CC BY
19
1УДК 378 ББК 74.58
МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО ФИЗИКЕ В ОБЛАСТИ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
М. О. Первушина, И. А. Небаев
Аннотация. Статья посвящена особенностям обучения физики в области профессионального образования при реализации электронного лабораторного практикума. Анализируется процесс перехода от натурного эксперимента к его компьютерной модели. Определяются наиболее эффективные пути решения вопросов, связанных с формированием методических материалов для организации и проведения занятий с помощью электронной лаборатории. Приводятся примеры компьютерных имитационных программных установок, указываются возможности обработки и представления результатов измерений.
Ключевые слова: лабораторная программная установка, электронная форма обучения, профессиональное образование, учебно-методические материалы, межнаучные связи.
METHODOLOGICAL ASPECTS OF ELECTRONIC LABORATORY COURSE ON PHYSICS IN THE FIELD OF VOCATIONAL EDUCATION
M. O. Pervushina, I. A. Nebaev
Abstract. The article deals with the peculiarities of teaching physics in the field of vocational education in the implementation of electronic laboratory practice. The article also analyzes the process of transition from full-scale experiment to its computer model and determines the most effective ways of solving issues related to the formation of methodological materials for organizing and conducting classes using an electronic laboratory. Some useful examples of computer simulation programs are given, possibilities of processing and presentation of measurement results are defined
Keywords: electronic laboratory practice, e-learning, vocational education, methodological materials, inter-scientific relations.
Процесс компьютеризации физического лабораторного практикума
Анализ ряда [1-4] научно-педагогических публикаций последних лет позволяет выявить устойчивую тенденцию роста внимания педагогического сообщества к вопросам реализации учебного процесса по физике, основанного на смене традиционных опытных установок на электронные имплементации лабораторных практикумов. Процесс замещения, частичного или полного, традиционных физических лабораторных установок высокоуровневыми компьютерными моделями, в своей сути, основывается на нескольких предпосылках.
В первую очередь, следует отметить постиндустриальной характер этого процесса, то есть совершенствование технологий обучения
за счет взаимопроникновения средств вычислительной техники и элементов фундаментальной науки. Этот фактор проявляется во многих областях техники и современной науки, но по своей специфике получил особый потенциал роста и интеграции в профессиональных образовательных учреждениях технического направления подготовки (лицеи, колледжи, вузы), где при обучении теория и эксперимент не разделимы по своей сути. Однако наблюдаемый процесс замещения традиционных физических лабораторных установок компьютерными аналогами содержит и ряд более глубоких предпосылок, имеющих с точки зрения образования негативную окраску. Одной из наиболее прагматичных предпосылок представляется амортизация аппаратных установок, являющаяся
своего рода косвенным драйвером развития электронных средств демонстрации физического эксперимента при невозможности его натурного проведения. Наряду с устаревшей лабораторной базой часто возникает и проблема отсутствия квалифицированных инженерных кадров, а также ресурсов для модернизации и разработки новых лабораторных комплексов в формате традиционных физических опытных установок. Не менее очевидной причиной представляется тенденция увеличения нагрузки лабораторных и практических занятий на преподавателя и соответствующее масштабирование времени учебного плана в области практической работы, особенно заметное в последние несколько лет. Немаловажным в вопросе компьютеризации лабораторного практикума по физике является увеличение доли самостоятельной работы студентов, перенос части учебного материала в контролируемую дистанционную форму обучения. Однако следует отметить, что наряду с указанными негативными факторами существует и ряд положительных предпосылок, среди которых наиболее значительной с практической точки зрения является накопленный на данный момент многими образовательными учреждениями [4; 5] опыт применения электронных работ в дистанционном обучении на основе заочной формы обучения.
Основные задачи процесса перехода
на электронную форму лабораторных занятий
Естественно, что практика опытной работы в электронно-дистанционном формате требует переосмысления и адаптации методики электронного обучения в очной форме. Причем этот процесс заключается не только в разработке программно-аппаратных средств компьютерного обеспечения учебных лабораторий физики, но и целого комплекса учебно-методических материалов, нацеленных на реализацию физической лаборатории в новом компьютерном формате. В связи с этим можно сформулировать две основные задачи, возникающие в процессе перехода от традиционной физической лаборатории к ее компьютерному модельному аналогу:
1. Реализовать компьютерные имитационные программные установки (так называемое физическое программное обеспечение);
2. Создать комплекс учебно-методических материалов (учебные, информационно-справочные пособия, контрольно-измерительные материалы) для организации, управления и контроля образовательным процессом в электронной форме.
При поверхностном рассмотрении первая задача, а именно реализация компьютерных имитационных программных установок, является чисто технической. Однако такое предположение является отчасти ошибочным. Во-первых, любой комплекс работ должен обладать технической и логической завершенностью, то есть создавать ощущение реальности физического эксперимента (при выполнении его в рамках компьютерной программы). Во-вторых, необходимо обеспечить возможность сквозного выполнения работ в электронной форме по всему изучаемому разделу. Это значит, что при разработке программных реализаций лабораторных установок следует учесть, по крайней мере, два фактора: унификацию средств интерфейса программной установки и наследственность функций натурных лабораторных установок в имитационных моделях. Очевидно, что достаточно сложная программная модель демонстрируемого физического процесса должна иметь доступную и эргономичную форму представления - иными словами, иметь дружественный к процессу обучения интерфейс, сосредоточенный в первую очередь на физической сути эксперимента, а не на особенностях его реализации в компьютерной форме. Добиться интуитивности управления, как уже было отмечено ранее, можно за счет унификации программной оболочки в рамках изучаемого раздела. Таким образом, взаимодействие с каждой лабораторной программной установкой должно выполняться через набор стандартных графических элементов («вид-жетов»), привычных для пользователя персонального компьютера. В свою очередь, функциональные особенности программных установок должны основываться на натурном аппаратном аналоге и учитывать, например, такие важные физические параметры приборов, как пределы измерений, чувствительность и пр. Сугубо техническим, однако немаловажным свойством программных установок может служить модульность программных элементов и
Рис. 1. Интерфейс программной установки комплекса лабораторных работ по разделу «Колебания и волны»
Рис. 2. Программная установка раздела «Колебания и волны»
их переносимость на различные доступные программно-аппаратные средства (ПК, мобильные устройства, различные операционные системы).
В качестве примера реализации программного обеспечения, основанного на описанном выше подходе, можно привести комплекс электронных лабораторных работ по физике, разрабатываемых на кафедре физики Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бру-евича1. На рис. 1 и рис. 2 продемонстрирован вид интерфейса одной из программных устано-вок2 комплекса лабораторных работ по разделу «Колебания и волны».
Как можно отметить по внешнему виду интерфейса, элементы программной лабораторной установки (генераторы низкой частоты, осциллограф) основываются на имитационных моделях, построенных на базе натурных аппаратных аналогов. Согласно указанному ранее принципу построения физической программ-
ной установки, в имитируемых приборах доступна регулировка значительного количества параметров натурных установок. Например, для генераторов это частота, фаза, амплитуда сигнала, множитель частоты и пр., для осциллографа доступны регулировки отдельных каналов, смещения изображения, временные параметры и т. д. Следует особенно отметить, что интерфейс электронной установки (см. рис. 1) базируется на программной комбинации элементов традиционного управления установкой (например, ручки регулировки, тумблеры, утапливаемые кнопки и т. д.) и базовых элементов управления окнами, доступными в распространенных операционных системах.
При этом каждая следующая модель лабораторного цикла наследует базовые элементы управления и реализации приборов целиком, что позволяет на практике сократить время, затрачиваемое на изучение особенностей функционирования реального аппаратного макета, и быстрее приступить к изучению физической
1 http://physics.sut.ru
2 Программы комплекса зарегистрированы в едином реестре программного обеспечения для ЭВМ РФ с получением сер-
тификата регистрации.
сути исследуемого явления. Существуют и другие примеры разработки электронных практикумов по физике [6], реализующих в той или иной мере приведенный выше инструментарий, и предназначенных для различных целей.
Методическое сопровождение электронного лабораторного практикума по физике
Вернемся к анализу решения второй задачи - создание комплекса учебно-методических материалов. Разработка такого комплекса для электронного формата лабораторного практикума представляет собой важную образовательную задачу, решение которой осуществляется в рамках межнаучных направлений физики, информатики и техники. Выделим ряд критериев ориентации на электронную форму работы:
• описание не только физической сути учебного исследования, но и составление детального руководства по интерфейсу и конфигурационным возможностям программной имитационной установки (отличия от натурного аналога и т. д.);
• расширение объема лабораторной работы за счет увеличения количества вариантов, включающих комбинацию исходных условий и формирования индивидуальных заданий;
• интеграция в программной установке средств контроля индивидуальной работы и возможности проверки знаний (тестирование);
• соблюдение единой формы отчетности и способов представления результатов выполненной работы с помощью доступных средств компьютерной обработки полученных лабораторных измерений;
• своевременная синхронизация содержания учебно-методического материала с совершенствованием программных имитационных установок;
• размещение материала в наиболее доступной электронной форме.
Очевидно, что выполнение первого из указанных критериев необходимо для успешного взаимодействия с электронной установкой (аналогично и натурной аппаратной установке). При разработке каждого учебного, учебно-методического пособия необходимо составить детальное руководство пользователя по эле-
ментам регулировки конкретной программной лабораторной установки.
Соблюдение второго критерия позволяет обеспечить индивидуализацию процесса обучения за счет присвоения заданий для каждого обучаемого. Кроме того, расширенный банк индивидуальных заданий и наличие неограниченного доступа к программным установкам позволяет решить вопрос реализации фронтальных лабораторных работ, синхронизировав таким образом работу как отдельных обучаемых, так и, например, различных групп.
Интеграция в программной установке средств проверки знаний представляет собой один из инструментов, широко используемых в сформированных на данный момент требованиях государственных стандартов. Преимущества интеграции средств тестирования и лабораторной программной установки заключаются в повышении удобства процесса контроля знаний за счет отсутствия необходимости непосредственного участия преподавателя. Тем самым возможно достичь некоторой степени автоматизации вспомогательных форм контроля успеваемости, например: получения допуска к выполнению работы, защиты отчета, контролю измерений и т. д. С другой стороны, данный критерий предполагает наличие в программной установке системы нереентерабельности измеряемых величин, то есть невозможности повторить или скопировать результаты измерений, выполняемых другими лицами. Например, в приведенном ранее комплексе электронных лабораторных работ «Колебания и волны» система нереентерабельности основывается на введении индивидуального кода измерений (для каждого обучающегося), позволяющего вносить в параметры имитационной модели компьютерной установки контролируемую степень погрешности измерений, специальные условия и пр.
Вопрос формирования единой формы отчетности является важной задачей обучения, поскольку способствует рационализации и систематизации самостоятельной работы в процессе обучения. Следует отметить, что при разработке методического материала необходимо уделить особое внимание наглядности формы и содержания отчета по работе. Добиться этого возможно различными способами [7]. Однако
метод последовательного применения единой системы измерения и обработки результатов эксперимента позволяет сформировать навык грамотного оформления технической документации. По мнению авторов, наиболее эффективным решением данного вопроса является разработка шаблона с применением различных форм представления данных, полученных в результате физического эксперимента, например, построение различных графиков зависимостей в системах компьютерной математики (Maxima, MathCAD, Wolfram Mathematica и т. д.), формирование таблиц измерений и расчетов и т. д.
В качестве примера на рис. 3 продемонстрировано построение траектории электронного луча на экране осциллографа с помощью математического пакета ПО MathCAD, на основе обработки данных электронной лабораторной работы «Сложение взаимно перпендикулярных колебаний», разработанной авторами в рамках курса электронных работ по разделу «Колебания и волны».
Основываясь на ряде исследований, проведенных по разработке методических материалов [7], и личном опыте авторов, перечень элементов пособия учебно-методического комплекса для сопровождения электронной формы лабораторного практикума, отвечающих перечисленным выше критериям, содержит следующее:
• описание программной имитационной установки;
• теоретическое описание физического явления или процесса;
u(t) := 65 cos(200nt) v(t) := 78 cos(200nt + 0.2п) t := 0,0.00001..3
Траектория электронного луча ---—
напряжение. мБ
Рис. 3. Пример построения эллиптической траектории (ПО MathCAD) в отчете лабораторной работы
• описание натурного лабораторного оборудования и его компьютерного аналога;
• банк вариантов индивидуальных заданий;
• тесты самоконтроля и задания для самостоятельной работы;
• форма отчета;
• информационно-справочные материалы (таблицы, графики, диаграммы);
• список литературы, ссылки на интернет-ресурсы.
Перечисленные выше структурные элементы учебно-методического комплекса и пример формирования учебного пособия для реализации электронного лабораторного практикума по физике отражает специфику профессиональной подготовки и консолидирует этапы учебного процесса в соответствии с изложенными критериями.
Обращаясь к разрабатываемому авторами на кафедре физики Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций комплексу электронных работ, следует подчеркнуть, что каждая программная установка сопровождается учебным пособием, содержание которого отражено выше. Ознакомиться с частью данных пособий можно в специальном публичном разделе сайта кафедры физики в сети Интернет, посвященном реализации идеи электронной компьютерной лаборатории физики.
Заключение. В заключение хотелось бы отметить, что в силу многих сложившихся обстоятельств переход на электронную форму лабораторного практикума по физике видится авторам неизбежным. Данный путь развития учебных лабораторий физики представляет собой эволюционное движение, которое требует решения новых задач, не исследованных ранее в силу отсутствия или слабого проникновения средств вычислительной техники в образовательный процесс физики. Очевидно, что, несмотря на накопленный опыт работы в различных областях дистанционного обучения, прикладных аспектах использования компьютерных форм обучения и пр., перед современным преподавателем физики, независимо от уровня образования, среднего или профессионального, открывается широкая перспектива применения интеллектуального инструмента в преподавании фундаментальной науки.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мединцева И. П. Компетентностный подход в образовании // Педагогическое мастерство: материалы 2-й междунар. науч. конф. (Москва, дек. 2012). - М.: Буки-Веди, 2012. - 276 с.
2. Разова Е. В., Бушмелева Н. А. Повышение качества обучения посредством интеграции учебных предметов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2015. -Т. 6. - С. 46-50. - URL: http://e-koncept.ru/2015 /65210.htm (дата обращения: 15.05.2017).
3. Сироткин Г. В. Изменение формы представления лекционного материала - путь к повышению качества образования вуза // Личность, семья и общество: вопросы педагогики и психологии: сб. ст. по матер. XXXVII междунар. науч.-практ. конф. № 2 (37). - Новосибирск: СибАК, 2014.
4. Mayoka K. G. How can e-learning integration be realized? An exploratory study in Higher Education Institutions // Asian Journal of Computer Science And Information Technology.
- 2014. - Vol. 4, No. 5. - P. 162-170.
5. Вознесенская Е. В. Дистанционное обучение
- история развития и современные тенденции в образовательном пространстве // Наука и школа. - 2017. - № 1. - С. 116-123.
6. Гринкруг М. С., Титоренко Е. И. Лабораторный практикум по физике // Современные проблемы науки и образования. - 2009. -№ 1. - С. 56.
7. Современные проблемы истории образования и педагогической науки: моногр. сб.: в 3 т. / под ред. чл.-корр. РАО З. И. Равкина. -Т. 1. - М., 1994. - 186 с.
REFERENCES
1. Medintseva I. P. Kompetentnostnyy podkhod v obrazovanii. In: Pedagogicheskoe masterstvo. Proceedings of the 2nd International Scientific Conference (Moscow, Dec. 2012). Moscow: Buki-vedi, 2012. 276 p.
2. Razova E. V., Bushmeleva N. A. Povyshenie kachestva obucheniya posredstvom integratsyy uchebnykh predmetov. Nauchno-metodicheskiy zhurnal "Concept". 2015. Vol. 6, pp.46-50. Available at: http://e-koncept.ru/2015/65210. htm (accessed: 15.05.2017).
3. Sirotkin G. V. Izmenenie formy predstavleniya lektsionnogo materiala - put k povysheniyu kachestva obrazovaniya vuza. In: Lichnost, semya, I obshestvo: voprosy pedagogiki i psy-hologyy. Proceedings of the 2nd Intrenational Scientific Conference (XXXVII) (Novosibirsk, 2014). Novosibirsk: SibAK, 2014.
4. Mayoka K. G. How can e-learning integration be realized? An exploratory study in Higher Education Institutions. Asian Journal of Computer Science and Information Technology. 2014. Vol. 4, No. 5, pp. 162-170.
5. Voznesenskaya E. V. Distantsinnoe obuchenie - istoriya razvitiya i sovremennye tendentsii v obrazovatelnom prostranstve. Nauka i shkola. 2017. No. 1, pp. 116-123.
6. Grinkrug M. S., Titorenko E. I. Laboratornyy praktikum po fizike. Sovremennye problemy nauki i obrazovania. 2009. No. 1, p. 56.
7. Z. I. Ravkin (ed.) Sovremennye problemy istorii obrazovania i pedagogicheskoy nauki. Monographic compilation in 3 vol. Vol. 1. Moscow, 1994.186 p.
Первушина Марина Олеговна, кандидат педагогических наук, доцент, доцент кафедры физики Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича e-mail: marina.pervushina2011@yandex.ru
Pervushina Marina O., PhD in Education, Associate professor, Physics Department, M. A. Bonch-Bruevich St. Petersburg State University of Telecommunications e-mail: marina.pervushina2011@yandex.ru
Небаев Игорь Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры физики Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича e-mail: inebaev@spbgut.ru
Nebaev Igor A., PhD in Engineering, Associate professor, M. A. Bonch-Bruevich St. Petersburg State University of Telecommunications
e-mail: inebaev@spbgut.ru
