виртуальные лабораторные работы

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
В КУРСЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Т.В. Киселева

Важным этапом эффективного образовательного процесса является физический эксперимент, стимулирующий активную познавательную деятельность и творческий подход к получению знаний. При традиционных формах образовательного процесса такая возможность реализуется в ходе выполнения необходимого комплекса лабораторных работ или практических занятий.
Однако часто в силу отсутствия достаточного оборудования ограничивается возможность доступа обучающихся к наиболее интересному и уникальному оборудованию, техническим объектам, научным и технологическим экспериментам, которые подчас представляют наибольший интерес и стимулируют получение знаний. Вот здесь и необходимы виртуальные лабораторные работы.
Составной частью понятия «виртуальная лабораторная работа» является распространенное техническое понятие виртуального инструмента – набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Работая с виртуальным прибором через графический интерфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора.
У виртуальных лабораторных работ есть множество преимуществ перед реальными. Во-первых, виртуальные лабораторные работы намного превосходят по техническим и экономическим возможностям реальную физическую лабораторную установку. В них имеется широкий спектр возможностей, что в реальной лаборатории требует больших финансовых расходов из-за дороговизны необходимого оборудования. Но они не являются полной заменой реальной физической лаборатории, а только дополняют её, так как студенты должны получить практические навыки работы в лаборатории.
Во-вторых, большим плюсом является то, что виртуальную лабораторию можно использовать в дистанционном обучении студентов и учебных заведениях, где нет возможности поработать в реальной лаборатории. Единственное, что необходимо для работы виртуальной лабораторной, это наличие персонального компьютера, который в наше время является общедоступным и имеется в каждом учебном заведении.
В-третьих, они абсолютно безопасны.
В-четвертых, студенты могут самостоятельно выполнять работы, без помощи преподавателя, используя инструкции, получаемые с помощью программного обеспечения.
Развитый диалоговый режим работы с современными ЭВМ позволяет создавать активно выполняемые компьютерные эксперименты, по методике своего выполнения близкие лабораторным работам.
Примером компьютерных экспериментов является «Виртуальный лабораторный комплекс по общей физике» разработанный кафедрой физики УГТУ-УПИ и включающий работы по всем основным разделам общей физики. Работы обладают демонстрационной наглядностью и могут применяться для демонстрации протекания изучаемых физических процессов, однако работы созданы именно как лабораторные, т.е. подразумевают активную деятельность студентов в ходе их выполнения и обработку результатов "измерений", аналогичную натурному эксперименту. В перечень предлагаемых для проведения виртуальных лабораторных работ входят, например, такие:
«Изучение законов внешнего фотоэффекта»;
«Исследование aльфа - распада радиоактивного изотопа плутония»;
«Измерение коэффициента поглощения гамма-излучения»;
«Определение постоянной Планка спектрометрическим методом»;
«Измерение удельного заряда электрона методом магнетрона».
Они позволяют наглядно показать протекание процессов в адекватной модели тогда, когда невозможен реальный эксперимент: например, при изучении движения электронов в ускорителе.
Все работы обладают рядом преимуществ:
– сочетание фотографий реальных физических приборов и их реального поведения во времени и пространстве обеспечивает эксперимент, визуально не отличающийся от реального аналога;
– ход работы и обработка результатов не отличаются от соответствующих для реальной работы: студенты производят калибровку установки и т.д;
– как и при работе с настоящей установкой, в виртуальной работе студенты сталкиваются с переходными процессами, необходимостью временной выдержки перед снятием показаний;
– в моделях учтена случайная ошибка, вносящая погрешность в результат, благодаря чему результаты, полученные разными студентами отличны друг от друга, как и при проведении работы на реальных установках.
Все работы имеют сопроводительные методические указания. Кроме этого, в каждую лабораторную работу входит тестирующий комплекс, что позволяет преподавателям обеспечить компьютеризированный допуск к лабораторной работе, а студентам - подготовиться к ней и проверить свои знания.
В рамках виртуальной работы «Изучение законов внешнего фотоэффекта» решаются задачи: определение красной границы фотоэффекта и постоянной Планка.
На рисунке 1 показана передняя панель виртуального вольтметра для измерения обратного напряжения. Рядом представлена система координат, в которой отображается полученная зависимость силы тока от задерживающей разности потенциалов при различных значениях длин волн падающего света.
Разность потенциалов измеряется с точностью до сотых вольт, а показания стрелочного индикатора дублируются на цифровом табло. Это позволяет исключить субъективный фактор при снятии показаний приборов.



Рис. 1 Передняя панель виртуального вольтметра

На рисунке 2 изображена передняя панель виртуального амперметра, измеряющего фототок с точностью до сотых наноампер. Показания стрелочного прибора также дублируются на цифровом табло. По результатам замеров студенты должны заполнить таблицы, представленные на панели. После заполнения таблиц выполняется с помощью переключателя построение графика зависимости задерживающей разности потенциалов от частоты падающего света. Далее программа выводит результаты расчетов красной границы фотоэффекта, постоянной Планка и работы выхода.
По окончанию эксперимента студенты оформляют отчет, в котором прилагаются необходимые графики и вычисления и защищают работу. Набор вопросов, предъявляемых на защите, должен согласовываться с тестовыми заданиями входного контроля. В этом заключается взаимосвязь разных форм контроля между собой, которая приводит к надежному усвоению учебного материала.
Таким образом, используя технологию виртуальных приборов, можно превратить стандартный персональный компьютер в многофункциональный измерительно-вычислительный комплекс по изучению закономерностей внешнего фотоэффекта.



Рис. 2 Передняя панель виртуального амперметра

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Толстик, А.М. Применение компьютерных моделей в физическом практикуме / А.М. Толстик // Физическое образование в вузах. - 2000. - Т. 6, № 4. - С.76-80.
Прибылов, Н.Н. Повышение степени восприимчивости виртуальных лабораторных работ / Н. Н.Прибылов, Е. И.Прибылова // Физическое образование в вузах. - 2010. - Т. 16, №2. - С. 95-102.
Степаненко, А.В. Виртуальная лабораторная работа по изучению внешнего фотоэффекта / А.В. Степаненко // Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования: сб. статей по проблемам преподавания физики - Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2009. - С.99-102.
Информационные технологии в преподавании физики: методическое пособие / сост. А.Ф. Кавтрев. - СПб.: Ленинградский областной институт развития образования, 2003. - 64 с.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
HYPER15Основной шрифт абзаца

Приложенные файлы

  • doc file2.doc
    Размер файла: 862 kB Загрузок: 5