Информационные технологии в обучении позволяют по-новому решить многие педагогические задачи. В частности, в настоящее время разработано достаточно много обучающих программ, позволяющих изучать и повторять материал по теме в темпе, который каждый ученик сам подбирает в соответствии с индивидуальными особенностями. Другие программы позволяют "увидеть" тот материал, который трудно представить учащимся.

Преимущества компьютера как средства поддержки учебного процесса достаточно широки (наглядность, быстрота доступа к большим объемам информации др.). Однако создание полноценных программ, использующих средства мультимедиа, требует достаточно высокого уровня знаний и опыта, поэтому под силу лишь подготовленному программисту. Большинство же учителей (особенно учителей физики, которым применение мультимедиа-технологий могло бы дать максимальные преимущества, но которые, как правило, обладают гораздо меньшим опытом работы с компьютером, чем учителя информатики) такими знаниями не обладает.

Один из путей решения данной проблемы - предоставить учителям Физики возможность самостоятельно разрабатывать необходимые им мультимедийные программные средства учебного назначения, обладая при этом лишь основными навыками пользователя ПК.

При подготовке к урокам незаменимым помощником учителя физики может оказаться приложение Power Point, входящее в состав пакета Microsoft Office. Это приложение позволяет учителю самостоятельно по собственному сценарию подготовить интерактивное мультимедийное пособие к уроку по любой теме с минимальными временными затратами. Оно отличается от других интерактивных средств, для аналогичных целей простотой, так как построено по принципу "программирование без программирования", и его основные возможности могут быть освоены учителем всего за несколько часов самостоятельной работы за компьютером.

К преимуществам Microsoft PowerPoint как инструментального средства разработки мультимедиа-приложений можно отнести:

доступность (пакет Microsoft Office сегодня считается стандартным программным обеспечением практически для любого персонального компьютера);

легкость в освоении и простоту создания мультимедиа-презентаций (при достаточно широком наборе имеющихся возможностей, в частности, для реализации "оформительских" анимационных эффектов, особенно в PowerPoint XP);

возможность переноса данных из других приложений Microsoft Office, что позволяет расширить для непрофессионального пользователя возможности подготовки содержательного наполнения, а также включать в создаваемые презентации материалы, ранее подготовленные средствами Word и Excel;

* наличие встроенного языка программирования Visual Basic, позволяющего при необходимости реализовать требуемые интерактивные функции (например, автоматизированное тестирование знаний).

Гипотеза дипломной работы заключается в том, что обучение физики в школе будет эффективным, а качество знаний выше, если использовать на уроках программу Power Point и ИКТ, так как при этом развивается мышление, творческие способности учащихся, являются средством для закрепления изученного материала, способствуют углублению и закреплению теоретических знаний учащихся, повышает интерес учащихся к физике.

Изучив, проанализировав научно-методическую литературу, я пришел к выводу, что данная тема является актуальной.

Актуальностью темы дипломной работы является необходимость использования Информационных Компьютерных Технологий в частности программы Power Point в учебном процессе по физике, т.к. ИКТ способствует формированию у школьников физических понятий, развитию логического мышления, смекалки, творческой фантазии. И намного упрощает и ускоряет подачу нового материала школьникам и проверку усвоения их знаний.

Целью дипломной работы является: изучить и проанализировать роль, значение и методику использования программы Power Point и ИКТ на уроках физики.

Задачи дипломной работы:

1. Изучить и проанализировать научно-методическую литературу по теме "Программа Power Point и ИКТ в обучении физике в школе". Составить список основного программного обеспечения необходимого на уроках физики.

2. Изучить методы, способы и формы использования Power Point и ИКТ на уроках физики.

3. Выяснить роль, значение и место использования Power Point и ИКТ в учебном процессе по физике.

4. Разработать развернутый план-конспект урока по теме: "Сила Лоренца".

5. Привести некоторые примеры использования Power Point и ИКТ на уроках физики.

Глава I. Информационные компьютерные технологии (ИКТ) в обучении физике

1.1 Информатика и Физика

Научно-техническая революция вызвала развитие компьютерной техники, что привело к появлению в конце 20 века сравнительно дешевой технологии производства персональных компьютеров (ПК). Они быстро стали товаром широкого потребления и заполнили собой практически все сферы человеческой деятельности. В настоящее время компьютер -- помощник человека, который по некоторым параметрам далеко превзошел его. Это относится к скорости выполнения различных вычислений, возможности осуществления быстрого поиска нужной информации, ее обработки в соответствии с жестко детерминированным алгоритмом и т.д. Важнейшим направлением развития информационной технологии (ИТ) является использование компьютеров в образовании.

Дальнейшее движение к информационному обществу требует формирования у учащихся и студентов информационной культуры, понимания сущности информационных процессов, умения работать с информацией, используя для ее получения, обработки и передачи компьютерную технологию, современные технические средства и методы.

Важным направлением использования компьютеров в образовании является применение сетевых технологий, создание единой информационной образовательной среды с подключением к глобальной сети Интернет. Это позволяет оптимальным образом удовлетворить образовательные потребности, обеспечить доступ к информационным ресурсам, формирует информационную культуру, способствует переходу учебного процесса на качественно более высокий уровень, повышает эффективность самостоятельной работы учащихся. В результате открываются большие возможности для внедрения передовых технологий и в первую очередь мультимедия - технологий, позволяющих создать на уроке эффект виртуальной реальности.

Информатизация образования отразилась на методике преподавания всех дисциплин, и в первую очередь -- дисциплин физико-математического цикла. Применение ИТ при изучении физических явлений существенно расширяет возможности преподавателя, позволяя ему использовать современные методы исследования и сочетать теоретическое изучение явлений с компьютерным моделированием, демонстрацией видеофрагментов и анимаций, реальным экспериментом, в котором компьютер выступает в качестве части экспериментальной установки или для обработки результатов измерений и т.д.

Между физикой и информатикой существует тесная связь, обусловленная тем, что: 1) вычислительная техника позволяет объяснить и показать использование физических принципов на практике; 2) компьютер может быть использован в качестве генератора сигналов или измерительного устройства в учебном эксперименте; 3) появилась возможность осуществления в рамках учебного процесса вычислительного эксперимента. Кроме того, ПК может быть использован для обработки файлов, полученных на других устройствах (сканерах, фото- и видеокамерах и т.д.), для математической обработки и графического представления результатов.

Основным инструментом учителя, использующего ИТ, является персональный компьютер, соединенный по локальной или глобальной сети с другими ПК, к которому подключены различные периферийные устройства: принтер, сканер, микрофон, колонки, цифровая фото и видеокамера, проектор и т.д. Результативное использование этих сложнейших электронных устройств требует не только понимания современных методов обработки информации, принципов функционирования ЭВМ и периферийных устройств, но и осознания возможностей и овладения методикой использования информационных технологий в образовании.

1.2 Роль ИТ в познании окружающего мира

Цель естественнонаучного образования состоит в познании учащимися явлений окружающей действительности, построении ее теоретической модели -- научной картины мира. Часть объективной реальности, взаимодействующая с субъектом познания (человеком) и противостоящая ему в его предметно-практической и познавательной деятельности называется объектом познания. В силу раздвоения мира на внешнюю (открытую) и внутреннюю (сокрытую) стороны в теории познания выделяют два аспекта объекта: явление, то есть внешний аспект, и сущность -- внутренний аспект.

Под сущностью понимают относительно устойчивую совокупность внутренних свойств, связей и отношений объекта, которая выражается в единстве многообразия всех форм его существования. Явление -- внешняя сторона объекта, легко изменяющаяся совокупность свойств, связей и отношений объекта, воздействующая на органы чувств субъекта познания. Эмпирическими называются знания об объектах и происходящих с ними явлениях, полученные как результат чувственных ощущений. Теоретические знания -- это знания сущности объектов и явлений, получающиеся в результате конкретизации общих положений науки.

Формирование научной картины мира осуществляется следующими способами: 1) умозрительное изучение результатов исследований ученых, осуществляемое по книгам, изложению учителя и т.п.; 2) выполнение реальных учебных наблюдений и экспериментов; 3) вычислительный эксперимент, использование информационных технологий (ИТ) с целью создания виртуальной модели изучаемых явлений.

Проведенный нами системный анализ процесса обучения позволил выделить следующие структурные элементы и связи между ними: учащийся, на которого оказывают влияние среда, учитель, учебные опыты и наблюдения, информационные технологии (рис. 1.2.1). Среда, то есть совокупность окружающих объектов и явлений, воздействует на учащегося и учителя, последний, учитывая ее влияние, выбирает такие методы обучения, при которых система научных знаний формируется оптимальным образом.

Исключение любого компонента из этой модели приводит к значительному ее огрублению. Самостоятельно, без посторонних источников информации (учителя, книги, электронной энциклопедии) учащийся не в состоянии построить научную картину мира, -- на это требуются поколения ученых. Без учителя нельзя получить систематичное образование. Учебные опыты и наблюдения являются эффективным средством формирования эмпирических знаний. Использование компьютерных технологий для решения учебных задач принципиально отличается от других методов обучения и на настоящем этапе является важным фактором, влияющим на учебный процесс. Естественные и социальные явления окружающей действительности определяют направление развития личности учителя и учащегося, цели, содержание и методы образования, применяемые средства обучения. При использовании ПК в учебном процессе возникает информационная система, состоящая из двух (ученик и компьютер) либо трех элементов (ученик, учитель и компьютер), между которыми происходит информационный обмен. Эта дидактическая информационная система, состоящая из учителя (эксперта), учащегося (обучаемого или тестируемого) и ЭВМ, используется для поддержки принятия решений, осуществления обучения, формирования соответствующих умений и навыков, оценки и тестирования учащихся.

Традиционная методика использования ИТ предполагает, что учитель формулирует учебную задачу, которая может состоять в изучении того или иного вопроса, решении некоторой проблемы, написании компьютерной программы. Учащийся, используя ПК с соответствующим программным обеспечением, решает поставленную задачу. В ряде случаев компьютер оценивает работу учащихся.

Внедрение ПК в учебный процесс привело к изменению роли учителя. Возможность использования электронных источников информации превращает его в наставника, который не столько сообщает новую информацию, сколько управляет развитием учащегося, сотрудничает с ним при решении учебных задач.

1.3 Использование ИТ в образовании

Информатизация образования требует повышения качества учебного процесса, осуществление соответствующих исследований и разработок современных методов обучения, основанных на использовании информационных технологий, до уровня требований постиндустриального общества. Это предусматривает приобщение учащихся к информационной культуре, построение в их сознании научной картины мира, овладение современными методами обработки информации.

В информатике под информационной (компьютерной) технологией понимают технологию переработки информации на ЭВМ, в результате которой получается новый информационный продукт (текстовый, графический, звуковой или видео-файл). Цель использования компьютеров в педагогической деятельности состоит в оказании педагогического воздействия на ученика, связанного с сообщением ему новых знаний, формированием умений, созданием оптимальных условий развития существенных сторон его личности, а также тестировании, оценки знаний и умений учащихся.

На наш взгляд, понятие информационной технологии в педагогике означает технологию обработки информации на электронных устройствах, связанную с сообщением учебного материала в текстовом, графическом, аудио- и видео- представлениях, программированием, выполнением измерений, тестированием учащихся и оценкой их знаний и умений. При этом применяются автоматизированные и экспертные обучающие системы, учебные базы знаний, тестирующие программы, электронные книги и энциклопедии, информационно-поисковые системы, мультимедийные системы, создающие эффект виртуальной реальности, образовательные телекоммуникационные сети.

Основные направления применения компьютерной техники в образовании представлены в Табл. 1. Практически все из них в той или иной степени могут использоваться на уроке физики.

Изучение методов обработки информации на ПК предполагает знакомство учащихся с различными текстовыми и графическими редакторами, с базами данных и динамическими таблицами, а также создание и обработка видео-, аудио- и графических файлов. При изучении информатики учащиеся осваивают методы алгоритмизации и программирования, изучают языки Basic, Pascal, Visual Basic, Delphi и т.д., что позволяет им создавать несложные программы и решать соответствующие задачи.

Развитие мультимедиа технологии превратило ПК в эффективное средство для создания чувственно-наглядных образов изучаемых объектов и явлений, построения виртуальной модели реального мира. Интеграция современных средств информационных и коммуникационных технологий делают возможным дистанционное образование (предоставление образовательных услуг), получение доступа к информационным ресурсам Интернета.

При изучении естественнонаучных и технических дисциплин ПК может эффективно использоваться как часть экспериментальной установки, учебной автоматизированной системы управления, в качестве программируемого источника сигналов и регистрирующего устройства.

Табл. 1.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ
Изучение методов обработки информации: 1. Создание и обработка текстовых и графических файлов с помощью текстовых и графических редакторов; 2. Использование баз данных и динамических таблиц для систематизации информации; 3. Обработка видео-, аудио- и фотоматериалов с помощью фото и видеокамер, видео- и аудиотехники. Создание презентаций, анимаций.
Программирование на компьютере: 1. Изучение языков программирования; 2. Решение математических, физических, экономических и других задач с помощью математических пакетов; 3. Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент.
Мультимедиа-технологии: 1. Получение информации с помощью электронных энциклопедий, словарей, учебников, переводчиков; 2. Использование обучающих программ и компьютерных игр для развития учащихся; 3. Оценка уровня знаний с помощью тестирующих программ.
Сетевые технологии: 1. Получение информации из энциклопедий и словарей, информационно-поисковых систем Интернет; 2. Дистанционное обучение и тестирование в Интранет и Интернет; 3. Создание Web-сайта, размещение информации в Интранет и Интернет.
Эксперименты с компьютером: 1. Использование ПК как измерителя времени, напряжения, частоты сигнала. 2. Применение ПК в качестве источника сигналов заданной формы. 3. Использование цифрового осциллографа, спектро-анализатора на базе ПК. Компьютерный измерительный комплекс.

1.4 Мультимедиа технологии

Мультимедиа -- компьютерная технология, обрабатывающая и сочетающая в себе текстовую, графическую, аудио и видео информацию, различные анимации и компьютерные модели. При этом используются гипермедиа-документы -- текстовые файлы, содержащие в себе связи с другими текстовыми, графическими, видео или звуковыми файлами. Внутри гипертекстового документа некоторые фрагменты текста выделены. При их активизации можно перейти на другую часть этого же файла или запустить другой файл на этом или другом ПК.

В учебном процессе мультимедиа-технологии могут использоваться для обработки графических, видео- и аудио файлов, для создания различных презентаций, обучающих, развивающих программ, компьютерных энциклопедий и гипермедиа - и телемедиа - книг. При этом достигается эффект виртуальной реальности-- некоторой модели реального мира, содержащей реально несуществующие объекты, с которыми взаимодействует пользователь. Преимущество мультимедийных продуктов: одновременное использование нескольких каналов восприятия, создание виртуальных моделей реальных ситуаций, явлений и экспериментов, визуализация абстрактной информации за счет динамического отображения процессов, установление ассоциативных связей между различными объектами.

Система виртуальной реальности погружает обучаемого в воображаемую трехмерную модель реального мира. Она обеспечивают "непосредственное" взаимодействие с различными объектами этого мира и манипулирование ими. Это качественно изменяет механизм восприятия и осмысления получаемой информации, способствует формированию чувственно-наглядного образа изучаемого явления. Мультимедийные средства обучения должны соответствовать дидактическим требованиям научности, доступности, проблемности, наглядности, сознательности, систематичности и последовательности обучения.

Современный электронный учебник представляет собой комплекс программного и педагогического обеспечения, в котором широко используются интерактивный текст, мультимедийные картинки, видеофрагменты, анимации, учебный материал разбит на систему модулей, связанных гиперссылками. Электронные учебные энциклопедии и словари могут быть классифицированы по структуре: алфавитные и систематические; по содержанию информации: универсальные и предметные, специализированные; по уровням и профилю образования: общеобразовательные и профильные; по форме представления информации: электронные копии традиционных энциклопедий и мультимедийные энциклопедии; по исполнению: как разновидность локальных информационных ресурсов и как разновидность ресурсов сети Интернет; по степени активности виртуальной среды: пассивные (сообщающие требуемую информацию) и интерактивные (предусматривающие обратную связь с пользователем). Как правило, электронная учебная энциклопедия представляет собой упорядоченную систему отдельных модулей, в каждом из которых представлена информация по соответствующему вопросу. Используется гипертекст, содержащий рисунки, фотографии, анимации, фильмы с аудио-сопровождением. Иногда содержатся методические рекомендации и задания для учащихся. Набор образовательных CD и DVD дисков, содержащих различные обучающие и тестирующие программы, электронные учебники и энциклопедии, учебные фильмы, тематический каталог предметных и методических пособий, позволяет создать электронную медиатеку, которую удобнее всего организовать на базе компьютерного класса, имеющего выход в Интернет. В результате использования компьютерной техники повышается интерес к изучаемому предмету, растет качество образования, активизируется познавательная деятельность, формируется научное мышление, осуществляется индивидуальный дифференцированный подход, творческое развитие личности, учащиеся глубже овладевают ИТ.

1.5 Использование сетевых технологий

Развитие компьютерной техники и средств связи обусловило появление распространение вычислительных сетей. Школы и вузы имеют компьютерные классы и лаборатории, в которых ПК объединены в локальную сеть, допускающую вход в Интернет.

Совокупность ПК после их объединения в сеть приобретает качественно иные свойства, расширяя возможности пользователя. Использование общих информационных и аппаратных ресурсов позволяет изменить работу учителя и учащихся, применяемую методику. Учитель, сидя за головным компьютером, может обратиться по сети к другому ПК, за которым работает учащийся, скачать с него файлы, либо использовать его аппаратные ресурсы (накопитель, Web-камера, сканер, принтер и т.д.)

Интернет-технология -- автоматизированный способ хранения, передачи и получения требуемой информации, существующей в режиме постоянного обновления, с помощью глобальной телекоммуникационной сети. Всемирная Паутина (World Wide Web -- WWW) позволяет получать доступ к различным каталогам, базам данных, пользоваться электронной доской объявлений, проводить компьютерные конференции, общаться в реальном масштабе времени, то есть читать информацию по мере ее ввода другим пользователем. Это делает возможным дистанционное образование, предполагающее доступ обучаемых к информационным ресурсам по Интернет, использование электронной почты для рассылки учебных текстов и контрольных работ.

Полноценное информационное обеспечение учебного процесса предусматривает создание единого информационно-образовательного пространства. Для этого необходимо:

Объединить ПК одного или нескольких компьютерных классов в единую локально-вычислительную сеть (ЛВС), создать сервер, обеспечить авторизацию и регистрацию пользователей.

Организовать файл-сервер, обеспечивающий электронный документооборот, запись и чтение файлов, хранящихся на сервере, с любого ПК сети.

На сервере создать динамично развивающийся внутренний сайт, содержащий файлы с конспектами лекций, учебными программами, методическими рекомендациями и т.д. Файлы должны быть в формате .html и содержать гипертекстовые ссылки на другие файлы. Через модем подключить сервер к глобальной сети Интернет, установить программное обеспечение, позволяющее выйти в Интернет с любого ПК локальной сети.

Создать внешний сайт учебного учреждения или его подразделения, разместить его на сервере провайдера (организации, обеспечивающей подключение к Интернет).

Организация ЛВС и ее подключение к Интернет качественно изменяет работу учителя и учащихся, позволяя сделать следующее:

Создать на сервере базу данных, содержащую, например, информацию об учащихся, их оценки. Система позволяет обратиться к базе данных с запросом и выдать на ПК требуемую информацию.

При наличии доступа авторизированный пользователь может с любого ПК изменить содержимое базы данных.

Обеспечить сохранение на сервере учебных и иных работ учащихся и учителя. Каждая группа пользователей может иметь свои имя и пароль, которые позволяют им считывать и записывать файлы в соответствующую папку сервера.

Просмотреть внутренний сайт образовательного учреждения (ее подразделения), скачать электронный вариант лекций, учебных заданий, методических рекомендаций, экзаменационных билетов, а также создать свою Web-страницу.

Организовать тестирование с помощью интерактивных Web-страниц, обрабатывающих данные по CGI-сценарию. Учащиеся со своих ПК вызывают форму с вопросами теста, в которой они выбирают правильные ответы или заполняют открытые поля. Результаты тестирования обрабатывает специальная программа, размещенная на сервере. Она ставит оценку, которая записывается в файл и/или выводится на экран соответствующего ПК.

Подключиться к Интернету, использовать электронную почту, скачивать полезную информацию, использовать различные справочные системы, дистанционное образование.

Развивать внешний сайт образовательного учреждения (вуза, школы) или его подразделения (факультета, кафедры), публиковать на нем информационные материалы о планируемых и прошедших мероприятиях (олимпиадах, конференциях), работы учащихся и учителей.

Внешний сайт обычно включает в себя учебный раздел: дидактические материалы, программы курсов, учебные работы учащихся; раздел управления учебно-воспитательным процессом: база данных о преподавателях и студентах, различная документация, учебные планы, графики учебного процесса; информационный раздел: информация о факультете, кафедре студентах и выпускниках, новости, среда общения с разграниченным доступом (чат, форум, гостевая книга ...).

При этом вместе с статическими могут быть использованы динамические Web-страницы, обновление которых осуществляется автоматически в результате информационного обмена с базой данных. В базе данных сформированы несколько исходных таблиц, поля которых связаны между собой. Возможно создание вторичных таблиц, поля которых заполняются как результат математических и логических операций первичной таблицы. Внесение изменений в исходную таблицу приводит к соответствующим изменениям в других, связанных с ней таблицах. При запросе специальная компьютерная программа читает информацию из БД и осуществляет автоматическое формирование и обновление запрашиваемой Web-страницы, на которой отображаются требуемые поля первичной и вторичной таблиц. Эта система предусматривает авторизацию пользователя, ограничение доступа, изменение и пополнение базы данных по сети.

1.6 Связь между физикой и информатикой

Как уже отмечалось, преподавание физики, в первую очередь электродинамики, связано с изучением вычислительной техники и современных технологий сбора, хранения, обработки и передачи информации. Это обусловлено объективными причинами: развитие компьютерной техники и средств телекоммуникации стало возможным благодаря достижениям микроэлектроники, развитие которой опирается на физические законы. На примере этих устройств может быть показано значение физики для развития современной техники, ее роль в практической деятельности.

Учитель физики должен приблизительно ориентироваться в современной вычислительной технике, понимать назначение и функционирование различных устройств. На (Рис. 1.6.1) представлена структурная схема ЭВМ, на которой изображены процессор, системная шина, внешняя и внутренняя память, устройства ввода и вывода.

В идеале учитель должен уметь объяснять взаимодействие рассмотренных блоков компьютера при решении различных задач: ввод текста, выполнение математических операции, запись и считывание информации из внешней памяти, информационный обмен между оперативной памятью и устройствами ввода вывода и т.д. Учителю следует сообщить о возможности построения различных электронных устройств: логических элементов, выполняющих операции И, ИЛИ, НЕ, генератора импульсов, вырабатывающего прямоугольные импульсы, триггера, способного находиться в двух устойчивых состояниях и запоминать 1 бит информации и т.д. Учащиеся должны понимать, что на их основе могут быть созданы такие узлы ЭВМ, как регистр памяти, сумматор, арифметико-логическое устройство, оперативная память, шифратор и дешифратор и т.д. На уроке, посвященном принципу радиосвязи и передаче информации посредством электромагнитных волн, учитель может напомнить учащимся о современных достижениях в области телекоммуникации. Имеет смысл рассмотреть или упомянуть амплитудную, частотную и фазовую модуляции, принцип частотного и временного разделения канала связи, использование оптоволокна для одновременной коммутации нескольких источников и потребителей информации и т.д. Примерами использования внешнего и внутреннего фотоэффекта является работа лазерного принтера, сканера, фото и видео камеры, оптодатчиков. Изучение магнитных свойств вещества, явления остаточной намагниченности, электромагнитной индукции может сопровождаться рассмотрением работы магнитных запоминающих устройств.

Рассматривая технологии изготовления микросхем, учитель может напомнить, что большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС) составляют элементную базу современных ЭВМ. Электронная промышленность продолжает развиваться в направлении уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на кристалле. Это приводит к увеличению производительности процессора, росту тактовой частоты, снижению напряжения питания.

Так, в 2003 г. был освоен 90-нм технологический процесс, в 2005 осуществлен переход на 65-нм технологию, в 2007 планируется внедрение 45-нм технологии.

На уроке физики могут быть обсуждены перспективные направления развития компьютерной техники:

Молекулярные компьютеры. Компания IBM получила ротаксан -- вещество, молекула которого обладает свойствами диода (1974 г.). Из нее можно сделать аналог транзистора, а из двух -- аналог триггера. Переключения молекулы ротаксана из одного состояния в другое осуществляется с помощью света или слабого электрического поля. Тактовая частота процессора возрастет до 1 ТГц=1012 Гц. По прогнозам первый молекулярный компьютер появится к 2015 г.

Биокомпьютеры. Примером биокомпьютера является мозг человека. Применение в вычислительной технике биологических материалов делает возможным построение белковой памяти, создание биокомпьютера на ДНК. Он будет иметь малые размеры, высокое быстро- действие, потреблять мало энергии и может служить частью живого организма.

Нейрокомпьютеры. Это вычислительная система, созданная на базе нейронных систем живого мира. Примером искусственной нейронной сети является перцептрон Розенблата. Нейрокомпьютерам присущи параллельность обработки информации, способность к обучению, распознаванию образов, установлению ассоциативных связей, высокая надежность.

Оптические компьютеры. Логические операции могут быть реализованы с помощью оптических элементов, что позволяет упростить работу оптических повторителей и усилителей оптоволоконных линий дальней связи. При этом используется явление оптической бистабильности: за счет нелинейности оптической среды возможны два стационарных состояния прошедшей световой волны, отличающихся интенсивностью и поляризацией. Оптоволокно имеет предел пропускной способности в 5-10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны. По каждому волокну может пропускаться до 8 лучей с разными длинами волн. Применяемые ЭВМ перейдут на оптическую основу, это позволит сохранять сигнал в световой форме и существен повысить быстродействие.

Квантовые компьютеры. Квантовые вычислительные системы состоят из совокупности микрочастиц (атомов), способных переходить из одного энергетического состояния в другое. Это осуществляется за счет вынужденных переходов атомов под действием световых волн.

(фотонов) с частотой . Спонтанные переходы должны быть исключены. При этом могут быть реализованы все логические операции: И, ИЛИ, НЕ. Единицей информации является кубит (qubit, Quantum Bit). Двум значениям кубита 0 и 1 могут соответствовать основное и возбужденное состояния атома, различная ориентация спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце и т.д. Условия работы квантового компьютера: 1) известно точное число частиц; 2) имеется способ приведения системы в определенное начальное состояние; 3) система изолирована от внешней среды; 4) имеется возможность изменения состояния системы требуемым образом.

В будующем электронно-вычислительная техника объединится не только со средствами связи, различными технологическими процессами, но и с биологическими организмами. Станет возможным создание искусственных имплантантов, человеко-машинных киборгов, разумных роботов-адроидов. К 2050 году ЭВМ достигнет мощности человеческого мозга.

Глава II. Компьютерное моделирование физических явлений

2.1 Принципы компьютерного моделирования

Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения систем. Часто компьютерные модели проще и удобнее исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых затруднена или может дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяют выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемых объектов, исследовать отклик физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Компьютерное моделирование требует абстрагирования от конкретной природы явлений, построения сначала качественной, а затем и количественной моделей. За этим следует проведение серии вычислительных экспериментов на ЭВМ, интерпретация результатов, сопоставление результатов моделирования с поведением исследуемого объекта, последующее уточнение модели и т.д.

К основным этапам компьютерного моделирования относятся: постановка задачи, определение объекта моделирования; разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия; формализация, то есть переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы; планирование и проведение компьютерных экспериментов; анализ и интерпретация результатов.

Различают аналитическое и имитационное моделирование. Аналитическими называются модели реального объекта, использующие алгебраические и другие уравнения, а также предусматривающие осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. Имитационными называются математические модели, воспроизводящие алгоритм функционирования исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Принципы моделирования [3]:

Принцип информационной достаточности. При полном отсутствии информации об объекте построить модель невозможно. При наличии полной информации моделирование лишено смысла. Существует уровень информационной достаточности, при достижении которого может быть построена модель системы.

Принцип осуществимости. Создаваемая модель должна обеспечивать достижение поставленной цели исследования за конечное время.

Принцип множественности моделей. Любая конкретная модель отражает лишь некоторые стороны реальной системы. Для полного исследования необходимо построить ряд моделей исследуемого процесса, причем каждая последующая модель должна уточнять предыдущую.

Принцип системности. Исследуемая система представима в виде совокупности взаимодействующих друг с другом подсистем, которые моделируются стандартными математическими методами. При этом свойства системы не являются суммой свойств ее элементов.

Принцип параметризации. Некоторые подсистемы моделируемой системы могут быть охарактеризованы единственным параметром: вектором, матрицей, графиком, формулой.

Моделирование систем требует решения дифференциальных уравнений. Применяемый метод сеток состоит в том, что области непрерывного изменения аргументов функции заменяют конечным множеством узлов, образующих одномерную или многомерную сетку, и работают с функцией дискретного аргумента, что позволяет приближенно вычислить производные и интегралы. В методе Эйлера бесконечно малые приращения функции f(x,y,z,t) и приращения ее аргументов заменяются малыми, но конечными разностями.

2.2 Численное интегрирование и дифференцирование

Задача. Для известной функции , определите первую и вторую производные в точке с координатой , а также интеграл в интервале от a до b.

Теория. Пусть задана функция . Разобьем интервал от a до b на элементарные отрезки длиной получив конечное множество узлов сетки , где i =1,2,...,N, a N -- число узлов. В результате функция непрерывного аргумента будет заменена функцией дискретного аргумента . Тогда левая, правая и центральная разностные производные первого порядка в точке с координатой соответственно равны:

Чем меньше шаг сетки h, тем выше точность найденных производных. Тогда вторая производная равна:

Интеграл функции численно равен площади криволинейной трапеции, ограниченной графиком этой функции и пределами интегрирования a и b Если эту трапецию разбить на N прямоугольных полосок шириной h=(b-a)/N длина каждой из которых равна то площадь будет примерно равна:

Страницы: 1, 2