РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СИМУЛЯЦИЙ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ ШКОЛЬНИКОВ
Конференция: LXXII Международная научно-практическая конференция «Научный форум: инновационная наука»
Секция: Технические науки
LXXII Международная научно-практическая конференция «Научный форум: инновационная наука»
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СИМУЛЯЦИЙ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ ШКОЛЬНИКОВ
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF PHYSICAL SIMULATIONS IN THE EDUCATIONAL PROCESS FOR SCHOOL STUDENTS
Aknur Khalyk
Master's student, Astana IT University, Kazakhstan, Astana
Аннотация. Физические симуляции становятся мощным инструментом в образовательном процессе, особенно для школьников, специализирующихся на физике и математике. В статье исследуются разработка и применение физических симуляций, их преимущества, примеры использования и внедрение в учебный процесс.
Abstract. Physics simulations are becoming a powerful tool in the educational process, especially for students specializing in physics and mathematics. The article examines the development and use of physical simulations, their advantages, examples of use and implementation in the educational process.
Ключевые слова: физические симуляции, интерактивное обучение, физика, информационные технологии, PhET, Python.
Keywords: physics simulations, interactive learning, physics, information technology, PhET, Python.
Быстрое развитие информационных технологий значительно повлияло на методы обучения, предоставив новые возможности для улучшения учебного процесса. Одним из таких технологических нововведений являются физические симуляции, которые показали свою перспективность, особенно в областях физики. Эти симуляции позволяют студентам визуализировать и взаимодействовать со сложными физическими явлениями, что способствует более глубокому пониманию и сохранению знаний.
Роль физических симуляций в образовании
Физические симуляции – это интерактивные инструменты, которые воспроизводят реальные физические процессы в виртуальной среде. Они позволяют студентам проводить эксперименты и наблюдать за результатами, которые было бы сложно или невозможно осуществить в традиционной учебной обстановке. Такой практический подход к обучению может повысить вовлеченность, мотивацию и понимание.
Преимущества физических симуляций
- Улучшенное понимание: Визуализируя абстрактные концепции, студенты могут лучше усваивать основные принципы физики и математики.
- Интерактивное обучение: Симуляции предоставляют интерактивную платформу, где студенты могут изменять переменные и сразу видеть результаты, что способствует активному обучению.
- Доступность: Сложные эксперименты, требующие дорогостоящего оборудования или представляющие опасность, могут быть безопасно и экономично проведены с помощью симуляций.
- Мгновенная обратная связь: Студенты получают моментальную обратную связь о своих действиях, что позволяет быстро учиться и исправлять ошибки.
Методология
Внедрение в классы
Для оценки эффективности физических симуляций уроки проводились с учениками 11 классов в специализированном лицее №39 в Алматы. Для 11 А класса уроки велись с использованием симуляции PhET для спектра абсолютно черного тела и симуляции фотоэффекта написанного на языке Python. В отличие от этого, для учеников 11Б класса использовались традиционные методы обучения.
Структура уроков
- Симуляции PhET: PhET предоставляет интерактивные, основанные на исследованиях симуляции физических явлений [1]. В контексте урока по спектру абсолютно черного тела ученики использовали одну из симуляций PhET, чтобы изучить сложную взаимосвязь между температурой и спектром излучения, испускаемого абсолютно черным телом.
Рисунок 1. Моделирование спектра черного тела в PhET
Интерфейс симуляции предоставил ученикам виртуальную среду, напоминающую экспериментальную установку (Рисунок 1). Благодаря интуитивно понятным элементам управления и визуальным представлениям студенты могли изменять такие параметры, как температура, и наблюдать изменения в спектре излучения в реальном времени. Этот практический подход способствует более глубокому пониманию, позволяя учащимся напрямую взаимодействовать с изучаемыми явлениями.
Когда ученики изменяли температуру в симуляции, они наблюдали соответствующие изменения в распределении и интенсивности излучения на разных длинах волн. Эта динамическая работа позволяет ученикам понять основные концепции, такие как закон смещения Вина и закон Стефана-Больцмана, в наглядной и запоминающейся форме.
- Симуляции на Python: Для изучения фотоэффекта использовалось программирование на Python при созданий симуляций, которые позволяют студентам визуализировать и анализировать влияние интенсивности и длины волны света на выброс электронов.
Рисунок 2. Фрагмент кода симуляции фотоэффекта
Рисунок 2 показывает фрагмент кода, который написан на языке программирования Python с использованием библиотек Matplotlib [2] и NumPy [3] для выполнения расчетов и визуализации энергии фотонов и результирующей кинетической энергии выброшенных электронов в фотоэффекте.
Пояснение к коду:
- Константы: Определяются такие константы, как постоянная Планка (h), заряд электрона (eV), работа выхода (W) для конкретного материала (в данном случае считается, что это натрий с работой выхода 4,5 эВ) и скорость света (c).
- Длины волн и частоты: С помощью функции linspace из библиотеки NumPy создается массив длин волн в диапазоне от 100 до 800 нанометров (нм). Соответствующие этим длинам волн частоты вычисляются по формуле c / (длины волн * 1e-9), где c - скорость света. Это дает частоты в герцах (Гц).
- Энергии фотонов: Энергия фотонов рассчитывается по формуле photon_energies = h * frequencies, где h - постоянная Планка. Это дает энергию фотонов в джоулях (Дж).
- Кинетическая энергия: Кинетическая энергия выброшенных электронов рассчитывается путем вычитания работы выхода из энергии фотонов. Поскольку кинетическая энергия не может быть отрицательной, применяется условие для установки всех отрицательных значений в ноль.
- Перевод в электронвольты (эВ): Энергия фотонов и электронов переводится в электронвольты (эВ) для лучшей визуализации и понимания.
-
Построение графиков (Рисунок 3): Matplotlib используется для создания двух подграфиков рядом:
- Первый подграфик строит график энергии фотонов в зависимости от длины волны.
- Второй подграфик строит график кинетической энергии выброшенных электронов в зависимости от длины волны. Каждый график включает соответствующие метки, заголовки и линии сетки для ясности.
- Отображение графиков: Наконец, plt.tight_layout() гарантирует правильное расположение подграфиков, а plt.show() отображает графики.
Рисунок 3. Графики фотоэффекта в Python
Запустив этот код, студенты могли визуализировать, как энергия фотонов и результирующая кинетическая энергия выброшенных электронов изменяются с длиной волны падающего света, что дает представление о принципах, лежащих в основе фотоэффекта.
Результаты
После проведения уроков обоим классам были предложены идентичные тесты. Результаты показали, что учащиеся 11А класса, которые использовали симуляции, продемонстрировали значительно более высокие результаты по сравнению с учениками 11Б класса, обучавшимися традиционными методами.
В таблице 1 представлены результаты тестов по 10-балльной шкале оценки. Для темы "Абсолютное черное тело" средний балл учащихся 11А класса составил 7,92. Наибольшее количество учащихся (28%) получили оценки 7 и 8, а также значительная доля (20%) получили оценку 9. Для темы "Фотоэффект" средний балл 11А класса составил 7,96, с наибольшим числом учащихся (32%) получивших оценку 8 и 24% получивших оценку 9.
В то же время, средние баллы 11Б класса для тех же тем составили 6,84. Для темы "Абсолютное черное тело" большинство учеников (20%) получили оценку 7, и только 4% смогли достичь высшей оценки 10. Для темы "Фотоэффект" большинство (32%) получили оценку 7, а ни один ученик не получил оценку 10.
Более высокие показатели успеваемости учащихся 11А класса, использовавших симуляции, указывают на то, что применение физических симуляций существенно улучшает понимание и запоминание сложных физических концепций.
Таблица 1.
Результат тестов по 10 балльной шкале оценки
|
Оценка Тема, класс |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
срд |
|
Абсолютное черное тело, 11А |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
12% |
28% |
28% |
20% |
12% |
7,92 балл |
|
Фотоэффект, 11А |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
8% |
28% |
32% |
24% |
8% |
7,96 балл |
|
Абсолютное черное тело, 11Б |
0 |
0 |
0 |
4% |
12% |
20% |
36% |
20% |
4% |
4% |
6,84 балл |
|
Фотоэффект, 11Б |
0 |
0 |
0 |
8% |
8% |
20% |
32% |
20% |
12% |
0 |
6,84 балл |
Заключение
Физические симуляции представляют собой значительный прогресс в области образовательных технологий, предлагая многочисленные преимущества для улучшения учебного опыта школьников, специализирующихся на физике и математике. Исследование, проведенное в специализированном лицее №39 в Алматы, демонстрирует эффективность симуляций в повышении академической успеваемости. По мере того как образовательные учреждения продолжают внедрять технологии, физические симуляции будут играть ключевую роль в формировании будущего образования в области науки.
