CC BY
48
ной частоты колебаний (3) входят величины разной физической природы - механический коэффициент упругости к и электрическая емкость С.
Колебательные свойства кС колебательных систем могут учитываться, в частности, при разработке линейных электромеханических преобразователей с пружинными возвратными механизмами [5].
Список литературы
1. Попов И.П. Упруго-индуктивное устройство // Зауральс-
кий научный вестник. - 2011. - Вып. 1. - С. 181-183.
2. Патент 2038680 RЦ МПК6 Н 02 К 41/035. Электрическая
машина / И.П. Попов, Д.П. Попов (Россия). -№ 93015412; заявл. 24.03.93; опубл. 27.06.95. Бюл. №18.
3. Попов И.П. Реактивные элементы электрических цепей с
«неэлектрическими» параметрами // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». - 2010. - №4(27). - С. 166-173.
4. Попов И.П. Реактивные элементы цепей, выполненные на
основе линейных электродинамических машин // Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона: Тр. Межгосударств. науч.-техн. конф. - Магнитогорск: МГМИ, 1994. - С. 26-28.
5. Маер Э.Ф., Попов И.П. Конструктивные схемы возврат-
ных механизмов линейных двигателей и выбор их параметров // Импульсные линейные электрические машины. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991. - С. 19-25.
УДК 538.93
Е.Ю. Левченко, Ю.В. Гилев
Курганский государственный университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В УЧЕБНОМ ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
E.Y. Levchenko, Y.V. Gilyov Kurgan State University
USAGE OF DIGITAL MEASUREMENT SYSTEMS IN TRAINING PHYSICAL EXPERIMENTS
С момента появления дешевого, высокопроизводительного, миниатюрного компьютера информационные технологии стали внедряться не только в научной деятельности и на производстве, но и во все сферы жизни общества, в том числе и образование.
Один из основоположников подхода использования современных информационных технологий в образовании, физик Альфред Борк в июне 1978 года в послании к Американской ассоциации учителей физики высказал следующее мнение: «Мы на пороге главной революции в образовании, революции, беспрецедентной с момента изобретения печатного пресса. Компьютер будет инструментом этой революции. Хотя
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 4
мы только в самом начале (компьютер как средство обучения в современных классах по сравнению с другими средствами обучения почти не присутствует), темп использования компьютера в образовании будет в ближайшие 15 лет нарастать. К 2000 году ведущим на всех уровнях и в большинстве предметных областей будет метод обучения через интерактивное использование компьютера».
В настоящее время информационные технологии широко используются при объяснении и закреплении нового учебного материала, выполнении лабораторных работ, проверки знаний и организации самостоятельной работы учащихся. Но значительные возможности информационных технологий в обучении проявляются при организации исследовательских работ по естественным наукам, в частности по физике.
На протяжении нескольких десятилетий компьютерная техника с датчиками стали неотъемлемой частью лабораторных установок, используемых для проведения научных исследований в физике. Однако, для работы с компьютерными измерительными системами от исследователя требовались специальные знания и навыки в области программирования и электроники.
Появление графических операционных систем и языков графического программирования (например, LabView в 1986 г.) значительно упростило задачу автоматизации физического эксперимента и позволило ставить натурный учебный физический эксперимент в вузах и школах.
Зарубежный опыт организации и проведения лабораторных работ с использованием компьютера (MBL - Microcomputer-Based Labs) показал, что данный вид учебного физического эксперимента интересен учащимся, способствует росту мотивации к изучению физики, позволяет познакомить учащихся с современными технологиями, применяемыми в физической науке, значительно ускорить процесс измерений, высвободив время для обработки, анализа и обсуждения результатов.
В России исследования, посвященные использованию компьютерных технологий при проведении натурного учебного физического эксперимента, появились около 15 лет назад. В работах РВ. Акатова, А.И. Андреева, Ю.А. Воронина, А.В. Говоркова, А.А. Ездова, В.В. Ельникова, А.В. Ельцова, С.М. Ко-кина, Е.Ю. Левченко Д.В. Пичугина, А.В. Селиверстова, А.А. Якуты предложены различные варианты решения задачи автоматизации учебного физического эксперимента, однако, несмотря на успешное решение задачи автоматизации учебного эксперимента, предложенное перечисленными авторами, их разработки носят частный характер, и, как правило, используются в отдельных вузах и школах. Мы считаем, что это связано с тем, что натурный эксперимент с использованием компьютера требует постоянной технической и методической поддержки, что отельным исследователям организовать очень трудно.
С 2006 года в России началась реализация приоритетного национального проекта «Образование», в результате чего в школы стало поставляться совре-
менное учебное оборудование, значительную часть которого составляют цифровые измерительные системы (на основе использования персонального компьютера) и приборы.
В настоящее время в учебном приборостроении можно выделить две тенденции: 1) блочно-тематичес-кий подход в конструировании и разработке учебной техники; 2) использование цифровых технологий измерения в оптимальном сочетании с классическими способами измерений.
На рис. 1 представлено цифровое оборудование, используемое при постановке и проведении демонстрационных опытов, лабораторных работ, физического практикума.
Основу комплектов демонстрационного оборудования по физике составляют компьютерная измерительная система <^-микро» и комбинированная цифровая система измерений КЦСИ-3. Обе измерительные системы комплектуются датчиками физических величин (оптоэлектрический датчик, температуры, давления, объема и др.) и позволяют проводить демонстрации по механике поступательного и вращательного движения, молекулярной физике и термодинамике, электродинамике. КЦСИ-3 позволяет также проводить демонстрации по квантовой физике.
Особенностью описываемых систем измерения является возможность получения и отображения на экране монитора или светодиодных индикаторах данных сразу с нескольких датчиков, что позволяет наблюдать в реальном времени зависимость одной физической величины от другой (например, давления от температуры); сопряжение с компьютером, что обеспечивает представление измеряемых параметров в удобном для восприятия учащихся виде (графиков,
таблиц); а также предварительную обработку и анализ данных. Измерительные системы <^-микро» и КЦСИ-3 позволяют не только автоматизировать измерения, но и управлять внешними устройствами (например, электромагнитным пускателем).
На смену демонстрационным амперметрам и вольтметрам, которые в настоящее время не выпускаются, пришли цифровые амперметр, вольтметр и мультиметр, не уступающие по своим характеристикам аналоговым приборам.
Таким образом, в основе современного оборудования, используемого учителем физики, лежат цифровые приборы и измерительные системы.
Оборудование для проведения фронтальных лабораторных работ и физического практикума тоже претерпело изменения. В комплект оборудования для основной и полной (средней) школы включен цифровой мультиметр. Цифровой мультиметр в наборе по термодинамике используется для измерения температуры (в качестве датчика температуры выступает термопара), в наборе по электродинамике мультиметр позволяет измерять не только силу тока и напряжение, но и сопротивление проводников.
В оборудовании для физического практикума тоже появился ряд цифровых измерительных приборов с датчиками физических величин. Их особенностью является применение микроконтроллера, который позволяет одному прибору осуществлять ряд измерительных функций и преобразовывать электрический сигнал от датчика в значение соответствующей физической величины. К этим приборам относятся измеритель давления и температуры, измерители постоянного и переменного магнитного полей. В распоряжении учеников появился ампервольтметр цифровой, позволя-
Цифровое оборудование, используемое в современной школе
Комплект по механике
Комплект по молекулярной физике и термодинамике
Комплект по электродинамике
Комплект по квантовой физике
Измерительное и
вспомогательное
оборудование
Цифровые
амперметр,
вольтметр,
мультиметр,
секундомер,
источник
высокого
напряжения
Оборудование для фронтальных лабораторных работ
Комплектом для основной и полной (средней) школы
Цифровой мультиметр
Оборудование для физического практикума
Цифровой измеритель давления и температуры, цифровой измеритель постоянного магнитного поля, цифровой измеритель переменного магнитного поля, ампервольтметр цифровой, цифровой мультиметр, электронные весы.
Рис. 1. Цифровое оборудование для школы
ющий производить измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Особенность прибора - возможность одновременного измерения силы тока и напряжения с выводом результатов на цифровой индикатор. Данная способность делает прибор эффективным при измерении вольт-амперных характеристик.
Включение цифровых измерительных приборов в комплекты для выполнения фронтальных лабораторных работ и физического практикума позволяет познакомить учащихся с современным измерительным оборудованием, которое используется в быту и на производстве (цифровой мультиметр), а также сформировать представления о цифровых технологиях измерений.
Приведенный обзор оборудования современного кабинета физики показывает, что значительную его часть составляют цифровые приборы и измерительные системы, которые могут использоваться совместно с персональным компьютером. Однако в курсе методики преподавания физики студенты в большинстве вузов выполняют лабораторные работы на классическом оборудовании, не включающем цифровые средства измерений, хотя студенты получают теоретические знания в области использования информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в образовании, реализации информационных и информа-ционно-деятельностных подходов к обучению, активизации познавательной деятельности учащихся средствами ИКТ.
В результате после окончания вуза учителя физики практически не имеют опыта работы с цифровыми измерительными системами, а следовательно, морально и методически не подготовлены к работе с современным измерительным оборудованием.
Таким образом, актуальной задачей подготовки будущих учителей физики является экспериментальная подготовка к проведению учебного физического эксперимента с использованием цифровых измерительных систем. Кроме того, важно не просто сформировать умения и навыки работы с типовыми системами измерений «L-микро» или КЦСИ-3, а сформировать такие знания, умения и навыки, которые позволили бы самостоятельно осваивать и методически правильно использовать в учебном процессе новое цифровое оборудование (данное требование вызвано тем, что на рынке учебного оборудования существуют цифровые лаборатории фирм PASCO, Vernier, AFS, которые хорошо зарекомендовали себя при проведении занятий по физике и также могут начать поставляться в школы). Следовательно, одной из задач подготовки будущего учителя физики является формирование его экспериментальной компетентности.
Мы считаем, что формирование экспериментальной компетентности будущего учителя физики в области организации учебного физического эксперимента с использованием цифровых измерительных систем связано с приобретением студентами следующих знаний, умений, навыков:
1. Знаний в области современной микроэлектроники (архитектура микроконтроллеров, физические основы работы, особенности программирования).
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 4
2. Знаний принципов конструирования цифровых измерительных систем и навыков их создания.
3. Знаний языков программирования и навыков создания программ обработки и представления данных, управления внешними устройствами.
4. Возможностей использования цифровых измерительных систем в учебном физическом эксперименте и навыков разработки лабораторных работ, в основе которых лежит использование цифровых средств измерений.
Действующий ГОС ВПО по специальности «Физика» с квалификацией включает ряд дисциплин, позволяющих сформировать у студентов общие представления о цифровой технике и ее использовании в информационной образовательной среде.
В содержании дисциплины предметной подготовки «Электрорадиотехника» включены следующие разделы: элементы вычислительной техники; принципы цифровой обработки сигналов; тенденции развития средств получения, хранения, передачи и воспроизведения информации.
В результате освоения дисциплины «Электрорадиотехника» у студентов формируется представление о физических принципах действия цифровых устройств, алгоритмах их работы, построения на их основе вычислительных систем. В ходе выполнения лабораторных работ студенты изучают логические элементы и функционирование на их основе отдельных компонентов цифровой вычислительной системы.
Таким образом, изучение электрорадиотехники закладывает основу возможности дальнейшего изучения цифровых систем измерения и управления.
При изучении дисциплины «Информатика» будущие учителя физики знакомятся с языками программирования высокого уровня (Pascal, Delphi) и технологиями программирования и получают навыки создания прикладных программ под Windows, предназначенных для моделирования различных процессов, обработки данных.
Дисциплина «Теория и методика обучения физике» включает курс «Использование современных информационных и коммуникационных технологий в учебном процессе». После прохождения курса у студентов должна сформироваться система знаний об информатизации образования, целях и задачах использования информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в образовании, каким образом с помощью ИКТ реализовать информационные и информа-ционно-деятельностные подходы к обучению, активизации познавательной деятельности учащихся средствами ИКТ.
В результате освоения курса ИКТ в УП будущие учителя физики получают теоретические знания в области ИКТ и использования их возможностей при построении учебного процесса.
Таким образом, рассмотренные дисциплины могут заложить теоретический (возможности использования цифровых измерительных систем и приборов при обучении физике) и практический фундамент (разработка программного обеспечения, простейших цифровых устройств) для дальнейшего формирования
91
экспериментальной компетентности будущих учителей в области натурного эксперимента с использованием цифровых измерительных систем.
Для формирования экспериментальной компетентности будущих учителей физики в области использования ЦИС в физическом эксперименте знания и навыки, получаемые студентами при изучении рассмотренных дисциплин, должны быть приведены в единую систему. Для этого при изучении информатики и радиотехники нужно решать практикоориентированные задачи: создание программ обработки данных, представления информации в графическом виде; знакомство с архитектурой микроконтроллеров, их программированием, создание простых модулей для изучения принципов ввода/вывода информации. А в курсе «Теория и методика обучения физике» предусмотреть выполнение эксперимента с использованием созданных студентами цифровых измерительных систем.
Следует отметить, что предлагаемый подход позволяет сформировать большую часть необходимых будущему компетентному учителю знаний, умений и навыков при изучении дисциплин федерального компонента.
Описанное решение модернизации обучения студентов позволяет:
1. Не выделять отдельных дисциплин для решения задачи формирования экспериментальной компетентности будущих учителей физики.
2. Модернизировать и практикоориентировать уже существующие курсы на работу с цифровыми технологиями. Это также будет способствовать повышению самооценки студентов, повышению престижа
профессии учителя, показывая, что работа учителя связана с внедрением и работой с самыми современными технологиями науки и техники - HI-Tech технологиями.
3. Сформировать у студентов представление о значимости и связи всех курсов, осваиваемых ими по данной образовательной программе (так как изучение элементов создания и применения цифровых технологий в образовании рассматривается в различных дисциплинах).
4. Привлечь студентов к разработке и созданию цифровых измерительных систем, а также методики их применения в натурном учебном физическом эксперименте. Таким образом, у студентов появляется возможность творческого самовыражения, что положительно сказывается на их активности, а также возрастает мотивация к обучению.
Задачу формирования экспериментальной компетентности будущих учителей физики в области натурного физического эксперимента с использованием цифровых измерительных систем можно представить в виде четырех последовательных этапов (рис.2):
1. Разработка оборудования(лабораторных модульных стендов, цифровых измерительных приборов) для изучения цифровых технологий измерения сигналов и управления внешними устройствами.
2. Изучение фундаментальных принципов работы цифровых измерительных систем с помощью разработанного оборудования.
3. Создание демонстраций, лабораторных работ и физического практикума на основе разработанного цифрового оборудования.
Экспериментальная компетентность в области использования цифровых измерительных систем в УФЭ
Выполнение работ физического практикума на созданном оборудовании в ходе лабораторных занятий по дисциплине «Теория и методика обучения физике»
Рис.2. Этапы формирования экспериментальной компетентности в области использования ЦИСУН в УФЭ
4. Выполнение натурного физического эксперимента на созданном лабораторном оборудовании.
Следует отметить, что разработку лабораторных модулей и методику проведения натурного физического эксперимента на его основе осуществляют сами студенты.
Рассмотрим подробнее каждый из этапов формирование экспериментальной компетентности будущих учителей физики.
Первый этап - основополагающий. На первом этапе происходит генерация нового оборудования. Вместе с тем, работая над созданием лабораторных модулей, студенты приобретают необходимые знания по архитектуре цифровых измерительных систем и методики их создания. Также на данном этапе студенты осваивают технологию разработки программного обеспечения и программирования микроконтроллеров, изучают принципы ввода/вывода информации, основы управления внешними устройствами.
Создание лабораторных модулей и цифровых измерительных приборов частично происходит на лабораторных занятиях по электрорадиотехнике (сборка лабораторных модулей), а также при выполнении курсовых работ (создание цифровых измерительных приборов). Изучение технологии программирования микроконтроллеров, принципов ввода/вывода информации, управления внешними устройствами обеспечивается элективным курсом «Компьютерные методы в учебном физическом эксперименте».
Второй этап посвящен методике разработки натурного физического эксперимента с использованием цифровых измерительных систем. На данном этапе студенты создают экспериментальные установки, разрабатывают программное обеспечение для управления ходом эксперимента, обработки и представления экспериментальных данных, а также разрабатывают методику проведения демонстраций, лабораторных работ, физического практикума на созданных установках.
Данный этап осуществляется на практических занятиях элективного курса «Компьютерные методы в учебном физическом эксперименте» и в результате выполнения дипломных проектов.
Третий этап формирования экспериментальной компетентности будущих учителей физики необходим для освоения навыков работы с цифровыми измерительными системами. На данном этапе студенты выполняют работы физического практикума по дисциплине «Теория и методика обучения физике» с использованием цифровых измерительных приборов и лабораторных стендов. При этом студенты учатся работать как с отдельными датчиками физических величин (освещенности, давления, температуры, влажности), и использовать их при проведении демонстраций и фронтальных лабораторных работ, так и со сложными автоматизированными установками, предназначенными для проведения физического практикума.
Отличительными особенностями разработанного нами оборудования является его техническая и дидактическая мобильность:
• Технологическая мобильность обеспечивается компактностью, модульной структурой лаборатор-
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 4
ных стендов, взаимозаменяемостью всех узлов.
• Дидактическая мобильность сводится к тому, что разработанные модульные лабораторные стенды могут использоваться и как объект изучения (для освоения принципов ввода/вывода информации, автоматизацией процессов), и как средство обучения (при организации учебного физического эксперимента). Дидактическая мобильность разработанного нами оборудования позволяет назвать его цифровыми измерительными системами учебного назначения (ЦИ-СУН). Цифровая измерительная система учебного назначения - это дидактический комплекс, состоящий из интеллектуального цифрового измерительного блока (прибора), набора датчиков физических величин, программного обеспечения, используемый как для организации натурного учебного физического эксперимента, так и для изучения студентами цифровых технологий измерения и управления.
• Высокая экономическая эффективность (вследствие невысокой стоимости компонентов и значительных функциональных возможностей).
• Инновационность.
Главным достоинством нашей методики формирования экспериментальной компетентности студентов является то, что будущие учителя физики овладевают не только методикой организации и проведения натурного физического эксперимента на современном измерительном оборудовании, но и методикой создания такого оборудования. Таким образом, даже при отсутствии цифрового оборудования в школе, учитель физики будет готов к самостоятельному созданию таких приборов, возможно, при участии учеников старших классов на занятиях кружка или факультатива по физике и технике.
Результаты внедрения предложенной методики в учебный процесс будущих учителей физики свидетельствуют о том, что успешное выполнение самостоятельных проектов студентов по созданию цифровых измерительных приборов и лабораторных физических установок на их основе играет важную психологическую роль, повышая самооценку студентов, интерес к будущей профессии, позволяющей реализовать свои творческие способности. За период с 2004 по 2009 год студентами было выполнено 35 дипломных проектов, связанных с разработкой натурного физического эксперимента на основе цифровых систем измерений. С большинством разработок студенты выступали на всероссийских и региональных научно-практических конференциях и занимали призовые места.
93
