CC BY
239
УДК 378
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА EVERY CIRCUIT
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ
Я.Э. Латыпов, Ю.В. Коннов1
1 Работа выполнена в рамках Государственного контракта №05.043.12.0013 от 23 мая 2014г.
Аннотация. В статье проведен обзор возможностей программного средства EveryCircuit, позволяющего проводить виртуальные физические эксперименты. Обзор проведен на примере лабораторной работы по определению индуктивного сопротивления катушки индуктивности. В статье описывается использование версии программы для смартфона под управлением операционной системы Android, существенно повышающей мобильность обучения. Также в статье рассматривается эффективность совмещения виртуального и физического эксперимента.
Ключевые слова: физика, моделирование, эксперимент, реальный физический эксперимент, виртуальный физический эксперимент
USING SOFTWARE EVERYCIRCUIT
FOR VIRTUAL LABORATORY WORKS ON PHYSICS
Y-Е. Latypov, Yu.V. Konnov
Abstract. The article provides an overview of the software tools EveryCircuit, enables virtual physics experiments. The review is an example of laboratory work to define the inductive reactance of the inductor. This article describes how to use the version of the program for the smartphone operating system Android, significantly increases mobility training. The article also examines the effectiveness of combining virtual and physical experiment.
Keywords: physics, simulation, experiment, real physical experiment, virtual physics experiment
Образовательные программы, определяемые Государственным общеобязательным стандартом образования Республики Казахстан, «предусматривают изучение на современном уровне всех основных разделов физики, начиная от механики Ньютона и заканчивая физикой элементарных частиц» [1]. В них представлена система последовательного рассмотрения различных уровней структурной организации материи, их законов и закономерностей, описание природы и свойств объектов окружающего мира. Обращается внимание на модельный характер физических теорий и указание границ их применимости.
Изучение современной физики должно способствовать достижению задач, стоящих перед физическим образованием. Механика и электродинамика будучи физикой макроскопической предоставляет прекрасные возможности для экспериментальной и конструкторской деятельности учащихся, способствующей развитию мыслительных способностей. Переход к познанию микромира и мегамира снижает возможности реализации экспериментальной деятельности учащихся в условиях школьного обучения, однако изучение этих разделов возможно путем компьютерного моделирования процессов и явлений, происходящих в этих областях.
Для достижения лучшего результата обучения, реальный физический лабораторный практикум по определенным разделам физики можно дополнить компьютерным моделированием тех лабораторных работ, выполнение которых в реальном режиме либо затруднительно, либо требует моделирования, позволяющего лучше понять суть физических процессов.
Понятие модели определяется различным образом. Одно из определений: «модель - это такой объект, изучение которого служит средством для получения знаний (информации) об исходном объекте, называемом прототипом или оригиналом» [2]. Привлечь и расширить круг потенциальных пользователей возможно лишь тогда, когда процесс моделирования максимально приближен к реальности. В этом случае человек, осуществляя естественную последовательность таких операций, как сборка схемы, подключение к ней измерительных приборов, задание параметров генераторов входных воздействий и установка режимов работы на панелях измерительных приборов, получал бы результаты измерений в привычной для него форме. Применение компьютерных технологий на уроках
физики позволяет формировать практические навыки так, как виртуальная среда компьютера позволяет оперативно видоизменить постановку опыта, что обеспечивает значительную вариативность его результатов, а это существенно обогащает практику выполнения студентами логических операций анализа и формулировки выводов результатов эксперимента [5]. Кроме того, можно многократно проводить испытание с изменяемыми параметрами, сохранять результаты и возвращаться к своим исследованиям в любое удобное время. К тому же, в компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов [3]. В своей работе мы рассматриваем использование виртуальных лабораторий в учебном процессе на примере программы EveryCircuit.
Программа EveryCircuit представляет собой упрощенный симулятор электрических схем. Она позволяет проектировать схемы, наблюдать за их поведением, обмениваться готовыми результатами. На компьютере программа работает исключительно в браузере Google Chrome, кроме того имеются её версии для смартфонов и планшетов под управлением операционных систем IOS и Android, данные версии могут работать автономно без подключения к Интернету.
Следует отметить, что программа распространяется условно бесплатно и получает регулярные обновления. Демонстрационная версия программы имеет ограничение на размер схемы.
Для проведения сложных инженерных расчетов размеров схемы не хватает, но для исследования физических законов и правил этого достаточно. В программе можно провести проверку: правил Кирхгофа, закона Ома, провести замер сопротивления методом моста Уинстона, исследовать последовательные и параллельные соединения резисторов, катушек, конденсаторов их активное, индуктивное и емкостное сопротивление, их зависимость от частоты переменного тока. Если запустить процесс симуляции, мы сможем пронаблюдать за видом постоянного или переменного тока на анимированном и разноцветном графике в режиме реального времени. Анимация дополняет и само изображение схемы.
Например, можно наблюдать за течением тока в электрической цепи, сменой его направления, значением и формой напряжения во всех узлах схемы, свечением лампочек и светодиодов. Во время данного процесса в работу электрической схемы можно вмешаться, что незамедлительно отразится на её поведении. Несмотря на то, что пока программа имеет англоязычный интерфейс, она проста в освоении. Все необходимое уже имеется на экране.
Рассмотрим работу программы на примере проведения виртуальной лабораторной работы. При подготовке к лабораторной работе по определению индуктивного сопротивления была собрана цепь, содержащая источник переменного тока, заземление, вольтметр, амперметр, один резистор и катушку индуктивности. Необходимые элементы были перенесены с верхней панели в область проектирования схемы, затем соединены требуемым образом. На сборку цепи ушло около тридцати секунд
Цепь показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Цепь, собранная в программе EveryCircuit
При сборке схемы следует учесть некоторые особенности. Во-первых, программа (как и множество других подобных) требует наличия заземления. Во-вторых, элементы схемы, такие как проводник, катушка, конденсатор и др. не имеют внутреннего активного сопротивления. При необходимости его можно внести в схему отдельно. После выбора интересующего нас элемента, в левом нижнем углу появляется гаечный ключ. Кликнув по нему, можно задавать необходимые нам параметры.
Таким образом, были заданы: частота, тип переменного тока, его амплитудное значение, а также номиналы используемых деталей. Если кликнуть по свободной области, а затем по значку в виде желтого треугольника с буквой t, запустится процесс симуляции. Для вывода графика исследуемого тока следует выбрать интересующий нас элемент и нажать на иконку с изображением глаза. Подобным образом были выбраны два элемента: вольтметр и амперметр.
Рисунок 2. График переменного тока, полученный в программе EveryCircuit
Полученный график изображен на рисунке 2. На нем показаны изменения переменного тока.
ж
Также на графике мы можем заметить отставание силы тока от напряжения на —. Под графиком
численно отображается нижний и верхний предел переменного тока. По данным, полученным в программе, были проведены расчеты индуктивного сопротивления. Расчеты проводились, по формуле xL =yjZI - R2 . Результат оказался верным. Отдельно следует отметить, что программа
округляет второй знак после запятой, согласно арифметическим правилам округления. Опыт, проведенный в программе, был повторен в настоящем эксперименте с реальными приборами. После проведения экспериментов мы пришли к выводу, что при совмещении реального эксперимента с виртуальным реальная лабораторная работа проходит быстрее, исследуемые явления могут быть рассмотрены более детально.
Таким образом, виртуальный эксперимент способен дополнить и улучшить проведение реального эксперимента и может стать неплохим дополнением к учебной программе. И все же полностью переходить на виртуальные эксперименты пока не стоит, так как в этом случае теряются навыки работы с реальными приборами, свойства которых по сравнению с виртуальными приборами всегда богаче. Также по нашим наблюдениям мы пришли к выводу, что виртуальный опыт пока запоминается лучше в сочетании с реальным экспериментом.
Применение электронных лабораторных работ способствует формированию информационной компетентности у учащихся, они учатся интерпретировать, систематизировать, критически оценивать и анализировать полученную информацию с позиции решаемой ими задачи, делать аргументированные выводы, использовать полученную информацию при планировании и реализации своей деятельности в той или иной ситуации, структурировать имеющуюся информацию, представлять её в различных формах и на различных носителях.
Литература:
1. Государственный общеобязательный стандарт образования Республики Казахстан. Начальное, основное среднее, общее среднее образование. 2.3.4.01-2010
2. Дамитов Б.К. Методика обучения решению физических задач. ЗКГУ, Уральск, 2002г.- 216 с.
3. Информационные технологии в преподавании физики: метод.пособие. / Авт.-сос. А.Ф. Кавтрев.-СПб.: ЛОИРО, 2003. - 75с.
4. Официальный сайт программы EveryCircuit, http://www.everycircuit.com
5. Румбешта Е.А. Элективные курсы для физического профиля и предпрофильной подготовки
учащихся по физике: Методическое пособие. Томск: Издательство Томского государственного
педагогического университета. 2005. 84с.
References:
1. Gosudarstvennyj obshheobjazatel'nyj standart obrazovanija Respubliki Kazahstan. Nachal'noe, osnovnoe srednee, obshhee srednee obrazovanie. 2.3.4.01-2010
2. Damitov B.K. Metodika obuchenija resheniju fizicheskih zadach. ZKGU, Ural'sk, 2002g. 216 s.
3. Informacionnye tehnologii v prepodavanii fiziki: metod.posobie. / Avt.-sos. A.F. Kavtrev.-SPb.: LOIRO, 2003. - 75s.
4. Oficial'nyj sajt programmy EveryCircuit, http://www.everycircuit.com
5. Rumbeshta E.A. Jelektivnye kursy dlja fizicheskogo profilja i predprofil'noj podgotovki uchashhihsja po fizike: Metodicheskoe posobie. Tomsk: Izdatel'stvo Tomskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta. 2005. -84s
Сведения об авторах:
Латыпов Ярослав Эдуардович (г. Уральск, Казахстан), студент специальности «5В07300-Информационные системы», Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир -хана
Коннов Юрий Викторович (г. Уральск, Казахстан), аспирант, Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир -хана
Information on authors:
Latypov Ya.E. (Uralsk, Kazakhstan), the student specialty "5V07300 Information Systems", West Kazakhstan Agrarian Technical University. Zhangir -hana
Konnov Yu.V. (Uralsk, Kazakhstan), a graduate student, West Kazakhstan Agrarian Technical University. Zhangir -hana
