Віртуальний фізичний практикум на платформі LabVIEW з розділу "Дифракція світла"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет Одеська морська академія, м. Одеса

Кафедра фізики і хімії

Віртуальний фізичний практикум на платформі LabVIEW з розділу «Дифракція світла»

Птащенко Федір Олександрович

доктор фізико-математичних наук, доцент

академік Національної академії наук вищої освіти України

завідувач кафедри

Велика Ольга Іванівна

старший викладач

Полосіна Валентина Миколаївна

старший викладач

Анотація

лабораторний стенд програмний забезпечення

У сучасних вищих навчальних закладах лабораторні експерименти відіграють ключову роль у засвоєнні студентами фізичних концепцій. Однак, доступність обладнання, брак часу та проблеми безпеки можуть обмежувати можливості для практичного дослідження складних фізичних явищ. Наша стаття надає новаторський підхід до подолання цих перешкод за допомогою віртуальних лабораторних стендів, створених на платформі LabVIEW. В рамках нашого дослідження ми зосередилися на явищі дифракції світла на круглому отворі та щілині, розробивши віртуальні стенди, які відтворюють ці умови та пропонують студентам можливість проведення експериментів без фізичного обладнання. Такий підхід не тільки покращує процес навчання, надаючи універсальний та доступний інструмент для вивчення фізики, але також дозволяє подолати географічні та фінансові обмеження, які можуть виникнути під час використання традиційних лабораторних стендів. Стаття докладно описує дизайн та реалізацію віртуальних лабораторних стендів на платформі LabVIEW, включаючи розробку програмного забезпечення та візуалізацію результатів експериментів. Ми також обговорюємо потенційний вплив цієї інноваційної віртуальної платформи на розвиток лабораторного практикуму з фізики, включаючи її застосування у дистанційному навчанні та можливості для індивідуалізації навчання. У нашій статті ми також обговорюємо практичні переваги віртуальних лабораторних стендів, включаючи можливість повторюваності експериментів, масштабованість та адаптивність до різних рівнів знань студентів. Ми надаємо детальний опис методології проведення віртуальних експериментів, включаючи кроки з підготовки, виконання та аналізу результатів. Наша робота відкриває нові перспективи в галузі освіти, пропонуючи студентам та викладачам інноваційний інструмент для вивчення фізики, який долає безліч традиційних обмежень та сприяє більш глибокому та ефективному засвоєнню матеріалу.

Ключові слова: віртуальний лабораторний практикум, дистанційне навчання, LabVIEW.

Ptashchenko Fedir Oleksandrovych Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Academician of the National Academy of Sciences of Higher Education of Ukraine, Head of the Department of Physics and Chemistry, National University Odesa Maritime Academy, Odesa

Velyka Olha Ivanivna Senior Lecturer of the Department of Physics and Chemistry, National University Odesa Maritime Academy, Odesa

Polosina Valentyna Mykolajivna Senior Lecturer of the Department of Physics and Chemistry, National University Odesa Maritime Academy, Odesa

Virtual physics practicum on the Lab VIEW platform from the section “Diffraction of light”

Abstract

In modern universities, laboratory experiments play a key role in students' mastery of physics concepts. However, equipment availability, time constraints, and safety concerns can limit the ability to practically investigate complex physical phenomena. Our paper provides an innovative approach to overcome these obstacles using virtual lab benches built on the Lab VIEW platform. For our research, we focused on the diffraction of light by a circular hole and a slit, developing virtual benches that replicate these conditions and offer students the opportunity to conduct experiments without physical equipment. This approach not only improves learning by providing a versatile and accessible tool for learning physics, but also overcomes the geographic and financial limitations that can arise with traditional laboratory benches. The article describes the design and implementation of virtual laboratory benches on the Lab VIEW platform, including software development and visualization of experimental results. We also discuss the potential impact of this innovative virtual platform on the development of physics laboratory practice, including its application to distance learning and opportunities for personalized learning. In our article, we discuss the practical advantages of virtual laboratory benches, including the possibility of repeatability of experiments, scalability, and adaptability to different levels of student knowledge. We provide a detailed description of the methodology for conducting virtual experiments, including steps for preparing, executing, and analyzing the results. Our work opens up new perspectives in education by offering students and teachers an innovative tool for learning physics that overcomes many traditional limitations and promotes deeper and more effective learning.

Keywords: virtual laboratory workshop, distance learning, Lab VIEW.

Постановка проблеми

В даний час вивчання фізики у вищих навчальних закладах стикається з низкою складнощів, пов'язаних із проведенням лабораторних експериментів. Однією з основних проблем є обмежена доступність устаткування. Висока вартість спеціалізованих приладів та їх технічна складність роблять деякі експерименти недоступними більшості навчальних закладів, особливо в умовах обмеженого бюджету. Крім того, в сучасному навчанні все більша увага приділяється проблемі нестачі часу. Скорочення аудиторних занять та збільшення навантаження на студентів залишають мало часу для проведення тривалих лабораторних робіт. Це може призвести до спрощення експериментів та недостатньої глибини їхнього аналізу. Ще одним важливим аспектом є забезпечення безпеки під час проведення лабораторних занять. Крім того, деякі експерименти можуть бути небезпечними для студентів через використання небезпечних речовин або високої напруги. Це може обмежувати можливості проведення певних експериментів або вимагати додаткових запобіжних заходів, що ускладнює навчальний процес. З огляду на ці складності існує потреба в розробці нових підходів до проведення лабораторних робіт, які б враховували обмеження сучасної освіти. У нашій роботі ми пропонуємо інноваційне вирішення цієї проблеми через створення віртуальних стендів на базі платформи LabVIEW.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Огляд підходів, методик та платформ для створення віртуального лабораторного практикуму. Одним із основних методів створення віртуального практикуму є використання комп'ютерних симуляцій. Створені віртуальні моделі фізичних процесів та явищ можуть бути запущені та досліджені студентами за допомогою комп'ютера. Яскравим прикладом таких симуляцій може бути програмний продукт PhET Interactive Simulations, який надають широкий спектр інтерактивних симуляцій з різних тем фізики [1-3]. PhET Interactive Simulations - це колекція безкоштовних інтерактивних симуляцій, розроблених Університетом Колорадо у Боулдері. Вони надають можливість студентам та викладачам взаємодіяти з віртуальними моделями та симуляціями з різних галузей фізики. Симуляції PhET легко доступні через інтернет і мають інтерактивний інтерфейс, що робить їх привабливими та зручними для використання як студентами, так і викладачами. PhET пропонує широкий спектр симуляцій з різних розділів фізики, включаючи механіку, електрику та магнетизм, термодинаміку та ін. Це дозволяє адаптувати навчальні матеріали під різні курси та рівні навчання. Інтерактивні симуляції PhET сприяють глибшому розумінню фізичних явищ завдяки можливості проведення експериментів та дослідження різних аспектів фізики у віртуальному середовищі. PhET Interactive Simulations безкоштовні для використання та розповсюдження, а також доступні з відкритим вихідним кодом, що дозволяє дослідникам та розробникам створювати власні модифікації та адаптації. Незважаючи на зазначені переваги, PhET Interactive Simulations мають свої недоліки. Незважаючи на широкий вибір симуляцій, деякі з них можуть бути обмежені у функціональності та не охоплювати всі аспекти фізичного явища. У деяких випадках моделі, які використовуються у симуляціях PhET, можуть бути спрощеними і не повністю точно відображають реальні фізичні процеси. Використання PhET Interactive Simulations вимагає доступу до Інтернету, що може бути проблематично в деяких освітніх середовищах або при обмеженому доступі до мережі.

Інший підхід до створення віртуальних лабораторних стендів полягає у використанні засобів віртуальної реальності, наприклад, на основі ігрового двигуна Unity3D [4,5]. Unity3D надає широкий набір інструментів та ресурсів для створення високоякісних та інтерактивних віртуальних середовищ. Це дозволяє розробникам створювати цікаві та пізнавальні віртуальні лабораторії, які можуть привернути увагу студентів. Unity3D підтримує розгортання на різні платформи, включаючи ПК, мобільні пристрої та веб-браузери. Це забезпечує гнучкість та доступність віртуальних практикумів для студентів з різними пристроями та операційними системами. Unity3D має вбудовані інструменти для фізичного моделювання, що дозволяють створювати реалістичні симуляції фізичних явищ. Це включає можливість моделювати гравітацію, динаміку рідин і твердих тіл та ін. Unity3D має широке і активне співтовариство розробників, яке надає безліч безкоштовних ресурсів, навчальних матеріалів і документації, що полегшує вивчення і використання платформи для створення віртуальних лабораторних практикумів. Серед недоліків цього підходу можна назвати такі. Unity3D є потужним інструментом, але його вивчення може бути складним для новачків у розробці ігор та віртуальної реальності. Необхідність вивчення мови програмування C# і освоєння різних функціональностей може утруднити процес розробки деяких користувачів. Створення високоякісних віртуальних середовищ у Unity3D може вимагати потужних комп'ютерних ресурсів, що може бути недоступним для деяких навчальних закладів або студентів з обмеженими можливостями. Для створення якісних та ефективних віртуальних лабораторних практикумів у Unity3D потрібна наявність досвідчених розробників, здатних ефективно використовувати інструменти та ресурси платформи.

Ще одним підходом є забезпечення дистанційного доступу до реальних лабораторій через Інтернет. Цей підхід дозволяє студентам віддалено керувати експериментальним обладнанням та проводити фізичні вимірювання та експерименти, не залишаючи свого місця проживання. Прикладами таких систем можуть бути онлайн-платформи для проведення фізичних експериментів, такі як iLab і Remote Laboratory [6,7]. Системи iLab та Remote Laboratory дозволяють студентам отримувати доступ до експериментального обладнання та проводити лабораторні роботи віддалено, що особливо корисно для студентів, які не мають доступу до відповідного обладнання на місці або знаходяться у віддалених місцях. Користувачі можуть отримати доступ до експериментів з будь-якого місця, маючи лише інтернет- підключення, що забезпечує гнучкість у розкладі та зручність у використанні. iLab та Remote Laboratory часто надають доступ до широкого спектру експериментального обладнання та інструментів, що дозволяє студентам проводити різноманітні дослідження та експерименти. Використання дистанційних лабораторій може допомогти знизити витрати на обладнання та обслуговування лабораторій та розширити доступ до освіти в галузі фізики для більшої кількості студентів. Такий підхід до дистанційного проведення лабораторного практикуму має також низку недоліків. Деякі експерименти можуть мати обмеження в реальному часі, такі як затримки передачі даних або доступності обладнання, що може утруднити проведення експериментів в реальному часі і вимагати додаткового планування. Залежно від специфікації системи та доступності обладнання деякі студенти можуть зіткнутися з обмеженнями у доступі до необхідних експериментів або інструментів. Дистанційне проведення лабораторних робіт може зазнавати технічних проблем, таких як збої в Інтернет-з'єднанні, несправності обладнання тощо, що може ускладнити процес навчання.

Мета статті

Мета нашої роботи полягає у розробці та апробації віртуальних лабораторних стендів на основі платформи LabVIEW для вивчення явища дифракції світла на круглому отворі та щілині. Ми прагнемо запропонувати інноваційне рішення для покращення навчання фізиці у вищих навчальних закладах, яке подолало б обмеження традиційних лабораторних робіт, такі як обмежена доступність обладнання, брак часу та проблеми безпеки. Конкретні цілі нашої роботи включають:

- Розробку віртуальних лабораторних стендів, адаптованих для вивчення дифракції світла на круглому отворі та щілині.

- Перевірку ефективності віртуальних лабораторних стендів у процесі навчання фізики порівняно з традиційними лабораторними роботами.

- Оцінку потенційного впливу використання віртуальних лабораторних стендів на підвищення розуміння фізичних концепцій студентами.

- Дослідження можливостей інтеграції віртуальних лабораторних стендів у навчальні плани та програми, а також оцінку їхньої застосовності у дистанційному навчанні.

Наша мета полягає не лише у розробці технічного рішення, а й у дослідженні його педагогічної ефективності та можливостей практичного застосування у навчальному процесі. Ми прагнемо створити інструмент, який би покращив процес навчання фізики, зробивши його більш доступним, інтерактивним та ефективним для студентів та викладачів.

Виклад основного матеріалу

Переваги використання платформи LabView для створення лабораторного практикуму з фізики. LabVIEW (скорочення від англійської «Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench») - це програмне середовище та платформа розробки, призначена для створення та виконання програм графічною мовою програмування «G», розроблена компанією National Instruments із США [8]. Програма знаходить широке застосування в різних галузях, включаючи збір даних, обробку інформації, управління технічними пристроями та процесами, а також розробку систем тестування та навчання студентів технічних спеціальностей. LabVIEW також широко використовується у освітніх цілях для створення віртуальних експериментальних стендів та лабораторій. Вона надає графічний інтерфейс для програмування та управління вимірювальним обладнанням, що робить її ідеальним інструментом створення віртуальних лабораторних практикумів. Вже опубліковані наукові праці, присвячені створенню віртуальних лабораторних стендів з різних розділів фізики на платформі LabView [9-11]. Однією з ключових особливостей LabVIEW є використання графічного методу програмування, який дозволяє візуалізувати кожен аспект завдання, включаючи конфігурацію обладнання, дані вимірювання та налагодження. Програма LabVIEW складається з двох основних частин: лицьової панелі та блок-діаграми. Лицьова панель є зовнішнім інтерфейсом віртуального приладу, на якому розміщуються елементи управління, такі як кнопки, перемикачі та графіки, які використовуються для взаємодії з програмою. Блок-діаграма містить функціональні вузли та елементи обробки даних, об'єднані лініями зв'язку, що забезпечують обмін даними певного типу. LabVIEW забезпечує зручність та простоту програмування завдяки інтуїтивно зрозумілому інтерфейсу та можливості візуального налагодження програми. LabVIEW ґрунтується на концепції модульності, що дозволяє легко створювати та змінювати віртуальні лабораторії, додаючи нові компоненти або модифікуючи існуючі. Перевагою є безкоштовне використання ранніх версій програми для навчання студентів, а також умовно безкоштовні версії протягом випробувального періоду. Крім того, спеціальний компонент LabVIEW Application Builder дозволяє створювати програми для операційної системи Windows без необхідності встановлення середовища розробки. LabView підтримує сторонні розширення та плагіни, що дозволяє розширювати функціональність платформи та інтегрувати додаткові можливості, такі як моделювання фізичних процесів. Існує широка спільнота користувачів LabVIEW, яка надає навчальні матеріали, приклади коду та підтримку, що полегшує вивчення та використання платформи. Таким чином, існує цілий набір переваг для створення віртуального лабораторного практикуму на основі LabVIEW.

1. Інтеграція з вимірювальним обладнанням: LabVIEW має вбудовану підтримку різного вимірювального обладнання, що дозволяє легко інтегрувати реальні датчики та прилади у віртуальні експерименти. Це забезпечує більш реалістичне моделювання фізичних процесів та дозволяє студентам отримувати практичний досвід роботи з реальним обладнанням.

3. Графічний інтерфейс та простота програмування та використання: LabVIEW надає інтуїтивно зрозумілий графічний інтерфейс для розробки віртуальних лабораторних практикумів, що робить процес створення та налаштування експериментів більш простим та доступним для широкого кола користувачів, включаючи викладачів та студентів.

4. Модульність та гнучкість: Платформа LabVIEW заснована на концепції модульності, що дозволяє легко створювати та змінювати віртуальні лабораторії, додаючи нові компоненти або модифікуючи існуючі. Це забезпечує гнучкість адаптації віртуальних лабораторій під різні рівні навчання та індивідуальні потреби студентів.

5. Навчальні матеріали та спільнота: LabVIEW має широке співтовариство користувачів, яке надає навчальні матеріали, приклади коду та підтримку, що полегшує вивчення та використання платформи. Наявність готових навчальних матеріалів та прикладів полегшує процес впровадження віртуальних лабораторних стендів на основі LabVIEW в освітній процес.

6. Багатий функціонал: LabVIEW надає широкий набір інструментів та можливостей для розробки віртуальних лабораторій, включаючи графічну візуалізацію, аналіз даних, моделювання та симуляцію фізичних процесів. Це дозволяє створювати комплексні та інтерактивні віртуальні експерименти, які можуть ефективно демонструвати фізичні закони та явища.

7. Наявність умовно-безкоштовних версій програми, що не потребують оновлення.

8. Можливість крос-платформного використання завдяки модулю LabVIEW Runtime Engine.

В цілому, створення віртуального лабораторного практикуму на основі LabVIEW може переважати через його дешевизну, інтеграцію з реальним обладнанням, зручний графічний інтерфейс, гнучкість у створенні та модифікації експериментів, підтримку спільноти та багатий функціонал.

Дифракція та її застосування. Дифракція є фундаментальним фізичним явищем, що проявляється при поширенні світлових хвиль через малі отвори або огинанні малих перешкод. Дифракційна інтерференція виникає при перекритті хвиль, що розповсюджуються від різних частин джерела різними шляхами. В результаті інтерференції вторинних хвиль формуються області посилення (максимуми) та ослаблення (мінімуми) інтенсивності хвильового поля. Дифракційна картина - це просторовий розподіл інтенсивності хвильового поля після проходження через отвір або огинання перешкоди. Основні елементи дифракційної картини включають центральний максимум і систему бічних мінімумів і максимумів. Інтенсивність дифракційної картини залежить від кута спостереження та радіальної відстані від центру дифракційної картини. Кутова залежність інтенсивності визначається розміром і формою отвору чи перешкоди та довжиною хвилі випромінювання джерела. Дифракційні явища безпосередньо пов'язані з принципами хвильової оптики та демонструють важливі аспекти хвильової поведінки світла та інших видів хвиль.

Застосування дифракції в оптиці охоплює широкий спектр технологій та методів, від формування зображень до аналізу матеріалів. Розуміння дифракційних явищ дозволяє розробляти нові оптичні пристрої та методи їх застосування. Ось деякі з основних областей застосування дифракції в оптиці:

а. Дифракційні явища визначають роздільну здатність оптичних систем і впливають на якість зображення, що формується. Наприклад, дифракція на краях апертури об'єктива обмежує розрізнювальну здатність оптичної системи.

б. Дифракційні решітки використовуються для поділу світла на спектральні складові та вимірювання довжин хвиль. Вони складаються з низки вузьких паралельних щілин або ґрат, через які проходить світло, створюючи дифракційні інтерференційні візерунки.

в. Голографія ґрунтується на використанні дифракційних принципів для запису та відтворення тривимірних зображень об'єктів. Дифракційна структура голограми зберігає інформацію про фазу та амплітуду світлової хвилі, що дозволяє відтворити об'ємне зображення.

г. Дифракційні елементи, такі як дифракційні ґратки, об'єктиви Френеля та інші оптичні компоненти, використовуються для формування складних дифракційних візерунків та зміни властивостей світла в оптичних системах.

д. Дифракційні методи, такі як дифракція рентгенівських променів (XRD) та електронів (ED), використовуються для аналізу кристалічної структури матеріалів. Дифракційні візерунки, одержувані при таких дослідженнях, містять інформацію про розташування атомів у кристалічній решітці.

Методи опису дифракції. Математичні моделі дифракції є інструментами для опису поведінки хвильового поля при проходженні через отвори або огинанні перешкод. Вони відіграють важливу роль в аналізі та передбаченні дифракційних явищ. Математичні моделі дифракції надають аналітичний та чисельний інструментарій для вивчення та прогнозування дифракційних явищ. Їхнє застосування у віртуальних експериментах на платформі LabVIEW дозволяє користувачам досліджувати різні сценарії та параметри, а також порівнювати результати з теоретичними прогнозами. Розуміння цих моделей є ключовим для ефективної симуляції та інтерпретації експериментальних даних.

Модель Гюйгенса-Френеля описує дифракцію на перешкодах і отворах, припускаючи, що кожна точка хвильовому фронті є джерелом вторинних сферичних хвиль, званих елементарними хвилями Гюйгенса. Дифракційна картина формується інтерференцією вторинних хвиль, які поширюються із усіх точок на хвильовому фронті. Дифракцію також можна описати за допомогою інтегральних формул, що ґрунтуються на принципі Гюйгенса-Френеля. Ці формули дозволяють обчислювати амплітуду та фазу хвильового поля у довільній точці простору, використовуючи інтеграли по всій поверхні джерела. Ця модель використовувалася нами для симуляції дифракції на круглому отворі.

Модель Фраунгофера застосовується у разі, коли відстань від джерела до екрана значно перевищує розміри отвору чи перешкоди (хвильовий фронт - плоский). У цій моделі дифракційна картина представляється у вигляді просторового перетворення амплітуди та фази хвильового поля, що дозволяє ефективно обчислювати інтенсивність дифракційних максимумів та мінімумів. Ця модель використовувалася для симуляції дифракції на щілини.

Віртуальні лабораторні стенди з розділу «Дифракція світла». Низка наших робіт [12-15] вже була присвячена використанню платформи LabVIEW для створення віртуальних стендів лабораторного практикуму з різних розділів фізики. У цій статті буде описано створені нами стенди, присвячені вивченню розділу «Дифракція світла», а саме, «Дифракція на круглому отворі» та «Дифракція на щілини».

На рис. 1 показана лицьова панель віртуального лабораторного стенду «Дифракція на круглому отворі». Метою роботи є визначення радіуса малого отвору за допомогою дифракційних вимірів. У реальному лабораторному стенді джерелом світла служить напівпровідниковий лазер, який дає потужне когерентне випромінювання, що із достатньою точністю можна вважати точковим джерелом світла. Діафрагма з круглим отвором може перемішуватися вздовж оптичної осі установки при обертанні ручки. Відстань а від джерела світла до отвору вимірюється за допомогою лінійки. Відстань від джерела світла до екрана, на якому спостерігається дифракційна картина, с = a + b вимірюється іншою лінійкою. При використанні віртуального стенду, студент має можливість вибирати номер (діаметр) отвору та регулювати за допомогою бігунків відстань а від джерела світла до отвору та відстань с від джерела світла до екрану. При цьому дифракційна картина на екрані буде змінюватись, і по її вигляду можна розрахувати кількість відкритих зон Френеля. Робота передбачає можливість розрахунку або діаметру отвору, або довжини хвилі джерела світла.

Рис. 1. Лицьова панель віртуального лабораторного стенду «Дифракція на круглому отворі»

На рис. 2 показана лицьова панель віртуального лабораторного стенду «Дифракція на круглому отворі». Метою роботи є дослідження явища дифракції на щілині, визначення ширини щілини за допомогою дифракційних вимірів та перевірка теоретично отриманого співвідношення між інтенсивностями дифракційних максимумів різних порядків. У реальному лабораторному стенді джерелом світла також служить напівпровідниковий лазер, який дає вузький пучок монохроматичного випромінювання. Випромінювання лазера потрапляє на вертикальну щілину та дифрагує. Дифракційна картина проектується на лінійку, по якій може переміщуватися фотодіод. Напруга на фотодіоді буде пропорційною до інтенсивності світла і вимірюється мілівольтметром. Відстань від щілини до фотодіода може змінюватись та вимірюється іншою лінійкою. При використанні віртуального стенду, студент має можливість обирати варіант роботи (номер і ширину щілини) та регулювати відстань від щілини до екрана (зазвичай задається керівником). Рухаючи «мишкою» синю смужку на екрані, користувач наводить її на центри дифракційних максимумів і мінімумів. При цьому, координату у та напругу на фотодіоді контролюють у відповідних віконцях.

Рис. 2. Лицьова панель віртуального лабораторного стенду «Дифракція на щілині»

Описані вище віртуальні лабораторні стенди успішно використовуються в навчальному процесі при проведенні лабораторних занять з фізики для студентів, які вивчають розділ «Хвильова оптика».

Висновки

В нашей работе мы представили новаторский подход к организации лабораторного обучения физике с использованием виртуальных лабораторных стендов на базе платформы LabVIEW для изучения дифракции света на круглом отверстии и щели. Виртуальные лабораторные стенды, разработанные на базе платформы LabVIEW, представляют собой эффективный и универсальный инструмент для изучения физических явлений, обладающий рядом преимуществ по сравнению с традиционными лабораторными работами. Использование виртуальных лабораторных стендов позволяет преодолеть ограничения, связанные с доступностью оборудования, нехваткой времени и проблемами безопасности, что делает их особенно ценным инструментом в современном образовании. Виртуальные лабораторные стенды демонстрируют хорошие педагогические результаты, способствуя более глубокому пониманию физических концепций студентами и стимулируя активное исследовательское обучение. Результаты нашего исследования подтверждают потенциал виртуальных технологий в образовании и исследовании, а также их значимость для развития современного образовательного процесса. В нашем исследовании мы создали и протестировали две виртуальные лабораторные работы, посвященные изучению дифракции света на круглом отверстии и щели. Виртуальная лабораторная работа по изучению дифракции света на круглом отверстии представляет собой эффективный инструмент для исследования этого физического явления. Студенты могут изменять параметры отверстия и наблюдать изменения в дифракционной картине, что способствует лучшему пониманию зависимости между размерами отверстия и формой дифракционных пятен. Виртуальная лабораторная работа по изучению дифракции света на щели также демонстрирует высокую эффективность в обучении студентов физике. Студенты могут исследовать зависимость интенсивности дифракционных полос от ширины щели и длины волны света, что помогает им углубить свои знания о физических законах дифракции. Таким образом, вышеупомянутые виртуальные лабораторные работы являются эффективными инструментами для обучения студентов физике. Они предоставляют возможность проведения экспериментов в удобном и безопасном виртуальном окружении, что способствует более глубокому и осознанному усвоению физических концепций. В целом, наши выводы подтверждают ценность использования виртуальных лабораторных стендов на базе платформы LabVIEW в учебном процессе по физике и указывают на необходимость дальнейшего исследования и развития данной технологии с целью повышения ее эффективности и распространения в образовательной практике.

Література

1. Perkins, K., Adams, W., Dubson, M., Finkelstein, ..., LeMaster, R. PhET: Interactive simulations for teaching and learning physics // The Physics Teacher (2006) V. 44 № 1, Р. 18-23.

2. Wieman, C., Adams, W. K., Perkins, K. K., Adams, W., Dubson, M., Finkelstein, N., ... O'Malley, P. PhET: Simulations that enhance learning // Science (2008) V. 322(5902), Р. 682-683.

3. Linder, C.J. PhET interactive simulations: Transformative tools for teaching physics // The Physics Teacher (2013) 51(4), Р. 206-207.

4. J.D. Gonz'alez, J.H. Escobar, H. S'anchez, J. De la Hoz, J.R. Beltr'an. 2D and 3D virtual interactive laboratories of physics on Unity platform // Journal of Physics: Conf. Series (2017) V. 935 Р. 012069 (7 рр).

5. X. Su, Z. Zhang, Z. Zhou, X.Yu. Virtual Reality Simulation of Equipment Training Based on Unity3D // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering (2019) V. 562 Р. 012165 (6 рр).

6. J.L. Hardison, K. DeLong, P.H. Bailey, V.J. Harward. Deploying interactive remote labs using the iLab Shared Architecture // 38th Annual Frontiers in Education Conference, Saratoga Springs, NY, USA (2008) pp. S2A-1-S2A-6.

7. El Kharki, K.; Berrada, K.; Burgos, D. Design and Implementation of a Virtual Laboratory for Physics Subjects in Moroccan Universities // Sustainability (2021) V. 13, Р. 3711.

8. Bress T. Effective Labview Programming. New York: NTC Press, 2013. 720 p.

9. A. Garg, R. Sharma, V. Dhingra. Development of an Automated Modern Undergraduate Optics Laboratory using LabVIEW // In: Education and Training in Optics and Photonics, OSA Technical Digest Series (CD) (Optica Publishing Group, 2009), paper ETA3.

10. Zhang H.X., Yan Y., Zhou H., et al. The Development of Virtual Experiment Platform for Signal Analysis and Processing Based on LabVIEW // Applied Mechanics & Materials (2014) V. 513-517, Р. 3241-3244.

11. L. Sajo-Bohus, E.D. Greaves, H. Barros, W. Gonzalez, A. Rangel. LabView Based Nuclear Physics Laboratory experiments as a remote teaching and training tool for Latin American Educational Centers // AIP Conf. Proc. 26 October 2007; V. 947 (1), Р. 477-478.

12. Птащенко Ф.О., Зенченко В.П., Горюк А.А. Віртуальні лабораторні комплекси з розділу «коливання» у програмному середовищі LabView // IV International Scientific and Theoretical Conference «Technologies and strategies for the implementation of scientific achievements», Kingdom of Sweden, Stockholm, November 10, 2023: Proceedings. - International Center of Scientific Research (2023) Р. 113-115.

13. Птащенко Ф.О., Зенченко В.П., Горюк А.А. Віртуальний лабораторний практикум з фізики на платформі LabVIEW - розділ «Коливання і хвилі» // III International Scientific and Practical Conference «Theoretical and practical aspects of modern scientific research», Republic of Korea, Seoul, November 24, 2023: Proceedings. - Seoul-Vinnytsia: Case Co., Ltd. & European Scientific Platform (2023) Р. 132-134.

14. Птащенко Ф.О., Зенченко В.П., Полосіна В.М., Велика О.І. Застосування платформи LabVIEW для створення віртуального лабораторного стенду «Визначення швидкості звуку методом інтерференції» // Theoretical and empirical scientific research: concept and trends: Collection of scientific papers «ЛОГОЕ» with Proceedings of the VI International Scientific and Practical Conference, Oxford, February 2, 2024. Oxford-Vinnytsia: P.C. Publishing House & UKRLOGOS Group LLC (2024) Р. 256-261.

15. Птащенко Ф.О., Зенченко В.П., Полосіна В.М., Велика О.І. Застосування програмного комплексу LabVIEW для створення віртуального лабораторного стенду «Загасання люмінесценції» // V International Scientific and Theoretical Conference «Advanced discoveries of modern science: experience, approaches and innovations», Amsterdam, The Netherlands, February 23, 2024: Proceedings. - International Center of Scientific Research (2024) Р. 150-154.

References

1. Perkins, K., Adams, W., Dubson, M., Finkelstein, ..., LeMaster, R. (2006). PhET: Interactive simulations for teaching and learning physics. The Physics Teacher, 44, 1, 18-23 [in English].

2. Wieman, C., Adams, W.K., Perkins, K.K., Adams, W., Dubson, M., Finkelstein, N., ... O'Malley, P. (2008). PhET: Simulations that enhance learning. Science, 322(5902), 682-683 [in English].

3. Linder, C.J. (2013). PhET interactive simulations: Transformative tools for teaching physics. The Physics Teacher , 51(4), 206-207 [in English].

4. Gonz'alez, J.D., Escobar, J.H., S'anchez, H., De la Hoz, J.R. Beltr'an. (2017). 2D and 3D virtual interactive laboratories of physics on Unity platform. Journal of Physics: Conf. Series, 935, 012069 (7 рр) [in English].

5. X. Su, Z. Zhang, Z. Zhou, X.Yu. (2019). Virtual Reality Simulation of Equipment Training Based on Unity3D. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 562, 012165 (6 рр) [in English].

6. J.L. Hardison, K. DeLong, P.H. Bailey, V.J. Harward. (2008). Deploying interactive remote labs using the iLab Shared Architecture. 38th Annual Frontiers in Education Conference, Saratoga Springs, NY, S2A-1-S2A-6. [in English].

7. El Kharki, K.; Berrada, K.; Burgos, D. (2021). Design and Implementation of a Virtual Laboratory for Physics Subjects in Moroccan Universities. Sustainability, 13, 3711. [in English].

8. Bress, T. (2013). EffectiveLabviewProgramming. New York: NTC Press [in English].

9. A. Garg, R. Sharma, V. Dhingra. (2009). Development of an Automated Modern Undergraduate Optics Laboratory using LabVIEW. In: Education and Training in Optics and Photonics, OSA Technical Digest Series (CD) (Optica Publishing Group, 2009), paper ETA3. [in English].

10. Zhang H.X., Yan Y., Zhou H., et al. (2014). The Development of Virtual Experiment Platform for Signal Analysis and Processing Based on Lab VIEW. Applied Mechanics & Materials, 513-517, 3241-3244. [in English].

11. L. Sajo-Bohus, E.D. Greaves, H. Barros, W. Gonzalez, A. Rangel (2007). LabView Based Nuclear Physics Laboratory experiments as a remote teaching and training tool for Latin American Educational Centers. AIP Conf. Proc. 26 October 2007, 947 (1), 477-478n [in English].

12. Ptashhenko, F.O., Zenchenko, V.P., Goijuk, A.A. (2023). Virtual'm laboratorni kompleksi z rozdilu «kolivannja» u programnomu seredovishhi LabView [Goryuk. Virtual laboratory complexes from the "oscillations" section in the Lab View software environment]. Proceedings from The Fourth International Scientific and Theoretical Conference “Technologies and strategies for the implementation of scientific achievements”. (pp. 113-115). Kingdom of Sweden, Stockholm [in Ukrainian].

13. Ptashhenko, F.O., Zenchenko, V.P., Gorjuk, A.A. (2023). Virtual'nij laboratornij praktikum z fiziki na platformi LabVIEW - rozdil «Kolivannja і hvih» [Virtual laboratory workshop in physics on the LabView platform - section "Oscillations and waves"]. Proceedings from The Third International Scientific and Theoretical Conference “Technologies and strategies for the implementation of scientific achievements”. (pp. 132-134). Republic of Korea, Seoul [in Ukrainian].

14. Ptashhenko, F.O., Zenchenko, V.P., Polosina, V.M., Velika, O.L (2024). Zastosuvannja platformi Lab View dlja stvorennja virtual'nogo laboratornogo stendu «Viznachennja shvidkosti zvuku metodom interferenci'i» [Application of the LabView platform to create a virtual laboratory stand "Determining the speed of sound by the interference method"]. Proceedings from The Fifth International Scientific and Theoretical Conference “Theoretical and empirical scientific research: concept and trends”. (pp. 256-261). Oxford-Vinnytsia: P.C. Publishing House & UKRLOGOS Group LLC [in Ukrainian].

15. Ptashhenko, F.O., Zenchenko, V.P., Polosma, V.M., Velika, O.L (2024). Zastosuvannja programnogo kompleksu LabView dlja stvorennja virtual'nogo laboratornogo stendu «Zagasannja ljuminescenci'i» [Application of the LabVIEW software complex to create a virtual laboratory stand "Extinction of Luminescence"]. Proceedings from The Fifth International Scientific and Theoretical Conference “Advanced discoveries of modern science: experience, approaches and innovations”. (pp. 150-154). International Center of Scientific Research [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru