Автор(и):
- Одновол Дмитро Геннадійович, ORCID: https://orcid.org/0009-0004-7238-7424
- Дяденчук Альона Федорівна, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6625-9985
DOI: https://doi.org/10.32782/2307-9770.2025.13.02.01
Мова статті: UKR
Анотація
У статті розглянуто актуальні проблеми розвитку технічного мислення здобувачів вищої освіти шляхом використання чисельного моделювання електромагнітних хвиль у середовищі Matlab. Сучасна інженерія вимагає від фахівців не лише глибоких теоретичних знань, але й уміння застосовувати їх на практиці, особливо в галузі електродинаміки, де абстрактні поняття потребують наочної візуалізації. В дослідженні проаналізовано роль комп’ютерного моделювання у вивченні електродинаміки та показано його вплив на засвоєння фізичних концепцій. Наведено два приклади моделювання: інтерференції електромагнітних хвиль та їхнього поширення через різні матеріали. Для кожного прикладу наводиться математична модель, опис програмного коду Matlab, візуалізація результатів, можливі напрямки розширення моделей для виконання самостійної роботи студентами. Запропоновано алгоритми реалізації чисельного аналізу, візуалізації полів та оцінки коефіцієнтів відбиття і пропускання електромагнітних хвиль крізь різні матеріали. Дослідження показує, що моделювання електромагнітних хвиль у Matlab сприяє глибшому розумінню принципів їх поширення, взаємодії та суперпозиції. Студенти можуть спостерігати зони конструктивної та деструктивної інтерференції, аналізувати поведінку електричного та магнітного полів, а також будувати динамічні анімації. Моделювання поширення електромагнітних хвиль через різні матеріали дозволяє аналізувати, як хвилі взаємодіють з багатошаровими структурами, що є корисним для розуміння поведінки хвиль у різних матеріалах та для розробки пристроїв, таких як фільтри або антивідбивні покриття. Отримані результати підтверджують ефективність використання Matlab в освітньому процесі, що сприяє підвищенню мотивації здобувачів вищої освіти, розвитку їхніх аналітичних навичок та формуванню практичних компетентностей. Перспективи подальших досліджень включають інтеграцію Matlab з бібліотеками машинного навчання для прогнозування характеристик хвильових процесів. Стаття може бути корисна викладачам фізики та інженерних дисциплін, а також студентам, які цікавляться комп’ютерним моделюванням фізичних явищ.
Ключові слова
технічне мислення, Matlab, електромагнітні хвилі, чисельне моделювання, електродинаміка, візуалізація фізичних явищ
Бібліографічні посилання
1. Дяденчук, А. Ф., & Шквиря, В. В. (2022). Формування інформаційно-математичної компетентності здобувачів вищої освіти в загальному курсі фізики. Інженерні та освітні технології, 10(1), 30-41. DOI: https://doi.org/10.30929/2307-9770.2022.10.01.03
2. Obeidat, S. B., Dakeev, U., & Ma, J. (2022, August). Teaching AutoCAD in E-learning and Face-to-Face Styles for Undergraduate Engineering Technology Students During and after COVID-19 Pandemic. Proceedings of the 2022 ASEE Annual Conference & Exposition.
3. Naik, B. K. (2022). Solution for simple classical systems using SCILAB. The Physics Educator, 4(03), 2250014. DOI: https://doi.org/10.1088/1857-2223/ac771d
4. Ковальчук, М. Б. (2019). Моделювання задач математичної фізики в системі комп’ютерної математики Maple. Фізика-математична освіта, 2(20), 40-47. DOI: https://doi.org/10.31110/fmo2019.02.040
5. Akhatayeva, Z., Sagindykov, K., Mukushev, B., Kurmangaliyeva, N., & Karipzhanova, A. (2024). Visual Basic and MathCAD used for Visualization and modeling STEM education. Education and Information Technologies, 1-16. DOI: https://doi.org/10.1007/s10639-024-12461-x
6. Подласов, С. О., & Матвійчук, О. В. (2023). Особливості проведення лабораторних робіт з фізики в технічному університеті під час дистанційного навчання. Інформаційні технології і засоби навчання, 1(93), 152-162. DOI: https://doi.org/10.33407/itlt.v93i1.6111
7. Дяденчук, А. Ф., & Халанчук, Л. В. (2020). Застосування середовища Mathcad у загальному курсі фізики при підготовці фахівців інженерних спеціальностей. Інженерні та освітні технології, 8(4), 40-50. DOI: https://doi.org/10.30929/2307-9770.2020.08.04.04
8. Дяденчук, А. Ф., & Халанчук, Л. В. (2021). Формування професійної компетентності майбутніх інженерів при розв’язанні прикладних задач у пакеті Scilab. Моделювання компетентнісної професійної освіти в контексті євроінтеграції: монографія [Електронне видання] / кол. авт.; за заг. ред. проф. Н. П. Волкової. Дніпро: Університет імені Альфреда Нобеля, 289-309.
9. Одновол, Д. Г. (2010). Дистанційне навчання фізики та місце в ньому математичних пакетів програм. Збірник наукових праць Кам’янець-Подільського національного університету імені Івана Огієнка. Серія педагогічна, 16, 295-297.
10. Яблонь, Л. С. (2016). Моделювання фізичних процесів. Лабораторний практикум для студентів напрямів підготовки «Фізика» і «Прикладна фізика». Івано-Франківськ, 86 с.
11. Praveena, S., Deepak, J., Priyadharshini, K., & Shanthi, T. (2021). Simulation of Electromagnetic Waves Propagation Using Matlab. Journal of Electronics and Informatics, 6(2), 171-184. DOI: https://doi.org/10.18311/jei/2021/28362
12. Notaroš, B. M., McCullough, R., Manić, S. B., & Maciejewski, A. A. (2024). Computer-assisted learning of electromagnetics through MATLAB programming of electromagnetic fields in the creativity thread of an integrated approach to electrical engineering education. URL: https://www.engr.colostate.edu/~aam/pdf/journals/102.pdf (дата звернення: 26.02.2025).
13. Majid, M. A., Huneiti, Z. A., Balachandran, W., & Balarabe, Y. (2013). MATLAB as a teaching and learning tool for mathematics: a literature review. International Journal of Arts & Sciences, 6(3), 23.
14. Hansen, N. K., & Hadjerrouit, S. (2021). Exploring students’ computational thinking for mathematical problem-solving: A case study. Cognition and Exploratory Learning in the Digital Age (CELDA 2021), 251.
15. Majid, M. A., Huneiti, Z. A., Al-Naafa, M. A., & Balachandran, W. (2012, September). A study of the effects of using MATLAB as a pedagogical tool for engineering mathematics students. Proceedings of the 2012 15th International Conference on Interactive Collaborative Learning (ICL), 1-9. IEEE. DOI: https://doi.org/10.1109/ICL.2012.6402120
16. Kontrová, L., & Šusteková, D. (2020). Matlab as a teaching, learning and motivating tool for engineering mathematics. Mathematical Modeling, 4(2), 42-44.
17. Бобрицька, Г., & Черновол, Н. (2024). Інтегроване заняття з математичного моделювання Марковського процесу з використанням моделі Ланчестера та її розв’язання в MatLab. Фізико-математична освіта, 39(5), 7-13. DOI: https://doi.org/10.31110/fmo2024.v39i5-01
18. Гаєв, Є. О. (2018). MatLab-програма дисперсії світла на призмі та метод навчання на Власних відкриттях. Інформаційні технології в освіті, 3, 30-45.
19. Поведа, Р. А. (2006). Використання систем символьної математики в курсі теоретичної фізики. Збірник наукових праць Кам’янець-Подільського національного університету імені Івана Огієнка. Серія педагогічна, 12, 303-304.
20. Касьянова, Г. (2023). Формування технічного мислення засобами STEM-освіти майбутнього вчителя фізики. Collection of Scientific Papers, 64.
21. Дідух, Л. Д. (2020). Електрика та магнетизм: підручник. Тернопіль: Підручники і посібники, 464 с.