Педагогические науки / 5.Современные методы преподавания

К.п.н. Дерягин А.В.

Елабужский Институт Казанского (Приволжского) федерального университета

Создание лабораторного физического оборудования на основе компьютерных технологий

Компьютер является важным инструментом в преподавании физики, причем как в школе, так и в вузе. Особо значимо сегодня его использование при подготовке будущих учителей физики к проведению лабораторных физических экспериментов в школе, которое наиболее эффективно может быть реализовано в ходе лабораторного практикума, предусмотренного как в курсе общей физики и экспериментальной физики, так и при освоении дисциплины «Теория и методика преподавания физики». Требования Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования предусматривают отведение значительной части учебного времени использованию ЭВМ в лабораторном практикуме, особенно в курсе «Экспериментальная физика». В ходе освоения этой дисциплины компьютер может быть связан со всеми фазами лабораторного эксперимента: от проектирования аппаратуры, управления этой аппаратурой в ходе эксперимента до сбора и анализа данных.

Опыт показывает, что на сегодняшний день существует проблема согласования работы компьютера с внешними устройствами, задействованными в постановке физического эксперимента. С целью решения данной проблемы автором был разработан спецкурс (курс по выбору студента) «Сопряжения компьютеров с внешними устройствами». Задачей данного курса было применение компьютера, программно и аппаратно совмещенного с действующей лабораторной установкой. Важной особенностью данного курса было привлечение студентов к изготовлению и программированию устройств сопряжения с компьютером.

В основе экспериментальной части курса было положено использование так называемого LPT-порта, предназначенного для подключения принтера. Он успешно может быть задействован и в лабораторном оборудовании физического практикума, и в программном управлении учебным экспериментом [1].

Одной из тем курса «Экспериментальная физика» является «Цифровая техника», в которой изучаются, в частности, принципы построения и работы цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) рассматриваются принципы построения и работы этих устройств в интегральном исполнении. В рамках спецкурса «Сопряжения компьютеров с внешними устройствами» совместно со студентами осуществлялась разработка лабораторных установок по данной теме. Однако использование специализированных интегральных микросхем требует значительных навыков по сборке (пайке и отладке) подобных устройств, а также создания программного обеспечения для их обслуживания. Опыт показал, что на начальном этапе целесообразно начать изучение ЦАП и АЦП, используя дискретные элементы и известные для разработчика языка программирования.

Для изучения ЦАП был использован синтезатор речи и коды «прошивки» постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), описанные в журналах «Моделист конструктор», «Радиолюбитель» [2, 3]. Преобразование кодов в аналоговый сигнал (речь) происходит на ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует свой резистор, подключенный на общую точку суммирования.

Проводимость каждого резистора пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. В отличие от описанных в [2, 3] устройств, вместо ПЗУ и задающего генератора со счетчиком, мы используем персональный компьютер (ПК), к параллельному порту которого подключена линейка регистров и гнездо для подключения активных колонок от компьютера. С помощью этого простого устройства можно синтезировать сигнал, близкий к аналоговому, в том числе и речь человека.

Аналогово-цифровые преобразователи, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости, могут быть построены на базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ). ПНЧ на логических элементах представляет собой мультивибратор (релаксационный генератор) на микросхеме К561ЛЕ5, частота выходного сигнала которого зависит от номинальных значений резистора и конденсатора частотозадающей цепи. Устройство, построенное по данной схеме, дает практически линейное преобразование частоты в диапазоне входных напряжений от 0 до 1,2 вольт [4].

Выход генератора соединен с параллельным портом, в результате в ПК производится подсчет количества импульсов, поступивших от ПНЧ за период счета, и преобразует в число, соответствующее измеряемой величине. Замена резистора частотозадающей цепи на терморезистор позволяет измерить температуру тела и преобразовать его аналоговое значение в цифровую информацию для дальнейшей обработки. Использование фоторезистора позволяет измерить световой поток или прозрачность тел.

Таким образом, опыт по созданию описанных устройств показал, что привлечение студентов к конструированию нового учебного оборудования увеличивает интерес обучаемых, знакомит их с новыми информационными технологиями обучения (при сохранение натурного физического эксперимента). Это позволяет поднять физический эксперимент на более высокий качественный уровень, активизирует не только самостоятельную, но и творческую деятельность будущих учителей физики, готовит их к инновационной деятельности в будущей профессиональной деятельности.

Литература:

1. Иванов Д.В. Сопряжение компьютеров с внешними устройствами. URL: http://www.pcports.ru/styles.css (дата последнего обращения 22.12.2012)

2. Жуков Е. Речевой информатор «Гном» //Радиолюбитель. 1994, №8. С.20-24.

3. А.Симутин. Доверьте охрану звонку // «Моделист конструктор». 1995, №2. С. 29-31.

4. Преобразователи напряжение-частота на логических элементах. URL: http://www.shematic.net/page-185.html (дата последнего обращения 03.01.2013)