Опыт организации и проведения виртуального лабораторного практикума по курсу физики

Б.К. Лаптенков, Ю.В. Тихомиров

Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова

Московский государственный технический университет гражданской авиации

АННОТАЦИЯ

В работе приведены методические особенности и результаты использования компьютерных моделей в лабораторном практикуме по курсу физики в высшем учебном заведении. Организация виртуального физпрактикума позволила перейти к фронтальному методу, при котором тематика каждой работы полностью соответствует тематике текущих лекционных и практических занятий. Появилась возможность создания полноценных работ по исследованию в учебной лаборатории статистических закономерностей в молекулярной физике, различных явлений в атомной, ядерной физике. Обоснована возможность организации физического практикума в виртуальном варианте при дистанционном обучении.

ВВЕДЕНИЕ

Внедрение компьютерных технологий в образовательный процесс оправдано, прежде всего, в тех случаях, в которых они эффективно дополняют существующие технологии обучения или обеспечивают существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Одним из таких случаев, по нашему мнению, является использование в физическом практикуме динамических анимационных компьютерных экспериментов (компьютерных моделей), которые позволяют сделать лабораторные работы по физике более живыми и интересными и, тем самым, повысить качество физического образования студентов.

Компьютерные эксперименты, используемые в физическом практикуме, вряд ли смогут научить студентов работать с реальными приборами (по крайней мере, на современном уровне развития компьютерных моделей реальных экспериментов). Однако компьютеризированный практикум обладает и неоспоримыми преимуществами по сравнению с «реальным». Одним из недостатков реального практикума является то, что он состоит из традиционного, постоянного набора лабораторных работ, значительная часть которых уже морально устарела. Современный студент существенно отличается от прежнего уже тем, что он начинает своё обучение во время широкого применения различных информационных технологий во всех сферах деятельности человека, и вряд ли он будет с таким же интересом работать с гирьками и блоками, как его предшественник двадцать лет назад. В практикуме, основанном на компьютерных моделях (виртуальном физпрактикуме), студент попадает в новый виртуальный мир, который многим уже хорошо знаком по компьютерным играм и тяга к которому всем нам хорошо известна. Это создает мощную дополнительную мотивацию, значительно повышающую качество обучения.

Виртуальный практикум открывает возможность проведения в одном компьютерном классе всего цикла лабораторных работ по всем разделам физики, что позволяет вузу сократить численность учебно-вспомогательного персонала, занятого обслуживанием учебного процесса. Материальные затраты на текущий ремонт, обслуживание и модернизацию лабораторного оборудования в этом случае сведены к минимуму, необходимому только на поддержание компьютерной техники в рабочем состоянии. По нашим оценкам загруженность компьютерного класса на кафедре физики среднего по численности студентов технического вуза лабораторными занятиями в каждом учебном семестре в течение каждого рабочего дня может составлять 100%.

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ В ВИРТУАЛЬНОМ ПРАКТИКУМЕ

Цель любого физического практикума состоит прежде всего в том, чтобы показать студенту, что физические законы действительно можно экспериментально проверить в лаборатории. В чём состоят методические особенности проведения компьютерного лабораторного практикума по физике по сравнению с традиционным, «реальным»?

Во многих вузах страны во время лабораторных занятий по физике большинству студентов приходится выполнять и защищать работы по темам, которые ещё не освещались на лекциях, что вызывает определённые трудности, как для студентов, так и для преподавателя. В виртуальном варианте практикума появляется возможность организовать проведение лабораторных работ фронтальным методом. В этом случае все студенты учебной подгруппы (12-15 чел.) выполняют одну и ту же лабораторную работу, но с индивидуальными для каждой бригады (1-2 студента) начальными (установочными) параметрами опыта. Тема лабораторной работы полностью соответствует теме, по которой прочитана лекция и которая уже изучена на практических занятиях. Эта возможность является уникальной. В этом случае преподаватель может показать студентам перед началом занятий компьютерные физические опыты по этой теме, т.е. дополнить реальные лекционные демонстрации показом динамических компьютерных моделей физических явлений и процессов.

Большим недостатком в организации «реального» физического практикума по курсу общей физики в большинстве технических вузов является отсутствие возможности постановки лабораторных работ по квантовой, атомной и ядерной физике. Это связано с тем, что для постановки реальных лабораторных работ по этим разделам физики, как правило, требуются специальные лаборатории, оснащённые дорогостоящими и занимающими большие площади спектрографами, рентгеновскими аппаратами, электронными микроскопами, установками для проведения и регистрации атомных и ядерных процессов. В виртуальном варианте постановки лабораторных работ такая возможность появляется, и на основе мультимедийного продукта [1], были разработаны такие лабораторные работы, как «Спектр излучения атомарного водорода», «Эффект Комптона», «Определение периода кристаллической решётки методом дифракции электронов», «Опыт Резерфорда по рассеянию a- частиц».

Большинство классических лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике представляют собой «чёрные ящики», на выходе которых измеряется некоторый набор электрических величин, из которых затем с помощью уравнений электро- и термодинамики рассчитывается искомая величина. Все молекулярно-кинетические и термодинамические процессы, происходящие в опыте при этом, остаются недоступными для наблюдения. Безусловно, это не способствует лучшему пониманию изучаемого явления. В ходе выполнения компьютерных лабораторных работ по этим разделам физики студенты могут наблюдать динамические иллюстрации изучаемых физических явлений и процессов, недоступных для наблюдения в реальном эксперименте и одновременно с ходом эксперимента наблюдать графическое построение соответствующих зависимостей физических величин. Становится возможным воспроизводить тонкие детали опыта, которые часто ускользают от студентов при выполнении реальных лабораторных работ, предоставляя, тем самым, уникальную, не достижимую в реальном физическом эксперименте, возможность более глубоко понять суть изучаемых на опыте физических законов, хорошо усвоить и закрепить учебный материал по данной теме.

Как показывает наш опыт проведения компьютерного лабораторного практикума, наиболее любознательные студенты с большим интересом экспериментируют с различными компьютерными моделями физических процессов, конструируют виртуальные модели различных термодинамических, электротехнических и оптических систем. Такая интерактивность открывает перед студентами большие познавательные возможности, делая студентов не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Таким образом, открывается реальная возможность организации уже на младших курсах учебно-исследовательских работ по физике.

Ниже приведены названия 35 компьютерных лабораторных работ по пяти разделам курса физики, которые включены в сборник [2].

 

РАЗДЕЛ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ

Работа 1.1 Движение с постоянным ускорением

Работа 1.2 Движение под действием постоянной силы

Работа 1.3 Механические колебания

Работа 1.4 Упругие и неупругие удары

Работа 1.5 Соударения упругих шаров

Работа 1.6 Закон сохранения механической энергии

Работа 1.7 Изучение законов течения идеальной жидкости

 

РАЗДЕЛ 2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Работа 2.1 Изучение статистических закономерностей в идеальном газе

Работа 2.2 Адиабатический процесс

Работа 2.3 Распределение Максвелла

Работа 2.4 Диффузия в газах

Работа 2.5 Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса

Работа 2.6 Цикл Карно

Работа 2.7 Политропический процесс

 

РАЗДЕЛ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Работа 3.1 Электрическое поле точечных зарядов

Работа 3.2 Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме

Работа 3.3 Движение заряженной частицы в электрическом поле

Работа 3.4 Цепи постоянного тока

Работа 3.5 Закон Ома для неоднородного участка цепи

Работа 3.6 Исследование зависимости мощности и к.п.д. источника постоянного тока от внешней нагрузки

Работа 3.7 Переходные процессы в цепях постоянного тока с конденсатором

Работа 3.8 Магнитное поле

Работа 3.9 Определение удельного заряда частицы методом отклонения в магнитном поле

Работа 3.10 Электромагнитная индукция

Работа 3.11 Свободные колебания в контуре

Работа 3.12 Вынужденные колебания в RLC-контуре

 

РАЗДЕЛ 4. ОПТИКА

Работа 4.1 Моделирование оптических систем

Работа 4.2 Интерференционный опыт Юнга

Работа 4.3 Дифракционная решётка

Работа 4.4 Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона

Работа 4.5 Изучение дифракции Фраунгофера от одной щели

 

РАЗДЕЛ 5. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Работа 5.1 Внешний фотоэффект

Работа 5.2 Спектр излучения атомарного водорода

Работа 5.3 Эффект Комптона

Работа 5.4 Определение периода кристаллической решётки методом дифракции электронов

 

Все лабораторные работы выполняются в компьютерном классе бригадами по 1-2 студента в соответствии с семестровым графиком проведения лабораторных работ для каждой специальности. Эти графики вывешиваются на информационных стендах компьютерного класса перед началом каждого семестра. Выполнение каждой лабораторной работы компьютерного практикума включает в себя четыре основных этапа:

а) подготовка к работе;

б) выполнение экспериментальной части работы;

в) обработка результатов измерений;

г) защита лабораторной работы.

 

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

Проведение компьютерного лабораторного практикума предполагает обязательную предварительную подготовку к выполнению каждой лабораторной работы. Такая подготовка проводится студентом в часы самостоятельных занятий по методическому пособию [2], в котором содержатся описание, методические указания, контрольные вопросы и задания. Описания к этим лабораторным работам написаны так, чтобы студенты, даже мало знакомые с компьютером, смогли самостоятельно выполнить и обработать эксперимент. Они не перегружены излишними теоретическими сведениями, и студенту даётся возможность составить более полное представление об изучаемом физическом явлении путём чтения рекомендуемой учебной литературы и информации на экране монитора в теоретическом приложении к каждой лабораторной работе.

Обязательным элементом предварительной подготовки является составление конспекта протокола измерений (формы отчёта). К выполнению лабораторной работы студент может приступить только после получения допуска, который проводится преподавателем побригадно с персональным опросом каждого студента. При этом преподаватель проверяет

  • понимание цели и задачи работы;
  • знание теории физического явления, изучению которого посвящена данная работа;
  • умение вывести расчётную формулу;
  • знание основных этапов работы, последовательности их выполнения и методов измерения физических величин на компьютерных моделях;
  • умение ответить на контрольные вопросы и выполнить контрольные задания, приведённые в конце описания лабораторной работы,
  • наличие у студента конспекта протокола измерений.

 

Текстовую часть конспекта мы рекомендуем студентам оформлять на листах бумаги формата А4 или на листах развёрнутой ученической тетради, в которую обычно заносят:

1. титульный лист (по образцу);

2. цель работы;

3. краткую теорию;

4. схему экспериментальной установки;

5. таблицы для записи результатов измерений;

6. свободные страницы для промежуточных математических расчётов искомой величины и расчётов погрешности измерений.

Если преподаватель допускает студента к выполнению лабораторной работы, то он ставит свою подпись на титульном листе конспекта в графе «Допуск».

 

Опрос студента длится примерно 2-3 минуты, и тот, кто за это время не сумеет правильно ответить на поставленные преподавателем вопросы, к выполнению экспериментальной части работы не допускается.

В настоящее время разработана система компьютерного тестирования [3], которая позволяет проводить автоматизированный самоконтроль и допуск к лабораторной работе виртуального физического практикума. В этом случае преподаватель заранее устанавливает и записывает в пилот-файл некоторое количество вопросов (заданий теста) на которые должен ответить студент при допуске к данной лабораторной работе. После запуска управляющего документа в системе MS Word + TestumW компьютер автоматически случайным образом выбирает установленное число заданий для каждого студента и формирует тест, предлагаемый для допуска этого студента. После выполнения всех заданий теста компьютер выставляет предварительную оценку, которая помогает преподавателю решить вопрос о допуске данного студента к работе. Информация об ответе студента при этом может сохраняться на жестком диске машины.

Такой «диалог» студента с компьютером существенно разгружает преподавателя, который получает возможность больше внимания уделять студентам, которые ещё не в достаточной степени владеют навыками работы с компьютером. Кроме того, не растрачивается нерационально время студентов и не возникает сомнений в объективности оценки: компьютер не может «придираться».

 

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Лабораторный практикум по физике в вузе ставит перед собой две основные цели: во-первых, дать возможность более подробно ознакомиться с основными явлениями и законами физики, для полного понимания которых одних демонстраций на лекциях по физике обыкновенно бывает недостаточно и, во-вторых, дать возможность студентам овладеть методами физических измерений, ознакомиться с измерительными приборами.

В виртуальном практикуме на первое место выступает изучение самого явления, которое моделируется с помощью компьютерных динамических анимаций. В этой связи преподавателю важно довести до студентов мысль о том, что для выяснения закономерностей какого-либо физического явления в компьютерной лабораторной работе выделяются наиболее важные его элементы. Поэтому при нахождении количественных характеристик явления в компьютерных экспериментах используются упрощённые модели, т.е. такие идеализированные объекты, в которых пренебрегают несущественными для данной задачи деталями и свойствами реальных тел, и сохраняют только их основные, определяющие черты. Так, например, в работах по механике реальные тела моделируются материальными точками. При этом словом «материальная» подчёркивается её отличие от геометрической точки, не обладающей вообще никакими физическими свойствами.

В работах по статистической физике молекулы реального газа моделируются непрерывно и хаотически движущимися маленькими упругими шариками. При этом преподаватель должен пояснить студентам, что не следует думать, что та плоская картина траектории движения молекулы, которую они наблюдают на мониторе в опытах по изучению статистических закономерностей в идеальном газе, изображает точную форму действительных траекторий движения молекул реального газа. На самом деле эта компьютерная модель даёт лишь упрощенное моделирование истинной картины этого пространственного беспорядочного движения. Если бы мы регистрировали столкновения частицы через промежутки времени, в 100 раз более малые, чем это делает компьютер, то каждый прямолинейный отрезок траектории на экране заменился бы соответствующей зигзагообразной ломанной, которая была бы столь же сложна, как и весь рисунок на экране монитора.

Задания к лабораторным работам составлены в таком объёме, чтобы каждая работа могла быть выполнена за 90 минут учебного времени. Наш опыт показывает, что студенты, подготовленные к работе, вполне укладываются в это время и не испытывают существенных затруднений при выполнении работ. Мы обращаем внимание на то, чтобы студенты знали порядок численных значений величин, определяемых в каждой работе, и после её завершения проводили в качестве самоконтроля приближённый расчёт полученной величины.

После полного завершения экспериментальной части работы студент показывает преподавателю конспект протокола с заполненными таблицами измерений. Экспериментальная часть работы считается выполненной в том случае, если преподаватель закрепит своей подписью на титульном листе конспекта отметку о выполнении работы.

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Обработка результатов измерений и оформление лабораторной работы к защите проводится студентом, как правило, самостоятельно. Полностью подготовленный к защите и оформленный конспект протокола измерений должен удовлетворять следующим требованиям:

 

  • представлены все необходимые таблицы результатов измерений, соответствующие номеру бригады;
  • представлены все промежуточные и окончательные расчёты требуемых величин;
  • построены графики зависимостей физических величин;
  • выведена формула для расчёта относительной погрешности косвенного измерения определяемой величины, по которой рассчитана её абсолютная (случайная + приборная) погрешность;
  • приведён окончательный результат – ответ, оформленный надлежащим образом;
  • сделаны выводы по результатам работы.

 

При экспериментальном изучении зависимости одной физической величины от другой в каждой лабораторной работе настоящего компьютерного практикума результаты представляются в виде графиков. Студентам мы поясняем, что график позволяет получить общее качественное представление о характере зависимости, а также судить о соответствии экспериментальных результатов выводам теории изучаемого явления. Главное достоинство графика – его наглядность и возможность проведения интерполяции, т.е. нахождения значения величин, которые непосредственно не измерялись по каким – либо причинам.

В реальных учебных лабораториях в процессе выполнения практикума студенты при помощи измерительных приборов проводят прямые измерения различных физических величин. На основе таких измерений с помощью математических формул, связывающих числовые значения физических параметров, проводится расчёт искомой величины, абсолютной и относительной погрешности измерений. В компьютерном варианте лабораторного практикума процесс прямого измерения практически сведён к нулю, т.к. вся текущая информация о параметрах опыта выводится в числовом виде на экран монитора, и при неизменных установочных параметрах опыта естественно будет одной и той же. Это обстоятельство не даёт возможности студентам выявить случайную погрешность прямого измерения и научиться её рассчитывать. В то же время наш опыт проведения реального лабораторного практикума показывает, что наибольшие затруднения в расчётной части работы у студентов вызывает определение случайных погрешностей прямых и косвенных измерений, основанный на неизвестных для них понятиях и теоремах теории вероятностей и математической статистики. Об этом приходится рассказывать студентам «на пальцах» на конкретных примерах, давая студентам определённую методику расчёта. Поэтому мы сочли необходимым хотя бы для части работ виртуального практикума внести элементы прямых измерений времени протекания различных процессов на экране монитора, которые студенты проводят с помощью обычного секундомера.

На первом занятии компьютерного практикума мы обращаем внимание студентов на то, что этап обработки результатов экспериментов не менее важен, чем проведение измерений. При выполнении расчётной части лабораторных работ, наряду с непосредственно измеренными величинами, студентам приходится использовать физические и математические постоянные, а также исходные численные параметры экспериментальных моделей, указанные на экране мониторов. При этом важно преподавателю объяснить студентам о необходимости разумного согласования точности определения и задания различных величин.

Методическая эффективность виртуального практикума может быть существенно повышена, если в качестве одного из пунктов задания предложить студентам составить программу для обработки результатов эксперимента на компьютере.

 

ЗАЩИТА ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Защита лабораторной работы проводится преподавателем в дни проведения лабораторных занятий, указанных в графике для каждой бригады, в виде собеседования с каждым студентом индивидуально. На защите студент должен продемонстрировать полностью завершенную и оформленную лабораторную работу. Должны быть проведены и представлены в отчете все расчеты, заполнены все таблицы, построены все графики зависимостей, выписан ответ по стандартной форме, проверена размерность ответа, сделаны окончательные выводы по результатам измерений, расчетов, построения и обработки графиков и т.д.

Какие дидактические цели поставлены и достигаются преподавателем при защите лабораторных работ? Прежде всего, преподаватель должен выяснить, умеет ли студент чётко формулировать и высказывать свои мысли в ходе защиты работы, аргументировать свои утверждения, доказывать их математическими выкладками и логическими суждениями. Студент должен чётко представлять модель реального физического объекта или процесса, которую он изучал в данной виртуальной лабораторной работе, уметь объяснить, какими свойствами реального физического объекта пренебрегли в данной лабораторной работе и почему это возможно сделать. Важным элементом в защите лабораторных работы, на наш взгляд, является анализ результатов прямых измерений, вносящих наибольший вклад в суммарную погрешность измерения и возможные методы повышения их точности.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многолетний опыт использования элементов виртуального физического практикума в реальном учебном процессе для студентов как дневной, так и заочной форм обучения, показал очень высокую эффективность компьютерных лабораторных работ по сравнению с работами, использующими реальные экспериментальные установки. Эта обучающая программа к настоящему времени издана уже в США, Великобритании, Франции, Германии, Греции, Италии, Австралии. Возможность организации фронтального варианта работы в практикуме, а также выявленная бесспорная эффективность компьютерных моделей, особенно при исследовании статистических закономерностей в молекулярной физике, при исследовании явлений в атомной, ядерной физике, дают основание для рекомендации максимально широкого внедрения разработанного виртуального практикума не только в реальном учебном процессе, но и для организации дистанционного обучения по курсу общей физики в технических вузах.

 

Литература

1. Открытая физика 1.1.". ©1996-2003. ООО "Физикон", www.physicon.ru . Полный мультимедиа курс физики, разработанный под руководством профессора Козела С.М., (МФТИ). Механика, термодинамика, колебания и волны, электромагнетизм, оптика, квантовая физика. Сертификат Министерства общего и профессионального образования номер 0000026, выдан 31 марта 1998 года.
2. Лаптенков Б.К., Тихомиров Ю.В. Физика. Виртуальный лабораторный практикум. В 2 х частях. Чебоксары, 2004.
3. Тихомиров Ю.В. Система компьютерного контроля знаний в виртуальном физпрактикуме. Доклад на Седьмой международной конференции «Физика в системе современного образования», Санкт-Петербург, 2003.

 

Статья опубликована в журнале «Физическое образование в вузах». Т. 11, № 2, 2005 г.

Изд. Дом Московского физического общества.