Методическая разработка «Техническое оснащение современного урока физики»

Техническое оснащение современного урока физики.

Автор: Павлов Александр Викторович, преподаватель методической цикловой комиссии естественно-математических дисциплин. ГПОУ ЯО Угличский индустриально-педагогический колледж

Аннотация. В работе рассмотрены вопросы использования ИКТ для компьютерного моделирования и организации лабораторных и практических работ при изучении физики.

1.Использование программ компьютерного моделирования электрических цепей.

Появление и широкая доступность персонального компьютера позволяет коренным образом изменить сложившуюся систему образования. Одним из наиболее эффективных способов использования компьютерных технологий является моделирование.

Применительно к профессиональной подготовке специалистов в области радиоэлектроники и автоматики это преимущество сочетается с тем обстоятельством, что разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например, при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники.

Студенты специальности «Компьютерные сети и комплексы» Угличского индустриально-педагогического колледжа, начиная со 2 курса, в больших объемах изучают различные спецкурсы, связанные со знаниями законов электричества. В связи с этим к студентам предъявляются повышенные требования к знанию теории электрических цепей и законов электричества, а также к практическим навыкам сборки и исследования электрических схем. Поэтому в программе по физике, изучаемой на 1 курсе, особое внимание уделяется изучению раздела «Электродинамика».

Ограниченное число часов в учебном плане, а также недостаток соответствующего оборудования не всегда позволяет провести сложные лабораторные работы, затрудняет ввести исследовательские работы, требующие более сложного современного оборудования. В этом случае на помощь приходят программы компьютерного моделирования.

Для организации виртуальных лабораторных работ на уроках физики по темам, связанным с изучением законов электродинамики, в УИПК используется наиболее простая, бесплатная и легко осваиваемая программа Electronics Workbench (EWB) – разработка канадской компании Interactive Image Technologies. В этой программе студент может по своему усмотрению изменять исходные параметры опытов, наблюдать, как изменяется в результате само явление, анализировать увиденное, делать соответствующие выводы.

Особенностью программы является наличие в ней контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду, органам управления и характеристикам максимально приближенных к их промышленным аналогам, что способствует одновременно и приобретению практических навыков работы с наиболее распространенными приборами: мультиметром, осциллографом, измерительным генератором и др.

Рис 1. Интерфейс программы Electronics Workbench

При создании схемы Electronics Workbench позволяет:

• выбирать элементы и приборы из библиотек,
  
• перемещать элементы и схемы в любое место рабочего поля,
• поворачивать элементы и их группы на углы, кратные 90 градусам,
• копировать, вставлять или удалять элементы, фрагменты схем,
• изменять цвета проводников
• выделять цветом контура схем,
• одновременно подключать несколько измерительных приборов и наблюдать их показания на экране монитора,
• присваивать элементам условные обозначения,
• изменять параметры элементов.

Построив модель, можно убедиться в работоспособности электронной схемы, измерить основные параметры, подобрать подходящие электронные компоненты. Компьютерная модель дополняет и углубляет модель разработчика, порой избавляя от многочисленных экспериментов и сложных расчетов, позволяет обнаружить как грубые ошибки, так и некоторые нюансы. Так, например, если схема разработана с ошибками, при её монтаже и включении возможна неправильная работа устройства и даже выход из строя отдельных узлов. На этапе моделирования всего этого можно избежать.

Рис 2. Модель электронной схемы.

Использование компьютерного моделирования позволяет существенно снизить временные и материальные затраты. Особо следует выделить следующие преимущества моделирования:

• Гибкость и быстрота получения результатов;
  
• Отсутствие монтажных работ и необходимых для этого инструментов и материалов (паяльника, припоев, флюса, монтажной платы, радиоэлементов и др.)
• Ненужность дорогостоящих контрольно измерительных приборов.

К последним относятся осциллографы, вольтметры, амперметры, измерители частотных и переходных характеристик, измерители нелинейных искажений и др. Суммарная стоимость этих приборов существенно превышает стоимость высокопроизводительного персонального компьютера. Не менее важным является фактор обучения студентов технике построения электронных схем. С помощью компьютерного моделирования можно проследить любой ток и напряжение в схеме, оценить влияние температуры и технологического разброса параметров радиоэлементов, рассчитать уровень собственных шумов и многое другое, что невозможно или требует значительных усилий при физическом моделировании.

Для организации лабораторных работ разработано методическое пособие, включающее в себя описание следующих работ.

• Исследование сопротивлений проводников при параллельном и последовательном соединении.
  
• Исследование сложных цепей постоянного электрического тока
• ЭДС и внутреннее сопротивление источников постоянного тока. Закон Ома для полной цепи.
• Мощность в цепи постоянного тока.
• Элементы цепей переменного тока. Емкостное и индуктивное сопротивления, их зависимость от частоты переменного тока и параметров элементов.
• Явление резонанса в цепи переменного ток
• Исследование полупроводникового диода.
• Исследование биполярного транзистора.

Кроме лабораторных работ, программа моделирования электронных схем широко используется на уроках физики при решении некоторых задач по электродинамике. Решив теоретическую задачу, студенты могут проверить правильность решения, собрав модель соответствующей цепи и выполнив необходимые измерения. Особенно помогает такой метод при решении задач при изучении тем «законы Кирхгофа», «цепи переменного тока», «расчет сложных электрических цепей»

Еще одно применение программ моделирования электронных схем – организация проектных и исследовательских работ, вовлечение в техническое творчество студентов и школьников.

В течение ряда лет компьютерное моделирование широко применяется студентами УИПК, обучающихся на специальности Компьютерные системы и комплексы в рамках курсового и дипломного проектирования.

Отраслевые стандарты по данной специальности предполагают, что выпускник должен овладеть целым рядом профессиональных компетенций связанных с проектированием, отладкой, монтажом и диагностикой электронного оборудования. Опыт работы показывает, что формированию и развитию этих компетенций во многом способствуют проекты, в которых студент реализует электронное устройство от стадии проектирования и до воплощения в железе.

В 50-80-е годы инженерная школа СССР была одной из лучших в мире. Этому способствовало то, что в то время большое внимание уделялось техническому моделированию. Во всех городах страны работали станции юных техников, кружки технического моделирования при домах пионеров, школах и ПТУ. Регулярно проводились выставки и конкурсы. Учащиеся, прошедшие школу технических кружков обладали начальными навыками технического проектирования успешно используемых в дальнейшей профессиональной деятельности. Именно поэтому, в УИПК, для подготовки конкурентоспособного специалиста, успешно внедряется система научно технического проектирования, включающее в себя следующие этапы:

• Получение технического задания
  
• Поиск информации
• Выбор или разработка принципиальной схемы
• Компьютерное моделирование схем
• Разработка дизайна и компоновк
• Монтаж устройства
• Проверка работоспособности и наладка

Можно отметить следующие разработки наших студентов реализованных с использованием компьютерного моделирования

• Прибор для проверки полупроводниковых диодов и транзисторов.
  
• Стенд для изучения основных характеристик биполярных транзисторов.
• Мощный стабилизированный блок питания с регулируемым напряжением
• Активная акустическая система
• Устройство охранной сигнализации на датчике движения
• Автоматический включатель освещения с фотореле.
• Малогабаритный генератор низкой частоты
• Генератор прямоугольных импульсов.
• Усилитель низкой частоты

Внедрение элементов компьютерного моделирования во многом способствует повышению интереса студентов к выбранной профессии и формированию базовых профессиональных компетенций. Кроме того программы компьютерного моделирования открывают широкие возможности для организации домашних лабораторных работ. В прошлом году, из-за пандемии и карантинных ограничений, студенты и школьники России всю четвертую четверть учились дистанционно. Преподавателям пришлось корректировать учебные планы и многие запланированные лабораторные работы заменять другими темами. Вместе с тем многие лабораторные работы вполне можно провести в домашних условиях используя возможности компьютерного эксперимента.

2.Использование мобильных гаджетов для технического оснащения современного урока.

Конечно, виртуальные лабораторные работы не могут полностью заменить реальный эксперимент. Необходимо научить школьников и студентов работать с реальными контрольно - измерительными приборами, собирать и настраивать схемы, пользоваться электромонтажными инструментами.

К сожалению, современное школьное оборудование не успевает за развитием цифровых технологий. Не секрет, что материальная база школьных кабинетов физики оставляет желать лучшего. Особенно в тяжелом положении оказались сельские школы, где зачастую отсутствуют самые элементарные приборы и оборудование, а то, что есть просто морально и физически устарело.

Как следствие, через недостаточную наглядность демонстрационного эксперимента у учащихся возникают определенные трудности понимания законов физики, что приводит к снижению заинтересованности в изучении предмета. Одним из наиболее перспективных направлений в техническом оснащении современного урока видится использование мобильных гаджетов, прежде всего смартфонов.

Еще лет 10 назад смартфон использовался в основном как средство коммуникации. За последние годы в развитии мобильных устройств произошла настоящая революция. Смартфон давно стал обыденной вещью, доступной по цене. По своим техническим характеристикам – скорости процессора, объему оперативной и внешней памяти смартфоны уже догнали настольные компьютеры. Современные школьники и студенты все чаще в своей деятельности вместо стационарных компьютеров, используют смартфоны. Фото и видеокамеры смартфонов по качеству уже не уступают специализированным девайсам. Ну и, пожалуй, самое большое преимущество смартфонов перед компьютерами – наличие на борту огромного количества всевозможных датчиков. По состоянию на начало 2021 года пользователям смартфонов доступны следующие датчики

1. Акселерометр
   
2. Гироскоп
3. Магнитометр
4. Датчик приближени
   
5. Датчик света
6. Барометр
7. Термометр
8. Датчик влажности воздуха
9. Педометр
10. Сканер отпечатков пальцев
11. Датчик сердцебиения
12. Датчик вредного излучения
13. Датчик гравитации
14. Датчик линейного ускорения
    
15. Датчик вращения
16. Датчик жестов
17. Инфракрасный датчик лица
18. Лидар

Кроме того в этом году, в связи с известной болезнью, накрывшей людей, некоторые производители анонсировали датчик кислорода в крови и датчик артериального давления. Все это открывает широчайшие возможности в использовании смартфонов в учебном процессе.

Смартфон заменяет собой целую физическую лабораторию. С другой стороны смартфоны есть у каждого школьника и студента. При установке соответствующего программного обеспечения он может быть использован для замены таких физических приборов, как секундомер, метроном, стробоскоп, генератор звука и т.д. И все эти функции доступны учащемуся всегда, когда с собой есть «умный телефон». Таким образом, мы вооружаем школьников мощным инструментом для физических исследований не только на уроках физики, но и дома.

В настоящее время все больше учителей обращают внимание на использование смартфонов для повышения эффективности учебного процесса. Появляются статьи и методические разработки по данному направлению.

Вместе с тем пока имеются ряд трудностей. Одна из них – недостаточное количество методических рекомендаций по использованию огромного количества возможностей современных гаджетов на уроках и детальных разработок лабораторных работ. Почти нет вебинаров, конференций, конкурсов связанных с применением смартфонов в учебном процессе. Зачастую многие учителя даже не подозревают, какими широкими возможностями обладают современные смартфоны. Поэтому институтам повышения квалификации и специализированным сайтам необходимо активизировать работу по организации курсов для учителей предметников по этому направлению.

Другая проблема – большая нагрузка на глаза. Экраны смартфонов очень маленькие. Приходится сильно напрягать зрение, чтобы разглядеть мелкое изображение. Возможно, Министерству просвещения следует подумать о разработке для школ специальных экранов большого размера, подключаемых к смартфону, выполненных по технологии «электронные чернила». Медиками доказано, что данная технология наносит существенно меньший вред здоровью.

3.Информационные источники.

1. Руководство по использованию виртуальной лаборатории Electronics Workbench. Методическое пособие /Сост. Королева О.В. – Комсомольск-на-Амуре: КГА ПОУ ГАССК МЦК, 2017. – 46 с.
   
2. Работа с Electronics Workbench [Электронный ресурс]:– URL: http://www.mini-soft.ru/document/rabota-s-electronics-workbench
3. Ссылка на бесплатное скачивание программы Electronics Workbench [Электронный ресурс]:– URL: http://www.radioman-portal.ru/program/upload/54cc57a84c8c8f3.shtml
4. Подробное руководство по работе с программой Electronics Workbench [Электронный ресурс]:– URL: http://www.bourabai.kz/toe/chapter16.htm
5. Как смартфон помогает учиться [Электронный ресурс] /авт.-сост.Поливанова К. Королева Д. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»:– URL:https://iq.hse.ru/news/201190162.html
6. Смартфон как физическая лаборатория [Электронный ресурс] /авт.-сост Анатолий Шперх:– URL:https://shkola30.livejournal.com/165309.html
7. Физика в смартфоне. [Электронный ресурс] /авт.-сост. Пигалицын Лев Васильевич - народный учитель РФ, заведующий отделом учебно-научных демонстраций и экспериментов:– URL: https://www.youtube.com/watch?v=NQwOfz-21Ds