Методика формирования у студентов технического вуза умений математического моделирования на практических занятиях по физике

NovaInfo 46, с.84-89, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Технические науки
Просмотров за месяц: 1
CC BY-NC

Аннотация

В данной статье описывается основные этапы обучения студентов математическому моделированию на практических занятиях по физике.

Ключевые слова

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ КОМПЕТЕНТНОСТЬ, ЭТАПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, СТУДЕНТ, ФИЗИКА

Текст научной работы

В соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования выпускник в результате освоения учебной дисциплины должен приобрести знания, владеть умениями, соответствующими направлению подготовки, а также обладать сформированными общекультурными, профессиональными компетенциями и освоить основные виды профессиональной деятельности.

Изучение курса общей физики в техническом вузе начинается на первом курсе, при этом уже закладываются зачатки формирования профессиональных компетенций. Одним из таких компетенций, которые в ходе обучения формируется у студентов для направления «Химическая технология» является:

ПК-8-умеет составлять математические модели типовых профессиональных задач, находить способы их решений и интерпретировать профессиональной (физический) смысл полученного математического результата.

Проводя анализ различных исследований, касающихся обучения методу моделирования, мы пришли к выводу, что большая часть работ посвящена использованию разных видов моделирования как средства обучения, и лишь небольшая их часть связана с обучением методу моделирования, с формированием умений моделирования.

Раскрытие понятия «математического моделирование» необходимо начать с определения термина «модель». Модель – это искусственно созданный объект в виде схемы, физических конструкций, знаковых форм или формул, который, будучи подобен исследуемому объекту (или явлению), отображает и воспроизводит в более простом и огрубленном виде структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами этого объекта. [2]

Применительно к естественным и техническим наукам принято различать следующие виды моделирования:

  • концептуальное моделирование, при котором совокупность уже известных фактов или представлений относительно исследуемого объекта или системы истолковывается с помощью некоторых специальных знаков, символов, операций над ними или с помощью естественного или искусственного языков;
  • физическое моделирование - метод экспериментального изучения различных физических явлений, основанный на их физическом подобии. Заключается в изучении объектов одной физической природы с помощью объектов, имеющих другую физическую природу, но одинаковое с ними математическое описание.[1]
  • структурно-функциональное моделирование, при котором моделями являются схемы (блок-схемы), графики, чертежи, диаграммы, таблицы, рисунки, дополненные специальными правилами их объединения и преобразования;
  • математическое (логико-математическое) моделирование, при котором моделирование, включая построение модели, осуществляется средствами математики и логики;
  • имитационное (программное) моделирование, при котором логико-математическая модель исследуемого объекта представляет собой алгоритм функционирования объекта, реализованный в виде программного комплекса для компьютера.

В результате освоения метода математического моделирования на практических занятиях по физике в соответствии с рабочей программой студент должен:

  • -знать основные физические явления и основные законы физики; границы их применимости, применение законов в важнейших практических приложениях;
  • -уметь объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий; указать, какие физические законы описывают данное явление или эффект; использовать методы адекватного физического и математического моделирования, а также применять методы физико-математического анализа к решению конкретных профессиональных задач;
  • владеть навыками использования основных общефизических законов и принципов в важнейших практических приложениях; навыками применения основных методов физико-математического анализа для решения естественнонаучных задач; навыками использования методов физического моделирования в производственной практике.

На занятиях преподаватель у доски рассматривает решение типичных задач по общему курсу физики, выделяя в ходе решения основные этапы метода математического моделирования, раскрывая их сущность.

Опираясь на исследование Шабуниной Н.В., выделим основные этапы математического моделирования в соответствии с требованиями, представленными в рабочей программе изучаемой дисциплины.

Таблица 1 Этапы математического моделирования на практических занятиях:

Подготовительный этап

Деятельность преподавателя

Деятельность студента

1) Ознакомление преподавателя, на лекционном занятии, с математической моделью изучаемого закона или явления, с терминологией, границей применимостью закона, при решении задач.

1) Конспектирование лекции, выделение главных мыслей. Запоминание основных терминов и законов. Подготовка к входному контролю.

2) В ходе объяснения лекционного материала преподаватель знакомит студентов, общекультурными и профессиональными компетенциями, соответствующими их направлению подготовки, и важностью моделирования в их будущей деятельности инженера.

2) Студенты знакомятся с возможностью применения математических и физических моделей в будущей профессиональной деятельности.

Обучающий этап

1)Преподаватель организует совместную работу со студентами по решению задач по теме, изучаемого раздела курса физики с последующим заполнением таблицы 2

1) Конспектирование. Выполнение теста входного контроля. В случае отсутствии студента на занятии или неудовлетворительной оценки студент самостоятельно изучает материал и проходит тест входного контроля.

2)Преподаватель организует самостоятельную работу студентов по решению задач и заполнение табл. 2.

1)Студент самостоятельно заполняет графы обучающей карточки (таблица

Контролирующий этап

1) Подготовка карточек по проведению входного контроля

1) Выполнение входного контроля

2) Итоговый контроль проводится по результатам заполнения обучающей карточки, представленной в табл. 2.

2) В случае если студент не справился с работой, он самостоятельно проходит все этапы, заполняя табл. 2

Поэтапное обучение методу моделирования студентов можно осуществить с помощью обучающих карточек, которые преподаватель выдает перед практическим занятием. Занятие начинается с входного контроля и последующим с рассмотрением типовых задач по теме занятия. Тестовые задания входного контроля определяет знание основных, понятий, формул и законов по данной тематике. В ходе практического занятия студенты заполняют обучающую карточку, отвечая на поставленные вопросы. В конце занятия преподаватель собирает обучающие карточки и оценивает работу студентов на занятии. В тетради у студентов остается разобранные задачи по данной теме. В таблице 2 приведена примерная форма данной карточки при изучении темы «Газовые законы».

Таблица 2 Пример обучающей карточки математическому моделированию

Ф.И.О. студента

группа

Тема: «Уравнение состояния газа»

Обучающий этап

Задания преподавателя

Действия студентов

Формулирование цели моделирования.

Выделение и анализ объекта-оригинала.

1) Сформулируйте с какой целью рассматривается данная математическая модель.

2) Определите объект исследования, рассматриваемый в системе задач (объектами исследования могут быть физические явления, техническиеустройства)

1) С целью определения основных параметров газа (давление, объем, температура)

2) газ

Выбор или построение модели объекта-оригинала

В системе задач выделите:

1) «простую модель» изучаемого объекта;

МОДЕЛЬ 1: …

2) более «сложную модель» этого же объекта, учитывая

еѐ изменение (добавление других объектов исследования (или) влияние внешних факторов)

МОДЕЛЬ 2: …

(укажите причину изменения модели)

1) Модель идеального газа (для разряженных газов)

Газ удовлетворяющий условию

а) потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих газ, можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией; б) суммарный объём частиц газа пренебрежимо мал; в) между частицами нет дальнодействующих сил притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда

абсолютно упруги; г) время взаимодействия между частицами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями

2) Модель реального газа (Изменение условия – Увеличение давления)

а) молекулы

рассматриваются как абсолютно твердые шарики.

б) молекулы,

притягивающиеся и вследствие этого возникает внутренне давление.

в) размерами молекул нельзя пренебречь и необходимо учитывать собственный объем

3) Студент дополнительно ищет информацию в интернете существует ли другие модели газов.

Исследование модели

Математически опишите изменение моделей(1,2,….) в задачах системы, используя физические законы.

1.Уравнение Менделеева-Клайперона

2.Уравнение Ван-Дер-Ваальса

Студент описывает основные параметры газа в уравнениях.

Анализ результатов исследования

Проанализируйте числовые ответы (или ответы в общей форме) изменения моделей в задачах системы.

Значение давление идеального газа полученные по двум моделям различны, за счет учета внутреннего давления и собственного объема молекул в реальном газе.

Оценка работы:

Организация практического занятия:

  1. Вводное слово преподавателя. Входной контроль (10 мин)
  2. Решение типовых задач по данной теме. (60мин)
  3. Заполнение обучающей карточки (25 мин)
  4. Подведение итогов (5 мин)

Критерий оценивания работы: Оценка « удовлетворительно» ставится при условии, если студент прошел тест входного контроля по теме, описал все модели, которые рассматриваются в пределах данной темы, правильно написал основные математические формулы, но допустил незначительные ошибки, и не провел анализ работы. Оценка «хорошо» ставится при условии, если студент прошел тест входного контроля по теме, описал все модели, которые рассматриваются в пределах данной темы, правильно написал основные математические формулы, провел анализ работы, но допустил незначительные ошибки.

Оценка «отлично» ставится при условии, если студент прошел тест входного контроля по теме, описал все модели, которые рассматриваются в пределах данной темы, правильно написал основные математические формулы, провел анализ работы, указал наличие дополнительных моделей по данной теме, которые не рассматривались в пределах данного практического занятия.

Читайте также

Список литературы

  1. Бешенков, С.А. Моделирование и формализация [Текст] : метод.пособие / С.А. Бешенков. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2002. – 336 с.
  2. Г.Г. Казёнов, А.Г. Соколов. Принципы и методология построения САПР БИС // см. с. 28. — Москва: Высшая школа, 1990. — 142 с.
  3. Н.В. Шабунина. Формирование у студентов технических вузов умений моделирования при решении физических задач. Диссертация. Архангельск, 2014.-217с
  4. Г.А. Рахманкулова, Д.А. Мустафина, И.В. Ребро. Кейс-метод в формировании профессиональных компетенций студентов технического вуза Современная педагогика №5., стр 51. – Москва. 2015

Цитировать

Методика формирования у студентов технического вуза умений математического моделирования на практических занятиях по физике / Д.В. Ильинский, Д.А. Мустафина, Г.А. Рахманкулова, С.М. Сметанников. — Текст : электронный // NovaInfo, 2016. — № 46. — С. 84-89. — URL: https://novainfo.ru/article/6243 (дата обращения: 26.06.2022).

Поделиться