Имитационное моделирование в системе
лабораторных работ по физике в техническом вузе
Клещева
Нелли Александровна,
доктор педагогических наук, профессор,
Шилова
Екатерина Сергеевна,
аспирант.
Дальневосточный Государственный
Технический Университет.
Лабораторные
работы являются важнейшим структурным элементом предметной подготовки по физике
в техническом вузе. Одно из преимуществ лабораторных занятий по сравнению с
другими видами аудиторной работы студентов состоит в том, что они интегрируют
теоретико-методологические знания и практические умения студентов в единой учебно-исследовательской
деятельности. Однако, следует отметить, что традиционная схема проведения
лабораторных занятий и ограниченность экспериментальной базы, практически не
пополняемой в последние годы, зачастую не позволяют в полной мере реализовать
их дидактический потенциал. Для повышения эффективности данного вида учебных
занятий в вузах страны активно используются средства вычислительной техники. В
системе лабораторных работ компьютеры используются в самых различных аспектах:
для проведения студентами расчетов, для автоматизации методик оценивания
погрешностей лабораторных измерений, для проведения автоматизированного опроса
теоретического материала, для проведения с помощью компьютеров имитационных
экспериментов, которые сложно воспроизвести на имеющемся лабораторном
оборудовании.
При формировании общей направленности
автоматизации лабораторных работ по физике для студентов специальностей
технического профиля наибольший интерес представляет именно последний аспект:
компьютеры как инструмент для полноценной имитации реального физического
эксперимента. В настоящее время существует много «официально одобренных» версий
организации компьютерных лабораторных работ с привлечением методов имитационного
моделирования по всем разделам курса физики. Однако, использование таких
разработок зачастую сопряжено с определенными трудностями. Предлагаемые для
моделирования комплексы лабораторных работ не всегда соответствуют реально
существующим лабораторным работам в физических лабораториях, что затрудняет
возможность проведения натурного эксперимента. Кроме того, возникают проблемы
технического характера, связанные с несовместимостью конфигураций средств
вычислительной техники, с отладкой программного обеспечения.
На кафедре физики Дальневосточного
государственного технического университета в течение ряда лет ведутся исследования, связанные с
поиском оптимального направления «включения» средств автоматизации в систему
лабораторных работ по физике [2, с.85-103]. Для всех разделов курса физики,
изучаемых в техническом вузе, была разработана общая концепция организации
физического компьютерного практикума, базирующаяся на следующих принципах:
- принцип соответствия модельного и натурного эксперимента;
- принцип преемственности в организации лабораторной работы;
- принцип дидактической полноты педагогического сценария;
- принцип индивидуализации учебной деятельности на занятии;
-
принцип
"дружественности" интерфейса программы с пользователем.
Безусловно, компьютерное моделирование не должно полностью заменить
традиционную практику проведения лабораторных работ по физике. Основными
критериями для выбора подлежащих первоочередной компьютеризации лабораторных
работ должны выступать:
-
необходимость
реализации при рассмотрении данной темы учебного курса дидактически более
полноценного комплекса физических экспериментов;
-
возможность
разработки программных средств имитационного эксперимента, адекватных реальному
эксперименту и способных выполняться с приемлемыми временными затратами на
имеющихся в лаборатории средствах вычислительной техники.
Оптимальные
организационно-методические и дидактические аспекты применения средств
автоматизации в лабораторном практикуме по физике определялись при разработке и
эксплуатации комплекса совмещенных компьютерно-лабораторных работ по волновой оптике.
Лабораторные работы по
волновой оптике, в которых изучаются явления, обусловленные волновой природой
света - интерференция, дифракция, дисперсия - очень важны в структуре
предметной подготовки по физике для формирования целостного понимания физической
картины мира. При выполнении этих работ в достаточно простых и эффектных опытах
студенты должны получить подтверждение важнейшего в физике принципа корпускулярно-волнового
дуализма света. Именно с рассмотрения и анализа волновых свойств света в
системе преподавания физики наводится логический мост, от которого студенты
естественным образом переходят к изучению сложных для обыденного понимания
теории электромагнитного поля и квантовомеханической теории строения вещества.
Для специальности «Радиосвязь и телевидение»
в комплекс работ по волновой оптике было включено несколько работ по основным
разделам Фурье-оптики, являющейся важным разделом современной физической оптики.
Использование основных понятий Фурье-оптики позволяет единообразно
рассматривать вопросы дифракции и интерференции света, теории формирования
изображений, пространственно-частотной фильтрации, голографии [3, с.14-49].
Постановка полноценного лабораторного практикума по Фурье-оптике требует применения
дорогостоящего оборудования: лазеров, высокоточной оптики, оптических скамей, голографических
установок. Многие вузы не располагают в полной мере соответствующей технической
базой оптического эксперимента. Однако, практически в каждом вузе в том или ином
виде существует внутренняя компьютерная сеть (Интранет-сеть), объединяющая компьютеры
учебных компьютерных классов, кафедр, других
учебно-научных подразделений. Это открывает новые возможности в
организации учебного процесса в вузе, в частности, при проведении лабораторных
практикумов.
Основная идея заключается в том, что студент
на каждом лабораторном занятии должен провести как реальные эксперименты на
оптических установках, так и компьютерные имитационные эксперименты. При
выполнении компьютерной части каждой работы студент последовательно проходит
следующие этапы физического эксперимента.
1. Воспроизведение
проведенных на реальном оборудовании лабораторных экспериментов. На этом этапе
студент должен:
·
удостовериться
в справедливости математической модели рассматриваемого явления, лежащей в
основе программы имитационного моделирования;
·
оценить
типовые искажения, обусловленные несовершенством реальных оптических
элементов и неточностью сборки
оптической схемы в целом;
·
получить
представление о специфических артефактах цифровых алгоритмов имитационного
моделирования, особенностях их проявления в различных экспериментах и возможных
способах нейтрализации их влияния.
2. Воспроизведение реальных
лабораторных экспериментов при критических значениях параметров, трудно
реализуемых на имеющемся оборудовании.
3. Проведение дидактически важных
имитационных экспериментов, которые принципиально невозможно выполнить на
имеющемся лабораторном оборудовании.
4. Проведение имитационных экспериментов,
самостоятельно конструируемых студентами с целью получения тех или иных
требуемых в задании оптических эффектов.
При такой организации
компьютерного физического практикума занятия могут проводиться в любых
лабораториях вуза, имеющих компьютеры, подключенные к Интранет-сети института.
Тем самым обеспечивается высокая мобильность организационной структуры
практикума, актуальная в рамках многопрофильного технического вуза, с
территориально разнесенными учебными корпусами. Студент с любого компьютера с
помощью обычного Интернет-браузера заходит на HTML-страницу институтского
сервера, соответствующую физическому практикуму, регистрируется, проходит
тестовый опрос и получает индивидуальные задания. По итогам их выполнения готовится отчет в
электронном виде (файл формата Word). Окончательная защита работы проводится по
традиционной схеме - в собеседовании с преподавателем.
Компьютерным ядром практикума является
моделирующая программа, которая предоставляет
возможности виртуальной сборки типовых систем Фурье-оптики [1, с.10-17].
Студент произвольно «устанавливает» на оптическую скамью лазер, диафрагмы,
транспаранты с произвольно конструируемыми амплитудными и фазовыми функциями
пропускания, линзы, различные типы фоторегистраторов. Далее программно
имитируется прохождение светового потока от лазера последовательно через все
элементы системы вплоть до плоскости регистрации. Расчет типовых оптических
экспериментов при представлении плоского сечения оптического потока
осуществляется за время порядка 30-40 секунд.
Универсальный характер
предлагаемой технологии проведения компьютерных лабораторных работ позволяет
использовать ее не только в рамках физического практикума, но и при проведении
спецпрактикумов по физической оптике и радиофизике. Тем самым, еще раз неявно акцентируется ведущая
фундаментальная роль физического знания в системе наук технического профиля.
Дидактический потенциал
компьютерного физического практикума, проводимого по описанной схеме,
несомненно, выше традиционного. Во-первых, наличие в каждой лабораторной работе
задания, предполагающего самостоятельное конструирование условий эксперимента, требует
достаточно высокого уровня теоретической подготовленности студентов к занятиям.
Во-вторых, в рамках физического практикума, студенты проводят эксперименты,
реально отражающие направленность их будущей учебной и профессиональной
деятельности. Кроме того, для многих студентов возможность непосредственного
участия в организации имитационного эксперимента расширена за счет подключения
их к разработке программного обеспечения. Разработанные студентами моделирующие
программы, после того как они приняты в эксплуатацию, представляются ими как
курсовые проекты по дисциплинам специальности.
Литература
1. Грудин Б.Н., Клещева
Н.А., Фищенко В.К. Оптико-электронная обработка изображений: Учебное пособие. –
Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2004. – 80с.
2. Клещева Н.А., Штагер
Е.В., Шилова Е.С. Перспективные направления совершенствования процесса обучения
в техническом вузе: учебно-методическое пособие. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ,
2007. – 124 с.
3. Старк Г. Теория и
измерение оптических Фурье-спектров // Применение методов Фурье-оптики. – М.:
Радио и связь, 1998. – 432с.
Поступила в редакцию 26.06.2008 г.