Изучение информатики через физику

Введение

Актуальность темы. Использование методов информатики в процессе решения физических задач обеспечивает, с одной стороны, лучшее понимание физических процессов за счет создания их информационных моделей, и с другой стороны, способствует активному усвоению информационных технологий (ИТ). Большее количество публикаций посвящено очевидным преимуществам использования ИТ при изучении физики. Тема этого реферата рассматривается в основном с методических позиций: как вовлечь школьника или студента, изучающих физику, в освоение ИТ.
Целью работы является поиск возможностей развития информационных навыков в процессе изучения физики.
Задачи исследования: 1) рассмотреть характер современных физических исследований и определить место информационных технологий в них; 2) определить степень использования информационных технологий в преподавании физики; 3) рассмотреть примеры встраивания в курс физики методов работы с информацией.
Объектом исследования является параллельный процесс изучения информатики в курсе физики.
Методика исследования: теоретический анализ литературы, разработка примеров, иллюстрирующий выбранный подход к обучению.
Степень изученности: Достаточно хорошо изучен вопрос применения ИТ в преподавании физики.

1 Характер физических исследований и генерация информации в современной науке

О математическом моделировании. Результаты математического моделирования сейчас влияют на жизнь каждого человека. От политики государств, опирающейся на математические модели экономики и стратегической стабильности (вспомним модель «ядерной зимы») до новых технологий, обеспечивающих телекоммуникации и производство новых товаров, создание лекарств и торговлю на биржах.
В 50-е гг. 20-го века началась научная революция, коренным образом изменившая роль вычислительной математики в науке и технологии. Это было связано с двумя крупными проектами – созданием ядерного оружия и освоением космоса. Сложность этих задач делало их недоступными для стандартных приемов теоретической физики (не говоря уже о натурных экспериментах). Возникла новая технология научных исследований – вычислительный эксперимент. Основоположником методологии вычислительного эксперимента академиком А.А. Самарским была предложена знаменитая триада «модель – алгоритм – программа» и разработана технология компьютерного эксперимента [2, с.13]. Пример нового физического явления, обнаруженного в ходе вычислительного эксперимента в 1968 году группой сотрудников Института прикладной математики, - эффект Т-слоя в плазме. Он был внесен в Государственный реестр открытий СССР, а в натурном физическом эксперименте он был обнаружен только спустя несколько лет.
Технологический прорыв в наномир (1нанометр = 10-9 м) стал возможен после изобретения в 1981 году сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) Г. Биннигом и Г. Рорером из швейцарской лаборатории IBM. За это изобретение они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 году. СЗМ (англ. SPM — Scanning Probe Microscope) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением (до долей нанометра). Смещение зонда на такие «нано-расстояния» обеспечивалось пьезоэлементами, а управление установкой, сбор и первичную обработку данных осуществлял компьютер. Однако, несмотря на тщательную калибровку прибора, результирующее изображение бывает сильно зашумлено, и чтобы увидеть изображение поверхности, требуется его обработка.
По рассказам студента-дипломника одного из российских вузов, которому в 1997 году было поручено написать программу по обработке первичных изображений, полученных на СЗМ, он испытывал такие же чувства, как и начинающий фотограф при проявлении первой фотопленки. Работа началась с попытки применить любимую физиками (особенно радиоэлектрониками) Фурье-фильтрацию изображения. Однако значимых результатов удалось достичь применением нового математического аппарата – вейвлет-анализа (в частности, ортогональных вейвлетов Добеши). Интересно, что теория вейвлет-анализа (с учетом реализации на компьютере) была разработана лишь в 80-х годах прошлого века.
В конце XX века появляются инструментальные средства по вейвлетам в системах компьютерной математики Mathcad, MATLAB и Mathematica. Вейвлеты стали широко применяться в технике обработки сигналов и изображений, в частности, для их компрессии и очистки от шума. Были созданы интегральные микросхемы для вейвлет-обработки сигналов и изображений. В 2000 году появился новый международный стандарт сжатия изображений JPEG 2000, в котором сжатие осуществляется при помощи разложения изображения по базису вейвлетов. Сохраняя файл изображения в формат *.jpg , пользователь не знает, какой алгоритм сжатия изображения используется.
Любопытный пример взаимопроникновения наук (математики, архитектуры и химии) представляет собой история открытия фуллеренов. В 1985 году группа исследователей — Р.Керл, Х.Крото, Р.Смолли, Хис и О’Брайен — исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении твёрдого образца, и обнаружили пики с максимальной амплитудой, соответствующие кластерам состоящими из 60 и 70 атомов углерода. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С60 и С70 и выдвинули гипотезу, что молекула С60 имеет форму усечённого икосаэдра. Для молекулы С70 была предложена структура с более вытянутой эллипсоидальной формой симметрии. Полиэдрические кластеры углерода получили название фуллеренов, а наиболее распространённая молекула С60 — бакминстерфуллерена, по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии.
А после открытия фуллерена, как четвертой модификации углерода (в добавок к углю, графиту и алмазу) была открыта и пятая форма - графен. Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединённых в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью. За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. Гейму и К. Новосёлову, выпускникам МФТИ, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.
Нельзя не упомянуть, что современные лабораторные установки управляются сложнейшими программно-техническими комплексами, без которых проведение натурного эксперимента просто невозможно

. Примером является Большой адронный коллайдер (LHC). Экспериментальный результат по проверке Стандартной модели элементарных частиц был получен в 2013 году (подтверждение бозона Хиггса, предсказанного им в 1964 году). Нобелевская премия 2013 года по физике была получена Франсуа Энглером и Питером Хиггсом за предсказание этого бозона.

Примерно в это же время в астрофизике произошло событие, которого ждали десятилетия. После полувека поисков наконец-то открыты гравитационные волны, колебания самого пространства-времени, предсказанные Эйнштейном сто лет назад. 14 сентября 2015 года обновленная обсерватория LIGO зарегистрировала гравитационно-волновой всплеск, порожденный слиянием двух черных дыр с массами 29 и 36 солнечных масс в далекой галактике на расстоянии примерно 1,3 млрд световых лет. Гравитационно-волновая астрономия стала полноправным разделом физики; она открыла нам новый способ наблюдать за Вселенной и позволит изучать недоступные ранее эффекты сильной гравитации.

От примеров интеграции наук и роли в них информационных технологий определим для себя термин «информация».

В последнее время выяснилось, что информация играет в науке важную роль, причем это и не материя, и не энергия (поля). Попытки связать информацию с энтропией (важным физическим понятием), не увенчалась успехом. Поэтому вопрос об определении понятия «информация» является открытым. В книге [4] собрана большая коллекция определений слова «информатика», зависящих от сферы применения. Часть определений являются тавтологией: «информация – это сведения, содержащиеся в данном сообщении и рассматриваемые как объект передачи, хранения и обработки». Иногда информацию связывают с упорядоченностью, коммуникация есть создание порядка из беспорядка. Философы говорят о том, что информация – это содержание процесса отражения (процессов отражения окружающего мира в нашем сознании). Прагматическое определение дается в следующей формулировке: «информация есть некоторый алгоритм». Актуальным становится вопрос о возникновении информации и эволюции ее ценности. Выбор определения зависит от методов и целей исследования и должно быть конструктивным.
Таковым представляется, на наш взгляд, определение генетика Генри Кастлера, уточненное Д.С. Чернавским в книге [1, с.13]:
«Информация есть запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных».
Д.С.Чернавский отмечает в своей книге [1, c.14] достоинства такого определения:
1) оно четко, понятно и широко используется в естественных науках;
2) информация предстает как нечто конкретное и приземленное, исчезает ореол «божественности»;
3) допускаетВведение

меры – количества информации (об этом – в книге);
4) в определении Кастлера-Чернавского выбор понимается как результат процесса (т.е. как «приговор» в суде). Поэтому целесообразно ввести понятие «информационный процесс» (аналог суда), результатом которого является генерация информации;
5) в реальных задачах фигурирует не просто информация, а ценная или осмысленная информация, терминологическое содержание которых также рассматривается в этой книге.

Во первом разделе реферата были приведены примеры, указывающие на роль информатики в современной науке, и выбрано определение ключевого понятия «информация».

2 Изучение физики с использованием информационных технологий


Для раскрытия заявленной в реферате темы попробуем ее прочитать с конца к началу, тем более что таких примеров в литературе и Интернете огромное количество. И только после этого тему реферата прочитаем правильно.
Публикации на эту тему встречаются чаще всего по педагогической тематике. От блогов преподавателей физики, делящихся своим опытом использования ИТ в преподавании, до докторских диссертаций по педагогике [5, 6]. Увлечение «информатизацией» преподавания физики в школе имеет и негативные последствия. Учителю проще показать на экране проектора компьютерную модель физического явления, чем подготовить физический прибор для демонстрации опыта. Учитель, дающий урок в форме презентации, или более того, создавший свой сайт, будет оценен руководством теперь выше, чем учитель, демонстрирующий на своих уроках физические опыты. Следует надеяться, что разумный баланс будет все же соблюден.
В Интернете имеется достаточно большое количество цифровых образовательных ресурсов по физике, предлагающих презентации уроков, компьютерные «лабораторные» работы (хорошо, если в их основе лежат правильные модели), задачи и методы их решения, методические разработки.
В педагогических вузах имеются программы с двумя профилями подготовки: математика-информатика, математика-физика и т.п. Понятно, что одинаково хорошо владея информатикой и физикой, преподаватель будет использовать ИТ на уроках физики, но при этом будет обращать внимание школьников на используемые инструменты информатики (практика интегрированных уроков).
В инженерных вузах к использованию ИТ в преподавании физики относятся более взвешенно. Там, где имеются физические лаборатории, обязательно проводятся лабораторные работы. Там, где требуется вычисления, используется соответствующая техника и программное обеспечение. Даже физики-теоретики изучают вычислительные методы, так как получение осязаемого результата часто возможно только в вычислительном эксперименте.

Перечислим примеры использования ИТ в преподавании физики в школе и/или вузе.
Теоретическая часть лекции или урока. Используются средства презентации (Microsoft PowerPoint) или веб-браузеры (любая информация к занятиям может быть представлена в Интернете).
Модели процессов. Используются электронные таблицы (Microsoft Excel), системы компьютерной математики ( HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/Mathcad" \o "Mathcad" Mathcad, MATLAB и Mathematica), аудио- и видео-плейеры, программы 3d-графики.
Проведение эксперимента и обработка результатов. Используются калькулятор, электронные таблицы, математические пакеты (в т.ч. Mathcad), специализированные программы (спектральные газоанализаторы, управление цифровым осциллографом или сканирующим зондовым микроскопом).
Чтение заданий и подготовка рефератов и отчетов по лабораторной работе. Применяются текстовые редакторы (от блокнота до MS Word).
Обмен информацией, хранение результатов. Используются базы данных, электронная почта и сетевые технологии. Можно, например, результаты решения задачи отправить преподавателю для проверки, получить от него замечания и оценки.
Тестирование (терминологическое, решение простых задач). Используются специализированные программы или Интернет-ресурсы.

Исходя из этого перечня, можно сделать вывод, что при изучении физики развитие навыков работы с информацией будет проходить естественным образом. Перейдем к примерам.

3 Примеры освоения информатики в процессе изучения физики


3.1 Построение графиков функций, описывающих движение материальной точки на плоскости

Школьники часто испытывают затруднения при переходе от одной модели к другой