Рейтинг@Mail.ru

РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА КАК ИНСТРУМЕНТА В ИЗУЧЕНИИ ПРЕДМЕТОВ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ЦИКЛА

Лебединская Алла Робертовна

Ростовский институт (филиал) ГОУ ВПО «Российский государственный торгово-экономический университет», кафедра информационных технологий (ГОУ ВПО РИ(Ф) «РГТУ»), г. Ростов-на-Дону

задать вопрос автору

Освещены преимущества использования виртуального эксперимента при обучении студентов физике, химии как основного метода интенсификации и индивидуализации образовательного процесса при освоении предметов естественнонаучного цикла.

Процесс информатизации проявляется во всех сферах человеческой деятельности. Использование современных информационных технологий становится одним из необходимых условий создания эффективных средств обучения, преподавания и совершенствования методики проведения экспериментальных исследований. Использование мультимедийных технологий позволяет существенно интенсифицировать учебный процесс во всех его аспектах, повысить у учащихся мотивацию к обучению, успешно осуществить индивидуальный подход, существенно повысить эффективность и качество образования.

Современное образование должно давать студентам не только сумму базовых знаний, но и развивать их интеллектуальные и творческие способности при выполнении экспериментальных исследований с использованием средств новых информационных технологий. Методы современного научного познания основаны на широком применении компьютерной техники, которая стала как средством для проведения научных исследований, так и средством для анализа полученных результатов.

В соответствии с изменениями, произошедшими в научных исследованиях, возникла необходимость совершенствования техники и методики проведения учебных экспериментальных исследований.

Преобразования, происходящие сейчас в России и мире, выдвигают возросшие требования к системе образования и подготовке специалистов, имеющих системное мировоззрение, основанное на фундаментальных знаниях, а так же владеющих навыками решения сложных прикладных научно-технических задач. Будущий инженер должен научиться самостоятельно строить физические модели исследуемых процессов и явлений, проводить необходимые расчёты сложных математических моделей, описывающих задачу, анализировать результаты проведённых экспериментов, принимать обоснованные решения.

Важно отметить три важных аспекта компьютерных технологий применительно к использованию их в учебном процессе при обучении физике:

  1. Интерактивные возможности визуализации сложных физических и математических моделей для развития образного мышления и для усиления общей фундаментальной подготовки.
  2. Использование компьютерных технологий при выполнении специальных лабораторных практикумов.
  3. Использование современных сетевых технологий для дистанционного образования.

При изучении законов физики большое значение имеет формирование целостной картины мира, материалистического мировоззрения будущих специалистов. Необходимо на занятиях показать студентам связь теоретических представлений с экспериментальными закономерностями проявления их в природе. Эту связь особенно важно установить на ранних этапах изучения физики.

Лабораторный практикум является неотъемлемой частью технического образования. К сожалению, в последнее время наметилась тенденция на сокращение аудиторного времени образовательного процесса, в том числе и практических занятий. Решение проблемы ознакомления учащихся с современными методами физических исследований естественно ставит перед преподавателем вопрос о необходимости обновления и постоянного совершенствования оборудования физической лаборатории, связанного с существенными и постоянными финансовыми затратами.

Необходимо отметить, что постановка многих «простейших» экспериментов, подтверждающих правильность основных законов классической физики, оказывается весьма трудной с технической точки зрения даже при проведении лекционных демонстраций, не говоря уже о лабораторной работе. В частности, во многих случаях, например, не удаётся добиться достаточной изолированности изучаемой системы от внешних воздействий, чтобы «высветить» студентам наиболее существенные причинно-следственные связи в наблюдаемом явлении.

Моделирование физических процессов средствами компьютерной графики, напротив, оказывается сейчас наиболее простым и доступным для многих физических лабораторий инструментом для демонстрации классических законов физики. Многие проблемы неразрешимые при постановке реальных экспериментов, при компьютерном моделировании оказываются легко устранимыми.

Виртуальные лабораторные работы позволяют не только в лучшей мере освоить фундаментальные физические явления и законы, но и познакомиться с основными приёмами проведения и обработки естественно-научного эксперимента.

Использование моделирующих компьютерных работ обеспечивает:

Анализ результатов по использованию виртуального эксперимента в учебном процессе позволяет говорить о следующих неоспоримых преимуществах его применения:

  1. обеспечивают возможность визуализации наблюдаемых явлений с последующим сохранением полученных результатов эксперимента;
  2. позволяют исследовать динамику физического процесса в реальном и замедленном масштабах времени;
  3. обеспечивают возможность многократного повторения физического процесса, эксперимента;
  4. обеспечивают постановку экспериментов практически по всем разделам курса физики;
  5. обеспечивают фронтальность проведения лабораторных работ, равные возможности для всех учащихся в лаборатории;
  6. расширяют спектр возможностей виртуальных экспериментов по сравнению с реальными;
  7. снижают риск, связанный с неправильной эксплуатацией и нарушением правил техники безопасности при работе с реальными установками.

Наиболее перспективное решение проблемы дальнейшего развития техники учебного физического эксперимента может быть найдено при самостоятельном изготовлении автоматизированных измерительных компьютерных комплексов. Инструментальной средой, позволяющей разрабатывать и создавать, по сути, уникальные лабораторные установки, в том числе и с удаленным доступом, является программно-аппаратное средство LabVIEW фирмы National Instruments. Компьютеры, комплектуемые дополнительными модулями, преобразуются в полноценные лабораторные стенды с полным набором измерительной аппаратуры. Относительная простота программирования на LabVIEW, наличие большого количества готовых к применению виртуальных приборов и функциональных блоков позволяет быстро видоизменять, модернизировать и дополнять лабораторные установки, расширять круг решаемых задач. При этом суммарная стоимость такой гибкой, перенастраиваемой компьютерной измерительной лаборатории оказывается в несколько раз меньше по сравнению с аналогичной лабораторией, укомплектованной обычными, реальными приборами. Дизайн и интерфейс лабораторных работ может быть разработан таким образом, чтобы отображаемые на экранах мониторов компьютеров лабораторные стенды с максимально возможным приближением воспроизводили реально существующие измерительные приборы, традиционно используемые на практических занятиях при лабораторных исследованиях.

Замена многочисленных измерительных приборов централизованной информационно измерительной системой на базе LabVIEW позволяет резко сократить сроки разработки и освоения новых работ и получить заметную экономию финансовых и временных ресурсов.

В заключение можно отметить, что прогресс в образовании связан с развитием способности студентов самостоятельно изучать новые сложные явления и использовать эти знания на производстве. Этому в значительной мере способствует совершенствование учебной базы образовательного учреждения и методик лабораторного эксперимента. Современные технические средства и компьютерные технологии позволяют решать эту задачу наиболее эффективным и экономичным образом.

Однако следует подчеркнуть, что компьютерный лабораторный практикум может стать лишь дополнением к традиционному практикуму и не способен в полной мере его заменить.

Литература

  1. Дж. Тревис. LabVIEW для всех. М.:ДМК Пресс, 2004.
  2. Б. Патон. LabVIEW: Основы аналоговой и цифровой электроники. М.: Корпорация National Instruments, 2002.
  3. Малахов Н. Н. Горбачев Н. Б., Папуш Е. Г. Опыт эксплуатации автоматизированных лабораторных комплексов с использованием компьютерных технологий National Instruments. Сб. трудов конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW» М., РУДН, 2003. — С. 57—60.