3D-моделирование в преподавании физики

3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРЕПОДАВАНИИ ФИЗИКИ

Мордовский государственный педагогический институт имени , г. Саранск

Требования повышения качества обучения в педагогических вузах, подготовки учителя, отвечающего современным требованиям, побуждают к поиску новых эффективных форм, методов и средств интенсификации познавательной деятельности обучаемых. В многообразии педагогических инноваций, поиске оптимальных средств, методов и технологий подготовки учителя одной из наиболее перспективных является технология компьютерного моделирования, синтезирующая наглядный и практический методы обучения.

Необходимым условием освоения идеологии моделирования является практическая работа с компьютерными моделями, во время которой происходит знакомство с методами моделирования, их возможностями в решении практических задач, получение представлений о параметрах модели, о соотношении модели и реального объекта. При этом формируются навыки исследовательской работы, планирования проведения исследований, грамотной интерпретации результатов выполненной работы.

Важность использования средств пакетов трехмерной графики и анимации в современном образовании определяется тем, что графика и анимация образуют виртуальную, интегрированную информационную среду, в которой пользователь обретает новые возможности не только для восприятия знаний, но и для развития способностей оперировать этими знаниями. Трехмерная графика позволяет создавать трехмерные макеты различных объектов, повторяя их геометрическую форму и имитируя материал, из которого они созданы. Чтобы получить полное представление об определенном объекте, необходимо осмотреть его со всех сторон, с разных точек, при различном освещении.

При изучении теоретических и практических аспектов моделирования происходит интеграция образования в целом, реализуются межпредметные связи, повышается интерес к обучению. Моделирование является одним из самых мощных средств формирования информационной культуры. Оно может играть и подчиненную роль: оживить изучаемый материал, продемонстрировать прикладные программы или команды языка программирования и др. [2].

В последнее время появилось большое количество компьютерных программ для моделирования, анимации и визуализации трехмерных миров. Самой распространенной и мощной программой, сочетающей простоту управления и эффективность конечного результата, является пакет трехмерной графики и анимации 3D Studio MAX [1]. Моделирование архитектурных интерьеров и фасадов, анимация персонажей, фотореалистичные 3D сцены для Internet, визуализация физических процессов - вот далеко не полный список задач, решаемых этой программой. Масштабность и модульная структура пакета позволяют получить конечный результат буквально за несколько часов работы пользователя, представляя ему неограниченные средства для творческого поиска и совершенствования.

Построение учащимися компьютерных физических моделей с помощью 3D Studio MAX требует знаний и умений в области физики, информатики и математики, которые совершенствуются в ходе этой деятельности. При этом осуществляется и обратная связь – для освоения содержания физики целесообразно воспользоваться возможностями информационных технологий, выраженными через обучающие функции компьютерного моделирования, тем более что необходимые знания и умения по нему учащиеся приобретают на уроках информатики.

Эффективность использования пакета 3D-MAX при изучении физики обусловлена его следующими возможностями [3]:

1.  Интуитивно понятный и удобный графический интерфейс, настраиваемый пользователем.

2.  Возможность моделировать физические объекты без знаний языков программирования на основе изменения параметров объекта и применения к ним модификаторов.

3.  Конечный результат моделирования может быть сохранен в виде статического рисунка или видеоклипа.

Реализация функций компьютерного моделирования рассматривается нами на примере ряда физических моделей.

Пример 1. Модель движущейся галактики.

Одной из самых популярных тем трехмерной компьютерной графики, используемых в преподавании физики, является косми­ческая одиссея. В таких сценах приходится работать над имитацией звездных систем и га­лактик во Вселенной. Скопления звезд могут образовывать цветные спирали, выполняющие функцию космических декораций.

Для создания модели галактики мы использовали системы частиц, а также визуальные эффекты постобработки. После визуализации должно получиться изображение, подобное приведенному на рисунке 1.

Рисунок 1. Модель галактики, созданная в 3D-MAX.

Пример 2. Движение тела вдоль заданной кривой.

При разработке модели движения спутника вокруг планеты выбирались две сферы, на которые накладывались текстуры, соответствующие некоторому рельефу поверхности планет. В качестве траектории движения спутника выбирался двухмерный сплайн: эллипс или окружность. В результате проделанной работы получается модель движения спутника вокруг планеты. Модель можно усложнить, добавив движение еще одного спутника или движение самой планеты по произвольной траектории.

Пример 3. Моделирование волнового движения мембраны.

Для моделирования волнового движения мембраны в качестве модели может была выбрана плоскость с большим количеством сегментов, к которой применены параметрические модификаторы Wave или Ripple. Эти модификаторы предназначены для моделирования на поверхности объекта волны, исходящей из одной точки (Ripple), или распространяющейся вдоль некоторой оси (Wave). Оба модификатора имеют следующие параметры: амплитуда, длина, фаза волны, степень ее затухания, число повторений.

Данные модификаторы можно использовать для анимационных эффектов. Если задавать в режиме анимации на разных ключевых кадрах разные параметры, то получаем эффект движущейся волны или колебания мембраны. Такая модель позволит визуализировать движение волны, проследить характер ее изменения в зависимости от выбранных характеристик (амплитуды, длины волны, фазы колебаний) без использования сложного математического аппарата, описывающего данные явления.

Пример 4. Моделирование явления отражения света.

В пакете 3D-MAX имеются специальные средства для моделирования эффектов отражения и преломления (Reflection/Refraction). С использованием этих средств можно получить отражающие поверхности или объекты, рассмотреть эффекты отражения и преломления в среде.

Для демонстрации явления отражения света нами использовалась готовая модель: стеклянное яблоко, лежащее на плоскости. С использованием источников света можно промоделировать различные эффекты освещения. Например, на рисунке 2 показана неоднородная полупрозрачная тень от яблока, полученная от источника света, который расположен на таком расстоянии, чтобы была видна отбрасываемая тень, но сцена не была чрезмерно залита светом.

Рисунок 2. Моделирование эффектов отражения и преломления.

Разработка описанных и большого количества других анимационных физических моделей производилась студентами физико-математического факультета при изучении курса «Информационные и коммуникационные технологии в обучении». Компьютерные анимации и интерактивные модели, аналогичные разработанным, могут эффективно использоваться с целью предварительной отработки у учащихся ряда экспериментальных действий и операций, формирования у них общих подходов к планированию и проведению отдельных этапов экспериментального исследования, а также увеличения уровня сформированности умений и навыков в выполнении физического эксперимента.

Литература

1.  3DS MAX 7: Полная версия. – М.: НТ Пресс, 2005. – 592с.

2.  Методика моделирования пространственных форм // Информатика – исследования и инновации. – 2001. – №5. – С.110-117.

3.  А. Компьютерный практикум на уроках физики в школе по теме «Волновая оптика» // Педагогическая информатика. – 2006. – №3. – С.54-60.