Вычислительная физика в системе фундаментальной подготовки учителя физики

• Автор: Попов, Семен Евгеньевич
• Шифр специальности: 13.00.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 341 с. : ил.

Глава 1. Логико-методологические основы обучения вычислительной
физике в системе физического педагогического образования
1.1. Историко-гносеологический анализ становления вычислительной физики как фундаментального раздела науки
1.1.1. Развитие научного метода познания
1.1.2. Формирование вычислительной физики
как научной дисциплины
1.1.3. К вопросу о терминологии
1.1.4. Предмет и метод вычислительной физики
1.2. О дополнительности теоретической, экспериментальной
и вычислительной физики
1.2.1. Теория. Эксперимент. Численное моделирование
1.2.2. Об аналитике и алгоритмике
1.3. Методология вычислительной физики как базовый
компонент системы подготовки учителя
1.3.1. Концепция поэтапной технологии исследования объектов в вычислительной физике
1.3.2. Компьютеры в обучении физике
и вычислительная физика
1.3.3. Вычислительная физика как учебная дисциплина
Глава 2. Проектирование и конструирование теоретической
модели методической системы обучения в области
вычислительной физики
2.1. Проблема построения учебной дисциплины
как предмет педагогического исследования
2.1.1. Цели обучения как системообразующий фактор
конструирования содержания дисциплины
2.1.2. Модели развивающего образования в теории
и методике обучения
2.1.3. Методические подходы к реализации личностно-развивающего обучения физике
2.1.4. Концепция «Образование как учебная модель науки»
2.2. Цель и принципы отбора содержания обучения вычислительной физике
2.3. Основные линии содержания
2.3.1. Основы компьютерного математического моделирования реальных систем и процессов
2.3.2. Построение дискретных моделей
2.3.3. Вычислительный эксперимент
2.4. Модульная структура дисциплины «Вычислительная физика»
Глава 3. Технология реализации содержания образования
в педагогическую практику подготовки учителя физики
3.1. Метод исследовательских проектов
как основа обучения дисциплине
3.2. Поэтапная технология исследовательской деятельности на примере изучения явления самоорганизации (ячейки Бенара)
3.3. Компьютерные средства обучения
3.4. Организационные формы обучения вычислительной физике ...
Глава 4. Методика проведения и результаты педагогического
эксперимента
4.1. Организация опытно-экспериментальной работы
4.2. Констатирующий и поисковый эксперимент
4.3. Анализ результатов формирующего этапа
педагогического эксперимента
Заключение
Библиографический список
Приложение. Компьютерные программы
Перешагнув порог третьего тысячелетия, мы являемся свидетелями и непосредственными участниками становления общества нового типа, называемого постиндустриальным или информационным. Динамизм социально-экономических явлений, информационный взрыв, компьютеризация, ускорение научно-технического прогресса и т.д. приводят к необходимости непрерывного повышения уровня квалификации практически для каждого деятельного члена общества, естественным образом влияют на сферу науки и образования.
Сложные системы и реальные процессы, изучаемые современной наукой (физические, биологические, технологические, экономические, социальные и др.) в нужной полноте и точности уже не поддаются исследованию классическими теоретическими (аналитическими) или простыми экспериментальными (натурными) методами, необходима новая надежная система мер получения и переработки различных видов информации в точные знания. Теория и эксперимент - фундаментальные методы познания явлений реальной действительности, однако, в современных условиях в связи с широким распространением персональных компьютеров, разработкой объектно-ориентированного программного обеспечения математическое моделирование и вычислительный эксперимент также превратились в универсальную системную методологию познания, в основной метод быстрого и эффективного научного исследования во всех областях человеческой деятельности. Такой подход широко внедряется не только при решении проблем в «сильных» (с точки зрения формальной логики) науках (физика, химия, отчасти биология), но и в таких как педагогика, психология, история и других. Именно поэтому он является неизбежной составляющей научно-технического прогресса, а овладение соответствующей методологией следует рассматривать как неотъемлемую часть полноценного образования, жизненно важного умения, как базу для самоопределения и самореализации личности в современном обществе.
также используется уравнение Кортевега - де Вриза. После этого стало ясно, что это уравнение встречается во многих областях физики и уединенная волна является широко распространенным явлением.
Продолжая вычислительные эксперименты по моделированию распространения таких волн, Крускал и Забуски рассмотрели их столкновение. Процесс, в ходе которого при взаимодействии волн сохраняются их форма и скорость, напоминает упругое столкновение двух частиц. Поэтому Крускал и Забуски назвали такие уединенные волны солитонами (от англ. solitary - уединенный). Это специальное название уединенных волн, созвучное электрону, протону и названиям многих других элементарных частиц, в настоящее время является общепринятым. На основе анализа работ Крускала и Забуски в 1967 г. был открыт фундаментальный метод аналитического решения целого ряда очень важных нелинейных уравнений в частных производных - метод обратной задачи рассеяния.
Следует отметить, что еще в 1962 г. английские физики Дж. Перринг и Т. Скирм при анализе взаимодействия элементарных частиц провели численные расчеты на ЭВМ уравнения синус-Гордона: uxt = Sin(u). Согласно их расчетам, уединенные волны, являющиеся решениями уравнения синус-Гордона, не изменяли своих свойств после взаимодействия. Однако в отличие от Крускала и Забуски они не ввели понятие солитона, хотя их работа и опередила на три года вычислительный эксперимент с уединенной волной Кортевега - де Вриза.
Характеризуя важную роль ЭВМ в исследовании солитонов, один из его активных участников М. Забуски выделил несколько этапов [393]. Первый этап (до 1964 г.) - главную роль играет численное моделирование; второй этап - период наиболее активного исследования уравнения Кортевега - де Вриза (1965 -1971 гг.); третий этап (с 1972 г. по настоящее время) - появляются обобщения и приложения этой задачи, компьютер играет необходимую поддерживающую роль. При этом достигается «ускорение и углубление математического понимания, ставшее возможным благодаря сочетанию анализа и численного моделирования».