Методическая разработка урока по информатике на тему "Моделирование физического процесса"

Методическая разработка урока по информатике
по теме «Моделирование физического процесса»

Цель урока: научиться выделять этапы моделирования; уметь формулировать основные задачи на каждом этапе моделирования.

Задачи урока:

- обучающая: отработать навыки построения модели, повторить знания, умения и навыки при работе с мастером диаграмм в Excel, отработать навыки работы с абсолютными и относительными ссылками при копировании формул;

- воспитательная: расширения кругозора, воспитание информационной культуры;

- развивающая: умение анализировать и строить обобщения, развитие логического мышления.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний, умений и навыков.

Вид урока: интегрированный (информатика + физика).

Используемые образовательные технологии:

• развивающее обучение;

• проблемное обучение;

• технология исследовательских методов в обучении;

• педагогика сотрудничества.

План урока:
1. Повторение пройденного материала (фронтальный опрос).
2. Построение модели динамического процесса по этапам.
3. Домашнее задание.
4. Подведение итогов, выставление оценок.

Ход урока.

1. Повторение пройденного материала.

На предыдущих уроках мы говорили о роли и месте моделирования в научном познании мира. Изучать окружающий мир без построения и исследования моделей невозможно. Моделирование всегда предшествует любому делу в той или иной форме. Оно позволяет принимать обоснованные решения о том, как усовершенствовать существующие объекты, надо ли создавать новые, как изменять процессы управления и, в конечном итоге, - как менять окружающий мир в лучшую сторону.

Вопросы для повторения:

• Что такое модель?

• В каких случаях необходимо создавать модель?

• Что такое моделирование?

• Какими бывают модели с учетом фактора времени?

• По способу представления модели можно разделить на …

• Моделью арбуза может быть …

• Вербальные модели – примеры.

• Моделью учебного процесса в гимназии может быть …

Моделирование – процесс творческий, и заключить его в формальные рамки практически невозможно. Но можно выделить основные этапы построения модели. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования, поэтому какой-то этап может быть убран, а какой-то добавлен.

2. Построение модели динамического процесса по этапам.

Рассмотрим этапы моделирования на конкретном примере: с самолета прыгает парашютист. Необходимо построить изменение во времени скорости его полета и координаты.

Историческая справка.

Кстати, знаете ли вы историю создания парашюта и парашютного спорта?

Первым идею парашюта представил Леонардо да Винчи. В 1483 году он нарисовал эскиз пирамидального парашюта. И сопроводил словами: «Если у человека есть шатёр из накрахмаленного полотна шириной в 12 локтей и вышиной в 12, то он сможет бросаться с любой высоты, без опасности для себя». (Локоть — старая единица измерения, в России упоминается в ​литературных источниках с XI в. Не имела определённого значения и ​примерно соответствовала расстоянию от локтевого сустава до конца ​вытянутого среднего пальца руки. 1 локоть приблизительно равен полуметру).

Поверхность предложенного Леонардо да Винчи устройства для спуска человека была около 60 кв.м. Эти данные близки к современному парашюту для людей. Отсутствие практической надобности в применении парашюта служило препятствием для изобретения и совершенствования таких снарядов, и только развитие воздухоплавания и частые катастрофы побудили изобретателей вплотную заняться созданием аппарата для благополучного спуска человека с большой высоты.

Впервые построил и испытал такой аппарат французский физик Ленорман, который и дал ему название — «парашют» (от греческого «пара» — против и французского «шюте» — падение). Вначале парашюты изготавливались в виде зонтов из прорезиненной ткани и были очень несовершенны, занимали очень много места, так как были нескладывающимися.

Первый человек, который добровольно прыгнул с парашютом с воздушного шара, был французский аэронавт Андре-Жак Гарнерен, это случилось 22 октября 1797 года. Его прыжок с высоты 400 метров над парижским парком Монсо был первым парашютным прыжком в Европе. Присутствовавший на этом прыжке физик, увидев, как раскачивается парашют Гарнерена, предложил сделать небольшое отверстие в центре купола, чтобы воздух выходил через него. Гарнерен согласился, и с тех пор на любом круглом парашюте есть полюсное отверстие.

В начале XX века немка Кетэ Паулюсь изобрела складной парашют. Она одна из первых женщин-парашютистов.

В 1911 году русский военный, Котельников, под впечатлением увиденной им на Всероссийском празднике воздухоплавания в 1910 году гибели русского лётчика капитана Мациевича, изобрёл принципиально новый парашют РК-1. Парашют Котельникова был компактен. Его купол был изготовлен из шёлка, стропы разделялись на 2 группы и крепились к плечевым обхватам подвесной системы. Купол и стропы укладывались в деревянный, а позднее алюминиевый ранец. В 1912 году Котельников первый запатентовал ранец для укладки парашюта.

За 1917 год в русской армии было зарегистрировано 65 спусков с парашютами, 36 — для спасения и 29 добровольных. После революции первый, вынужденный прыжок с самолёта был выполнен 23 июня 1927 года лётчиком-испытателем М. М. Громовым, впоследствии Героем Советского Союза.

Датой начала развития массового парашютного спорта в нашей стране является 26 июля 1930 года. В этот день в Воронеже на Аэродроме начались первые прыжки военных лётчиков.

Уже давно, в течение почти 25 лет в авиационных организациях успешно эксплуатируются новые спортивные парашюты типа «крыло». Успешно развиваются новые виды парашютного спорта, получая всеобщее признание, как на мировой арене, так и в России. Это парашютное многоборье, групповая и купольная акробатика, скайсерфинг.

Вернемся к нашей задаче. На 1-ом этапе («Постановка задачи») необходимо сформулировать задачу, т. е. ту проблему, которую предстоит решить. Проблема формулируется на обычном языке, описание должно быть понятным (1-й шаг – описание задачи). В нашем случае задачей является исследование прыжка парашютиста (рис_1).

рис_1

Затем нужно разобраться, для чего будет создаваться модель (2-й шаг – цель моделирования). В нашем случае предстоит построить зависимости скорости и координаты от времени полета для того, чтобы иметь возможность в дальнейшем прогнозировать различные неблагоприятные ситуации, которые могут возникать у парашютиста (рис _3).

рис _1

Следовательно, следующим шагом (3-й шаг - анализ объекта) должен быть анализ объекта, при котором необходимо четко выделить его основные свойства и характеристики (рис_4).

слайд_1

слайд_1

слайд_1

2 этап – «Разработка модели».

Т. к. мы проанализировали наш объект, то можно приступить к построению его информационной модели (1-й шаг - информационная модель), т. е. описать в какой-либо форме те свойства и характеристики, которые являются наиболее существенными для предмета нашего исследования. Ими являются – масса парашютиста, его начальные скорость, ускорение и координата, а также такая характеристика парашюта как сопротивление воздушному потоку (рис_5,6).

Теперь, когда перечислены все необходимые для построения модели характеристики, требуется связать их между собой какими-либо расчетными формулами, т. е. представить нашу модель в знаковой форме (2-й шаг – знаковая модель, рисы_7-10).

слайд_1

слайд_1

слайд_1

слайд_1

слайд_1

слайд_1

Так как на сегодняшний день компьютер стал основным инструментом исследователя, поскольку позволяет делать наброски, чертежи, схемы, писать формулы и производить вычисления, то и мы воспользуемся прикладной компьютерной средой для решения нашей задачи. Поэтому следующим шагом (3-й шаг - компьютерная модель) на данном этапе будет построение компьютерной модели в среде табличного редактора Excel (последовательно разбираем построение компьютерной модели - рисы_11-18).

слайд_1

слайд_1

слайд_1

слайд_1

слайд_1

слайд_1

После того, как компьютерная модель готова, мы переходим к 3-му этапу – «Компьютерный эксперимент». Наша задача на данном этапе – проверить работоспособность созданной модели и убедиться в ее правильности.

Для компьютерного эксперимента необходимо задать начальные значения всех входящих в модель величин (рис_13) и произвести расчет изменения нужных нам характеристик во времени (рис_18).

Следующий шаг – проверка правильности созданной модели, т. е. ее тестирование. В нашем случае необходимо обратиться к источникам (специальной литературе по парашютизму), в которых приведены конкретные значения скорости полета среднестатистического парашютиста через определенные промежутки времени. Если наши результаты совпадают с данными источника, то мы делаем заключение – созданная нами модель верна. (В данном уроке для компьютерного эксперимента взяты конкретные среднестатистические данные: масса парашютиста вместе с парашютом m=120 кг и коэффициент сопротивления купола парашюта воздушному потоку k=30 кг/с)

На последнем, 4-ом этапе («Анализ результатов моделирования») необходимо принять решение - соответствуют ли полученные результаты поставленной цели. Основой для принятия решения служат результаты тестирования. Если тестирование показывает правильность созданной модели, то она может быть использована для решения дальнейших задач. Например, зная предельную безопасную скорость приземления, можно вычислить, каков максимально или минимально возможный вес парашютиста, прыгающего с данным парашютом: Или – с какой минимально допустимой высоты может прыгнуть парашютист без риска для жизни? Все эти вопросы можно решить путем проведения компьютерного эксперимента над созданной моделью при различных исходных данных.

3. Домашнее задание.

Необходимо в тетради заготовить таблицу, которая будет содержать исходные данные (массу парашютиста m, коэффициент сопротивления воздушному потоку парашюта k, интервал изменения времени d) и таблицу для вычислений, в которой в первой строке записать исходные значения изменяющихся параметров (времени t, скорости v, ускорения a, координаты х), а во второй – формулы, необходимые для вычислений.

4. Подведение итогов.

Итак, в итоге к следующему уроку будет построена компьютерная модель динамического процесса. Нам останется провести компьютерный эксперимент, а затем и тестирование полученной модели. На основе тестирования мы с вами примем решение – является ли созданная модель правильной или в ней есть ошибки. Если ошибки были допущены, необходимо проанализировать - на каком этапе это произошло, и произвести корректировку модели.

Список источников

• Л.Л. Босова, А.Ю. Босова. Информатика и ИКТ. 9 класс. Издательство Бином. 2015

• Кашапов Ю.А. «Моделирование физических процессов» sch285.kzn.ru/metodkopilka/kashapov/modelirovane.htm

• Поляков К.Ю. Модели и моделирование, – http://kpolyakov.narod.ru/index.htm

• Соколова О.Л. Поурочные разработки по информатике. Москва. ВАКО. 2008