CC BY
35
Пшшшсш ннука
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ КАК СРЕДСТВО НОВОГО УРОВНЯ СЕТЕВЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ
Е. Ю. Стригин
LABORATORY PRACTICUM WITH REMOTE ACCESS AS MEANS OF NEW LEVEL OF NET COMPUTER TECHNOLOGIES IN EDUCATION
Strigin E. J.
The remote access physics practicum elaborated by the author includes laboratory installations conjugate with a computer and methodical supply, which allows holding practical lessons with part-time and remote students.
Разработанный автором физический практикум удаленного доступа содержит лабораторные установки, сопряженные с компьютером и методическое обеспечение, которое позволяет провести практические занятия со студентами заочной и дистанционной формы обучения.
Нлючевые слова: удаленны1й доступ, технология обучения, физический практикум, эксперимент, образование.
УДК 378.147
Сегодня современные информационно-компьютерные технологии способны обеспечить передачу знаний и доступ к разнообразной учебной информации наравне, а иногда и гораздо эффективнее, чем традиционные средства обучения. В связи с чем первоначальные государственные инвестиции должны быть направлены на воспитание и образование нового, информационно-культурного человека через восприятие, использование, создание информационно-компьютерных технологий (ИКТ). Для этого Госдумой и Советом Федерации России принята национальная доктрина образования до 2025 года и «Концепция модернизации российского образования» на период 2006-2010 годы, реализуются такие проекты, как: "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.", «Электронная Россия (2002-2010 годы)», «Компьютеризация сельских школ», программа Intel «Обучение для будущего» и др., в которых признается приоритетным развитие ИКТ в сфере образования в России. Одним из способов приобщения студентов к новым компьютерным технологиям являются разработки лабораторных работ с удаленным компьютерным доступом.
В рамках методологии психолого-педагогических наук отмечается, что внедрение в обучение ИКТ следует рассматривать как фактор, изменяющий структуру всех программ подготовки, всего содержания и процесса обучения. Раскрытие данной позиции можно проследить в работах, свя-
У -Ч Стригин Е. Ю.
Лабораторный практикум с удаленным доступом как средство нового уровня.
занных с общими педагогическими аспектами компьютеризации образования, С. И. Архангельского, В. П. Беспалько, Б. С. Гер-шунского, В. М. Глушкова, А. М. Довгялло, Е. М. Машбица, В. А. Новикова, В. В. Рубцова, А. Я. Савельева, Н. Ф. Талызиной, Е. С. Полата, И. В. Роберт, В. А. Сластенина. В исследованиях Т. Л. Шапошниковой, Н. Н. Гомулиной, А. И. Архиповой, В. И. Сол-даткина рассматриваются вопросы научно-методического проектирования и использования информационных и телекоммуникационных технологий как в вузе, так и школьном образовании. Различным аспектам компьютеризации процесса проведения лабораторных работ, а также проектирования виртуальных лабораторных практикумов посвящены диссертационные исследования В. А. Грицык, В. В. Клевицкого, В. П. Сельдяева и др.
По результатам вышеупомянутых исследований, на наш взгляд, внедрение и использование информационных технологий, в частности учебно-методических комплексов, в образовательные учреждения области способны принести весьма ощутимый эффект. Поэтому сейчас в Кубанском государственном технологическом университете (Куб-
ГТУ) на кафедре физики ведутся работы по созданию телекоммуникационного учебно-методического комплекса (ТУМК) по физике, имеющего модульную структуру.
Проведем классификацию лабораторного практикума технического вуза подразделив его на традиционные лабораторные работы, виртуальные и лабораторные работы с удаленным доступом. Традиционные лабораторные работы представляют собой практическое занятие, проводимое в реальных условиях с функционирующей лабораторной установкой. Виртуальные лабораторные работы, иначе тренажеры, представляют собой имитационную компьютерную модель реальной лабораторной установки, заменяющей натурный эксперимент. Лабораторные работы с удаленным компьютерным доступом к реальным объектам представляют собой такой режим функционирования системы автоматизированного лабораторного практикума, при котором работа с объектом осуществляется с компьютера, удаленного на сколь угодно большое расстояние от места размещения самого объекта.
Анализ описанных выше типов лабораторных работ представлен в таблице 1.
_Таблица 1
Тип лабораторной работы Краткая характеристика и возможности
Традиционные Включают: бумажное методическое пособие по проведению работы, перечень контрольных вопросов и реальную лабораторную установку. Студент имеет возможность убедиться и получить полную информацию о способах технической реализации той или иной лабораторной установки.
Виртуальные Включают: персональный компьютер. Позволяют с минимальными затратами на аппаратное обеспечение смоделировать практически любой лабораторный эксперимент с помощью специализированного программного обеспечения. Может даже оказаться, что компьютерная реализация исследуемого на лабораторном стенде процесса в методическом смысле будет наиболее удачной и полной. Однако при всем богатстве возможностей имитационного моделирования, кроме психологического ощущения нереальности происходящего, остаются эксперименты, которые невозможно заменить моделями просто потому, что их результаты принципиально не просчитываются заранее.
С удаленным компьютерным доступом Включают: персональный компьютер и реальную лабораторную установку. В данном варианте лабораторная работа проводится обычным (очным) образом, а все изменения, происходящие в процессе выполнения работы реальной установкой, задаются и отображаются на компьютере студента. Требует: применения специальных технических средств, как для автома-
тизации экспериментального стенда, так и для связи управляющего компьютера с удаленным пользователем; разработки специализированного программного обеспечения; методической поддержки лабораторного практикума.
Исходя из того, что лабораторные установки, особенно дорогостоящие, располагаются в главном корпусе вуза, то подход к проведению лабораторных работ с удаленным компьютерным доступом дает возможность использования этих же установок и многочисленным филиалам вуза. Кроме того, этот способ способствует приобщению студентов к новым компьютерным технологиям, при этом сама лабораторная работа выполняется на реальной установке.
В Кубанском государственном технологическом университете на кафедре физики разработан физический практикум в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ 9.298 В состав физического практикума будут включены следующие лабораторные работы:
«Изучение дифракции лазерного излучения с помощью дифракционной решетки», «Магнитное поле проводников с током различной конфигурации», «Изучение внешнего фотоэффекта. Определение постоянной Планка», «Изучение излучения нагретых тел. Проверка закона Стефана-Больцмана». В качестве примера рассмотрим лабораторный практикум с удаленным доступом по изучению «Дифракции Фраунгофера».
Связь удаленного пользователя с автоматизированным стендом осуществляется через сеть (Internet/Intranet). Клиентский и управляющий стендом компьютеры подключаются к ней с помощью сетевых адаптеров. Управляющий компьютер и Web-сервер разделены (рисунок 1).
Удален н
| Интернат
нньш компЦю-ер
Польз сЛэатель
Се [fee р
С
Программист
Локальная сеть
Угравт
компы
юи,ии ютер
Эксперим^
тальныи ид
Прел
(тыс тар)
Рис. 1. Схема лаборатории удаленного доступа и взаимодействие участников процесса обучения.
В этом случае подсистема телекоммуникаций размещается на Web-сервере и работа с удаленным пользователем осуществляется в сети Internet/Intranet по протоколу TCP/IP. Web-сервер связан с управляющим компьютером локальной сетью, а обмен здесь осуществляется с использованием другого протокола. Все операции обмена со стендом происходят через специальную ре-
зидентную программу. При случайном разрыве связи удаленного клиента с сервером управляющий компьютер продолжает выполнение эксперимента по условиям, заданным пользователем, и режим работы стенда не нарушается.
Аппаратную основу лабораторного стенда составляют:
1. Лазерный диод красного цвета.
У -Ч Стригин Е. Ю.
Лабораторный практикум с удаленным доступом как средство нового уровня.
2. Дифракционная решетка с периодом 10-5м.
3. Оптическая скамья.
4. Юстировочная подставка.
5. Экран.
6. Блок управления на базе микроконтроллера ЛТМБОА16.
7. Блок связи с компьютером на базе драйвера МАХ 232.
8. Блок перемещения фотодатчика ФД26.
Схема наблюдения дифракции Фра-унгофера приводится на рис. 2.
Рис. 2. Схема наблюдения дифракции Фраунгофера.
Установка собирается на оптической скамье (3) длиной 0,5 м. Свет от источника света 1 попадает на дифракционную решетку 2. Спектр, полученный в результате дифракции, визуально наблюдается на экране, расположеном на расстоянии Ь >> (2г)2/1, где 2г - период дифракционной решетки. Данное условие обеспечивает параллельность пучка и освобождает от использования линзы. Блок перемещения с установленным фотодиодом находится перед экраном, на расстоянии 5 см. Электрический сигнал с ФД, однозначно связанный с интенсивностью светового потока, поступает на вход канала измерения - в усилитель постоянного тока. Результат отображается на шкале цифрового вольтметра, являющегося одновременно и аналогово-цифровым преобразователем, а затем через блок связи с компьютером, поступает в ЭВМ. Для сканирования спектра используется блок перемещения, основой которого является шаговый двигатель, передвигающий ФД и вырезающий, таким образом, в плоскости его выходной щели требуемый участок спектра.
При создании лаборатории удаленного доступа задача с самого начала ставилась так, чтобы удаленный пользователь не толь-
ко получал данные эксперимента, но и мог активно изменять условия его проведения, а режимы эксперимента были индивидуальными для каждого студента. Предусматривались также тестирование пользователей перед допуском к удаленному пульту управления стендом и возможность контроля правильности обработки данных преподавателем, который находится вместе со студентом на удаленном рабочем месте пользователя. Пользователь с удаленного компьютера, используя соответствующие протоколы обмена, через сеть Internet/Intranet отправляет необходимые команды на Web-сервер, обслуживающий экспериментальный стенд, программирует условия опыта, инициирует его проведение через управляющий компьютер, получает и визуализирует полученные результаты.
Система включает наглядные и простые в усвоении методические пособия, необходимые для подготовки к выполнению лабораторной работы.
Исходя из перечисленных требований, автоматизированный лабораторный практикум имеет модульную структуру, представленную на рисунке 3, а назначение каждого модуля описано в таблице 2.
Рис. 3. Структура автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом.
Таблица 2
Название модуля Назначение
Модуль телекоммуникаций Обеспечивает связь удаленного пользователя с Web-сервером и Web-сервера с управляющим компьютером. Эта связь может осуществляться по различным протоколам в зависимости от оборудования и системного программного обеспечения.
Обучающий модуль Содержит полную информацию об экспериментальном стенде (оборудование, измерительные приборы и т. п.), краткие теоретические положения, методику измерения и т. д. в объеме, достаточном для подготовки к проведению лабораторной работы и написания отчета.
Модуль тестирования Предназначен для контроля усвоения знаний о стенде, физических принципах и методике эксперимента, без которого студент не допускается к активному проведению опытов.
Справочный модуль Содержит текстовые, табличные и графические данные, необходимые для обработки результатов эксперимента.
Модуль идентификации пользователя Проверяет, имеет ли пользователь право на управление установкой в настоящий момент, и обеспечивает проведение эксперимента в данное время только одним пользователем.
Модуль имитации эксперимента Позволяет до проведения активных экспериментов знакомиться с пультом управления стендом и имитировать элементарные операции настройки условий эксперимента, чтобы снизить затраты времени на реальный эксперимент.
Модуль визуализации данных эксперимента Позволяет наглядно представить результаты эксперимента в форме, удобной для их дальнейшей обработки.
Модуль управления Позволяет перенастраивать лабораторный стенд и осуществлять его функционирование в заданном пользователем режиме работы.
Модуль измерения Осуществляет измерение заданных параметров.
Стригин Е. Ю.
Лабораторный практикум с удаленным
Разработанный автором физический практикум удаленного доступа содержит лабораторные установки, сопряженные с компьютером и методическое обеспечение, которые позволяют удаленному пользователю:
- ознакомиться с теоретическими основами, методикой измерений и автоматизированным экспериментальным стендом, связанным с компьютером специальным устройством сопряжения;
- проводить тестирование, чтобы выявить качество усвоения методических материалов перед допуском к активным экспериментам;
- формировать в интерактивном режиме программу активного эксперимента;
доступом как средство нового уровня...
- проводить проверку осуществимости заданных условий эксперимента и выполнять активные опыты в соответствии со сформированной удаленным пользователем программой эксперимента.
Описанный лабораторный практикум успешно применяется при обучении физике студентов КубГТУ заочной и дистанционной форм обучения.
Об авторе
Стригин Евгений Юрьевич, Кубанский государственный технологический университет, ассистент (преподаватель) кафедры физики. Сфера научных интересов - педагогика образования. [email protected]
