5. Использование эвм в школьном эксперименте.

Можно выделить три варианта использования компьютера во время школьного лабораторного эксперимента:

1. Компьютер используется для обработки результатов измерения и погрешностей измерения, построения графиков или диаграмм.

2. Компьютер осуществляет управление лабораторным оборудованием.

3. Компьютерная программа полностью моделирует исследуемый процесс, проводит измерения и строит графики.

Рассмотрим более подробно каждый из имеющихся вариантов.

1. Использование компьютера для обработки результатов выполнения лабораторных работ и работ физического практикума.

Данное направление позволяет уделить больше внимания содержательной стороне выполнения лабораторных работ и работ физического практикума, анализу хода эксперимента, формированию практических умений и навыков. Это возможно за счет сокращения времени, которое учащиеся обычно тратят на математические расчеты, особенно в процессе приближенных вычислений.

Применение компьютера в лабораторном практикуме может осуществляться на трех этапах:

1. Допуск к выполнению работы – можно проводить в виде тестового контроля знаний работы с лабораторным оборудованием, хода выполнения работы, теоретического материала, связанного с проводимым экспериментом.

2. Автоматизация процесса измерений – выше было сказано об использовании компьютера для экспериментальных исследований. Данный метод может быть положен в основу выполнения измерений в школьных лабораторных работах.

3. Обработка результатов – возможны два варианта. Во-первых, компьютер может быть включен в лабораторную установку и обработка результатов проводится по мере поступления экспериментальных данных. Во-вторых, обработка результатов может проводиться после занесения данных в компьютер учащимися. При любом из используемых вариантов идет расчет параметров на основе проведенных измерений, сравнение их с табличными значениями, анализ результатов экспериментов, выдача рекомендаций и построение графика или диаграммы.

Для учащихся средней школы наиболее целесообразным является использование для вычисления результатов лабораторного эксперимента многофункциональной интерактивной вычислительной системы Mahtcad. Она позволяет благодаря встроенным алгоритмам решать аналитически и численно большое число задач, не прибегая к программированию. Эта программа обладает удобным интерфейсом и хорошей двух- и трехмерной графикой, возможностью подключения офисным и конструкторским программам, а также к Internet.

Если же лабораторная работа требует построения графиков по измеренным физическим величинам, занесенным в таблицу, то можно воспользоваться и приложением Excel, правда графики будут иметь весьма приближенный характер. Там же можно провести и несложные вычисления.

Для проведения некоторых расчетов и построения графиков можно использовать и некоторые другие программы, такие как Mathematica, Matlab, Maple, но их применение требует некоторых знаний основ программирования.

2. Использование компьютера для управления лабораторным оборудованием.

Эксперимент всегда служит основой и критерием научных достижений в области физики. С развитием научно-технического прогресса возрастает объем информации, усложняется техника проведения эксперимента, повышаются требования к его конечным результатам. В связи с этим возникает сложность управления экспериментальным оборудованием. Это обстоятельство привело к необходимости создания автоматизированных систем научных исследований (АСНИ). В основе работы каждой такой системы лежит применение ЭВМ, однако принципы использования компьютера могут быть различными.

В наиболее простых случаях во время проведения эксперимента осуществляется только сбор информации путем измерения и записи значений различных физических величин. Анализ данных и их обработка осуществляются уже после окончания эксперимента. Такие системы могут быть использованы только для сравнительно медленно протекающих процессов. Кроме того, управление экспериментом исследователь обычно осуществляет при этом вручную.

В том случае, если эксперимент протекает достаточно быстро и обработку его результатов требуется проводить в ходе самого эксперимента, целесообразно автоматизировать управление процессом с помощью компьютера.

Наибольшей эффективности в проведении научного эксперимента можно достигнуть, если обрабатывать все поступающие данные в ходе исследуемого процесса. Высокая производительность ЭВМ позволяет надеяться, что все особенности изучаемого явления не останутся незамеченными, а в случае отклонения эксперимента от заранее запланированного режима удастся вовремя внести необходимые коррективы.

Для управления процессом проведения эксперимента компьютер необходимо включить в контур управления экспериментом. Управляющие сигналы вырабатывает одна из программ, записанных в память ЭВМ.

От датчиков экспериментальной установки разнообразные сигналы в определенные моменты времени, задаваемые устройством опроса датчиков, поступают на вход преобразователя сигнала. Такой преобразователь называют аналогово-цифровым. На его выходных регистрах формируются численные значения соответствующих физических величин в виде цифровых записей, пригодных для обработки на компьютере. С помощью каналов связи вычислительной машины эти данные поступают на обработку в оперативную память. Измерения, относящиеся к одному и тому же моменту опроса датчиков, группируются в один кадр.

Поступившие в оперативную память ЭВМ данные должны быть обработаны программами, вычисляющие различные характеристики изучаемого явления. Некоторые результаты этих вычислений должны оперативно выводиться на устройства отображения – алфавитно-цифровые и графические дисплеи, , печатающие устройства; другие – запоминаться для последующего более тщательного анализа; третьи – использоваться в качестве входных значений для иных программ, предназначенных для вычисления новых характеристик. Следовательно, действия вычислительной системы должны быть синхронизированы с внешними процессами, т.е. ЭВМ должна работать в режиме реального времени. Даже незначительная задержка в выдаче некоторой команды управления будет равносильна отказу системы в работе, поэтому надежность – главное требование при создании систем реально времени. Она обеспечивается за счет повышения надежности аппаратных средств, а также соответствующих алгоритмов и программ.

2. Использование компьютерных технологий, позволяющих полностью проводить лабораторную работу на компьютере.

Физический эксперимент играет большую роль в учебном процессе. Предполагается, что не менее 30% уроков физики должно быть отведено на выполнение лабораторных работ, используя активные методы обучение физике: исследовательский, проблемный, поисковый и т.д. Очень часто активное использование в обучении физике лабораторного эксперимента связано с отсутствием необходимого физического оборудования, иногда выполнение эксперимента связано с невозможностью его проведения без специально созданных условий. Выход из создавшегося положения найден в виртуальных лабораторных работах. Являясь лишь моделью натурных лабораторных работ, они позволяют, тем не менее, в некоторых случаях достаточно глубоко изучить физические явления или законы, т. к. с их помощью можно поставить перед учащимися задачи, часто трудно осуществимые или вообще неосуществимые в натурном эксперименте.

Этот вид деятельности тесно связан с вычислительным экспериментом или моделированием.