Засоби створення та використання віртуальної фізичної лабораторії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Засоби створення та використання віртуальної фізичної лабораторії

Стаття присвячена створенню комп'ютерної лабораторії для використання складних (наприклад, до так приладів можна віднести осцилограф) або небезпечних приладів (як варіант ядерний реактор), що необхідні при вивчені курсу фізики. Дає можливість використовувати обладнання, яке не в повному доступі для проведення занять та в наявності в лабораторіях. Також не всі приладі можна розмістити в лабораторії, внаслідок їх розмірів («бочка Паскаля»). Запропоновано поєднати курси фізики та інформатики, даючи можливість учням дороблювати власноруч програмні блоки.

Для вирішення поставленої задачі можна скористатись стандартними шаблоном для розробки веб-додатків, а можна розроблювати власноруч. Другий варіант, зрозуміло, значно краще використовувати, як спосіб поглибити знання в програмуванні. Рекомендовано надавати учням можливість програмування самостійно, т.я. перед початком програмування необхідно досконало вивчити сам процес, що у свою чергу значно підвищить знання з курсу фізики. Розглянуто варіанти двох мов програмування та відповідно двох засобів реалізації. Варіант з використанням веб-програмування практично дає можливість дистанційного навчання. Наведено приклад вигляду робочої сторінки вчителя без керувальних дій, тільки спостерігати перебіг роботи в різних підгрупах. Можна розширити запитом на вивід результатів в окремим вікном, засобом відповіді навчальній групі. Інша мова програмування представляє створення локального, встановлена для кожного комп'ютера окремо, програмного продукту. Всі дані про перебіг виконання лабораторної роботи можна виводити текстові поля та будувати графічно. Як мову програмування запропоновано використовувати Object Pascal, що відповідає двом основним критеріям: легке сприйняття програмного коду (рекомендовано, як навчальний програмний продукт) та немає необхідності в ліцензій - мова програмування в загальному доступі.

Приведена, як приклад, лабораторна робота показує можливості підходів до побудови комп'ютерної моделі лабораторної установки. Отримані моделі проходять перевірку на адекватність - порівняння результатів роботи програми з експериментальними даними. В подальшому е можливість значно вдосконалити зображення, зробити його анімованим (в статті наводяться статичні малюнки), наприклад, рух стрілки, пересування повзунка реостата.

Постановка проблеми. Курс фізики в загальноосвітніх школах безпосередньо пов'язаний з проведенням лабораторних робіт, для відпрацювання практичних навичок та більш досконального засвоєння матеріалу. Коли мова іде про складні лабораторні установки (наприклад з використанням осцилографу), то матеріальні бази фізичних лабораторій більшості навчальних закладів в кращому випадку мають в наявності один прилад, а в гіршому - жодного і вивчення відбувається за допомогою підручників і плакатів. Це пов'язані із значною собівартістю устаткування і практично не має можливості проводити роботи учням власноруч.

Дана проблема може бути вирішена за допомогою створення комп'ютерної моделі приладу, що буде повним аналогом реального приладу з можливістю використання мобільних додатків.

Аналіз актуальних досліджень. В даному напрямку було запропоновано та розроблено математичні (комп'ютерні) моделі для електричних кіл змінного струму[1]. Мовою програмування було обрано Object Pascal.

Мета статті. Розглянути приклад комп'ютерного проектування лабораторних стендів для вивчення курсу фізики на прикладі лабораторної роботи дослідження явища електромагнітної індукції

Виклад основного матеріалу. При виборі мови проектування спочатку необхідно вирішити питання який засіб використання передбачений.

Рис. 1. Схема лабораторної установки по дослідження явища електромагнітної індукції

Модель лабораторного стенду виконана з використанням веб-програмування дозволяє зберігати результат на сервері для подальшого використання, сервер можу бути локальний у мережі до якої підключені комп'ютери. Розглянемо приклад стандартного лабораторного стенду для виконання лабораторної роботи дослідження явища електромагнітної індукції.

На схемі представлені дві котушки (А і В), що насаджені на спільне осердя, котушка В через реостат приєднана до джерела струму, котушку А замкнено на гальванометр. Дослід відбувається наступним чином: пересуваючи повзунок реостата, в котушці А буде йти електричний струм, струм виникатиме як під час збільшення, так і під час зменшення сили струму в котушці В. А от напрямок струму буде різним. У разі збільшення сили струму стрілка гальванометра відхилятиметься в один бік, а в разі зменшення -- в інший. Струм у котушці А виникатиме також у момент замикання та в момент розмикання кола котушки В [2].

Веб-інтерфейс даної схеми представлений на рисунку 2, де об'єкт checkbox відповідає за ключ, значення в текстовому полі під реостатом - положення плунжера, а покази гальванометра - відповідне текстове поле праворуч (text), подальший back-end розроблений на мові php [3,4]. Принцип роботи полягає в тому, що змодельовано роботу гальванометра на позицію ключа та положення повзунка реостата. Комп'ютерна модель може бут двох типів: у вигляді формули та у вигляді масиву значень.

Опеатор if перевіряє чи увімкнений премикач і переходить до відповідної частино програмного коду. В першому випадку значення (положення), що показує гальванометр залежить від значення опору, тобто формується комп'ютерна модель, що адекватна експериментальним даним. В другому випадку кожному значенню опора відповідає певне значення показу гальванометра, тобто коли на реостаті буде задано зачянна, відповідний йому показ береться з масиву.

Рис. 2. Веб-інтерес лабораторної роботи явища електромагнітної індукції

Данні, що вводяться (положення плунжера, замкнений/розімкнений ключ) та результати (покази гальванометра) заносяться до бази даних у відповідні поля. Одразу слід зазначити, що дана схема є тільки прикладом, для розв'язку поставленої задачі. Можна вдосконалювати зовнішній вигляд схеми, додавати текстові поля для вводу значень. На рисунку 2 представлений приклад робочого столу викладача, з полями для виводу результату.

Викладач роблячи запит до бази даних [4], може виводити інформацію про результати роботи конкретної підгрупи, так і бачити роботу всієї навчальної групи (класу). Доступ до інформації відбувається в реальному часі.

Наприклад, коли учні відповідної підгрупи увімкнуть ключ, то в полі text з'явиться слово «Так», поточне положення повзунка реостата представлено у другому стопчику. В даному прикладі 0 - крайне праве положення, 100 - крайне ліве, фактично виводиться в процентах, однак може бути і поточне значення опору.

Запити до відповідних полів вже зроблені, тобто викладачу самостійно програмувати необхідності нема. За необхідністю можна добавити кнопки, при натисканні на яку можне побачити всі результати виконання роботи окремої підгрупи або всієї навчальної групи. За необхідністю можна побудувати графіки результатів виконання роботи використовучи JavaScript.

Зрозуміло, що поточна задача не є складною, була приведена як приклад виконання лабораторної роботи за принципом клієнт-сервер.

На базі даної лабораторної роботи розглянемо використання алгоритмічної мови Object Pascal та IDE Delphi [5]. Інтерфейс створеного програмного продукту представлений на рисунку 3. Основною перевагою IDE Delphi є те, що при компіляції програми створюється ехе-додаток, який можна запускати автономно, не відкриваючи програмне середовище. Якщо виникли питання до програмного забезпечення Delphi, то можна замінити відкритим аналогом Lazarus, даний програмний продук має трохи меньше можливостей.

Рис. 5. Програмний інтерфейс лабораторної роботи дослідження явища електромагнітної індукції

програмний фізика лабораторний

1.Ткаченко В.М., Таранець А.А. Використання комп'ютерного моделювання при вивченні нерозгалуженого електричного кола змінного струму. Фізико-математична освіта. Науковий журнал. Суми : Вид-во СумДПУ ім.. А.С. Макаренка, 2016. Випуск 4(10). С. 135-139.

2.Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика 11клас. Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів. Рівень стандарту. «Генеза». Київ, 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.

Размещено на Allbest.ru