Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

МЕХАНИЗМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО ФИЗИКЕ – ПЕРЕХОД ОТ ГРУППОВЫХ К ИНДИВИДУАЛЬНЫМ ФОРМАМ РАБОТЫ И УСИЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРАКТИКУМА

Авторы:
Город:
Череповец
ВУЗ:
Дата:
19 мая 2018г.

Курс общей физики является одним из базовым в системе подготовки любого инженера, а лабораторный практикум неотъемлемая часть этого курса. За многие годы на кафедре физики ЧВВИУРЭ сложилась устоявшаяся система обучения общей физике, но постоянно изменяющаяся образовательная среда и требования образовательных стандартов заставляют вносить в него постоянные корректировки различной степени. Лабораторный практикум по своей сути и содержанию является наиболее значимым и результативным компонентом подготовки любого будущего инженера. Исторически в высшей школе так сложилось, что лабораторный практикум в традиционной форме по дисциплине «Физика» представляет собой экспериментальное изучение тех или иных физических законов и явлений на смонтированных рабочих местах. Его особенностью является бригадно-групповое выполнение лабораторной работы. Эффективность такого метода не слишком высока. В каждой группе работу выполняет фактически один курсант – лидер мини-группы. Остальным курсантам достаются вспомогательные операции, как то фиксация в таблицах результатов измерений, промежуточные расчеты, построения и т.п., что далеко не в каждом случае способствует приобретению практических навыков работы с реальным физическим оборудованием. В то же время в свете современного компетентностного подхода полностью отказываться от бригадной формы работы в рамках практикума нецелесообразно, так как это способствует формированию ряда необходимых коммуникативных компетенций.

В связи с усилением роли информационных технологий в образовании в целом и в физике в частности, возникла необходимость внедрения в лабораторный практикум: средств автоматизации управления экспериментом; комплекса лабораторного оборудования с применением специальных аппаратных плат; современных математических и компьютерных методов статистической обработки результатов эксперимента.

Одна из задач использования информационных технологий в учебном физическом эксперименте заключается в оперативной передаче в режиме реального времени в вычислительную среду экспериментальных данных, снимаемых с датчиков измерений и последующей обработки этой информации. Используя данный подход в решении задач можно автоматизировать лабораторные установки за счет введения интеллектуальных средств обработки данных и многоканального управления объектом.

Важным элементом в таком подходе является «сопряжение» между собой вычислительной машины и лабораторной установки с целью поступления сигналов с датчиков в СВТ. Задача сопряжения не всегда решаема, так как поступающие с датчиков сигналы обладают различной физической природой и существует необходимость их преобразования в двоичный код.

Одним из устройств, обеспечивающих решение этой задачи, является используемые в лабораторном практикуме модули цифро-аналоговых и аналогово-цифровых преобразователей, например, блоков «Sigma Zet» и пакета программ «ZetLab Studio» [1].

На кафедре физики создан целый комплекс лабораторных работ на основе данного пакета, охватывающий самые разнообразные разделы курса общей физики. В качестве примера рассмотрим популярную работу «Изучение гармонических колебаний» и ее модификацию при переходе от традиционного практикума к компьютерному [2]. В традиционной лабораторной работе для изучения сложения колебаний использовали генератор сигналов, колебательный контур, с ограниченными возможностями вариации исходных данных, и осциллограф. Периоды, частоты и амплитуды результирующих колебаний измерялись курсантами вручную, поэтому полученные результаты были с существенными погрешностями.

При внедрении в практикум ЦАП и АЦП для проведения лабораторной работы «Гармонические колебания» была смонтирована автоматизированная установка для исследования и изучения свойств гармонических колебаний в диапазоне частот от 100 МГц до 500 МГц [3-4].

Установка позволяет складывать различные колебания, и анализировать результаты сложения колебаний за счет отображения исходных и результирующего данных на многоканальном осциллографе, что существенно повышает наглядность изучаемого процесса. Кроме того, она позволяет проводить измерения разности фаз двух колебаний. В лабораторной установке измерительные приборы, как таковые, отсутствуют. Их функции выполняет АЦП, подключенный к входным каналам устройства сопряжения.

Серийно выпускаемый блок «Sigma Zet» представляет собой двухканальный ЦАП, предназначенный для формирования двух сигналов в независимых каналах и 16-ти канальный модуль АЦП, преобразующий аналоговый сигнал в цифровую последовательность, подаваемую к виртуальной лаборатории анализа и обработки «ZetLab» [1,3]. ЦАП и АЦП выполнены в одном конструктиве и имеют коммутационные панели, что позволяет наращивать схему лабораторной установки для решения прикладных задач.

Схема соединения элементов лабораторной установки приведена на рисунке 1.

 

Лабораторная установка работает следующим образом: при помощи программного обеспечения «ZetLab» генерируются два независимых синфазных сигнала, один из которых через линию задержки, поступает на соответствующие входы АЦП, а второй непосредственно на 1-й вход АЦП. Программные средства «ZetLab» позволяют проанализировать полученный сигнал и провести с ним ряд математических действий. Измерение разности фаз двух сигналов производится с помощью штатного фазометра из вкладки «Измерение». Для ортогонального сложения сигналов используется XYZ осциллограф, на который подаются необходимые сигналы.

Для визуализации результатов измерений и сравнительного анализа исходных и полученных данных используется многоканальный осциллограф с количеством одновременно работающих каналов ≤ 7 [1,3].

При сложении двух гармонических колебаний одинакового направления, одинаковой амплитуды и немного различающихся частот возникают биения – колебания, амплитуда которых меняется с частотой гораздо меньшей частоты исходного. Лабораторная установка позволяет наблюдать на экране монитора осциллограмму биений, исследуя которую, легко определить период и частоту биений, частоту несущего колебания и максимальную амплитуду биений.

Если в установке натурного эксперимента число варьируемых параметров установки по определению невелико, то в данном случае возможность предложить каждому обучаемому свой индивидуальный набор исходных данных. Поэтому, помимо очевидной информационной составляющей процесса обучения, предлагаемый практикум позволяет полностью перейти от групповых форм работы к индивидуальным, что крайне важно и в рамках современного компетентностного подхода к обучению [4].

К каждой лабораторной работе практикума, в том числе и к работе «Гармонические колебания», разработаны варианты начальных значений физических величин для каждого курсанта, кроме того представлены дифференцированные индивидуальные контрольные вопросы разной степени сложности и карточки для защиты лабораторной работы. Лабораторная работа состоит из нескольких независимых заданий, которые сами по себе могут рассматриваться как индивидуальные подработы. Весь этот набор позволяет преподавателю самому с учетом индивидуальных особенностей каждого курсанта подобрать комплект заданий и организовать индивидуальную работу.

Сравнительная оценка возможностей и характеристик лабораторной установки для исследования гармонических   колебаний ранее используемой и вновь разработанной показали   ряд   преимуществ последней:

-      позволяет повысить точность проводимых измерений за счет использования современной аппаратуры;

-   позволяет проводить больше разноплановых исследований, т.е. обеспечивает универсальность при проведении лабораторных работ;

-      улучшено качество визуализации материала, что способствует его лучшему восприятию и усвоению;

-   улучшены условия техники безопасности при проведении лабораторной работы;

-   массогабаритные показатели уменьшены на порядок.

Предлагаемый подход позволяет достичь максимальной гибкости и вариативности при проведении лабораторных работ (практикума), ставить перед курсантами более сложные индивидуальные задания не только технического, но и творческого плана, что, в конечном итоге, обеспечивает повышение качества усвоения материала за счет использования новых методов обучения.

 

Список литературы

 

1.     Шевченко С.С., Шайдулина Г.Х., Нилова Л.И. Механизмы реализации индивидуального и проблемного подходов в обучении физике на базе лабораторного практикума с использованием ЦАП и АЦП // Материалы международной научно-практической конференции «Наука сегодня реальность и перспективы», – Вологда: ООО «Маркер», 2017 г. С.150-152.

2.   Нилова Л. И., Алексеенко А. В. Лабораторная работа «Гармонические колебания» на базе модуля ЦАП-АЦП ZET-210 «Sigma USB» // (ФССО-2013): Материалы XII Международной научной конференции «Физика в системе современного образования», Петрозаводск, 3–7 июня 2013 г. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2013. – Т.1 – С. 162-165.

3.Лабораторный практикум по физике: учеб. – метод. пособие. – Череповец: РИО ЧВВИУРЭ, 2017 г. – 126 с.

4. Шевченко С.С., Костин И.В., Шайдулина Г.Х. Информационное обеспечение физического практикума на базе ЦАП-АЦП // В сборнике: Современныеинформационныетехнологии.Теорияипрактика. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции в рамках ИТ-форума «ICITY 2015: Информатизация промышленного города» – Череповец: ЧГУ, 2016. С. 139-141.