CC BY
868
Виртуальные лаборатории в дистанционном обучении
Савкина Анастасия Васильевна доцент, к. т. н., доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления, av-savkina@yandex.ru
Савкина Анастасия Владимировна к. т. н., доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления, anastesi@yandex.ru
Федосин Сергей Алексеевич профессор, к.т.н., заведующий кафедрой автоматизированных систем обработки информации и управления, fedosinsa@freemail. mrsu. т Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
имени Н.П. Огарёва ул. Б.Хмельницкого, 39, г. Саранск, 430005, (8342)478691
Аннотация
В статье рассматривается создание виртуальных обучающих лабораторий по физике для студентов инженерных профилей с целью их дальнейшего использования в дистанционном обучении. Виртуальные лаборатории реализуются с помощью языков программирования Object Pascal в среде Delphi XE и C# в среде .NET Framework 4.0. Для доступа к разработанным лабораториям используется система управления курсами Moodle. Для качественного предоставления материала и его лучшего усвоения выполнение лабораторных работ разбито на этапы: изучение теоретического материала, просмотр видеофрагментов проведения лабораторных работ с иллюстрациями необходимой аппаратуры, подробное описание действий, которые студенту необходимо выполнить с проведением необходимых вычислений и заполнения таблиц.
This article discusses the creation of virtual learning laboratories for physics for students of engineering profile with the purpose of their further use in distance learning. Virtual labs are implemented using programming languages, Object Pascal Delphi environment XE and C# environment .NET Framework 4.0. To access the developed laboratories use course management system Moodle. For high-quality provision of material and better absorption of the laboratory is divided into several phases: study of theoretical material, viewing video clips laboratory work with illustrations necessary equipment, a detailed description of the activities that students must perform the necessary calculations and fill the tables.
Ключевые слова
Виртуальные лаборатории, дистанционное обучение, система управления курсами Moodle, среда разработки Delphi XE, среда разработки .NET Framework 4.0
Virtual laboratories, distance learning, course management system Moodle, Delphi
XE development environment .NET Framework 4.0
Введение
Разработка и создание виртуальных лабораторий обусловлены, в первую очередь, развитием дистанционного образования. Тем не менее, существует ряд дисциплин, в которых лабораторные исследования подразумевают значительные расходы образовательных учреждений на станки, инструменты, заготовки, реактивы и др. К тому же, как показывает практика, далеко не всегда студенты могут с первого раза, после теоретической подготовки, правильно выполнить лабораторную работу. Часто для удачного исхода нужно провести эксперимент несколько раз, тогда затраты могут существенно возрасти. Виртуальные лаборатории также используются в случаях, когда эксперимент происходит в неудобном масштабе пространства и времени, невозможен, неповторим, ненагляден и т. д. В этих случаях подобные лаборатории становятся необходимостью, чтобы с гораздо меньшими затратами дать возможность проводить учебный процесс, или же позволят экономить средства, обучая студентов сначала на специальных виртуальных тренажерах, для последующего перехода их на реальные дорогостоящие лабораторные стенды.
Занятия по физике в ВУЗе отличаются постоянным дефицитом времени и сложностью применения демонстрационного материала и лабораторного оборудования. Особые сложности возникают у студентов, обучающихся заочно и дистанционно.
Дистанционное обучение требует от студентов трудолюбия и определенного начального уровня, позволяющего использовать современные компьютерные технологии. В соответствие с требованиями Министерства образования РФ программа по физике включает в себя цикл лабораторных работ. Они необходимы для приобретения студентами навыков выполнения физического эксперимента. Студенты должны уметь обработать, проанализировать и представить результаты в аналитической и графической формах. Поскольку большую часть времени обучения они не могут работать в физических лабораториях непосредственно, то выходом из сложившегося положения является внедрение в учебный процесс информационных технологий. Один из наиболее эффективных вариантов - анимация с использованием виртуальных лабораторных стендов, на которых можно выполнять лабораторные работы с использованием интернет-технологий.
В Мордовском национальном исследовательском университете им. Н. П. Огарева дистанционное обучение развивается с 2006 года [1]. Наиболее востребована такая форма обучения на заочном и очно-заочном обучении студентов по таким направлениям, как информатика и вычислительная техника, юриспруденция, психология, экономика. С каждым годом количество направлений, использующих дистанционное обучение увеличивается. Этому способствуют технологии, используемые при подготовке электронных материалов для студентов в формате SCORM с помощью программы BooksCreator, предназначенных в основном для изложения теоретического материала с последующим их представлением в системе управления курсами Moodle.
Для выполнения же лабораторных работ и практических заданий необходимо моделирование предметной среды, позволяющей студенту на расстоянии выполнить то или иное сложное задание.
Элементы дистанционного обучения
Назначение виртуальных лабораторий
Представленные в статье виртуальные лаборатории по физике разработаны специально для студентов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева направления «Автоматизированные системы обработки информации и управления», обучающихся на очно-заочном отделении с элементами дистанционного обучения. Кроме элементов дистанционного обучения, предоставляемых системой Moodle, для технических специальностей требуются дополнительные возможности, позволяющие выполнять лабораторные работы по физике на расстоянии.
Среди лабораторных работ, реализованных в качестве виртуальных представлены такие работы как «Градуирование вольтметра», «Градуирование амперметра», «Изучение законов равноускоренного движения на машине Атвуда», «Измерение электросопротивлений с помощью моста постоянного тока», «Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха», «Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли», «Определение вязкости жидкости методом Стокса», «Изучение маятника Максвелла», «Проверка основного закона вращения твердого тела», «Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости». Виртуальные лаборатории предоставляют студентам без наличия специализированных установок иметь полное представление о ходе выполнения лабораторных работ [2].
Выполнение лабораторной работы в виртуальной лаборатории, заключается в эмуляции тех действий, которые пользователь должен проводить в реальной лаборатории в зависимости от тематики выполняемой работы, т. е. установку определенного сопротивления, определение напряжения на эталонном вольтметре, установку маятника на определенной высоте, определение времени движения маятника, выбор груза, его установку на определенной высоте, определение времени движения, выбор исследуемого сопротивления, установку движка на реохорде, изменение сопротивления в магазине, регулировку скорости вытекания эталонной и исследуемой жидкости, подсчет числа капель, установку груза с необходимой массой на цилиндр установки, определение времени движения груза и пройденного им пути, установку определенного сопротивления, определение силы тока на эталонном амперметре, открытие крана для вытекания жидкости, определение времени набора жидкости в мензурке, измерение радиуса шарика, помещение шарика в колбу с глицерином, определение времени падения шарика, подведение итогов, сохранение измерений и вычислений в файл.
В век современных информационных и коммуникационных технологий необходимость таких виртуальных лабораторий обусловлена в первую очередь повышением качества образования, обеспечиваемого с помощью дистанционных технологий.
Элементы виртуальной лаборатории по физике
Краткое описание комплекса
Предоставляет студентам возможность непосредственного входа в систему обучения. Она содержит описание, теоретическую и практическую части (рис. 1). Описание содержит текстовую и видеоинформацию, которая информирует студента о выполнении работы в реальных условиях, а также разъясняет назначение вкладок «Теория» и «Лаборатория».
На вкладке «Теория» приводятся цель работы, основные формулы и их назначение (рис. 2).
На вкладке «Лаборатория» (рис. 3) подробно описываются действия, которые студенту необходимо проделать для выполнения лабораторной работы, что вычислять, приводятся таблицы, которые студент должен заполнить, обработать и переслать преподавателю.
Виртуальные лаборатории могут быть дополнены подробным лекционным материалом с использованием программы BooksCreator, а также контрольными вопросами для проверки полученных знаний. Вся работа с виртуальными лабораториями осуществляется при непосредственном взаимодействии преподавателя со студентом с помощью средств системы Moodle.
«
Рис. 1. Начальная страница виртуальной лаборатории
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
Цель работы: изучение характеристики магнитного поля Земли, при помощи виртуальной лабораторной установки
Приборы и оборудование: виртуальный тангенс гальванометр, миллнам перметр. реостат
Краткая теория
Магнитное поле Земли в целом подобно полю однородно-намагниченного шара Направление намагниченности составляет с осью вращения Земли угол ср=11°. Поэтом},- магнитные полюса не совпадают с географическими и отстоят от них на расстояние около 1100 км Величина магнитно го поля Земли меняется от 50 до 65А М. Исторически сложилось так что северный магнитный полюс находится в Антарктиде около южного географического полюса, а южный магнитный - в Канаде
Рис. 2. Краткое изложение теории на вкладке «Теория»
Рис. 3. Две части вкладки «Лаборатория»
Программные средства для предоставления дополнительного лекционного материала
Назначение программы BooksCreator
Программный комплекс «Формирование электронных учебников» (ПК «ФЭУ») предназначен для создания электронных учебников пользователям, по роду занятий не знакомым с технологией создания web-страниц, при минимальных затратах времени. Комплекс обеспечивает возможность автоматического формирования навигации по страницам внутри глав, в нем реализована возможность редактирования содержания путем открытия файла проекта, относящего к данному электронному учебнику. Созданные с помощью разработанного комплекса электронные учебники соответствуют международному стандарту SCORM по формату учебного материала и используются для дистанционного обучения.
Экранные формы программы состоят из нескольких взаимосвязанных форм: главное окно приложения, диалоговые окна открытия и сохранения проекта, окон задания параметров обложки и таблиц электронного учебника, окон создания ссылок на web-ресурсы и файлы
Возможности программы BooksCreator
ПК "ФЭУ" - это программный комплекс для формирования электронных учебников в соответствии со стандартом SCORM. Программный продукт представляет собой удобный WYSIWIG-редактор (What You See Is What You Get -"что видишь, то и получишь") предназначенный преимущественно создавать электронные учебники для систем дистанционного образования, таких как СДО
«Прометей», Moodle, но в тоже время может использоваться и для других целей, например, создание электронных книг различного предназначения. ПК "ФЭУ" имеет удобный и интуитивно понятный интерфейс пользователя. Web-интерфейс электронного учебника, создаваемого с помощью данного программного продукта, обеспечивает удобную навигацию по главам и разделам учебника.
С помощью меню Файл, пользователь может создать, открыть и сохранить новый проект, то есть электронный ресурс, а также экспортировать его в формат SCORM. Меню Правка позволяет производить отмену и повтор , перемещение , а также вырезание и копирование элементов. Меню Вставка позволяет создать Обложку, Изображение, Таблицу, HTML код и ссылку на файл. Меню Формат позволяет скорректировать Отступ, установить нужный стиль, выравнивание, оформить текст, список, выбрать шрифт, цвет самого текста и его выделения. Кроме этого в меню Справка можно всегда посмотреть назначение тех или иных функций.
Проектирование виртуальной лаборатории
Если размещение любого лекционного материала может быть полностью выполнено с помощью специализированного приложения BooksCreator, то создание автоматизированной системы, обеспечивающей грамотное выполнение лабораторной работы требует особого подхода с учетом специфики поставленной задачи.
Рассмотрим одну из лабораторных работ виртуальной лаборатории по физике, заключающуюся в определении коэффициента вязкости жидкости методом Стокса. Для этого необходимо подробно ознакомиться с реальной установкой, выбрать язык программирования, разработать интерфейс и создать законченное приложение для выполнения лабораторной работы
Виртуальная лаборатория должна обязательно содержать описание лабораторной работы, реальной установки, виртуальную модель установки и ее описание, необходимые теоретические сведения по данной теме, таблицы для записи результатов. Лаборатория должна предоставить пользователю возможность сделать лабораторную работу, не выходя из дома, но имея при этом постоянную возможность консультирования у преподавателя Работа состоит в следующем: пользователь опускает шарик в колбу с глицерином, измеряет диаметр шарика при помощи линейки, вычисляет коэффициент вязкости жидкости. Для этого необходима установка состоящая из колбы с глицерином, набор шариков разного диаметра и микроскоп.
Выбор программных средств
Для поставленной задачи мы используется среда разработки программного обеспечения Embarcadero RAD Studio XE и язык Delphi, исходя из следующих требований:
1. Наличие средств для разработки графических приложений
2. Наличие средств для отрисовки и анимации графических примитивов
3. Скорость и простота разработки
4. Скорость работы. Реализация
Для построения виртуальной установки из графических примитивов используется компонент TImage, с помощью свойства Picture выбирается заранее подготовленый шаблон цилиндрической мензурки (рис. 4).
Аналогичным образом для реализации лабораторной работы графически представляются три металлических шарика, линейка, секундомер [3]. За анимацию падения шарика №1 отвечает процедура
procedure TForm2.Image4MouseDown(Sender: TObject;
Button: TMouseButton; Shift: TShiftState; X, Y: Integer); Для того, чтобы взять шарик
procedure TForm2.Image4MouseMove(Sender: TObject;
Shift: TShiftState; X, Y: Integer);
Перемещение шарика по форме, для погружения его в жидкость описывается процедурой
procedure TForm2.Image4MouseUp(Sender: TObject; Button: TMouseButton; Shift: TShiftState; X, Y: Integer); Условие отпускания шарика в определенной области и возврат на исходную позицию описывается
procedure TForm2.Timer3Timer(Sender: TObject);
¿Щ Objectlnspector Image} "Image
I Properties | Events I
Name Image3 >
ParentCustnmHint [7] True
ParentShowHint [7] True
» Picture I"
PopupMenu
Proportional □ False
ShowHint □ False
Stretch □ False
Tag 0 E
Top 225
ш Touch OTouchManager)
Transparent □ False
Bind Visually...
A
В
Рис. 4. Формирование колбы при помощи настройки средств в инспекторе объектов
Аналогичный образом реализуются процедуры для второго и третьего шариков [4].
Для запуска таймера был использован компонент timer и edit для отображения значений секундомера. Для запуска/остановки таймера: procedure TForm2.StartClick(Sender: TObject); Описание интерфейса
Интерфейс виртуальной лаборатории построен на использовании вкладок, что позволяет изменять лишь необходимую часть экрана. Как и у любой виртуальной лаборатории вкладка "Описание" посвящена знакомству пользователя с реальным представлением лабораторной работы (рис. 5).
Вкладка " Теоретическая часть "содержит теоретическое описание эксперимента (рис. 6).
Вкладка «Практическая часть» (рис. 7) содержит виртуальную установку, линейку для измерения диаметра шариков, три шарика, секундомер для измерения времени, порядок выполнения, таблицу для ввода данных. Шарики можно перемещать в рабочее место, однако если не поместить его в определенную область, он вернется на исходное положение. Если шарик поднести в рабочую зону, то он
будет перемещаться согласно законам физики. Секундомер запускается кнопкой
старт " г и останавливается при повторном нажатии.
Подобным образом, выполнены другие виртуальные лабораторные работы. При этом студенты использовали дополнительную литературу по описанию языков программирования [5-7].
После выполнения всех необходимых действий, заполнения таблицы и проведения согласно теоретической части расчетов, таблица полностью формируется, импортируется в Microsoft Excel и средствами сисемы Moodle отсылается преподавателя, как один из элементов отчета, требуемых для выполнения лабораторной работы.
Рис. 6. Вкладка "Теоретическая часть"
Г.1..Ш.
Рис. 7. Вкладка "Практическая часть"
Заключение
Использование представленных виртуальных лабораторных работ по физике в системе дистанционного обучения на факультете электронной технике позволило сохранить контингент обучающихся, которые ранее не могли присутствовать очно на
занятиях по физике, а также помогли отработать навыки выполнения лабораторных работ у студентов дневного отделения, что значительно улучшило качественные показатели обучения. В дальнейшем предполагается расширение сети виртуальных лабораторных работ по физике, метрологии, электротехнике.
Тем не менее, в настоящее время остро встает проблема создания специализированных конструкторов, встроенных в системы дистанционного обучения, ориентированных на конкретные области знаний, позволяющих создавать виртуальные лаборатории непосредственно в среде разработки дистанционного контента, что обеспечило бы более оперативное их внедрение в учебный процесс. В основе виртуальных лабораторных работ лежат математические модели изучаемых процессов, имея возможно полный набор математических моделей, следует говорить о конструкторе сценариев выполняемых работ. Для реализации таких сценариев возможно использование электронной системы поддержки обучения математики Math-Bridge, которая была разработана консорциумом европейских вузов и является распределенным инструментом поддержки технологии расширенного обучения ( Technology-Enhanced Learning). Развитию математических компетенций посвящен реализуемый при поддержке Европейской Комиссии проект «Современные образовательные технологии преподавания математики в инженерном образовании России» в рамках гранта программы Темпус 543851-TEMPUS-1-2013-1-DE-TEMPUS-JPCR).
Данный проект профинансирован при поддержке Европейской Комиссии в рамках программы Темпус (№ гранта: 543851-TEMPUS-1-2013-1-DE-TEMPUS-JPCR). Эта публикация отражает исключительно взгляды авторов. Комиссия не несет ответственности за любое использование информации, содержащейся здесь
This project has been funded with support from the European Commission. This publication [communication] reflects the views only of the author, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.
Список использованных источников
1. Организация учебного процесса на основе дистанционных образовательных технологий. Учебное пособие / А. В. Савкина, Ю. В. Юркин, В. М. Панфилова -Саранск: Изд-во Мордов.ун-та, 2009. № гос. регистрации 0320901042
2. Лабораторный практикум по физике. Механика / А. В. Белянушкин, И. А. Батайкина, В. И. Ивлев и др. Под ред. В. И. Ивлева. - Саранск.: Изд-во Мордов. ун-та, 2002.
3. Компьютерная графика. Учебное пособие / А. В. Савкина, А. Вл. Савкина. -Саранск: Изд-во Мордов.ун-та, 2009. № гос. регистрации 0320900748
4. Программные средства быстрой разработки приложений. Учебное пособие / А.В. Савкина, А. Вл. Савкина. - Саранск: Изд-во Мордов.ун-та, 2009. № гос. регистрации 0320900751
5. Культин Н. Основы программирования в Delphi XE. — СПБ.: БХВ-Петербург, 2011. — 416 с.
6. Программирование на языке C#: http://msdn.com
7. Microsoft developers network: http://msdn.microsoft.com
