tema 1 Simularea Experimentului Fizic

Simularea experimentului fizic Tema.1. EXPERIMENTUL VIRTUAL CA O PUNTE ÎNTRE MODELUL TEORETIC ȘI EXPERIMENTUL REAL UST

• Motto:

Ascult şi... uit, Văd... şi ţin minte, Fac şi... înţeleg!

Fizica………. • Fizica este ştiinţa care studiază mecanisme complexe de interacţiune, descrise de formule matematice şi explică tot: de la formarea (ruperea) legăturilor interatomice până la apariţia Universului. • Lumea fizicii cuprinde o sferă enormă de cunoştinţe care stă la baza tehnologiilor şi civilizaţiei moderne. • Cercetarea ştiinţifică, ca cel mai puternic instrument de cunoaștere, formează o unitate dintre teorie şi practică. “Ştiinţa merge înainte pe două picioare numite teorie şi experiment”.

• Cercetarea ştiinţifică reprezintă unitatea dintre teorie şi experiment. Rolul hotărâtor îi aparţine practicii, iar rolul teoriei este conducător. • Fizica-știință este preocupată de stabilirea adevărurilor științifice în legătură cu fenomenele naturale. • Pentru aceasta fizica foloseşte ca metode de cercetare observarea fenomenelor, experimentul şi generalizarea (teoria). • Prin observare se face cercetarea fenomenului în condiţiile sale naturale de desfăşurare. • Un experiment poate fi considerat ca experiment real, dacă acesta este realizat și studiat în condiții naturale.

• Orice experiment care are drept scop studierea fenomenului respectiv în laborator (pentru stabilirea legităţilor, caracteristicilor fenomenului considerat), este totuși o reproducere a acestuia în condiții artificiale, aproape de cele naturale. • Practica şi experimentul (real sau de laborator) au de asemenea şi rolul de izvor al cunoştinţelor şi scop al cunoaşterii. • Teoria se bazează pe prelucrarea datelor experimentale, obţinute în procesul măsurărilor.

Fizica este o ştiinţă experimentală şi nu una dogmatică: orice ipoteze, modele sau teorii se consideră ca valabile numai după testarea şi confirmarea lor experimentală. • De aceea, fizica ca materie școlară condiționează obținerea de rezultate bune prin folosirea experimentului ca principala modalitate de comunicare-asimilare a cunoștințelor, iar predarea - învăţarea fizicii fără experimentare cam aceeaşi eficacitate ca şi predarea - învăţarea geografiei fără...hartă! •

•

Realizarea experimentelor în predarea fizicii (chiar şi de un profesionist!) este dificilă din mai multe cauze, principalele fiind: – lipsa de timp la lecție, – dotarea parțială, insuficientă a laboratorului de fizică cu utilajul şi aparatele necesare, – unele aparate și echipamente produse pentru laboratorul școlar, după calitatea lor, mai degrabă aparțin de clasa substitutelor decât de cea a aparatelor testate metrologic, ș.a.

• Dar,chiar şi în cazul unei bune dotări a laboratorului de fizică cu cele necesare, orice experiment, inevitabil, cere mult timp pentru: – pregătirea din timp a experimentului, – realizarea experimentului la lecție, – analiza rezultatelor experimentale ș.a.

Experimentul calitativ şi cantitativ • Experimentul de laborator, în general, urmăreşte realizarea intenţionată a procesului sau fenomenului fizic studiat. • Experimentul calitativ scoate în evidenţă doar aspectele principale în derularea unui fenomen sau a unei legi fizice, stabileşte relaţiile de tip cauză – efect. • Experimentul cantitativ urmăreşte în detalii desfăşurarea în spaţiu şi timp a unor fenomene, procese, legi, legităţi, proprietăţi ale obiectelor lumii reale. • De data aceasta se stabilesc relaţii exacte între valorile mărimilor fizice caracteristice fenomenului respectiv.

• Cu toate că orice ipoteză, model sânt valabile numai după verificarea lor experimentală, în condițiile școlii, experimentul de laborator, deseori, nu-şi atinge scopul principal: de a fi o sursă de cunoaştere despre fenomenele, procesele reale şi legile fizice studiate. • Lipsa de timp la lecțiile de fizică nu permite realizarea deplină, în toate detaliile, a experimentului. • Realizarea complexă este limitată, pe de o parte, de parametrii tehnici rigizi (fixaţi de producător) ai aparatului sau dispozitivului utilizat. • Pe de altă parte, acestea din dotarea laboratoarelor de fizică au caracteristici și posibilități tehnice mult mai reduse decât cele ale aparatelor utilizate în cercetări științifice.

• Iar calitatea şi clasa de precizie joasă a aparatelor de măsură, produse pentru sistemul de învăţământ, fac deseori ca erorile măsurătorilor să fie de acelaşi ordin ca şi valorile mărimilor măsurate sau chiar să întreacă cu mult aceste valori. • Ca urmare, dependenţele obţinute experimental sânt aproximative, neconvingătoare, iar fenomenul studiat, deseori, rămâne pentru elev (student) un lucru în sine, în cazul cel mai bun, sau o experienţă descurajatoare, de neîncredere, care este cazul cel mai puţin dorit.

• Importanța și rolul experimentului de laborator în predarea–învăţarea fizicii sânt incontestabile, deoarece acesta educă gândirea abstractă, analitică și cea sistemică, raţionamentul deductiv şi inductiv, creează deprinderi de observare a lumii înconjurătoare şi de înţelegere a fenomenelor din natură. • Cu toate acestea, una dintre problemele curente cu care se confruntă profesorul de fizică este dotarea laboratorului. • Efectuarea unui experiment la lecțiile de lucrări de laborator frontale, necesită aparatură în număr mare de exemplare, iar o dotare bună ridică cu mult costurile în sistemul de învăţământ.

• În procesul de predare, orice experiment de laborator trebuie foarte bine pregătit. • Înaintea utilizării aparatelor, dispozitivelor la lecțiile de fizică, acestea în mod obligatoriu trebuie supuse testării, verificării stării lor de lucru. • Nu este exclusă necesitatea de reparare sau de înlocuire operativă a aparatelor uzate sau defectate... • Pentru a evita pierderea de timp, repartizarea aparatelor, instrumentelor pe băncile elevilor trebuie făcută în clasă până la începutul lecției, ceea ce nu întotdeauna este posibil.

• O bună parte de experimente nu pot fi realizate în laborator din cauza că obiectele de studiu sânt ca dimensiune ori prea mari ori prea mici. • Sau, cum am putea demonstra experimental , de exemplu, dependenţa acceleraţiei gravitaţionale de latitudine ori de altitudine în condiţii terestre, cu atât mai mult pe Lună, pe alte planete ? • Doar cu creta pe tablă.

• Efectuarea experimentului în laborator, de multe ori, cere respectarea strictă a unor reguli şi norme ale tehnicii de securitate. • O parte din experimente nu pot fi demonstrate în clasă din cauza pericolului pentru sănătatea şi viaţa celor prezenţi sau că pentru demonstrarea lor se cer aparate, dispozitive foarte costisitoare. • Acestea, chiar fiind în dotare, sânt utilizate cel mult de 1-2ori (!) pe parcursul unui an de învățământ numai la predarea temelor respective, restul timpului aflându-se în rolul de… exponate pe rafturile laboratorului de fizică. • Din motive lesne de înțeles, destinatarul principal elevul cointeresat - nu mai are acces la aparatele și dispozitivele din laboratorul de fizică…

PC!!!! • Evoluția civilizației vine cu noi și noi tehnologii și mijloace de producere care asigură progresul continuu al omenirii. • Învățământul, ca una dintre sferele importante și determinante în viața societății, nu poate ocoli progresul tehnico-științific. • Astfel, acum, la început de mileniu III, sistemul de învățământ are la dispoziție cel mai puternic instrument de instruire și educație din istoria sa. • Este vorba de calculator, care, folosind tehnologiile informaționale și ale comunicării, produce o revoluție în învățământul modern, aflat în impas din cauza exploziei informaționale, a volumului enorm de cunoștințe, acumulat pe parcurs de umanitate.

• Calculatorului îi revine un rol deosebit în modelarea, reproducerea și studierea fenomenelor, proceselor naturale, proceselor tehnologice prin realizarea experimentelor virtuale. • Modelarea fenomenelor, proceselor fizice, a experimentelor pe calculator este, desigur, un tip nou de modelare, nemaiîntâlnit până nu demult în sfera învățământului. • Rolul instalaţiei experimentale îl îndeplineşte calculatorul asigurat cu o programă specială, elaborată pornind de la modelul științific al fenomenului sau procesului fizic considerat.

• Iar programul de instruire este un produs intelectual pedagogic ce se transpune în programul computer rezultând astfel un produs informatic. • Cele două tipuri de programe - de instruire și programul computer - constituie noțiunea de software (soft). • Echipamentul electronic propriu-zis, care se numește hardware, asigură implementarea în practica de predare-învățare a celor două programe anterioare.

• Un experiment virtual, ca și un experiment de laborator, are același scop de studiere a fenomenului respectiv în condiții, evident, la fel artificiale, acestea fiind create și realizate la un alt nivel calitativ, mai modern și pe un fundament științific riguros. • Ca și experimentul de laborator, orice experiment virtual, realizat pe calculator, are la bază aceleași modele fizice , aceleași modele matematice (teoretice),… • De aceea, orice experiment virtual are, la fel ca și cel de laborator, rolul de izvor al cunoștințelor și scop al cunoașterii.

• Orice model fizic și orice teorie , propuse și utilizate în fizica - știință la fel pot fi testate și confirmate (sau infirmate ) prin experimentul virtual respectiv realizat pe calculator. • La fel ca și experimentul de laborator, experimentul virtual calitativ stabilește relația cauză-efect, iar cel cantitativ stabilește, în baza măsurătorilor, relații exacte între mărimile fizice din modelul teoretic corespunzător obiectului sau fenomenului fizic studiat.

• Mai mult, la efectuarea măsurătorilor în experimentul virtual pot fi introduse (generate), în mod controlat, toate tipurile de erori întâlnite în experimentul de laborator, ceea ce, la fel, permite prelucrarea rezultatelor experimentale. • În predarea-învățarea fizicii experimentul virtual vine să diminueze sau să înlăture o parte din neajunsurile care apar la realizarea experimentului de laborator.

• Mai mult ca atât, experimentul virtual completează componenta experimentală a cursului de fizică. • Un experiment virtual de calitate, bine gândit şi realizat pe baza modelului științific al fenomenului considerat, constituie o reelaborare originală a conceptului științific și este foarte aproape de experimentul de laborator.

• Experimentele şi lucrările de laborator virtuale (software) au multe avantaje față de cele tradiționale. • Utilizarea experimentelor virtuale în predarea fizicii permite studierea fenomenului într-un fel idealizat prin înlăturarea (omiterea) factorilor secundari care, în experimentul real sau cel de laborator, de multe ori camuflează şi denaturează manifestarea și esenţa fenomenului fizic ca atare.

• Efectuarea experimentului virtual înlesneşte elucidarea proceselor, fenomenelor şi legilor fizice prin efectuarea aceluiaşi experiment în toată complexitatea lui. • Această performanță poate fi atinsă numai dacă experimentul virtual este realizat pe calculator pe baza modelului fizic științific al fenomenului sau procesului studiat. • Numai în acest caz experimentul pe calculator este aproape de cel de laborator și are o funcționalitate instructivă dublă: de experiment de cercetare și ca sursă de cunoaștere.

• Măsurătorile și calculele îi dau aplicației elaborate științific un caracter practic, de finalitate în studiul fenomenului sau procesului respectiv. • Efectuarea măsurătorilor în experimentul virtual înlătură plictiseala, provocată elevilor la utilizarea unor simulări simpliste, mult prea aproximative, ale fenomenelor fizice pe ecranul calculatorului.

• Mai mult ca atât, un experiment virtual cantitativ, elaborat pe bază științifică, poate fi folosit de către elevi sau studenți la verificarea experimentală a corectitudinii soluționării multor probleme de calcul la tema respectivă. • • Din motive expuse mai sus, această simbioză dintre experiment și rezolvarea unei probleme de calcul (la aceeași temă) este irealizabilă în cadrul laboratorului de fizică.

• De multe ori, dispozitivele virtuale pot fi „proiectate” atât în variante echivalente cu cele din laborator cât şi în variante nemaiîntâlnite în laboratorul real. • De exemplu, studiul mişcării rectilinii uniform accelerate se face pe un plan înclinat virtual cu lungimi de până la 100 m, dimensiuni inexistente în laboratorul de fizică, dar întâlnite și utilizate în practică. • Sau, una și aceeaşi tematică poate fi studiată pe calculator atât în condiţiile terestre cât şi în condițiile de pe oricare planetă a Sistemului Solar, care, pentru om, la fel prezintă un domeniu de cercetare și cunoaștere, ş.a.m.d.

• Fenomenele fizice modelate pe calculator au un caracter intuitiv și practic mult mai pronunţat decât cele reproduse în laborator. Procesele fizice modelate pe calculator sânt mult mai clare şi dinamice, intervențiile și consecințele lor au loc în timp real. • La schimbarea controlată a valorilor mărimilor fizice sau a parametrilor tehnici ai dispozitivului , schimbările respective se produc pe ecran, în faţa elevului/studentului. • În acest caz elevul/studentul dobândeşte singur cunoştinţe, găseşte şi înţelege mai bine, mai profund şi într-un timp mult mai scurt legităţile fizice principale ale fenomenului sau procesului fizic studiat.

• Predarea-învățarea fizicii pe calculator are un mare avantaj – timpul de însușire a informației se reduce cu 30-40% față de învățarea tradițională, iar programul odată parcurs este asimilat în întregime. • Această metodă modernă de predare-învățare cu ajutorul calculatorului realizează individualizarea și diferențierea învățământului.

• Utilizând calculatorul, elevul/studentul, cu adevărat, studiază un model științific,teoretic al fenomenului. • Dar aceasta nu înseamnă că modelul teoretic, realizat în varianta virtuală, nu poate fi adus aproape de cel real, prin introducerea și acțiunea unor factori colaterali sau suplimentari, adesea străini fenomenului studiat.

• Exemplu: calitatea figurii inelelor Newton, observate în laborator, depinde mult de starea suprafeței lamei de sticlă aflată sub lentila convexă. În aplicația virtuală calitatea figurii inelelor Newton, în mod controlat, poate fi ”deteriorată” prin formarea diferitor aspirități pe suprafața lamei optice. • Această variantă a experimentului cu dispozitivul lui Newton nu are drept scop demonstrarea posibilităților calculatorului ca instrument. • Scopul real este cunoașterea principiului fizic și însușirea unei metode optice, utilizată în practica metrologică la verificarea și aprecierea calității suprafețelor diferitor lamele.

• Modelele interactive permit schimbarea în limite foarte largi a parametrilor şi condiţiilor experimentelor. • Astfel, într-un timp scurt, modelând diverse situaţii (cele mai multe irealizabile în experimentul de laborator) se efectuează o investigaţie mai complexă a fenomenului considerat.

• Exemple. Nici un experiment, în condiţiile unui laborator real, nu permite un studiu atât de complex al fenomenelor optice (de interferenţă, difracţie, etc. ) după cum îl realizăm în experimentul virtual. • Astfel, la studierea fenomenului de difracție a radiațiilor optice putem observa și studia figurile de difracție formate la trecerea luminii prin orificii de orice configurație și cu dimensiuni reglabile. • Iar la studierea interferenței localizate –inelele lui Newton - avem posibilitatea realizării unui complex de cercetări (calitative și cantitative).

• Aici putem varia valorile a trei dimensiuni liniare ale schemei și dispozitivului și a patru mărimi optice. • Astfel de aplicații îi dau utilizatorului posibilități unice de realizare a unui studiu complex al fenomenului respectiv la nivelul de cercetare științifică. • Iar cercetarea științifică,după cum s-a scris mai sus, reprezintă cea mai puternică și eficientă metodă în procesul de cunoaștere.

• Modelarea pe calculator, experimentul virtual se aplică cu succes în cele mai diferite domenii ştiinţifice: în fizică, tehnică, biologie, medicină,… • Fizica ca disciplină este avantajată în utilizarea calculatorului la predarea - învăţarea materiei de studiu. • Durata demonstrării unui experiment virtual este doar de câteva minute, efectuarea unei lucrări de laborator ține de la 5 până la 20 minute, deci, se câștigă timpul prețios la lecția de fizică, se mărește volumul de informație comunicat într-o unitate de timp, învățământul este centrat pe elev, care dobândește de unul singur propriile cunoștințe, ș.a.m.d.

• Un rol deosebit îl au experimentele virtuale în cercetarea unor fenomene, procese şi în găsirea variantelor optimale ale unui dispozitiv, aparat sau proces tehnologic. • Astăzi toate tehnologiile performante sânt elaborate mai întâi pe calculator, cu ajutorul căruia se face un studiu complex care are la bază analiza multifactorială. • Se modelează tot : de la proiectarea și lansarea navelor cosmice, curgerea fluidelor, comportarea sistemelor ecologice până la comportarea particulelor elementare în condiții extreme. • Se câştigă timp şi se fac mari economii de resurse energetice și materiale necesare pentru elaborarea, probarea şi optimizarea unui aparat, dispozitiv, a unei piese de automobil sau proces tehnologic etc.

Desigur, cuvântul definitiv îi aparţine experimentului real efectuat asupra modelului elaborat mai întâi pe calculator și considerat ca fiind cel mai reuşit, mai apropiat de modelul cu parametrii doriţi. • Experimentul real, ca decisiv și definitiv, se realizează după efectuarea, mai întâi, a multor experimente asupra machetei virtuale pentru căutarea şi găsirea parametrilor optimali planificaţi în problema pusă. •

• Dacă este necesar, iarăşi se revine la modelul virtual, care este supus corecţiilor şi ajustărilor respective până nu se ajunge la varianta optimală, bună de implementat în practică, în producție ş.a.m.d. • Astfel de la experimentul real se trece la cel virtual, bazat pe modelul teoretic, ca apoi, după experimentarea pe calculator, să se revină iarăşi la experimentul real . • Aşa dar, experimentul virtual (calitativ şi mai ales cel cantitativ) este o punte între modelul teoretic și experimentul real.

• Experimentele şi lucrările de laborator virtuale la fizică, pe de o parte, îi ajută pe elevi/studenți în procesul de studiere şi cunoaştere complexă și aprofundată a fizicii, iar, pe de altă parte, le serveşte un bun exemplu de aplicaţii practice ale modelării științifice şi simulării pe calculator pentru alte domenii din viitoarea lor activitate profesională. • Tocmai la efectuarea experimentelor virtuale se realizează de minune o conexiune interdisciplinară dintre fizică, matematică, metrologie, informatică, etc.,lucru greu de realizat la alte discipline.

P.S.: (pentru meditație) 1. Motto-ul acestei lucrări vine din străvechea înțelepciune chinezească. Chiar dacă aud și văd, voi înțelege și cunoaște numai dacă ”Fac și…înțeleg”, adică dacă fac, acționez. Dar a acționa în fizică înseamnă a cunoaște și a înțelege prin experimentare.

• 2. La fundamentul fizicii-știință stau modelele fizice (modelul punctului material, modelul gazului ideal, modelele structurii atomilor și nucleelor, modelul fenomenului de difracție sau de polarizare a radiațiilor optice, ș.a.m.d.) însoțite de modelele matematice respective. • Modelul fizic împreună cu cel matematic formează modelul științific al fenomenului sau procesului fizic studiat. • Orice model constituie o reprezentare figurativă a teoriei, un sprijin oferit gândirii și nu realitatea ea înseși.

• Cine nu recunoaște modelarea științifică în scopuri didactice a fenomenelor, proceselor fizice pe calculator practic: • neagă metodologia și fundamentul fizicii - știință, care sânt construite și se sprijină în exclusivitate pe modele, • neglijează calculatorul ca cel mai performant și puternic mijloc de cercetare și de instruire din istoria civilizației, în general, și cea a sistemului de învățământ, în particular. •

• 3. Un veritabil soft educațional de fizică este o transpunere didactică pe calculator a unui concept științific. • La etapa actuală de elaborare a experimentelor virtuale, sub deviza „accesibilității” și pretextul diminuării barierei cognitive a reprezentării unui fenomen fizic complex, acesta din urmă este trunchiat sau excesiv de simplificat. • Ca urmare, în loc de o simulare pe bază științifică a unui fenomen ni se propune un produs cu titlul de „soft didactic”, care este doar o „simulare a simulării”, adică un produs lipsit de validitate didactică. • Acest fel de softuri privează de profunzime un model științific, devalorizează rezultatele obținute pe baza lui….

• 4. Softul educațional a devenit ceva ce poate fi învățat, exersat și este implementat în învățământ în școlile care sânt mereu în căutare și acțiune și care cu adevărat sânt moderne. • Experimentul virtual vine să completeze, dar nu să substituie pe cel real sau de laborator, care își are locul și valoarea sa. • Experimentul virtual în procesul de predare-învățare nu este o modă sau un capriciu al cuiva, el este o necesitate constructivă care decurge din cerințele vremii, acestea, la rândul lor, fiind determinate de vectorul de dezvoltare a civilizației.

• 5. Tehnologiile informaţionale sânt o inovare revoluţionară în practica didactică la începutul acestui mileniu. • Profesorul este sursa activă şi promotorul promovării a tot ce este nou şi progresist în şcoală şi societate. • De aceea, profesorul (îndeosebi cel de fizică!), care doreşte să îşi înscrie performanţele şcolare în contemporaneitate, este obligat de poziţia pe care o ocupă în societate să facă anumite eforturi pentru ca să nu rămână în urma civilizaţiei şi a... discipolilor săi.

• 6. Utilizarea cu pricepere a softurilor de calitate în predare este o activitate didactică modernă, în care monologul profesorului este înlocuit de dezbateri interesante și utile pentru toți elevii, de lucrul individual de obținere și formare a propriilor cunoștințe.

• 7. Calculatorul nu are menirea să înlocuiască profesorul, deoarece numai profesorul poate fi și este educator, purtător și promotor al unei înalte culturi, model demn de urmat pentru generația în creștere. • Totodată, munca profesorului în predarea asistată de calculator este compensată prin creșterea prestigiului Măriei Sale în fața colegilor și a elevilor (studenților) săi.

• 8. Orice experiment efectuat în laborator sau virtual (soft), realizat pe calculator pe baza modelului științific, este net superior experimentului expus, explicat pe… degete, sau „modelat” și desenat cu ajutorul celor trei instrumente arhaice: • Creta +Tabla+Cârpa (CTC).

Creta +Tabla+Cârpa (CTC). • Dacă războiul, care se duce azi pe toate căile și la toate nivelurile, între Calculator și CTC (între Nou și Vechi), va fi câștigat de primul, vor avea de câștigat tinerii studioși și întreaga societate. Dacă acest război va dura prea mult sau va fi câștigat de CTC, cel mai mult va avea de pierdut viitorul nostru, în persoana Tinerei Generații, pe care noi, cu toții, declarăm că… o iubim !

Bibliografie • Florin Ovidiu Călțun, Capitole de didactica fizicii, Editura Universității „Alexandru Ioan Cuza”, Iași – 2006 • Palicica Maria, Gavrilă Codruță, Ion Laurenția, Pedagogie, Editura Mirton, Timișoara, 2007, 480 • Laborator virtual, www.prointelect.com