Wstęp

Na naszych oczach obserwujemy rewolucję technologii informatycznych: tempo zmian jest jak nigdy w historii rozwoju cywilizacji niesłychanie szybkie. Od pojawienia się komputerów osobistych, następnie internetu i telefonii komórkowej aż do najnowszych osiągnięć w postaci smartfonów, ipodów i palmtopów mija niewiele lat w sensie czasu historycznego. Pamiętajmy, że fizyka jako nauka fundamentalna, w niekwestionowany sposób przyczyniła się i przyczynia się do rozwoju powyższych technologii informatycznych. I jak to tempo zmian rozwoju w/w technologii oraz rola fizyki w tym tempie zmian przekłada się na zmiany w metodach kształcenia na kierunkach ścisłych, w szczególności fizyki i kierunków pokrewnych w naszym kraju? Dobrze znane nam są metody nauczania w naszym Instytucie, w instytutach fizyki czy wydziałach fizyki na innych polskich uczelniach i wielu uczelniach europejskich. Odpowiedź jest pesymistyczna: fizyka w zdecydowanym rozmiarze jest nauczana tradycyjnie. Tradycyjne metody kształcenia studentów na kierunkach ścisłych i technicznych skupiają się głównie na stosunkowo prostych, a tym samym nierealistycznych modelach, dla których można uzyskać w krótkim czasie „dokładne” analityczne rozwiązania. Nie negujemy niektórych tradycyjnych metod w odniesieniu do nauczania fundamentalnych aspektów teorii fizycznych. Są one potrzebne, aby studenci nabyli intuicję i zrozumienie istoty zjawisk fizycznych. Jak wynika z naszej krótkotrwałej praktyki, stosowanie metod numerycznych, w szczególności wspomaganych wizualizacją przebiegu zjawisk fizycznych pozwala studentom (w szczególności tym słabszym studentom) znacznie lepiej zrozumieć fizykę problemu. Stosowanie metod numerycznych do rozwiązywania problemów na zajęciach należy obecnie do rzadkości z oczywistych powodów nieprzygotowania kadry dydaktycznej do wyzwań i potrzeb obecnych czasów. Przeprowadzanie obliczeń przy pomocy przysłowiowego „ołówka i kartki papieru” czy „kredy i tablicy” oznacza ogromną stratę czasu na żmudne i czasochłonne obliczenia i oznacza brak czasu na dyskuję istoty ptoblemu. To jest jedna z przyczyn, że przy obecnych metodach nauczanie student nie ma czasu na studiowanie . Tradycyjne metody nauczania oddalają studenta od rzeczywistych problemów, z którymi przyjdzie mu się zetknąć w późniejszym życiu zawodowym. Współcześnie, zarówno inżynier-projektant, analityk finansowy, aktuariusz jak i pracownik naukowy korzystają na co dzień z wyników obliczeń numerycznych i symulacji komputerowych, przeprowadzanych w sposób mniej lub bardziej świadomy, zależnie od konkretnego przypadku i rodzaju wykorzystywanego oprogramowania.

Nauka i technika XXI wieku, jakkolwiek zbudowana na misternej konstrukcji osiągnięć poprzednich pokoleń, zawiera elementy jakościowo odmienne pod względem praktycznie rozumianej obliczalności. Oznacza to, że można wskazać dziedziny nauki, konieczne w strukturze współczesnych studiów, których jednak nie można skutecznie nauczać bez użycia komputera. A oto przykłady:

  • Statystyka, ekonometria oraz analiza szeregów czasowych . Ta triada stanowi rdzeń współczesnej ekonomii, inżynierii finasowej i ekonofizyki. Bez użycia komputera wykładowca i, co gorsza student, pozostaje skazany na analizę problemów «akadamickich», z aplikacyjnego punktu widzenia niemal zawsze trywialnych
  • Teoria chaosu . Zachowanie chaotyczne układów dynamicznych jest obserwowalne wyłacznie na drodze subtelnych i czesto niełatwych eksperymentów numerycznych. Podobnie jest w przypadku problemów sprowadzalnych do dynamiki płynów . Ma to istotne znaczenie w wielu dziedzinach nauki: poczynając od medycyny, gdzie modelowane są przepływy krwi w sercu człowieka, poprzez szeroką gamę problemów inżynierskich, aż po ogólną teorię wzgledności.
  • Modelowanie zjawisk losowych . Wykorzystanie metod dynamiki stochastycznej do badania rzeczywistych problemów ekonfizyki i inzynierii finansowej wymaga zastosowania opisu przy pomocy szerokiej klasy procesów (stabilnych) Levy’ego, których nawet zapisanie jest niemożliwe przy uzyciu tylko funkcji elementarnych
  • Nanofizyka i nanotechnologia . Nanoukłady to podstawa technologii dnia jutrzejszego oraz chleb powszedni dziesiejszych badaczy. Niestety skala nanoukładów stawia je na pograniczu świata mikro i makro. Jest to terra incognita wspóczesnej nauki. Hybrydowy (klasyczno-kwantowy) charakter nanourządzeń skazuje ich projektantów na użycie zaawansowanych metod numerycznych. Metody analityczne tutaj praktycznie nie istnieją
.

Jak się okazuje w praktyce, proste dodanie do programu studiów przedmiotów informatycznych w rodzaju „Programowanie w języku X” bądź poszerzenie wymaganego zazwyczaj w programach studiów nieinformatycznych przedmiotu „Technologia Informacyjna” niewiele daje, konieczna jest integracja komputerowych metod obliczeniowych z dotychczasowymi treściami nauczania przedmiotów kierunkowych, i to konsekwentnie od samego początku studiów. Oznacza to wprowadzenie daleko idących zmian w istniejących programach nauczania oraz konieczność przygotowania od zera nowych materiałów dydaktycznych wraz z odpowiednim do nich zapleczem IT. Tego typu działania wymagają dużego nakładu pracy ze strony kadry dydaktycznej oraz zaangażowanego personelu IT a ponadto są one również kosztowne i czasochłonne, dlatego też realizowane są w praktyce nader rzadko.

W tym materiale postaramy się pokazać na kilku przykładach w jaki sposób klasyczny proces nauczania zostanie wzbogacony o nowoczesne technologie komputerowe.