CC BY
106ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДИСТАНЦИОННОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
Драчёв К.А.
кандидат техн. наук, доцент Тихоокеанского государственного университета
Губин С.В.
Тихоокеанский государственный университет VIRTUAL LAB WORKS FOR STUDENTS REMOTE FORM
Drachev K.
Candidate of Technical Science, Associate professor
Pacific State University Gubin S. Pacific State University
Аннотация
В работе в качестве примера представлены несколько компьютерных лабораторных работ, являющихся частью электронного учебного курса по дисциплине «Физика». Работы состоят из теоретического материала, методических указаний по выполнению работы, непосредственного проведения виртуального эксперимента и оформлению полученных результатов в виде отчета. Использование таких лабораторных работах позволяет эффективно сопровождать дистанционное обучение студентов заочного отделения с помощью удаленного доступа без применения специализированного лабораторного оборудования.
Abstract
As an example, several computer labs that are part of an electronic training course in the discipline "Physics" are given. The works consist of theoretical materials, guidelines for the work performed, the direct conduct of virtual experiments and the presentation of the results in a report. The use of such laboratory works allows students to conduct distance learning effectively.
Ключевые слова: виртуальная работа, модель, механика, уравнение Лагранжа.
Keywords: virtual work, model, mechanics, Lagrange equation.
В современном учебном процессе активно применяются информационные технологии, позволяющие сделать процесс обучения доступным для дистанционной формы обучения. Уровень их развития позволяет создавать математические модели практически любых реальных процессов и явлений. На основе данных моделей в настоящее время активно создаются системы дистанционного обучения студентов без применения специализированного лабораторного оборудования. При этом, виртуальные работы не могут полностью заменить работу в учебной лаборатории с реальными приборами. Их применение оправданно для дистанционных форм обучения, когда студент находится на расстоянии от лабораторной базы. В работе [1] подробно рассмотрены преимущества и недостатки внедрения виртуальных лабораторных практикумов в учебный процесс инженерных специальностей. Авторами отмечается, что «в практику нужно вводить виртуальные работы, не заменяя реальные, а лишь дополняя их. Внедрение информационных технологий в образовательный процесс оправдано, если имеются дополнительные преимущества по сравнению с традиционными формами обучения».
Необходимо отметить, что важным моментом в учебном процессе является эффективность обратной связи студента и преподавателя. В лабораторном практикуме, эта связь осуществляется в виде составления и защиты учащимся отчета о лабораторной работе. В рамках дистанционной формы
обучения такой путь не всегда получается реализовать. Для устранения данного недостатка некоторые университеты используют систему индивидуальных заданий для проверки уровня усвоения и понимания материала.
В процессе реализации виртуальных лабораторных работ актуальным вопросом является вопрос выбора инструмента для построения математической модели. Использование готовых библиотек программирования позволяет упростить задачу. Однако, учитывая большое разнообразие библиотек, временные затраты на подбор инструментария могут оказаться сравнимыми с временем реализации самого проекта. Наиболее распространенными проблемами при этом является либо проприетарность библиотек, либо отсутствие качественной документации к ним. Для решения поставленной задачи по созданию виртуальных лабораторных работ по разделу «Механика» была выбрана среда разработки Visual Studio Community. Для реализации графической составляющей программы используется библиотека SFML [2]. Главное её преимущество в том, что она очень проста и удобна в использовании и имеет очень хорошую документацию.
Нами было разработано несколько виртуальных лабораторных работ, которые внедрены учебный процесс технических направлений дистанционной формы обучения. Эти работы относятся к разделу «Механика» по дисциплине «Физика»: изучение свободного падения тел на примере шарика,
определение ускорения силы тяжести при помощи математического маятника [3], определение коэффициентов трения покоя и скольжения, маятник Максвелла, упругое столкновение шаров, неупругое столкновение шаров, скатывание твердого тела с наклонной плоскости. Ниже кратко рассмотрим некоторые из этих работ. Выполнение виртуальной работы осуществляется в том же порядке, что и реальной. Учащиеся изучают теоретический материал, методику измерений, проводят эксперимент и затем оформляют отчет по проделанной работе.
Лабораторная работа «Маятник Максвелла». Цель работы заключается в изучении закона сохранения механической энергии и границ его применимости на основе использования маятника Максвелла.
Окно лабораторной работы разделено на две области (рис. 1): область с элементами управления параметрами работы приложения (модели) и области визуального отображения модели маятника. Алгоритм позволяет задавать такие параметры системы как массы диска и стержня, радиусы диска и стержня, длину нитей, ускорение свободного падения. Управление моделью осуществляется кнопками «Старт», «Пауза» и «Стоп». Элемент управления «Старт» запускает работу программы при заданных параметрах, «Пауза» приостанавливает/продолжает работу, «Стоп» возвращает физическую модель в начальное состояние. После старта кнопки управления параметрами системы становятся недоступны. Приложение также позволяет вывести график изменения высоты подъёма центра диска от времени.
т
J.
Maua ntfall г
F(UT< (ttfaai. си
Ycaopana (arfailMV МИШ и (i'O
"I
Рис. 1 Окно виртуальной лабораторной работы «Маятник Максвелла»
По результатам работы виртуальной лабораторной работы студентам предлагается определить моменты инерции маятника, с учетом изменения массы и радиуса диска, а также сравнить их с расчетными значениями и сделать вывод о выполнимости закона сохранения механической энергии. Исходные данные о массах диска и стержня, радиусах диска и стержня, длине нитей, ускорении свободного падения студенту выдаются согласно его варианту и содержаться в методическом указании к лабораторной работе. Аналогичная работа на основе реальной установки [4] длительное время используется в лабораторном практикуме для инженерных специальностей очной и заочной формы обучения.
Лабораторная работа «Упругое столкновение шаров». Цель работы заключается в изучении
законов сохранения импульса и энергии на основе экспериментальной проверка закона сохранения импульса для упругого столкновения шаров.
Окно лабораторной работы также, как и в предыдущей работе разделено на две области (рис. 2). В окне задаются такие параметры системы как масса и радиус шаров, длину нити, угол начального отклонения (в градусах), ускорение свободного падения. Модель позволяет также задать наличие сопротивления воздуха в условных единицах. Управление моделью осуществляется кнопками «Старт», «Пауза» и «Стоп». Работа данных элементов управления аналогична лабораторной работе «Маятник Максвелла». Работа программы основана на математическом решении уравнения Лагранжа для системы из двух шариков из которого находятся координаты и скорости обоих шариков.
KmiiJUI vivл mmtaii. *
YitofK»* iM4«naf* НИШ и (• **)
«II
Crm» loipiiriimii j •
Рис. 2 Окно виртуальной лабораторной работы «Упругое столкновение шаров»
По результатам работы виртуальной лабораторной работы студентам предлагается определить углы отклонения шариков в результате упругого соударения, с учетом изменения массы шариков и начального угла отклонения одного из шариков и далее рассчитать проекцию импульса системы на ось X (рис. 3) до удара р и эту же проекцию после
удара р, а также проверить выполнение закона сохранения импульса в виде: Р = Р' ■
Процесс удара является кратковременным. Это позволяет считать рассматриваемую систему шаров в момент удара замкнутой в направлении оси X, т. к. сила тяжести и силы натяжения нитей при этом ориентированы перпендикулярно этой оси.
Рис. 3 Ударяющий шар перед началом движения
Исходные данные для выполнения лабораторной работы студенту выдаются согласно его варианту и содержаться в методическом указании к лабораторной работе. Аналогичная работа на основе реальной установки длительное время используется в лабораторном практикуме для инженерных специальностей очной и заочной формы обучения
[5].
Лабораторная работа «Неупругое столкновение шаров». Цель работы заключается в изучении законов сохранения импульса и энергии для абсолютно неупругого столкновения шаров. Окно лабораторной работы и элементы управления
аналогичны работе «Упругое столкновение шаров» (рис. 4).
Студенту предлагается определить максимальный угол отклонения слипшихся шаров и используя полученные результаты найти проекцию р импульса системы на ось X до удара и эту же проекцию р' после удара. Для проверки выполнения закона сохранения импульса для неупругого соударения шаров. Исходные данные студенту выдаются согласно его варианту и содержаться в методическом указании к лабораторной работе.
Рис. 4 Окно виртуальной лабораторной работы «Упругое столкновение шаров»
В настоящее время помимо описанных выше виртуальных лабораторных работ в учебном процессе используются и другие работы» - «Изучение свободного падения тел на примере шарика», «Скатывание твердого тела с наклонной плоскости», «Определение коэффициентов трения покоя и скольжения» и другие. Все виртуальные работы имеют аналогичные работы, основанные на реальных лабораторных учебных установках. При этом методические указания этих работ имеют общий порядок выполнения, отличающийся только некоторыми особенностями. На данный момент ведутся работы по совершенствованию графического интерфейса виртуальных работ и их внедрению на сайт кафедры.
Виртуальный лабораторный практикум как уже отмечалось выше не может быть признан полноправной альтернативой реальному эксперименту. Только экспериментальная работа в полной мере задействует все возможности, предоставляемые деятельностным подходом в педагогике. Вместе с тем в случае удаленного обучения виртуальная работа является достаточно эффективным средством для достижения поставленных образовательных целей. Предлагаемые работы по
могут быть использованы в образовательном процессе дистанционной формы образования при изучении раздела «Механика» курса физики.
Список литературы
1. Гергова И.Ж. Виртуальные лабораторные работы как форма самостоятельной работы студентов / И.Ж. Гергова, М.А. Коцева, А.Х. Ципинова, Э.Х. Шериева, И.К. Азизов // Современные наукоемкие технологии. - №1. - 2017. - С. 94-98.
2. Simple and Fast Multimedia Library [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://www.sfml-dev.org/. (20.02.2020)
3. Губин С.В. Внедрение виртуальной лабораторной работы по теме «Колебания и волны» // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки и образования». - 2020. - С. 13-15.
4. Лабораторная работы №108 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://pnu.edu.ru/media/filer_public/2013/04/03/lab10 8.pdf. (22.02.2020)
5. Элементы физической механики: учеб. пособие / А.В. Кирюшин, Т.Н. Брюханова, М.Б. Добро-мыслов, С.А. Зайцев, А.В. Михеенко. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2015. - 111 с
