Практикум в системе фундаментального естественнонаучного образования



Скачать 46.74 Kb.
Дата30.04.2016
Размер46.74 Kb.
СОВРЕМЕННЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРАКТИКУМ В СИСТЕМЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

В.А. Елисеев, А.А. Долгачев, В.М. Федоров


Воронежский государственный технический университет

e-mail: eliseev@ns1.vstu.ac.ru

Несмотря на широкое применение вычислительной техники в учебном процессе, до сих пор отсутствует комплексный методический, программный и аппаратный подход к использованию всех ее возможностей в преподавании. Лишь небольшое число работ предполагает реализацию принципа развивающего обучения и наличие заданий разных уровней. Широкое применение компьютерной техники в преподавании чаще всего служит усилению наглядности, оперативности управления и не снимает методологические проблемы формирования личности. Компьютерное сопровождение преподавания курса физики в техническом Вузе позволяет успешно решать такие стратегические задачи как:



  • активная поддержка системы фундаментального образования,

  • обучение студентов стратегии научного познания сущности физических явлений,

  • формирование правильного представления о роли ЭВМ в современной физике и технике.

Комплексная реализация поставленных задач нами осуществлена при изучении основ теории энергетических зон в курсе физики технического университета. Экспериментальное подтверждение основных положений теории базируется на компьютерном лабораторном практикуме, который включает:

  1. Исследование распределения электронов в металлах по энергии при комнатной температуре по измерениям внешнего фотоэффекта,

  2. Исследование температурной зависимости сопротивления по измерениям вольтамперной характеристики терморезистора,

  3. Измерение времени жизни атомов в возбужденном состоянии по измерениям кривой затухания люминофора,

  4. Определение параметров полупроводникового диода по измерениям его вольтамперной характеристики в прямом направлении.

Для проведения практикума разработан и создан учебно-исследовательский стенд. В его состав входят следующие компоненты: компьютер Pentium с встроенным блоком АЦП, управляемый источник питания, измерительный блок, дополнительные модули для соединения с лабораторной установкой, информационное и программное обеспечение.

Учебно-исследовательский стенд позволяет:



  • задавать в диалоговом режиме напряжение, подаваемое управляемым источником питания на лабораторную установку,

  • производить автоматизированные измерения напряжений в схеме измерительного блока,

  • пересчитывать и отображать на экране дисплея предварительно обработанные результаты измерений,

  • в диалоговом режиме с пользователем проводить их дальнейшую обработку с целью определения параметров исследуемого прибора,

  • контролировать действия пользователя и выдавать необходимую помощь,

  • выдавать по запросу пользователя полную теоретическую информацию.

Программная оболочка учебно-исследовательского стенда включает несколько функционально связанных подсистем. Подсистема автоматизированных измерений по команде оператора программно устанавливает необходимое напряжение, управляет многоканальным десятиразрядным аналого-цифровым преобразователем. Подсистема обработки результатов производит обработку по методу наименьших квадратов, представляет эти измерения в наглядной форме на экране дисплея и позволяет обучаемому проводить с ними необходимые действия. Подсистема контекстно зависимой помощи отслеживает действия обучаемого и по запросу выдает консультацию, подсказку или другие указания для необходимых действий на данном этапе выполнения работы. Для работы с входящими в состав комплекса подсистемами пользователь выбирает в основном меню программы соответствующий пункт, который затем может раскрываться в дополнительные подменю. Текстовая и графическая информация об изучаемом явлении включает элементы мультипликации.

Начальные условия проведения эксперимента можно задавать в диалоговом режиме, обработка измерительной информации производится в реальном масштабе времени. Первичные и обработанные результаты эксперимента представляются в наглядной форме на экране дисплея, а информация о работе установки запоминается в памяти ЭВМ. Во время выполнения работы выдаются подсказки, осуществляется контроль действий обучаемого и накапливается статистическая информация для рейтингового контроля.

В компьютерный практикум по исследованию вольтамперной характеристики полупроводникового диода включено полное теоретическое рассмотрение процессов в p-n-переходе, автоматизированное измерение экспериментальной зависимости тока от напряжения и расчет по данным эксперимента таких характеристик диода как величина тока насыщения, сопротивление базы, величина контактной разности потенциалов. При этом учтено, что напряжение на p-n-переходе равно разности внешнего напряжения на диоде и падения напряжения в объеме полупроводника, на его базе.

В другом случае при исследовании статической вольтамперной характеристики нелинейных сопротивлений дополнительная математическая обработка экспериментальных результатов дает возможность построить температурную зависимость сопротивления. Температура в каждой точке вольтамперной характеристики находится при равенстве потребляемой терморезистором мощности (определяемой законом Джоуля – Ленца) и излучаемой мощности (которая подчиняется закону Стефана – Больцмана).



Аналогичная методика применена при исследовании явления люминесценции. С помощью метода наименьших квадратов в автоматизированных измерениях интенсивности послесвечения определен вид функциональной зависимости интенсивности послесвечения от времени, что служит диагностическим признаком и дает возможность прояснить механизм протекания данного процесса на основе зонной теории. Во всех этих работах в автоматическом режиме с помощью управляемого ЭВМ блока АЦП-ЦАП по команде оператора снимается некоторая зависимость, представляющая двумерный массив экспериментальных точек. Математическая обработка этого массива производится с использованием метода наименьших квадратов.

Активная исследовательская деятельность обучаемых на лабораторной установке, соединенной с ЭВМ, позволяет проводить весь комплекс работ по выдаче информации, проверке ее усвоения, моделированию явлений и итоговому зачету по теме. Такой подход позволяет закрепить закономерности и выводы зонной теории, связать особенности внутреннего строения и свойств кристаллов с их внешними проявлениями, что значительно повышает как интерес к самостоятельной работе студентов с ЭВМ, так и качество подготовки специалистов, стимулирует активную исследовательскую деятельность обучаемых на лабораторной установке, соединенной с ЭВМ.


База данных защищена авторским правом ©refedu.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница