Сочетание традиционных и современных компьютерных технологий в лабораторном практикуме

60

Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå âóçàõ. Ò. 10, ¹Васильева 2, 2004 Н.Н. Безрядин, Т.В. Прокопова, Е.М.â Агапова, Л.В.

Сочетание традиционных и современных компьютерных технологий в лабораторном практикуме Н.Н. Безрядин, Т.В. Прокопова, Е.М. Агапова, Л.В. Васильева Воронежская государственная технологическая академия Обсуждается опыт работы кафедры физики технологической академии по формированию учебно(методического комплекса, сочетающего натурный учебный эксперимент и максимально приближенный к нему компьютерный вариант лабораторного практикума. Виртуальный эксперимент рассматривается как методическое указание на электронном носителе, предназначенное для подготовки студентов к выполнению лабораторной работы на приборном макете. Предлагается вариант адаптационного, восстанавливающего школьные знания, обучения в рамках данного учебно(методического комплекса.

Физика дает наиболее адекватные представления об окружающем нас материальном мире, вооружает методами исследований, формирует ментальный опыт, необходимый для последующего освоения общепрофессиональных и специальных дисциплин. Преподавание этого предмета в любом техническом вузе, в частности, в Воронежской государственной технологической академии (ВГТА), должно проводиться на высоком уровне, с сохранением традиционного натурного эксперимента в лабораторном практикуме и с использованием современных образовательных технологий. Однако происходящие в настоящее время преобразования в высшей школе не всегда адекватны этим задачам и, в целом, роли физики в инженерном образовании. Это проявляется в сокращении количества часов, выделенных на изучение физики в ГОС и, например, в исключении из учебных планов студентов 1(го курса нашей академии учебных часов на адаптационное (восстанавливающее школьные знания) обучение. Таким образом, накладываются ограничения на возможности кафедры физики технического вуза в части совершенствования физического образования, появляется необходимость в более рациональном использовании отведенного на изучение курса физики объема учебного времени. Существенную помощь в решении возникших в последнее время проблем оказывают современные компьютерные технологии. Подходы к их использованию могут быть разнообразными, но в любом случае недопустимо исключение из учебного процесса традиционных методик лабораторного практикума, основанных на натурном эксперименте, когда физические закономерности изучаются на приборных демонстрационных макетах [1]. Поиск оптимального сочетания современных компьютерных и традиционных

Сочетание традиционных и современных компьютерных технологий в лабораторном практикуме

61

технологий лабораторного практикума проводился на кафедре физики нашей академии с учетом необходимости решения следующей совокупности задач: ( сохранение натурного физического эксперимента в лабораторном практикуме; ( реализация принципа опережающего образования посредством введения современных компьютерных технологий в лабораторный практикум; ( оптимизация применения компьютерных технологий в современных условиях кафедры физики технического вуза, когда компьютерный класс и учебные лаборатории не совмещены и, соответственно, возможность работы студентов на компьютере ограничена; ( введение элементов адаптационного, восстанавливающего школьные знания, обучения в рамках учебных часов, отведенных на лабораторный практикум (с учетом часов, отводимых на самостоятельную работу студентов); ( возможность углубленного изучения физических явлений, не отличающихся наглядностью; ( знакомство студентов с современными достижениями физики, особенно с определяющими современный уровень экономического и социального развития человечества; ( распространение физического образования на старшие курсы путем введения специальных физических лабораторных практикумов − например, по физическим методам контроля сырья в перерабатывающих отраслях промышленности. Подходы к решению трех последних задач подробно описаны в работах [2, 3] и поэтому в данном сообщении не затрагиваются. В современных образовательных технологиях компьютер занимает одно из ведущих мест − как мощный инструмент, используемый для передачи, хранения и обработки информации. Имеющийся опыт использования компьютерного моделирования в учебном процессе и, в частности, в организации лабораторного практикума не оставляет сомнений в целесообразности и полезности широкого применения компьютеров при изучении физики [4, 5]. Однако практика организации лабораторного практикума по физике не допускает полного исключения из учебного процесса традиционной методики, когда физические закономерности изучаются при помощи приборных демонстрационных экспериментов. Нельзя совсем отказаться от натурного эксперимента и свести все к компьютерному моделированию, т.е. подменить физическую реальность виртуальной. Наиболее оптимальный путь развития познавательных навыков учащихся, умений самостоятельно “конструировать” свои знания − сочетание обоих

62

Н.Н. Безрядин, Т.В. Прокопова, Е.М. Агапова, Л.В. Васильева

подходов. Поэтому разрабатываемый на кафедре физики компьютерный учебно( методический комплекс включает в себя как приборные эксперименты, так и демонстрационно(обучающие компьютерные программы. На первом этапе выполнения лабораторной работы студенты знакомятся с ее компьютерным вариантом (реализованным в программном комплексе LabVIEW), оперируя виртуальными измерительными приборами и инструментами. Например, в работе “Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока”, задавая внешнее сопротивление в цепи и “снимая” показания величины тока с виртуального амперметра, студенты рассчитывают значения ЭДС и внутреннего сопротивления источника как угловой коэффициент прямой R(I−1) и отсекаемый ею на ординатной оси отрезок (рис. 1).

Рисунок 1.

Для изучения законов постоянного тока и развития навыков расчета простейших электрических цепей студентам предлагается (в компьютерном варианте реализованной в LabVIEW цепи, подобной собранной на лабораторном макете) произвести проверку правил Кирхгофа. При этом значения ЭДС и падений напряжений на сопротивлениях регистрируются виртуальными вольтметрами (рис. 2). Исследование температурной зависимости сопротивления металлов, с определением из нее температурного коэффициента электросопротивления, сначала также осуществляется в компьютерном исполнении, причем измерительный диапазон виртуального термометра соответствует используемому в лабораторном

Сочетание традиционных и современных компьютерных технологий в лабораторном практикуме

63

Рисунок 2.

макете. В лабораторной работе по физике твердого тела, знакомящей с физическими принципами работы туннельного диода, результатом ее выполнения в LabVIEW является вольт(амперная характеристика (рис. 3). Полученные значения и зависимости физических величин являются идеальными. Однако в компьютерном

Рисунок 3.

64

Н.Н. Безрядин, Т.В. Прокопова, Е.М. Агапова, Л.В. Васильева

варианте лабораторной работы значения физических величин выдерживаются максимально близкими к значениям, наблюдаемым в натурных экспериментах на лабораторных установках. Это знакомит студентов с диапазонами возможных значений физических величин и в итоге ориентирует их на задание и получение в реальных экспериментах допустимых для данного оборудования значений, что важно с точки зрения долговечности, сохранения макетов лабораторных работ. Подготовка студентов к выполнению лабораторной работы на макете с использованием такого развернутого методического обеспечения, являющегося по существу методическим указанием на электронном носителе, способствует уяснению студентами цели работы, дает представление о необходимом оборудовании для ее выполнения и о зависимостях, ожидаемых в результате проводимых экспериментов.

Рисунок 4.

Рисунок 5.

На этом же этапе выполнения лабораторной работы студентам предоставляется возможность восстановить свои школьные знания по физике. Для этого разработано компьютерное сопровождение на основе школьной программы, включающее в себя основные понятия и законы, иллюстрируемые не только статическими, но и динамическими изображениями, использование которых, как отмечается в ряде работ [6, 7], способствует повышению степени усвоения учебного материала. На рис. 4 представлен фрагмент программы, иллюстрирующий закон Кулона и принцип суперпозиции электрических полей. Изображения являются динамическими. Изменение положения зарядов, осуществляемое самими учащимися, сопровождается соответствующим изменением модулей и

Сочетание традиционных и современных компьютерных технологий в лабораторном практикуме

65

направлений векторов кулоновских сил и напряженностей полей, создаваемых этими зарядами. Рис. 5 демонстрирует часть программы, отведенную на рассмотрение таких понятий, как потенциал, работа в электростатическом поле. Студенты располагают возможностью перемещать заряд и наблюдать, как при этом изменяется потенциал. После изучения предложенного материала студентам предлагается пройти тестовой контроль по теории выполняемой лабораторной работы. Организованный таким образом виртуальный эксперимент не заменяет натурный, а лишь готовит студентов к более осознанному проведению лабораторной работы на реальных установках. Развернутые методические указания на электронных носителях удобны для работы со студентами безотрывной формы обучения, имеющими доступ к сети Интернет, или с использованием компакт( дисков, получаемых в академии в период подготовки к аудиторным занятиям. Изучив особенности лабораторной работы в компьютерном варианте, студенты в период сессии с большей эффективностью могут выполнять лабораторные работы в учебных аудиториях кафедры. В заключение отметим, что подобные методические указания, разработанные для занятий по курсу физики, могут быть полезны и для изучения дисциплин общепрофессионального цикла. (Работа выполнялась при финансовой поддержке МКП НТО, приказ Минобразования РФ № 465 от 13.02.2001 г.)

Литература 1. Кулев А.Н., Борисов С.Ф. Формирование модельных представлений в общем физическом практикуме. // Современный физический практикум. Сборник тезисов докладов VII учебно(методической конференции стран Содружества, С.(Петербург, 28(30 мая 2002, с.5 3 – 54. 2. Безрядин Н.Н., Щевелева Г.М., Сыноров Ю.В., Прокопова Т.В. Компьютерное моделирование в лабораторном практикуме по физике твердого тела. // Физическое образование в вузах, 1999, т. 5, № 2, с. 137( 140. 3. Агапова Е.Н., Арсентьев И.Н., Безрядин Н.Н., Брехов А.Ф., Василенко А.Ю., Линник В.Д., Прокопова Т.В., Титов С.А., Щевелева Г.Н. Отражение представлений современной физики в лабораторном практикуме. // Физическое образование в вузах, 2002, т. 8, №3, с. 33 – 41. 4. Прибылов Н.Н., Прибылова Е.И., Прицепова С.А. Лабораторный практикум по физике для

66

Н.Н. Безрядин, Т.В. Прокопова, Е.М. Агапова, Л.В. Васильева

дистанционного обучения. // Физическое образование в вузах, 2003, т. 9, №2, с. 108 – 112. 5. Беспалов П.В. Компьютерная компетентность в контексте личностно ориентированного обучения. / / Педагогика, 2003, № 4, с. 41 – 45.. 6. Воронин Ю.А. Компьютеризированные технологии в процессе предметной подготовки учителя. // Педагогика, 2003, № 8, с. 53 – 59. . 7. Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л. Использование информационных технологий при обучении физике. // Тезисы докладов III Международной научно(методической конференции, Москва, 2002, № 23, с. 259 – 262.