Физический симулятор «Algodoo» - перспективная учебная программа для изучения основ компьютерного моделирования
статья по информатике и икт

Физический симулятор «Algodoo» - перспективная учебная программа для изучения основ компьютерного моделирования

Автор: Беспалов Д.В.

г. Тирасполь 2019 г.

При изучении компьютерного моделирования в школах одной из важных проблем является выбор соответствующего программного обеспечения. В случае среднего профессионального образования и высшего профессионального образования выбор программ обусловлен спецификой изучаемой дисциплины, например математическое моделирование, трехмерное моделирование, автоматизированное проектирование, электроника и другие. Изучаемое программное обеспечение требует значительных временных и умственных затрат, для освоения интерфейса и базовых навыков работы. Для  общеобразовательных школ, где на информатику отводится 1-2 часа в неделю,  такой подход неприменим, так как школьники впервые знакомятся с компьютерным моделированием и осваивают его базовые понятия. Желательно, чтобы учебная программа удовлетворяла следующими требованиями:

- простота;

- наглядность;

- интерактивность;

- возможность визуализации;

- динамичность;

- минимальные системные требования.

        Для современных программных продуктов, таких как программы для математического,  трехмерного, физического моделирования характерны высокая сложность освоения, узкая направленность, требовательность к ресурсам компьютера, проприетарность и высокая стоимость приобретения. Эти недостатки резко ограничивают их применение в обучении школьников, знания и навыки которых в силу возраста еще недостаточно развиты для работы со сложным программным обеспечением.

         Как показывает практика большинство учителей информатики и ИКТ для создания компьютерных моделей применяют следующее прикладное программное обеспечение:

- графические редакторы (для создания графической модели - рисунка);

- текстовые процессоры (создается текстовая или табличная модель);

- электронные таблицы;

- среды программирования;

- системы управления базами данных и другие.

Эти инструменты не являются специализированными средствами для моделирования и изначально предназначались для других задач (редактирование изображений и текста, выполнение расчетов). Только лишь  среда  программирования является наиболее универсальным и вместе с тем наиболее сложным средством  для построения моделей процессов и явлений. Однако создание модели с помощью языка программирования  представляет собой весьма сложную задачу для учащихся средних школ, требует постоянной активной помощи преподавателя и не вполне отвечает требованиям, поставленным к обучающим программам, особенно в отношении наглядности и визуализации. Некоторые педагоги освоили использование в учебном процессе специальных программ,  например для  трехмерного моделирования, физического моделирования, или же  комплекты готовых учебных моделей (такие как интерактивные мультимедийные учебно-методические комплексы издательства ФИЗИКОН и т.п.).  Анализ методической литературы и авторских педагогических разработок позволил выявить конкретные образцы программного обеспечения для компьютерного моделирования, применяемые на уроках (или во внеурочной деятельности) в общеобразовательных школах.

На уроках информатики для построения компьютерных моделей учителя обычно применяют:

- графические редакторы (для создания графической модели - рисунка);

- текстовые процессоры (создается текстовая или табличная модель);

- электронные таблицы;

- среды программирования;

- системы автоматизированного проектирования;

- системы управления базами данных и другие.

Этим инструментам свойственны следующие недостатки:

- слабые возможности визуализации (например, MS Word, Excel);

- ограниченный набор инструментов;

- статичность и примитивизм создаваемых моделей;

- высокая сложность сред программирования и проектирования;

- а также  другие.

Все эти недостатки практически отсутствуют или минимизированы в двухмерном физическом симулятор  «Allgodoo» от компании Algoryx Simulation, который сразу после своего появления вызвал к себе пристальный интерес и приобрел множество поклонников. Его возможности превосходят все остальные программные продукты этого класса. История программы Algodoo началась в 2008, когда её автор, студент университета «Умео» (Швеция) Эмиль Эрнерфельдт готовился к получению магистерской степени по информатике. Тогда симулятор назывался Phun. Его создатель совместно с товарищами основал компанию Algoryx Simulation. Разработчик переименовал программу в Algodoo и с тех пор постоянно совершенствует и развивает своё детище. «Algodoo» является бесплатным ПО, с небольшими системными требованиями. В Algodoo великолепно выполнены те операции, каких нет в других аналогичных программах. Прежде всего, это взаимодействие предметов. Программа поддерживает пружины, цепи, шарниры, шестерни, источники света, частицы, двигатели и другие объекты.

        На официальном сайте симулятора физических процессов имеется множество обучающих материалов, а также хранилище algobox, предназначенное для обмена работами между пользователями приложения.

Язык интерфейса ПО Algodoo многоязычный. Последняя версия приложения поддерживает немецкий, английский, испанский, французский, хорватский, польский, шведский, японский, китайский и корейский языки. Пользователи могут создавать собственные языковые пакеты, существуют различные варианты  русификаторов.

Рис. Физический симулятор Algodoo.

         Впечатляет интерактивность симулятора. Задавать параметры объектам можно как во время подготовки эксперимента, так и во время паузы и даже на ходу. Можно задавать вес, объем, скорость, характер материала, упругость, силу и длину натяжения пружины, шаг и высоту зубцов шестерёнки и многое другое. В считанные секунды вы можете превратить нарисованный объект в камень, металл, воду и даже в воздушный шар, наполненный гелием. Базовые функции включают в себя: рисование прямоугольников, кругов, кривых линий и фигур не правильной формы; масштабирование, перемещение, поворот и удаление объектов; отмену/возврат последних действий. Также программа Algodoo поддерживает функции: разрезания деталей на части (во время паузы и «на лету»), создания уровня земли, добавления на объекты трассеров для отслеживания  передвижений объекта, вывода графиков, векторов и цифровых значений ряда величин. Поддерживаются слои (каждый объект на двумерном поле имеет свой слой и взаимодействует лишь с ним), двигатели (прикрепляются к объекту и задают его скорость/силу вращения и клавиши включения/выключения) и крепежи (скрепляют несколько объектов, лежащих в разных слоях). Имеется возможность загружать в симулятор любые сторонние рисунки. При этом они становятся одним из объектов сцены соответствующей формы и текстуры, которому можно задавать любые физические свойства и который может взаимодействовать с любыми другими объектами.  В приложении можно легко собрать модели автомобилей, часов, оружия, механизмов. Симулятор проводит расчет геометрической оптики, учитывая показатели преломления, углы, дисперсию; достаточно реалистично моделируется в нем вода. После создания сцены и нажатия кнопки «Play» эксперимент оживает под действием ветра, силы тяжести, сопротивления воздуха, моторов, инерции и т.д. Симулятор интерактивен, в любой момент по ходу демонстрации можно вносить коррективы – добавлять объекты или изменять их характеристики. Программа Algodoo имеет встроенный скриптовый язык под названием Thyme, привносящий в симулятор еще большую свободу действий и позволяющий создавать: объекты с уникальными физическими свойствами, явления и эффекты (например, плавление объектов или химические процессы). В Thyme доступны массивы, условные операторы, переменные, обработка событий, происходящих в среде моделирования.

        Данный симулятор удобно использовать на уроках с применением интерактивной доски, что значительно увеличивает его образовательные возможности.  Таким образом, можно констатировать, что это программное обеспечение в значительной мере отвечает требованиям, поставленным в начале раздела данной статьи (простота, наглядность, интерактивность, возможность визуализации,  динамичность, минимальные системные требования).  Исходя из полученной информации, можно сказать, что «Algodoo» как инструмент обучения моделированию заслуживает внимания, а его возможности нуждаются в тщательном изучении  и тестировании.