Чирцов Александр Сергеевич информационные технологии
 Скачать 0.91 Mb.
|
|
3 Чирцов Александр Сергеевич ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ Принявший в наши дни лавинооб- разный характер процесс экспансии ин- формационных технологий во все сферы деятельности современного общества не мог не затронуть систему образования. Более того, именно эта область оказалась одной из первых среди тех, где процесс информатизации был сознательно запла- нирован и поддерживался многочисленны- ми программами вплоть до государствен- ного уровня. Между учебными заведения- ми возникло настоящее состязание за ли- дерство по числу и качеству задейство- ванных в обучении компьютеров, дисплей- ных классов, локальных сетей и средств доступа в Интернет. Нельзя не признать, что ряд высших и средних учебных заве- дений добились головокружительных ус- пехов в области создания материально - технической базы для продвижения к си- яющим вершинам компьютеризированно- го образования, однако сегодняшние ре- алии этого продвижения выглядят в це- лом несколько своеобразно. Прежде всего, компьютерный парк подавляющего большинства учебных за- ведений (особенно школ и гимназий) ис- пользуется почти исключительно в целях преподавания информатики и обучения языкам программирования (нередко весь- ма устаревшим). При этом повседневное, не носящее показательного характера ис- пользование работающего компьютера в целях изучения других дисциплин на се- годняшний день является сенсационной редкостью. Уже сейчас можно наблюдать неко- торые негативные последствия такой под- готовки. Подавляющее большинство “ком- пьютерных ассов” из среды учащихся рас- ходует массу своего и компьютерного вре- мени на занятиях, факультативах и за ком- пьютерами дома на то, чтобы создать либо очередную версию графического или тек- стового редактора (которая, очевидно, оказывается менее удачной по сравнению со стандартно используемыми и никогда не будет востребована даже самим авто- ром), либо очередную, не наполненную вообще никакой информацией, программ- ную оболочку для тривиального компью- терного тестирования (наполнять которую обычно не собирается ни сам автор, ни его преподаватель), либо обеспечением возможности реализации каких-либо воз- можностей Windows при работе под DOS. Такого рода упражнения с компью- тером, конечно, приносят определенную пользу, но одновременно формируют от- ношение к программированию как к са- модостаточному занятию, не ориентиро- ванному на результат, представляющий какой-либо интерес вне этой сферы. Весь- ма печально, что многие авторы таких ком- пьютерных разработок (старшеклассники и студенты) часто оказываются неспособ- Информатизация образования: существуют проблемы 4 ны грамотно представить тезисы доклада, придав им в редакторах Word или TEX вид, соответствующий минимальным стан- дартным требованиям. Причина этого, по- видимому, кроется в том, что большин- ство учащихся просто незнакомо с какой- либо качественно подготовленной на ком- пьютере продукцией, используемой в ка- кой-либо сфере деятельности, кроме про- граммирования и компьютерных игр. Что же касается создания самой программной продукции, ориентирован- ной на информационную поддержку обу- чения по не связанным с Computer Science дисциплинам, то попытки ее профессио- нальной разработки предпринимаются, главным образом, коллективами либо спе- циалистов в области программирования, либо преподавателей. Результатом являет- ся создание либо профессионально изго- товленных, но не наполняемых содержа- нием сред для создания учебных программ, либо интересных по содержанию, но не имеющих товарного вида и не используе- мых никем, кроме самих авторов, продуктов. В настоящее время волна всеобще- го увлечения созданием обучающих про- грамм сходит на нет. На первый план выд- вигаются идеи исполь- зования в образовании сетевых технологий, организация удаленно- го обучения. При этом все перечисленные проблемы остаются, меняются лишь спосо- бы их технической ре- ализации. В сказанном легко убедиться, посетив любой имеющий выход в Интер- нет дисплейный класс и поинтересовав- шись, какую информацию потребляют из Всемирной Паутины учащиеся в отсут- ствие преподавателей. Будет очень печально, если с исполь- зованием компьютеров в обучении про- изойдет то же, что случилось с популяр- ными в 70-х годах телеуроками, редкие воспоминания о которых сегодня носят исключительно скептический характер. Нужно четко поставить себе цель: приме- нять компьютерные технологии в образо- вании только в тех случаях, когда это дает реальные преимущества перед традицион- ными формами обучения. Конкретные формы применения компьютеров в обу- чении не могут носить универсального характера для всех изучаемых в школах и ВУЗах предметов. В качестве наиболее перспективных направлений использования информаци- онных технологий в преподавании физи- ки хочется выделить следующие: • Компьютерное моделирование изуча- емых физических процессов. • Использование сетевых технологий для общения между преподавателями и обеспечения удаленного доступа учащих- ся к полезной информации. • Привлечение наиболее способной час- ти учащихся к разработкам электрон- ных средств информационной поддерж- ки обучения физике. Автором накоплен некоторый опыт работы в каждом из трех перечисленных направлениях, анализу которого предпо- лагается посвятить небольшой цикл статей. 5 Основу физики, как и любой дру- гой естественно-научной дисциплины, со- ставляет экспериментальное изучение дей- ствительности. Это определяет первосте- пенную роль, которую должен занимать эк- сперимент при обучении этому предмету. Традиционными формами обучения, позволяющими познакомиться с экспери- ментальной физикой, являются демонст- рационные эксперименты, проводимые во время лекций или уроков, и лаборатор- ные работы. Последние, несомненно, наи- более предпочтительны, поскольку подра- зумевают непосредственное активное уча- стие ученика в эксперименте. Реальные возможности организации массового выполнения лабораторных ра- бот как в школе, так и в ВУЗе весьма ограничены. Это связано, в первую оче- редь, со сложностью постановки экспери- ментов, представляющих интерес с точки зрения преподавания современной физи- ки, безуслов- ной необходи- мостью высо- кой квалифи- кации экспери- ментатора и фантастически высокой сто- имостью совре- менного экспе- риментального оборудования. В результа- те, тематика реально осуществляемых ла- бораторных работ соответствует простей- шим экспериментальным задачам, решав- шимся физиками в XVIII-XIX веках. Эле- менты же современной эксперименталь- ной физики представлены в лабораторных практикумах лишь нескольких ведущих ВУЗов физико-математической ориента- ции. Возможности лекционных экспери- ментов оказываются несколько шире, но по-прежнему весьма ограничены. Поми- мо уже упоминавшейся дороговизны обо- рудования (стоимость только одного при- бора нередко превосходит годовой бюд- жет учебного заведения), следует указать на ограничения, часто накладываемые его размерами (давно устаревший циклотрон- ный ускоритель занимает целое здание), реальную длительность изучаемых явлений (явления космических масштабов проис- ходят на временах, существенно превы- шающих не только лекцию, но и сроки жизни ее участников). Наконец, в курсе физики изучаются явления, которые принципиально не де- монстрируемы в аудиторном эксперимен- те (например, цепная реакция деления ура- на). В результате знакомство учащихся с экспериментальной физикой нередко ог- раничивается упоминанием имени экспе- риментатора и весьма кратким описани- ем идеи выполненной им работы, иногда сопровождаемым схематичным изображе- нием установки. При таком подходе фи- зика оказы- вается пред- ставленной не только не- полно, но и заведомо не- адекватно. Предприни- м а в ш и е с я ранее не- м н о г о ч и с - Возможности компьютерного моделирования при обучении физике 6 ленные попытки частично решить указан- ную проблему за счет создания учебных фильмов ушли, по-видимому, безвозврат- но в прошлое. Использование компьютерного мо- делирования для демонстрации изучаемых явлений природы не должно рассматри- ваться как попытка подмены реального фи- зического эксперимента его “численной симуляцией”. Поле изучаемых явлений, не охваченное реальными демонстрациями столь велико, что ни о какой конкурен- ции с традиционными экспериментами не может быть и речи. В качестве аргумента в порой возникающих дискуссиях с за- щитниками “чистоты физического экспе- римента” можно предложить попытаться поставить реальный демонстрационный эк- сперимент, иллюстрирующий особеннос- ти движения астероида в гравитационном поле двойной звезды (рис.1) или реляти- вистского электрона в сонаправленных од- нородных электрическом и магнитном по- лях (рис.2) [1,2]. Несколько условный ха- рактер отображений результатов компью- терного моделирования вполне компенси- руется уже вполне доступными сегодня возможностями средств мультимедиа для Рисунок 2. Движение релятивистской заряженной частицы в сонаправленных электри- ческом и магнитном полях. (В правом окне – траектория в трехмерном пространстве, в двух левых – зависимости от времени одноименных проекций импульса и скорости). Рисунок 1. Траектория движения легкого космического тела в гравитационном поле двойной звезды. 7 одновременной демонстрации видеозапи- сей, дающих адекватное представление о реальном протекании явления или хотя бы оборудовании для его экспериментально- го изучения. Особое место занимает компьютер- ное моделирование в целях имитации ра- боты обучаемых на дорогостоящем лабо- раторном оборудовании, неквалифици- рованная работа на котором представля- ется абсолютно недопустимой. Создание подобных компьютерных тренажеров, дающих учащимся право на ошибку, может, на первый взгляд, пока- заться несколько примитивной по своей идее деятельностью, развивающей лишь механические навыки и поэтому малопри- годной для обучения физике. Однако в последние годы ситуация принципиально изменилась. Это связано с широким распространением физических приборов, использующих достаточно мощ- ные компьютеры для управления экспе- риментом, обработки и представления по- лученной информации. В качестве при- меров таких устройств можно привести оптические спектрометры, масс-спектро- графы, ускорители, туннельные микроско- пы. Реальная “физическая” часть прибо- ров такого типа нередко оказывается практически недоступной для пользовате- ля. Таким образом, оказывается возмож- ной весьма точная компьютерная имита- ция реальной работы исследователя, тем более, что в качестве источника инфор- мации, выводимой таким компьютерным макетом прибора, могут быть данные, ра- нее реально полученные на реальных при- борах и скорректированные программой компьютерного тренажера в соответствии с действиями обучаемого. В качестве при- мера серьезной попытки создания компь- ютерного имитатора сложного физическо- го прибора можно привести разработку Рисунок 3. Модели, используемые при анализе колебаний реального маятника: A) учет вязкого трения, B) учет сухого трения, C) “реальный” нелинейный маятник. 8 компьютерной модели инфракрасного спектрометра, ориентированного на изу- чение электронно-колебательно-враща- тельных спектров сложных молекул [3]. Кроме перечисленных возможнос- тей, весьма перспективным представляет- ся использование компьютерного модели- рования для наглядной иллюстрации тео- ретического материала. В этом случае ком- пьютер выступает в качестве весьма кон- курентоспособной альтернативы традици- онным в теоретической физике формулам, изображаемым на дос- ке при помощи мела. К несомненным пре- имуществам такого использования компь- ютера можно отнести более широкие воз- можности визуализа- ции результатов расче- тов (не только конеч- ные выражения в ана- литическом виде, но и графики, диаграм- мы, анимации). При этом компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте возможность ви- зуализации не реального явления приро- ды, а его упрощенной теоретической мо- дели с поэтапным включением в рассмот- рение дополнительных усложняющих фак- торов, постепенно приближающих эту модель к реальному явлению. В качестве примера можно привес- ти изучение колебаний маятника [4]. На пер- вом этапе рассматри- вается простейшая модель, допускающая аналитическое реше- ние задачи, предска- зывающая гармони- ческие незатухающие колебания. Учет сил вязкого трения не- Рисунок 4. Движение заряда в магнитном поле: A) простейшая модель классической частицы, не излучающей электромагнитных волн, B) сравнение движения частицы с высокой энергией, рассчитываемого по законам Ньютона и с учетом релятивистских эффектов. Приведены траектории частиц и графики зависимостей проекций их скорос- тей от времени. 9 сколько усложняет решение и делает оп- равданным его представление не только в аналитическом, но и в графическом виде. Введение в рассмотрение реально присут- ствующих в природе сил сухого трения и других нелинейных эффектов существен- но усложняет задачу, делает трудновыпол- нимым её полное аналитическое рассмот- рение. Компьютерное моделирование по- зволяет быстро продемонстрировать все заложенные в исходных уравнениях осо- бенности поведения приближенной к ре- альности системы (рис. 3). Аналогичную визуализацию на ком- пьютере поэтапного приближения физи- ческой модели к реальности можно про- демонстрировать на примере из другого раз- дела физики: движение релятивистских заря- женных частиц в магнитном поле (рис. 4). В качестве простейшего “нулевого” при- ближения можно ограничиться рассматри- ваемым в школьном курсе решением, по- лучаемым на основе учета в рамках клас- сической ньютоновской механики дей- ствия силы Лоренца. Траекторией части- цы оказывается винтовая линия с посто- янными шагом и радиусом. Учет релятивистских эффектов не- сколько усложняет аналитические выклад- ки и приводит к некоторому увеличению радиуса и шага винтовой линии по срав- нению с результатами классических рас- четов (попутно заметим, что визуальное сравнение траекторий частиц, одна из ко- торых подчиняется законам ньютоновс- кой, а другая - релятивистской механики, в реальном эксперименте принципиально невозможно!). В каче- стве заключительного шага улучшения физи- ческой модели пред- ставляется необходи- мым учет потерь части- цей энергии, вызван- ных излучением элект- ромагнитных волн в ре- зультате ее ускоренно- го движения вокруг ли- ний магнитного поля (так называемое ради- ационное трение). Как и ранее, компью- тер позволяет наглядно продемонстриро- вать различия результатов, получаемых в рамках часто используемого на практике упрощенного учета торможения излучени- ем (введение эффективной силы вязкого трения) и более точного приближения, данного Лоренцем [5]. Очевидно, что различные препода- ватели и учащиеся склонны отдавать пред- почтение различным способам использо- вания компьютерного моделирования в обучении. В связи с этим представляется целесообразным создание таких про- граммных продуктов, которые могли бы быть легко адаптированы к существенно различным замыслам преподавателей, учебным программам и курсам, различ- ным уровням подготовки учащихся. Одной из возможных форм реше- ния поставленной проблемы является раз- работка своеобразных “электронных кон- структоров” физических систем, позволя- ющих пользователю самостоятельно, не прибегая к использованию программиро- вания, конструировать подлежащие моде- лированию физические системы, выбирать способы визуализации результатов числен- ного моделирования их эволюции и уста- навливать физические приближения, в рамках которых это моделирование бу- дет осуществляться. Разумеется, что со- здание такого рода гибких конструкто- ров не исключает возможности разработ- ки на их базе вариантов учебных курсов не только пользователями, но и самими авторами. В качестве при- меров таких конструк- торов и создаваемых на их базе электронных учебников можно при- вести программы по двум разделам физики: “Движение частиц в си- ловых полях” и “Геомет- рическая оптика”, созда- ваемые в Санкт-Петер- бургском государствен- ном университете [6]. 10 Компьютерные имитации движения частиц в силовых полях с точки зрения методологии обучения представляются вы- игрышными по целому ряду соображений. Во-первых, постановка реальных аудиторных экспериментов или лаборатор- ных работ по указанной теме в большин- стве случаев кажется весьма проблематич- ной. Во-вторых, во многих интересных для теории и практики случаях траекто- рии частиц представляют собой весьма сложные кривые в трехмерном простран- стве, для адекватного восприятия которых требуется хорошее пространственное во- ображение обучаемых. Наконец, данный раздел физики ха- рактеризуется обилием часто используе- мых на практике упрощенных моделей (классическое и релятивистское прибли- жение, приближенный учет торможения при излучении и т.д.), специфические свой- ства которых могут быть легко визуализированы на компьютере. Э л е к т р о н н ы й учебник “Движение ча- стиц в силовых полях” создается в двух вари- антах. DOS - версия ориентирована на ис- пользование на IBM-со- вместимых компьюте- рах минимальной кон- фигурации. При разработке Windows – версии из- начально была выбрана ориентация на макси- мальные возможности компьютеров, доступ- ных сегодня индивиду- альным пользователям. Представляется целесообразным ос- тановиться подробнее на структуре уже практически законченной DOS- версии учебника, программный код которого по существу он представляет собой библио- теки математических моделей физичес- ких объектов типа “частица”, “поле”, “уп- ругая среда” и окон для отображения ин- формации в виде текстов, гипертекстов, рисунков, строящихся в процессе моде- лирования графиков, анимации и т.д. В соответствии с замыслом авторов или желанием пользователя, моделирова- ние движения частиц может осуществлять- ся на основе решения как уравнений дви- жения классической механики, так и ре- лятивистской физики. При этом числен- ное моделирование осуществляется в ре- зультате решения системы простых диф- ференциальных уравнений методом Рун- ге-Кутта четвертого порядка [7]. “Движение частиц в силовых полях” - пример компьютер- ного учебника, ориентированного на использование на ком- пьютерах минимальной конфигурации Рисунок 5. Фрагмент компьютерного варианта решения хо- рошо известной из школьного курса задачи о Пятачке и Вин- ни-Пухе (проблема попадания из заданной точки простран- ства в свободно падающее тело). Справа – движение тел в инерциальной системе отсчета, слева – в свободно падающей системе. 11 Отличительной чертой программы является реализованная в ней возможность введения в моделируемую систему объек- тов, законы взаимодействия которых с полями и друг с другом могут быть пере- определены самим пользователем. Таким образом, имеется принципи- альная возможность моделировать поведе- ние систем таких гипотетических объек- тов, как магнитные монополи, тахионы и т.п. Для отображения результатов моде- лирования по желанию пользователя мо- гут быть открыты окна с двумерной гра- фикой, отображающие зависимости от времени различных кинематических и ди- намических характеристик, составляющих моделируемую систему объектов и фазо- вые портреты движения. Окна трехмерной анимации главным образом используются для визуализации результатов численного моделирования в виде траекторий частиц в координатном пространстве или пространстве скоростей. Описанный “электронный конструк- тор” явился базой для создания электрон- ного учебника. Его материал скомпоно- ван в обучающие модули, каждый из ко- торых содержит краткую теоретическую справку, предоставляемую в виде гипер- текста с графическими иллюстрациями, набора компьютерных демонстраций клю- чевых для понимания темы явлений, ком- пьютерных лабораторных работ (заданий, представляющих собой набор вопросов, для ответа на которые учащийся должен самостоятельно выполнить небольшое ис- следование, включающее планирование, постановку численного эксперимента и ин- терпретацию его результатов) и компью- терных задач (заданий на постановку ком- пьютерного эксперимента, результаты ко- торого оговорены в условии), в ходе ре- шения которых проверяется качество ус- воения материала учащимся. Модульная структура учебника и на- личие материалов разной степени слож- ности позволяет его легко адаптировать к конкретным курсам физики (для школ и ВУЗов) и к индивидуальным способнос- тям обучаемых (рис.5). Помимо перечисленных материалов, учебник содержит средства для самостоя- тельной разработки оригинальных демон- страций и задач: редактор образов и фи- зических свойств объектов, редактор ра- бочего экрана, встроенный язык написа- ния сценариев разрабатываемой демонст- рации, простой механизм создания пояс- няющих гипертекстов.. В настоящее время описанная про- грамма прошла апробацию в реальном учебном процессе в СПбГУ, Международ- ном институте менеджмента, в филиале СПбГУ в городе Костомукша при чтении курсов общей физики и “Современные концепции естествознания”. По мнению автора, наибольший обучающий эффект достигается при использовании програм- мы в режиме показа лекционных компь- ютерных демонстраций при наличии ап- паратуры, позволяющей проектировать изображение дисплея компьютера на эк- ран больших размеров. Индивидуальная работа учащихся с программой в большинстве случаев закан- чивается постепенным переходом к бес- смысленной с точки зрения изучения фи- зики игре по конструированию новых си- стем в соответствии с принципом “давай- те добавим еще что-нибудь”. Приятной неожиданностью для ав- торов программы оказалась реальная воз- можность ее использования не только в чисто учебных целях, но и в исследова- ниях по прикладной тематике. Пакет использовался для анализа характера дрейфа заряженных коллоид- ных частиц в вязкой среде при наличии пространственно неоднородного перемен- ного во времени электрического поля, предварительного тестирования ряда про- странственно неоднородных конфигура- ций магнитных полей, предлагаемых для удержания горячей плазмы и для изуче- ния эффекта группировки электронов в современных типах магнетронных гене- раторов. 12 При разработке Internet - совмести- мой версии учебника “Законы движения” поставлена задача максимального исполь- зования возможностей современных ком- пьютеров, доступных индивидуальным пользователям на сегодняшний день, а так- же ориентация на ее использование в ре- жиме удаленного обучения. Содержатель- ная часть учебника включает гипертексты HTML, аудио- и видеоинформацию и пол- нофункциональные сетевые приложения Java1.1, обеспечивающие возможность моделирования изучаемых физических явлений в режиме реального времени. Дан- ная реализация моделирующей програм- мы допускает свое встраивание в HTML- страницы и предоставляет пользователю возможность не только наблюдать резуль- таты разработанных авторами компьютер- ных экспериментов, но и самостоятельно конструировать из готовых объектов ори- гинальные физические системы, подлежа- щие моделированию. Учитывая сложный характер трехмерных траекторий, неред- ко возникающих при движении частиц в силовых полях, при создании данной вер- сии учебника оказалось целесообразным использование трехмерной графики (рис.6). Разработанный автором настоя- щего раздела обзора оригинальный про- граммный модуль визуализации трехмер- ного поведения по существу представля- ет собой стандартно описанную Java1.1- библиотеку, что обуславливает возмож- ность его использования в сетях. Несомненно, что выбор языка - ин- терпретатора Java может вызвать скепти- ческое отношение у ряда программистов “старой закалки”, до сих пор считающих несовместимыми понятия “интерпретатор” Рисунок 6. Пример java – аплета, моделирующего движение заряженных частиц в маг- нитном поле. Князев Михаил Владимирович Java-технологии и компьютерное моделирование физических процессов для Internet. 13 и “вычислительная математика”. Подоб- ные заявления были вполне оправданы всего несколько лет назад, когда техно- логия компиляторов времени выполнения (JIT) не была развита. На сегодняшний день стандартный пакет Java включает в себя JIT, повышающий производитель- ность в несколько раз (например, ско- рость выполнения математических опера- ций практически не отличается от анало- гичных действий в С++). Современные воз- можности пакета Java [8] в принципе по- зволяют реализовать практически все, что до сих пор традиционно создавалось на C/C++ или Delphi, а также реализовать приложения, использующие всю нараста- ющую мощь Internet. Открывается перс- пектива организации сетевой виртуальной физической лаборатории, в которой од- новременно могут проводить эксперименты фактически неограниченное число бригад студентов из разных университетов мира. Причем, любой из студентов сможет в ре- альном режиме времени не только наблю- дать за своими действиями и действиями своих коллег в такой лаборатории, но и общаться с ними с помощью текстовых сообщений или, если позволит связь, по компьютерному же видеотелефону. Читателю, усомнившемуся в реаль- ности описанных перспектив, можно предложить посетить сайт с адресом www.aec.neva.ru/java, где расположена страничка с примером аплета, предостав- ляющего пользователю возможность само- стоятельной постановки виртуальных эк- спериментов по теме “Движение заряжен- ной частицы в трёхмерном пространстве в гравитационном, электрическом и маг- нитном полях под действием диссипатив- ных сил”. Для запуска программы имеет- ся картинка с надписью “Fly”. Данная про- грамма может быть запущена на персо- нальных компьютерах PC – Pentium-100, 16M RAM; Mac – PowerPC-66, 16M RAM под операционными системами Windows 95, 98, NT 4.0 и выше, MacOS x.x. В слу- чае отсутствия на компьютере пользова- теля стандартной Java-библиотеки “Swing”, следует приготовиться к тому, что описанный аплет будет загружаться при- мерно 20 минут. Константин Павлович Колинько “Оптический конструктор” - пример моделирующей программы Рисунок 7. Пример расчета преломления параллельного светового пучка в тонкой линзе: а) точный расчет в рамках геомет- рической оптики, б) параксиальное прибли- жение. Моделирование явлений, изучаемых в рамках геометрической оптики, являет- ся хорошим примером поэтапного при- ближения к реальности при визуализации известных простых физических моделей. Разработка электронной моделиру- ющей программы-учебника по курсу гео- метрической оптики “Оптический конст- руктор” была начата уже после того, как авторами был накоплен определенный опыт работы по созданию аналогичной продукции в области моделирования дви- жения частиц в силовых полях. Эта про- грамма изначально разрабатывается для операционной системы Windows и исполь- 14 зует многие предоставляемые ею возмож- ности. Основу моделирующей части учеб- ника составляют библиотеки объектов, мо- делирующих реальные элементы оптичес- ких систем лучевой оптики, например, от- ражающие, преломляющие и поглощаю- щие поверхности первого и второго по- рядков, источники и приемники света, среды с переменным показателем прелом- ления. Только перечисленных объектов оказывается достаточно для создания прак- тически неограниченного набора демон- страций и задач не только по элементар- ной физике, но и по серьезным курсам по оптике, читаемым для будущих про- фессионалов в этой области. Набор биб- лиотек объектов, используемых програм- мой, не является ни фиксированным, ни жёстко ограниченным. Подключение но- вых библиотек не требует перекомпиля- ции самой программы. Используя разные библиотеки объектов, можно легко адап- тировать программу к самым разнообраз- ным условиям применения, включая и возможность проведения научных расчё- тов. Такой модульности структуры про- граммы удалось добиться благодаря исполь- зованию объектно-ориентированного про- граммирования и технологии динамичес- кого связывания (DLL). (а) (б) Рисунок 9. Анализ устойчивости лазерно- го резонатора. Устойчивый резонатор (а) при увеличении расстояния между его зер- калами превращается в неустойчивый (б). Рисунок 8. Схема образования радуги. На рисунке показан ход параллельного моно- хроматического пучка света в капле воды. Области сгущения лучей соответствуют усилению света, приводящему к появлению более яркой радуги на фоне светлого неба. Радуга Капля воды Солнечный свет 15 В настоящее время разрабатывает- ся набор компьютерных демонстраций по следующим темам: “Основные законы гео- метрической оптики”, “Центрированные оптические системы”, “Принцип Ферма”, “Оптические приборы”, “Аберрации”, “Поверхности второго порядка”, “Свето- воды”, “Оптические резонаторы”, “Опти- ческие иллюзии”, “Оптические явления в атмосфере”. В отличие от многих других суще- ствующих программ, состоящих из набо- ра демонстраций и позволяющих лишь из- менять предусмотренный набор парамет- ров в заданных пределах, данная програм- ма позволяет практически неограниченно изменять сами демонстрации, в том числе и добавлять в неё любые новые объекты. Это отражено словом “конструктор” в её названии. Любой пользователь, как пре- подаватель, так и ученик, взяв за основу любую из приложенных демонстраций либо просто начав с “чистого листа”, мо- жет создать собственный модельный экс- перимент, описывающий интересующую его задачу. Отличительной особенностью данной программы является отсутствие традици- онного для инженерных расчетов опти- ческих систем параксиального приближе- ния: расчет траекторий лучей осуществ- ляется в соответствии с точными закона- ми геометрической оптики (рис. 7). Та- кой подход в случае расчета сложных оп- тических систем оказывается более пред- почтительным, так как не требует после- дующих трудоемких уточнений путем уче- та аберраций (поправок третьего, пятого порядков). Дальнейшее развитие моделирующей части учебника планируется осуществлять путем включения в него новых объектов, моделирующих диспергирующие и нели- нейные среды. Кроме этого, представля- ется целесообразным введение еще как минимум двух типов объектов, моделиру- ющих световые потоки: параксиальные лучи и гауссовы пучки. Предполагается ввести учёт потерь интенсивности при пре- ломлении света (формулы Френеля) и учёт поляризации света. Одновременное пост- роение на экране параксиальных пучков и лучей, распространяющихся по “точным траекториям” (разумеется, в рамках при- ближения геометрической оптики) позво- лит наглядно демонстрировать возможно- сти и недостатки использования паракси- ального приближения для расчетов реаль- ных систем. Введение же в конструктор объектов типа гауссовых пучков позво- лит существенно расширить круг решае- мых с его помощью задач за счет учета явления дифракции. В качестве примера заведомо непа- раксиальной задачи можно привести де- монстрацию по теме “Классическая тео- рия радуги” [9]. Результаты моделирова- ния хода лучей в капле воды (рис. 8) по- Рисунок 10. Анализ устойчивости лазер- ного резонатора с линзой. Рисунок 11. Анализ устойчивости непа- раксиальных лучей в конфокальном лазер- ном резонаторе. Наблюдается существо- вание внутренних каустик. 16 Н А Ш И А В Т О Р Ы Литература. 1. Бутиков Е.И. Движение планет и спутников. Законы Кеплера. Сер. Компьютерные модели в физике // Изд-во ЦПО "Информатизация образования". - СПб: 1995, 60с. 2. Чирцов А.С. Многоцелевой компьютерный учебник по фундаментальному курсу физики. Раздел: "Движение частиц в однородных силовых полях" // Вестник С.-Петер- бургского ун-та, сер. 4 (физ., хим.), вып.1 (N4), февр.1997, с.103-106. 3. Григорьев И.М., Денисов Г.С., Тарабухин Е.В. Учебная лаборатория по физике и химии: имитационные модели спектральных приборов в реальном времени // В сб. “Информационные технологии в образовании (тезисы 8 Межд. конф. выставки Моск- ва 1998 г.) - Направление "Е", с. 29. 4. Бутиков Е.И. Физика колебаний // Сер. "Компьютерные модели в физике". - СПб: Изд-во Ин-та новых технологий, 1993, 115 с. 5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. "Теоретическая физика", т. 2. - М: "Наука", 1988, с.270. 6. Чирцов А.С., Колинько К.П., Никольский Д.Ю. Многофункциональный компьютер- ный учебник по фундаментальному курсу физики. Разделы: "Движение частиц в сило- вых полях", "Релятивистская динамика", "Геометрическая оптика" // В сб. Тр.IV Межд. Конф. "Физика в системе современного образования". - Волгоград: 1997. 7. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. // Наука, М., 1966 г., 632 с. 8. Моррисон М. Java 1.1. Энциклопедия пользователя. // Пер. с англ., ДиаСофт, 1998, 784 с. 9. Хюлст, В. Рассеяние света малыми частицами. - М: Изд-во иностр. лит., 1961, 536 с. Чирцов Александр Сергеевич, кандидат физ.-мат. наук, доцент физического факультета СПбГУ. Князев Михаил Владимирович, студент факультета информатики и вычислительной техники СПбГЭТУ. Колинько Константин Павлович, студент физического факультета СПбГУ. казывают, что в результате их отражений и преломлений в пространстве образуют- ся конические поверхности, вблизи кото- рых происходит группировка лучей и, сле- довательно, усиление света. Именно этот эффект позволяет наблюдать радугу на фоне светлого неба. В качестве примеров использования “Оптического конструктора” при прове- дении наукоемких расчётов можно при- вести компьютерное моделирование при изучении проблемы устойчивости резона- торов оптических квантовых генераторов (лазеров) (рис. 9), расчеты по согласова- нию резонаторов друг с другом и с внут- рирезонаторными оптическими элемента- ми (рис. 10). Несколько неожиданным для специалистов в указанной области оказа- лось наличие внутренних каустик (рис. 11). Несмотря на всю свою сложность, программа нормально работает даже в среде Windows 3.1 с оперативной памя- тью от 4 Мб. |