VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

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:

• использование компьютерных методов разработки;
• быстрое выполнение сложных и объемных работ;
• высокая точность и глубокий анализ;
• может применяться в образовательных учреждениях и на предприятиях;
• применяться как замена дорогостоящего оборудования;
• содержит в себе большое количество моделей электронных устройств;
• программа проста в обращении и не требует глубоких знаний в компьютер­ной технике;
• имеет интуитивно понятный интерфейс;
• может работать с большим числом компьютерной периферии и имитировать ее работу[1].

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 .

 

Код для цитирования: Скопировать