ОРГАНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В УСЛОВИЯХ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 371.333; 371.388 DOI: 10.31862/2218-8711-2021-3-218-226

ББК 74.48

ОРГАНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В УСЛОВИЯХ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ

ORGANIZING LABORATORY CLASSES IN THE CONTEXT OF DISTANCE LEARNING

Портнов Юрий Алексеевич

Доцент кафедры физики, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), кандидат физико-математических наук E-mail: portnovyura@yandex.ru

Portnov Yuriy A.

Assistant Professor at the Department of Physics, Moscow automobile and road construction state technical university (MADI), PhD in Physics and Mathematics E-mail: portnovyura@yandex.ru

Мальшакова Ирина Леонидовна

Доцент кафедры методики преподавания истории, обществознания и права, Московский городской педагогический университет, кандидат экономических наук E-mail: irina-malshakova@yandex.ru

Malshakova Irina L.

Assistant Professor at the Department of Teaching History, Social Studies and Law, Moscow City University, PhD in Economics E-mail: irina-malshakova@yandex.ru

Аннотация. В условиях дистанционного обучения вопрос организации и проведения лабораторного практикума по физике, химии и специальным дисциплинам технических вузов весьма актуален. В данной статье рассматриваются вопросы создания и методика проведения лабораторных работ по физике в формате удаленной работы. Авторы поэтапно рассматривают трудности в организации дистанционного лабораторного практикума и предлагают пути их решения. Особое внимание уделено методике проведения этапа измерения

Abstract. In the context of distance Learning the issue of organizing and conducting laboratory classes in Physics, Chemistry, special subjects in technical universities is quite relevant. The article deals with issues of creating Laboratory cLasses and methodoLogy of conducting them in the conditions of distance learning. The authors analyze difficulties in organizing a distance-learning laboratory workshop in stages and offer the solutions. Special attention is paid to the methodoLogy of conducting the

Ф 1 Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License The content is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License

© Портнов Ю. А., Мальшакова И. Л., 2021

результатов в онлайн лабораторных работах. В статье приведена модель организации измерительной части лабораторной работы по физике «Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса».

measurement stage in the online Laboratory classes. The article describes the model of organizing the measurement part of a Laboratory class in Physics, which is called "Measurement of the viscosity index using Stokes' method".

Ключевые слова: дистанционное обучение, лабораторные работы, измерения, удаленный доступ, методика проведения лабораторной работы, метод Стокса.

Keywords: distance learning, laboratory classes, measurement, remote access, methodology of conducting a laboratory class, Stakes' method.

Введение

В условиях пандемии коронавирусной инфекции многие вузы перешли на дистанционный формат работы. Перевод лекционных и семинарских занятий в онлайн-фор-мат произошел достаточно безболезненно для качества преподавания благодаря существующим платформам MS Teams, Skype, Zoom, Moodle и самоотверженной работе профессорско-преподавательского состава. Очевидные проблемы вскрылись при организации удаленного проведения лабораторных работ. Специфика их проведения связана с обязательным использованием лабораторного оборудования, и невозможность получить доступ к оборудованию при таком формате работы породила ряд проблем.

Лабораторная работа выполняется обучающимися самостоятельно, а задача преподавателя заключается в осуществлении научного и методического руководства обучающимися как на этапе работы с оборудованием и фиксации результатов, так и на этапе проведения расчетов и написания выводов. При этом преподаватель, наблюдая за работой студентов, осуществляет не контроль, а корректировку их деятельности, разрешает возникшие проблемы в техническом плане, помогает наводящими вопросами, чтобы обеспечить проявление инициативы и самостоятельности обучающихся. В этом случае можно говорить, что вместе с необходимыми в будущей профессии предметными знаниями и навыками студенты овладевают регулятивными компетенциями, такими как планирование, ориентирование в ситуации, прогнозирование, целеполагание, принятие решений и самоконтроль.

Деятельность обучающегося на лабораторных занятиях условно можно разбить на три этапа: а) подготовительный этап, в рамках которого происходит знакомство с целью выполнения работы, изучение описания технических данных приборов, используемых для измерений, изучение структурной схемы установок;

б) измерительный этап, посвященный регистрации опытных данных, получаемых в ходе эксперимента;

в) расчетный этап, в котором на основе полученных значений производятся вычисления, по результатам которых строятся графики, позволяющие произвести анализ

исследуемого явления и делаются выводы [1]. Если первый и последний этап не вызывают сложностей и могут быть легко реализованы в рамках удаленной работы, то второй этап - измерительный - в силу невозможности получения доступа к лабораторному оборудованию в дистанционном режиме работы является чрезвычайно затруднительным. Для выхода из данной ситуации предлагаются следующие решения.

Первый способ заключается в использовании виртуальных измерительных приборов, которые позволяют производить измерения дистанционно. Речь может идти о создании виртуальной лаборатории, некоторой виртуальной среды, в которой пользователь компьютера оперирует как установкой, так и различными измерительными приборами [2-8]. Основным и весьма существенным недостатком данного метода проведения лабораторной работы является высокая стоимость программирования виртуального пространства. При этом степень достоверности проведенных в виртуальной лаборатории измерений будет напрямую зависеть от стоимости созданного программного продукта.

Второй способ проводить измерения в удаленном режиме работы связан с использованием дистанционно управляемых приборов [9]. Например, подключенная веб-камера от какого-либо оптического прибора позволяет выводить показания данного оптического прибора в Интернет. Подключенные к ручкам юстировки прибора электродвигатели, также управляемые через Интернет, позволяют настраивать данный прибор. Таким образом, можно осуществить измерение величин, используя такой удаленный доступ к приборам. К недостаткам данного метода можно отнести, во-первых, невозможность использования простых приборов, например линейки, штангенциркуля, во-вторых, необходимость обслуживания сложного прибора инженером, что невозможно в условиях карантина, в-третьих, как и в первом способе проведения лабораторных работ в онлайн-формате, высокая стоимость сопутствующего оборудования (веб-камер и двигателей с управлением через Интернет).

Третий способ проведения лабораторных занятий позволяет решить трудности с доступом к оборудованию в условиях дистанционной работы следующим образом. В лаборатории снимается видео, на котором будет показан процесс измерения всех величин, которое в дальнейшем во время онлайн лабораторной работы демонстрируется студентам. При подготовке видео, помимо самого процесса измерений, можно снять установку с разных ракурсов на разных этапах ее работы, что позволит визуально продемонстрировать возможности и специфику оборудования. Данный способ, предусматривающий работу студентов с наглядностью в форме отснятого обучающего видео, является сравнительно дешевым и достаточно легким в исполнении. Видеокамеры есть в каждом телефоне, зачастую вместе с программами для видеомонтажа, что позволяет создавать видеозаписи хорошего качества, практически на профессиональном уровне. К недостатку данного способа можно отнести то, что студенты остаются в процессе измерений сторонними наблюдателями, не принимающими участие в процессе измерения [10]. Кроме того, в случае, когда каждый студент получит одинаковый набор измерительных данных, повышается риск недобросовестного написания отчета по работе из-за возможности списать у сокурсников. Несмотря на указанные минусы, проведение лабораторной работы на основе обучающего видео заслуживает внимание в силу небольших трудозатрат и стоимости при создании контента.

В настоящей работе будет рассмотрен пример создания дистанционной лабораторной работы на основе обучающего видео, демонстрирующего проведение измерений, в котором будут устранены описанные выше недостатки.

Основная часть

Целью данной статьи является разработка методики проведения измерительной части дистанционной лабораторной работы при максимально возможной вовлеченности студента в процесс измерения лабораторных данных. При этом лабораторная работа должна предусматривать вариативность данных для студентов учебной группы (каждый студент получит свой вариант измерений, на основе которых будут проведены расчеты, отличные от расчетов сокурсников).

Одним из самых привлекательных с экономической точки зрения способов проведения измерительного этапа дистанционных лабораторных работ, как было показано во введении, является способ видеозаписей. Снять видео по выполнению измерений лабораторной работы и впоследствии разместить его на одном из видеохостингов является дешевым и не столь трудозатратным мероприятием. Но при этом возникает ряд трудностей, которые могут свести на нет все привлекательные стороны данного метода. Рассмотрим, какими способами студент может получить набор измеренных значений на лабораторном занятии на основе обучающего видео.

Способ первый. Съемка на видео измерительных данных при выполнении лабораторной работы с начала до конца ведется с озвучиванием получаемых значений или выводом этих значений на экран. Недостатком данного способа является то, что студент остается сторонним наблюдателем, не участвующим в процессе измерения. При этом студент может вообще не смотреть видеоматериал, а спросить измеренные значения у однокурсников. Мотивировать студента к внимательному просмотру видео и к процессу измерения данных сможет демонстрация крупным планом шкалы измерительных приборов без озвучки полученных значений измерений. В такой ситуации студенты по шкале прибора должны самостоятельно определить измеренные значения (см. пример видео в [11]). Недостатком такой методики проведения лабораторного занятия остается то, что в видеоматериале все значения остаются неизменными и все студенты получают одинаковый набор значений. При этом недобросовестные студенты могут списать эти значения у однокурсников, не участвуя в процессе измерений.

Второй способ. В видеоматериале лабораторной работы не показываются измеренные значения: шкала прибора не демонстрируется крупным планом или затемнена. После просмотра видео студентам дается ссылка на страницу кафедры, на которой дана таблица с измеренными данными, разделенная на варианты, или набор данных, выбранных случайным образом из некоторого диапазона значений (реализовать это можно, используя на html странице случайную выборку Javascript - см. листинг кода в Приложении 1). При этом каждый студент получает свой набор данных, что позволяет преподавателям контролировать самостоятельность студента в выполнении лабораторной работы. Недостатком данного метода является то, что студент опять является

только сторонним наблюдателем и получает готовые измеренные значения, а просмотр видеофрагмента, посвященного процессу измерения, студент может проигнорировать.

Третий способ. В видеоматериале лабораторной работы показаны некоторые физические процессы, например, падение шарика в жидкости, опускание груза или измерение температуры какой-либо нагревающейся или охлаждающейся системы. Студенту предлагается задание по самостоятельному измерению при помощи секундомера в смартфоне времени движения тела или скорости изменения температуры. Таким образом, при просмотре видеоматериала лабораторной работы студент наблюдает некоторый процесс (падение/поднятие груза вдоль линейки, изменение температуры какой-либо системы с демонстрацией шкалы термометра и т. п.) и, используя свой секундомер, засекает время процесса или снимает показания прибора через определенные интервалы времени (см. пример видео в [11]). При проведении онлайн лабораторных работ по описанной методике студент оказывается вовлеченным в процесс измерения почти так же, как если бы находился в лаборатории университета. К тому же из-за различного времени реакции у студентов получаемый набор значений имеет естественный случайный разброс. Недостатком данного способа является возможность списывания недобросовестными студентами измеренных значений у однокурсников.

Четвертый способ. Студент участвует в измерении, проходя тестовое задание, на котором демонстрируется фотография или видео измерения со шкалой измерительного прибора. Студенту предлагается произвести измерение и ввести правильное измеренное значение. Для этих целей можно использовать, например, возможности таких систем, как MS Teams, Moodle. Недостатком данного способа организации измерений в онлайн лабораторной работе является то, что всем студентам будет выдаваться одинаковый тест. Но этот недостаток можно устранить, создав базу из нескольких десятков измеренных значений (с фотографиями или видео). Тогда каждому студенту случайным образом из этой базы будет предлагаться свое индивидуальное тестовое задание. Реализовать это можно либо с помощью возможностей Moodle или организовав html-страницу с использованием Javascript на сайте кафедры (см. пример листинга в Приложении 2).

В данной статье будет рассмотрен пример измерительной части дистанционной лабораторной работы по измерению динамического коэффициента вязкости жидкости. В примере будет продемонстрирована комбинация описанных выше способов по вовлечению студента в процесс измерения.

Модель проведения лабораторной работы «Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса». Целью лабораторной работы является изучение процессов внутреннего трения и экспериментальное определение коэффициента внутреннего трения глицерина методом падающего шарика, предложенным Стоксом. Установка представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд, наполненный глицерином. На стенках сосуда нанесены две горизонтальные метки А и В на некотором расстоянии L друг от друга. При падении в жидкости на шарик действуют силы тяжести, Архимеда и сила вязкого трения, которые до прохождения шариком первой отметки начинают уравновешивать друг друга, в результате чего шарик двигается между двумя отметками с постоянной скоростью.

В процессе измерений необходимо измерить диаметр шарика микрометром, расстояние между отметками АВ линейкой и измерить время движения шарика между отметками с помощью секундомера.

Такая дистанционная лабораторная работа размещается на сайте кафедры и состоит из нескольких страниц.

На первой странице размещается организационное видео, в рамках которого демонстрируется лабораторная установка, показываются измерительные приборы. Студенту предлагается произвести определение предела измерения показанных приборов, их цену деления и погрешность. После видео студент должен занести эти данные в соответствующие графы на html-странице, и только при правильном введении значений у него появляется возможность перейти на вторую страницу.

На второй странице из набора из 20-30 фотографий выбирается случайным образом одна, на которой показана шкала микрометра, и студенту предлагается определить значение диаметра шарика по показанию микрометра и ввести его в соответствующее поле. При правильном введении диаметра шарика студент попадает на третью страницу, при неправильном - вторая страница обновляется, и студент получает другую фотографию из набора.

На третьей странице демонстрируется видео, на котором выбранный ранее случайным образом шарик падает в жидкости, и студент должен при помощи своего секундомера замерить время движения шарика в жидкости между двумя отметками А и В. Также в видео показывается крупным планом измерительная линейка, и студент, помимо времени падения шарика, должен определить расстояние между двумя отметками А и В.

Далее страницы два и три повторяются еще четыре раза для возможности оценить случайную погрешность коэффициента вязкости жидкости.

Заключение

Предложенная модель проведения измерительной части дистанционной лабораторной работы может быть использована в условиях удаленного обучения. Она имеет ряд достоинств. Во-первых, благодаря интерактивной части студент не может пропустить видео и сразу получить набор измерений. Таким образом, он оказывается вовлечен в процесс измерений. Во-вторых, благодаря случайному выбору Javascript и тому факту, что время реакции у каждого студента разное, в процессе измерения времени получаемые значения будут различны у обучающихся, а значит, каждый студент получит свой уникальный набор значений, что усложнит возможность списывания и мотивирует проводить расчеты самостоятельно.

Авторы считают, что описанная выше методика проведения измерительной части лабораторной работы поможет улучшить проведение лабораторного практикума в условиях дистанционной работы со студентами.

Список литературы

1. Виленский М. Я., Образцов П. И., Уман А. И. Технологии профессионально-ориентированного обучения в высшей школе. М.: Пед. о-во России, 2004.

2. Алексеев Г. В., Бриденко И. И. Виртуальный лабораторный практикум по курсу «Механика жидкости и газа». М.: Гиорд, 2007.

3. Алексеев Г. В., Бриденко И. И. Виртуальный лабораторный практикум по курсу «Механика жидкости и газа». СПб., 2007.

4. Карелин Б. В., Кожевников А. А., Пащенко М. Г. Применение современных технологий для модернизации лабораторного практикума по волновой оптике // Физическое образование в вузах. 2014. Т. 20, № 3. С. 50-53.

5. Названов В. Ф. Специальный лабораторный практикум: компьютерное моделирование в лабораторном практикуме по квантовой и оптической электронике. Лос-Анджелес, 2010.

6. Попцов А. В. Опыт разработки и применения информационных технологий в лабораторном практикуме специальных физико-математических дисциплин // Информационные технологии в обеспечении федеральных государственных образовательных стандартов: материалы Междунар. науч.-практ. конф. М., 2014. С. 66-73.

7. Виртуальный лабораторный практикум / Т. А. Савкина, О. В. Вайда, Е. Г. Зальцман, Е. С. Штанговец // Решетневские чтения. 2013. Т. 2. С. 506-507.

8. Слипухина И. А. Роль компьютерно-ориентируемого лабораторного практикума по физике в формировании ключевых компетенций будущих инженеров // Вестн. Национального Авиационного ун-та. 2014. Т. 1, № 58. С. 96-101.

9. Остроух А. В. Разработка лабораторных практикумов для специализированной лаборатории удаленного доступа в среде ILAB // Промышленные АСУ и контроллеры. 2014. № 4. С. 15-23.

10. Ширина Т. А. Эффективность восприятия мультимедийных лекций студентами педагогических вузов // Школа будущего. 2012. № 4. С. 115-123.

11. Лабораторная работа № 6М. Определение коэффициента внутреннего трения (вязкости) жидкости методом Стокса. URL: https://www.youtube.com/watch?v=fC-1PBJCAi0 (дата обращения: 14.10.2020).

References

1. Vilenskiy M. Ya., Obraztsov P. I., Uman A. I. Tekhnologii professionalno-orientirovannogo obucheniya v vysshey shkole. Moscow: Ped. o-vo Rossii, 2004.

2. Alekseev G. V., Bridenko I. I. Virtualnyy laboratornyy praktikum po kursu "Mekhanika zhidkosti igaza". Moscow: Giord, 2007.

3. Alekseev G. V., Bridenko I. I. Virtualnyy laboratornyy praktikum po kursu "Mekhanika zhidkosti igaza". St. Petersburg, 2007.

4. Karelin B. V., Kozhevnikov A. A., Pashchenko M. G. Primenenie sovremennykh tekhnologiy dlya modernizatsii laboratornogo praktikuma po volnovoy optike. Fizicheskoe obrazovanie v vuzakh. 2014, Vol. 20, No. 3, pp. 50-53.

5. Nazvanov V. F. Spetsialnyy laboratornyy praktikum: kompyuternoe modelirovanie v laboratornom praktikume po kvantovoy i opticheskoy elektronike. Los-Angeles, 2010.

6. Poptsov A. V. Opyt razrabotki i primeneniya informatsionnykh tekhnologiy v laboratornom praktikume spetsialnykh fiziko-matematicheskikh distsiplin. In: Informatsionnye

tekhnologii v obespechenii federalnykh gosudarstvennykh obrazovatelnykh standartov. Proceedings of International scientific-practical conference. Moscow, 2014. Pp. 66-73.

7. Savkina T. A., Vayda O. V., Zaltsman E. G., Shtangovets E. S. Virtualnyy laboratornyy praktikum. Reshetnevskie chteniya. 2013, Vol. 2, pp. 506-507.

8. Slipukhina I. A. Rol kompyuterno-orientiruemogo laboratornogo praktikuma po fizike v formirovanii klyuchevykh kompetentsiy budushchikh inzhenerov. Vestn. Natsionalnogo Aviatsionnogo un-ta. 2014, Vol. 1, No. 58, pp. 96-101.

9. Ostroukh A. V. Razrabotka laboratornykh praktikumov dlya spetsializirovannoy laboratorii udalennogo dostupa v srede ILAB. Promyshlennye ASUi kontrollery. 2014, No. 4, pp. 15-23.

10. Shirina T. A.Effektivnostvospriyatiya multimediynykhlektsiystudentamipedagogicheskikh vuzov. Shkola budushchego. 2012, No. 4, pp. 115-123.

11. Laboratornaya rabota № 6M. Opredelenie koeffitsienta vnutrennego treniya (vyazkosti) zhidkosti metodom Stoksa. Available at: https://www.youtube.com/watch?v=fC-1PBJCAi0 (accessed: 14.10.2020).

Приложение 1. Листинг скрипта случайной выборки времени и расстояния из некоторого диапазона значений

<script>

function getRandom(max){return Math.floor(Math.random() * max);} document.getElementById(,t1').innerHTML = 28+(-500+getRandom(1000))/1000 + „ с"; document.getElementById(,t2').innerHTML = 28+(-500+getRandom(1000))/1000 + „ с"; document.getElementById(,t3').innerHTML = 28+(-500+getRandom(1000))/1000 + „ с"; document.getElementById(,t4').innerHTML = 28+(-500+getRandom(1000))/1000 + „ с"; document.getElementById(,x1').innerHTML = 7+(-5+getRandom(10))/10 + „ см"; document.getElementById(,x2').innerHTML = 7+(-5+getRandom(10))/10 + „ см"; document.getElementById(,x3').innerHTML = 7+(-5+getRandom(10))/10 + „ см"; document.getElementById('x4').innerHTML = 7+(-5+getRandom(10))/10 + " см"; </script>

Приложение 2. Пример листинга html и скрипта случайной выборки из нескольких фотографий, каждая из которых соответствует определенному диаметру шарика с последующим вводом этого значения студентом в соответствующее поле и автоматической проверкой правильности введенного значения

<html>

<script>

<!--

var a=Math.round(Math.random()*19) image = new Array();

image[0]=»Img_3760.jpg» image[1]=»Img_3761.jpg»

image[19]=»Img_3779.jpg»

document.write («<img src=»+image[a]+» alignt=center width=615 height=461 >»); //-- >

</script>

<div align="center">

<p>По фотографии определите диаметр шарика<ф>

<button onClick="passwd()">Нажмите чтобы ввести диаметр^^Ш^

</div>

<script>

function passwd() {

var pas=prompt("Введите диаметр шарика в мм"); if (image[a]==image[0]) {var prav=»6.29»;} if (image[a]==image[1]) {var prav=»5.87»;}

if (image[a]==image[19]) {var prav=»6.21»;} if (pas==prav)

{ document.location.href='переход на следующую страницу'; } if (pas!=prav)

{ alert("Bbi неверно определили диаметр шарика! Попробуйте еще раз."); window.location.reload(); }

}

</script> </html>

Интернет-журнал «Проблемы современного образования» 2021, № 3

Статья поступила в редакцию 27.10.2020 The article was received on 27.10.2020