Уразбаева К. Т., Мақамбаев М. Б. Компьютерлік модельдеу элементтері физика пәнінде

Уразбаева К.Т., Мақамбаев М.Б.

Компьютерлік модельдеу элементтері физика пәнінде,

оқу-әдістемелік құрал, Семей, 2014

Ұсынылып отырған оқу-әдістемелік құралда орта мектептегі физика пәнін оқыту барысында компьютерлік модельдеу элементтерін қолдану жолдары қарастырылған.

Оқу-әдістемелік құрал орта мектептің, колледждің, жоғары оқу орындарының физика пәнінің мұғалімдеріне, оқушыларына, студенттеріне қосымша құрал ретінде ұсынылады.

Қазақстан Республикасы тәуелсіздігін алған соң мектеп бағдарламасы қайта құрылып, қарастырыла бастады, өйткені ол уақыт талабы. (Бүгінгі мектеп оқушысы, ертеңгі еліміздің болашағы). Бұл салада көптеген жұмыстар жүргізілді: жаңа буын оқулықтары, электронды оқулықтар шыға бастады. Мемлекетіміздің білім беру стандарты құрылды, әр –түрлі пәндік анықтамалар, әдістемелік нұсқаулар, көрнекі құралдар, компьютерлік көрнекіліктер шығарылды.

Қазіргі нарықтық экономика кезеңінде Демократиялық мемлекет үшін азаматтарға білім бере отырып, сол білімдерін практикада дұрыс пайдалана алатындай жағдайға жету керек. Бүгінгі мектеп түлектері тек білім ғана алып шықпай, сонымен қоса өз көз қарасы бар, оны жақтай алатындай білімді азамат болуы керек. Осыны негізге ала отырып мектеп мұғалімдерінің алдында тұрған мақсаттардың бірі, ол оқушыларға жан –жақты білім беру. Оған жету үшін оқу процесіне өзгерулер енгізіле бастады, соның бірі ол оқу процесіне модельдеу элементтерін шебер түрде енгізу, әр түрлі пәндер арасында байланысты туғызу.

Модель-бұл танып білу поцесінде зерттеу үшін кейбір негізгі типтік белгілерін сақтай отырып, негізгі объектіні алмастыратын, материалдық немесе ойша елестететін объект.

Модельдер неге керек? Модель-модельденетін объектіні жан-жақты және терең, өз алдына жеке дара емес, сыртқы ортамен өзара әрекетте болатын динамикалық жүйе түрінде зерттеп білу үшін қажет.

Адамзат өте ертеден күрделі процесстерді,құблыстарды танып білуде, жаңа ғимараттарды салуда және тағы басқа жағдайларда модельдерді пайдаланды. Жақсы құрылған модель, айқын нағыз объект сияқты, зерттеу үшін өте ыңғайлы, көп мүмкіндік береді. Кейбір объектілерді тікелей танып білу мүмкін емес: мысалы танымдық мақсата еліміздің экономикасымен тәжірибе жүргізу; өтіп кеткен құбылыстармен, күн жүйесінің планеталарымен эксперимент жасау мүмкін емес.

Модельдердің маңыздылығын сипаттайтын және бір қыры, оның көмегімен объектінің кейбір қасиеттерін қалыптастыратын негізгі факторлар табылады.

Модель объектіні басқарудың бірнеше варианттарын оның моделіне қолдану арқылы объектіні дұрыс басқаруға үйретеді. Осы мақсатта негізгі объектіде тәжірибе жүргізу көбінесе ыңғайсыз, кейде зиянды немесе кейбір себептерге байланысты мүмкін болмайды (тәжірибенің өте көп уақытқа созылуынан, объектіні бұзып алу қауіпінен және тағы басқа).

Егер зерттеу объектісі динамикалық сипатқа ие болса, яғни уақытқа тәуелді болса, әр түрлі факторлар әсер ететін мұндай обектінің динамикалық күйін болжау есебі ерекше мәнге ие болады. Мұндай есепті шешу барысында модельдерді пайдалану өте бағалы, құнды көмек көрсетуі мүмкін.

Тігінші көйлек тігу үшін алдын-ала кісінің өлшемдері бойынша пішім жасайды. Бұл модель.

Жаңа кеме жасау үшін алдымен оның кішкентай ағаштан жасалған түрі яғни моделі жасалынып оны сынақтан өткізеді.

Жаңа ұшақты өндіріске енгізу алдында оны аэродинамикалық трубаға орналастырады да, датчиктердің көмегімен жобаның әр жерінде туындайтын кернеулердің шамасын анықтайды. Бұл да модель.

Осы мысалдардағы модельдердің ролі қандай?

Әлбетте,тігінші алдын-ала пішпей (пішім жасамай) ақ көйлекті тіге алатын еді. Бірақ ол көйлектің жақсы болып шығуына сенімсіз. Ал, көйлек әдемі болмаса оны ешкім сатып алмайды, сондықтан пішім жасап тәжірибеден өткізеді.

Әлбетте, қанатарына қандай кернеу пайда болатындығын білмей-ақ ұшақты өндіріске ендіруге болатын еді. Алайда, бұл кернеулер мейлінше үлкен болса, онда ұшақтың күйреуіне әкеп соғады. Сондықтан ұшақты алдымен трубада зерттеп алған жөн.

Көрсетілген мысалдардан байқағанымыздай, тәжірибеде кейбір объектіні басқалармен алмастыру орын алады: шын көйлекті –қағаз пішіммен, ұшақты-трубадағы ұшақ моделімен. Барлық жағдайларда алғашқы объектілерден оны алмастыратын объектіге өту кезінде қандай-да бір қасиеттері сақталады немесе негізгі қасиет пікір қалыптастыруға мүмкіндік береді.

Жаңа ақпараттық технологиялардың әртүрлі ғылым мен өндіріс салаларына енуі техникалық жүйелердің құрлымы мен элементтеріне түбегейлі ықпал етіп қана қойған жоқ, қазіргі өндірістегі ЭЕМ қызметі мен еңбек адамының ролін де барынша өзгертті. Ғылыми–техникалық үрдістің бұл ерекшеліктерін информатика және физика курсын оқыту ісінде компьютерді пайдалану мүмкіндіктеріне талдау жасар алдында В.Г.Разумовскийдің «Қазіргі уақытта педагогика ғылымы алдында тұрған маңызды міндеттер ішінен студенттерді оқытуда компьютерді қолдану әдістемесін жасау міндеті ерекшеленеді» – деген сөзіне жүгінеміз. ЭЕМ мүмкіндіктерін және қолдану шарттарын объективті түрде оқып үйренуге, компьютерлік техниканы пайдалану негізінде жаңаша оқыту технологиясын жасауға бағытталған тәсіл бізге прогрессивті болып көрінеді. Физика курсын оқытуда біршама қиындықтар келтіретін электромагниттік құбылыстарды компьютер көмегімен бақылаудың, түсінудің және зерттеудің, яғни, физикалық эксперименттер жүргізудің мүмкіндігі мол.

Компьютерде Delphi жүйесін пайдалану арқылы зарядтардың әсерлесуін, электрон қозғалысының траекториясын, әртүрлі тізбектердегі ток күші, кернеу, кедергі және индуктивтілік арасындағы тәуелділікті, ток көзінінің, катушканың, дросселдің және т.б. сипаттамаларын бақылау және зерттеу шараларын оңай іске асыруға болады. Жалпы электромагниттік құбылыстарды компьютермен моделдеу арқылы, пайдалы да қызғылықты эксперименттерді орындауға болады. Есептегіш техниканың табиғи түрде кең тарауынан туындайтын, компьютермен жұмыс істеудің оқу–танымдық мотивімен қатар, компьютердің кәсіптік мазмұнды, яғни, маманның болашақ кәсібіне байланысты есептерді шығару мүмкіндігіне қатысты мотивтер де пайда болуда.

Моделдеу жұмысының қызықтылығы сол, ол компьютерді эксперимент деректерін түгендеу үшін пайдалануға жол ашып қана қоймайды, есептік және табиғи эксперименттерді қиюластыруға мүмкіндік береді. Компьютерді моделдеу құрылғысы ретінде пайдаланудың тағы бір бағытында моделдеу маңызды жаңа сапаға ие болады – есептеу экспериментінің негізіне айналады (зерттелетін объектінің математикалық моделін компьютер көмегімен оқып үйрену).

Моделдеуде компьютерлік программаларды пайдалану физикалық құбылыстар мен заңдарды оқып- үйренуді көрнекілікпен қамтамасыз етумен қоса, танымның түбегейлі жаңа құралын береді.

Компьютерді моделдеу құралы ретінде пайдалану, оқушы мен студенттің есептегіш техникамен жан-жақты жұмыс жасап дағдылануына, білімге қызығушылығын арттыруға, ынта–ықыластын дамытуға көмектеседі. Оқыту ісінде жоғарғы жылдамдығы мен бейнелеу мүмкіндігі мол компьютерлерді пайдалану, дәрістік эксперименттер мен тәжрибелік сабақтарды қызғылықты және тартымды етіп өткізуге мүмкіндік жасайды.

Қорыта айтқанда,модель:

1.Негізгі (нақты,нағыз)обект қалай құрылған: оның құрылымы, негізгі қасиеттері, қоршаған ортамен өзара әсерлесу және даму заңдылығы қандай екенін түсіну;

2.Обектіні басқаруды үйрену және белгілі мақсатқа сай басқару тәсілдерін анықтау.

3.Берілген тәсілдер мен объектіге әсер ету формаларын тікелей және жанамалай жүзеге асыру нәтижелерін болжау.
Модельдеу_туралы_жалпы_түсінік'>1 тарау. Информатика және модельдеу элементтері
1.1 Модельдеу туралы жалпы түсінік
Қазіргі уақытта информатиканың негізгі ғылыми бағыттарының бірі «Модельдеу» болып отыр. Қазіргі информатиканы оқыту әдістемесіне ақпаратық технологиялар, алгоритмдеу және программалау мәселелері терең, жан –жақты зерттелуде, ал модель, модельдеу процесіне аса назар аударылмай отыр. Шын мәнінде, оқушылардың бойында жүйелік –ақпараттық тәсілдерді қалыптастыруға негізделген модельдеу процесі –ғылыми таным әдісі ретінде қарастырылып, формальдандыру принципі мен компьютерлік модельдеу құрылымын меңгерудің сенімді құралы болып табылады.

Модель –жасанды құрылған объект. Ол схема, сызба, математикалық таңбалар, физикалық формулалар және т.б. түрінде беріледі. Модель құру процесі модельдеу деп аталады. Модельдеу –зерттелетін объектінің қасиеттерін, өзара байланысын зерттеу және арақатынасы аналогиялық түрде сипаттау. Қазіргі кезде модельдеудің көптеген түрі белгілі. Мысалы, детерминдік моделдеу –табиғатта және қоғамда кездесетін оқиғаларды, құбылыстарды, оның ішінде адамның еркі мен мінезінің өзара байланысының себептерінің заңдылығын зерттейді; динамикалық модельдеу –неғұлым күрделі математикалық теңдеулерді қарастырады, дискретті және үздіксіз процестерді сипаттайды.

Жалпы жағдайда модельдеу нақты және абстрактілі болып бөлінеді. «Абстрактілі модельдеу» ұғымы әдістемелік әдебиеттерде «ақпараттық модельдеу» ұғымына балама түрде қолданылады. Информациялық модельдеу объектілер мен процесстерді модельдеу және білімді модельдер болып бөлінеді. Объектілер мен процесстерді модельдеу кескіндеу, сипаттау, бейнелеу жағдайында болады. Оған жоғарыда айтылған графикалық, математикалық т.б.модельдер мысал бола алады.

Информатика пәні информатиканың негізгі компоненттерінің: есептеуіш техникасы, программалық жабдықтау, алгоритмдік құралдардың, дамуын бейнелейтін модельдеу методологиясына негізделеді. Модельдеу методологиясы компьютер көмегімен іздеу және болжау ғылыми зерттеулердің осы күнгі жаңа методологиясы бола отырып информатиканы ғылым, «технологиялар қосындысы» және адам қызметінің саласы ретінде санауға мүмкіндік береді. ЭЕМ- ді көрсетілген салаларда пайдалану негізінде ғылыми –зерттеу жұмыстарының жаңа технологиясы болып табылатын модельдеу жатыр.

Модельді құру процесін модельдеу деп атайды. Модельдеудің бірнеші тәсілдері бар , олардың шартты түрде үлкен топқа біріктіруге болады: материалдық және идеалды модельдеу.

Материалдық модельдеуге мынадай тәсілдер жатады: зерттелетін объектінің негізгі геометриялық, физикалық, динамикалық және функционалды сипаттарын жаңғыртып, көрсете білетін модельге сүйеніп зертттеу жүргізу. Материалдық модельдеудің негізгі түрлері физикалық және аналогтық модельдеу болып табылады.

Физикалық модельдеу деп негізгі объектіге оның үлкейтілген немесе кішірейтілген көшірмесі қарсы қоюды айтады, яғни бұл көшірме (көбінесе лабораториялық жағдайда) көмегімен зерттелетін процесстер мен құбылыстардың қасиеттерін ұқсастық теориясына сүйене отырып, модельден объектіге алмастыру мүмкіндігі жүзеге асырылады.Физикалық модельдердің мысалдары: астрономияда-планетарий, гидротехникада-судағы қайық,модельденетін өзендер мен су қоймалары, архитектурада-ғимараттар макеті, ұшақ жасауда-ұшатын аппараттар модельдері және тағы басқалар.

Аналогтық модельдеу әр түрлі физикалық табиғатқа ие, бірақ формальды түрде бірдей сипатталатын процесстер мен ұүбылыстардың аналогиясына негізделген (бірдей математиклық теңдеулер,логикалық схемалар).Қарапайым мысал ретінде-бірдей диференциалдық теңдеулермен сипатталатын, электр схемасының көмегімен механикалық тербелістерді оқып білу.

Материалдық модельдеудің екі түрінде де модель негізгі объектінің материалдық бейнесі және онымен геометриялық, физикалық және басқа сипаттамалар арқылы байланысқан, сондықтан зерттеу процесі модельге материалдық әсерлесуде тығыз байланысқан, яғни табиғи тәжірибеден тұратын еді.Сонымен, құралдық модельдеу өз табиғаты бойынша модельдеу қатты ерекшеленеді.

Объекті мен модельдің материалдық аналгияы негізделмеген, идеалды, ойша аналогияға негізделген идеалдық модельдеу құралдық модельдеуден қатты ерекшеленеді.Идеалдық модельдеу теориялық сипатқа ие. Идеалдық модельдеудің екі түрі бар: индуктивті (сезімдік)және белгілер боойынша.

Сезімдік деп, формалауды қажет етпейтін зерттеу объектісін сезімдік түрде елестетуге негізделген модельдерді түсінеміз.Мысалы,әрбір адамның өмірлік тәжірибесі оның қоршаған ортасының сезімдік моделі болып есептеледі.

Белгілер бойынша модельду деп, модель түрінде қандай-да бір түрде белгілермен түрлендіруді, схемаларды, чертеждерді, формулаларды, таңбалар жиынтығын және таңдалған белгілер бойынша амалдар орындауға болатын заңдылықтар жиынтығын қамтитын модельдеуді айтады.

Модельдер түрлерін анықтау және модельдерді жіктеу үшін қажеті кеңінен таралған бегілерді қарастырайық:

-пайдалану (қолданылу)аймағы;

-модельде аралық (уақытқа байланысты) факторды ескеруі (динамика);

-білім саласы;