КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КОГЕРЕНТНОЙ ОПТИКЕ
Грудин Борис Николаевич, Кисленок Евгений Геннадьевич*, Плотников Владимир Сергеевич*
Дальневосточный региональный центр Федерации Интернет—образования (ДВРЦ ФИО) г. Владивосток, *Дальневосточный государственный университет (ДВГУ) г. Владивосток
В работе рассматриваются вопросы организации компьютеризированного практикума по когерентной оптике на базе интранет-сети учебного заведения и универсальной программы имитационного моделирования когерентных оптических систем. Как правило, в ходе занятия каждым студентом выполняется серия экспериментов, как на реальном оборудовании, так и с помощью программы имитационного моделирования. При этом, на одном занятии возможно организовать методически более полное и системное рассмотрение вопросов учебной темы.
обсудить на форуме
написать автору
Постановка в рамках курсов физики, либо специальных дисциплин оптического профиля полноценного лабораторного практикума по когерентной оптике требует применения дорогостоящего оборудования: лазеров, высокоточной оптики, оптических скамей, голографических установок. Очевидно, в настоящее время большинство вузов не располагает в полной мере соответствующей технической базой оптического эксперимента. Вместе с тем, в последние годы произошел значительный количественный и качественный скачок в оснащении вузов высокопроизводительной компьютерной техникой и средствами телекоммуникаций. Это открывает новые возможности в организации учебного процесса в вузе, в частности, при проведении лабораторных практикумов.
Нами разработан компьютеризированный практикум, включающий комплекс работ по основным разделам когерентной оптики. Основная идея заключается в том, что учащийся на каждом лабораторном занятии должен провести как реальные эксперименты на лабораторных оптических установках, так и компьютерные имитационные эксперименты. В результате становится возможным не только преодолеть ограниченность материальной базы учебного эксперимента, но и организовать на практическом занятии методически более полное и системное рассмотрении студентами исследуемого процесса или явления.
При выполнении компьютерной части каждой работы учащийся, как правило, последовательно проходит следующие основные этапы.
- Воспроизведение проведенных на реальном оборудовании лабораторных экспериментов. На этом этапе студент должен удостовериться в справедливости математической модели рассматриваемого явления, лежащей в основе программы имитационного моделирования; оценить типовые искажения, обусловленные несовершенством реальных оптических элементов и неточностью сборки оптической схемы в целом; получить представление о специфических артефактах цифровых алгоритмов имитационного моделирования, особенностях их проявления в различных экспериментах и возможных способах нейтрализации их влияния.
- Воспроизведение реальных лабораторных экспериментов при критических значениях параметров, которые сложно реализовать на имеющемся лабораторном оборудовании.
- Проведение дидактически важных имитационных экспериментов, которые принципиально невозможно выполнить на имеющемся лабораторном оборудовании.
- Проведение имитационных экспериментов, самостоятельно конструируемых учащимся с целью получения тех или иных требуемых в задании оптических эффектов.
Для определения полей на выходе сложных оптических систем с произвольным расположением оптических элементов (транспарантов, линз, фильтров) необходим численный расчет интегралов Френеля, особенностью которых является наличие в подынтегральной функции квадратичного фазового множителя, частота осцилляций которого может быть достаточно большой. Для получения приемлемого быстродействия, особенно для обучающих программ, при вычислениях интегралов Френеля желательно использовать быстрые алгоритмы. Немаловажное значение имеют и возможности пользовательского интерфейса моделирующей программы. Один из быстрых алгоритмов расчета элементарного оптического каскада предложен нами в работе [1]. На его основе строится блочная цифровая модель многокомпонентной когерентной оптической системы, которая реализована в виде программы для персональных ЭВМ.
Студент с любого компьютера с помощью обычного интернет-навигатора заходит на соответствующую практикуму HTML-страницу институтского сервера, регистрируется, проходит тестовый опрос и получает индивидуальные задания. По итогам их выполнения готовится отчет в электронном виде (файл формата Word).
В рамках разработанного нами интранет-практикума по когерентной оптике учебные занятия проводятся в лабораториях, оборудованных оптическими скамьями, линзами, транспарантами, источниками когерентного излучения, системами фото — и видеорегистрации изображений, а также несколькими компьютерами класса Pentium, подключенными к локальной сети вуза. Организационное руководство выполнением работ осуществляется с интернет-сервера учебной кафедры, обеспечивающей практикум. Студент, находясь за любым компьютером учебной лаборатории, использует стандартную программу-навигатор, обычно это Internet Explorer либо Netscape Navigator, и обращается к странице практикума на сервере кафедры. Здесь размещена вся необходимая учащемуся информация, включая подробное описание программы имитационного моделирования когерентной оптической системы, электронные версии методических описаний работ практикума и т.д. Эта информация может быть прочитана непосредственно за рабочим компьютером, либо предварительно скопирована на дисковые носители. Моделирующая программа также может быть быстро скопирована с сервера и загружена на выполнение на рабочем компьютере.
На текущем занятии каждому студенту необходимо выполнить одну конкретную работу практикума. Чтобы получить задания к этой работе, учащийся должен сначала пройти регистрацию (заполняются поля специальной регистрационной формы), указать номер данной лабораторной работы в общем списке работ и затем успешно ответить на предложенные ему компьютером контрольные вопросы по соответствующей учебной теме. После этого программа сообщает учащемуся числовые значения параметров лабораторных и модельных установок, которые уточняют описанную в методических указаниях общую схему выполнения данной работы. Эти параметры “разыгрываются” программой случайным образом, но на основе введенных при регистрации уникальных данных студента. Этим реализуется аспект индивидуализации обучения при выполнении лабораторной работы. При защите отчета преподаватель может установить, соответствуют ли использованные параметры лабораторных экспериментов тем, которые действительно были предложены программой этому студенту.
В целом, как видно из вышеописанного, реализованная нами организационная схема проведения занятий в значительной мере повторяет традиционные, давно применяемые в педагогической практике организационно-методические схемы проведения лабораторных работ, но при существенном использовании средств автоматизации. При этом становится возможным в ходе одного занятия рассмотреть в совокупности существенно более широкий круг экспериментов, что при методически обоснованном подборе и расстановке таких экспериментов должно содействовать формированию у студентов более глубоких и системных представлений об изучаемом учебном материале.
Литература:
- Грудин Б.Н., Плотников В.С., Фищенко В.К. Моделирование на ЭВМ многокомпонентной когерентной оптической системы // Изв. вузов. Приборостроение. 2001. Т. 44, № 3. — С.34 — 39.