Разработка и создание комплекса демонстрационных программ по волновой и квантовой оптике на основе модульной архитектуры

Введение
Одним из основных общедидактических требований к лекциям по общей физике является требование наглядности изложения материала [9]. В качестве средств наглядности выступают различные демонстрационные материалы (плакаты, фотографии, видеозаписи и проч.), но основным традиционно остается демонстрационный эксперимент [8]. С 90-х годов XX века компьютерная техника все больше используется в процессе обучения. В связи с этим получили широкое распространение компьютерные модельные демонстрации, дополняющие или даже заменяющие натурный эксперимент. Модельные демонстрации свободны от многих недостатков натурного эксперимента [11]. Однако анализ существующих компьютерных программ, разработанных как в нашей стране, так и за рубежом, показал, что значительная их часть имеет недостатки и не в полной мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к средствам обеспечения учебного процесса. Это может быть следствие недостатков среды разработки, ее устаревания или неполного использования возможностей такой среды на момент создания программы. Большинство программных интерфейсов разработано без учета специфики демонстрационных программ [4]. Особенно это актуально для демонстраций по оптике, в которых наглядность представления информации и реалистичность ее воспроизведения играют важнейшую роль. В ближайшем будущем роль компьютерных программ в учебном процессе будет только расти. Поэтому необходимы программы нового поколения, в которых будут устранены такого рода недостатки. В силу специфики компьютерных демонстраций при их написании на первый план выходят не проблемы реализации физической модели, а гораздо более трудоемкие задачи создания соответствующего интерфейса и его реализации. Поэтому для эффективной разработки таких программ необходима технология, объединяющая усилия многих программистов, позволяющая распределять написание программного кода и т.п. Это требует применения системного подхода к такой разработке, основывающегося в первую очередь на унификации архитектуры программ.
Целью настоящей работы являлась разработка архитектуры системы демонстрационных программ, а также создание новых демонстраций по волновой и квантовой оптике. В задачи работы входили: • анализ структуры демонстрационных программ; • выделение структур данных и алгоритмов их обработки; • анализ потоков данных; • создание шаблона программы; • разработка комплекса демонстрационных программ, охватывающих различные области оптики, имеющих оптимальный для использования на лекциях по общей физике интерфейс и удовлетворяющих остальным требованием к компьютерным демонстрациям

Глава 1 Методические основы создания демонстрационных модельных программ
Во введении отмечалось, что модельные демонстрации имеют ряд преимуществ перед натурными. К основным из них можно отнести [11]: • отсутствие необходимости длительной настройки; • отсутствие необходимости специфического дорогостоящего оборудования; • требование наличия только компьютера и мультимедийного проектора; • возможность быстро изменять параметры в широких пределах; • возможность модельного эксперимента, показывающего любое явление в отличии от натурной демонстрации. Необходимо различать термины “компьютерная модельная демонстрация” и “демонстрационная программа”. Первая является средством наглядности, используемым в учебном процессе. Вторая же является одним из технических средств, с помощью которых эта демонстрация реализуется. Демонстрация имеет определённую методику показа; одна и та же программа может лежать в основе нескольких различных демонстраций, использующих разные ее возможности. Преимущества модельной демонстрации вполне могут компенсироваться недостатками компьютерной программы. Можно выделить ряд типичных недостатков программ, полученных из анализа уже имеющихся на сегодняшний день компьютерных демонстраций: • малый размер окна программы; • неудачный выбор размера или начертания шрифта; • низкое качество изображения (по разрешению или цветам); • сложный выбор значения параметров; • избыточное количество параметров; • неудачное расположение элементов интерфейса и т.п.
Требования, которым должна удовлетворять любая модельная программа, вытекают из требований к компьютерным демонстрациям, реализуемым с их помощью. Их можно разделить на несколько групп: • дидактические; • технические; • психофизиологические; • эргономические