моделирующий виртуальный эксперимент

Секция 14 «РАЗВИТИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ
ИНТЕРАКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ».
Круглый стол № 1 «Дистанционные технологии обучения в техническом вузе».
МОДЕЛИРУЮЩИЙ ВИРТУАЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
доц. Нижегородов В.В.
МГТУ «МАМИ»
Бычкова Д.Д.
Московский государственный областной университет
Использование моделей в учебном процессе обусловлено задачей повышения
наглядности и научно−теоретического уровня изложения материала.
Студент получает большие возможности для исследовательской, творческой
деятельности, что стимулирует развитие его умственных способностей, делает усваиваемые
знания глубже и прочнее.На наш взгляд, компьютерное моделирование имеет особое
значение в тех случаях, когда невозможно поставить натурный эксперимент.
Моделировать в физике можно практически всё. Например, движение материальных
точек и тел в гравитационных, электрических и магнитных полях, процессы, происходящие в
различных состояниях вещества − твёрдом, жидком, газообразном, в плазме и т. д.
Студент может исследовать явление, изменяя параметры, сравнивать полученные
результаты, анализировать их, делать выводы. Например, задавая разные значения скорости
и ускорения, изучить вид движения, изменяя массы взаимодействующих тел и характер их
взаимодействия, − проследить за движением тел после их соударения и т. д.
Особая ценность компьютерного моделирования заключается в том, что программы,
моделирующие физические процессы, могут быть разработаны и написаны на любом языке
программирования самим студентами.
Современная программа по физике включает целый ряд весьма непростых для
понимания вопросов. Самым убедительным приемом при обсуждении таких вопросов
является демонстрация физических явлений на реальном физическом оборудовании. К
сожалению, не всегда имеется возможность продемонстрировать сложный эксперимент в
условиях
учебной лаборатории. В таких случаях виртуальные эксперименты,
смоделированные на экране компьютера, позволяют привлечь внимание студентов для
изучения трудных вопросов и становятся хорошей методической поддержкой при
организации учебного процесса.
В обучении физике в вузе, по−прежнему, можно отметить определенную оторванность
теоретического материала от его практического применения. Практическим применением
теории является построение теоретических моделей реальных процессов и явлений. Для
полноценного овладения физической теорией студенты должны не только изучить основные
теоретические концепции, но и познакомиться с построенными на их основе теоретическими
моделями, представлять область их применимости.
При традиционном (на лекциях и, частично, на практических занятиях) изучении
моделей основное внимание студентов концентрируется на представляющем субъективную
трудность математическом аппарате. При этом поведение изучаемой модели должно воспроизводиться в мысленном эксперименте, который практически не поддается контролю со
стороны преподавателя. При выполнении мысленного эксперимента у студентов отсутствует
возможность опоры на материальную деятельность, на преимущественно развитый у
студентов технического вуза предметно−деятельностный стиль мышления. Таким образом,
изучение модели обрывается на полпути, у студентов не возникает законченной взаимосвязи
теоретических концепций, математических выкладок с поведением некоторого физического
объекта.
Очевидно, что для полноценного изучения теоретических моделей необходимо
формировать навыки мысленного эксперимента и связанное с ним понимание физических
процессов и явлений, упражняясь во внешней, контролируемой извне и преподавателем, и
студентами, деятельности с объектом той же степени идеализации, которая заложена в
теории и математических выкладках. В натурном физическом эксперименте трудно
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
81
Секция 14 «РАЗВИТИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ
ИНТЕРАКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ».
Круглый стол № 1 «Дистанционные технологии обучения в техническом вузе».
воспроизвести идеальные условия, описанные в теории, поэтому он не всегда может стать
опорой для формирования навыков мысленного эксперимента. Таким объектом, посредством
которого обучение мысленному эксперименту происходит во внешней материализованной
деятельности, которой можно управлять, является компьютерная модель.
Современный физический эксперимент практически невозможен без использования
компьютерных технологий. Среди различных форм использования компьютерных
технологий в физическом эксперименте можно выделить [2] основные три:
1. независимый моделирующий эксперимент [1,2] - компьютер является единственной
частью установки, моделируя и сам физический процесс, и приборы, необходимые для
проведения исследования;
2. автоматизированный физический эксперимент - компьютер выступает в качестве одной из
неотъемлемых частей экспериментальной установки, необходим для управления
экспериментом и регистрации данных;
3. использование современных компьютерных технологий для эффективной обработки
экспериментальных данных.
Независимый моделирующий эксперимент можно подразделить на два направления:
⎯ численный эксперимент, в котором компьютер используется для проведения расчетов и
визуализации результатов этих расчетов, т.е. компьютер используется для получения ранее
неизвестной информации;
⎯виртуальный эксперимент (виртуальная лабораторная работа), в котором компьютер
используется как средство эмуляцииразличных реальных физических экспериментов с
получением заранее известных результатов.
Остановимся подробнее на втором направлении. Существует множество работ [1,2,3], в
которых обосновывается актуальность создания виртуальных лабораторных работ. Можно
выделить основные пути применения виртуального эксперимента, обуславливающие его
актуальность:
⎯виртуальный эксперимент как замена реального эксперимента в случае трудности его
реализации (дорогостоящее оборудование, опасность и т.д.)
⎯виртуальный эксперимент для студентов заочных и дистанционных форм обучения, не
имеющих возможности работать с реальными установками;
⎯виртуальный эксперимент для самостоятельной работы студентов или подготовки их к
работе на реальной установке.
Создание виртуального эксперимента представляет собой сочетание элементов
имитационного и математического моделирования: В ходе разработки любой виртуальной
работы необходимо создать модель:
⎯физического процесса: например, динамики движения железного шарика в глицерине;
физический процесс, как правило, моделируется с использованием методов математического
моделирования, чаще всего с использованием метода конечных разностей;
⎯виртуального прибора: например, гониометра с соответствующими шкалами; создание
виртуального прибора представляет собой имитационное моделирование.
В ходе создания виртуального прибора возникает принципиальныйвопрос: что
должна обеспечивать модель прибора в первую очередь -реализм, схожесть с натурным
экспериментом, или модель должна нестиметодическую нагрузку, быть нагляднее и в
некотором смысле прощереального эксперимента [1,3]. То же самое относится и к
управлениювиртуальной
установкой:
с
одной
стороны,
можно
сделать
поведениепользователя строго детерминированным, когда переход к некоторомудействию
невозможен без выполнения других действий, которые предполагается выполнить сначала.
Например, в лабораторной работе по измерению коэффициента теплопроводности воздуха
нельзя начать измерения, пока в системе не создан вакуум. Такой подход обеспечивает
хорошее понимание студентом правильной последовательности действий в ходе
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
82
Секция 14 «РАЗВИТИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ
ИНТЕРАКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ».
Круглый стол № 1 «Дистанционные технологии обучения в техническом вузе».
эксперимента, но с другой стороны, при работе с реальной установкой никто не
подсказывает, каков алгоритм действий (в исключительных случаях это делает
преподаватель), поэтому и в виртуальной работе, по идее, последовательность действий
должна быть произвольной. Так или иначе, очевидно, что следует искать некий компромисс
между двумя подходами, варьируя степень детерминированности поведения для разных
экспериментов. Однако тот факт, что модель должна быть динамичной и обеспечивать
высокую степень интерактивности не вызывает сомнения.
Современные виртуальные модели должны обладать следующими достоинствами:
⎯ очевидным сходством реальных физических приборов и ихреального поведения во
времени и пространстве виртуальный экспериментвизуально не сильно должен отличаться
от натурного аналога;
⎯ход работы и обработка результатов не должныотличаться от соответствующих для
реального эксперимента. Например, при проведении опыта с моделью, как и в настоящей
работе, сначала производится калибровка установки с использованием источника излучения
с известной структурой спектра, затем производится исследование спектров неизвестной
структуры;
⎯ как и при проведении эксперимента на реальной установке, в виртуальной работе
студенты сталкиваются с переходными процессами, необходимостью временной выдержки
перед снятием показаний. Например, если в работе по измерению температурной
зависимости коэффициента теплопроводности воздуха методом нагретой нити, при
увеличении тока, протекающего через проводник, его температура повышается до тех пор,
пока не установится тепловое равновесие проводника и окружающей среды; (температуру и
прочие параметры следует записывать только после установления равновесия) − данная
особенность должна быть учтена и в модели;
⎯ в моделях должна быть учтена случайная ошибка, вносящая погрешность в результат,
благодаря чему результаты, полученные разными студентами отличны друг от друга, как и
при проведении работы на реальных установках.
Указанные задачи относительно просто решаются с использованием среды NILabVIEW
и оборудования NationalInstruments. Кроме того, существует ряд экспериментов, в которых
все величины измеряются через измерение параметров тока, то есть отсутствует острая
необходимость ввизуализации реального прибора.
Актуальность компьютеризации натурного физического эксперимента обусловлена
целым рядом причин:
⎯
нередко вместо устаревших или вышедших из строя стационарныхизмерительных
приборов проще и дешевле установить одно устройство сбора данных, интегрированное с
ПК;
⎯устройства сбора данных обеспечивают одновременное измерение множества сигналов, в
то время как использование классических приборов требует постоянного переключения
между сигналами с помощью тумблеров или с помощью перекидывания проводов;
⎯устройства сбора данных позволяют автоматизировать процесс измерений; кроме того, ПК
способен снимать экспериментальные точки со значительно большим временным
разрешением, чем человек;
⎯
компьютеризация реального эксперимента открывает широкие перспективы по
созданию удаленного доступа к реальным установкам и к дистанционному выполнению
реальных лабораторных работ;
⎯наконец, актуальность компьютеризации лабораторных и научных экспериментальных
установок обусловлена тем фактом, что на сегодняшний день эксперименты ведущих
научных организаций и производственные процессы промышленных предприятий
автоматизированы - мониторинг и управление оборудованием производится через ПК.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
83
Секция 14 «РАЗВИТИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ
ИНТЕРАКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ».
Круглый стол № 1 «Дистанционные технологии обучения в техническом вузе».
Среда NILabVIEW обеспечивает широкие возможности в следующих важных
аспектах создания виртуального и реального физического эксперимента:
⎯интеграция персонального компьютера с реальными экспериментальными установками
(через устройства NIDAQ), т.е. использование ПК в качестве измерительного прибора;
⎯эффективная обработка экспериментальных данных, что является важным положительным
следствием компьютеризации физического эксперимента − в ходе эксперимента данные
заносятся в память компьютера и сразу могут быть проанализированы. Среда
NILabVIEW[4,5] обеспечивает разнообразные способы аппроксимации экспериментальных
данных − полиномами, экспоненциальными и логарифмическими функциями, функциями
Гаусса и т.д. Кроме того, среда позволяет производитьфильтрацию сигнала, его
статистический анализ, интерполяцию и экстраполяцию зависимостей и т.п.
⎯построение графиков в декартовой, полярной системах координат, трехмерных графиков,
различных диаграмм, осциллограмм и т.д.; данная возможность является весьма полезной не
только в целях компьютеризации реального эксперимента, но и в целях создания различных
интерактивных презентаций и мысленных экспериментов.
Учебный компьютерный эксперимент в настоящее время реализуется в двух основных
формах: компьютерная демонстрация и компьютерная лабораторная работа. Редко
применяются компьютерные учебные игры, но методика их проведения пока не разработана.
При наличии экспериментальной базы дублирование реальных демонстрационных опытов в
компьютерной модели не имеет смысла, лучше увидеть опыт «живьём». Применение
компьютерных демонстраций связано с тем, что они позволяют наглядно показать
протекание процессов в адекватной модели тогда, когда невозможен реальный эксперимент:
например, при изучении движения планет в поле тяготения Солнца или движения электронов
в ускорителе.
Развитый диалоговый режим работы с современными ЭВМ позволяет создавать
активно выполняемые компьютерные эксперименты, по методике своего выполнения
близкие лабораторным работам. В настоящее время часто создаются также компьютерные
имитации реально существующих лабораторных работ со схематичным изображением
реально существующих приборов. Такие имитации не являются компьютерными
экспериментами в принятом в вычислительной физике значении этого слова и при наличии
аналогичной реальной лабораторной работы не имеют особого смысла. Модельные же
работы позволяют изучать физические процессы в недоступных для реальных экспериментов
условиях, реализовать знаменитые исторические опыты, мысленные эксперименты, вообще
невозможные в действительности, но важные для изучения физических моделей и теории.
Таким образом, они позволяют реализовать более глубокое изучение физических моделей, в
то же время не теряется важная для повышения познавательной активности студентов
активная выполняемость работы и проводится обучение методам обработки результатов
измерений. Из этих соображений ясно, что компьютерная и обычная лабораторные работы
не являются альтернативными, а дополняют друг друга. Компьютерный эксперимент
позволяет усилить изучение модельной стороны физической науки, делая модели более
наглядными. Компьютерные лабораторные работы могут образовывать отдельный
практикум или составлять заметную долю работ в обычном практикуме.
Компьютерное виртуальное моделирование можно определить как наглядное
манипулирование со схематично представленными формами отражения причинноследственных связей объектов и явлений. В виртуальной реальности мир не дан константно.
Его можно свободно менять, стимулируя проявление творческих способностей человека.
Виртуальная реальность дает возможность моделировать перенос в пространстве и во
времени, а также осуществлять наглядные трансформации объектов не только макро-, но и
микромира. Приобретаемые при этом знания, умения, новый опыт могут играть
существенную роль в развитии, становлении человека и как профессионала, и как личности в
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
84
Секция 14 «РАЗВИТИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ
ИНТЕРАКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ».
Круглый стол № 1 «Дистанционные технологии обучения в техническом вузе».
целом. Но для этого еще должны быть разработаны теоретические и методические основы
применения виртуального моделирования в педагогике для обеспечения социального заказа
на подготовку специалистов определенного профиля.
Требуется решить задачи отбора и структурирования содержания учебных дисциплин,
использования в виртуальном моделировании психолого-педагогических методик
индивидуализации обучения. В констекте виртуального моделирования требуется
детализация таких принципов, как: единство учебного и воспитательного процесса; связь
обучения с трудовой общественной практикой; научность и доступность, систематичность и
последовательность обучения; сознательность и активность учащихся в обучении;
наглядность обучения.
Для успешного внедрения компьютеризированных форм обучения требуется их
соотнесение с общей системой организации учебного процесса, с такими формами его
реализации как лекции, лабораторно-практические занятия, коллоквиумы, зачеты и т.п.
Также требуют уточнения дидактические функции различных технических средств
обучения. Для успешного внедрения виртуального моделирования учебных дисциплин в
образовательные системы различного типа средствами педагогики необходимо ответить на
вопросы о функциях, видах, формах контроля и коррекции качества усвоения материала. Как
известно, все эти вопросы составляют основы дидактики.
При дистанционном обучении курсу физики соотношение между лабораторными
работами, выполняемыми с реальным оборудованием и виртуальными лабораторными
работами с моделями реального оборудования на компьютере резко смещается в сторону
последних. При создании виртуальных лабораторных работ требуются пакеты, которые
позволили бы обеспечить максимальную наглядность, точность соответствия модели
реальной установке с учетом систематических и случайных погрешностей, а также
процессов той же или другой физической природы не подлежащих исследованию в
лабораторной работе. Обеспечение последнего требования позволяет использовать одну
виртуальную установку для проведения нескольких лабораторных работ. Это существенно
облегчает работу студента так как экономит время на изучение установки, и что очень
важно, создает «эффект узнавания» уже изученного оборудования. Кроме того, сложная
виртуальная модель позволяет преподавателю ставить дополнительные вопросы в
соответствии с уровнем знаний учащегося, а любознательный студент имеет возможность
провести на представленной установке дополнительные не предусмотренные заданием
исследования.
Литература
1. Баяндин Д.В. Моделирующие системы как средство развития информационнообразовательной среды. − Пермь: ПГТУ, 2007. 330 С.
2.
Кравченко Н.С., Ревинская О.Г., Стародубцев В.А. Комплекс компьютерных
моделирующих работ по физике: принцип разработки и опыт применения в учебном
процессе. //Физическое образование в ВУЗах - 2006. Т. 12. №2 с. 85-96.
3.
Толстик А.М. Некоторые методические вопросы применения компьютерного
эксперимента в физическом образовании. //Физическое образование в ВУЗах - 2006. Т. 12.
№2. с. 76-84.
4. БутыринП. А., ВаськовскаяТ. А., КаратаевВ. В., Материнкин С. В.Автоматизация
физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные
приборы на основе LabVIEW 7. //ДМК пресс. 2005. 264 С.
5. Дж. Трэвис, Дж. Кринг. LabVIEW для всех. //ДМК пресс. 2011. 912 С.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
85