Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku

Ikona teoreticky

Počítačové simulace ve výuce fyziky

Ikona aplikace
Autor: Michal Černý
Anotace: Význam počítačových simulací ve výuce fyziky neustále narůstá. V následujícím příspěvku představíme dvě aplikace, které pro tvorbu těchto simulací slouží a může je využívat každý zdarma - Step a Phun. Dále budou zmíněny fyzikální Java Applety, které jsou stále populárnější.
Podpora výuky jazyka:
Klíčové kompetence:
  1. Gymnázium » Kompetence k učení » své učení a pracovní činnost si sám plánuje a organizuje, využívá je jako prostředku proseberealizaci a osobní rozvoj
  2. Gymnázium » Kompetence k řešení problémů » uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice
Očekávaný výstup:
  1. gymnaziální vzdělávání » Člověk a příroda » Fyzika » Pohyb těles a jejich vzájemné působení » využívá (Newtonovy) pohybové zákony k předvídání pohybu těles
  2. gymnaziální vzdělávání » Člověk a příroda » Fyzika » Pohyb těles a jejich vzájemné působení » určí v konkrétních situacích síly a jejich momenty působící na těleso a určí výslednici sil
  3. gymnaziální vzdělávání » Člověk a příroda » Fyzika » Pohyb těles a jejich vzájemné působení » užívá základní kinematické vztahy při řešení problémů a úloh o pohybech rovnoměrných a rovnoměrně zrychlených/zpomalených
Mezioborové přesahy a vazby: Nejsou přiřazeny žádné mezioborové přesahy.
Průřezová témata:
  1. Gymnaziální vzdělávání » Osobnostní a sociální výchova » Seberegulace, organizační dovednosti a efektivní řešení problémů
Organizace řízení učební činnosti: Frontální, Skupinová, Individuální
Organizace prostorová: Školní třída, Specializovaná učebna
Nutné pomůcky: počítač, nejlépe s nainstalovaným prostředím JAVA RT a programy Phun a Step, vhodný operační systém je Linux, případně Windows.
Klíčová slova: výuka, ICT, fyzika, simulace, Phun, Step, počítačová simulace

Počítačové simulace mohou složit jako zajímavý doplněk výuky fyziky na středních školách i na školách základních. Díky své přenosnosti mají, na rozdíl od klasických experimentů, dvě základní výhody - student si je může zkoušet sám realizovat, a tak se osobně lépe seznámí s daným problémem, a dále pak jsou uschovatelné, takže není problém se souhrnným opakováním, například z tepla domova. To, že výukový materiál jako je počítačová simulace může jít až přímo za studentem a není omezená vyučovací hodinou, je z didaktického pohledu mimořádně užitečné.

Počítačové simulace navíc představují také alternativu ke klasickým pokusům ve chvíli, kdy není k dispozici dostatečné experimentální zázemí ve škole. Jistě by nebylo dobré, aby byl snižován význam experimentu ve výuce fyziky, ale počítačové simulace představují zajímavou doplňkovou složku, která může výklad učinit zajímavějším, živějším a dát studentům ke studiu fyzikální proces, do kterého mohou zasahovat místo obyčejného, strohého učebnicového textu.

Mimo to, tyto simulace mohou být užívány také jako zajímavý nástroj pro rozšiřující samostudium těch, kteří mají o věc hluší zájem. Velkou výhodou je, že často umožňují studium jevů či fenoménů, které nelze běžně realizovat - ať již z důvodů neexistence ideálních podmínek nebo z důvodů čistě materiálního zázemí.

V tomto mohou a mají být nápomocné programy, které umožní provádět počítačové simulace fyzikálních jevů, které si v následujícím příspěvku stručně představíme a popíšeme si jejich vlastnosti. Oba programy našeho přehledu jsou open-source aplikace, které je možné provozovat na více operačních systémech, jsou zdarma dostupné a poměrně uživatelsky přívětivé.

 

Step

Aplikace Step je součástí vzdělávacího balíčku grafického prostředí KDE. Je vytvořen v C++ a jeho původním autorem byl Vladimir Kuznetsov. Aplikace je šířená pod licencí GNU GPL, takže s jejím využitím ve školním prostředí není žádná potíž. Step je součástí většiny repozitářů nejrozšířenějších linuxových distribucí, takže jeho instalace v Linuxu by měla být velice jednoduchou záležitostí. V operačním systému Windows jej lze zprovoznit také, i když za cenu poněkud nižšího výkonu.

Aplikace je v prvé řadě zaměřená na simulace mechanických jevů, ale poradí i s problémy elektrostatiky či středoškolské termodynamiky (například umí simulovat Brownův pohyb). Velkou výhodou pro využití ve vzdělávání je skutečnost, že aplikace velice dobře pracuje se základními myšlenkovými modely, které jsou na gymnáziích využívány – ideálně tuhé těleso, hmotný bod, absence tření. Není třeba se proto obávat, že by simulovaná úloha dopadla jinak, než očekávaný model. V tomto je pak jedna z předností počítačových simulací – umožňují přiblížení dobře studovat a pochopit a až pak je možné přistoupit k otázkám, proč skutečný experiment nevychází tak, jak by teoreticky měl.

Step
1. Step

Program nabízí poměrně intuitivní ovládání, které na jedné straně nepředpokládá žádnou větší počítačovou znalost či dovednost, ale na druhé straně je dostatečně fyzikální – jednotlivým objektům je totiž možné přiřazovat hodnoty jako je rychlost, kinetická energie, moment setrvačnosti, rozměry, tuhost atp. Platí, že vždy při zadání určitých parametrů se zbytek závislých veličin dopočítá.

Základním místem simulací je jednoduchá plocha, na kterou jsou umísťovány jednotlivé objekty. Plocha je vybavena dvěma kartézskými souřadnicemi pro snazší nastavování scény. Jednotlivé objekty lze metodou „táhni a pusť“ libovolně rozmísťovat po ploše a nastavovat jejich parametry. Rychlost je vyjádřena graficky vektorem, takže modelování srážek a podobných jevů není nic obtížného a extrémně náročného na přesnost. Mezi objekty, které můžete dát na plochu, patří čtverec, kruh, polygon, hmotný bod či nabitá částice.

Mimo to lze užívat také pomocných objektů – nehmotných pružin a tyčí, které mohou mít vámi zvolené parametry. Pro simulaci dynamických jevů nechybí možnost připojit k objektům ani motor. Další užitečnou věcí jsou záchytné body v prostoru, pomocí kterých lze snadno zrealizovat osy otáčení a další podobné věci.

Aplikace nabízí také možnost umísťovat do scény měřící přístroje, nástroje na zaznamenávání dráhy či měřidla. Další položkou, kterou můžete do scény připojit, je plyn. Lze také různě zapínat síly elektrické či gravitační.

Takto vymodelované scény je možné jednoduše uložit a nabídnout je na vlastní experimentování studentům. Významnou nevýhodou aplikace je především určitá nestabilita běhu, takže je nutné často ukládat a nelze se zcela stoprocentně spolehnout na to, že daná simulace v hodině proběhne a aplikace „nezatuhne“. I přesto se jedná o špičkové experimentální prostředí, které se skvěle hodí pro gymnaziální simulace, jak demonstračního charakteru při frontální výuce, tak také pro vlastní studium žáky.

 

Phun

Jestliže se Step hodí pro to, co bychom mohli označit za sterilní seriózní gymnaziální fyziku, pak Phun volí zcela jiný přístup k věci. Je k dispozici pro operační systémy Linux, Mac OS i MS Windows. Aplikace je primárně určena pro základní školy – jak pro první, tak pro druhý stupeň, ale efektivně ji lze využít také v gymnaziálním fyzikálním kurzu a s trochou důvtipu klidně i v prvních ročnících některých univerzitních oborů – jak pedagogických, tak fyzikálních a především těch, které jsou zaměřeny na materiálové vědy.

Prostředí se snaží maximálně přiblížit malým dětem – není zde žádné formální prostředí, ale možnost vybudovat si svoji laboratoř na louce či v oblacích. Také zde můžete na 2D scénu umísťovat jednotlivé objekty a přiřazovat jim různé vlastnosti. Toto je oproti Step učiněno daleko propracovaněji – například můžete zvolit materiál, ze kterého bude daný prvek vyroben, a aplikace již dále počítá s jeho pružností, hmotností atp.

Phun
2. Phun

Program se snaží klást maximální důraz na to, aby jej zvládl používat opravdu každý. Proto není divu, že ho lze doporučit i pro první stupeň základních škol, kde je rozvoj základní fyzikální intuice (Což je to, co Phun sleduje didakticky primárně.) něčím velice důležitým a užitečným, jedná se o schopnost, na které mohou žáci stavět až do dospělosti. Běh je stabilní, poměrně rychlý a bezproblémový.

S jednotlivými objekty, které si umístíte na plochu, lze velice snadno manipulovat, rotovat s nimi, měnit jejich rychlosti, hustoty, energii a další fyzikální vlastnosti. Samozřejmě opět nechybí ani sada pomocných prvků, jako jsou pružiny či závěsy. Na druhou stanu se aplikace vyhýbá abstraktním prvkům, jako je hmotný bod nebo dokonale pevná, nehmotná tyč. Studentům tak Phun dá opravdu solidní a kvalitní představu o tom, jak se reálné objekty mohou chovat – jednoduše lze zapnout gravitace, odpor vzduchu a další síly, které děj učiní ještě reálnějším. Z pohledu možností programu lze snad jen postrádat možnost práce s nabitými částicemi.

 

Shrnutí

Programy, které umožňují simulovat fyzikální jevy, mohou a mají být integrální součástí výuky na gymnáziích i na středních školách a byla by škoda, kdyby se jim učitelé vyhýbali pro domnělou náročnost či složitost. Obě představené aplikace nabízejí velké množství již předdefinovaných scén, které lze jednoduše využívat a v pedagogickém kolektivu školy snadno upravovat a dodávat další. Tato činnost může být také zajímavým zdrojem domácích úloh pro studenty, kteří se tak nejen seznámí se zajímavým programem, ale především se naučí samostatně a koncepčně fyzikálně přemýšlet.

Samozřejmě se nejedná o jediné programy, které lze pro podobné simulace využít. Jen namátkou můžeme uvést robustní a všestranný PhET, ale existuje i mnoho dalších zajímavých prostředí.

 

Java applety

Další možností, jak vnést interaktivní simulace do hodiny fyziky, představují Java applety (případně Flash animace, ale těch je k dispozici podstatně méně). Jejich výhody jsou zřejmé – není třeba nic instalovat a nastavovat; k dispozici dostanete jednoduché prostředí, které zvládne nasimulovat potřebný jev, a parametry je možné měnit pomocí jednoduchého rozhraní. Tato řešení jsou tedy jednoduchá jak pro učitele, tak pro studenty. Těm postačí jen odkaz a mohou si experimentovat sami doma. Další velkou výhodou je, že často jsou k těmto appletům nabízeny také komentáře, které směřují k vysvětlení daného jevu.

Asi největší význam mají kolekce těchto appletů, protože usnadňují potřebu jednotlivé simulace vyhledávat. V sekci portálu RVP věnované odkazům je jich k dispozici poměrně velké množství, ale přesto se pokusím upozornit alespoň na dva zajímavé balíčky appletů, které by neměly uniknout pozornosti středoškolského učitele.

Fyzikální Java aplety uvádíme především ze dvou důvodů; především jsou česky lokalizované a také jsou doplněné základním výkladem simulovaných jevů. To je výhodné především pro studenty, kteří si chtějí studovat sami doma. Nabídka je poměrně široká a zasahuje do jevů mechanických, elektrických, optických, ale také do termodynamiky nebo moderní fyziky.

Java Applet
3. Java Applet

Multimedia Physik (schulphysik) je zřejmě největším zdrojem Java appletů na internetu. Nenabízí sice nějakou zvláštní jednotnou strukturu, ale pečlivé rozdělení do kategorií a také velké množství textů, které se týkají jak fyziky samotné, tak také disciplín, kde je fyzika naprosto klíčovou vědní disciplínou, ale přitom bývá často opomíjená – geografie, klimatologie atp. Web je tedy inspirací nejen ve velkém množství nabízených simulací, ale také inspirací v přesahových disciplínách.

Vytvářet Java applety není ani úplně obtížné ani triviálně snadné, jako si naklikat scénu v programu Step či Phun. Na druhou stranu může být jejich tvorba v pokročilejších kurzech programování na SŠ zajímavým propojením fyziky a informatiky a opět může přivést studenty k tomu, aby si daný problém lépe promysleli.

Ostatně to by mělo být hlavní didaktickou motivací při užívání různých počítačových simulací ve výuce fyziky – přivést studenty k hlubšímu promýšlení jevů a dát jim možnost si je v maximální možné míře svobodně osahat a zvážit, dle svých možností, potřeb a zájmů.

Citace a použitá literatura:
[1] - ČERNÝ, Michal. Phun: zábavná výuka fyziky. 2010. [cit. 2010-11-09]. Dostupný z WWW: [http://www.root.cz/clanky/phun-zabavna-vyuka-fyzik...].  
[2] - ČERNÝ, Michal. Simulace mechaniky snadno a intuitivně s programem Step. 2010. [cit. 2010-11-09]. Dostupný z WWW: [http://www.root.cz/clanky/simulace-mechaniky-snadn...].  
Anotované odkazy:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné anotované odkazy.
Přiřazené DUM:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné DUM.
Přiřazené aktivity:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné aktivity.
 
INFO
Publikován: 09. 11. 2010
Zobrazeno: 11583krát
Hodnocení příspěvku
Hodnocení týmu RVP:
Hodnocení článku : 3.16665

Hodnocení uživatelů:
Hodnocení článku : 5
Hodnotit články mohou pouze registrovaní uživatelé.

1 uživatel Hodnocení článku : 5
zatím nikdo Hodnocení článku : 4
zatím nikdo Hodnocení článku : 3
zatím nikdo Hodnocení článku : 2
zatím nikdo Hodnocení článku : 1
Jak citovat tento materiál
ČERNÝ, Michal. Počítačové simulace ve výuce fyziky. Metodický portál: Články [online]. 09. 11. 2010, [cit. 2019-11-12]. Dostupný z WWW: <https://clanky.rvp.cz/clanek/c/GLC/9707/POCITACOVE-SIMULACE-VE-VYUCE-FYZIKY.html>. ISSN 1802-4785.
Licence Licence Creative Commons

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons.


Komentáře RSS komentářů článku
1.Autor: Recenzent1Vloženo: 09. 11. 2010 16:06
Článek tohoto typu je pro současnou výuku velmi potřebný a určitě bude pro vyučující fyziky velmi dobře využitelný. Článků tohoto typu by na metodickém portálu mělo být publikováno co nejvíce.
2.Autor: Recenzent2Vloženo: 09. 11. 2010 16:06
Užitečné náměty pro využití počítače ve výuce fyziky.
1.Autor: Bořivoj BrdičkaVloženo: 09. 05. 2011 12:46
Jen doplňuji odkazy na další články se stejnou problematikou:
http://spomocnik.rvp.cz/clanek/11769/
http://clanky.rvp.cz/clanek/1811/
Vložit komentář:

Pro vložení komentáře je nutné se přihlásit.