Методика викладання курсу «Комп’ютерне моделювання природничих систем та процесів» у закладах вищої освіти

Abstract

UKR : Стаття присвячена обґрунтуванню методичних засад вик ладання курсу комп'ютерного моделювання природничих систем та процесів у закладах вищої освіти в умовах зростаючої потреби у фахівцях, здатних ефективно застосовувати методи моделювання для дослідження різноманітних систем. Актуальність дослідження обумовлена обмеженнями традиційних методів вивчення природничих систем, коли проведення натурних експериментів може бути неможливим, занадто дорогим або небезпечним. У роботі здійснено аналіз сучасних досліджень щодо використання комп'ютерних симуляцій у STEM-освіті, який засвідчив суттєвий позитивний вплив симуляційного навчання на формування складних когнітивних навичок студентів. Розроблено структуру курсу, яка охоплює шість тематичних модулів: методологічні засади комп'ютерного моделювання, моделювання фізичних процесів, моделювання хімічних систем, моделювання біологічних, екологічних та економічних систем, стохастичні моделі та методи імітаційного моделювання, а також інтеграційний модуль виконання комплексного проєкту. Кожен модуль передбачає вивчення специфічних методів та практичне застосування на конкретних прикладах систем відповідної природи. Обґрунтовано засто сування інтерактивних симуляцій та віртуальних лабораторій як ключових педагогічних інструментів, що забезпечують активне залучення студентів та дозволяють експериментувати з системами без обмежень щодо вартості обладнання або безпеки. Для різних типів систем рекомендовано використання спеціалізованих платформ: PhET для фізики, ChemCollective та Labster для хімії, Cell Collective та SimBio для біології, Vensim та NetLogo для економічних систем. Запропоновано методичні рекомендації щодо організації практичних занять за принципом дослідницького навчання з формулюванням гіпотези, плануванням експерименту, аналізом даних та критичним обговоренням висновків. Особливістю методики є використання концептуального моделювання, коли студенти самостійно створюють моделі досліджуваних систем та реалізують їх у вигляді програм. Запропонована методика ґрунтується на використанні міждисциплінарного підходу, який демонструє універсальність математичних методів для опису різних явищ від фізичних процесів до економічних систем, що сприяє формуванню системного мислення у майбутніх фахівців. ENG : The article is devoted to substantiating the methodological foundations for teaching a course on computer modeling of natural systems and processes in higher education institutions in the context of growing demand for specialists capable of effectively applying modeling methods to study various systems. The research relevance is determined by the limitations of traditional methods for studying natural systems, when conducting field experiments may be impossible, too expensive, or dangerous. The work analyzes modern research on the use of computer simulations in STEM education, which demonstrated a significant positive impact of simulation-based learning on the formation of complex cognitive skills in students. A course structure has been developed that covers six thematic modules: methodological foundations of computer modeling, modeling of physical processes, modeling of chemical systems, modeling of biological, ecological and economic systems, stochastic models and simulation methods, and an integrative module for executing a comprehensive project. Each module involves studying specific methods and practical application to concrete examples of systems of corresponding nature. The application of interactive simulations and virtual laboratories as key pedagogical tools is substantiated, ensuring active student engagement and allowing experimentation with systems without limitations regarding equipment cost or safety. For different types of systems, the usage of specialized platforms is recommended: PhET for physics, ChemCollective and Labster for chemistry, Cell Collective and SimBio for biology, Vensim and NetLogo for economic systems. Methodological recommen dations for organizing practical classes based on the inquiry-based learning principle are proposed with hypothesis formulation, experiment planning, data analysis, and critical discussion of conclusions. A distinctive feature of the methodology is the use of conceptual modeling, where students independently create models of studied systems and implement them as programs. The proposed methodology is based on the usage of an interdisciplinary approach, which demonstrates the versatility of mathematical methods for describing various phenomena, from physical processes to economical systems, contributing to the formation of systematic thinking of future specialists.