Создание анимационно-обучающей программы по физике

В настоящее время информационные технологии проникают во все новые сферы жизнедеятельности человека. Особенно бурное развития информационные технологии получают в сфере образования. Применение компьютерной техники в образовательной процессе дает неоспоримое преимущество позволяя получить всесторонние знания по данному предмету.

Последние достижения в вычислительной технике и программном обеспечении позволяют перевести физические опыты из практической (материальной) сферы в виртуальную, реализованную на компьютере. Сейчас уже известны программы, моделирующие различные физические процессы и явление которые моделируются с помощью математических и физических моделей.

На основании этого вычислительна техника становится незаменимым инструментом в образовательном процессе позволяя создавать компьютерные модели приборов и физических явлений, проводить различные опыты, а также получать результаты опытов.

Дополнительный преимуществом таких программ является применение анимации, что делает весь эксперимент наглядным и позволяет совмещать в одном интерфейсе графическую, текстовую и звуковую информацию, тем самым позволяя рассмотреть явление в различных ракурсах.

Также значительным преимуществом является, то что реальные физические эксперименты требуют дорогостоящего оборудование и материалов, а иногда они не безопасны для здоровья. При использовании же обучающих анимационных программ эти недостатки устраняются.

На основании этого вытекает востребованность программ подобного класса, а из востребованности вытекает актуальность задачи. 

Глава 1. Аспекты создания анимационных программа по физике

1.1 Обучающие программы

Общие требования к созданию анимационно–обучающей программе.

Основной показатель высокого качества обучающей программы - эффективность обучения. Богатейшие демонстрационные возможности и высокая степень интерактивности системы само по себе не могут служить основанием для того, чтобы считать обучающую программу полезной. Эффективность программы целиком и полностью определяется тем, насколько она обеспечивает предусмотренные цели обучения, как ближайшие, так и отдаленные. При решении любого вопроса, начиная с использования графики и кончая индивидуализацией обучения, во главу угла должны быть поставлены учебные цели. Богатейшие возможности компьютера должны быть проанализированы с точки зрения психологии и дидактики и использованы тогда, когда это необходимо с педагогической точки зрения. Не следует гнаться за внешним эффектом, обучающая система должна быть не эффектной, а эффективной.

Вопрос о том, насколько эффективна обучающая программа, может быть решен только после ее апробации. Тем не менее можно наметить ряд психолога - педагогических требований, которым должна удовлетворять обучающая программа.

Обучающая система должна:

Позволять строить содержание учебной деятельности с учетом основных принципов педагогической психологии и дидактики;

Допускать реализацию любого способа управления учебной деятельностью, выбор которого обусловлен, с одной стороны, теоретическими воззрениями разработчиков обучающей программы, а с другой — целями обучения;

Стимулировать все виды познавательной активности учащихся, включая, естественно и продуктивную, которые необходимы для достижения основных учебных целей – как ближайших, так и отдаленных;

Учитывать в содержании учебного материала и ученых задач уже приобретенные знания, умения и навыки учащихся;

Стимулировать высокую мотивацию учащихся к учению, причем оно не должно идти за счет интереса к самому компьютеру. Необходимо обеспечить учебные мотивы, интересы учащихся к познанию;

Обеспечивать диалог как внешний, так и внутренний, причем диалог должен выполнять следующие функции:

· активизировать познавательную деятельность учащихся путем включения их в процесс рассуждения;

· моделировать совместную (субъект субъектную) деятельность;

· способствовать пониманию текста;

· содержание учебного предмета и трудность учебных задач должны соответствовать возрастным возможностям и строиться с учетом индивидуальных особенностей учащихся;

· обратная связь должна быть педагогически оправданной.

1.2 Классическая теория теплоемкости твердых тел (кристаллов)

Простейшей моделью кристалла является правильно построенная кристаллическая решетка, в узлах которой помещаются атомы, принимаемые за материальные точки. Атомы совершают тепловые колебания около положений равновесия. Если колебания малы, то они будут гармоническими. Энергия каждого – атома слагается из кинетической и потенциальной. На каждую степень свободы приходится в среднем кинетическая энергия ¹/₂kT. Как было показано в параграфе 63, при гармонических колебаниях на одну степень свободы приходится в среднем такая же потенциальная энергия, т. е. ¹/₂kT. Таким образом, среднее значение полной энергии, приходящейся на одну колебательную степень свободы, равно

ε_кол = ε_кин + ε_пот = kT.                                                               (1.1)

Теперь легко рассчитать теплоемкость кристаллической решетки. Для простоты будем считать, что все атомы одинаковы. Каждый атом обладает тремя колебательными степенями свободы, а потому на него приходится средняя энергия 3kT. Умножив эту величину на число Авогадро N, найдем внутреннюю энергию грамм – атома твердого тела U = N * 3kT = 3kT. Теплоемкость одного грамм – атома называется атомной теплоемкостью. Для нее получаем

C_ν = dU/dt = 3R ≈ 24.9 Дж / (К * моль) ≈ 6 кал/(К * моль).  (1.2)

Еще в 1819 г. Дюлонг (1785 - 1838) и Пти (1791 - 1820) установили эмпирическое правило, согласно которому произведение удельной теплоемкости химического элемента в твердом состоянии на его атомный вес приблизительно одинаково для всех элементов и составляет около 6 кал/(град * моль). Мы видим, что правило Дюлонга и Пти находит простое объяснение в классической теории теплоемкостей. Вывод показывает, что в правиле Дюлонга и Пти речь идет об атомной теплоемкости при постоянном объеме. В табл. 1 приведены атомные теплоемкости некоторых элементов в твердом состоянии в температурном интервале от 15 до 100 ⁰С.

Таблица 1.1.