Роль визуализации данных лабораторного эксперимента при изучении физики бакалаврами инженерно-технических направлений подготовки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль визуализации данных лабораторного эксперимента при изучении физики бакалаврами инженерно-технических направлений подготовки

Анисина И.Н., к.т.н., Огерчук А.А., к.п.н., Пискарёва Т.И., к.т.н. Оренбургский государственный университет

физика лабораторный программа origin

Обучение физике нельзя представить только в виде теоретических занятий, даже если студентам демонстрируются физические опыты. Невозможно изучение процессов и явлений физики без решения задач и соответствующей практической работы собственными руками. В физической лаборатории бакалавры не только проверяют известные законы физики, но и обучаются работе с физическими приборами, овладевают навыками экспериментальной исследовательской деятельности. С одной стороны, занятия в лаборатории являются необходимой составляющей освоения физики как экспериментальной науки, с другой, процесс выполнения заданийфизического практикума переносит акцент на аналитический компонент учебной деятельности. Курс физики в высших учебных заведениях, представляет собой основу для формирования естественно-научного знания, следовательно, он должен отражать современное состояние этой науки и являться мировоззренческим.

Для подготовки квалифицированных специалистов в различных областях необходимо сочетание фундаментального и прикладного знания, а также использования достижений теоретической, экспериментальной и вычислительной физики. В структуре ООП инженерных направлений подготовки бакалавриата физика входит в базовую часть естественно-научного и математического цикла дисциплин. Целью изучения является освоение основных законов физики и возможностей их применения при решении задач, возникающих в последующей профессиональной деятельности студентов вне зависимости от направления подготовки бакалавров, т.е. основу для непрерывности и преемственности обучения инженерным специальностям [1].

В условиях ограниченных временных, материальных и иных ресурсов достижение целей инженерного образования требует организации совместной работы преподавателя и студента и повышения эффективности процесса обучения. Однако ситуация осложняется слабой подготовкой вчерашних абитуриентов, что показывают итоги обучения в первом семестре.

Большие пробелы в базовых знаниях физики приходится ликвидировать в основном на младших курсах. Более того, ситуация усугубляется отсутствием у них опыта выполнения лабораторных работ, т.к. старшеклассников готовят преимущественно к сдаче ЕГЭ, и сокращением числа часов, выделяемых на изучение физики. При этом для большинства инженерных направлений подготовки бакалавриата уменьшена доля аудиторных занятий при одновременном увеличении доличасов, которые отводятся на самостоятельную работу. Например, общая трудоемкость дисциплины «Физика» для студентов бакалавров, обучающихся на инженерных направлениях подготовки бакалавриата ОГУ, как правило, составляет 9 зачетных единиц (324 академических часов), из которых на лабораторные занятия выделяется всего 32 часа.

Таким образом, необходимо оптимизировать процесс выполнения лабораторных работ студентами, не потеряв при этом его качество. По нашему мнению, использование прикладных программ для расчетов результатов измерений, вычисления погрешностей, построения зависимостей позволяет упростить расчеты, освободив студентов от рутинной работы. При этом компьютерная обработка позволяет более наглядно графически представить результаты измерений, изменять масштаб графиков, выделять и рассматривать отдельные участки графика, строить теоретическую зависимость и сравнивать её с экспериментальной.

Для освоения таких прикладных программ и ознакомления первокурсников с процессом выполнения лабораторных работ авторами было издано учебное пособие «Анализ и визуализация данных лабораторного эксперимента по физике». Пособие содержит краткое введение в теорию ошибок и рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсу общей физики, описаны приемы обработки экспериментальных данных, их графическое представление и составление итогового отчета. Приведены примеры выполнения лабораторных работ с использованием программных продуктов [2].

Особенностью данного учебно-методического пособия является то, что оно целиком опирается на реальные задачи, которые приходилось решать соавторам при проведении занятий. Мы убеждены, что учить нужно на конкретных и осмысленных примерах, которые способны убедить студента в действительной полезности преподносимых ему знаний. Тем самым мы пытаемся восстановить равновесие между классической университетской системой образования, ориентированной на фундаментальные знания, и потребностями реальной жизни, в которой зачастую требуются практические навыки. Опыт преподавания на конкретных примерах убеждает нас в том, что при таком подходе студенты с первого же занятия получают необходимые навыки для выполнения лабораторных работ, самостоятельно осваивают дополнительные возможности программных пакетов.

Учебно-методическое пособие, естественно, не охватывает всего круга задач, с которыми может столкнуться физик. Наша задача - убедить студентов в полезности изучения программных пакетов и стимулировать их самостоятельно осваивать эти пакеты, сообразуясь со своими конкретными потребностями. На протяжении всего текста мы старались последовательно закреплять приобретенные знания: часть работы предлагается выполнять самостоятельно, новая информация вводится очень небольшими порциями и опирается на полученные ранее знания. В конце текста приводятся задания для самостоятельной работы, которые должны помочь закрепить изученный материал.

Все современные пакеты включают наряду с большой библиотекой стандартных функций и методов также средства удобного представления исходных данных и результатов, а также большой набор средств отображения результатов в графическом виде. Это, в конечном счете, позволяет исследователю значительно больше времени уделить основному объекту исследования, упростить или свести к неким стандартным действиям работу по созданию отчета выполненной лабораторной работы [3].

Наиболее доступной и универсальной в настоящее время является MS Excel, однако с ее помощью можно решить не все поставленные задачи, так как программа разрабатывалась для решения повседневных офисных задач. Другой распространённой программой является пакет MATHCAD, который позволяет проводить вычисления с произвольной точностью, работать с различными типами данных (комплексные, векторы, матрицы), использовать библиотеки математических функций. Пакет объединяет в себе: редактор математических формул, библиотеку математических функций, процессор символьных преобразований, текстовый редактор, графические средства представления результатов, позволяет не только произвести вычисления, но и получить документ - итоговый отчет с комментариями, формулами, таблицами и графиками.

Одним из наиболее мощных средств графического представления результатов является программный продукт Origin [4, 5]. Этот пакет уступает таким широко распространенным пакетам как Mathematika, MathCAD, Maple в качестве математической обработке результатов, однако он позволяет не только просто строить графики и оформлять их в соответствии с желанием автора, но и проводить математическую обработку результатов: искать зависимости в данных, проводить численное дифференцирование и интегрирование, осуществлять интерполяцию и экстраполяцию, проводить необходимые преобразования данных непосредственно в самой программе (рисунки 1-3).

Предполагается, что учебно-методическое пособие будет полезно при изучении физики для обучающихся по образовательным программам высшего образования естественнонаучных и инженерно-технических направлений подготовки - всем тем, кому по роду своей деятельности приходится иметь дело с анализом и визуализацией экспериментальных данных.

Рисунок 1 - Пример математической обработки результатов в MS Excel

Рисунок 2 - Пример представления экспериментальных данных в MathCAD

Рисунок 3 - Графическое представление результатов эксперимента в Origin

Список литературы

1. Бюллетень научно-методического совета по физике. №4 / Сост. Н.М. Кожевников - СПб. : Изд-во Политехнического ун-та. - 2012. - 84 с.

2. Огерчук А.А. Анализ и визуализация данных лабораторного эксперимента по физике: учебное пособие для обучающихся по образовательным программам высшего образования по направлениям подготовки, входящих в состав укрупненных групп направлений подготовки 15.00.00 Машиностроение, 24.00.00 Авиационная и ракетно-космическая техника, 27.00.00 Управление в технических системах / А.А. Огерчук, Т.И. Пискарёва, И.Н. Анисина; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. образования "Оренбург. гос. ун-т". - Оренбург: ОГУ. - 2018. - ISBN 978-5-7410-2098-2. - 119 с. Загл. с тит. экрана.

3. Лабораторный практикум по общей физике. Т.3/ Под ред. Ю.М. Ципенюка. - М.: Изд-во МФТИ. -1998.

4. Леонтьева Н.В. Применение ИКТ в натурном эксперименте лабораторного практикума по физике / Н.В. Леонтьева // Молодой ученый. - 2013. - №6. - С. 700-703.

5. Исакова О.П. Обработка и визуализация данных физических экспериментов с помощью пакета Origin: Учебно-методическое пособие / О.П. Исакова, Ю.Ю. Тарасевич. - Астрахань. - 2007.

Размещено на Allbest.ru