УДК 378.147

ПРАКТИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ НА КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЯХ

Новоселова Марина Вячеславовна1, Новоселов Анатолий Рафаилович2
1Тверской государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной физики
2Тверской государственный университет, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики

Аннотация
Описана методика организации лабораторного практикума по физике, основанного на компьютерных моделях экспериментов по квантовой, атомной и ядерной физике. Возможность варьирования условий проведения виртуального эксперимента позволяет организовать выполнение лабораторных работ фронтальным методом. Учет случайной ошибки в математическом сопровождении виртуального эксперимента вносит погрешность в результаты аналогично измерениям величин на реальных лабораторных установках. Отчет по лабораторной работе рекомендуется оформлять на специально разработанных бланках. Допуск и защита лабораторных работ проводится в режиме компьютерного тестирования. Данная методика организации лабораторного практикума оказывает положительное влияние на усваиваемость студентами изучаемого материала.

Ключевые слова: компьютерные модели, лабораторные работы, повышение усваиваемости изучаемого материала


PRACTICE OF IMPLEMENTATION OF LABORATORY WORKS ON PHYSICS ON COMPUTER MODELS

Novoselova Marina Vyacheslavovna1, Novoselov Anatoly Rafailovich2
1Tver State Technical University, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Applied Physics Department
2Tver State University, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the General Physics Department

Abstract
The method is described for the organization of the laboratory workshop on physics-based computer models of the experiments on quantum, atomic and nuclear physics. The possibility to vary the conditions of the virtual experiment enables to organize the laboratory work frontal method. The account of accidental errors in the mathematical support of virtual experiment introduces an error in the results similarly to quantities measurement on a real laboratory plant. A laboratory report should be done on a specially designed form. Permission to carry out a laboratory work and defence of results are conducted in a form of computer testing. This method of a laboratory work organization has a positive effect on the learning of the studying material.

Keywords: computer models, laboratory work, learning of the studying material improvement


Библиографическая ссылка на статью:
Новоселова М.В., Новоселов А.Р. Практика выполнения лабораторных работ по физике на компьютерных моделях // Современная педагогика. 2017. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://pedagogika.snauka.ru/2017/01/6589 (дата обращения: 04.10.2017).

Одним из недостатков в организации лабораторного практикума по курсу физики в большинстве вузов является отсутствие возможности постановки натурных экспериментов по квантовой, атомной и ядерной физике. Это связано с тем, что постановка лабораторных работ (ЛР) по этим разделам физики в учебной лаборатории технически затруднена, экономически невыгодна, либо вообще невозможна в силу тех или иных причин. Поэтому в современном образовательном процессе при изучении физики все большее внимание уделяется использованию виртуальных лабораторных работ.

В связи с этим авторами были разработаны и внедрены в учебный процесс лабораторные работы [1], выполняемые на компьютерных моделях соответствующих экспериментов по определению первого потенциала возбуждения атомов (опыт Франка и Герца); изучению волновых свойств электронов (опыт Дэвиссона и Джермера); изучению корпускулярных свойств электромагнитного излучения (фотоэлектрический эффект); определению коэффициента поглощения гамма-излучения в веществе; измерению мессбауэровских спектров.

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 зависимость физических величин.

В математическом сопровождении виртуального эксперимента 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.

По сравнению с традиционным методом проведения лабораторного практикума в виртуальном варианте появляется возможность организовать выполнение лабораторных работ фронтальным методом, при котором тематика каждой работы полностью соответствует тематике текущих лекционных и практических занятий.

При выполнении одной и той же ЛР возможно варьировать условия проведения виртуального эксперимента. В ЛР «Опыт Франка и Герца» можно определить первый потенциал возбуждения атомов нескольких веществ. В ЛР «Опыт Дэвиссона и Джермера» рассчитывается длина волны электронов. Для этого можно снять зависимость силы тока коллектора от ускоряющей разности потенциалов при различном фиксированном угле рассеяния, и зависимость силы тока коллектора от угла рассеяния при различной фиксированной ускоряющей разности потенциалов. В ЛР «Фотоэффект» можно исследовать вольтамперные характеристики для нескольких материалов катода при различных значениях интенсивности и частоты падающего света, а также снять зависимость запирающего напряжения фотоэлемента от частоты падающего света. Определение коэффициента поглощения гамма-излучения в веществе производится для нескольких материалов и наборов пластин различной толщины. При измерении мессбауэровских спектров исследуется зависимость числа импульсов (зарегистрированных гамма-квантов) от скорости движения источника излучения.

Виртуальный практикум содержит компьютерные модели реальных лабораторных установок, а так же методические указания по выполнению эксперимента, обработке экспериментальных данных; контрольные вопросы; справочный материал. Внешний вид окна в режиме выполнения лабораторной работы «Эффект Мессбауэра» приведен на рис. 1. 

Рис. 1. Окно лабораторной работы «Эффект Мессбауэра»

Выполнение компьютерной ЛР включает в себя следующие этапы: подготовка к работе; допуск к ЛР; выполнение экспериментальной части; обработка результатов измерений; защита лабораторной работы.

Отчет по ЛР рекомендуется оформлять на специально разработанных бланках формата А4 (рис. 2). На лицевой стороне бланка указанны пункты отчета, заполняемые студентом при предварительной подготовке к ЛР: ФИО студента, дата выполнения, название и цель работы, основные законы и расчетные формулы, схема установки. Оборотную сторону бланка студент заполняет непосредственно при выполнении ЛР. На оборотной стороне бланка представлены незаполненные таблицы результатов эксперимента, указаны последовательности расчета определяемой экспериментально величины для одного из опытов и доверительного интервала для математического ожидания этой величины, нанесена масштабная сетка для графиков, приведена форма записи результата работы.

Рис. 2. Пример бланка оформленного отчета по ЛР

Допуск и защита ЛР проводится в режиме компьютерного тестирования. Для этих целей разработаны компьютерная автоматизированная система формирования вариантов заданий [2] и банки заданий различного назначения [3]. Система случайным образом выбирает установленное число заданий из указанного банка заданий для каждого студента и формирует тест. После выполнения всех заданий теста в режиме ограниченного времени на экран выводится оценка, которая помогает преподавателю решить вопрос о допуске данного студента к работе. В случае защиты ЛР по окончании тестирования студент получает оценку и имеет возможность просмотра своей работы. Внести изменения в результат тестирования уже нельзя, но можно совершенные ошибки проанализировать и обсудить с преподавателем.

Опыт использования компьютерных лабораторных работ показал, что виртуальный практикум позволяет существенно расширить возможности учебных лабораторий кафедр физики в учебном процессе, оказывает положительное влияние на усваиваемость студентами освещаемого в нем физического материала.


Библиографический список
  1. Программа для ЭВМ № 2001610551. Виртуальный практикум по квантовой физике / В.В. Измайлов, М.В. Новоселова; зарег. в реестре программ для ЭВМ 15.05.2001.
  2. Программа для ЭВМ №  2007613871. Система для автоматизации формирования вариантов заданий для бланочного и компьютерного тестирования / В.В. Измайлов, М.В. Новоселова; зарег. в реестре программ для ЭВМ 11.09.2007.
  3. Новоселова, М.В. Система индивидуальных заданий как средство активизации самостоятельной работы студентов / М.В. Новоселова, А.Р. Новоселов. Современная педагогика. 2016. № 10 (47). С. 93-95.


Все статьи автора «Новоселова Марина Вячеславовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: