ABOUT THE USE OF MATHCAD IN PHYSICS CLASSES
ABOUT THE USE OF MATHCAD IN PHYSICS CLASSES
Sergei Kikhtenko
candidate of technical sciences, associate Professor, Taganrog Institute named after A. P. Chekhov (branch) of RSUE,
Russia, Taganrog
Konstantin Sushkin
Taganrog Institute named after A. P. Chekhov (branch) of RSUE,
Russia, Taganrog
О ПРИМЕНЕНИИ MATHCAD НА ЗАНЯТИЯХ ПО ФИЗИКЕ
Кихтенко Сергей Николаевич
канд. техн. наук, доц., Таганрогский институт имени А.П. Чехова (филиал) РГЭУ (РИНХ),
РФ, г. Таганрог
Сушкин Константин Юрьевич
доц., Таганрогский институт имени А.П. Чехова (филиал) РГЭУ (РИНХ), РФ, г. Таганрог
В настоящее время происходит повсеместное внедрение компьютерных технологий в различные сферы жизнедеятельности человека. Обучающиеся, как будущие специалисты, обязаны готовиться к работе с компьютерами. Наличие у обучающихся компетенций по использованию возможностей компьютерной техники, умений и навыков по внедрению полученных знаний в практическую работу, считается важным фактором для учебы и дальнейшей работы по специальности.
Важным плюсом использования компьютерных технологий при решении физических задач считается возможность решать не только лишь простые из них, но и задачи более трудные. В то же время, есть возможность представлять решения задач в наглядном виде с поддержкой графиков, рисунков, анимаций. Это связано с тем, что использование более четких моделей, описывающих различные физические явления, приводят к усложнению математического аппарата, использующегося для решения задач.
Внедрение системы Mathcad при решении задач физики обусловлено наличием дружеского интерфейса, обычной записью математических формул, условной легкостью и понятностью производимых операций [1]. Всевозможные версии Mathcad считаются математически нацеленными универсальными системами. Кроме именно вычислений, как численных, например, и аналитических, они дают возможность рассматривать и трудные оформительские задачи. С поддержкой Mathcad возможно готовить заметки, научные доклады, дипломные, расчетно-графические, курсовые работы не только лишь с высококачественными текстами, но и с просто осуществляемым набором самых трудных математических формул, графическим представлением итогов вычислений и анимированными примерами. Присутствие пакетов расширения обеспечивает профессиональную ориентацию Mathcad на конкретную область науки, техники и образования.
Использование компьютерных технологий, а также системы Mathcad, при решении физических задач (например, в механике, электродинамике) позволяет привести к минимальному количеству образующихся математических проблем, повысить иллюстративность получаемых результатов, переложить на машину вычислительную работу, развивать новые направления учебно-исследовательской работы обучающихся.
Таким образом актуальность более глубокого внедрения в процесс обучения доступных математических пакетов, обладающих дружественным интерфейсом, аналитическими и наглядными графическими возможностями, в частности Mathcad, является очевидной.
В современной концепции школьного образования ставится задача формирования у выпускников навыков работы с мультимедийными ресурсами и современными технологиями. Поэтому неотъемлемой частью методики преподавания физики являются информационные и коммуникационные технологии (ИКТ). Повышение качества обучения связано с улучшением технологий и методов обучения, что связано с применением учителем на уроках комплекса современных технологий.
Школьные учителя часто делают акцент именно на мультимедийных средствах обучения, и работа с ИКТ сводится к созданию презентаций учителем и учениками. Необходимо расширить область применения информационных технологий, использовать материал, включающий в себя работу с базами, комплексами данных, алгоритмам, обучение логическому мышлению.
Работа с Mathcad может быть использована на уроках в школе по двум направлениям: использование в качестве наглядного пособия и использование как среда для решения задач учениками.
В первом случае учитель может решить задачу в программе Mathcad, используя происходящее на экране компьютера («Экранная камера»), а на уроке продемонстрировать ученикам получившееся видео, комментируя процесс решения. Это удобно в том случае, если на школьных компьютерах не установлена программа Mathcad. Если же данное программное обеспечение присутствует на компьютере учителя, то представляется возможным вводить данные в режиме реального времени – то есть учитель решает задачу в Mathcad, а учащиеся делают необходимые записи в свои тетради.
Во втором случае, программа Mathcad должна быть установлена на компьютерах, предназначенных для учащихся. При этом, учитель должен сначала показать учащимся основы использования программы Mathcad. Это возможно сделать как на отдельных уроках физики, так и согласовав это с учителем информатики, на уроках информатики. После этого необходимо объяснить структуру каждой задачи, особенности ввода данных и расстановки формул.
Рассмотрим методику использования пакета Mathcad при решении некоторых задач.
При изучении понятия потенциала и напряженности в учебниках подробно рассматриваются поля, создаваемые одним или двумя зарядами. С помощью программы Mathcad возможна демонстрация электростатического поля, создаваемого системой зарядов, например, моделью двух близко расположенных заряженных пластин.
В теме «Магнитное поле» присутствуют иллюстрации силовых линий, которые образуются вокруг прямолинейного проводника с током. Пакет Mathcad предоставляет возможность показать линии магнитного поля, образующиеся вокруг витка с током (рис.1), а также направление вектора магнитной индукции в каждой точке магнитных линий [6].
Объясняя учащимся расчет электрических цепей методом эквивалентных сопротивлений, педагог использует простые примеры, состоящие из трех сопротивлений. Но чтобы закрепить знания учеников, необходим расчет цепей с большим количеством сопротивлений. Если учитель будет последовательно изображать цепи на доске, это займет большое количество времени. А Mathcad позволяет наглядно показать, какие сопротивления заменяются эквивалентными, повышает скорость расчета электрических цепей [5]. Позже, когда учащиеся изучат закон Ома для полной цепи, есть возможно добавить в рассчитываемую цепь источник тока с внутренним сопротивлением и наглядно показать, на что расходуется энергия в этой электрической цепи.
Использование решения задачи о движении заряженной частицы в магнитном поле возможно не только в соответствующей теме, но и при изучении радиоактивного распада (рис.2).
В вузе пакет Mathcad используется при изучении дисциплины «Моделирование физических процессов в электродинамике», где наряду с собственными разработками [2], [3], [4], используются различные наработки других авторов по компьютерному моделированию физических процессов [5], [6].
Рисунок 1. Распределение единичных векторов магнитной индукции витка с током
Безусловным достоинством Mathcad является возможность создания анимационных роликов, с последующим их сохранением как видеофайлов, которые можно затем просматривать на занятиях. В электродинамике наиболее подходящим для этого является раздел, в котором рассматривается движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях (рис.2).
Рисунок 2. Траектория частицы, влетающей в постоянное магнитное поле под небольшим углом к вектору магнитной индукции
При этом можно варьировать значения различных физических величин, входящих в расчетные формулы, получая множество разных моделей движения этих частиц, и записывать их в видеофайлы. Их целесообразно использовать и в школе, например, на уроках открытия новых знаний, обретения новых умений и навыков, изучая движение заряженных частиц в постоянном магнитном поле на основании правила Лоренца и др.
Подводя итог выше сказанному, хотелось бы отметить, что математический пакет Mathcad с его вычислительными и графическими возможностями может стать важным и полезным инструментом для обучающихся и преподавателей на занятиях по дисциплинам физического цикла.
Список литературы:
- Кирьянов Д.В. Mathcad 15/ Mathcad Prime 1.0.СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 432 с.
- Кихтенко, С.Н. Моделирование стационарных задач теплопроводности в учебном процессе// «САПР и моделирование в современной электронике» Сб. трудов IV Международной научно-практической конференции Брянск, 2020. изд. БГТУ. С.381-382.
- Кихтенко, С.Н. Моделирование физических процессов в Mathcad при изучении электродинамики // «САПР и моделирование в современной электронике» Сб. трудов II Международной научно-практической конференции Брянск, 2018. изд. БГТУ. С.122-124.
- Кихтенко, С.Н. Применение пакета Mathcad при изучении тепловых процессов// «САПР и моделирование в современной электронике» Сб. трудов II Международной научно-практической конференции Брянск, 2018. изд. БГТУ. С.119-121.
- Любимов Э.В. Mathcad. Теория и практика проведения электротехнических расчетов в среде Mathcad и Multisim. СПб.: Наука и техника, 2012. 400с.
- Поршнев С.В. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием пакета MathCad: учебное пособие. М.: Горячая линия-Телеком, 2002.252 с.