Педагогические науки / 5.Современные методы преподавания

К.п.н. Дерягин А.В.

Филиал Казанского (Приволжского) федерального университета в г.Елабуга, Россия

Компьютерное сопровождение лабораторного практикума по физике

Появление компьютеров вызвало небывалый интерес к их применению в сфере обучения. Сейчас трудно назвать какую-либо ее область – будь то производство, наука, техника, культура, сельское хозяйство, быт, развлечение, где бы применение компьютеров не приносило ощутимых результатов. Умелое использование вычислительной техники приобретает в наши дни общегосударственное значение, и одна из важнейших задач школы – вооружать учащихся знаниями и навыками использования современной вычислительной техники.

Компьютер является важным инструментом в преподавании физики, причем как в школе, так и в вузе. Особо значимо сегодня его использование при получении физико-математического образования, в частности, при изучении дисциплины «Экспериментальная физика», которое предусмотрено программой ГОС-2 для специалистов, получающих педагогическое образование по специальности «Физика». В ходе освоения этой дисциплины компьютер часто связан со всеми фазами лабораторного эксперимента: от проектирования аппаратуры, управления этой аппаратурой в ходе эксперимента до сбора и анализа данных.

Наиболее востребованным в настоящее время направлением использования электронно-вычислительной техники является сбор и обработка информации о состоянии датчиков, управление различными механизмами и технологическими системами. Типичная проблема, возникающая при этом – как ввести в компьютер и вывести из него все необходимые сигналы, число которых нередко достигает нескольких сотен. В настоящее время для многих персональных компьютеров имеется большое разнообразие промышленно разработанных плат как с цифровым вводом и выводом информации, так и с многоканальным аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразованием. Для автоматизации эксперимента разработаны также специализированные интерфейсы, например, так называемый канал общего пользования (КОП). Но не во всех учебных лабораториях имеются приборы, оснащенные этим интерфейсом, а стоимость плат ввода-вывода достаточно велика. Между тем, во многих случаях можно обойтись стандартными возможностями персонального компьютера, например, используя последовательный интерфейс RS-232C («COM») или параллельный интерфейс Centronics («LPT»). Этими интерфейсами давно обеспечены практически все персональные компьютеры [1].

Одним из наиболее удобных в использовании является параллельный интерфейс Centronics (отечественный аналог ИРПР-М), предназначенный для подключение принтера. Описанные в [2] возможности параллельного интерфейса Centronics и рассмотренные простые устройства к нему можно использовать в лабораторном оборудовании физического практикума, а также для управления учебным экспериментом.

Известно, что шины данных в любых параллельных портах компьютера ограничены и, как показала практика, при использовании нескольких устройств или устройств с большим количеством разрядности данных ввода и вывода, имеющегося количества шин параллельного порта может не хватить. В рамках проводимого автором курса по выбору на старших курс физико-математического факультета (специальность «Физика с дополнительной специальностью информатика») совместно со студентами были разработаны лабораторные модули, позволяющие осуществлять расширение разрядности параллельного порта с помощью логических элементов.

В базовом варианте персонального компьютера LPT-порт позволяет выводить необходимую информацию с компьютера по двум группам шин, разрядность которых, в общей сложности, ограничивается двенадцатиразрядной шиной (восемь разрядов регистра данных и четыре разряда регистра контроля). Первый модуль дает возможности изучить расширение шины данных на вывод. Модуль содержит четыре семисегментных светодиодных индикатора АЛС333, а для обслуживания индикаторов требуется 28-разрядная шина данных (4 индикатора по 7 сегментов). Для оптимизации элементной базы была выбрана динамическая индикация. Все одноименные сегменты индикаторов объединены и подключены к регистру «данных» LPT посредством буферного усилителя ULN2003A. Управление индикаторами осуществляется посредством четырех оптических пар 4N35. Так, для активизации одного из индикаторов в регистр «контроль» LPT по адресу 890 записывают нужный код. Чтобы зажечь необходимые сегменты индикатора необходимо по адресу 888 передать соответствующий код группы сегментов. Последовательно выбирая один из индикаторов и записывая в порт необходимый код, на четырех разрядный индикатор можно выводить числовую информацию (дата, время и т.п.), организовать эффект «бегущая строка», тем самым, изучить возможность расширения шины данных на вывод. Все это происходит очень быстро, поэтому наши глаза не успевают зафиксировать мерцание символов выводимых на индикатор. Используя триггеры и дешифраторы, можно обслуживать до 112 внешних исполнительных устройств.

Второй модуль дает возможности изучить расширение шины данных на ввод. В базовом варианте LPT-порт позволяет контролировать пять источников дискретных сигналов. Дополнение LPT-порта четырьмя мультиплексорами «2 в 1» или двумя мультиплексорами «4 в 1», позволяет расширить разрядность порта с исходных 5 до 17. В нашем варианте для этой цели используется 12 герконовых датчиков и 4 оптических датчика. Разработанный совместно со студентами модуль позволяет реализовать устройство отслеживания направления вращающегося объекта (вращающаяся платформа, флюгер), подсчета числа оборотов, частоты вращения. При закреплении датчиков на наклонной или горизонтальной плоскости модуль позволяет фиксировать перемещение, скорость, ускорение и т.п., а при закреплении датчиков на вертикальной плоскости фиксируется уровень (например, уровень жидкости в сосуде) и т.п.

Опыт создания описанных модулей показал, что внедрение автоматизированных систем в учебный процесс позволяет интенсифицировать процесс обучения, индивидуализировать его и улучшить контроль усвоения учебного материала, а также повышает интерес учащихся к изучаемому предмету. Привлечение студентов к конструированию нового учебного оборудования увеличивает интерес обучаемых, знакомит их с новыми информационными технологиями обучения (при сохранение натурного физического эксперимента), а главное, это активизирует не только самостоятельную, но и творческую деятельность будущих специалистов.

Литература:

1. Латипов З. А., Дерягин А. В., Насыбуллин Р. А. Использование ЭВМ в лабораторном практикуме по физике / Международный сборник научных статей. Вып. 6. Физика в школе и вузе. Санкт-Петербург, 2007, с. 65-68.

2. Китайгородский М. Д., Тимчук М. Д. Использование интерфейса Сentronics в компьютерных лабораторных работах // Преподавание физики в высшей школе. № 6. М: МПГУ, 1996 с.45-50.