Программный комплекс интерактивных лабораторный работ по изучению законов постоянного тока

№110-1,

физико-математические науки

Комплекс электронных лабораторных работ по изучению законов постоянного тока состоит из девяти программ. Часть работ посвящена определению удельного сопротивления проводников без учета сопротивлений электроизмерительных приборов, с учетом сопротивления амперметра и с учетом сопротивления вольтметра соответственно. Другие электронные лабораторные работы посвящены определению сопротивления методом амперметра и вольтметра; методом двух амперметров; методом двух вольтметров. Остальные работы предназначены для изучения последовательного и параллельного соединения резисторов и определению ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока. Электронные установки программного комплекса являются интерактивными, имеют множество изменяемых параметров, в работах используется технология Drag-and-Drop.

Похожие материалы

Использование компьютерных технологий на уроках физики дает возможность развития практических умений и навыков, так как виртуальная среда компьютеров дает возможность незамедлительно изменить постановку опытов, что гарантирует существенную вариативность его итогов, а это значительно обогащает практику исполнения учениками последовательных действий рассмотрения и формулировки заключений итогов опыта [1-4]. Помимо этого, возможно неоднократное осуществление эксперимента с изменяющимися параметрами, а также сохранять результаты и возвращаться к исследованиям в любое удобное время. При помощи компьютерных моделей можно провести существенно больше экспериментов, нежели на реальных лабораторных установках. Работая с электронными лабораторными работами, учащиеся открывают в себе весьма внушительные познавательные способности. Ученики становятся не только наблюдателями, но и непосредственными участниками выполнения лабораторных работ [5-7].

Еще один положительный момент заключается в том, то, что компьютер дает редкую, не всегда реализуемую в настоящем физическом эксперименте, визуализацию явления или объекта в природе. Значительные методические преимущества могут быть получены благодаря интеграции различных инструментов информационно-коммуникационных технологий, обычно используемых в преподавании дисциплин естественнонаучного цикла, в частности путем комплексного использования «реальной» и «виртуальной» лабораторной деятельности [9-10]. Материальные лаборатории включают стендовые эксперименты с использованием систем сбора данных, в то время как «виртуальные» лаборатории подразумевают интерактивное моделирование и анимацию.

Разработанный программный комплекс содержит девять электронных лабораторных работ по изучению законов постоянного тока. Полученные программные продукты могут быть экспортированы в большое число форматов и легко интегрируются в интернет ресурсы и в дальнейшем могут быть доступны широкому кругу пользователей при электронном образовании.

Виртуальная интерактивная установка по определению удельного сопротивления металлов без учета сопротивлений электроизмерительных приборов (рис. 1) состоит из источника постоянного тока, ключа, проводника изменяемой длины и диаметра и измерительных приборов: вольтметра и микроамперметра. Установка позволяет изменять напряжение на источнике питания с шагом в одну десятую вольта. Для замыкания электрической цепи используется однополярный ключ с перемещающимся включателем. Для изменения силы тока в электрической цепи используется интерактивный реостат с большим активным сопротивлением, бегунок которого также может перемещаться. Показания вольтметра и микроамперметра могут выводиться как в аналоговом, так и цифровом виде. Для определения показаний вольтметра и микроамперметра первоначально требуется определить их цену деления. Для определения удельного сопротивления металлов с помощью данной установки используется закон Ома для участка цепи и формула зависимости сопротивления проводника от материала проводника и его геометрических размеров. При создании электронной лабораторной работы использовалась технология «Drag-and-Drop» или, в переводе на русский язык, «перетащи и положи», задуманная для придания большего удобства и ускорения работы с пользовательским интерфейсом. Эргономика технологии заключается в том, что кроме традиционных средств с буфером обмена, который используется для передачи данных от одной программы в другую, задействуются функции управления приложениями при помощи манипулятора мышь.

Электронная лабораторная работа «Определение удельного сопротивления металлов»
Рисунок 1. Электронная лабораторная работа «Определение удельного сопротивления металлов»

На рис. 2 и рис. 3 представлены электронные лабораторные работы по определению удельного сопротивления проводников. Отличительной особенностью данных работ друг от друга является использование различных физических моделей и электрических схем. В первой работе учитывается сопротивление амперметра, а во второй работе учитывается сопротивление вольтметра. В обоих работах длину проводника можно изменять двумя способами: 1) с помощью инструмента NumericStepper на панели инструментов; 2) с помощью интерактивного бегунка.

Электронная лабораторная работа «Определение удельного сопротивления проводника (схема 1)»
Рисунок 2. Электронная лабораторная работа «Определение удельного сопротивления проводника (схема 1)»
Электронная лабораторная работа «Определение удельного сопротивления проводника (схема 2)»
Рисунок 3. Электронная лабораторная работа «Определение удельного сопротивления проводника (схема 2)»

На рис. 4, рис. 5 и рис. 6 представлены созданные электронные лабораторные работы по определению сопротивления резистора тремя способами соответственно: 1) методом амперметра и вольтметра; 2) методом двух амперметров; 3) методом двух вольтметров. Лабораторные работы состоят из электрических цепей содержащих интерактивные электроизмерительные амперметры и вольтметры, а также дополнительное оборудование: реостат и ключ.

Электронная лабораторная работа «Определение сопротивления резистора при помощи амперметра и вольтметра»
Рисунок 4. Электронная лабораторная работа «Определение сопротивления резистора при помощи амперметра и вольтметра»
Электронная лабораторная работа «Определение сопротивления резисторов методом амперметров»
Рисунок 5. Электронная лабораторная работа «Определение сопротивления резисторов методом амперметров»
Электронная лабораторная работа «Определение сопротивления резисторов методом вольтметров»
Рисунок 6. Электронная лабораторная работа «Определение сопротивления резисторов методом вольтметров»

На рис. 7 и рис. 8 представлены разработанные электронные лабораторные работы по изучению последовательного и параллельного соединения резисторов. С помощью этих установок можно убедиться с справедливости законов последовательного и параллельного соединения проводников. Лабораторные работы содержат интерактивные электроизмерительные приборы, а также дополнительное оборудование: реостат и ключ.

Электронная лабораторная работа «Изучение последовательного соединения проводников»
Рисунок 7. Электронная лабораторная работа «Изучение последовательного соединения проводников»
Электронная лабораторная работа
Рисунок 8. Электронная лабораторная работа

«Изучение параллельного соединения проводников»

И, наконец, на рис. 9. представлена электронная лабораторная работа по определению электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока. Для определения искомых параметров используется закон Ома для полной цепи записанный дважды для двух положений бегунка реостата, при которых изменяются показания интерактивных вольтметра и амперметра. Работа является многовариантной, предоставляется возможность выбрать один из представленных пяти источников тока.

Электронная лабораторная работа «Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»
Рисунок 9. Электронная лабораторная работа «Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»

Представленные электронные установки лабораторного комплекса созданы в программе Macromedia Flash Professional, которая имеет возможности, как графического редактора, так и встроенного объектно-ориентированного программирования Action Script 2.0. Полученные программные продукты могут быть экспортированы в большое число форматов и легко интегрируются в интернет ресурсы и в дальнейшем могут быть доступны широкому кругу пользователей при очном или заочном обучении [11].

Список литературы

  1. De Jong T., Linn M.C., Zacharia C.Z. Physical and Virtual Laboratories in Science and Engineering Education. Science. 2013. V. 340. P. 305-308.
  2. Perkins R., Adams W., Dubson M., Finkelstein N., Reid S., Wieman C., LeMaster R. PhET: Interactive simulation for teaching and learning physics. The physics teacher. 2006. V. 44. no.1. P. 18-23.
  3. Monakhov V.V., Kozhedub A.V., Kashin A.N. Integrated Environment for Physical Experiments Control. Abstracts of the First International Conference «Modern Trends in Computational Physics», Dubna, 1998. 125 p.
  4. Yaşar O. Teaching science through computation. International Journal of Science. Technology and Society. 2013. V. 1. № 1. Issue 1. P. 9-18.
  5. Баранов А.В., Борыняк Л.А., Заковряшина О.В. Виртуальные проекты студентов в физическом лабораторном практикуме профильного лицея // Открытое и дистанционное образование. 2014. №2(54). С. 40-44.
  6. Баранов А.В., Волохович Е.Н., Медведева К.А., Степин Д.В. Учебный компьютерный имитационный эксперимент «Визуализация в реальном времени квантовой интерференции одиночных молекул» // Открытое образование. 2015. №3. С. 110-114.
  7. Баранов А.В. Виртуальные проекты и проблемно-деятельностный подход при обучении физике в техническом университете // Физическое образование в вузах. 2012. Т. 18. №4. С.90-96.
  8. Devyatkin E.M. Virtual interactive laboratory assignments and experiments in physics in the system of education // В сборнике: Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2018 Proceedings XIV International scientifictecnical conference. In 8 Volumes. 2018. С. 255-258.
  9. Девяткин Е.М. Компьютерное моделирование экспериментальных задач по общей физике/ Е.М. Девяткин // Современные проблемы науки и образования. — 2017. — № 6.; URL: https://www.science-education.ru/ ru/article/ view?id=27189 (дата обращения: 20.02.2019).
  10. Гарифуллин Р.И., Девяткин Е.М. Электронный комплекс виртуальных лабораторных установок по механике и молекулярной физике // Ломоносовские чтения на Алтае: сборник научных статей международной молодежной школы-семинара (Барнаул, 5-8 ноября, 2013). В 6 ч. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2013. Ч.III. С. 309-311.
  11. Виртуальные лабораторные работы по физике. [Электронный ресурс]. URL: http://mediadidaktika.ru. (дата обращения: 185.11.20198).