CC BY
40
УДК 372.853
DOI: 10.24412/2308-717Х-2021 -2-166-171
Сабирзянов Александр Аделевич
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Естественнонаучные
дисциплины»
ФГБОУ ВО « Уральский государственный университет путей сообщения»,
Екатеринбург, Россия 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66 e-mail: rector@usurt.ru
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В ДИСТАНЦИОННОМ ПРЕПОДАВАНИИ ФИЗИКИ В ПЕРИОД
ПАНДЕМИИ COVID-19
Alexander A. Sabirzyanov
PhD, Associate Professor, Chair of Natural Sciences
Federal State-Financed Educational Institution of Higher Education "Ural State University of Railway Transport", Ekaterinburg, Russia 620034, Ekaterinburg, Kolmogorova Str., 66 e-mail: rector@usurt.ru
THE USE OF VIRTUAL LABORATORY WORKS IN DISTANCE TEACHING OF PHYSICS DURING THE COVID-19 PANDEMIC
Аннотация. Описан опыт применения в УрГУПС виртуальных лабораторных работ по физике в течение 2020/21 учебного года. На примере одной из работ показаны особенности проведения виртуальной лабораторной работы. Сделано заключение о достоинствах и недостатках данного виртуального практикума.
Ключевые слова: виртуальные лабораторные работы, дистанционное преподавание, физический практикум.
Abstract. The use of virtual laboratory works in physics in University of Railway Transport during the 2020/21 academic year is considered. The features of one virtual laboratory work are discussed. The conclusion on the advantages and disadvantages of this virtual physical laboratory is made.
Key words: virtual labs, distance teaching, physical laboratory.
© Сабирзянов А.А., 2021
Введение
Весной 2020 г. в связи с пандемией COVID-19 возникла необходимость срочного перевода учебного процесса в дистанционный формат. Каждое высшее учебное заведение решало проблему организации учебного процесса в сложившейся ситуации в соответствии со своими особенностями и возможностями. Дополнительные трудности возникли с теми дисциплинами, в которые входит лабораторный практикум как составная часть. В статье описано, как связанные с дистанционным обучением проблемы были решены для дисциплины «Физика» на кафедре «Естественнонаучные дисциплины» Уральского государственного университета путей сообщения (УрГУПС) в 2020/21 учебном году.
В УрГУПС с 2013 г. внедрена система управления обучением (Learning Management System или LMS) Blackboard Learn [1]. Данная система хорошо подходит для поддержки дистанционного обучения. В частности, она дает возможность: просматривать расписание занятий и промежуточной сессии; изучать размещенный материал на учебных курсах в любое удобное время; общаться в чате и на форуме с преподавателем и другими студентами; анализировать текущую успеваемость по изучаемым дисциплинам. Можно констатировать, что наличие внедренной системы Blackboard Learn облегчило УрГУПС переход на дистанционное обучение.
Для проведения онлайн-занятий имеется функция «Виртуальный класс», использующая интегрированную в Blackboard Learn платформу для проведения веб-конференций BigBlueButton. Она позволяет вести обмен видео, аудио, экраном в режиме реального времени, подключать презентации, вести чат, использовать интерактивную доску. В соответствии с расписанием учебных занятий, студенты и преподаватели подключаются к «Виртуальному классу».
Одним из вариантов проведения лабораторного практикума в условиях пандемии является использование виртуального практикума. В УрГУПС в течение ряда лет использовался виртуальный лабораторный практикум по физике, приобретенный у компании ФИЗИКОН [2]. До 2020 г. этот практикум применяли для заочников, а в период пандемии - для всех студентов. Лабораторные работы для вузов, перечисленные на сайте компании ФИЗИКОН, распределены по разделам таким образом:
Механика: «Движение с постоянным ускорением», «Движение под действием постоянной силы», «Закон сохранения механической энергии», «Соударение упругих шаров», «Упругие и неупругие удары», «Законы течения идеальной жидкости» (6 работ).
Электродинамика: «Электрическое поле точечных зарядов», «Закон Ома для неоднородного участка цепи», «Цепи постоянного тока», «Зависимость мощности и КПД источника постоянного тока от внешней нагрузки», «Движение заряженной частицы в электрическом поле», «Электромагнитная индукция», «Свободные колебания в RLC -контуре», «Вынужденные колебания в RLC -контуре» (8 работ).
Оптика: «Изучение микроскопа», «Опыт Юнга», «Опыт Ньютона», «Дифракционная решетка» (4 работы).
Термодинамика: «Адиабатический процесс», «Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса», «Цикл Карно», «Диффузия в газах», «Распределение Максвелла» (5 работ),
Строение вещества: «Внешний фотоэффект», «Эффект Комптона», «Спектр излучения атомарного водорода», «Ядра атомов» (4 работы).
Количество имеющихся в наличии лабораторных работ соответствуют сентябрю 2021 г. В прошлом их было больше, однако в связи с окончанием поддержки платформы Adobe Flash Player в декабре 2020 г. разработчикам ФИЗИКОН пришлось переписывать работы на новую платформу и этот процесс, как видно, не закончен.
Виртуальная лабораторная работа
Чтобы показать особенности использования виртуального практикума, рассмотрим для примера лабораторную работу «Движение заряженной частицы в электрическом поле». С другими работами ситуация в общих чертах аналогична.
Методические указания находятся на сайте и содержат разделы: 1. Введение. 2. Цель работы. 3. Краткая теория. 4. Модель. 5. Методика и порядок измерений. 6. Измерения. 7. Обработка результатов и оформление отчета. 8. Вопросы и задания для самоконтроля. 9. Литература.
Главная часть лабораторной работы - интерактивная модель. В данной работе модель содержит рисунок, на котором показаны: расположенные горизонтально пластины заряженного плоского конденсатора; силовые линии электрического поля, созданного конденсатором; шарик, изображающий частицу; система координат X, Y с координатной сеткой. Имеется панель, на которой можно задать начальные параметры: напряженность электростатического поля, начальную координату частицы по вертикали yo, проекции начальной скорости vo* и voy. Заряд и масса частицы не меняются (они соответствуют электрону). Длину пластин и расстояние между ними можно изменять, передвигая пластины курсором с помощью мыши. Есть панель управления с кнопками: «Старт», «Стоп», «Перемотка вперед», «Перемотка назад». В начальный момент частица находится на границе электрического поля конденсатора (координата * = 0). При нажатии кнопки «Старт» частица начинает движение в электрическом поле конденсатора с некоторой начальной скоростью, пока не столкнется с пластиной или не достигнет границ рисунка. Траектория частицы, представляющая собой участок параболы, остается отображенной на экране, пока кнопкой «Стоп» частица не будет возвращена в исходную точку. После этого частицу можно запустить любое число раз с теми же или новыми исходными параметрами. После каждого запуска можно записать координаты конечной точки, проекции конечной скорости, время полета. Есть также возможность получить координаты всех точек траектории.
Разработчиками предложена такая методика: многократно запускать частицу, каждый раз изменяя ее начальную скорость на некоторую величину, затем построить графики *(t) и Vy(t) для конечной точки, затем с помощью второго из этих графиков определить значение удельного заряда частицы q/m. Соответствующие формулы здесь приводить не будем. Отметим, что
обучающиеся должны переписывать все данные с экрана, на сайте заполнение таблиц, построение графиков не предусмотрено. Указаний по расчету погрешности измерений нет.
Очевидно, преподаватель может дать студентам и иную методику выполнения работы. Мы предложили студентам простую методику (здесь описываем без формул): произвести запуск частицы с одной начальной скоростью, построить траекторию, по координатам одной точки траектории определить ускорение частицы (в формулу входит также начальная скорость), затем по значению ускорения определить удельный заряд q/m. Данное действие предлагается повторить несколько раз - для различных точек траектории. Полученный результат нужно сравнить с табличным значением для электрона, как и в исходной методичке ФИЗИКОНа. Также нужно найти среднеквадратичное отклонение удельного заряда, умножив его на соответствующий коэффициент Стьюдента, рассчитать случайную погрешность. Систематической погрешности в данном случае нет, так как в работу виртуальных приборов разработчиками она не встроена.
Сравнение виртуальной и натурной лабораторных работ
Проведем сравнение виртуального и натурного практикума с точки зрения реализации «Рабочей программы дисциплины Физика». В программе указаны следующие задачи: освоение обучающимися знаний об основных физических явлениях и процессах, основных физических величинах и физических константах, основных физических законах и границах их применимости, фундаментальных физических экспериментах и их роли в развитии науки, назначении и принципах действия важнейших физических приборов; приобретение обучающимися умений объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты на базе законов классической и современной физики; приобретение обучающимися умений и навыков использования методики физических измерений и обработки экспериментальных данных, использования методов физического моделирования для решения конкретных естественнонаучных и технических задач; приобретение обучающимися навыков эксплуатации основных приборов и оборудования современной физической лаборатории, обработки и интерпретирования результатов эксперимента.
Ряд задач этой программы виртуальный эксперимент решает не хуже, чем натурный. Прежде всего, это «приобретение обучающимися умений и навыков обработки экспериментальных данных», «обработки и интерпретирования результатов эксперимента». Многие студенты в начале обучения слабо владеют вышеупомянутыми навыками, например, они плохо умеют строить графики, выполнять даже сравнительно простые физические расчеты, записывать выводы, оформлять отчет. Виртуальные лабораторные работы могут внести вклад в обучение подобным навыкам.
В целом можно сказать, что натурный эксперимент решает большинство поставленных задач обучения лучше, но в обстановке пандемии и санитарных ограничений использование виртуального практикума вполне оправдано.
Организация занятий
По учебному плану в каждом семестре запланировано 9 лабораторных работ по физике. В расписании лабораторные работы часто ставятся раньше лекций и практических занятий, на которых рассматривается необходимый теоретический материал. В результате лабораторные работы превращаются в самостоятельную часть курса физики.
Организация лабораторного практикума выглядит так. Вначале преподаватель выбирает одну из лабораторных работ на сайте. Прежде чем назначить работу студентам, проводится с группой онлайн-занятие по материалу этой работы, чтобы дать студентам необходимый теоретический минимум и методику выполнения работы. На сайте есть возможность задать произвольный временной интервал выполнения, поэтому провести измерения студенты могут в удобное для них время, не обязательно для всех одинаковое.
После выполнения виртуального эксперимента студенты оформляют отчет и присылают его преподавателю на проверку в системе Blackboard Learn. Перед преподавателем возникает вопрос - как проконтролировать, что студент не скопировал чужой отчет, а написал его сам. При дистанционном обучении проверить это сложнее, чем при контактном. При личном контакте можно было бы путем собеседования убедиться, что студент разобрался в сути работы.
Можно использовать другой метод борьбы со списыванием: дать студентам индивидуальные варианты, отличающиеся исходными данными. Если создать много таких вариантов, то студенту сложно найти аналогичную работу, чтобы списать отчет. По сравнению с реальными, в виртуальных лабораторных работах много типов исходных параметров, и менять их легко, поэтому преподаватель может создать множество вариантов.
Например, в вышеописанной работе про движение частицы можно дать разным студенческим группам в потоке разную начальную координату частицы, при этом разным студентам в одной группе - разную напряженность электростатического поля. Мы задавали определенным образом напряженность поля через номер студента в журнале. Таким образом, каждый студент в потоке обеспечен индивидуальным вариантом, что делает простое копирование чужого отчета бесполезным. Наш опыт показал, что данный метод эффективно помогает бороться со списыванием лабораторных отчетов.
Заключение
1. Благодаря наличию системы управления обучением Blackboard Learn и виртуального лабораторного практикума по физике ФИЗИКОН, а также опыта работы с ними УрГУПС оказался в достаточной мере подготовленным к переходу на дистанционное обучение.
2. Замена реального лабораторного практикума по физике на виртуальный была произведена в период пандемии вынужденно. Виртуальный практикум не является полноценной заменой натурного и при снятии санитарных ограничений необходимо будет вернуться к натурным лабораторным работам. Тем не менее, по нашему мнению, даже при очном обучении виртуальные лабораторные работы имеют методическую ценность. Возможно использовать их как
дополнительное учебное средство, рассматривая как разновидность расчетно-графических работ.
3. Наш опыт показывает, что виртуальные лабораторные работы компании ФИЗИКОН в целом пригодны для использования в дистанционном преподавании вузовского курса физики. Они имеют как ряд достоинств, так и недостатков.
4. Достоинства виртуального практикума ФИЗИКОН: удобные и гибкие интерактивные модели; возможность осуществления виртуальных экспериментов, сложных или недоступных в реальности. Примеры: работа с масс-спектрометром, работы по ядерной физике и многие другие.
4. Виртуальный практикум дает возможность обеспечения всех студентов индивидуальными вариантами, что позволяет минимизировать списывание.
5. Виртуальное оборудование не изнашивается, не требует ремонта и обслуживания.
6. Недостатки виртуального практикума ФИЗИКОН: в методических указаниях предлагаются для студентов не самые удачные методики выполнения, они слишком сложны и к тому же изложены недостаточно ясным для студентов языком. Кроме того, в них встречаются ошибки и неточности. Поэтому, приступая к работе с виртуальным практикумом, преподаватель должен быть готов к созданию собственных методических указаний для большинства лабораторных работ.
Список литературы
1. Тукова Е.А. Совершенствование образовательного процесса в период пандемии на примере УРГУПС // Проблемы управления качеством образования: сб. избр. ст. Междунар. науч.-метод. конф. «Проблемы управления качеством образования» (г. Санкт-Петербург, июль 2020 г.). - СПб.: ГНИИ «Нацразвитие», 2020. - С. 129-131.
2. Физикон [Электронный ресурс]. - Долгопрудный. - URL: https://physicon.ru (дата обращения: 05.09.2021).
