CC BY
17
Scientific journal PHYSICAL AND MATHEMATICAL EDUCATION
Has been issued since 2013.
Науковий журнал Ф1ЗИКО-МАТЕМАТИЧНА ОСВ1ТА
Видасться з 2013.
http://fmo-journal.fizmatsspu.sumy.ua/
Ситнков О.В. Засоби створення та використання в'ртуально¡'фiзично¡лабораторП. Ф'1зико-математична освта.
2018. Випуск 1(15). С. 298-301.
Sytnikov O. Means Of Creating And Using A Virtual Physical Laboratory. Physical and Mathematical Education. 2018.
Issue 1(15). Р. 298-301.
УДК 621.317.75
О.В. Ситшков
На^ональний техшчний ун'1верситет Украни «Кшвський пол'техшчний 'шститут iM. 1горя Скорського», Украна
axv_sitnikov@mail.ru DOI 10.31110/2413-1571-2018-015-1-057
ЗАСОБИ СТВОРЕННЯ ТА ВИКОРИСТАННЯ В1РТУАЛЬНО1 Ф1ЗИЧНО1 ЛАБОРАТОРП
Анота^я. Стаття присвячена створенню комп'ютерно¡' лабораторп для використання складних(наприклад, до так прилад'1в можна в'днести осцилограф) або небезпечних прилад'в (як варiант ядерний реактор), що необхiднi при вивченi курсу ф'!зики. Дае можлив'1сть використовувати обладнання, яке не в повному доступ! для проведення занять та в наявностi в лаборатор!ях. Також не всi приладi можна розм!стити в лабораторп, внасл'док ¡х розм!р!в («бочка Паскаля»). Запропоновано поеднати курси фiзики та iнформатики, даючи можливкть учням дороблювати власноруч програмнi блоки. Для виршення поставлено¡' задач'1 можна скористатись стандартними шаблоном для розробки вебдодатк'в, а можна розроблювати власноруч. Другий варiант, зрозумло, значно краще використовувати, як спо&бпоглибити знання в програмуванш. Рекомендовано надавати учням можливкть програмування самостйно, т.я. перед початком програмування необхдно досконало вивчити сам процес, що у свою чергу значно пдвищить знання з курсу ф'зики. Розглянуто варiанти двох мов програмування та в'дпов'дно двох засоб'1в реал'зацП. Варiант з використанням веб програмування практично дае можливкть дистан^йного навчання. Наведено приклад вигляду робочо¡' стор'шки вчителя без керувальних дй, т/'льки спостер/'гати переб'1г роботи в р'зних пiдгрупах. Можна розширити запитом на вив'д результат'¡в в окремим в'кном, засобом в'дпов'д навчальнй грут. 1нша мова програмування представляе створення локального, встановлена для кожного кожного комп'ютера окремо, програмного продукту. Bd дан про переб'г виконання лабораторно¡' роботи можна виводити текстов'1 поля та будувати графiчно. Як мову програмування запропоновано використовувати Object Pascal, що в'дпов'дае двом основним критер'тм: легке сприйняття програмного коду (рекомендовано, як навчальний програмний продукт) та немае необх'1дност'1 в л/^нзш - мова програмування в загальному достут.
Приведена, як приклад, лабораторна робота показуе можливост'1 тдход'1в до побудови комп'ютерно¡'модел'1 лабораторно¡' установки. Отриман модел'1 проходять перев'рку на адекватнсть - порiвняння результат'в роботи програми з експериментальними даними. В подальшому е можливкть значно вдосконалити зображення, зробити його анмованим (в статт'1 наводяться статичн малюнки), наприклад, рухстрлки, пересування повзунка реостата.
Кпючовiслова: осцилограф, в'ртуальналабораторiя, програмний блок, комп'ютерна модель.
Постановка проблеми. Курс фiзики в 3a^bHoocBi™ix школах безпосередньо пов'язаний з проведенням лабораторних po6iT, для вщпрацювання практичних навичок та бтьш досконального засвоення матерiалу. Коли мова ще про склады лабораторн установки (наприклад з використанням осцилографу), то матерiальнi бази фiзичних лабораторм бтьшосп навчальних закладiв в кращому випадку мають в наявност один прилад, а в пршому - жодного i вивчення вщбуваеться за допомогою тдручни^в i плакат. Це по'вязан iз значною собiвартiстю устаткування i практично не мае можливост провидити роботи учням власноруч.
Данна проблема може бути виршена за допомогою створення комп'ютерно! моделi приладу, що буде повним аналогом реального приладу з можливктю використання мобтьних додат^в.
Аналiз актуальних дослщжень. В даному напрямку було запропоновано та розроблено математичн (комп'ютеры) моделi для електричних кл змшного струму[1]. Мовою програмування було обрано Object Pascal.
Мета статп. Розглянути приклад комп'ютерного проектування лабораторних стендiв для вивчення курсу фiзики на прикладi лабораторно! роботи дослщження явища електромагытно! шдукцп
Виклад основного матерiалу. При виборi мови проектування спочатку необхщно виршити питання який зааб використання передбачений.
ISSN 2413-158X (online) ISSN 2413-1571 (print)
Ф1ЗИКО-МАТЕМАТИЧНА ОСВ1ТА (ФМО)
випуск 1(15), 2018
Модель лабораторного стенду виконана з використанням веб програмування дозволяе збер^ати результат на серверi для подальшого використання, сервер можу бути локальний у мережi до яко''' пщключеы комп'ютери. Розглянемо приклад стандартного лабораторного стенду для виконання лабораторной' роботи дослщження явища електромагнiтноí шдукцм.
Рис. 1. Схема лабораторноУустановки по досл'дження явища електромагнтноïндукцП.
На cxeMi представлен двi котушки (А i В), що насаджен на спiльне осердя, котушка В через реостат приеднана до джерела струму, котушку А замкнено на гальванометр. Дослщ вiдбуваеться наступим чином: пересуваючи повзунок реостата, в котушц А буде йти електричний струм, струм виникатиме як пщ час збтьшення, так i пiд час зменшення сили струму в котушц В. А от напрямок струму буде рiзним. У разi збтьшення сили струму стртка гальванометра вщхилятиметься в один бiк, а в разi зменшення — в Ыший. Струм у котушцi А виникатиме також у момент замикання та в момент розмикання кола котушки В [2].
Веб штерфейс дано'|' схеми представлений на рисунку 2, де об'ект checkbox вщповщае за ключ, значення в текстовому полi пщ реостатом - положення плунжера, а покази гальванометра - вщповщне текстове поле праворуч (text), подальший back-end розроблений на мовi php [3,4]. Принцип роботи полягае в тому, що змодельовано роботу гальванометра на позищю ключа та положення повзунка реостата. Комп'ютерна модель може бут двох титв: у виглядi формули та у виглядi масиву значень.
Опеатор if перевiряе чи увiмкнений премикач i переходить до вщповщно'|' частино програмного коду. В першому випадку значення (положення), що показуе гальванометр залежить вщ значення опору, тобто формуеться комп'ютерна модель, що адекватна ексеприментальним даним. В другому випадку кожному значенню опора вщповщае певне значення показу гальванометра, тобто коли на реостат буде задано зачянна, вщповщний йому показ береться з масиву.
Рис. 2. Веб '¡нтерес лабораторноУ роботи явища електромагнiтноУ шдукцП
Даны, що вводяться (положення плунжера, замкнений/розiмкнений ключ) та результати (покази гальванометра) заносяться до бази даних у вщповщы поля. Одразу слщ зазначити, що данна схема е ттьки прикладом, для розв'язку поставлено'' задачк Можна вдосканалювати зовншый вигляд схеми, додавати текста поля для вводу значень. На рисунку 3 представлений приклад робочого столу викладача, з полями для виводу результату.
Рис. 3. Робоча сторiнка викладача для аналiзу виконання лабораторноУ роботи
Викладач роблячи запит до бази даних [4], може виводити шформа^ю про результати роботи конкретно! пщгрупи, так i бачити роботу вае! навчально! групи (класу). Доступ до шформаци вiдбуваeться в реальному чаа.
Наприклад, коли учнi вщповщно! пiдгрупи увiмкнуть ключ, то в полi text зявиться слово «Так», поточне положення повзунка реостата представлено у другому стопчику. В даному прикладi 0 - крайне праве положення, 100 - крайне лiве, фактично виводиться в процентах, однак може бути i поточне значення опору.
Запити до вщповщних полiв вже зроблеы, тобто викладачу самоспйно програмувати необхщност нема. За необхщыстю можна добавити кнопки, при натисканы на яку можне побачити вс результати виконання роботи окремо! пщгрупи або вае! навчально! групи. За небхщыстю можна побудувати графiки результат виконання роботи використовучи JavaScript.
Зрозумто, що поточна задача не е складною, була приведена як приклад виконання лабораторно! роботи за приципом клiент-сервер.
На базi дано! лабораторно! роботи розглянемо використання алгорт^чно! мови Object Pascal та IDE Delphi [5]. 1нтерфейс створеного програмного продукту представлений на рисунку 4. Основною перевагою IDE Delphi е те, що при комптяци програми створюеться ехе-додаток, який можна запускати автономно, не вщкриваючи програмне середовище. Якщо виникли питання до програмного забезпечення Delphi, то можна замшити вщкритим аналогом Lazarus, даний програмний продук мае трохи меньше можливостей, але для виконання поставлено! задачi вистачить
Рис. 5. Програмний iнтерфейс лабораторно)' роботи дослiдження явища електромагнтно) ндукцП
В даному випадку приведено використання об'екта Chart для побудови графiчной залежносп. Для iмiтацi,i роботи реостата вибраний елемент SpineEdit, в зв'язку з тим, що вш перебирае елементи з кроком 1 i одразу працюе з числовою шформа^ею, тобто не треба зайвого коду на перевод з рядка в число. Дан по робот гальванометра виводяться у вщповщш рядки об'екту CheckListBox.
Як i в попередый задачi кожне значення показiв приладу можна обраховувати, а можно брати з вже кнуючого масиву експериментальних даних тросто вiводити та будувати на графту для вщповщних точок реостата. Очевидно, що для сучасних ЕОМ обидвi задачi займуть лiченi долi секунди.
Модель кожного апарату схеми може бути виконана у виглядi пiдпрограми, з яких утворений програмний модуль, що дозволить використовувати в рiзних роботах вже створен програмнi засоби. Як приклад: в трьох лабораторних роботах використовуеться реостат, при пщключеы модуля достатнь буде викликати вщповщну пiдпрограму з комп'ютерною моделлю пристроя, що працюе за вщповщним алгоритмом.
Процес програмування може бути запропонований учням, однак зрозумто, що для повноцшого виконання задачi необхiдно розумiти сам процес для якого створюеться комп'ютерна модель. Таким чином це дозволитиь значно краще засво!ти матерiал курсу фiзики.
Висновки. В результатi проведених дослщжень розроблено приклад програмного забезпечення для лабораторно! роботи з курсу фiзики з використанням двох мов програмування (веб та числове). Дозволило виршити проблему не повноцшно! комплектаци лабораторно! бази, та постановку задачi для курсу шформатики - розробки програмного забезпечення, що значно повисить рiвень знань у галузi програмування, комп'ютерного моделювання та розглянутих роздiлiв фiзики
Список використаних джерел
1. Ткаченко В.М., Таранець А.А. Використання комп'ютерного моделювання при вивченн нерозгалуженого електричного кола змшного струму. Фiзико-математична освп^а. Науковий журнал. Суми : Вид-во СумДПУ iм.А.С.Макаренка, 2016. Випуск 4(10). С. 135-139.
2. Коршак £.В., Ляшенко О.1., Савченко В.Ф. Фiзика 11клас. Пщручник для загальноосвiтнiх навчальних закладiв. Рiвень стандарту. «Генеза». Ки!в, 2011. 262с.
3. Дженнифер Нидерст Роббинс HTML5, CSS3 и JavaScript. Исчерпывающее руководство. «Эксмо» Москва,2014 528с.
4. Колисниченко Д.Н. Самоучитель РНР 5. «Наука и техника» Санкт-Петербург, 2004 578с.
5. Архангельский А.Я. Приёмы программирования в Delphi. «Бином» Москва, 2004 846с.
W3MK0-MATEMATMHHA OCBITA ($MO)
BunycK 1(15), 2018
References
1. Tkachenko V. Using computer modeling at studying branched circuit AC. / Tkachenko V., Taranets A. // Fizyko-matematychna osvita. Naukovyi zhurnal. - Sumy : Vyd-vo SumDPU im.A.S.Makarenka, 2014. - # 4 (10). - S. 135-139. (in Ukrainian)
2. Korshak E.V. Physics 11 class A textbook for general educational institutions. standard level / E.V. Korshak, O.I. Lyashenko, V.F. Savchenko // «Geneza» - Kiev, 2011 - 262s.
3. Jennifer Niederst Robbins. Learning Web Design: A Beginner's Guide to HTML, CSS, JavaScript / Jennifer Niederst Robbins //«Eksmo» - Moskva, 2014 - 528s.
4. Kolisnichenko D.N. Self-teaching PHP 5 / D.N. Kolisnichenko // «Nauka I tehnika» - Sanct-Peterburg, 2004. - 578s.
5. Arhangelsky A.Y. Programming techniques in Delphi/ A.Y. Arhangelsky // «Binom» - Moskva, 2004 - 846s.
MEANS OF CREATING AND USING A VIRTUAL PHYSICAL LABORATORY Oleksii Sytnikov
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" Abstract. The article is devoted to the creation of a computer laboratory for the use of complex (for example, such devices may include an oscilloscope) or dangerous devices (as a variant of the nuclear reactor), which are necessary for the study of the physics course. Provides the ability to use equipment that is not fully accessible for occupations and available in laboratories. Also, not all devices can be placed in the laboratory, due to their size ("barrel of Pascal"). It is suggested to combine the courses of physics and informatics, giving students the opportunity to work out their own software blocks. To solve this problem, you can use a standard template to develop Web applications, but you can develop it yourself. The second option, of course, is much better used as a way to deepen knowledge in programming. It is recommended to provide students with the possibility of programming on their own, i.e. before starting programming it is necessary to study the process thoroughly, which in turn will greatly increase the knowledge of the course of physics. Two variants of programming languages and two means of implementation respectively are considered. An option using web programming practically gives you the possibility of distance learning. An example is the example of a teacher's work sheet without guiding action, only to observe the course of work in different subgroups. You can expand the query to display the results in a separate window, a means to respond to the training group. Another programming language represents the creation of a local, installed for each individual computer, a software product. All data on the progress of laboratory work can be displayed text fields and constructed graphically. As a programming language, it is suggested to use Object Pascal that meets two main criteria: easy perception of the program code (recommended as a training software product) and no need for licenses - the general-purpose programming language.
As an example, the laboratory work illustrates the possibilities of approaches to constructing a computer model of a laboratory installation. The resulting models are tested for adequacy - comparison of the results of the program with experimental data. In the future, it is possible to significantly improve the image, make it animated (static images are given in the article), for example, movement of the arrow, movement of the slider of the rheostat.
Key words: oscilloscope, virtual laboratory, software arm, computer model.
