TY  - JOUR
T1  - Проблема проведения лабораторных работ при отсутствии необходимого оборудования
AU  - Шевченко, И. М.
AU  - Довга, Г. В.
AU  - Ларченкова, Л. А.
Y1  - 2023-04-11
UR  - https://rep.herzen.spb.ru/publication/1026
N2  - В настоящее время в сферах исследований, работы и образования наибольший интерес представляют собой компьютерные информационные системы. Постоянное развитие науки, техники и технологии влечет за собой появление новых информационных систем, а также развитие и совершенствование существующих. Снижение конкурентоспособности традиционных образовательных институтов, а также недостаточная интеграция новых технологий и разработок в образование, свидетельствуют о необходимости создания учреждений образования принципиально нового типа. Сегодня традиционное образование как система получения знаний отстает от реальных потребностей современной науки и производства. Для решения этих проблем необходимо создавать инновационные учебные технологии будущего. В сочетании с другими дисциплинами общего естественнонаучного цикла (курсы физики и математики, общефизический практикум) виртуальные лабораторные работы должны формировать у студента базовую подготовку в области современного использования вычислительной техники применительно к потребностям предмета физики. Одновременно физика, как предмет, на базе которого проходит обучение, служит дополнительным фактором, обеспечивающим мотивацию студента в изучении компьютерных технологий [Изергин, 2015, с. 114]. Также при помощи компьютерных лабораторных работ студент может приобрести практические навыки применения компьютеров для решения задач физики, которые формируются постепенно путем приобретения опыта решения все более сложных задач из разных разделов физики с использованием, например, программ из пакета Microsoft Office. Использование компьютерной техники при рассмотрении физических процессов и явлений не является новым. На сегодняшний день существует множество программных комплексов - виртуальных лабораторий, в основном специализирующихся на определенных направлениях естественнонаучных дисциплин. Этот вид лабораторных работ характеризуется численным моделированием физических явлений с их одновременной визуализацией средствами компьютерной графики [Евреинов, 2008, с. 53]. Большинство имеющихся виртуальных лабораторных работ имеют в себе «неизменяемые части», что проявляется в невозможности изменить основную рабочую формулу рассматриваемого процесса (даже частично), внести в нее дополнительную переменную (которая может проявлять себя как флуктуации в процессах); однако возможно изменить лишь переменные, которые уже входят в запрограммированную на каком-либо языке формулу, и то, если эта возможность осуществлена. Мною написан комплекс лабораторных работ «Виртуальная лаборатория 1.0: Физика», состоящий из 14 виртуальных лабораторных работ, которые студент может выполнять, не выходя из дома, а также отправлять результаты выполнения прямо на сайт лаборатории [Калаков, 2015, с. 86-91]. Лабораторные работы, включенные в состав виртуальной лаборатории, написаны по принципу «от теории к практике»: то есть сначала студент знакомится с теоретической методологией работы, а только потом преступает к детальному изучению хода выполнения работы. Подробный ход выполнения работы для дистанционного обучения очень важен, т. к. обучаемый не имеет непосредственного контакта с преподавателем. Также это освобождает студента от неправильного понимания сути лабораторной работы, и позволяет сосредоточиться лишь на ее выполнении. Интересной особенностью представленной компьютерной лаборатории является возможность просмотра оценки за выполненную работу непосредственно через сайт лаборатории. Для этого требуется предварительная авторизация студента. Тем самым, лаборатория выполняет также роль полнофункционального сайта дистанционного обучения. Лабораторные работы имеют демо-доступ, благодаря которому все заинтересованные в данном виде работ могут их просмотреть. Отличительной особенностью является то, что все исходные файлы моделей написаны на платформе GeoGebra - свободно распространяемом ПО математического моделирования. Таким образом, представленные модели можно изменять, не затрагивая тем самым все остальные работы и ее теоретическую часть. К каждой лабораторной работе имеется возможность скачать макет оформления отчета к лабораторной работе. После этого студенту остается лишь заполнить необходимые места в документе. Это освобождает студента от рутинной работы по оформлению работы в текстовом редакторе - выравниванию полей, редактированию шрифтов, - а позволяет сосредоточиться только на выполнении самой работы, экономя тем самым время. Сайт лаборатории разделен на два типа учетной записи: 1. Запись студента - позволяет выполнять лабораторные работы, а просматривать результаты проверки лабораторных работ преподавателем; 2. Запись преподавателя - позволяет просматривать без ограничений лабораторные работы, проверять присланные на сайт студентами отчеты лабораторных работ, добавлять и удалять студентов (учетные записи). Порядок работы следующий: 1) выбор модели из имеющегося списка; 2) знакомство с теоретической частью рассматриваемой работы (вкладка «Теоретическая часть»); 3) знакомство с заданием к лабораторной работе с возможностью скачать шаблон выполнения работы в формате *.doc (вкладка «Задание к лабораторной работе»); 4) непосредственное выполнение работы (вкладка «Компьютерная модель») с использованием Java-апплетов; 5) отправка отчета о выполнении работы (как указано в шаблоне к заданию) преподавателю на сайт лаборатории (вкладка «Отправить результаты выполнения работы»). Перед началом работы следует протестировать браузер на готовность к работе, так как при выполнении работы с моделью, перезагружать страницу нельзя. Для этого следует перейти на вкладку «Компьютерная модель» и нажать на ссылку «--Начать работу--». Снизу должна запуститься тестовая модель. Если же страница будет перезагружена, то возможность работы с моделью для данной лабораторной работы будет потеряна и для повторного открытия доступа нужно будет обращаться с этой просьбой к преподавателю. Общее выполнение работы студентом ограничено по времени выполнения: два часа, причем отсчет времени начинается с момента нажатия кнопки «--Начать работу--». Отсчет времени появляется в нижнем правом углу монитора, по истечении которого модель автоматически закрывается. При авторизации может произойти «наезд» вкладок: такая ошибка случается при неудачной загрузке скрипта из стороннего сайта jquery.com. Чтобы исправить ее, просто следует просто перезагрузить окно браузера - ситуация изменится. Обычно ошибка возникает первый раз при открытии сайта в браузере. Если не установлено расширение (плагин) Java, то браузер попросит его установить. При появлении тестовой модели как показано ниже (см. рис. 1), следует сначала пройти тест, а после можно переходить к выполнению реальной модели. Приведу примеры двух лабораторных работ по разным разделам: ▪ определение коэффициента трения; ▪ моделирование взаимодействия двух заряженных шаров. Рассмотрим первую модель - «Определение коэффициента трения». Ознакомимся с работой интерактивной схемы (см. рис. 2). Рис. 2. Интерактивная модель Представленная схема предназначена для изучения зависимости времени соскальзывания бруса с наклонной поверхности от коэффициента трения поверхности, по которой он соскальзывает [Савельев, 2018, с. 87]. Моделирование производится по нажатию на кнопки «Старт». На схеме можно изменять: ▪ коэффициент трения бруска о поверхность µ, ▪ маркеры S1 и S2 дополнительного таймера (датчика), ▪ высоту наклона поверхности, ▪ начальное положение бруса на наклонной поверхности (маркер М). Нажмем «Пуск» и запустим пробную модель. Расположим брус на наклонной поверхности на некоторой минимальной высоте. Установим для данной высоты максимальное значение коэффициента трения, при котором брус сможет двигаться. Это можно определить по надписи: «При выбранном коэффициенте трения каретка двигаться не начнет!», которое возникнет в случае превышения коэффициента трения. Далее разделим весь интервал значений коэффициента трения на 6 равных частей и для каждого из 6 значений выполним опыт, записав время соскальзывания. В модели возможно менять угол наклона и начальное положение груза (см. рис. 3). Рис. 3. Измененная высота соскальзывания груза Пользуясь вспомогательными маркерами S1 и S2, можно определить время прохождения брусом участка S1-S2 (поле «Секундомер»), а после - ускорение тела для трех различных высот. Рассмотрим вторую модель - «Моделирование взаимодействия двух заряженных шаров». Ознакомимся с работой интерактивной схемы (см. рис. 4). Рис. 4. Интерактивная схема Представленная схема предназначена для изучения взаимодействия двух заряженных шаров различной массы, укрепленных к одной точке подвеса [Гершензон, 2014. с. 378]. На схеме можно изменять: ▪ m1, m2 - массы взаимодействующих шаров (*101 г), ▪ l - длина нити подвеса шаров (см), ▪ q1, q2 - заряд шаров (*10-8 Кл), ▪ масштаб векторов действующих сил (ползунок «масштаб»). Выберем с помощью ползунка соответствующие параметры длины подвеса, массы шариков и величины действующих зарядов (по модулю). Преступим к проведению опыта. На модели можно видеть центр масс взаимодействующих шаров, углы наклона нити к вертикальному отвесу γ и β, расстояние между взаимодействующими шарами HJ (в см). Следует учесть, что на шары в рамках модели действует три силы: реакция нити Т, сила Кулона Fq, сила притяжения шаров mg. Следовательно: r r r T mg F     q 0 Используя данную особенность, определить значение коэффициента пропорциональности k, входящий в закон Кулона. Сверить полученное значение с табличными данными. Расчет вести из следующего утверждения: r r r T mg F     q 0 r r r Fq     T mg qq1 2 FHJq 2 Fq  k 2    k HJ qq1 2 Лабораторная работы выполнена в виде двух вариаций: 1) Расчет без учета разности масс шариков. Проделать опыт с одинаковыми массами шариков, тогда углы наклона нити будут иметь одинаковое значение. 2) Расчет с учетом разности масс шариков. Выберем с помощью ползунка различные значения масс шариков (см. рис. 5). Рис. 5. Проведение опыта с разными массами Полученные результаты можно занести в таблицу и сделать выводы о влиянии на точность результатов разности в массах шариков. Вычислить относительную погрешность вычислений необходимо, принимая в качестве эталона справочные значения коэффициента взаимодействия k. kэтал  kисслед   *100% kэтал 2 где  этал - эталонное значение коэффициента k (k=9*109 Н м* 2 ), Кл  исслед - экспериментально полученное значение коэффициента k. Виртуальная компьютерная лаборатория и одна из ее составных частей - виртуальный компьютерный класс привносят инновации, так необходимые сегодня российской системе образования. Внедрение и использование виртуальной компьютерной лаборатории в учебном заведении существенно снижает издержки на модернизацию и обслуживание компьютерного парка, а также позволяет в полной мере приравнять дистанционную форму обучения к очной за счет построения интерактивных индивидуальных траекторий обучения в любом месте и в любое время, обеспечивая непревзойденную мобильность. В настоящее время ведется работа по внедрению данных лабораторий на базе СПб ГБПОУ «Академия транспортных технологий» для студентов и очного отделения. Учитывая специфику работы академии, потребуется тщательная переработка теоретической части, а также провести расчеты, показывающие нагрузку лаборатории на сервера академии, либо использовать сторонний хостинг.