эксперимента, то теперь ситуация в корне изменилась. Современные экспериментальные установки могут представлять собой огромные исследовательские комплексы, создание которых возможно только благодаря объединенным усилиям нескольких государств. Наиболее типичные примеры – Большой адронный коллайдер - $10 миллиардов долларов США [14], Международная Космическая Станция - 100 миллиардов евро[83].

1.3. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ МЕТОДЕ

Экспериментальный метод служит основой получения научных знаний в физике и предопределяет появление и развитие новых технических приложений. Существенным недостатком экспериментального метода, сдерживающим его применение, становится сложность его использования в современных условиях, что обусловлено необходимостью привлечения значительных ресурсов для реализации физического эксперимента. В этой связи следует рассмотреть роль информационных технологий в экспериментальном методе научного познания.

Современное общество принято считать информационным, подчеркивая тем самым роль информации в самых различных сферах человеческой деятельности. В сущности, процесс познания конечной своей целью имеет получение новой информации, расширение общемирового тезауруса человечества. Информационные технологии изменяют все остальные (традиционные) технологии, используемые в обществе. Это влияние можно проследить по следующим направлениям:

1. КОММУНИКАЦИИ. Это наиболее универсальный фактор влияния, позволивший очень оперативно обмениваться информацией всем участникам практически любых процессов в обществе. Если говорить о научно-исследовательской и образовательной деятельности, то следует отметить возможность работы в рамках распределенных проектов, когда его участники разбросаны по всем континентам.

2. БАЗЫ ДАННЫХ. Вычислительная техника существенно упростила и повысила эффективность хранения, обработки и передача информации. Этот фактор существенно влияет на жизнь общества, поскольку информационные процессы лежат в основе любой деятельности в обществе.

Информационное превосходство является важнейшим фактором, определяющим конкурентоспособность современного предприятия. В последнее время наметились тенденции перерастания этого фактора в фактор финансового и экономического могущества целых государств.

3. МОДЕЛИ. Сложность окружающего мира всегда вынуждала людей использовать упрощенные представления о нем, разрабатывать различные модели. Компьютерные модели ныне органично встраиваются в современные технологии физического исследования. Не менее важно применение информационных технологий в образовании, в частности, в обучении физике. Рассмотрим этот фактор более подробно.

Экспериментальная физика связана с множеством материальных объектов – экспериментальные установки, измерительные приборы, объекты исследования. Цель привлечения этих объектов – осуществление физического эксперимента в контролируемых условиях. Вычислительная техника, безусловно, также используется в физическом эксперименте. Если на начальном этапе компьютеры использовались в основном в составе регистрирующих и измерительных приборов, то теперь ситуация кардинально изменяется. Компьютерные модели вызвали к жизни компьютерные эксперименты, появился термин «Вычислительная физика».

Вычислительная физика в настоящее время достигал впечатляющих успехов и продолжает стремительно развиваться.

Так ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (Всероссийский Федеральный ядерный центр, Всероссийский НИИ экспериментальной физики) разработали более 400 программных комплексов для расчетов методом Монте-Карло, позволяющих осуществлять численное моделирование в трехмерной геометрии систем с большим количеством нейтронов малых энергий [104].

Прекращение ядерных испытаний ведущими державами обусловлено именно благодаря развитию информационных технологий в области физического эксперимента. Для успешного решения задач компьютерного моделирования необходимо выполнение, по крайней мере, следующих основных условий:

- глубокое знание физических процессов ядерного взрыва;

- разработка на этой основе математических программ, описывающих процесс ядерного взрыва боезаряда в трехмерном пространстве с наносекундным разрешением;

- наличие сверхбыстродействующих компьютеров (десятки миллиардов операций в секунду);

- наличие значительной по масштабам статистики о многочисленных параметрах ранее проведенных испытательных ядерных взрывов.

США еще в 70-е годы прошлого века начали разрабатывать методику компьютерного моделирования, хотя в ту пору существующие компьютеры, в силу своих недостаточных возможностей, могли обеспечить решение лишь отдельных элементов общей модели взрыва. В продвижении вперед проблемы моделирования определенную роль играла кооперация усилий ученых США, Англии, Франции. Так, при проведении последней серии ядерных испытаний на атолле Муруроа в 1996 году французские специалисты наряду с отработкой боеголовки для новой БРПЛ М-45 подводного ракетоносца "Триумфан" провели исследования, направленные на решение ряда вопросов компьютерного моделирования ядерного взрыва.

В настоящее время Россия в этом отношении уступает Соединенным Штатам [138]. Это объясняется, прежде всего, двумя основными причинами.

Во-первых, у России отсутствуют суперкомпьютеры с необходимым для моделирования быстродействием. До подписания Договора о взаимном запрещении ядерных испытаний США обещали поставить России суперкомпьютеры, необходимые ее специалистам для проверки безопасности ядерных боеприпасов. После подписания Россией Договора США предприняли жесткие меры экспортного контроля с расчетом воспрепятствовать продажу ей суперкомпьютеров.

Во-вторых, в периоды неоднократного объявления СССР и Россией моратория на ядерные испытания, начиная с 1986 года, российские ученые не имели возможности провести исследования этой проблемы. Наоборот США в этот период сосредоточили усилия на проведение испытательных ядерных взрывов, в том числе в целях решения ряда вопросов компьютерного моделирования [8].

Интересно отметить, что в данном случае натурные физические эксперименты (ядерные испытания) ставились в интересах построения компьютерных моделей.

Правительство США выделило компании IBM 93 млн.долларов на создание гигантского суперкомпьютера для лаборатории Lawrence Livermore Labs в Калифорнии, на котором будет реализована модель взрыва ядерной бомбы [76].

Таким образом, информационные технологии очень заметно влияют на развитие и содержание экспериментального метода в современной физике.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД В ОБУЧЕНИИ

ФИЗИКЕ

2.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ

В ШКОЛЕ

В преподавании физики экспериментальный метод играет очень важную роль. Без его использования невозможно добиться полноценного усвоения базовых знаний и тем более, невозможно сформировать предметные компетенции в области физики. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

ЭКСПЕРИМЕНТ (от лат. experimentum – проба, опыт) – научно поставленный опыт, наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий [13]. Экспериментальный метод – это научный метод, с помощью которого исследуются явления природы в контролируемых и управляемых условиях.

Отметим, что если раньше в качестве основной цели физического образования ставилось формирование у школьников глубоких и прочных знаний основ физики, то теперь на первое место выходит развитие и воспитание учащегося, его подготовка к выбору профессии, развитие творческих способностей, формирование мотивов учения [54,94]. Меняется сама парадигма образования. Учитель уже не является единственным источником знаний, главная его задача - организация познавательной деятельности школьников [54]. В познавательной деятельности школьников важнейшей составной частью является физический эксперимент. Именно физический эксперимент призван повысить познавательную активность учащихся, мотивировать их к изучению физики.

Физический эксперимент является мощным методом познания природы в исследовательском аппарате физики. Галилео Галилей заложил основы понимания того, что физика в основе своей - наука экспериментальная. Именно наблюдения и опыты являются основным источником знаний о природе физических явлений.

Изучая физику, учащиеся должны прийти к выводу, что основным критерием истины является опыт, эксперимент. При этом учащимся необходимо преодолеть известный психологический барьер.

Они привыкли много принимать на веру, для них много значат авторитеты. Учащиеся привыкли безоговорочно принимать и не подвергать сомнению слова учителя.

Формирование такого качества, как критическое отношение к любым утверждениям, является одной из важнейших целей изучения физики в современной школе. Этому служат различного рода эксперименты и лабораторные работы. Физический эксперимент учит школьников умению наблюдать и анализировать физические явления [18]. Важно подчеркнуть, что это умение универсально и распространяется и на другие сферы деятельности человека.

Экспериментальная деятельность учащихся носит творческий характер, что особенно справедливо для экспериментальных задач и внеклассных экспериментов.

Экспериментирование – это искусство. Упорным трудом можно достичь многого, но к подлинному знанию приходит только тот, кто проявляет самостоятельность, и каждый учитель физики должен стремиться развивать свой собственный стиль экспериментирования.

Не следует опасаться того, что иногда предложения учащихся могут быть ошибочными или учащиеся в чем-либо заблуждаются, и поэтому эксперимент сразу не удается. Ученики будут только учиться в этом случае на своих ошибках, и это разовьет у них самокритичность. Так в процессе обучения все больше и больше будет развиваться у учащихся самостоятельность и потребность в коллективной работе [34]..

В целом, можно отметить, что учебная деятельность в рамках школьного физического эксперимента содействует более глубокому изучению законов физики, а также способствует приобретению учащимися умений в области физического эксперимента.

2.2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ В КУРСЕ

ФИЗИКЕ

Развитие физической науки совершается на основе экспериментального метода, где критерием истины той или иной гипотезы является опыт, эксперимент. Среди огромного количества физических экспериментов особое место занимают основополагающие, фундаментальные эксперименты, определившие развитие физики на длительные периоды.

Изучение фундаментальных опытов позволяет познакомить с историей развития, становлением и эволюцией физической науки, с биографиями учёных и тем самым представить физику в контексте культуры. Кратко перечислим фундаментальные опыты, определившие развитие физической науки [100]

ТАБЛИЦА

Опыты Галилея по изучению движения тел. Мысленные эксперименты Галилея и закон инерции.

Открытие Ньютоном закона Всемирного тяготения.

Механика Опыт Г.Кавендиша по измерению гравитационной Опыт Штерна по измерению скорости движения молекул. Экспериментально и теоретически полуМолекулярная ченное распределение молекул по скоростям.

физика Опыты Бойля.

Опыты Джоуля по доказательству эквивалентности Опыты Кулона по электростатическому взаимодействию.

Опыты Рикке, Иоффе, Милликена, Мандельштама, Папалекси, Толмена, Стюарта, лежащие в основе электронной теории проводимости.

ЭлектродиОпыты Ома, позволившие установить закон постонамика Опыты Ампера, Эрстеда и Фарадея по электромагнетизму.

Опыты Герца по излучению и приёму электромагнитных волн.

Оптика Опыты Ньютона по дисперсии света.

Опыты Физо по лабораторному измерению скорости света.

Измерения скорости света Ремера по астрономическим наблюдениям.

Экспериментальное изучение теплового излучения.

Опыты А.Г.Столетова и Г.Герца по изучению явления и законов фотоэффекта.

Квантовая Опыты П.Н.Лебедева по измерению давления свефизика та.

Опыты Майкельсона-Морли по изучению аддитивных свойств скорости света.

Опыты Вавилова-Черенкова по изучению движения элементарных частиц со сверхсветовой скоростью.

Опыты по замедлению темпа времени в системе ототносительности счета элементарных частиц, движущихся с субсветовой скоростью.

Экспериментальная деятельность усиленно продолжается и в современной физике. Возможно, к фундаментальным будут причислены эксперименты на Большом Адронном Коллайдере (LHC) с использованием Зонда SNAP и Гамма-лучевого Широкозахватного Космического Телескопа (GLAST), которые должны дать новые факты, способствующие определению природы "темной материи" и "темной энергии" [26].

2.3. ВИДЫ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальный метод в обучении физике реализуется в различных видах. Перечислим эти виды [81,56]: демонстрационный эксперимент, лабораторные работы, физический практикум, внеклассные экспериментальные работы учащихся.

Хорошавин С.А. выделяет следующие виды физического эксперимента [127]: Демонстрационный эксперимент, фронтальные лабораторные работы, работы физического практикума, экспериментальные задачи, внеклассные физические опыты.

Здесь добавляются экспериментальные задачи, но в целом, систематика физического эксперимента остается прежней. Этой же классификации придерживается Каменецкий С.Е. и др. [56] Каменецкий С.Е. указывает, что школьный физический эксперимент не есть что-то застывшее, данное, он развивается, причем разными путями. Специально отмечается, что компьютерный эксперимент можно рассматривать как один из видов учебного физического эксперимента и в отличие от аудиовизуальных средств он позволяет варьировать условия эксперимента, производить расчеты, решать экспериментальные задачи. Компьютерный эксперимент может быть как демонстрационным, так и лабораторным, но в любом случае он должен сочетаться с натурным. В противном случае применение компьютерного эксперимента может оказать негативное воздействие на качество обучения физике.

Некоторые исследователи выделяют и большее число видов физического эксперимента 1) демонстрационные опыты;

2) фронтальные лабораторные занятия; 3) фронтальные лабораторные опыты; 4) физический практикум; 5) внеклассные опыты и наблюдения; 6) мысленный учебный эксперимент; 7) техническое моделирование и конструирование.

Предложенная классификация возможно излишне детализирована. В частности, фронтальные лабораторные работы и фронтальные лабораторные занятия предполагают коллективную работу над одинаковыми заданиями, то есть различие между ними довольно слабое.

Мысленный учебный эксперимент, возможно лучше было бы отнести к физической задаче, а не к эксперименту. Техническое моделирование и конструирование вероятнее всего попадает во внеклассную работу по физическому экспериментированию. В то же время исключен такой вид как экспериментальные задачи, что, как нам представляется, приводит к неполноте классификации видов физического эксперимента.

Разработка программного обеспечения ЭВМ по трехмерному моделированию и резкое возрастание производительности вычислительных систем позволили уже сейчас разработать различные тренажеры (автомобильные, авиационные, судовые и др.), представляющие собой комплексы компьютерных программ, очень точно моделирующих заданную предметную область. Эти компьютерные модели воссоздают виртуальную реальность, действия в которой позволяют существенно повысить эффективность обучения персонала, особенно в критических ситуациях.

Современное состояние взаимодействия в системе «человек – компьютер» находится в неудовлетворительном положении, и, поэтому, предлагаются новые методы человеко-машинного интерфейса.

Предполагается появление других элементов управления, использующих не только зрение, но и слух, речь, осязание и даже обоняние. На этом подробнее мы остановимся в дальнейшем. Очевидно, что создание виртуальных миров учебного назначения еще больше увеличивает значение компьютерного эксперимента в обучении физике.

В связи с этим нам представляется разумным дополнить классификацию видов физического эксперимента и явно включить в нее компьютерный эксперимент:

1. Демонстрационный эксперимент;

2. Фронтальные лабораторные работы;

3. Работы физического практикума;

4. Экспериментальные задачи;

5. Внеклассные физические опыты;

6. Компьютерные эксперименты.

Далее, исходя из степени самостоятельности выполнения физического эксперимента, мы предлагаем следующую их классификацию.

1. Эксперименты, выполняемые учителем.

1.2. Компьютерные демонстрации.

2. Эксперименты, выполняемые учащимися 2.1. Лабораторные работы 2.2. Физический практикум 2.3. Экспериментальные задачи 2.4. Внеклассные эксперименты 2.5. Компьютерные эксперименты Если говорить об экспериментальных работах учащихся, то их можно подразделить на три типа: качественные, количественные и творческие [24]. Первые два охватывают лабораторные работы, физический практикум, внеклассные эксперименты. Третий представляет собой экспериментальные задачи, которые могут охватывать внеклассные и компьютерные эксперименты.

Компьютерные эксперименты представляют собой эксперименты над учебными моделями физического явления, процесса или объекта. Более подробно на моделировании мы остановимся в дальнейшем. Пока же отмети, что моделирование предлагается и для разработки самих физических экспериментов [112]. Согласно Суербаеву А.Х. в организации учебного процесса в качестве можно использовать метод математического моделирования. В результате будут сконструированы объекты и модели, которые затем исследуются различными дидактическими методами. Для разработки нового физического эксперимента предлагается использовать математическое моделирование этого процесса. Как видно из рис.2.3.1, в результате итерационного процесса будет получен оптимальное построение физического эксперимента, который затем внедряется в учебный процесс.

Рис. 2.3.1. Моделирование физического эксперимента.

2.4. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Демонстрационный эксперимент представляет собой систему опытов, позволяющую показать явления природы, исследовать связи с другими явлениями и на этой основе сформировать новое понятие или сделать обобщение на уровне закона природы.

Демонстрация экспериментов является необходимым дополнением к теоретическому материалу. Демонстрация должна иметь определенную цель и должна быть органично связана с изучаемым материалом. Демонстрационные опыты должны быть ясными, убедительными, четко поставленными, для чего необходимо придерживаться техники постановки демонстраций.

При постановке демонстрации необходимо выполнение следующих требований.

1. Соблюдение техники безопасности. Это требование относится к постановке любых физических экспериментов, а не только демонстраций. Особое внимание следует уделить пожарной и электробезопасности. Опасность поражения электрическим током отличается от многих прочих опасностей тем, что человек не в состоянии без специальных приборов обнаружить ее на расстоянии и принять меры по ее предупреждению. Статистика электротравматизма в России показывает, что смертельные поражения электрическим током составляют 2,7% от общего числа смертельных случаев, что непропорционально много относительно травматизма вообще [119].

Крайне важно соблюдение мер по пожарной безопасности. Общие правовые, экономические и социальные основы обеспечения пожарной безопасности в Российской Федерации определяет Федеральный закон №69-ФЗ от 21.12.1994 г. [120].

Подробный перечень правил по технике безопасности при выполнении физических опытов в школе приведен в работе Каменецкого С.Е. [56] 2. Приборы, используемые в демонстрации должны быть исправными и соответствовать требованиям, определяемым спецификой школьного учебного процесса. Например, школьный вольтметр и вольтметр для заводской лаборатории должны отличаться по характеристикам – размеры, внешнее оформление, электрические параметры и т.п.

3. Преподаватель должен хорошо знать назначение и основные характеристики приборов, владеть практическими приемами работы с приборами.

4. Приборы, используемые в демонстрации должны отвечать принципам наглядности. В частности, следует учитывать масштабные эффекты – все важнейшие детали должны быть хорошо видны учащимся (открытые механизмы, прозрачные корпуса, цветные провода и т.п.). Следует большое внимание уделить размещению приборов, их освещению (подсветке), размещению фоновых экранов, зеркал.

5. Необходимо учитывать и внешние условия. Например, для успешности проведения опытов по электростатики большое значение имеет влажность воздуха в помещении.

6. Если демонстрируемый физический эффект слабый, то необходимо принять меры по усилению его интенсивности. Для этой цели применяют различные виды проецирования, трансформаторы, усилители слабых сигналов, электронные осциллографы и т.п.

Еще раз отметим, что педагогическую ценность имеют лишь те демонстрации, которые не только эффективны в техническом отношении, но и отчетливо видны со всех мест класса.

Приведем 10 требований, которые необходимо выполнить для соблюдения требования отчетливой видимости демонстрации [81].

1) На демонстрационном столе должна находиться только одна установка, которая используется в данный момент.

2) Отдельные части установки следует размещать на различных высотах с тем, чтобы различные части установки не загораживали друг друга.

3) Для усиления освещенности демонстрируемой установки следует использовать подсветку – направленную (лампа с рефлектором) или рассеивающую (прозрачный экран с подсвечиванием). При демонстрации оптических явлений использовать затемнение помещения.

4) При демонстрации явлений, происходящих в одной плоскости, необходимо, чтобы эта плоскость была перпендикулярна лучу зрения учащихся. При необходимости можно использовать зеркала.

5) При демонстрации физических явлений, непосредственно не воспринимаемых органами чувств, широко применяются различные индикаторы.

6) Видимость демонстрационной установки или отдельных приборов значительно улучшается при подборе фона, на котором рассматривается демонстрационная аппаратура. Для этой цели использую белые и черные экраны.

7) При демонстрации явлений, происходящих в бесцветных средах, например в бесцветных жидкостях, последние подвергаются окрашиванию.

8) Если демонстрируемый прибор или установка в целом, имеют горизонтальное положение, то для лучшей их видимости используют большое плоское зеркало расположенным под углом 45 градусов к плоскости размещения прибора. Если прибор вращается в горизонтальной плоскости, например магнитная стрелка, то на различные его части наклеивают разноцветные флажки.

9) Если при демонстрации опытов происходят изменения положения тел или изменения уровней, объемов, высот, длин, то можно воспользоваться различными отметками, стрелками, проставленными масштабами и т.д.

10) В тех случаях, когда ни одно из перечисленных средств не дает возможности обеспечить хорошую видимость, применяют различные виды проецирования.

К этому можно добавить, что использование компьютерных технологий привело, помимо всего прочего, к появлению нового индикаторного прибора – компьютера. В частности, на экране легко реализовать отображение значений физической величины как текстовом, так и в графическом режиме. Для этой цели обязательно использование видеопроекторов или плазменных панелей с размерами изображения не менее 1 квадратного метра.

Важным видом демонстрации является показ видеофильмов.

Учебные кинофильмы доказали свою полезность, правда с оговорками, что использование кинофильмов должно быть строго дозировано и дидактически обосновано. Компьютерные технологии позволяют заметно упростить процедура показа видеофильма. Во внешней памяти компьютера легко хранить огромные видеобиблиотеки, ориентировочный совокупный размер которых может достигать 2000 часов воспроизведения.

Видимо открытым остается вопрос о частоте использования видеодемонстраций. Оптимальным считается систематический показ по 3-4 раза в неделю. При более редком, эпизодическом использовании видеофрагментов проявляется эффект отвлечения внимания учащихся технической реализацией видеопоказа - учащиеся отвлекаются, возбуждаются, что влияет на устойчивое внимание и мешает целостному восприятию видеоматериала. [102].

Большой видеофильм, занимающий по времени большую часть урока, находит ограниченное применение. Более приемлемым представляется использование относительно коротких видеофрагментов.

В этой связи отметим «фрагментарный подход», предложенный Разумным Д.В. который позволяет получить независимость от методики подачи учебного материала [102]. В этом случае из видеодемонстрации исключены обобщения и выводы. Необходимые обобщения и выводы учитель может формировать самостоятельно, гибко реагируя на состояние аудитории, а может построить урок так, чтобы учащиеся самостоятельно приходили к определенным выводам, после просмотра видеодемонстрации.

2.5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ Фронтальные лабораторные работы – это реализация экспериментального метода в форме учебного физического эксперимента в лабораторных условиях, обычно в кабинете физики, сразу всем классом по одной теме с одним и тем же комплектом оборудования под руководством учителя.

Ввиду кратковременности лабораторной работы (в пределах одного урока) необходимо провести тщательную предварительную подготовку – составить план работы, подготовить раздаточный учебнометодический материал с необходимыми исходными данными. Учащиеся заранее должны быть ознакомлены с темой и планом лабораторной работы с тем чтобы целенаправленно повторить теоретический материал.

Как правило, лабораторные работы выполняются звеньями по два человека. Состав звеньев известен ученикам заранее.

Фронтальный метод лабораторных занятий по физике позволяет тесно связать лабораторные работы учащихся с изучаемым курсом физики. Лабораторные работы позволяют органично перейти от демонстрационных опытов учителя к самостоятельно выполняемыми учащимися работами в физических практикумах.

Специфика фронтальных лабораторных работ позволяет использовать их в самых различных учебных ситуациях.

Благодаря фронтальному методу лабораторные занятия могут быть поставлены как введение к той или иной теме курса физики, или как иллюстрация к объяснению учителя, или как повторение и обобщение пройденного материала, или как контроль приобретенных знаний, умений и навыков.

Фронтальные работы позволяют включить в поиски решения той или иной задачи одновременно весь класс, что в значительной степени активизирует мыслительную и практическую деятельность учащихся [19].

Выполняя лабораторные работы учащиеся приобретают умения практического использования измерительных приборов, устройств, механизмов и других составных частей экспериментальной установки.

Фронтальный метод предполагает коллективную работу всего класса в рамках одной лабораторной работы. Различные ошибки в действиях учащихся могут быть быстро исправлены с помощью учителя или других учащихся. Эти особенности лабораторных работ позволяют считать, что их нельзя подменить другими видами физического эксперимента, в частности физическим практикумом.

Лабораторные работы выполняются на учебном оборудовании фабричного производства. Однако, допустимо применение и самодельных приборов, что имеет свои преимущества. Гирке Р. и Шпрокхоф Г. указывают, что применение упрощенных учебных пособий имеет и свое педагогическое преимущество. Эксперимент, проведенный с простыми приборами, более доходчив и убедителен, а значит и педагогически более целесообразен [35].

По завершении лабораторной работы возможно коллективное обсуждение и оценка результатов, полученных каждым звеном учащихся.

2.6. ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ Если лабораторные работы больше ориентированы на коллективное исследование под руководством учителя, то работы физического практикума гораздо сильнее опираются на самостоятельные действия учащихся.

В физической лаборатории учащиеся не только проверяют известные законы физики, но и обучаются работе с физическими приборами, овладевают навыками экспериментальной исследовательской деятельности, учатся грамотной обработке результатов измерений и критическому отношению к ним. [133] Физический практикум представляет собой физические эксперименты, выполняемые учащимися в завершение каких-либо разделов курса физики, либо в завершение курса в целом. Работы физического практикума выполняются индивидуально и достаточно изолированно, в отличие от фронтальных лабораторных работ. В этом случае степень самостоятельности учащихся выше. Лабораторное оборудование для физического практикума более сложное и имеется в единичных экземплярах в отличие от фронтальных лабораторных работ. По этой причине разные звенья выполняют в одно и то же время разные работы физического практикума.

Работы физического практикума обычно имеют большую длительность, чем лабораторные работы. К моменту начала конкретной работы физического практикума учащиеся должны владеть соответствующими начальными навыками экспериментальной работы, полученными при выполнении фронтальных лабораторных работ. Из этого следует, что физический практикум должен выполняться после лабораторных работ. Возможно также параллельное выполнение, но все же после тех лабораторных работ, где будут сформированы нужные экспериментальные навыки.

Индивидуальный характер работ физического практикума (1- человека) предъявляет повышенные требования к степени самостоятельности действий учащихся, умению находить пути выхода из затруднительных положений, поиска ошибок в своих действиях. В этой связи можно сказать, что физический практикум сильно ориентирован на формирование ключевых и предметных компетенций учащихся.

2.7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ Экспериментальные задачи могут представлять собой творческое задание на постановку физического эксперимента.

Экспериментальные задачи отличаются отсутствием алгоритма достижения цели. Учащемуся предоставляется некий набор оборудования, которое можно использовать в эксперименте, сформулирована конечная цель, однако не даны четкие однозначные инструкции, следуя которым можно было бы добраться до конечной цели. [24].

При решении экспериментальной задачи учащиеся вынуждены самостоятельно искать пути ее решения, детально разрабатывать план действий, подбирать нужные приборы. Если нет подходящих приборов, то найти пути нестандартного их использования. В некоторых случаях учащимся, возможно, придется самостоятельно изготовить из имеющихся предметов и материалов измерительные приборы или необходимые части и узлы экспериментальной установки.

Один из важнейших вопросов, на который должен ответить экспериментатор – как добиться нужной точности измерений? Экспериментальные задачи и здесь предполагают поиск нетривиальных путей решения. Проще всего взять высокоточный измерительный прибор (прецизионные весы, микровольтметр и т.п.), а если его нет? Учащийся сталкивается с заданием, где потребуется мобилизация всего творческого потенциала, всевозможных знаний и умений из самых различных разделов физики. Нужная точность измерений достигается не за счет простого использования высокоточных приборов, а за счет разработки и применения достаточно эффективного метода измерения.

С точки зрения выявления одаренных учащихся, проявляющих интерес к изучению физики, большое значение имеют физические олимпиады. Экспериментальные задачи предполагают, что в условиях ограниченного времени и ограниченных экспериментальных возможностей учащиеся найдут оптимальное решение, которое позволит с максимально возможной точностью измерить нужные параметры или найти неизвестные зависимости. В условиях олимпиады учащиеся вынуждены проявлять свою изобретательность, находчивость, аккуратность и целеустремленность. [24].

Рассмотрим пример. [24]. При помощи небольшой гирьки (100г) и миллиметровой бумаги определить силу, необходимую для обрыва нити (2-3 м).

Прямое измерение невозможно, так как веса гири недостаточно для обрыва нити. Далее следуют проекты решения – сбрасывание привязанной гирьки с некоторой высоты, резкий рывок в горизонтальном направлении, вращать гирьку на нити – при определенном значении центробежной силы нить оборвется. Отметим, что с точки зрения требований техники безопасности последний метод совершенно неприемлем. В результате поисков предложено использовать разложение сил. Гирька подвешивается к середине нити, которая растягивается в стороны. Можно измерить угол и провести вычисления 2T cos = mg, где T- сила натяжения нити при ее обрыве (рис. 2.7.1.).

Рис.2.7.1. К измерению силы обрыва нити.

Остановимся еще на одном аспекте использования экспериментальных задач. Творческий характер экспериментальных задач требует осторожности в их выборе, тщательной дозировки объема требований к учащимся.

Уровень сложности учебных заданий должен соответствовать уровню способностей обучаемого. Исследования показывают, что слишком сложная задача снижает мотивацию деятельности. Кроме того, эта деятельность, должна вовлекать разумное количество умений и навыков учащихся. Например, исследователями было выявлено, что работа, требующая исключительно широкого разнообразия умений, может оказывать разрушительное действие на работающих [108]. Закон Йеркса-Додсона гласит, что есть оптимум мотивации, после которого эффективность деятельности снижается. [15].

По нашему мнению именно экспериментальные задачи в наибольшей степени способны организовать среду с высоким мотивационным потенциалом. Согласно модели трудовой мотивации Р.Хекмана и Г.Олдхэма очень важно развивать внутреннюю мотивацию деятельности. Существуют три психологических состояния, определяющих высокий уровень внутренней мотивации человека:

1) значимость работы;

2) ответственность 3) результативность.

Если работа организована так, что вызывает все три психологических состояния, то результаты работы, удовлетворенность и мотивация будут максимально высоки, даже если работа не подкрепляется внешними стимулами, например не оплачивается. То есть речь идет о внутренней мотивации, мотивации, которая не контролируется извне, а проистекает из самого процесса [108].

Бордовская Н.В. и др считает, что для этого задачи, предложенные человеку должны иметь следующие пять характеристик:

1) работа предполагает привлечение различных способностей и умений человека (набор знаний, умений и навыков);

2) если человек видит целесообразность работы и знает, как его работа связана с другими этапами и как качество ее исполнения повлияет на весь процесс (определенность заданий).

3) если работа представляет значимость для него, других, а может быть, для всего общества в целом (значимость заданий);

4) если работа предоставляет определенную свободу, независимость, возможность действовать по своему усмотрению, планируя и определяя способы ее выполнения (самостоятельность);

5) если выполнение этой работы сопровождается получением прямой и ясной информации относительно эффективности работы (обратная связь).

Подытоживая, отметим, что экспериментальные задачи в наибольшей степени способствуют реализации и развитию творческих способностей учащихся, формированию их ключевых и предметных компетенций, но их подбор должен достаточно точно учитывать возможности учащихся. При несоблюдении этого требования экспериментальные задачи могут дать отрицательный эффект для учащегося в области изучения физики.

ВНЕКЛАССНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ

УЧАЩИХСЯ

Эти эксперименты выполняются на занятиях предметных школьных кружков (физических, физико-технических, радиотехнических и т.д.), на школьных конференциях, дома. На предметных кружках реализуются три главных направления внеклассной работы – образовательное, конструктивно-техническое и учебноисследовательское [55].

Важную роль играют домашние экспериментальные работы. В этом случае, учащиеся самостоятельно помимо собственно постановки физического эксперимента еще и изготавливают из подручных материалов все необходимые компоненты экспериментальной установки, что самым благотворным образом сказывается на развитии их творческой инициативы, на более глубокое постижение физических законов.

Рассмотрим такой пример. Пусть для проведения эксперимента требуется миллиамперметр постоянного тока. Где его взять школьнику? В домашних условиях этот измерительный прибор можно изготовить из обычного компаса, намотав поверх него 300-400 витков тонкого медного провода, образовав некое подобие соленоида. При этом магнитное поле Земли пытается вернуть стрелку компаса в исходное состояние, а магнитное поле соленоида будет отклонять стрелку от начального положения. Угол отклонения будет почти пропорционален силе тока через соленоид. Из подобного миллиамперметра можно далее изготовить вольтметр, подключив добавочные сопротивления, изготовленные из карандашных графитовых стержней или закрашенных карандашом картонных полосок. Разумеется, эти приборы будут грубыми и малочувствительными, но для многих применений этого окажется достаточно.

С точки зрения изучения физики следует отметить, что школьнику придется на эмпирическом, а возможно и на теоретическом уровне, реально, на эксперименте использовать множество физических законов, которые будут выступать перед ним не в форме некоторых абстрактных построений, а в форме практически действенных методов, позволяющих решить весьма значимую для школьника задачу.

Описание различных самодельных приборов приведено, например, в работах [50,36]. Огромное количество самодельных приборов и устройств приведено в шеститомном труде Гирке Р. и Шпрокхофа Г.[35]. Домашние экспериментальные задания, предназначенные для школьников 7-9 классов приведены в книге Шилова В.Ф. [131].

2.9. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ Моделирование физических процессов с помощью средств вычислительной техники позволяет по-новому взглянуть на методику проведения учебного физического эксперимента.

Под компьютерным экспериментом мы будем понимать работу учащихся с учебной компьютерной моделью - программным обеспечением ЭВМ учебного назначения, моделирующим изучаемый физический процесс, явление или объект с дидактически обоснованной степенью полноты и позволяющим управлять моделью с нужной степенью детализации.

Далеко не каждый натурный эксперимент можно провести, тем более в учебных целях. Эти ограничения определяются различными факторами.

1) Ограничения по масштабности объектов – движение планет в солнечной системе, геологические и общепланетарные явления и т.д.

В этом случае использование натурных экспериментах невозможно.

2) Энергетические – высокие интегральные или удельные энергетические характеристики могут сделать эксперимент практически неосуществимым. Например, необходимость создания элементарных частиц с высокой энергией требует создания гигантского ускорителя, наподобие адронного коллайдера, что не могут себе позволить даже крупнейшие государства.

3) Экологические – любые масштабные эксперименты со средой обитания следует считать опасными и нежелательными. В частности, отказ многих государств от проведения натурных экспериментов по неуправляемому термоядерному синтезу обусловлен, в том числе, и этим фактором.

4) Финансовые ограничения – высокая стоимость может воспрепятствовать проведению натурного эксперимента.

5) Социальные (политические, религиозные, моральные, этические и т.п.) факторы также могут воспрепятствовать постановке натурного эксперимента. Например, эксперименты разрушающего характера с христианскими реликвиями, артефактами.

Учебные эксперименты находятся в еще более жестких рамках.

В этом случае накладываются еще и дидактические требования, которые приведены при рассмотрении предыдущих видов учебного физического эксперимента.

В этой связи, эксперименты с компьютерными моделями дадут несомненный положительный эффект. Следует подчеркнуть, что компьютерные эксперименты не подменяют, а дополняют натурные эксперименты.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ПОЗНАНИЯ И

ОБУЧЕНИЯ

Моделирование занимает чрезвычайно важное место, как в развитии физической науке, так и в обучении физике. В этой главе рассматриваются основные особенности применения моделирования в обучении физике.

3.1. ГНОСЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

КАК МЕТОДА ПОЗНАНИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА

Гносеология рассматривает модель в рамках теории отражения.

Здесь модель может выступать либо как форма отражения материального мира человеком, либо как его средство. Понятие моделирования является гносеологической категорией, характеризующей один из важных путей познания. Возможность моделирования, т. е. переноса результатов, полученных в ходе построения и исследования моделей, на оригинал, основана на том, что модель в определённом смысле отображает (воспроизводит, моделирует) какие-либо его черты.

С этой точки зрения, модели – это формы и механизмы отражения в человеческом сознании, где отражение понимается в его гносеологическом плане. Выполняя функцию отражения внешнего мира в сознании людей, модели, по мнению материалистов, отражают действительность в форме идеальных, мысленных и воображаемых моделей, т.е. в форме определенных образов психических по форме, но гносеологических по своему назначению. Так как по содержанию эти образы имеют отношение к внешнему миру, то модели отображают его. Таким образом, мысленные модели являются, по мнению материалистов, специфическими познавательными образами [132].

Понятие гносеологического образа охватывает не только индивидуальное сознание, но и общественное, и не только сознание, но и предметную деятельность, поэтому предполагает также учет и средств реализации, воплощения и сохранения информации, которая накапливается обществом. Так, полотна художников или произведения скульпторов являются образами действительности, причем образами, которые уже запечатлены в художественных произведениях, а не только существуют в сознании художника. Тюхтин В.С. рассматривает образ как форму модели-сигнала. Здесь понятие модели используется для познания природы психического образа [115].

Однако, принимая во внимание ограниченность модели, можно рассматривать модели как специфические образы, сходные по своему содержанию с моделируемыми объектами. Здесь отражательная функция мысленных моделей состоит в том, что они выступают как мысленные копии, упрощенные картины соответствующих объектов [132].

Стремление понять и объяснить неизвестное, новое явление при помощи сопоставления, сравнения с хорошо известными знакомыми фактами, явлениями, процессами и поиски сходства между теми и другими свойственны людям и в повседневной жизни. С другой стороны, в философской литературе иногда оспаривается правомерность постановки вопроса о моделях как гносеологических образах. Критикуя эту точку зрения, А.А. Зиновьев считает, что такое понимание моделей неоправданно сужает класс моделей, дает повод к смешению общих понятий гносеологии и понятий, специфических для моделирования [49].

Действительно, проблема рассмотрения моделей как некоторых познавательных образов иногда приводит к подмене понятий, особенно если речь идет о гуманитарных исследованиях. Рассматривая модель как один из основных методов познания в естественных науках, исследователи связывают его с понятием эксперимента. Штофф определяет эксперимент как вид деятельности, предпринимаемый в целях научного познания, открытия объективных закономерностей и состоящий в воздействии на изучаемый объект посредством специальных инструментов и приборов [132]. Основываясь на понятии эксперимента, В.Штофф определяет моделирование как эксперимент, в котором используются действующие модели. Здесь выявляется основное, различие между моделированием в гуманитарных и естественных науках.

В естественных науках накопление знаний существенным образом опирается на идею экспериментальной проверки теории. В гуманитарных же науках эксперимент как таковой чаще всего не дает ожидаемых результатов в виде приобретения новых знаний об объекте исследования. Это обусловлено, прежде всего, спецификой изучаемых в гуманитарных науках объектов, к которым относятся человек, общество, культура. Естественно, что исследователь ограничен в своих возможностях манипулировать этими объектами исследования. В связи с этим в социогуманитарных науках основной стратегией исследования является интерпретативная практика. Но это не означает невозможность использования моделей в гуманитарных науках, это только подчеркивает специфическое отличие данных моделей [57].

В естественных науках модель часто строится для проведения экспериментов, и это обусловлено тем, что эксперименты невозможны с реальным объектом исследования. Интерпретационная модель в гуманитарном исследовании строится для того, чтобы упростить реальный объект и определить существенные факторы, оказывающие на него влияние с целью объяснения явления или процесса и включения его в общую теорию. Такое различие между моделями в естественных и гуманитарных науках не является категорическим, что не исключает возможность построения экспериментальных моделей в исследованиях, например, общества или интерпретационных моделей на первых этапах исследований в физике [57].

Важной проблемой в гуманитарных науках является проблема субъективности социогуманитарного знания. Здесь речь идет о включенности исследователя в объект исследования и о позиции, которую он занимает в ходе исследования. Использование моделирования в этом случае позволяет на начальном этапе исследования определить данную позицию. При моделировании включение исследователя в исследовательскую модель происходит уже на этапе экстраполяции полученных данных на реально происходящие процессы, что позволяет увеличить объективность полученных при моделировании знаний [74].

Необходимо отметить, что уже в настоящее время существует ряд моделей, которые успешно применяются в социальных науках.

Все чаще предпринимаются попытки использования кибернетических моделей. Например, имитационное моделирование, метод анализа и прогнозирования развития системы с помощью имитационной модели. Кроме имитационного моделирования, в социогуманитарных знаниях в качестве успешных примеров использования моделей можно привести: модели формирования общественного мнения при наличии в обществе двух и более групп с различными мнениями; нелинейные модели, позволяющие проводить математическую проверку курса проведения реформ; модели с конкурентными распределениями и с распределением Гаусса, и др. [57].

Модели социальных и культурных явлений и процессов отличаются прежде всего тем, что объектом моделирования в данной ситуации выступают чаще всего явления и процессы, влияние на которые оказывает очень большое число факторов. В связи с этим при моделировании таких систем мы рискуем упустить существенные из них или получить такую громоздкую модель, которая не позволит нам интерпретировать ее в рамках заданной нами системы исследования.

Безусловно, стремительное развитие современной науки и техники дает все новые возможности, в частности, современные суперкомпьютерные системы, которые могут оперировать одновременно огромным числом данных. В связи с этим проблема операциональности модели снимается, но остается проблема, связанная с самим процессом моделирования, ведь прежде чем создать любую модель - материальную, кибернетическую - исследователь должен построить модель мысленно. Если в естественных науках основная цель моделирования – это проведение экспериментального исследования, то в социогуманитарной области знания – это возможность интерпретации сложного явления или процесса [74].

Таким образом, можно отметить, что моделирование все реже и реже рассматривается исследователями как процесс построения механистических теорий и перевода исследуемых явлений в логику механики и элементарных законов физики, в целях упрощения описания сложных явлений и процессов.

а ведь именно механистическое понимание моделирования препятствует его развитию и использованию во многих социогуманитарных науках. Такой подход к моделированию уже давно исчерпал себя как ограничивающий возможности моделей в познании [57].

Для прямого эксперимента характерно теоретическое обоснование – выдвижение гипотезы, уточнение границ исследования, преобразование общетеоретических положений к совокупности экспериментально определяемых физических величин. По завершении прямого эксперимента выполняется теоретический анализ и интерпретация полученных результатов.

Для модельного же эксперимента, помимо этого, необходимо ответить на вопрос – существуют ли отношения подобия между моделью и объектом моделирования, можно ли переносить на объект результаты, полученные в результате моделирования?

Штофф В.А. указывает, что теоретической основой модельного эксперимента, главным образом в области физического моделирования, является теория подобия. Она дает правила моделирования для случаев, когда модель и натура обладают одинаковой (или почти одинаковой) физической природой [132].

Научно-технический прогресс расширяет сферу применения метода моделирования. Если на начальном этапе в основном рассматривался круг механических явлений, то последующие этапы характеризуются все большим применением математических моделей, которые преодолевают ограничения возможностей предметного моделирования. В математическом моделировании основой соотношения модель - объект является такое обобщение теории подобия, которое учитывает качественную разнородность модели и объекта, принадлежность их разным формам движения материи. Такое обобщение принимает форму более абстрактной теории изоморфизма систем Остановимся еще на терминологических вопросах, связанных с моделированием. В обсуждениях, посвященных гносеологической роли и методологическому значению моделирования, термин «моделирование» употреблялся как синоним познания, теории, гипотезы и т.п. Например, часто модель употребляется как синоним теории в случае, когда теория еще недостаточно разработана, в ней мало дедуктивных шагов, много неясностей. Иногда этот термин употребляют в качестве синонима любой количественной теории, математического описания.

Штофф В.А., не соглашаясь с таким мнением, указывает, что такое словоупотребление не вызывает никаких новых гносеологических проблем, которые были бы специфичны для моделей [132]. Согласно Фролову И.Т. существенным признаком, отличающим модель от теории, является не уровень упрощения, не степень абстракции, и следовательно, не количество этих достигнутых абстракций и отвлечении, а способ выражения этих абстракций, упрощений и отвлечении, характерный для модели [124]. В этом смысле модель - не теория, а то, что описывается данной теорией - своеобразный объект данной теории.

При моделировании происходит отображение свойств оригинала, при этом такое отображение (и связанная с ним идея подобия) основано, явно или неявно, на точных понятиях изоморфизма или гомоморфизма (или их обобщениях) между изучаемым объектом и некоторым другим объектом «оригиналом» [10].

Изоморфизм и гомоморфизм (от греч. isos – одинаковый, homous-подобный и morphe – форма) – понятия, характеризующие соответствие между структурами объектов. Две системы, рассматриваемые отвелеченно от природы составляющих их элементов, являются изоморфными друг другу, если каждому элементу первой системы соответствует лишь один элемент второй и каждой связи в одной системе соответствует связь в другой и обратно. Такое взаимооднозначное соответствие называется изоморфизмом. Например, соответствие между геометрической фигурой и ее аналитическим выражением в виде формулы.

Гомоморфизм отличается от изоморфизма тем, что соответствие объектов (систем) однозначно лишь в одну сторону. Поэтому гомоморфный образ есть неполное, приближенное отображение структуры оригинала. Таково например, отношение межу картой и местностью [122].

3.2. ПРОБЛЕМА ИСТИННОСТИ МОДЕЛИ Поскольку модель, представляет собой искусственный объект, упрощенно отражающий бесконечно сложный объект реальной действительности, то возникает вопрос – какую роль играет само моделирование, в процессе доказательства истинности и поисков истинного знания. Что следует понимать под истинностью модели? Истинность вообще - соответствие наших знаний объективной действительности [132]. Тогда истинность модели означает соответствие модели объекту, а ложность модели - отсутствие такого соответствия. Такое определение является необходимым, но недостаточным. Необходимо учесть ограничения, в рамках которых модель того или иного типа отражает изучаемый объект. Например, в математическом моделировании реального объекта, основанном на физических аналогиях, вполне допустимо существенное различие физических процессов в модели и моделируемом объекте. Однако при этом математическое описание этих процессов должно быть тождественным. То есть в математической модели выражаются их основные закономерности на более общем, более абстрактном уровне.

Модель всегда менее содержательна по сравнению с реальным объектом, что делается по принципиальным соображениям. Исследователь сознательно отвлекается от некоторых сторон, свойств и даже отношений в моделируемой системе. Этим предопределяется отсутствие полного сходства между моделью и моделируемым объектом.

Вообще в модели реализованы двоякого рода знания:

- знание самой модели (ее структуры, процессов, функций) как системы, созданной с целью воспроизведения некоторого объекта;

- теоретические знания, посредством которых модель была построена.

Истинность - свойство знания, а объекты материального мира не истинны, не ложны, они просто существуют [132].

Материальные модели создаются с целью изобразить, воспроизвести некоторые черты, свойства реального предмета. Истинность присуща материальным моделям по следующим причинам:

1) наличию их связи с определенными знаниями;

2) наличию или отсутствию изоморфизма ее структуры со структурой моделируемого объекта;

3) в силу отношения модели к моделируемому объекту, которое делает ее частью познавательного процесса и позволяет решать определенные познавательные задачи.

В этом отношении материальная модель является гносеологически вторичной, выступает как элемент гносеологического отражения [132].

Теория, на основе которой строится модель, определяет связи, отношения, структуры, закономерности. Адекватная модель позволяет проверить эти следствия теории. Успешная работа модели есть доказательство истинности теории, это часть экспериментального доказательства истинности этой теории.

3.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ПОЗНАНИЯ В

ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ

Моделирование как метод познания имеет большое значение в современной науке в особенности в физике, химии, биологии, кибернетике и других. Как специфическое средство и форма научного познания, моделирование появилось довольно давно. Человечество всегда использовало концепцию модели для представления и выражения абстрактных идей и реальных объектов. Моделирование охватывает широкий диапазон актов человеческого общения – от наскальной живописи и сооружение идолов до составления систем сложных математических уравнений, описывающих полет ракеты в космическом пространстве. По существу, прогресс и история науки и техники нашли свое наиболее точное выражение в развитии способности человека создавать модели естественных явлений, понятий и объектов [129] Идеи Демокрита и Эпикура об атомах, объяснение физических свойств веществ с помощью представления о круглых и гладких или крючковатых частицах, взаимодействующих друг с другом, уже являются модельными. Эти модели, в очень упрощенной форме описывают внутреннее строение вещества и являются прообразом современных квантово-механических моделей объектов микромира.

В самом широком смысле модель – это мысленная или реальная структура, упрощенно воспроизводящая часть действительности.

Очень часто накладывается ограничение, что модель должна воспроизводить часть действительности в наглядной форме, но это требование не является, на наш взгляд, важным, особенно для современной физики.

Тогда модель можно трактовать двояким образом.

1) Модель как некоторая идеализация, упрощение действительности.

Например, представления Анаксимандра о Земле как о цилиндре, вокруг которого вращаются огненные трубки.

2) Модель как отображение части действительности с помощью другой части, более изученной, более наглядной. Например, планетарная модель атома, когда физики пытались объяснить оптические и электронные явления и, при этом строение атома изображалось как строение солнечной системы.

В первом случае модель – это образ части действительности, основные свойства которого совпадают со свойствами изучаемой действительности.

Во втором случае модель – это другой объект, отличный от изучаемого, и сходный с ним в отношении некоторых свойств.

Всегда, когда мы говорим о моделях, то подчеркиваем, что модель воспроизводит только некоторые, основные свойства изучаемого объекта. Если потребовать воспроизведения всех свойств, то теряется смысл построения модели. Модель легче изучать, потому что она проще оригинала. Поэтому модель обладает только частью свойств оригинала. Для того, чтобы модель адекватно отображала оригинал, она должна обладать не просто некоторыми, а основными, определяющие важными в заданном контексте, свойствами, присущими объекту моделирования.

Понятие моделирования тесно связано с семиотикой. Семиотика (греч. ) - наука, исследующая свойства знаков и знаковых систем. В связи с тем, что знак есть носитель информации, семиотика получает большое прикладное значение при исследовании и проектировании знаковых систем, используемых в процессах передачи и обработки информации.

Знак — это материально выраженная замена предметов, явлений, понятий в процессе обмена информацией. Согласно Лотману Ю.М. знаки делятся на две группы: условные и изобразительные.[78].

Условный знак, в котором связь между выражением и содержанием внутренне не мотивирована. Самый распространённый условный знак - слово. Изобразительный или иконический - знак, в котором значение имеет естественно ему присущее выражение. Самый распространённый изобразительный знак - рисунок.

При знаковом моделировании моделями служат знаковые образования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, графы, слова и предложения в некотором алфавите (естественного или искусственного языка) [11].

Математическое моделирование является частным случаем знакового моделирования и осуществляется посредством системы математических и логических знаков.

При изучении объекта реального мира исследователь задается двумя вопросами:

1) как ЭТО устроено (какова структура системы)?

2) как ЭТО действует (каков функционал системы)?

В этом контексте уместно различать структурное и функциональное моделирование. При изучении реальных объектов основной акцент может делаться на первую или на вторую стороны объекта или на обе вместе.

Так, в кибернетическом моделировании, во главу угла ставится моделирование поведения системы, ее функционирование. При этом внутреннее устройство системы, ее структура, не имеют значения – система рассматривается как «черный ящик». Кибернетическая модель строится в терминах воздействия на систему («вход») и ее отклика на воздействие («выход»).

Для успешного моделирования необходимо наличие уже сложившихся теорий исследуемых явлений, или хотя бы удовлетворительно обоснованных теорий и гипотез, указывающих предельно допустимые при построении моделей упрощения. Результативность моделирования значительно возрастает, если при построении модели и переносе результатов с модели на оригинал можно воспользоваться некоторой теорией, уточняющей связанную с используемой процедурой моделирования идею подобия. Для явлений одной и той же физической природы такая теория, основанная на использовании понятия размерности физических величин, хорошо разработана. Но для моделирования сложных систем и процессов, изучаемых, например, в кибернетике, аналогичная теория ещё не разработана, чем и обусловлено интенсивное развитие теории больших систем — общей теории построения моделей сложных динамических систем живой природы, техники и социально-экономической сферы.

Моделирование всегда используется вместе с др. общенаучными и специальными методами. Прежде всего, моделирование тесно связано с экспериментом. Изучение какого-либо явления на его модели (при предметном, знаковом моделировании, моделировании на ЭВМ) можно рассматривать как особый вид эксперимента: «модельный эксперимент», отличающийся от обычного («прямого») эксперимента тем, что в процесс познания включается «промежуточное звено» — модель, являющаяся одновременно и средством, и объектом экспериментального исследования, заменяющим изучаемый объект.

Модельный эксперимент позволяет изучать такие объекты, прямой эксперимент над которыми затруднён, экономически невыгоден, либо вообще невозможен в силу тех или иных причин [11].

В процессе моделирования исследователь абстрагируется от множества второстепенных деталей, выполняет идеализацию объекта исследования. Модель отображает только существенные свойства оригинала и пренебрегает несущественными. Существенность и несущественность отображаемых свойств – важнейшие понятия в моделировании. Свойства становятся существенными или несущественными в зависимости от цели исследования. Модель как выразитель существенных свойств выступает как некоторый абстрактный идеализированный объект, как специфическая форма реализации абстракции.

Рассмотрим моделирование как процесс преобразования информации. Такой подход правомерен при рассмотрении моделирования реальных и идеальных объектов. В первом случае речь идет о физическом, натурном моделировании, а во втором – об информационном моделировании. Уменьшенная копия самолета, предназначенная для продувки в аэродинамической трубе - это натурная модель, а чертеж этого самолета будет представлять собой его информационную модель, представленную в графической форме (графическая модель).

Информационные модели в современных условиях реализуются средствами компьютерных технологий. Информационная модель служат основой для создания компьютерной модели, для чего она должна быть формализована. Для создания компьютерной модели требуется формализованная информационная модель.

Формализация – совокупность познавательных операций, обеспечивающая отвлечение от значения понятий и смысла выражений научной теории с целью исследования ее логических особенностей, дедуктивных и выразительных возможностей [122].

Иными словами, формализация - способ выражения содержания совокупности знаний через определенную форму - знаки искусственного языка. Наиболее значимой разновидностью формализации является логическая формализация, которая означает выражение мысленного содержания посредством логических форм. Это способствует процессу приведения наук в строгую систему; однако всеобъемлющая Ф. невозможна даже в области математики (теорема К.Геделя).

К.Гёдель показал, что непротиворечивость любой достаточно богатой средствами вывода дедуктивной (формальной) системы не может быть доказана средствами, допускающими формализацию в этой же системе [12].

В узком смысле формализация - такое уточнение содержания изучаемых предметов, когда возможно оперировать с ними математически. Ценность формализации заключается в том, что в результате преобразования содержания изучаемых объектов появляется возможность оперировать ими с помощью математических и логических методов.

Знания, полученные при изучении модели, затем переносятся на оригинал. При этом необходимо выделить три уровня осуществления моделирования:

1) уровень потенциальной осуществимости (осуществимость модели как специфической формы реализации абстракции);

2) уровень реальной осуществимости (модель может быть осуществлена, хотя возможно в будущем, когда развитие науки и техники это позволит);

3) уровень практической целесообразности (результаты моделирования нужны для решения конкретных познавательных или практических задач).

Моделирование позволяет изучать существенные свойства объектов, процессов и явлений реального мира, предсказывать новые следствия, проверка которых может подтвердить или опровергнуть научную теория, лежащую в основании модели. Иными словами, моделирование представляет объективный практический критерий проверки истинности объективно новых знаний.

3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ МОДЕЛИ Для дальнейшего обсуждения нам потребуется определение понятия «модель». В литературе встречается множество различных определений, из которых мы приведем, на наш взгляд, наиболее общие, всеохватывающие определения, которые, в то же время, акцентируют важнейшие моменты в этом понятии. Кроме того, мы приведем определение понятия «моделирование», так как эти понятия органично связаны и часто под моделированием понимают именно построение модели.

Согласно Советову Б.Я. и Яковлеву С.А. модель — это объектзаместитель объекта-оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала [110]. Отметим, что, по нашему мнению, в модели главное не то, что она позволяет изучать только некоторые свойства оригинала, а то, что в модель заложены только некоторые свойства оригинала.

Согласно Подласому И.П., модель - это мысленно представленная или материально реализованная система, которая адекватно отображает предмет исследования и способна замещать его так, что изучение модели позволяет получить новую информацию об этом объекте [95]. Здесь, во второй части определения подчеркивается возможность получения новой информации об объекте, что очень важно. Однако в первой части использован термин «адекватно», что требует дополнительных пояснений, без чего широта толкования этого термина, делает приведенное определение несколько размытым.

Согласно Мышкису А.Д., когда мы собираемся исследовать некоторую совокупность S свойств реального объекта a с помощью математики (здесь термин объект понимается в наиболее широком смысле: объектом может служить не только то, что обычно именуется этим словом, но и любая ситуация, явление, процесс и т. д.). Для этого мы выбираем (как говорят, строим) математический объект — сисa' тему уравнений, или арифметических соотношений, или геометрических фигур, или комбинацию того и другого и т. д.,— исследование которого средствами математики и должно ответить на поставленные вопросы о свойствах S. В этих условиях a' называется математической моделью объекта a относительно совокупности S его свойств [86]. Это довольно детальное и строгое определение модели, однако и здесь хотелось бы отметить, что модель изначально должна быть ограниченной, но при этом позволяет получить новую информацию об объекте моделирования.