Исследование и разработка виртуальных лабораторных работ для курса физики по теме «Электричество»

"Научный аспект №5-2024" - Информ. технологии

УДК 004.9

Научный руководитель - Алпатов Алексей Викторович – кандидат физико-математических наук, доцент Волжского политехнического института.

Гоцко Сергей Александрович – студент Волжского политехнического института.

Аннотация: В данной работе были изучены методы проведения лабораторных работ по физике в области электричества до внедрения программно-информационной системы. Проведен анализ предметной области и возможность автоматизации бизнес-процессов предприятия. Были рассмотрены существующие аналоги и прототипы виртуальных лабораторных работ, а также проведен анализ их функциональных возможностей. Предложено решение и разработана программная реализация с описанием основных алгоритмов работы системы. После тестирования была представлена оценка качества разработанного программного продукта.

Ключевые слова: лабораторные работы, электричество, физика, виртуальная система.

Введение

Традиционные методы обучения обладают своими ограничениями. Очные лабораторные занятия требуют значительных временных затрат как от студентов, так и от преподавателей, занимающихся проверкой работ. Кроме того, существуют проблемы с оборудованием: его недостаток, высокая стоимость, вероятность поломки или устаревания.

Целью выпускной работы является снижение трудоемкости учителя при реализации школьного курса физики с использованием дистанционных образовательных технологий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие исследовательские задачи:

  1. Изучить существующие методы обучения физике с применением дистанционных образовательных технологий и проанализировать их эффективность.
  2. Разработать инновационные методики и виртуальные лабораторные работы для снижения трудоемкости преподавателя при преподавании куса физики.
  3. Проанализировать результаты и сформулировать рекомендации по дальнейшему развитию дистанционных образовательных технологий в образовательный процесс по физике.

Основная часть

Для успешного проведения виртуальных лабораторных работ необходимо, чтобы их цели были согласованы с общими образовательными целями. Задачи таких работ должны быть направлены на развитие конкретных умений и навыков, а также на углубление понимания предмета [4].

Подготовка студентов к выполнению виртуальных лабораторных работ начинается с тщательного изучения теоретических материалов [2]. Это позволяет им лучше понять тему лабораторной работы и освоить необходимые концепции и принципы.

Инструкция по выполнению лабораторной работы должна быть подробной, последовательной и недвусмысленной [3]. Она должна содержать цель работы, постановку задач, теоретические сведения, порядок выполнения работы и требования к результатам [5]. Разделение инструкции на отдельные вкладки облегчает доступ к информации и улучшает понимание структуры работы:

  1. Теоретический материал.
  2. Описание работы.
  3. Порядок выполнения работы.
  4. Лабораторная установка.
  5. Отчет.

Чтобы закрепить материал, часто используется тестирование. Этот метод позволяет проверить знания студентов, обеспечивая объективную оценку и экономя время преподавателей при оценке знаний большого числа обучающихся [1].

В системе существуют две группы пользователей: преподаватель и студент; именуемые, в общем случае как пользователи. Для каждой из групп пользователей четко определен набор функций. Каждая учетная запись может принадлежать только к одной из групп, при этом попытки воспользоваться функциями любой другой группы блокируются.

Общая диаграмма вариантов использования программного обеспечения, представленная на рисунке 1, отражает принципы проведения лабораторных работ по физике и включает следующие основные прецеденты:

  1. Авторизация;
  2. Выполнение лабораторной работы;
  3. Прохождение тестирования;
  4. Просмотр информации об успеваемости;
  5. Выставление баллов.

1

Рисунок 1. Общая диаграмма основных вариантов использования системы

Информационная система представляет собой Web-ориентированный сервис и разрабатывается на основе объектно-ориентированных языков PHP, JavaScript. Поскольку требуется иметь одновременный и параллельный доступ к базе данных на многочисленных клиентских компьютерах, выбрана клиент-серверная архитектура информационной системы.

После разработки было проведено тестирование достоверности результатов лабораторной работы, в аудитории была построена идентичная электрическая цепь представленной на сайте были записаны результаты экспериментов, проведенных в аудитории и в виртуальной среде. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты исследования

 

Реальность

Виртуальная лаборатория

I1

1,09

1,09

I2

0,72

0,72

I3

0,52

0,52

Важно осознавать, что проведение экспериментов, изучение полученных данных и сопоставление их с теоретическими ожиданиями играют критически важную роль в определении соответствия системы закона электричества. Когда экспериментальные результаты подтверждают теоретические модели, основанные на основных принципах электрических цепей, это свидетельствует о правильности математических концепций, применяемых для объяснения электрических явлений в лабораторных условиях.

Тем не менее следует помнить, что любая модель имеет свои ограничения и может быть лишь приближенным отображением реальности. Даже если система демонстрирует соответствие законам линейного электричества на основании проведенных экспериментов, для более глубокого понимания электрических явлений может потребоваться использование более сложных моделей или учет дополнительных факторов.

Заключение

Цель разработки была достигнута. Практическая ценность системы заключается в улучшении процесса дистанционного выполнения работ по физике по теме электричество.

В качестве следующего шага предложено создание лабораторных работ, касающихся других тем и разделов физики. В частности, можно рассмотреть такие области, как механика, термодинамика, оптика, молекулярная и квантовая физика.

Список литературы

  1. Шергин, С. Л. Применение лабораторных установок и моделей компьютерных лабораторных работ для демонстрации физических явлений / С. Л. Шергин // Актуальные вопросы образования. – 2022. – № 3. – С. 91-98. – EDN DFIMSC.
  2. Мухин, В. К. Лабораторные работы по электричеству (электростатическое поле) с уровневой дифференциацией заданий / В. К. Мухин // Математика и информатика, астрономия и физика, и совершенствование их преподавания: материалы Международной конференции «Чтения Ушинского», Ярославль, 05–06 марта 2020 года. – Ярославль: Ярославский государственный педагогический университет им. К.Д. Ушинского, 2020. – С. 131-135. – EDN PETKVN.
  3. Суздалова, Д. А. Виртуальные лабораторные работы по физике по программе Multisim / Д. А. Суздалова, Р. И. Петрова // Аммосов-2022 : сборник материалов республиканской научно-практической конференции студентов и магистрантов, посвященной 100-летию образования Якутской АССР : 2-е изд., доп., Якутск, 22 апреля 2022 года. – Якутск: Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 2022. – С. 349-351. – EDN AKMDEQ.
  4. Акматбекова, А. Ж. Организация виртуальных лабораторных работ студентов по физике в системе дистанционного обучения / А. Ж. Акматбекова, Г. Ж. Мухаметжанова // Научные исследования в Кыргызской Республике. – 2021. – № 3-1. – С. 96-106. – EDN ZKOAWT.
  5. Виртуальные лабораторные работы по физике в техническом вузе / А. А. Машиньян, Н. В. Кочергина, О. В. Бирюкова, Д. Д. Бабаев // Перспективы науки и образования. – 2022. – № 4(58). – С. 209-224. – DOI 10.32744/pse.2022.4.13. – EDN VKZLPV.
Автор: Гоцко Сергей Александрович