NÁHLÍK, Tomáš. USING OCTAVE AS A SIMULATION ENVIRONMENT FOR TEACHING WAVES. In L. Gómez Chova, A. López Martínez, I. Candel Torres. Inted 2019 PROCEEDINGS. INTED2019 Proceedings. Španělsko: IATED Academy, 2019. p. 4127-4133. ISBN 978-84-09-08619-1.
Other formats:   BibTeX LaTeX RIS
Basic information
Original name USING OCTAVE AS A SIMULATION ENVIRONMENT FOR TEACHING WAVES
Name in Czech Využití OCTAVE jako simulačního prostředí pro výuku vlnění
Authors NÁHLÍK, Tomáš (203 Czech Republic, guarantor, belonging to the institution).
Edition INTED2019 Proceedings. Španělsko, Inted 2019 PROCEEDINGS, p. 4127-4133, 7 pp. 2019.
Publisher IATED Academy
Other information
Original language English
Type of outcome Proceedings paper
Field of Study 10300 1.3 Physical sciences
Country of publisher Spain
Confidentiality degree is not subject to a state or trade secret
Publication form electronic version available online
RIV identification code RIV/75081431:_____/19:00001800
Organization unit Institute of Technology and Business in České Budějovice
ISBN 978-84-09-08619-1
ISSN 2340-1079
UT WoS 000536018104037
Keywords (in Czech) Vlnění; kmitání; simulace; vyučování
Keywords in English Waves; oscillations; simulation; teaching
Tags FYS, Fys_1, FYS_z, N_FLP, RIV20, WOS
Changed by Changed by: Kateřina Nygrýnová, učo 23736. Changed: 3/9/2020 12:33.
Abstract
"Within the framework of teaching physics students meet the concepts of oscillation and waves. It is clear from our experience that they have a big problem in distinguishing these two concepts. They meet these phenomena in everyday life but understanding these phenomena and mathematical description is not clear to them. One of the ways, in which these phenomena can be introduced, is illustrative demonstrations in classroom. This can bring understanding the phenomenon, but not the understanding of mathematical contexts. The description using the equation is for students very abstract. Therefore, it is necessary to create a simulation tool for simulating these phenomena, where students can easily change the individual parameters of the equation and see a change in the graph and the behaviour of individual waves and oscillations. Simple oscillation simulations can also be created in a spreadsheet environment such as MS Excel. For more complex behaviour and possible spatial display, you need to switch to other software. In order to keep the application accessible to students, OCTAVE was chosen as the simulation environment, which is available for free. Our application allows you to simulate various oscillations and their composition. The oscillations that move in the same (opposite) direction and the oscillations perpendicular to each other can be composed. Both constructive and destructive interference and resonance as well as interference patterns can be observed. All equations of oscillations are parametrized. All parameters can be easily changed. Results of simulations are displayed in both - time space and phase space with all important parameters and the specific equation of the given oscillation. Not only harmonic oscillations are simulated, perhaps more important and more challenging to understand are damp oscillations. For a good understanding of waves, it is necessary to understand the oscillations first. As soon as a student is able to handle oscillation, simulations of waves can be introduced. The wave equation contains two parameters - time and distance from the source - giving students additional difficulty in understanding. In this situation, the appropriate visualizations of waves and composition of waves can help to better understand this issue. Waves are simulated in the same way as oscillations. This allows students to understand not only the simulations but also the whole topics and real-world applications. Changes in parameters are intuitive. Graphs of the waves are not only displayed but also drawn point by point with some time steps. Students can see the evolution of the waves. The application can be successfully used both in frontal education and home preparation. We are presenting graphs and equations in frontal education with theoretical description. During home preparation students can easily play with all parameters, change them and see how these changes affect the final graph or behaviour of the whole system. Feedback from students is positive. They reports better understanding of the topic."
Abstract (in Czech)
"V rámci výuky fyziky se studenti setkají s pojmy kmitání a vlnění. Z našich zkušeností vyplývá, že mají velký problém rozlišit tyto dva pojmy. A přestože se s těmito jevy setkávají v běžném životě jejich pochopení a matematický popis jim uniká. Jako jedna z možností, jak jim tyto jevy přiblížit jsou názorné ukázky ve výuce. Tím sice lze dosáhnout pochopení daného jevu, ale nikoli pochopení matematických souvislostí. Popis pomocí rovnice je pro studenty příliš abstraktní. Je tedy nutné vytvořit pomůcku pro simulaci těchto jevů, kde si studenti budou moci jednoduše měnit jednotlivé parametry rovnice a rovnou uvidí změnu v grafu a v chování jednotlivých vln a kmitů. Jednoduché simulace kmitání lze vytvářet i v prostředí tabulkového procesoru jako například MS Excel. Pro složitější chování a případné prostorové zobrazení je nutné přejít k jinému software. Abychom zachovali přístupnost aplikace pro studenty, jako simulační prostředí bylo zvoleno OCTAVE, které je k dispozici zdarma. Naše aplikace umožňuje simulovat jednotlivé kmity a jejich skládání. Skládat lze kmity, které postupují stejným (opačným) směrem, i kmity na sebe kolmé. Lze tedy pozorovat konstruktivní i destruktivní interferenci, rázy i rezonanci a také interferenční obrazce. Všechny rovnice kmitání jsou parametrizované a všechny parametry mohou být snadno měněny. Výsledky simulací jsou zobrazené jak v průběhu času, tak i ve fázovém prostoru se všemi důležitými parametry a konkrétními rovnicemi daného kmitání. Provádí se simulace nejen harmonických oscilací, protože důležitější a náročnější na pochopení jsou tlumené oscilace. K dobrému pochopení vlnění je potřeba porozumět nejprve kmitům. Ve chvíli, kdy student zvládne kmitání, lze přistoupit k simulacím vlnění. Rovnice vlnění obsahuje dva parametry čas a vzdálenost od zdroje, což přináší studentů další obtíže. V této situaci mohou příslušné vizualizace vlnění a skládání vlnění napomoci k lepší pochopení této problematiky. Vlnění je simulováno stejně jako kmitání. To umožňuje studentům pochopit celé téma a reálné aplikace. Změny parametrů jsou intuitivní. Výsledné grafy vlnění nejsou jen zobrazovány jako výsledek, ale jsou postupně vykreslovány s určitým časovým krokem. Studenti tak mohou vidět vývoj vlnění. Vytvořenou aplikaci lze s úspěchem použít jak při frontální výuce, tak i při domácí přípravě. Grafy a rovnice jsou prezentované v rámci frontální výuky spolu s teoretickým popisem. V průběhu domácí přípravy si studenti mohou hrát s jednotlivými parametry, měnit je a vidět jaký vliv to má na výsledný graf a chování celého systému. Zpětná vazba od studentů je pozitivní, říkají že lépe chápou dané téma."
PrintDisplayed: 7/10/2022 21:49