ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Интернет-технологии и компьютерное моделирование в преподавании физики

Автор: Бутиков Евгений Иванович, профессор физического факультета СПбГУ.

Аннотация

Программно-методический учебный комплекс «Интернет-технологии и компьютерное моделирование в преподавании физики» включает в себя опубликованные в печати и размещенные в сети Интернет учебные пособия, методические материалы, виртуальные лабораторные работы и интерактивные компьютерные моделирующие программы, защищенные свидетельствами об официальной регистрации. Учебные пособия и компьютерные программы разработаны для студентов университетов и предназначены для изучения курса общей физики и теории колебаний. Материалы комплекса применяются в учебном процессе на физическом факультете СПбГУ, в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СПбГУИТМО), Московском физико-техническом институте (техническом университете) и других российских и зарубежных университетах.

Состав комплекса

·        Программа инновационного курса общей физики (с комментариями и компьютерным моделированием). Часть I. Механика (формат html) либо формат pdf.

Компьютерное моделирование:

·        Комплекс лекционных демонстраций и лабораторных работ по физике колебаний (Java-апплеты вместе с учебными пособиями и методическими материалами). Моделирующие программы (апплеты) работают непосредственно в web-браузере с предустановленной виртуальной Java-машиной (JRE).

·        Комплексы моделирующих компьютерных программ вместе с сопровождающими их методическими материалами и учебными пособиями по темам «Физика колебаний» и «Движение космических тел». Англоязычные версии этих пакетов “Physics of Oscillations” и “Planets and Satellites” опубликованы в США издательством Physics Academic Software Американского Института Физики (American Institute of Physics). Пакет программ “Physics of Oscillations” стал победителем Европейского конкурса на лучшую образовательную компьютерную программу в 1996 году (European Academic Software Award – EASA'96), пакет “Planets and Satellites” стал победителем того же конкурса в 2004 году (EASA'2004). Программы стали также лауреатами ежегодных конкурсов журналов Computers in Physics (1998) и Computing in Science and Engineering (1999). Подробнее с этими комплексами можно познакомиться (и загрузить к себе на компьютер) по следующим ссылкам:

·        Физика колебаний (краткое описание пакета можно посмотреть здесь)

·        Движение космических тел (краткое описание можно посмотреть здесь)

·        Замечательные движения в системах трех тел – коллекция Java-апплетов, иллюстрирующая удивительные траектории небесных тел, порой бросающие вызов нашей физической интуиции. Эти моделирующие программы работают непосредственно в web-браузере.

·        Океанские приливы – серия Java-апплетов с динамическими иллюстрациями, поясняющими свойства приливообразующих сил, возникающих на Земле благодаря полю тяготения Луны (или Солнца), и приливных волн в упрощенной модели океана в виде водной оболочки, сплошь покрывающей землю, или широкого канала, опоясывющего земной шар по экватору. Англоязычная версия этих программ в 2000 году стала победителем конкурса журнала Computing in Science and Engineering.

·        Свободное вращение симметричного волчка – Java-апплет в комплексе с методическими материалами и учебным пособием.

·        Вынужденная прецессия гироскопа – Java-апплет в комплексе с методическими материалами и учебным пособием.

·        Нелинейные колебания (на англ. языке). Комплекс компьютерных программ, в котором моделируются простые нелинейные колебательные системы. Программы сопровождаются методическими материалами.

Учебные пособия для студентов:

·        Релятивистские представления в курсе общей физики (95 стр.)

·        Закономерности кеплеровых движений (61 стр.)

·        Движения космических тел в компьютерных моделях (43 стр.)

·        Динамика вращения твердого тела (22 стр.)

·        Физика океанских приливов (16 стр.)

·        Физика колебаний – лаборатория компьютерного моделирования (150 стр.)

·        Комментарии к лекциям по физике. Механика (1 семестр) (179 стр.)

·        Маятник с осциллирующим подвесом (к 60-летию маятника Капицы) (42 стр.)

·        Задачи для семинаров по физике (1 семестр) (формат pdf)

Избранные публикации по заявленной теме (на русском языке):

·        Лаборатория компьютерного моделирования по физике колебаний. «Компьютерные инструменты в образовании», № 5, сентябрь – октябрь 1999, Санкт-Петербург (стр. 24 – 39.)

·        Движения космических тел в компьютерных моделях. I. Задача Кеплера. «Компьютерные инструменты в образовании», № 3/4, май – август 2001, Санкт-Петербург (стр. 20 – 44).

·        Движения космических тел в компьютерных моделях. II. Задача многих тел. «Компьютерные инструменты в образовании», № 5, сентябрь – октябрь 2001, Санкт-Петербург (стр. 4 – 23).

·        Лаборатория компьютерного моделирования для изучения физики колебаний. «Телекоммуникации и информатизация образования», № 1 (8), январь – февраль 2002, Москва (стр. 44 – 60).

·        Компьютерное моделирование резонансных явлений в простых нелинейных системах. Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика-2002», Санкт-Петербург, 3 – 6 июня 2002 г. (стр. 241 – 242).

·        Роль моделирования в обучении физике. «Компьютерные инструменты в образовании», № 5, сентябрь – октябрь 2002 (стр. 3 – 20).

·        Физика океанских приливов в компьютерных моделях. X Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2003», Санкт-Петербург, 14 –17 апреля 2003 г. (стр. 371 – 372).

·        Компьютерное моделирование в преподавании физики. X Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2003», Санкт-Петербург, 14 –17 апреля 2003 г. (стр. 370 – 371).

·        Коллекция замечательных движений в системах многих тел. «Моделирование – 2003». Труды 4-й международной научно-технической конференции, Санкт-Петербург, 23 – 28 июня 2003 г. (стр. 43 – 49).

·        Интерактивные компьютерные модели в преподавании физики. «Моделирование – 2003». Труды 4-й международной научно-технической конференции, Санкт-Петербург, 23 – 28 июня 2003 г. (стр. 50 – 52).

·        Океанские приливы в компьютерных моделях. «Компьютерные инструменты в образовании», № 1, январь – февраль 2004, Санкт-Петербург (стр. 12 – 24).

·        Учебная интернет-коллекция замечательных движений небесных тел. XI Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2004», Санкт-Петербург, 14 – 17 июня 2004 г., стр. 339 – 343.

·        Учебная лаборатория компьютерного моделирования колебаний в простых нелинейных системах. «Моделирование – 2004». Труды 5-й международной научно-технической конференции, Санкт-Петербург, 29 июня – 2 июля 2004 г. (стр. 10 – 15).

·        Моделирование движения космических тел. «Высшее образование сегодня», № 2, 2005 г.

·        Компьютерное моделирование нелинейных явлений в учебной лаборатории. XII Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2005», Санкт-Петербург, 6 – 9 июня 2005 г., стр. 325 – 327.

·        Компьютерные модели для изучения динамики твердого тела. XIII Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2006», Санкт-Петербург, 5 – 8 июня 2006 г., стр. 350 – 351.

·        Свободное вращение твердого тела.  «Компьютерные инструменты в образовании»,  № 1 (январь – февраль 2006), стр. 10 – 18.

·        Вынужденная прецессия гироскопа.  «Компьютерные инструменты в образовании»,  № 1 (январь – февраль 2007), стр. 30 – 38.

·        Опыт преподавания физики колебаний с использованием специально разработанного комплекса моделирующих программ. XIV Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2007», Санкт-Петербург, 18 – 21 июня 2007 г., стр. 208 – 210.

·        Компьютерное моделирование необычных движений обычного маятника. Труды международной научно-технической конференции. Изд. Политехнического университета, СПб, 26 – 27 июня 2007 г., стр. 9 – 15.

·        Необычное поведение маятника при синусоидальном внешнем воздействии. Часть I. «Компьютерные инструменты в образовании», № 1 (январь – февраль 2008), стр. 30 – 42.

·        Необычное поведение маятника при синусоидальном внешнем воздействии. Часть II. «Компьютерные инструменты в образовании», № 2 (март – апрель 2008), стр. 24 – 36.

·        Параметрический резонанс. «Компьютерные инструменты в образовании», № 3 (май – июнь 2009), стр. 22 – 40.

·        Параметрический резонанс при плавной модуляции параметра. «Компьютерные инструменты в образовании», № 1 (январь – февраль 2010), стр. 37 – 53.

·        Стабилизация перевернутого маятника (60 лет маятнику Капицы). «Компьютерные инструменты в образовании», № 5 (сентябрь – октябрь 2010), стр. 40 – 51.

·        Маятник с осциллирующим подвесом (субгармонические резонансы). «Компьютерные инструменты в образовании», № 1 (январь – февраль 2011).

·        Расширенный и уточненный критерий устойчивости маятника Капицы). «Компьютерные инструменты в образовании», № 2 (март – апрель 2011).

Избранные публикации по заявленной теме (на английском языке):

·        Physics of Oscillations. Educational software package. Physics Academic Software, American Institute of Physics, 1997. European Academic Software Award winner (EASA’96), Ninth Annual Educational Software Contest winner (1998, Computers in Physics magazine). See cover and annotation.

·        Concise Handbook of Mathematics and Physics. CRC Press (USA), 1997 (528 pp.) See annotation.

·        Parametric Resonance. Computing in Science and Engineering (CiSE), May – June 1999, pp. 76 – 83. See abstract and full pdf version (163 KB).

·        The Rigid Pendulum – an Antique but Evergreen Physical Model. European Journal of Physics, v. 20, No 6 (November 1999) pp. 429 – 441. See abstract and full pdf version (260 KB).

·        Planets and Satellites. Educational software package. Physics Academic Software, American Institute of Physics, 1998. 10th Annual Educational Software Contest winner (1999, Computing in Science and Engineering magazine), European Academic Software Award winner (EASA’2004). See cover, annotation, summary, a journal review (pdf, 564 KB) and manual (pdf, 1.57 MB).

·        The Velocity Hodograph for an Arbitrary Keplerian Motion. European Journal of Physics, v. 21, No 4 (July 2000) pp. 297 – 302. See abstract and full pdf version (134 KB).

·        Regular Keplerian Motions in Classical Many-Body Systems. European Journal of Physics, v. 21, No 5 (September 2000) pp. 465 – 482. See abstract and full pdf version (271 KB).

·        Relative Motion of Orbiting Bodies. American Journal of Physics, v. 69, No 1 (January 2001) pp. 63 – 67. See abstract and full pdf version (171 KB).

·        On the Dynamic Stabilization of an Inverted Pendulum. American Journal of Physics, v. 69, No 7 (July 2001) pp. 755 – 768. See abstract and full pdf version (260 KB).

·        Regular and Chaotic Motions of the Parametrically Forced Pendulum: Theory and Simulations. Computational Science – ICCS 2002, Springer Verlag, LNCS 2331, pp. 1154 – 1169, 2002. See abstract and full pdf version (316 KB).

·        Subharmonic Resonances of the Parametrically Driven Pendulum. Journal of Physics A: Mathematical and General, v. 35 (2002) pp. 6209 – 6231. See abstract and full pdf version (404 KB).

·        A Dynamical Picture of the Oceanic Tides. American Journal of Physics, v. 70, No 10 (October 2002) pp. 1001 – 1011. See abstract and full pdf version (260 KB).

·        Families of Keplerian Orbits. European Journal of Physics, v. 24, No 2 (March 2003) pp. 175 – 183. See abstract and full pdf version (160 KB).

·        Square-wave excitation of a linear oscillator. American Journal of Physics, v. 72, No 4 (April 2004) pp. 469 – 476. See abstract and full pdf version (310 KB).

·        Parametric excitation of a linear oscillator. European Journal of Physics, v. 25, No 4 (July 2004) pp. 535 – 554. See abstract and full pdf version (314 KB).

·        Parametric resonance in a linear oscillator at square-wave modulation. European Journal of Physics, v. 26, No 1 (January 2005) pp. 157 – 174. See abstract and full pdf version (588 KB).

·        Peculiarities of simulations in nonlinear systems. «Computer Simulations – 2005». Proceedings of 6th International Conference, St. Petersburg, June 29 – July 2, 2005. See full pdf version (72 KB).

·        Complicated regular and chaotic motions of the parametrically excited pendulum. Proceedings of IDETC’05 (2005 ASME International Design Engineering Technical Conferences), Long Beach, California, USA, September 24 – 28, 2005. See full pdf version (315 KB).

·        Inertial rotation of a rigid body. European Journal of Physics, v. 27, No 4 (July 2006) pp. 913 – 922. See abstract and full pdf version (270 KB).

·        Precession and nutation of a gyroscope. European Journal of Physics, v. 27, No 5 (September 2006) pp. 1071 – 1081. See abstract and full pdf version (270 KB).

·        Extraordinary oscillations of an ordinary forced pendulum. European Journal of Physics, v. 29, No 2 (March 2008) pp. 215 – 233. See abstract and full pdf version (1.56 MB).

·        Comment on 'Energy in one-dimensional linear waves in a string'. European Journal of Physics, v. 32 (2011) L35–L38.

·        An improved criterion for Kapitza's pendulum stability. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, v. 44 (2011) 295202 (16 pp). See full pdf version (1.85 MB).

·        Misconceptions about the energy of waves in a strained string. Physica Scripta, v. 86 (2012) 035403 (7pp). See full pdf version (210 KB).

·        Oscillations of a simple pendulum with extremely large amplitudes. European Journal of Physics, v. 33 (2012) 1555 – 1563.

Видеозаписи некоторых лекций:

·        Прямая и обратная задачи динамики. Интегрирование уравнений движения

·        Импульс, момент импульса, энергия. Законы сохранения

·        Геометрия пространства-времени

·        Динамика системы материальных точек

·        Основы физики колебаний

·        Вынужденные колебания линейного осциллятора