Разработка урока с применением элементов виртуального

РАЗРАБОТКА УРОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ВИРТУАЛЬНОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА
С. В. Обухов, Ю. О. Лобода
Томский государственный педагогический университет, Томск
Постановка проблемы: Поскольку в настоящее время все больший интерес
вызывают кибернетические подходы к преподаванию курса физики, связанные с
компьютерным моделированием, появилась разновидность лабораторных работ,
базирующаяся на применении информационных технологий при проведении
экспериментов по курсу физики, в результате чего возник новый термин – «виртуальные
физические эксперименты»[1]. Применение виртуального эксперимента целесообразно
для: 1) представления физических явлений, трудно воспроизводимых в реальном
лабораторном эксперименте; 2) повышения уровня безопасности экспериментов путем
применения компьютерных тренажеров; 3) повышения у школьников мотивации к
обучению путем создания моделей, позволяющих рассматривать физические процессы
«изнутри», вносить изменения в протекание процесса; 4) визуализации принципиально
ненаблюдаемых при лабораторном эксперименте явлений. Это делает целесообразным
включение в натурный физический эксперимент элементов виртуального.
Натурные эксперименты, в том числе и демонстрационные, при всех их безусловных
достоинствах обладают одним существенным недостатком - в силу технических
возможностей конкретного прибора, условий демонстрации опыта и иных причин,
параметры натурного эксперимента имеют весьма ограниченный диапазон изменения.
При этом познавательная ценность виртуального эксперимента безусловно проигрывает
по сравнению с аналогичным качеством натурного.
Физическое явление зачастую представляется в виде целостной системы, которая
моделируется в виде эксперимента (см. рис.1). Этот эксперимент можно проводить либо с
реальной системой, либо с ее моделью. Модели, с которыми проводятся эксперименты,
могут быть математическими или физическими. Физическая модель может быть
представлена натурным экспериментом, а математическая - аналитическим решением
либо имитационным моделированием физического эксперимента. Виртуальные приборы,
создаваемые в различных программных пакетах, - яркие примеры имитационного
моделирования. В виртуальных приборах используется новый аппарат исследования
различных физических явлений с широкими возможностями построения компьютерных
математических моделей.
Систем
а
Эксперимент
с реальной
системой
Физическая
модель
Аналитическое
решение
Эксперимент
с моделью
системы
Математическая
модель
Имитационное
моделирование
Рис. 1 [3].
Мы хотели бы показать варианты применения программного пакета LabVIEW при
повторении материала по теме «Колебания и волны» школьного курса физики. LabVIEW
или Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (Средства разработки
лабораторных виртуальных приборов), представляет собой среду графического
программирования, которая широко используется в промышленности и также находит
применение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности, в том числе и в
образовании. Поскольку компьютерное оснащение кабинетов физики большинства
томских школ не позволяет проводить виртуальные эксперименты, рекомендуется
проводить уроки-повторения в виде межпредметных занятий физика-информатика.
Хотелось бы обратить внимание на применение имитационного моделирования при
углубленном изучении материала по курсу физики на элективных курсах. Простейшая
модель системы – может быть представлена в виде «чёрного ящика» со множествами
входов и выходов, применение данных моделей, как реальных, так и виртуальных в
школьном курсе физики представляет значительный интерес.
В начале урока целесообразно продемонстрировать возможности программы: в
частности, учащиеся могут самостоятельно внести изменения в виртуальную двумерную
модель волны, созданную преподавателям в качестве примера Рис 2). После знакомства с
возможностями программы, школьники получают информацию, как самостоятельно
создать виртуальный прибор-генератор гармонических колебаний, и пробуют ее
реализовать. В ходе программирования происходит повторение основных понятий темы
«Колебания и волны» («частота», «период», «фаза», «амплитуда»), а также даются новые
знания – а именно, определение ранее неизвестного школьникам понятия «циклическая
частота», изучение уравнения гармонического колебания Х=A*SIN(2pi*k/n+pi*/180).
Рис. 2.
Процесс создания виртуального прибора . На контролирующей панели программы
необходимо создать экран для вывода графика (Waveform Graph) - меню Controls,
подменю Graph. Далее на функциональной панели создается синусоидальная функция
Sine Pattern.VI, выход которой необходимо соединить с экраном для вывода графика при
помощи инструмента «катушка». Теперь можно запустить прибор с помощью кнопки Run
(Рис 3).
Рис. 3.
На созданном приборе нельзя менять вид графика. Для этого необходимо задать входящие
параметры - циклическую частоту, фазу угла и амплитуду. Эти параметры описываются
формулой гармонического колебания» X=A*sin(2pi*k/n+pi*/180), где A - это амплитуда,
k - частота, n - количество замеров синуса за период, - смещение в градусах.
Далее на лицевой панели необходимо создать три числовые переменные (Digital Control).
На рис. 4 эти переменные названы «Амплитуда», «Циклическая частота» и «Фаза», что
представляется необходимым в целях наглядности процесса обучения. Далее
«Амплитуду» следует соединить с входом функции Amplitude, «Фазу» - с Degres и
«Циклическая частота» - с Cycles. Потом в переменные вводятся значения, после чего
программу можно запускать (Рис 4).
Рис. 4.
Следующий этап обучения - создание виртуального прибора, моделирующего
сложение гармонических колебаний. Начальной стадией данной работы является создание
двух приборов, аналогичных описанному выше. Далее следует построить график суммы
двух колебаний, которые могут отличаться амплитудой, частотой, фазой. Теперь можно
приступать непосредственно к созданию прибора, моделирующего сложение
гармонических колебаний. Для этого на контролирующей панели нужно ввести шесть
числовых переменных Digital Control и создать экран для вывода графика Waveform
Graph. А на функциональной панели создаются две синусоидальных функции Sine
Pattern.VI и функция суммирования Add. Переменные присоединяются к входам
синусоидальной функции в соответствии с рис. 5.
Рис. 5.
При запуске программы должна получится картина, соответствующая рис. 6.
Рис. 6.
Следует отметить, что введение данного типа физического эксперимента в
школьный курс физики имеет как достоинства, так и недостатки. Недостатки: 1)
практическое осуществление виртуальных экспериментов бывает затруднено в связи с
недостаточным уровнем компьютерного обеспечения средних школ; 2) обучающийся не
получает навыка практической работы с реальным исследовательским оборудованием; 3)
как уже было отмечено – низкая по сравнению с натурным экспериментом степень
наглядности. Достоинства: 1) возможность продемонстрировать ученикам невидимые в
лабораторных условиях процессы и явления; 2) экономия времени при проведении
экспериментов; 3) безопасность в проведении экспериментов; 4) низкая затратность
финансовых средств и расходных материалов при проведении эксперимента.
Следовательно, при проведении эксперимента в рамках курса физики средней
школы представляется целесообразным сочетание реальной лабораторной установки с
компьютерной моделью, которое позволит школьнику изучить тот или иной физический
процесс и наглядно (натурный эксперимент) и во всех скрытых при обычном визуальном
наблюдении подробностях (виртуальный), и, значит, глубже осмыслить изучаемые
процессы и явления, что, несомненно, повысит качество физического образования в
средней школе.
Литература
1. Жарков Ф.П., Каратаев, Никифоров В.В., Панов В.С. Использование виртуальных
инструментов Lab VIEW /Под ред. К.С. Демирчана и В.Г. Миронова. - М.: СолонР, Радио и связь, Горячая линия – Телеком, 1999. – 268с.
2. Трофимова Т.И. Курс общей физики. - М., «Высшая школа», 1999. - С.255 - 331.
3. Аверилл М. Лоу, В. Девид Кельтон Имитационное моделирование.- СПб.: Питер;
Киев: Издательская группа BHV, 2004. - 847 с.