108
Ôèçè÷åñêîåЕ.И. îáðàçîâàíèå â âóçàõ. 9, ¹ 2, 2003 Н.Н. Прибылов, Прибылова, С.А.Ò.Прицепова
Лабораторный практикум по физике для дистанционного обучения Н.Н. Прибылов 1, Е.И. Прибылова 2, С.А. Прицепова 1 1
Российский Государственный Открытый Технический Университет Путей Сообщения (Воронежский филиал) 394061, г. Воронеж, ул. Урицкого, 75а E*mail:
[email protected] 2 Российский Государственный Технический Университет Рассмотрены особенности построения лабораторного практикума по физике при дистанционном методе обучения, с применением виртуальных лабораторных работ средствами среды графического программирования LabVIEW. В качестве примера описана лабораторная работа «Изучения спектров излучения абсолютно черного тела». В разрабатываемых с помощью LabVIEW лабораторных работах имеется возможность реализации активной формы эксперимента: действия оператора определяют получаемый им результат.
Наиболее сложным видом моделирования в учебном процессе является лабораторная работа. Необходимо, чтобы работа была, во*первых, активно выполняемой студентами, а во*вторых, обучала бы их важнейшим элементам экспериментальной работы: основным методикам проведения эксперимента и обработки его результатов. Компьютерная лабораторная работа должна носить исследовательский характер и прививать студентам навыки и умения, близкие к тем, которые получает экспериментатор при выполнении обычной работы [1]. Компьютерные работы имеют дополнительные возможности по сравнению с обычными: более наглядны, позволяют изучать явления, трудные для непосредственного восприятия, дают возможность познакомить студентов с реальными и мыслимыми экспериментами [2]. Замена части обычных лабораторных работ виртуальными и организация дополнительного виртуального практикума не только не ухудшит качество обучения, но существенно его улучшит, причем не только в системе ДО, но и в самом вузе. В настоящее время разработаны и применяются различные инструментальные среды проектирования и моделирования: компьютерная система Stratum*2000, программа «Дизайнер курсов», программно*технологический комплекс TeachPro [3*5]. На кафедре физики и химии ВФ РГОТУПС в течение двух лет ведется разработка виртуальных лабораторных работ по ряду естественно * научных дисциплин. В первую очередь эмулируются работы, связанные с опасностью (Радиоактивные материалы) и не имеющие материального обеспечения. Например, при изучении раздела «Законы теплового излучения» получение
Лабораторный практикум по физике для дистанционного обучения
109
экспериментальных результатов требует дорогостоящего спектроскопического оборудования. Его приобретение экономически не оправдано из*за высоких цен при сравнительно малой загрузке.
Рисунок 1. Фронтальная панель лабораторной работы «Исследование спектра излучения абсолютно черного тела».
Между тем решение поставленной задачи оказалось сравнительно легко осуществимо средствами среды графического программирования, LabVIEW, разработанной фирмой National Instruments [6]. И хотя в нашем распоряжении имеется только демонстрационная версия пакета, приводимое ниже описание лабораторной работы позволяет оценить богатые возможности этой программы. На фронтальной панели программы АЧТ отображаются необходимые элементы виртуальной установки для изучения спектра излучения абсолютно черного тела. Возможны два режима работы: либо источник излучения является эталонным с точно задаваемой температурой, либо состояние источника определяется величиной напряжения блока питания, размещенного в левом нижнем углу панели. Имеющийся рядом индикатор величины тока в цепи источника питания позволяет определить мощность, потребляемую лампой. Сама лампа, расположенная в верхнем левом углу панели, способна изменять цвет спирали от черного до белого
110
Н.Н. Прибылов, Е.И. Прибылова, С.А. Прицепова
через красные и желтые цвета палитры в зависимости от температуры. Величина температуры нити накаливания зависит от величины ее площади. Численное значение излучающей поверхности лампы вводится в соответствующий цифровой индикатор. Выбор режима работы осуществляется нажатием на кнопку «Режим работы». При этом на кнопке появляется надпись либо «Работает источник», либо «Работает эталон». В первом случае цвет и температура нити накаливания при заданной ее площади изменяются регулятором «Напряжение», во втором * оба параметра зависят только от задатчика температуры эталона. Для тренировки навыков перевода единиц измерений задатчик температуры оцифрован в шкале Цельсия. Ниже, справа, расположен цифровой дисплей, показывающий значения температуры в градусах Кельвина.
Рисунок 2. Программа для изучения спектров излучения абсолютно черного тела.
В правой верхней части рабочей панели размещена область построения спектра излучения источника. Оси координат программа оцифровывает автоматически, а вот диапазон развертки спектра студент выбирает самостоятельно, используя поле заданий под самописцем: начало и конец сканирования спектра, его шаг. Полученный спектр подлежит дальнейшей обработке и анализу. Для того
Лабораторный практикум по физике для дистанционного обучения
111
чтобы был получен массив значений длина волны * интенсивность излучения, в работе используется считывающий курсор. Его перемещение по любой из осей приводит к обновлению значений в цифровых дисплеях, расположенных непосредственно под спектром. Студент заполняет вручную заранее подготовленную таблицу и в дальнейшем работает с ней. Приведенная на рис. 2 программа описанной выше лабораторной работы, скорее всего, будет понятна большинству педагогов, владеющих физикой, даже без предварительного знакомства с LabVIEW, это можно сделать с помощью [6]. Программный продукт LabVIEW как средство прикладного программирования по своей логической структуре близок к конструкции языков Си или Бейсик. Однако он имеет одно существенное отличие от них — не требует написания текстов программ, а использует язык графического программирования для создания программ в виде блок*схем, привычных для широкого круга пользователей. По своей сути, использованный в LabVIEW язык графического программирования, опирается на общепринятую мнемонику, а сами программы являются разновидностью обычных алгоритмов. При проведении лабораторной работы можно формулировать самые разнообразные задачи: от проверки закона Вина до определения постоянных всех законов теплового излучения. Предварительное знакомство студента с законами теплового излучения можно осуществить, не выходя из программы – для этого достаточно нажать кнопку с надписью «Теория». При этом открывается вложенный файл с краткой информацией по соответствующему разделу физики. Поскольку практика списывания чужих результатов, к сожалению, встречается и при работе на персональных компьютерах, в программу включен генератор шума, не позволяющий получить совершенно точно совпадающие результаты. Более того, имеется возможность ставить конкретные задачи определения доверительных интервалов получаемых значений. Набор независимых значений интенсивности при этом требует мало времени, а ожидаемая дисперсия преподавателю уже известна, тем более, что она может быть заменена очень просто. Особенностью программирования в LabVIEW является то, что программа делается «с конца», т.е. с определения того, что вы хотите иметь и в каком виде? После составления такого «технического задания» можно приступать к формированию фронтальной панели и ее оформлению, используя богатые меню стандартных элементов. Работа по «оживлению» множества ручек управления, светодиодных индикаторов, стрелочных приборов, экранов самописцев и т.д. будет перенесена на невидимую для студента панель программирования. В разрабатываемых с помощью LabVIEW лабораторных работах подкупает
112
Н.Н. Прибылов, Е.И. Прибылова, С.А. Прицепова
возможность реализации почти «сто процентной» активной формы эксперимента: действия оператора определяют получаемый им результат. Единственное, что недоступно в описанной работе – это общение с настоящими, «живыми» приборами, хотя сами приборы, в принципе, можно изображать на экране с фотографической точностью. В заключение стоит сказать, что практическое использование LabVIEW для формирования лабораторного практикума сдерживается ценовой политикой московского представительства National Instruments. Заплатить, даже 7100 у.е. за кафедральный пакет, может далеко не каждый технический вуз.
Литература 1. Толстик А.М. //Дистанционное образование и компьютерное моделирование// Открытое образование. 2001. № 4. С. 22*26. 2. Толстик А.М. //Новые информационные технологии в университетском образовании// Материалы международной научно*методической конференции. Новосибирск: ИДМИ, 2000. С. 52*53. 3. Баяндин Д.В., Мухин О.И. //Модельный практикум и интерактивный задачник по физике на основе системы STRATUM*2000// Компьютерные учебные программы. 2002. № 3. С. 28*37. 4. Богомолов О.А. //Программа «Дизайнер курсов» − эффективное средство для построения электронных учебников// Открытое образование. 2001. № 1. С. 37*39. 5. Аветисян Д.Д. //Программно*технологический комплекс TeachPro для создания электронных учебников// Открытое образование. 2001. № 4. С. 26*29. 6. Жарков Ф.П., Каратаев В.В. и др. Использование виртуальных инструментов LabVIEW / Под ред. К.С. Демирчяна и В.Г. Миронова. М.: Солон * Р, Радио и связь, Горячая линия — Телеком, 1999. — 268 с.
