Библиографическое описание:

Леонтьева Н. В. Применение ИКТ в натурном эксперименте лабораторного практикума по физике // Молодой ученый. — 2013. — №6. — С. 700-703.

В статье рассмотрены различные подходы к использованию ИКТ в натурном эксперименте в рамках лабораторного практикума по физике. Выделены три направления использования информационных технологий при проведении эксперимента: натурный эксперимент в его традиционном виде, подкрепленный информационной поддержкой для обработки результатов измерений, модельный эксперимент и автоматизированный эксперимент, рассмотрены этапы проведения таких работ, обращено внимание на возможности формирования научно-исследовательской компетенции.

Ключевые слова: физика, лабораторный практикум, модельный эксперимент, автоматизированный эксперимент, компетенции, использование информационных технологий в образовании.

Введение.

В соответствии с государственными стандартами нового поколения, выпускник вуза должен обладать широким набором компетенций, в том числе и научно-исследовательских. Однако данные компетенции начинают формироваться на старших курсах, при этом теряется возможность формирования их на младших курсах, при изучении базовых дисциплин, таких как физика, математика, информатика. Как показывает практика и анализ работ, проводимых в высших учебных заведениях, к этому моменту у студентов утерян интерес к исследованиям.

Для развития грамотного специалиста необходимо, чтобы мотивация к получению знаний по выбранному направлению подготовки формировалась на первых этапах обучения. Эффективность такой мотивации определяется формированием у студента четкого научного мировоззрения и представления им поля деятельности выбранной профессии. Реализация данной цели может быть решена в процессе обучения физики, в частности в лабораторном практикуме.

Характерной чертой образования на современном этапе является возрастание объема поступающей информации и возникновение необходимости увеличения скорости ее обработки. Одним из современных требований к структуре знаний являются наличие высокого уровня компьютерной грамотности; умение применять различные программные продукты для достижения поставленной цели; знание функциональных и дидактических возможностей вычислительной техники и обучающих программ [4].

Анализ работ по теме развития и проведения лабораторного практикума по физике показал, что обучение физике невозможно без привлечения информационно коммуникационных технологий (ИКТ).

Использование информационных технологий при проведении лабораторных работ рассмотрено в исследованиях В. В. Ларионова, Г. В. Ерофеевой, А. Е. Айзенцона, СВ. Рожкова, И. В. Александрова, С. А. Шатохина, Е. В. Трофимовой, A. M. Агальцова, А. Н. Морозова, М. Б. Шапочкина, Ю. Б. Панкрашкина и др.

Многие авторы разрабатывают различные методы проведения лабораторных практикумов в зависимости от направления обучения будущих специалистов. На сегодняшний день в педагогической литературе выделено большое количество направлений физического практикума. Это натурный эксперимент, демонстрационный эксперимент, виртуальный, модельный, автоматизированный. Несомненно, преимущество отдается натурному эксперименту, но с разной долей использования компьютерных технологий. Применение компьютерных технологий в физических лабораториях оживляет эксперимент, позволяет уменьшить время на проведение рутинных расчетов и построение графиков, модернизировать приборную базу. С другой стороны, есть мнение, что чрезмерное использование компьютерных технологий снизит результативность лабораторного практикума.

В данной статье рассматривается использование информационных технологий при проведении физического эксперимента.

Внедрение компьютера в процесс обучения должно учитывать некоторые особенности практикума. Необходимо, чтобы работа студента в общем физическом практикуме всегда являлась небольшим исследованием, с помощью которого формируются не только экспериментальные, но и исследовательские навыки. Кроме того, традиционная методика проведения практикума имеет много плюсов, поэтому отказ от нее не рационален. При этом необходимо совместить умелое сочетание ее методов с внедрением информационных технологий.

В последние несколько лет предпочтение исследователей отдается натурному эксперименту, подкрепленному в различной степени компьютерными технологиями. Анализ литературы позволил классифицировать три уровня использования ИКТ в реальном эксперименте:

1.      натурный эксперимент в его традиционном виде, подкрепленный информационной поддержкой для обработки результатов измерений,

2.      модельный эксперимент

3.      автоматизированный эксперимент.

Натурный эксперимент.

В традиционном практикуме студенты подкрепляют теоретические знания, полученные на лекционных и семинарских занятиях, экспериментом, исследуют реальные объекты, учатся элементам исследовательской работы, теории погрешностей и методами обработки экспериментальных данных, знакомятся с устройством и принципом работы часто встречающихся измерительных приборов. Обогащение такого эксперимента информационными технологиями заключается в использовании прикладных математических пакетов для обработки результатов измерения, создания табличных форм в электронном виде для занесения результатов измерения, создания тестов для проверки готовности студента к работе. Использование прикладных программ (Exel, Matcad и др.) для расчетов результатов измерений, вычисления погрешностей, построения зависимостей позволяет упростить расчеты, освободив студентов от рутинной работы. При этом компьютерная обработка позволяет более наглядно графически представить результаты измерений, изменять масштаб графиков, выделять и рассматривать отдельные участки графика, строить теоретическую зависимость и сравнивать её с экспериментальной. Работая в прикладных программах, студенты применяют навыки, полученные при изучении информатики, самостоятельно изучают возможности прикладных пакетов для обработки результатов измерения. Повышается мотивация студентов к самостоятельному изучению программного обеспечения, формируются самостоятельность в выборе средства исследования, умение применять различные программные продукты для достижения поставленной цели. Студенты учатся современным методам обработки информации, тем самым развивается информационная и научно-исследовательские компетенции.

Модельный эксперимент.

Многие физические явления, которых необходимо «рассмотреть», для понимания целостной картины изучаемого предмета недоступны для лабораторного практикума в связи с тем, что необходимое оборудование имеет большую стоимость, сложности самого эксперимента или имеются ограничения возможностей по обеспечению правил технике безопасности. Наличие же компьютера позволяет включить в лабораторный практикум ряд работ, моделирующих на компьютере наиболее важные физические эксперименты. Модельный эксперимент, наряду с виртуальным, является по существу единственным наглядным материалом при изучении непростых для понимания вопросов [1]. На отечественном и зарубежных рынках, существуют программные продукты, позволяющие использовать готовые модели и создавать свои. К примеру, программный продукт «Виртуальный практикум по физике для ВУЗов», разработанного компанией «ФИЗИКОН», это среда разработки и платформа для выполнения программ LabVIEW.

Во многих институтах создаются собственные программы и программные среды, позволяющие расширять лабораторный практикум.

Отличие модельного эксперимента от виртуального состоит в том, чтобы провести модельный эксперимент, студент должен понимать не только изучаемое явление, но и методы математического описания. У экспериментатора всегда должно быть исходное представление об исследуемом физическом процессе — исходная математическая модель [7]. Как отмечают Ю. А. Воронин, Р. М. Чудинский, что если в натурном эксперименте объект исследования и прибор находились в непосредственном взаимодействии, т. к. экспериментатор с помощью прибора воздействовал прямо на изучаемый объект, то в модельном эксперименте внимание субъекта познания сосредоточено на исследовании модели, которая теперь подвергается всевозможным воздействиям и исследуется с помощью приборов [8].

Модельный эксперимент представляется следующими этапами:

1.                      переход от реальной системы к модели — построение модели (моделирование явления при помощи математического аппарата и программного модуля);

2.                      экспериментальное исследование модели;

3.                      экстраполяции результатов, полученных при исследовании, переход от модели к реальной системе

На первом этапе студенту необходимо свести поставленную проблему исследования реального объекта к задаче, которую он мог бы описать при помощи математической модели, применяя законы физики, описывающие данное явление, моделируя условия, в которых изучается объект обычного эксперимента. Далее нужно составить программную модель, подобрать граничные параметры применимости получившейся модели. На данном этапе студенты должны не только хорошо знать и понимать теоретические основы изучаемого явления, уметь делать оценки применимости теории, но и хорошо владеть математическим аппаратом.

На втором этапе, проводится эксперимент, в котором студенты изучают смоделированное явление. Чем ближе модель явления к реальным условиям, тем ближе такой эксперимент к реальному объекту. При идеальной модели в результатах эксперимента будут отсутствовать погрешности — это важная составляющая любой исследовательской деятельности. Но в ходе любого эксперимента на изучаемый объект накладываются влияние со стороны исследователя, измеряющей аппаратуры, поэтому в каждом эксперименте возникают суммарные погрешности: случайные, систематические, дрейфовые, грубые выбросы. Поэтому работа по выявлению и определению погрешностей остается важной составляющей любого эксперимента. Эта часть работы подготавливает студентов к инженерной работе по специальности, в которой им придется иметь дело с реальными объектами. Создание же модели, учитывающей различные виды погрешностей под силу только «сильным» студентам физических вузов.

Обработка результатов исследования проводится в расчетных прикладных пакетах позволяющих анализировать получившиеся результаты в процессе эксперимента, и вносить коррективы в течение эксперимента, что, несомненно, развивает внимательность и ведет к развитию ориентировочного компонента НИК. На последнем этапе происходит обратный переход от результатов исследования модели к реальной модели, сравнение получившихся результатов их перенос на реальный объект, объяснение поведения объекта в заданных условиях.

Автоматизированный эксперимент.

В лабораторном практикуме по физике возникает необходимость в измерении некоторого числа аналоговых величин: давление, температура, время, напряжение, интенсивность света и др. Оборудование, с помощью которого производятся измерения морально устарело, многие методы измерения вызывают недоумение у современной молодежи.

Анализируя современное лабораторное оборудование известных фирм и технологии обучения физики, мы согласны с Ю. А. Ворониным, Р. М. Чудинским: «…наиболее перспективным направлением применения микропроцессорной и компьютерной техники при обучении физике является их использование как инструментального средства. Это позволило считать приоритетным использование средств новых информационных технологий в обучении физике…» [3 с. 61].

Большое количество фирм по изготовлению лабораторного оборудования (Росучприбор, Учмаркет, 3BSientific, PHWEU и др.), наряду с традиционным оборудованием, разрабатывают и внедряют автоматизированные комплексы. Измерение физических величин в этих комплексах производится разнообразными датчиками, согласованными с компьютером при помощи различных интерфейсных средств. В таких комплексах исследование производится, как в традиционном практикуме на реальных объектах, а измерение физических величин происходит с помощью датчиковой системы, сигналы с которой передаются для обработки в компьютер при помощи интерфейсных устройств. Компьютер, в свою очередь, используется как средство съема и обработки информации. Такой эксперимент позволяет расширить область исследования, обнаружить тонкие эффекты, которые невозможно заметить при помощи традиционных приборов, наблюдать за происходящим процессом в режиме реального времени, регулировать скорость происходящих процессов и скорость съема информации. Такой эксперимент является наглядным примером мониторинга производственных процессов, аналогичный тем задачам, которые решаются в производственной среде для отслеживания протекающих процессов.

Несомненно, лабораторный практикум, проводимый на современном оборудовании известных фирм, очень удобен и нагляден, но, к сожалению, не все ВУЗы могут позволить себе приобрести в лаборатории такое оборудование, поэтому во многих вузах инициативными группами разрабатывается подобное оборудование. Современные технологии позволяют разрабатывать в лабораториях платы сопряжения компьютера с соответствующими датчиками для возможности измерения физических величин.

Такая работа ведется на кафедре физики Озерского технологического института (филиала) НИЯУ МИФИ. К работе привлекаются не только сотрудники, но и студенты старших курсов в рамках исследовательских работ. Автоматизация лабораторного практикума идет по нескольким направлениям: сопряжение аналоговых датчиков физических величин через последовательный интерфейс RS 232–485 (ядерная физика, термопары), использование микроконтроллера в качестве интерфейсного устройства (электричество, молекулярная физика), использование звуковой платы как средство ввода аналогового сигнала. Такое разнообразие систем ввода информации позволяет продемонстрировать студентам технических специальностей возможности использования различных компьютерных технологий при наблюдении за технологическими процессами. К примеру, при проведении лабораторной работы, для бакалавров направления «Приборострение» обращается внимание на систему сопряжения датчиков с компьютером. Изначально при обучении базовому предмету студенты видят инструмент, созданный студентами старших курсов и сотрудниками кафедры, представляют свою дальнейшую профессиональную деятельность.

Такой подход к реализации физического практикума позволяет решить сразу ряд задач:

1.                      знакомит студентов всех специальностей с системами автоматизированного съема информации, что позволяет приблизить лабораторную работу к производственному процессу, научному исследованию;

2.                      повысить интерес к изучаемым явлениям;

3.                      расширить лабораторное исследование, изменить методику проведения лабораторного практикума от репродуктивной к продуктивной;

4.                      приобрести навыки автоматизации обработки данных;

5.                      ознакомиться с принципами передачи и приема информации через последовательные и параллельные порты, их принципами функционирования;

6.                      ознакомить студентов направления «Приборостроение» с методами проектирования сопряжения ПК с аналогово-цифровыми преобразователями с параллельным и последовательным интерфейсом ввода/вывода;

При автоматизации натурного эксперимента появляется возможность изучать реальный объект; при этом выбирать оборудование, необходимое для проведения эксперимента, заранее оценивать граничные параметры явления, настраивать его параметры, конфигурировать заданную схему и режимы проведения эксперимента, обрабатывать результаты эксперимента и проводить их строгую математическую оценку. Данный подход позволяет приблизить учебный эксперимент к научному исследованию.

Заключение.

Использование информационно-компьютерных технологий в лабораторном практикуме по физике имеет много преимуществ, однако не надо забывать, что чрезмерное увлечение может увести студента от изучаемого явления. Необходимо выстраивать практикум так, чтобы выполнялись в первую очередь дидактические принципы. При прохождении лабораторного практикума обучаемые могут проделать все виды работ. Конечно, на первых этапах необходимо выполнение традиционной работы с использованием ИКТ в качестве инструмента математической обработки, при этом желательно, чтоб студенты сами программировали вычислительные объекты, строили графики. Тем самым осуществляется связь информатики, математики с физикой. Автоматизированная работа может выполняться в нескольких вариантах, от простого уровня, при котором студенты наблюдают за происходящими процессами, до сложного, в котором условия работы приближены к научному исследованию. В такой работе они проходят все этапы: постановки целей исследования, подбора оборудования выбора и сборки макета для проведения эксперимента, определения погрешностей. В модельном эксперименте учатся изучать поведение реальных объектов, в идеальных условиях и в условиях с введением источников погрешностей. Наилучшим вариантом построения практикума было бы использование всех 3 видов эксперимента: посмотреть, как ведет себя система в идеальных условиях (модельный эксперимент), повести автоматизированный эксперимент и сравнить насколько идеальный вариант отличается от реального. На наш взгляд, совокупность всех видов эксперимента позволило бы положить начало формирования научно-исследовательских компетенций, обратить внимание студентов на рациональное использование информационных технологий, не только как источник информации, но и мощного прибора при проведении научного исследования.

Литература:

1.         Абдрахманова, А. Х. Информационные технологии обучения в курсе общей физики в техническом ВУЗе [электронный ресурс] / А. Х. Абдрахманова, url: http://ifets.ieee.org/russian/depository/v13_i3/html/2r.htm

2.         Ан, А. Ф. Информационные технологии в курсе общей физики [электронный ресурс] / А. Ф. Ан, Самохин А. В. http://physicsnet.ru/index.php/social/downloads/viewdownload/7-shkola-seminar-fizika-v-sisteme-inzhenernogo-obrazovaniya/37-an-a-f-samokhin-a-v-informatsionnye-tekhnologii-v-kurse-obshchej-fiziki

3.         Воронин, Ю. А. Соотношение натурного и модельного экспериментов в физическом практикуме [текст] / Ю. А. Воронин, Р. М. Чудинский // Физическое образование в вузах. — М., 2003. — т 9 № 2, с 59–75.

4.         Икренникова, Ю. Б. Компьютерный лабораторный практикум по физике как средство применения компьютерных технологий в учебном процессе [текст] / Ю. Б. Икренникова: Дис… канд. пед. Наук. — М, 2004. — 150 c.

5.         Ильин, В. Г. Разработка и применение информационно-измерительных систем в современном лабораторном практикуме. [электронный ресурс] / Ильин В. Г., Осипенко И. А. -http://conf.sssu.ru/Sbornik/2012–1/Осипенко.doc

6.         Информатизация образования: направления, средства, технологии: Пособие для системы повышения квалификации [текст] / под общ. ред. С. И. Маслова. — М.: Издательство МЭИ, 2004. — 868 с.

7.         Лапина, А. Ю. Методика проведения лабораторных работ по физике с использованием информационных технологий [текст] / А. Ю. Лапина Дис… канд. пед. Наук

8.         Панюшкин, Н. Н. Внедрение компьютерных технологий в лабораторный практикум [электронный ресурс] / Н. Н. Панюшкин // Программные продукты и системы. — 2010. № 1. http://www.swsys.ru/index.php?page=article&id=2459 (дата обращения 22.03.2010)

9.         Шильников, А. В. Оптимизация физического практикума с помощью современных информационных технологий [текст] / А. В. Шильников, Л. А. Васильева, В. Н. Нестеров, Л. И. Черкасова // Физическое образование в Вузах. М. — 2000. — Т. 6, № 4.- С.81–85.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle