CC BY
55
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
УДК 378.4
И. В. Врублевская, А. В. Пец
ДИДАКТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ПОТОКОВ ДАННЫХ
Предложена методология интеграции вычислительного и натурного экспериментов на лекционных и лабораторных занятиях при изучении физико-технических дисциплин.
The methodology of integration of computing and natural experiments on lecture and laboratory researches is offered at studying physic-technical disciplines.
Ключевые слова: аналого-цифровые преобразования, виртуальные приборы, вычислительный
эксперимент, трансферт цифровых технологий, инженерная педагогика.
Key words: analog-digital transformations, virtual instruments, computational experiment, transfer of digital technologies, engineering pedagogic.
Представление о вычислительном эксперименте (ВЭ) как новом способе теоретического познания введено А. А. Самарским [1]. В настоящее время дидактические возможности ВЭ наиболее полно раскрыты в исследованиях по методике преподавания физико-технических дисциплин (Е. И. Бутиков, В. Н. Дубровский, А. С. Кондратьев и др.). Структура модуля учебного вычислительного эксперимента в интерактивной цифровой среде представлена на рисунке 1.
Математическое моделирование физического явления, технического устройства (интеграция дисциплин естественнонаучного цикла)
♦
Абстрактизация, введение безразмерных параметров
Рис. 1. Этапы учебно-познавательной деятельности в процессе выполнения вычислительного эксперимента Вместе с тем современные аналого-цифровые преобразования (АЦП) информационных потоков позволяют организовать в реальном времени сбор данных от сенсоров мониторинга физических и технических процессов. Однако проблемы интеграции виртуального (цифрового) и натурного (физического) экспериментов в образовательном процессе подготовки инженеров исследованы недостаточно. Эта проблема становится особенно актуальной, если учесть, что в физико-технических исследованиях компьютерные технологии реализуются через трансферт цифровых методов трех видов: информационно-коммуникационные технологии,
вычислительный эксперимент и виртуальные измерения в реальном времени [2]. В данной работе предложена методология организации учебного и демонстрационного экспериментов на основе трансферта цифровых технологий при проведении не только лабораторных, но и лекционных занятий.
Ключевой идеей нашего подхода является реализация на основе АЦП-технологий, принципа единства эмпирического и теоретического познания как одного из основных принципов дидактики инженерной педагогики.
Учебный
методический
модуль
На рисунке 2 представлена классическая структура лабораторного эксперимента, характерная для практикумов по физико-техническим дисциплинам. На этапах 2 и 3 происходит обобщение информации и закрепление нового знания. Но такой подход не рационален: при линейной последовательности обработки информации затягивается процесс приобретения студентами необходимых компетенций.
Рис. 2. Реализация принципа единства эмпирического и теоретического познания в типичном учебном эксперименте: £(1) — сигналы внешнего воздействия на техническое устройство (ТУ); темный треугольник — датчики физических величин, сенсоры;
1 — статистическая обработка экспериментальных данных;
2 — поиск закономерностей; 3 — сравнение результатов опытов с теоретическими моделями
Альтернативой может стать применение в учебном процессе цифровых лабораторий, в которых аналоговые и цифровые потоки информации синхронизируются. Однако в педагогическом знании дидактические возможности аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований (ЦАП) изучены недостаточно. Благодаря АЦП и ЦАП возникает распределенный пользовательский интерфейс в системе: человек — цифровая среда — физические или технические объекты. Компьютерная система приобретает новую дидактическую функцию: у учителя возникает возможность на практических и даже лекционных занятиях исследовать в реальном времени физические и технические процессы, в соответствии с текушцм этапом междисциплинарной подготовки специалиста.
Представленная на рисунке 3 схема учебного эксперимента позволяет в динамике наблюдать, а если необходимо, сравнивать осциллограммы физико-технического процесса и его цифровой математической модели. Предложенный подход может быть использован не только на лабораторных, но и на лекционных занятиях.
Рис. 3. Синхронизация в реальном времени натурного и виртуального экспериментов:
АЭС — аналого-цифровые преобразования;
ЬаЬУ1БУ — интерфейс виртуальных измерительных приборов. Аналоговые сигналы и цифровые потоки синхронизированы по времени системными часами
Другая уникальная особенность схемы (рис. 3) состоит в том, что она позволяет осуществить визуализацию источников системных погрешностей, иными словами — определить границы действия той или иной математической модели изучаемого явления.
Возможность одновременного экспериментального исследования физических объектов и математических дефиниций возникает при распараллеливании действия внешнего (управляющего) сигнала f(t) на реальную и виртуальную систему (рис. 4). Схема позволяет ввести в педагогическую практику уникальный метод [3]: экспериментальное изучение
дифференциального уравнения, правой частью которого является реальный сигнал: Dx(t) - /'(/) •
Рис. 4. Методика реализации параллельного экспериментального изучения цифрового (математического) и реального (физического, технического устройства) объектов Существенным расширением функциональности схемы рисунка 4 может стать ее «кибернетический вариант», когда сигнал управления формируется в самой цифровой среде, а после цифро-аналогового преобразования (DAC) действует на исследуемое физико-техническое устройство (рис. 5).
цифровая
Т модель процесса | ^ '
л ----------
т
Рис. 5. Цифровой сигнал у ) преобразуется в аналоговый сигнал /(£) управления техническим устройством
Таким образом, перенос технологий АЦП в сферу учебно-познавательной деятельности учащегося позволяет реализовать в едином профориентированном процессе обучения важнейший принцип современного естествознания — единство эмпирического и теоретического познания. Предложенные схемы трансферта цифровых технологий в профессиональной педагогике особенно важны при преподавании физико-технических дисциплин в университетах, когда фундаментальной подготовке специалистов по дисциплинам естественнонаучного цикла уделяется первоочередное значение. Кроме того, расширяются возможности учебнопознавательной деятельности студентов как на лабораторных, так и лекционных занятиях.
Список литературы
1. Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент. Введение в информатику с позиций математического моделирования. М., 1988.
2. Пец А. В. Цифровые технологии в научных исследованиях как компонент образовательного пространства инженерного вуза // Информатика и образование. 2009. № 1. С. 112 — 113.
3. Пец А. В. Применение технологии виртуальных приборов к изучению дифференциальных уравнений первого порядка // Современные методы физико-математических наук: тр. междунар. конф. Орел, 2006. Т. 3. С. 314 — 317.
Об авторах
И. В. Врублевская — ст. преп., РГУ им. И. Канта.
А. В. Пец — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, [email protected]
Authors
A. Pets — Dr., IKSUR.
I. Vrublevskaya — IKSUR.
