Компьтеризированный эксперимент как средство формирования исследовательских умений Учитель физики МБОУ СОШ 9 г.Инта Пакшин Алексей Николаевич 2015 г.

Роль информационных технологий в физическом эксперименте Во-первых, компьютер играет роль средства численного моделирования в реальной научной и инженерно-технической практике (процессы в звёздных системах, испытание блоков самолётов, корпусов автомобилей). Во-вторых, он используется для автоматизации процесса получения и обработки информации, полученной в эксперименте, что даёт больше времени для осмысления полученных данных, для проведения дополнительных измерений, для постановки эксперимента в новых условиях. Исходя из этих функций, компьютерный эксперимент можно разделить на модельный и компьютеризированный и рассматривать как метод обучения в составе методов организации учебного исследования.

Компьютерные модели

Модели лабораторных работ

используя модель «Движение тела, брошенного под углом к горизонту» можно выполнять задания для случая прицельного броска, с заданной скоростью, с последующей проверкой результата в натуральном эксперименте использование модели в качестве экспертной системы при решении задач типа: –Начальная скорость броска составляет... –Максимальная дальность полёта достигается при... –Рассчитайте дальность полёта при...

исследование модели «Вынужденные колебания в RLC-контуре» возможно исследовать поведение модели при изменении циклической частоты свободных незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре и значений параметров цепи, а также определение резонансной частоты.

К сожалению, модельный компьютерный эксперимент стал использоваться не только как средство наглядности, но и как объект активной познавательной деятельности учащихся, цели которой не всегда адекватны содержанию. Например, учащимся предлагаются такие задания для работы с моделями: «...доказать справедливость закона Ома для участка цепи», «... проверить выполнение закона Ампера». Правильнее было бы предложить «... исследовать работу модели "Закон Ома для участка цепи"» или «... познакомиться с законом Ампера, используя модель "Опыт Ампера"». Модельный эксперимент должен не заменять, а дополнять традиционный натурный эксперимент.

Компьтеризированный эксперимент Что касается компьютеризированного эксперимента, то он возможен, если школьная лабораторная установка снабжена системой датчиков. Данные эксперимента обрабатываются и выводятся на экран в реальном масштабе времени - в рациональной графической форме, в виде последовательности чисел, диаграмм, графиков и таблиц. Основное внимание учащихся при этом сосредотачивается не на сборке и настройке экспериментальной установки, а на проектировании различных вариантов проведения эксперимента, накоплении данных, их анализе и интерпретации, формулировке выводов.

Состав цифровой лаборатории Система датчиков Устройство сопряжения (регистратор или контроллер) Компьютер (КПК, ноутбук, планшет) Программное обеспечение (датчик может быть совмещен с устройством сопряжения)

Датчики

датчик давления 0~700 к Па датчик магнитного поля +/- 0,2 м Тл ~ +/-10 м Тл датчик напряжения +/-25 В датчик освещенности 0~600/0~6000/0~ лк датчик освещенности 0~300 лк датчик расстояния 0.2~10.0 м датчик силы +/-50 Н датчик температуры -25/+110 C датчик температуры 0~1250 C датчик температуры -200~400 С датчик силы тока (амперметр) +/-2.5 A датчик силы тока (амперметр) +/-250 ма датчик микрофонный +/-2.5 В датчик Ворота с фотоэлементом 0~5В датчик радиоактивности (Счетчик Гейгера-Мюллера) датчик уровня шума датчик угла поворота датчик ускорения +/- 5 g и т.д.

Собирать данные и отображать их в ходе эксперимента

Различные способы отображения данных В виде графиков В виде таблиц Табло измерительных приборов Аналоговый Индикаторный Цифровой

Просматривать видеозаписи предварительно записанных экспериментов

Импортировать / экспортировать данные

Вести журнал экспериментов

Преимущества цифровой лаборатории Повышение уровня знаний за счёт активной деятельности учащихся в ходе экспериментальной исследовательской работы Автоматический сбор данных на протяжении всего эксперимента позволяет сэкономить время на записи Результаты эксперимента – наглядны: данные отображаются в виде графика, таблицы, аналогового табло и в цифровом виде Удобная обработка результатов позволяют получать данные, недоступные в традиционных учебных экспериментах Лаборатория обладают мобильностью, что позволяет проводить исследования в «полевых условиях» Доукомплектовать датчиками старые приборы

Использование цифровых лабораторий позволяет получить представление о смежных образовательных областях. информационные технологии; современное оборудование исследовательской лаборатории; математические функции и графики, математическая обработка экспериментальных данных, статистика, приближенные вычисления; методика проведения исследований, составление отчетов, презентация проделанной работы.

Демонстрация фазовых превращений на примере плавления и отвердевания олова.

Превращение кинетической энергии в тепло.

Пример использования компьютерных технологий при изучении темы «Звуковые волны». Звуковые волны можно визуализировать с помощью учебной установки «Волновой портрет» (ООО «Научные развлечения»)

На низкочастотном динамике смонтировано зеркало, которое при возвратно-поступательном движении диффузора изменяет угол наклона по отношению к падающему на него лучу лазера. Это вызывает колебания отражённого луча в вертикальной плоскости. Горизонтальная развёртка лазерного луча осуществляется с помощью восьмигранной зеркальной призмы, вращающейся на валу шагового электродвигателя. Параметры входного электрического сигнала, поступающего на динамик, измеряют с помощью компьютерного измерительного блока, подключённого к мини-ноутбуку Одновременно соответствующий звуковой сигнал можно услышать и зарегистрировать с помощью датчика звука (микрофона). Выходной электрический сигнал поступает в систему сбора данных, предназначенной для автоматизации учебных демонстрационных экспериментов, либо в устройство измерения и обработки данных На экране отображается график звуковых колебаний. Школьники строят графическое изображение звуковой волны, определяют её период, частоту и амплитуду, изменение амплитуды при удалении от источника звука, изучают форму и частоту звуковых колебаний, соответствующих нотам первой октавы клавишного инструмента.

Пример использования компьютерных технологий Ещё одна посильная для школьников задача - разобраться, как работает пульт дистанционного управления бытовыми приборами, собрать установку, провести эксперимент и сделать выводы.

Сравним с датчиками автомобиля 1 Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) 2 Датчик положения распределительного вала (ДПРВ, датчик фаз) 3 Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) 4 Датчик детонации 5 Датчик абсолютного давления (ДАД) 6 Датчик концентрации кислорода (ДК, ДКК, лямбда-зонд) 7 Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) 8 Датчик указателя температуры охлаждающей жидкости 9 Датчик температуры поступающего в цилиндры воздуха 10 Датчик скорости автомобиля (ДС, ДСА) 11 Датчик аварийного давления масла 12 Датчик указателя уровня топлива 13 Датчик недостаточного уровня жидкости в бачке стеклоомывателя 14 Датчик неровной дороги КОМПЬЮТЕРНУЮ ДИАГНОСТИКУ ДЕЛАЮТ В ЛЮБОЙ АВТОМАСТЕРСКОЙ

Лаборатория «Архимед» карманный персональный компьютер Palm; измерительный интерфейс TriLink; цифровые датчики

КПК Palm Измерительный интерфейс TriLink Цифровые датчики Цифровой микроскоп

Цифровая лаборатория по физике (Базовый уровень), с нетбуком Цифровая лаборатория «Научные развлечения» предназначена для работы школьников по схеме «один ученик – один компьютер». Использование нетбука Сlassmate РС позволяет расширить экспериментальные возможности школьника как в проведении опытов и в обработке результатов, так и в написании отчета. Прямое включение датчиков в компьютер значительно снижает общую стоимость лаборатории и упрощает работу с ней. Базовый комплект обеспечивает выполнение лабораторных работ в 7-9 классах основной школы. Рекомендуемые эксперименты соответствуют программам ГИА.

Комплектность: Цифровой датчик положения (4 канала) Цифровой датчик температуры ( оC) Цифровой датчик давления ( к Па) Цифровой осциллографический датчик напряжения (±100В) Комплект дополнительного оборудования Программное обеспечение ВНИМАНИЕ! Цифровая лаборатория по физике базового уровня может быть доукомплектована датчиками из списка ниже

Спасибо за внимание