Современное образование невозможно представить без использования информационных технологий и, в частности, обучение физике, без компьютерного моделирования физических процессов. Известные ограничения (материальные, финансовые и ресурсные) в возможности наблюдения ряда процессов на реальных установках привели к необходимости применения компьютеров для проведения лабораторных работ по физике.
Отметим преимущества физического эксперимента с использованием электронных эмуляторов перед традиционной лабораторной работой:
1.Нет необходимости собирать заново всю установку перед каждым уроком, тратить время на осмотр приборов, а после уроков складывать все на место.
2. Техника безопасности на порядок выше, чем в обычных условиях.
3. Можно за короткое время провести несколько экспериментов при разных начальных условиях, а потом обобщить результаты и сделать выводы.
Существует огромное количество программ - эмуляторов, позволяющих выполнять сложные физические эксперименты, которые, часто, невозможно проводить в реальной жизни из-за чрезвычайной сложности или опасности использования устройств. К ним относятся: Fritzing, Multisim (Еlectronicsworkbench) и другие.
Multisim является мощной программой в сфере моделирования и расчета электрических (электронных) схем устройств на цифровых и аналоговых компонентах. В ней содержится большой набор инструментария и библиотек элементов для работы. Это виртуальные тестеры, генераторы, осциллографы, готовые модели электротехнических деталей и т.д. [1]
Рис. 1
Основной особенностью данной программы является возможность использования контрольно-измерительных приборов, которые по своему виду и внутренним характеристикам приближены к их реально существующим аналогам. Multisim довольно проста в изучении и практична в работе.
К преимуществам Multisim можно отнести:
Виртуальные приборы - концепция, в соответствии с которой организуются программно-управляемые системы сбора данных и управления техническими объектами и технологическими процессами, при которой система организуется в виде программной модели некоторого реально существующего или гипотетического прибора, причём программно реализуются не только средства управления (рукоятки, кнопки, лампочки и т. п.), но и логика работы прибора. Связь программы с техническими объектами осуществляется через интерфейсные узлы, представляющие собой драйверы внешних устройств - АЦП, ЦАП, контроллеров промышленных интерфейсов и т. п.[2].
Предшественницей концепции виртуальных приборов служила концепция слепых приборов, предусматривающая организацию системы в виде физического устройства («ящика», реализующего логику работы прибора, но не имеющего пользовательского интерфейса), и программно-реализуемых средств управления (представляющих собой HMI в чистом виде).
Современная компьютерная техника, связанные с ее использованием виртуальные физические приборы и приборы с удаленным доступом оказывают сегодня решающее влияние на применение методологии моделирования и построения аналогий.
Одним из основных специфических направлений информатизации обучения физике и направлением совершенствования профессиональных качеств учителей физики является использование виртуальных физических приборов и оборудования. При этом под виртуальными физическими приборами можно понимать компьютерное программное обеспечение, исполняющее с помощью компьютера и относительно несложного оборудования (аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, датчиков и исполнительных устройств) функции различных приборов, значимых для обучения физике.[3] Виртуальные приборы используют, как для замены обычных приборов, так и для проведения уникальных измерений, для которых при обучении физике в распоряжении учителя нет обычных приборов.
Как правило,такие приборы используются при обучении физике в качестве средств визуализации данных и управления экспериментом. У педагогов и обучающихся имеется возможность взаимодействовать с виртуальным прибором примерно так же, как и с обычным прибором. Виртуальные приборы не просто заменяют обычные приборы, а предоставляют много дополнительных возможностей за счет способности компьютерной техники и программного обеспечения обрабатывать экспериментальные данные в режиме реального времени. Одновременное измерение разных характеристик исследуемой системы как функций изменяемых в эксперименте параметров, анализ многомерных данных, проверка их соответствия различным моделям - все это доступно непосредственно в ходе эксперимента. При этом учителя и обучающиеся имеют двустороннюю связь с объектом через экран компьютера, на котором динамика характеристик объекта отображается в графической форме, а визуальные элементы управления позволяют воздействовать на физический объект с помощью, так называемых исполнительных механизмов.
Профессиональные качества большинства педагогов позволяют им наряду с виртуальными приборами в рамках физического эксперимента использовать и обычные физические приборы, которые нередко управляются с использованием компьютерной техники. Основное различие между этими двумя типами физических приборов заключается в степени специализации функций аппаратной части и программном обеспечении компьютерной техники[5].
В отличие от автоматизации, использование виртуальных приборов предполагает реализацию основной функции прибора с помощью компьютерной программы, которая использует для взаимодействия с объектами реального мира относительно несложное оборудование. Использование универсального оборудования дает возможность реализовать много разных приборов с помощью одного и того же набора аппаратных средств. Например, на основе компьютера, оснащенного платой аналого-цифрового преобразователя, можно программно реализовать самописец, осциллограф, анализатор частотных характеристик электрических сигналов и ряд других приборов, применяемых для обучения физике.
Курсы физики, как известно, содержат немало разделов, предусматривающих обязательное выполнение лабораторных работ.Когда лабораторный стенд с аналоговым и дискретным оборудованием после модернизации оснащается современными компьютерными или иными средствами программируемой автоматики, визуализации и записи экспериментальных данных, привязанность к нему проявляют студенты и школьники, которым становится интересным освоение более сложной и современной техники [2].
Виртуальный эксперимент может быть организован следующим образом:
1. На базе математической модели исследуемого процесса. В ходе эксперимента происходит имитация работы реального лабораторного оборудования. У ученика складывается впечатление, что он работает с реальными приборами и оборудованием (или их макетами).
2. На базе реального лабораторного или промышленного оборудования с возможностью удаленного доступа (например, по каналам сети Интернет) к исследуемому объекту. В данном случае эксперимент проводится в реальном режиме времени на лабораторной установке. Учащийся получает возможность устанавливать режимные характеристики, включать/отключать соответствующие механизмы, снимать данные с контролируемых приборов и сохранять их у себя на компьютере для последующей обработки [6].
Огромное значение приобрело использование информационных технологий при проведении лабораторных занятий по физике.
Виртуальная форма проведения лабораторных работ по радиотехнике реализованная через применение программы "ElectronicsWorkbench" уступает традиционной только по одной позиции: навыки и умения работы с реальным оборудованием можно приобрести только при традиционной форме проведения лабораторных работ.
Виртуальная форма проведения лабораторных работ перед традиционной обладает рядом преимуществ:
а) экономия времени;
б) уменьшение трудоемкости;
в) многократно более широкие возможности проведения экспериментов;
г) возможность дистанционного образования;
д) возможность задания лабораторных работ на дом;
е) широкие возможности реализации принципа индивидуального подхода;
ж) 100% безопасность проводимых экспериментов.
Библиографический список
1. http://92766.dyn.ufanet.ru/shpor/Shpor/Model/pages/Otvet/47.htm .
2. http://cis.rudn.ru/document/show.action?document.id=2040 .
3. http://www.alpud.ru/?xml=merge.xml&xsl=text.xslt .
4. http://www.kaznpu.kz/docs/disert/disser_Sharm.pdf .
5. http://www.kniga.seluk.ru/k-informatika/722398-1-metodicheskie-osnovi-podgotovki-pedagogov-ispolzovaniyu-priborov-udalennim-dostupom-virtualnih-priborov-kak-s.php .
6. http://www.kniga.seluk.ru/k-informatika/722398-2-metodicheskie-osnovi-podgotovki-pedagogov-ispolzovaniyu-priborov-udalennim-dostupom-virtualnih-priborov-kak-s.php .