виртуальные приборы в образовательном процессе


Виртуальный прибор - это всегда уместно. Использование современных инновационных технологий в образовательном процессе.
Учитель физики высшей квалификационной категории
Морозов Андрей Борисович
ГБОУ школа № 2101 «Филёвский образовательный центр»
2010-2016 г Москва
Вашему вниманию (обзорно) представлены варианты интерактивного способа подачи материала на уроках физики с обоснованием почему автор данных виртуальных приборов ВП выбрал именно эту программную среду для создания своих предложений по использованию графического программирования в образовательном процессе в школе. Все приборы, которые мною представляются были созданы в период начиная с 2010 г. моего знакомства с этой средой и потом моего обучения в авторизованном технологическом центре National Instrument на базе кафедры Конструирование приборов и установок НИЯУ МИФИ. Сертификат National Instrument международного образца. Certificate of training LabView Basic 1. и до сегодняшнего момента. Вам представляю те ВП, которые уже доказали свою жизнеспособность на занятиях, практически все при этом приходилось доводить по ходу их применения на занятиях. В данной работе дается краткий обзор, в остальных работах будет дан более детальный разбор применения ВП в образовательном процессе с 7 по 11 классы.
Гипотеза:
Большое количество существующих CD-курсов никогда не заменят стилистику самого преподавателя, они всегда будут прекрасным дополнением в его работе.  
Считаю, что цели и задачи по любым вопросам урока, да и любых предметных
занятий надо ставить, не руководствуясь иллюзорной гипотезой - научить, дать, что-то кому то, следуя которым попадаем в кризисную ситуацию, связанную с межличностными отношениями (объект-субъект).
Партисипативный стиль (метод управления, при котором руководитель является координатором группового процесса работы) дает наилучшие результаты в работе. Учет мнений участников образовательного процесса создает атмосферу вовлеченности и заинтересованности. На смену иерархии приходит партнерство, порицанию - анализ ситуации, внешней мотивации – само мотивация, давлению работы – вызов от работы.     По  моему  убеждению,  все  выводы,  должны  происходить  непосредственно  во  время занятий, не предлагая их как некие догмы.
 Представленные В.П.  (виртуальные приборы) дают возможность импровизировать, что и предполагает интерактивный метод работы. Только в этом случае объект воздействия и насилия превращается в субъект
восприятия, а дальше как сложится… (это и есть интерактив).
Обоснование выбора программной среды:
LabVIEW (англ. Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) — это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments (США). Первая версия LabVIEW была выпущена в 1986 году для Apple Macintosh, в настоящее время существуют версии для UNIX, Linux, Mac OS и пр.
LabVIEW — язык графического программирования, а это значит, что для создания приложений используются графические образы (иконки) вместо традиционного текстового кода. В результате, большинство операций, которые раньше программист должен был длительное время описывать, а затем отлаживать в LabVIEW могут быть вызваны в один-два клика на соответствующие иконки. Данная среда разработки создавалась для того, чтобы дать учёным, инженерам, студентам, учащимся простой, лёгкий в освоении и гибкий инструмент для решения широкого спектра задач, позволяя в первую очередь сосредоточиться на сути изучаемых явлений. От пользователя не требуется знаний языков программирования, но понятие об алгоритме, цикле, выходе по условию и т.п. конечно иметь нужно. Все действия сводятся к простому построению структурной схемы приложения в интерактивной графической системе с набором всех необходимых библиотечных образов. Любая программа, созданная в LabVIEW, представляет собой виртуальный прибор (ВП).
Связь программы с техническими объектами осуществляется через интерфейсные узлы, представляющие собой драйверы внешних устройств — АЦП, ЦАП, контроллеров промышленных интерфейсов и т. п.
Вы можете работать с реальными измерительными приборами и системами сбора, обработки и анализа данных, можете работать с уже созданными виртуальными моделями подобных устройств, а можете самостоятельно создавать модели устройств, процессов любого уровня сложности. Процесс освоения LabVIEW существенно облегчается благодаря наличию интерактивной обучающей системы, разветвленной контекстно зависимой помощи и множества примеров использования приемов программирования. В результате подобного подхода вот уже на протяжении более 20 лет LabVIEW позволяет инженерам и ученым применять революционные методы разработки масштабируемых приложений для задач тестирования, измерений и управления. Накопленный за это время опыт дает возможность быстро и без больших затрат осуществлять взаимодействие между оборудованием для измерений и управления, проводить анализ данных, передавать результаты через сетевые интерфейсы и создавать распределенные системы.

Благодаря своей гибкости и масштабируемости, LabVIEW может использоваться на всех этапах технологического процесса: от моделирования и разработки прототипов продуктов до широкомасштабных производственных испытаний.
Можно достаточно долго перечислять те области, в которых применяется или может применяться LabVIEW, однако достаточно сказать, что данная среда разработана одним из крупнейших мировых лидеров по производству высокотехнологичной интеллектуальной продукции компанией National Instruments, технологии которой сегодня успешно внедряются и применяются на большинстве российских и зарубежных предприятий. По данным компании National Instruments приблизительно каждый час в линейке, производимого ими оборудования появляется новая модель устройства. При этом подобная динамика производства и расширения спектра предоставляемых решений абсолютно не усложняют освоение и разработку приложений в среде LabVIEW, благодаря лёгким и продуманным интерфейсам взаимодействия пользователя и аппаратуры.
LabVIEW имеет обширные библиотеки функций для решения различных задач: ввод/вывод, обработка, анализ и визуализация сигналов; контроль и управление технологическими объектами; статистический анализ и комплексные вычисления и др.
Основными преимуществами использования графической оболочки LabVIEW являются:
Интуитивно понятный процесс графического программирования. Относительная простота и доступность: программы на LabVIEW представляют собой графическую схему-рисунок (без единой строчки текста), что избавляет разработчика и пользователя от необходимости изучать классический язык программирования;
наглядность (простая и мощная графика): программная оболочка LabVIEW содержит простые универсальные средства визуализации данных; по существу, средства оболочки LabVIEW представляют собой хорошо оснащенную измерительными приборами лабораторию;
простейшие и наглядные средства отладки: контроль работы программ на LabVIEW производится с помощью включения одной кнопки; при этом мощный отладчик печатает на схеме все входные и выходные данные для каждого элемента схемы;
актуальность и перспективы: в настоящее время большинство программ, связанных с лабораторными измерениями и экспериментами создаются на LabVIEW, причем зачастую не программистами, а самими исследователями.
Широкие возможности сбора, обработки и анализа данных, управления приборами, генерации отчетов и обмена данных через сетевые интерфейсы
Возможности интерактивной генерации кода
Шаблоны приложений, тысячи примеров
Высокая скорость выполнения откомпилированных программ
Обучение и техническая поддержка мирового уровня
Совместимость с операционными системами Windows2000/NT/XP, Mac OS X, Linux и Solaris.
Основными причинами использования LabVIEW являются лёгкость использования и гибкость технологии, что позволяет сокращать сроки разработки и концентрировать внимание на изучаемых явлениях, а не на рутинных процессах разработки.
Если говорить об использовании LabVIEW в школах, то на сегодняшний день этот процент, к сожалению, крайне низок.
Учитывая вышесказанное необходимо так же отметить, что использование LabVIEW в школе позволит изучать ряд дисциплин, используя одну платформу. Например, по курсу информатики, учащиеся в полной мере могли бы освоить основные алгоритмы и приёмы программирования, решая широкий спектр различных задач. При этом учащиеся знакомятся с реальными современными технологиями, с которыми им предстоит иметь дело в дальнейшем в ВУЗах и на работе.
По курсу физики, учащиеся смогли бы работать с виртуальными приборами, изучая различные явления. При этом они могли бы работать с реальной аппаратурой (если это позволяет материальная база школы) либо с виртуальными моделями устройств и явлений. Говоря о материальной базе, не идёт речи о том, что необходимо закупать новое оборудование. Технологии LabVIEW позволяют легко работать как с современными измерительными, аналитическими системами так и со старыми советскими приборами.
Безусловно LabVIEW возможно использовать и в других образовательных школьных курсах благодаря тому, что данная технология не привязывается к конкретным, как часто это бывает, производимым только данной компанией первичным преобразователям, устройствам и приборам.
К вышесказанному можно также добавить, что LabVIEW можно использовать в качестве связующего звена между различными курсами. Например, по курсу информатики и программирования, учащиеся могли бы создавать модели устройств и явлений, а по курсу физики и химии использовать данные модели для более глубокого изучения дисциплин. В результате учащиеся получают дополнительную мотивацию, т к решают реально необходимые задачи, а не набор никому ненужных абстрактных задач. К тому же для того чтобы создать модель явления учащимся необходимо ознакомиться с природой явления, а также составить свой уникальный алгоритм и реализовать его. В итоге применения LabVIEW в школе явилось бы повышение качества образования выпускников.
Предложения, изложенные в данном проекте, не претендуют на попытку системной модификации курса физики, с использованием исключительно рассматриваемой среды программирования. Однако, подобное возможно при постановке соответствующей задачи. Ниже рассмотрю демонстрации, использования ряда возможностей данной среды для повышения эффективности учебного процесса.
Обзор:
Пример №1:
Одна из первых задач в курсе физики - это научить работать учащихся с разными измерительными приборами, что подразумевает умение определять:
цену деления шкалы,
показания прибора,
максимально возможное измерение при использовании данной измерительной шкалы.
Подобные задачи можно решить с использованием только палитры инструментов, находящихся на передней панели виртуального прибора.
Во время работы над подобного рода задачами можно легко менять вид шкалы и цену деления… Это позволяет использовать, при объяснении и опросе, практически любую комбинацию измерительных инструментов, что развивает у ребят не память о конкретной шкале, а понимание и навыки работы с любыми измерительными устройствами.
Таким образом, используя инструменты, предлагаемые в палитре инструментов лицевой панели виртуального прибора, можно легко создавать наглядные интерактивные материалы для объяснения учебного материала, проведения виртуальных лабораторных работ, фронтального и индивидуального опроса с целью повышения эффективности усвоения материала. Размер, цвет и величина шрифта, а также количество шкал на панели подбирается в зависимости от целесообразности момента.

Пример №2:
При прохождении тем: механические колебания и волны, электромагнитные колебания, переменный ток очень важно умение ребят работать с графиками и зависимостями исследуемой величины от времени.
Число задач в сборниках по данному вопросу ограничено, что затрудняет отработку данной темы в курсе физики. Рисование на доске тригонометрических графиков также вопрос трудоемкий, занимающий много времени.
При использовании данной среды можно демонстрировать любое количество периодов и видов тригонометрических зависимостей при работе с сигналами и их отображением на графиках.
Постановка задачи:
По данному графику записать зависимость с определением всех характеристик колебания.
По данной зависимости нарисовать график с обозначением характеристик колебания.
При этом надо понимать, что картинки не статичны, а мы уже имеем дело с виртуальным прибором ВП, используя который можно эффективно решать поставленные задачи.
В зависимости от комплектации кабинета данную работу можно проводить во время объяснения материала, решения задач у доски, виртуальных лабораторных и самостоятельных работ. В виртуальном приборе может быть любое количество графиков, но оптимальное их количество - два в одном окне. Если необходимо большее количество одновременно отображаемых зависимостей, например, при работе по вариантам, или объяснении нового материала можно делать скриншот и уже его использовать во время занятий, но конечно наибольший интерес у ребят вызывает работа с самим виртуальным прибором.
Внизу приведена фронт панель использования ВП (виртуального прибора) для работы с тригонометрическими графиками:

Пример №3:
Данный виртуальный прибор представляет разбор задачи № 21.18 из сборника Н.И. Гольдфарба, что позволяет увидетть не просто статические графики , но и проследить зависимость при изменении аргумента. . Представленная задача является основной при изучении закона Ома для полной цепи. О ней будет отдельный разговор в одной из представленных мною работ на данном фестивале.


Пример №4:
На представляемом ВП общая задача может быть сформулирована следующим образом: внутри полой тонкостенной сферы, радиусом R находиться сфера радиусом r. Построить графики зависимости E(r) и 𝛗(r) и определить значения напряженности и потенциала результирующего поля на расстоянии rx от центра сфер для следующих вариантов, приведенных ниже (обозначение зарядов сфер: q – заряд внутренней сферы, Q - заряд внешней сферы.):

Очевидно, что использование ВП позволяет учащимся самостоятельно разобраться с задачами данной темы. На уроке в интерактивном режиме мы можем освоить решение задач любой сложности по данному вопросу. Задавая значения переменных на фронт панели ВП можно сразу анализировать полученный результат или предлагать разобраться самостоятельно, скрыв графики или представив графики зависимости напряженности и потенциала, скрыть значения зарядов, с дальнейшей проверкой в режиме как теперь говорят on line. Разобравшись с двумя сферами, добавление третьей не приносит ничего нового в рассуждениях по решению задач данной темы.
После работы с данным ВП учащиеся уже самостоятельно решают задачи олимпиад первого уровня по данной тематике.
Пример №5:
В курсе физики существуют темы, в которых не всегда возможно проведение демонстрационного эксперимента или лабораторной работы и использование здесь информационно-компьютерных технологий безусловно представляется наиболее удачным.
Мне бы хотелось в данном случае рассмотреть, как пример, когда применение этих интерактивных технологий удачно сочетается и в том случае, когда у учителя уже есть возможность постановки реальной демонстрации и проведение лабораторных работ по изучаемой теме. При этом такая работа с использованием виртуального прибора (ВП) на уроке позволяет решить сразу несколько задач, которые с трудом могли бы решаться в рамках одного классического урока.
Итак, рассмотрим возможность применения виртуального эксперимента с использованием программной среды LabVIEW в теме, где, казалось бы, уже предусмотрено достаточно много возможностей для отработки данного учебного материала. Сделаем это для того, чтобы на данном вопросе продемонстрировать, что использование данной интерактивной среды и в этом случае не окажется лишним или надуманным об этом будет отдельный разговор в одной из представленных мною работ на фестивале.
Задавая разные комбинации данных в элементе «RING» в приведенных схемах можно довести навык расчета у учащихся до автоматизма. Приведу только некоторые из них:

Найти значения:

Найти значения:

Найти значения:

Таким образом, мы имеем дело не только с возможностью проведения виртуального эксперимента, что позволяет использовать этот ВП при объяснении, закреплении, повторении темы, но и с возможностью использовать данный ВП при решении задач, уроках фронтального и индивидуального контроля усвоения учебного материала. Такая работа не может, не отразится на уровне преподавания учителя и навыков у учащихся. Главное, что у учащихся меняется отношение к предмету, возникает желание не только разобраться с программными вопросами, но и научиться самим делать такие ВП и как мне представляется такая работа даже в данной теме не является лишней или неуместной. По сути, учащиеся в интерактивном режиме могут научиться решать задачи любой сложности по данной теме, при этом соблюдаются основные принципы в образовании: наглядности и вариативности. Данный интерактивный ВП полностью заменил школьный задачник по данной теме. По практике применения можно добавить, что предложенный ВП можно с успехом использовать и в старшей школе при изучении данного программного вопроса на начальном этапе.
Безусловно, возможности данной программной среды несоизмеримо больше, чем предложенные примеры, также показать все наработки по разным разделам физики просто не представляется возможным (звуковой генератор, нагрузка в цепях переменного тока, тренажеры для 7-ого класса, баллистика, геометрическая модель …). Предложенные примеры затрагивают работу с графиками, приборами из разных разделов школьной физики. За несколько лет созданы и отработаны на практике приборы ВП сопровождающие программу физики в школе с 7-11 классы. Палитра использования ВП зависит только от подготовки самого учителя.
Необходимо обратить внимание, что основу предмета составляет реальный эксперимент!!! Нельзя все образование переводить в виртуальную плоскость, но возможности использования данной среды повышает эффективность всего образовательного процесса в целом, создает предпосылки для мотивации и поддерживает интерес к учебе.
С данным взглядом по вопросу использования ВП в образовательном процессе можно познакомиться не только в работах, представленных мною на данном фестивале, но и в моих статьях, опубликованных в научно-методических журналах:
Публикация статьи в научно-методическом журнале "Информатика и образование" №8 сентябрь 2011 г. ИКТ в образовании. "Среда разработки LabView и возможности ее использования в образовательном процессе."
Публикация статьи в научно-методическом журнале "Физика в школе" №1 2012 г. Информационные технологии: "Виртуальный прибор-это всегда уместно" 
Публикация статьи в научно-методическом журнале "Физика в школе" №7 2012 г. Применение виртуального прибора в теме «Электростатика».

Приложенные файлы

  • docx file1
    Размер файла: 864 kB Загрузок: 0