Наглядная физика. Программный комплекс «Виртуальная лаборатория по физике Скачать виртуальные лабораторные работы по физике

Мировое образование и научный процесс меняются настолько явно в последние годы, но почему-то больше говорят не о прорывных инновациях и возможностях, которые они открывают, а о локальных экзаменационных скандалах. А между тем суть образовательного процесса красиво отражает английская пословица «Можно привести лошадь к водопою, но нельзя заставить ее напиться».

Современное образование, в сущности, живет двойной жизнью. В его официальной жизни есть программа, предписания, экзамены, «бессмысленная и беспощадная» битва за состав предметов в школьном курсе, вектор официальной позиции и качество обучения. А в его реальной жизни, как правило, сосредоточивается все то, что и представляет собой современное образование: дигитализация, eLearning , Mobile Learning , обучение через Coursera , UoPeople и другие онлайн-институции, вебинары , виртуальные лаборатории и т. п. Все это пока не стало частью общепринятой глобальной образовательной парадигмы, но локально дигитализация образования и исследовательской работы уже происходит.

MOOC -обучение (Massive Open Online Courses , массовые лекции из открытых источников) прекрасно для передачи на уроках и лекциях идей, формул и других теоретических знаний. Но для полноты освоения многих дисциплин нужны и практические занятия - цифровое обучение «почувствовало» эту эволюционную необходимость и создало новую «форму жизни» - виртуальные лаборатории , свои для школьного и университетского обучения.

Известная проблема eLearning : в основном преподаются теоретические дисциплины. Возможно, следующим этапом развития онлайн образования станет охват практических областей. И происходить это будет по двум направлениям: первое - договорное делегирование практики физически существующим вузам (в случае с медициной, например), а второе - развитие виртуальных лабораторий на разных языках.

Зачем нужны виртуальные лаборатории, или виртулабы?

• Для подготовки к реальным лабораторным работам.
• Для школьных занятий, если отсутствуют соответствующие условия, материалы, реактивы и оборудование.
• Для дистанционного обучения.
• Для самостоятельного изучения дисциплин во взрослом возрасте или вместе с детьми, поскольку многие взрослые по тем или иным причинам испытывают потребность «вспомнить» то, что так и не было выучено или понято в школе.
• Для научной работы.
• Для высшего образования с важной практической составляющей.

Разновидности виртулабов . Виртуальные лаборатории могут быть двухмерными и 3D ; простейшими для младших школьников и сложными, практическими для учеников средней и старшей школы, студентов и преподавателей. Свои виртулабы разработаны для разных дисциплин. Чаще всего это физика и химия, но бывают и довольно оригинальные, например, виртулаб для экологов.

Собственные виртуальные лаборатории есть у особенно серьезных вузов, например, у Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева и берлинского Института истории науки Макса Планка (Max Planck Institute for the History of Science , MPIWG ). Напомним, Макс Планк - немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. У виртуальной лаборатории института даже существует официальный сайт . По этой ссылке можно посмотреть презентацию The Virtual Laboratory: Tools for Research on the History of Experimentalization. Онлайн лаборатория представляет собой платформу, где историки публикуют и обсуждают свои исследования по теме экспериментаторства в разных областях науки (от физики до медицины), искусства, архитектуры, медиа и технологий. Здесь также собраны иллюстрации и тексты по разным аспектам экспериментаторской деятельности: инструментарий, ход экспериментов, фильмы, фото ученых и т. д. Студенты могут завести в этом виртулабе свой аккаунт и добавлять научные работы для обсуждения.

Виртуальная лаборатория Института истории науки Макса Планка

Виртулаб-портал

Выбор русскоязычных виртулабов, к сожалению, пока невелик, но это вопрос времени. Распространение eLearning среди учеников и студентов, массовое проникновение дигитализации в учебные заведения так или иначе создадут спрос, тогда и начнут массово разрабатывать красивые современные виртулабы по разнообразным дисциплинам. К счастью, уже сейчас есть довольно развитый специализированный портал, посвященный виртуальным лабораториям, - Virtulab.Net . Он предлагает достаточно симпатичные решения и охватывает четыре дисциплины: физику, химию, биологию и экологию.

Виртуальная лаборатория 3D по физике Virtulab .Net

Виртуальная инженерная практика

Virtulab.Net пока не указывает инженерию среди своих специализаций, но сообщает, что размещенные там виртулабы по физике могут быть полезны и в дистанционном инженерном образовании. Ведь, например, для построения математических моделей необходимо глубокое понимание физической природы объектов моделирования. Вообще у инженерных виртулабов огромный потенциал. Инженерное обучение в большой мере ориентировано на практику, но в вузах такие виртуальные лаборатории пока применяют редко из-за того, что неразвит сам рынок цифрового обучения в инженерной области.

Проблемно-ориентированные учебные комплексы системы КАДИС (СГАУ) . В Самарском аэрокосмическом университете имени Королева для усиления подготовки технических специалистов разработали собственный инженерный виртулаб. Центр новых информационных технологий (ЦНИТ) СГАУ создал «Проблемно-ориентированные учебные комплексы системы КАДИС». Аббревиатура КАДИС расшифровывается как «система Комплексов Автоматизированных ДИдактических средств». Это специальные учебные кабинеты, где проходят виртуальные лабораторные практикумы по сопротивлению материалов, механике конструкций, методам оптимизации и геометрического моделирования, конструкции самолетов, материаловедению и термообработке и другим техническим дисциплинам. Часть этих практикумов находится в свободном доступе на сервере ЦНИТ СГАУ. В виртуальных учебных кабинетах размещены описания технических объектов с фотографиями, схемами, ссылками, рисунками, видео, аудио и flash-анимации с лупой для рассмотрения мелких деталей виртуального агрегата. Предусмотрена также возможность самоконтроля и тренинга. Вот что представляют собой комплексы виртуальной системы КАДИС :

• Балка - комплекс по анализу и построению эпюр балок в курсе сопротивления материалов (машиностроение, строительство).
• Структура - комплекс по методам проектирования силовых схем механических конструкций (машиностроение, строительство).
• Оптимизация - комплекс по математическим методам оптимизации (курсы по САПР в машиностроении, строительстве).
• Сплайн - комплекс по методам интерполяции и аппроксимации в геометрическом моделировании (курсы по САПР).
• Двутавр - комплекс по изучению закономерностей силовой работы тонкостенных конструкций (машиностроение, строительство).

• Химик - набор комплексов по химии (для средней школы, профильных лицеев, подготовительных курсов вузов).
• Органик - комплексы по органической химии (для вузов).
• Полимер - комплексы по химии высокомолекулярных соединений (для вузов).
• Конструктор Молекул - программа-тренажер «Конструктор молекул».
• Математика - комплекс по элементарной математике (для абитуриентов вузов).
• Физвоспитание - комплекс для поддержки теоретических курсов по физическому воспитанию.
• Металловед - комплекс по металловедению и термообработке (для вузов и техникумов).
• Зуброл - комплекс по теории механизмов и деталям машин (для вузов и техникумов).

Виртуальные приборы на Zapisnyh.Narod.Ru . Очень полезным в инженерном образовании будет сайт Zapisnyh.Narod.Ru , где можно условно бесплатно скачать виртуальные приборы на Sound Card, открывающие широкие возможности для создания техники. Они наверняка заинтересуют преподавателей и пригодятся на лекциях, в научной работе и в лабораторных практикумах по естественным и техническим дисциплинам. Спектр виртуальных приборов, выложенных на сайте, впечатляющий:

• комбинированный генератор НЧ;
• двухфазный генератор НЧ;
• осциллограф-регистратор;
• осциллограф;
• частотомер;
• АЧ характериограф;
• технограф;
• электросчетчик;
• измеритель R, C, L;
• домашний электрокардиограф;
• прибор для оценки емкости и ESR;
• хроматографические системы ХромПроцессор-7-7М-8;
• прибор для поверки и диагностики неисправностей кварцевых часов и др.

Один из виртуальных инженерных приборов с сайта Zapisnyh.Narod.Ru

Виртулабы по физике

Экологический виртулаб на Virtulab .Net . Экологическая лаборатория портала затрагивает как общие вопросы развития Земли, так и отдельные законы.

Виртуальные лабораторные работы по физике.

Важное место в формировании исследовательской компетенции учащихся на уроках физики отводится демонстрационному эксперименту и фронтальной лабораторной работе. Физический эксперимент на уроках физики формирует у учащихся накопленные ранее представления о физических явлениях и процессах, пополняет и расширяет кругозор учащихся. В ходе эксперимента, проводимого учащимися самостоятельно во время лабораторных работ, они познают закономерности физических явлений, знакомятся с методами их исследования, учатся работать с физическими приборами и установками, то есть учатся самостоятельно добывать знания на практике. Таким образом, при проведении физического эксперимента у учеников формируется исследовательская компетенция.

Но для проведения полноценного физического эксперимента, как демонстрационного, так и фронтального необходимо в достаточном количестве соответствующее оборудование. В настоящее время школьные лаборатории по физике не достаточно оснащены приборами по физике и учебно-наглядными пособиями для проведения демонстрационных и фронтальных лабораторных работ. Имеющееся оборудование не только пришло в негодность, оно также морально устарело.

Но даже при полной укомплектованности лаборатории физики требуемыми приборами реальный эксперимент требует очень много времени на подготовку и его проведение. При этом из-за значительных погрешностей измерений, временных ограничений урока реальный эксперимент часто не может служить источником знаний о физических законах, так как выявленные закономерности имеют лишь приближенный характер, зачастую правильно рассчитанная погрешность превышает сами измеряемые величины. Таким образом, провести полноценный лабораторный эксперимент по физике при имеющихся в школах ресурсах затруднительно.

Ученики не могут представить некоторые явления макромира и микромира, так как отдельные явления, изучаемые в курсе физики средней школы невозможно наблюдать в реальной жизни и, тем более, воспроизвести экспериментальным путем в физической лаборатории, например, явления атомной и ядерной физики и т.д.

Выполнение отдельных экспериментальных заданий в классе на имеющемся оборудовании происходит при заданных определенных параметрах, изменить которые невозможно. В связи с этим невозможно проследить все закономерности изучаемых явлений, что также сказывается на уровне знаний учащихся.

И, наконец, невозможно научить учащихся самостоятельно добывать физические знания, то есть сформировать у них исследовательскую компетенцию, применяя только традиционные технологии обучения. Живя в информационном мире, невозможно проводить процесс обучения без использования информационных технологий. И на наш взгляд на это есть свои причины:

Главная задача образования в данный момент – формирование у учащихся умений и навыков самостоятельного приобретения знаний. Информационные технологии дают такую возможность.

Ни для кого не секрет, что в настоящий момент у учащихся пропал интерес к учебе, а в частности к изучению физики. А применение компьютера повышает и стимулирует интерес учащихся к получению новых знаний.

Каждый ученик – индивидуален. А использование компьютера в обучении позволяет учитывать индивидуальные особенности ученика, дает большой выбор самому ученику в подборе собственного темпа изучения материала, закрепления и оценивания. Оценивание результатов усвоения темы учеником через выполнение тестов на компьютере убирает личностное отношение учителя к ученику.

В связи с этим, появляется идея: Использовать информационные технологии на занятиях по физике, а именно при выполнении лабораторных работ.

Если проводить физический эксперимент и фронтальные лабораторные работы, используя виртуальные модели посредством компьютера, то можно скомпенсировать недостаток оборудования в физической лаборатории школы и, таким образом, научить учащихся самостоятельно добывать физические знания в ходе физического эксперимента на виртуальных моделях, то есть появляется реальная возможность формирования необходимой исследовательской компетенции у учащихся и повышения уровня обученности учащихся по физике.

Применение компьютерных технологий на уроках физики позволяет формирование практических навыков так, как виртуальная среда компьютера позволяет оперативно видоизменить постановку опыта, что обеспечивает значительную вариативность его результатов, а это существенно обогащает практику выполнения учащимися логических операций анализа и формулировки выводов результатов эксперимента. Кроме того можно многократно проводить испытание с изменяемыми параметрами, сохранять результаты и возвращаться к своим исследованиям в удобное время. К тому же, в компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов. Работа с этими моделями открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.

Ещё один позитивный момент в том, что компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощенной теоретической модели, что позволяет быстро и эффективно находить главные физические закономерности наблюдаемого явления. Кроме того, учащийся может одновременно с ходом эксперимента наблюдать построение соответствующих графических закономерностей. Графический способ отображения результатов моделирования облегчает учащимся усвоение больших объемов полученной информации. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков. Также необходимо учитывать, что далеко не все процессы, явления, исторические опыты по физике учащийся способен представить себе без помощи виртуальных моделей (например, диффузию в газах, цикл Карно, явление фотоэффекта, энергию связи ядер и т.д.). Интерактивные модели позволяют ученику увидеть процессы в упрощенном виде, представить себе схемы установок, поставить эксперименты вообще невозможные в реальной жизни.

Все компьютерные лабораторные работы выполняются по классической схеме:

Теоретическое освоение материала;

Изучение готовой компьютерной лабораторной установки или создание на компьютере модели реальной лабораторной установки;

Выполнение экспериментальных исследований;

Обработка результатов эксперимента на компьютере.

Компьютерная лабораторная установка, как правило, представляет собой компьютерную модель реальной экспериментальной установки, выполненную средствами компьютерной графики и компьютерного моделирования. В некоторых работах имеются лишь схема лабораторной установки и ее элементы. В этом случае, прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, лабораторную установку необходимо собрать на компьютере. Выполнение экспериментальных исследований представляет собой непосредственный аналог эксперимента на реальной физической установке. При этом реальный физический процесс моделируется на компьютере.

Особенности ЭОР « Физика. Электричество. Виртуальная лаборатория».

В настоящее время существует достаточно много электронных средств обучения, в которых имеются разработки виртуальных лабораторных работ. Мы в своей работе использовали электронное средство обучения «Физика. Электричество . Виртуальная лаборатория » (далее - ЭСО предназначено для поддержки учебного процесса по теме «Электричество» в общеобразовательных учебных заведениях (рис.1).

Рис.1 ЭСО.

Данное пособие создано группой ученых Полоцкого государственного университета. В использовании данного ЭСО имеются несколько преимуществ.

Простая установка программы.

Простой пользовательский интерфейс.

Приборы, полностью копируют настоящие.

Большое количество устройств.

Соблюдаются все реальные правила работы с электрическими цепями.

Возможность проведения достаточно большого количества лабораторных работ при разных условиях.

Возможность проведения работ, в том числе для демонстрации последствий не достижимых или нежелательных в натурном эксперименте (перегорание предохранителя, лампочки, электроизмерительного прибора; изменение полярности включения приборов и т.п.).

Возможность проведения лабораторных работ не в учебном заведении.

Общие сведения

ЭСО разработано для обеспечения компьютерной поддержки преподавания предмета «физика». Главная цель создания, распространения и применения ЭСО – повышение качества обучения за счет эффективного, методически обоснованного, систематического использования всеми участниками образовательного процесса на разных этапах учебной деятельности.

Учебные материалы, входящие в состав данного ЭСО соответствуют требованиям учебной программе по физике. Основу учебных материалов данного ЭСО составят материалы современных учебников физики а также дидактических материалов для выполнения лабораторных работ и экспериментальных исследований.

Понятийный аппарат, используемый в разрабатываемом ЭСО составлен на основе учебного материала действующих учебников по физике, а также рекомендуемых для использования в средней школе справочников по физике.

Виртуальная лаборатория реализуется как отдельное приложение операционной системы Windows .

Данное ЭСО позволяет проводить фронтальные лабораторные работы с использованием виртуальных моделей реальных приборов и устройств (рис.2).

Рис.2 Оборудование.

Демонстрационные опыты дают возможность показать и объяснить результаты тех действий, которые невозможно или нежелательно осуществлять в реальных условиях (рис.3).

Рис.3Нежелательные результаты опыта.

Предоставляется возможность организации индивидуальной работы, когда учащиеся могут самостоятельно ставить эксперименты, а также повторения опыта вне урока, например на домашнем компьютере.

Назначение ЭСО

ЭСО –компьютерный инструмент, используемый в обучении физике, необходимый для решения учебных и педагогических задач..

ЭСО может быть использовано для обеспечения компьютерной поддержки преподавания предмета «физика».

В состав ЭСО входят 8 лабораторных работ по разделу «Электричество» курса физики, изучаемого в VIII и XI классах средней школы.

С помощью ЭСО решаются основные задачи по обеспечению компьютерной поддержки следующих этапов учебной деятельности:

Объяснение учебного материала,

Его закрепление и повторение;

Организация самостоятельной познавательной деятельности учащегося;

Диагностика и коррекция пробелов в знаниях;

Промежуточный и итоговый контроль.

ЭСО может быть использовано в качестве эффективного средства для формирования у учащихся практических умений и навыков в следующих формах организации учебной деятельности:

Для выполнения лабораторных работ (основное назначение);

В качестве средства организации демонстрационного эксперимента, в том числе для демонстрации последствий не достижимых или нежелательных в натурном эксперименте (перегорание предохранителя, лампочки, электроизмерительного прибора; изменение полярности включения приборов и т.п.)

При решении экспериментальных задач;

Для организации учебно-исследовательской работы учащихся, решении творческих задач во внеурочное время, в том числе и в домашних условиях.

ЭСО может также использоваться в следующих демонстрациях, опытах и виртуальных экспериментальных исследованиях: источники тока; амперметр, вольтметр; изучение зависимости силы тока от напряжения на участке цепи; изучение зависимости силы тока в реостате от длины его рабочей части; изучение зависимости сопротивления проводников от их длины, площади поперечного сечения и рода вещества; устройство и действие реостатов; последовательное и параллельное соединение проводников; определение мощности, потребляемой электронагревательным прибором; плавкие предохранители.

о бъем оперативной памяти: 1 Гб;

частота процессора от 1100МГц;

дисковая память - 1 Гб свободного места на диске;

функционирует в операционных системах Windows 98/NT/2000/XP/ Vista ;

в операционной системе дол ж ен быть установлен браузер MS Explorer 6.0/7.0;

для удобства работы пользователя рабочее место должно быть оснащено манипулятором мышь, монитором с разрешением 1024 x 768 и выше;

наличие устройства чтения CD / DVD дисков для инсталляции ЭСО.

Наглядная физика предоставляет педагогу возможность находить наиболее интересные и эффективные методы обучения, делая занятия интересными и более насыщенными.

Главным преимуществом наглядной физики, является возможность демонстрации физических явлений в более широком ракурсе и всестороннее их исследование. Каждая работа охватывает большо й объем учебного материала, в том числе из разных разделов физики. Это предоставляет широкие возможности для закрепления межпредметных связей, для обобщения и систематизации теоретических знаний.

Интерактивные работы по физике следует проводить на уроках в форме практикума при объяснении нового материала или при завершении изучения определенной темы. Другой вариант – выполнение работ во внеурочное время, на факультативных, индивидуальных занятиях.

Виртуальная физика (или физика онлайн ) это новое уникальное направление в системе образования. Ни для кого не секрет, что 90% информация поступают к нам в мозг через зрительный нерв. И не удивительно, что пока человек сам не увидит, он не сможет четко уяснить природу тех или иных физических явлений. Поэтому процесс обучения обязательно должен подкрепляться наглядными материалами. И просто замечательно, когда можно не только увидеть статичную картинку изображающую какое-либо физическое явление, но и посмотреть на это явление в движении. Данный ресурс позволяет педагогам в легкой и непринужденной форме, наглядно показать не только действия основных законов физики, но и поможет провести онлайн лабораторные работы по физике по большинству разделов общеобразовательной программы. Так например, как можно на словах объяснить принцип действия p-n перехода? Только показав анимацию этого процесса ребенку, ему сразу всё становится понятным. Или можно наглядно показать процесс перехода электронов при трении стекла о шелк и после этого у ребенка уже будет меньше вопросов о природе этого явления. Помимо этого, наглядные пособия охватывают практически все разделы физики. Так например, хотите объяснить механику? Пожалуйста, тут вам анимации показывающие второй закон Ньютона, закон сохранения импульса при соударении тел, движение тел по окружности под действием сил тяжести и упругости и т.д. Хотите изучать раздел оптики, нет ничего проще! Наглядно показаны опыты по измерению длины световой волны с помощью дифракционной решетки, наблюдение сплошного и линейчатых спектров испускания, наблюдение интерференции и дифракции света и многие другие опыты. А как же электричество? И этому разделу уделено не мало наглядных пособий, так например есть опыты по изучению закона Ома для полной цепи, исследованию смешанного соединения проводников, электромагнитная индукция и т.д.

Таким образом процесс обучения из «обязаловки», к которой мы все с вами привыкли, превратится в игру. Ребенку будет интересно и весело разглядывать анимации физических явлений и это не только упростит, но и ускорит процесс обучения. Помимо всего прочего может удастся ребенку дать даже больше информации, чем он мог бы принять при обычной форме обучения. К тому же многие анимации могут полностью заменить те или иные лабораторные приборы , таким образом это идеально подходить для многих сельских школ, где к сожалению не всегда можно встретить даже электрометр Брауна. Да что там говорить, многих приборов нет даже в обычных школах крупных городов. Возможно введя такие наглядные пособия в обязательную программу образования, после окончания школы мы будем получать людей интересующихся физикой, которые в итоге станут молодыми учеными, некоторые из которых способны будут совершить великие открытия! Таким образом будет возрождена научная эра великих отечественных ученых и наша страна вновь, как и в советские времена, создаст уникальные технологии обгоняющие свое время. Поэтому я считаю надо популяризировать такие ресурсы как можно больше, сообщать о них не только педагогам, но и самим школьникам, ведь многим из них будет интересно изучить физические явления не только на уроках в школе, но и дома в свободное время и этот сайт дает им такую возможность! Физика онлайн это интересно, познавательно, наглядно и легко доступно!

В данном разделе представлены виртуальные лабораторные работы по физике . В лабораторных работах по физике приобретаются навыки проведения экспериментов, понимания приборов. Появляется возможность научиться самостоятельно делать выводы из полученных опытных данных и тем самым более глубоко и полно усваивать теоретический материал.

"Прибор Атвуда. Проверка Второго закона Ньютона" .

Цель работы: проверить Второй закон Ньютона.

Виртуальная лабораторная работа. "Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса ".

Цель работы: ознакомиться с методом определения коэффициента внутреннего трения жидкости по скорости падения шарика в этой жидкости.

Виртуальная лабораторная работа. "Соотношение величин при вращательном движении" .

Цель работы: проверить с помощью маятника Обербека зависимость углового ускорения от момента силы и от момента инерции.

Виртуальная лабораторная работа. "Изучение математического маятника" .

Цель работы: изучить затухающие и незатухающие колебания математического маятника.

Виртуальная лабораторная работа. "Изучение пружинного маятника" .

Цель работы: изучить затухающие и незатухающие колебания пружинного маятника.