Многообразие датчиковых систем для компьютеризированного физического эксперимента

ПОДГОТОВКА ПЕДАГОГИЧЕСКИХ КАДРОВ К ПРИМЕНЕНИЮ ИКТ В ОБРАЗОВАНИИ

М. А. Петрова

МНОГООБРАЗИЕ ДАТЧИКОВЫХ СИСТЕМ

ДЛЯ КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

На современном этапе развития физики остро стоит задача выявления количественных закономерностей физических явлений. Физика - наука экспериментальная, поэтому физический эксперимент является корневой структурой физического образования и его не может не затрагивать происходящая в обществе и в технике "информационная революция". Вместе с тем необходимо отметить, что в последние годы в педагогических исследованиях наблюдается чрезмерное увлечение компьютерными моделями в физике, что приводит к снижению роли и удельного веса натурного эксперимента. На сегодняшний день стало очевидно, что информатизация образования - это не только установка компьютеров в школы или подключение их к Интернет, это и необходимость внедрения в физический эксперимент цифровых средств обработки данных, т.е. постепенное развитие информационных источников сложной структуры, к которым относятся компьютерные лаборатории. Это влечет за собой качественное изменение содержания, форм и методов работы с учащимися в предметной области методики физики. В России с 1994 года появилось новое средство реализации учебного физического эксперимента - цифровые лаборатории по физике (ЦЛ).

Р.М. Чудинский отмечает, что "компьютерный эксперимент включает в себя две составные части:

- компьютерный модельный эксперимент над идеальной моделью изучаемого объекта, явления, процесса или системы, реализуемой с помощью персонального компьютера;

- компьютеризированный эксперимент, представляющий собой натурный эксперимент с использованием персонального компьютера с внешними дополнительными устройствами сопряжения. [4, с. 69].

Учебный физический эксперимент может осуществляться в различных организационных формах: в форме демонстрационного эксперимента, в форме фронтальных лабораторных работ, в форме физического практикума, а в рамках физического практикума и в виде учебно-исследовательских и проектных работ учащихся. В настоящее время на рынке образовательных инструментов представлено множество датчиковых систем для компьютеризированного эксперимента различного функционального назначения и возможностей. Использование при проведении экспериментальных работ датчиков различных физических величин и устройства аналого-цифрового преобразования информации расширяет возможности традиционного физического эксперимента в любой форме, делает эксперимент более наглядным, позволяет привлечь внимание учащихся к информационным технологиям в эксперименте, позволяет проводить ранее известные работы физического практикума на другом уровне, на уровне соответствующем запросам современных физических исследований [2].

Данная статья дает краткий анализ множества датчиковых систем, предлагающихся в последнее время учителю физики. Пусть неполно, но в этой статье найдут свое отражение функциональные особенности, вопросы методического сопровождения экспериментов, достоинства или недостатки той или

1 Петрова М. А., 2009

иной системы для проведения компьютеризированного физического эксперимента.

Начнем обзор с наиболее распространенной на сегодняшний день ЦЛ "Архимед".

Цифровая лаборатория "Архимед”по физике сегодня - это комплекс технологических и программных средств, обеспечивающих сбор и обработку данных физических экспериментов. Основными функциональными узлами лаборатории являются аналоговые датчики различного назначения, выпускаемые компанией Fourier:

- датчик тока (2,5 А и 250 мА);

- датчик напряжения;

- датчик освещенности;

- датчик звука;

- датчик давления;

- датчик силы;

- датчик индукции магнитного поля;

- датчик расстояния;

- датчик температуры;

- колориметр.

Кроме того в состав лаборатории входят аналогово-цифровой преобразователь (интерфейс) и принимающее и обрабатывающее устройство (карманный персональный компьютер (КПК) или персональный компьютер (ПК). Внутри каждого датчика находится сопротивление, напряжение на котором меняется в диапазоне 0-5 В, принятого в качестве рабочего диапазона аналого-цифрового преобразователя устройства регистрации и сбора данных (измерительный интерфейс + карманный компьютер).

Принцип действия датчиков различен, приведем несколько примеров.

1. Датчик силы использует вмонтированный тензометрический элемент, закрепленный на гибком бруске. Тензометрические датчики прикреплены по обе стороны бруска, сопротивление датчиков меняется при изгибании бруска. Это сопротивление является элементом электрической мостовой схемы, поэтому изменение сопротивления одного из плеч моста приводит к изменению напряжения в его диагонали. Датчик разработан таким образом, что выходное напряжение ли-

нейно зависит от величины приложенной силы.

Датчик силы двухдиапазонный, он может работать в пределах от -10 до +10 Н или от -50 до + 50 Н.

2. Датчик индукции магнитного поля использует чувствительный элемент датчика Холла. Напряжение выходного сигнала пропорционально индукции магнитного поля. Таким образом, датчик измеряет осевую компоненту магнитного поля, параллельную трубке датчика. Линия, нанесенная на датчике, указывает на точное расположение в нем датчика Холла. Прибор может использоваться в двух режимах работы: высокой чувствительности (от -0,2 до +0,2 мТл) и низкой чувствительности (от -10 мТл до +10 мТл). Как видно из приведенных диапазонов, чувствительность датчика позволяет проводить измерения магнитного поля Земли.

3. Действие датчика расстояния основано на принципе работы звукового локатора. Внутри прибора установлены ультразвуковой излучатель и микрофон. К излучателю подключен конденсатор, при разрядке которого излучатель посылает импульсы в ультразвуковом диапазоне, которые, пройдя через воздух, сталкиваются с ближайшим объектом и отражаются в виде эха. Когда эхо попадает на микрофон, процессор внутри датчика рассчитывает расстояние до объекта. Этот результат опять преобразуется в электрическое напряжение, лежащее в рабочем диапазоне 0-5 В, для передачи и обработки данных в измерительном интерфейсе и в КПК .

В различных учебных учреждениях сейчас находятся цифровые лаборатории трех поколений, поэтому мы считаем необходимым описать основные технические параметры и режимы работы ЦЛ каждого поколения.

Первое поколение цифровых лабораторий поставлялось в школы г. Москвы с 2003 года и включает в себя:

- карманный компьютер Palm m 130;

- компакт-диск "Paragon for Palm OS" с программным обеспечением для русификации операционной системы Palm;

- 11 датчиков (список приведен выше, датчик освещенности первого поколения имеет калибровку 0-300 лк);

- измерительный интерфейс, посредством которого аналоговые сигналы датчиков преобразуются в цифровой вид и распознаются карманным компьютером;

- компакт-диск "Цифровая лаборатория "Архимед": программное обеспечение для регистрации, сбора и обработки данных".

Для функционирования процесса сбора и первичной обработки данных эксперимента в этом комплекте поставляется программа ImageProbe 2.0.

Для ее работы требуется 330 Кб памяти и операционная система Ра1т ОБ 3.1 и выше. Эта программа позволяет:

- управлять процессом сбора данных;

- хранить результаты и параметры экспериментов по разделам;

- добавлять, просматривать и редактировать параметры датчиков, проводить их калибровку;

- создавать, просматривать и редактировать пояснительные записи и схемы.

Измерительный интерфейс совместим с карманными компьютерами Ра1т т100/130, Ра1т III, Ра1т IV. Соединение измерительного интерфейса с КПК чисто механическое, что создает определенные трудности при длительной эксплуатации комплекта. измерительный интерфейс в комплекте с У-кабелем позволяет работать с двумя датчиками одновременно. Для питания КПК и синхронизации его с персональным компьютером применяется специальное устройство

- кредл.

Соединение кредла с ПК происходит по разъему иБВ. Для обмена данными с ПК ("Канал синхронизации") программа ImageProbe 2.0 применяет стандартную процедуру Ыо1Бупе.

Первый комплект имеет значительное количество недостатков.

1. КПК Ра1т питается от очень слабого аккумулятора. Иногда питания не хватало для проведения двух занятий подряд (протяженностью 1час 20 мин).

2. Датчики, поставляемые с первым комп-

лектом, требовали ручной калибровки. Это относилось к датчикам силы, датчикам расстояния, датчикам света, датчикам магнитной индукции, датчикам температуры. Калибровка датчиков производилась по эталону и несложна для учащихся даже 9 класса, но отнимает время от реального лабораторного занятия.

3. Программа Multilab на ПК, в которую производилась передача данных с КПК после проведения опытов, имела ряд недостатков. Среди них: неверное отражение оси времени во всех режимах работы за исключением одного (20 измерений в секунду).

4. Механическое соединение интерфейса с КПК было ненадежно и создавало дополнительные трудности при работе с комплектом .

Второй комплект включает в себя КПК Tungstein E2 и интерфейс Trilink. Датчики второго комплекта не требуют калибровки. КПК с интерфейсом сообщается посредством связи типа Bluetooth (рис.1).

Trilink обладает 256 килобайтами встроенной памяти и позволяет производить измерения с разрешением 12 бит. Trilink в состоянии записывать данные от восьми датчиков одновременно, то есть производить до 21000 замеров в секунду, и хранить во встроенной памяти до 100000 экспериментальных точек. Регистратором Trilink можно управлять при помощи как любого современного компьютера, так и его собственных управляющих элементов - двухкнопочной клавиатуры и LCD-экрана. Чтобы управлять Trilinkом и обеспечивать сбор и математическую обработку экспериментальных данных, используется программное обеспечение Multilab. Работа с комплектом второго поколения может происходить в нескольких режимах.

1. Датчики физических величин подключаются к Trilink (до 8 штук одновременно), а регистратор работает непосредственно с ПК. Обмен данными производится с помощью связи Bluetooth. Результаты отображаются на экране ПК в виде графика, таблицы или в виде показаний "приборов" .

2. К ПК можно подключить видеокамеру

для работы с видеоанализом изображения. Подобный режим работы позволяет получать положение объекта, замеры времени из видеозаписи его движения, а также производить анализ любого движения одного или двух тел с помощью встроенных инструментов анализа программы МиШ1аЬ.

Рис.1. ЦЛ второго поколения с TrilinkoM

3. Датчики физических величин подключаются к Trilink, а регистратор работает с КПК Palm и встроенной программой сбора и обработки данных на КПК Multilab Palm. По сравнению с программой первого поколения ImageProbe 2.0, Multilab Palm обладает расширенными инструментами анализа полученных наборов данных. Так? он позволяет производить следующие операции над данными опыта:

- линейное приближение набора данных производится встроенным методом наименьших квадратов; формула полученной прямой отображается на панели под графиком;

- производная набора данных, при этом каждая точка графика определяется как наклон для трех последовательных точек исходного графика;

- интеграл произвольного набора данных. При использовании этой операции каждая точка графика определяется как интеграл всех предшествующих точек исходного графика;

- инструмент статистика отображает статистические данные для всего указанного на-

бора данных (среднее, минимальное, максимальное, сумма, замеры, частота и пр.).

Второе поколение ЦЛ "Архимед" также обладает рядом недостатков.

Функционирование Trilink по описанию в рабочем режиме должно происходить в течение 5 часов автономно, но на практике не получалось эксплуатировать регистратор дольше 3 часов подряд, вследствие недостатков встроенного аккумулятора.

Еще один серьезный недостаток связан с особенностями связи Bluetooth. Возможны варианты работы с Trilinkом и КПК, при которых происходит наложение данных рядом работающих устройств и КПК "путает" свой Trilink с соседним.

Недостатком по сравнению с программой ImageProbe 2.0 встроенной программы обработки данных является отсутствие режима предварительного просмотра данных. Но в целом второе поколение, во многом благодаря возможностям видеоанализа, являются технологическим и программным шагом вперед по пути оптимизации процесса снятия и обработки данных физического эксперимента.

Третье поколение ЦЛ "Архимед" представляет собой тот же набор датчиков, но с новым регистратором компании Fourier под названием Nova 5000 (рис.2).

Рис.2. Третье поколение ЦЛ " Архимед" с регистратором Nova 5000

Этот регистратор соединяет в себе КПК и интерфейс в одном устройстве, подобием ма-

ленького переносного ноутбука, весом 1,З кг. На этом портатнвном устройстве прнме-няется программное обеспеченне Windows CE. Для сбора н обработкн данный нсполь-зуется программа Multilab, по свонм возможностям прнблнженная к аналогнчной программе второго поколення для работы на персональном компьютере. Peгиcтpaтop оснащен USB-разъемамн для cинxpoнизaнии с внешннмн устройствами, в частности спени-альная программа ActiveSync производит cннxpoннзaнню дaнныx эксперимента в спениальную папку ПК [2].

Недостатки третьего поколения не столь серьезны, как у предыдущ^ двyx, но они есть. TexHrnec^e xapaктepнcтнкн регистратора NOVA SCCC таковы, что не позволяют накапливать данные с двyx датчиков уже при частоте опроса 1CC Гн в течение S минут. Peгиcтpaтopy просто не xвaтaeт памяти. Еслн же подключить к устройству З и более датчиков, то памяти xвaтaeт буквально на секунды опроса. Правда, есть модификании peгиcтpaтopa(CE), оснащенные карточкой памяти. Плюс ко всему, в регистраторе стоит все-такн урезанная модификания Windows CE, которая не поддерживает большинство привычные пользователю приложений. Прн заявленной возможности работать в сетн Интернет - на NOVA SCCC невозможно установить антивирус. При перечисленные не-достаткая нена регистратора пpeвocxoдилa стоимость среднего ноутбука (до кризиса - 28 тыс. рублей). К недостаткам датчиков можно отнести питание датчика расстояния от NOVA в пронессе работы, это автоматически приводит к нeoбxoдимocти запитывать регистратор в пронессе работы и оснащать аудиторию розетками на 220B, что в школая не приветствуется. Ta^e к недостаткам следует отнести отсутствие нeoбxoдимыx соединений в комплекте ЦЛ для эксплуатании датчика давления, в результате, с этим датчиком работать неудобно. Taкжe удивляет диапазон измерения этого датчика (до 7 атмосфер). Датчик содержания кислорода ЦЛ - некалибро-ван и институте новый тexнoлoгий - не предлагает никaкиx возможностей для его

калибровки, датчик частоты дыхания зашкаливает от объема выдоха взрослого человека, т.к.просто на такие объемы не рассчитан. Стоимость датчиков не малая (от 60 до 120 долларов за штуку). Представьте себе, что поставляется ЦЛ "Архимед" комплектами по 16 штук регистраторов и по 16 штук каждого из перечисленных датчиков. И еще представьте, что в комплект поставки больше не входит ничего кроме датчиков и регистраторов! Т.е.тележки, грузики, пружинки, наклонные плоскости, блоки и прочее в кабинете физики уже должны быть. А если их нет? Опыт автора статьи позволяет сделать однозначный вывод: ЦЛ "Архимед" -удобное, современное средство для индивидуальной исследовательской или проектной работы с учащимися во внеурочное время и в хорошо оборудованной школе. Возможности ЦЛ по обработке данных физического эксперимента большие и позволяют проектную работу проводить на самом современном уровне. Для лабораторных работ или серьезных демонстрационных работ в 10-11 классах во время урока эта система просто не предназначена, ей пользоваться неудобно и приходится постоянно “изобретать велосипед"!

Продолжим обзор современных датчико-вых систем. Рассмотрим оборудование для демонстрационного и лабораторного физического эксперимента Ь-микро. Оборудование под торговой маркой “Ь-микро” для школьного физического и химического эксперимента появилось в России уже лет 10 назад.

Обратимся к анализу особенностей оборудования для демонстрационного эксперимента. Это высококачественное оборудование с хорошей наглядностью, с продуманной методической составляющей каждой серии демонстрационного оборудования. Комплекты оборудования тематические: например, комплект "Механика" позволяет провести порядка 10 демонстраций по этой теме, в него входят два оптодатчика, с помощью которых можно измерить временной интервал, а следовательно, и изучить раз-

личные виды механического движения, измерить (косвенным путем) такие параметры движения, как ускорение и скорость. Такие демонстрационные комплекты созданы по каждой теме школьного курса физики, но не все комплекты компьютеризированные. Приведем перечень демонстрационных наборов, которые сопровождаются датчи-ковой системой:

- “Механика”;

- “Тепловые явления”;

- “Вращательное движение”;

- “Г азовые законы и свойства насыщенных паров”.

Эти комплекты сопровождаются грамотным и доступным описанием всех возможных экспериментов с оборудованием комплекта. Необходимо упомянуть замечательное устройство "Приставка-осциллограф" для визуализации различных параметров цепи переменного тока: это устройство вместе с комплектом "Электричество-4 " позволяет даже визуализировать такое непростое понятие, как разность фаз, или проиллюстрировать понятие "резонанс" в цепи переменного тока. Осциллограммы получаются на экране любого персонального компьютера, подключенного к интерфейсу и к проектору.

На рис.3 представлено оборудование для

демонстрании гaзoвыx законов. На рисунке приведена установка "Изобара", но в комплект вxoдят три такие установки: " Изотерма", " Изо-xopa" и "Изобара". Peгиcтpиpoвaть результаты эксперимента учитель будет на экране мини-ноутбука "ASUS Eee PC" [1]. Данные с aнaлoгoвыx датчиков в режиме реального времени поступают на аналого-нифровой интерфейс, а с него - на этот современный и очень удобный ноутбук, на котором установлена операнионная система WINDOWS XP и спениальная программа для компьютеризированного эксперимента "L-физика". Heoбxoдимo отметить совершенно другие методические приннипы, на который построено оборудование L-микро. Например, комплект "Газовые законы и свойства насыщенный паров" полностью укомплектован всеми емкостями, шлангами, пepexoдникaми, штативами и прочим для проведения нелого набора кoмпьютepизиpoвaнныx экспериментов по всем опытным газовым законам, никлическим пронессам и для изучения свойств нacыщeнныx паров (см. рис. З). Полученные диаграммы гaзoвыx пронессов могут использоваться как демонстрания во время урока, или подобные установки позволяют создавать на базе демонстранион-hux комплектов даже полноненные лабораторные установки (рис.4).

Рис.З. Демонстрационная установка для изучения изобарного процесса

Рис.4. Учащиеся лицея за установкой практикума " Газовые законы"

При этом оборудование 1-микро предоставляет учащимся также возможность осуществлять собственные исследовательские проекты по различным естественно-научным направлениям. Такой результат достигается с помощью компьютеризированной системы с использованием мини-ноутбука. Например, на рис. 5 приведен внешний вид экспериментальной установки, собранной учащимися лицея №1502 при МЭИ при проведении проектной работы на тему: "Опыт Тиндаля и исследование оптических свойств жидкости".

Рис 5. Экспериментальная установка для проектной работы

В установку входят спектроскоп с подключенной веб-камерой и мини-ноутбук, также для количественного подтверждения результатов эксперимента использовался датчик оптической плотности, подключенный к интерфейсу и к тому же самому ноутбуку.

Датчиковые системы для лабораторного эксперимента L-микро создаются прямо на наших глазах в настоящий момент. Это оборудование для физического практикума 10-11 классов средней школы пока изготовлено и поставлено в учебные учреждения в единичных экземплярах. Методология прописывается под руководством О.А. Пова-ляева и С.В. Хоменко непосредственно методистом - физиком Н.К. Ханнановым. Попытки донести до читателей чужие мысли - это означает вольно или невольно их исказить. Постараемся донести основные моменты как можно точнее, опираясь на письменные источники и собственный опыт работы с этим оборудованием [3]. Компьютеризированный лабораторный эксперимент создается с помощью Ноутбука ASUS Eee PC 4G/701 (Celeron 540, ОЗУ 1Гб с операционной системой Windows XP). Для преобразования информации с датчиков используется миниатюрный концентратор аналого-цифрового

Рис.6. Установка лабораторного практикума для изучения изотермического закона

устройства, подключаемый к иББ входу ПК. На рис. 6 показано, как учащиеся лицея проводят лабораторную работу "Изучение взаимосвязи между давлением и объемом газа при постоянной температуре".

Ряд датчиков для лабораторного эксперимента уже создан (датчик силы, датчик ускорения, датчик угла поворота, датчик индукции магнитного поля, датчик температуры, датчик давления и прочие). Часть датчиков только создаются, например, датчики тока и напряжения. В комплект для каждой лабораторной работы входят, таким образом, следующие основные узлы: миникомпьютер, концентратор, датчики физических величин и оригинальное лабораторное оборудование, включающее в себя все необходимое для проведения эксперимента.

На фотоснимке (рис. 7) преподаватель Н.К. Ханнанов объясняет учащимся лицея правила работы с установкой для работы практикума " Исследование теплообмена между двумя смешивающимися жидкостями".

Каждая работа практикума имеет сценарий, который позволяет проводить работу на разном уровне: базовом, профильном и исследовательском [3].

Базовый уровень - самый простой, в нем почти нет возможностей что-то менять в написанном сценарии лабораторной работы. Результаты эксперимента заносятся в таблицу и с помощью встроенных возможностей программы обрабатываются учащимся. Составление отчета о лабораторной работе тоже автоматизировано и уже прописано в интерфейсе программы. В отчет предлагается включать фото установок, полученные с помощью встроенной веб-камеры ПК, таблицы, графики.

Профильный уровень эксперимента проводится на том же самом комплекте учебного оборудования только по расширенному сценарию с углубленным изучением ряда моментов эксперимента. Отметим, что вся оснастка эксперимента полностью поставляется (вплоть до зажимов и шлангов). Таким образом можно производить многоуровневое изучение одного и того же эксперимента, вплоть до базового курса общей физики технического вуза. Важный вопрос о погрешностях измерений также решается в программе для практикума.

Есть еще один момент, на котором необходимо остановится: это доступная цена всего

Рис. 7. Работа практикума " Изучение теплообмена"

оборудования Ь-микро, как демонстрационного, так и лабораторного. Оснастка лабораторного эксперимента подчинена этому требованию и подчас очень экономична и невзрачна. Не специалисту трудно понять этот минимализм, что приводит к непониманию эксперимента, к ослаблению визуальной выразительности и наглядности. Трудно понять методическую ценность эксперимента, проведенного с помощью только одного шприца по изучению изотермического газового закона (рис. 5), когда есть замечательная установка этой же марки "Изотерма" для демонстрационного варианта этой работы (рис. 4). Сложно понять учителю, что в дополнение к шприцу, стоимостью 30 рублей, необходимо поставить концентратор и маленький ноутбук (стоимостью 13 тысяч рублей). Не всегда понятны желания все данные эксперимента занести и обработать с помощью компьютера, кажется необхо-димым проводить эксперимент через мото-рику рук учащихся при снятии данных, при их записи (необязательно на ПК) или при построении графиков процессов вручную. Это наша позиция, но думается, что многие преподаватели физики и методисты

согласятся с нами. Сформулируем вывод по второй части нашего обзора: оборудование для компьютеризированного эксперимента под маркой L-микро - это прежде всего качественное демонстрационное оборудование высокого уровня, которое, как показывает опыт автора статьи, далеко еще не освоено учителями нашей страны. Оборудование для компьютеризированного лабораторного практикума пока только создается.

Оборудование марки AFS - ”.ALL FOR SCHOOL” только начало поставляться в отечественные школы, но обязательно подлежит обзору как третья по распространенности датчиковая система для демонстрационного эксперимента по физике.

В распоряжение автора была предоставлена система сбора данных, состоящая из семи аналоговых датчиков и интерфейса (система сбора данных ССД), преобразующего аналоговый сигнал в цифровой. Далее сигнал обрабатывается на ПК с помощью предустановленного программного обеспечения AFS "Инновационный школьный практикум"

На рис. 8 представлены часть датчиков, входящих в состав комплекта для демо-

нстранионного компьютеризированного эксперимента, поставляемого в школы под маркой AFS.

В представленный комплект вxoдят датчики ускорения (акселерометр), датчик давления газа, датчик расстояния, датчик звука (микрофон), датчик температуры, датчик напряжения, датчик магнитного поля. Набор датчиков компании VERNIER поставляется с написанным в компании "Донент" программным обеспечением.

Комплекс заявлен производителем как набор для демонстран^нныи лабораторный работ. Каждая демонстранионная работа включает в себя подразделы: теория, инструк-нии, xoд работы, вопросы и вывод. Сненарий каждой работы жестко прописан, у учащегося нет возможности что-то изменить. Например, набор дeмoнcтpaниoнныx работ по ме-xaHrne включает в себя четыре работы. Teмы работ:

- “Изучение колебаний пружинного маятника" с датчиком движения”;

- “Изучение ускорения движущегося тела" с датчиком ускорения”;

- “Исследование давления жидкости на погруженное в нее тело с датчиком давления”;

- “Исследование свойств звуковой волны" с датчиком звука”.

Компания "Донент" поставляет каждый

датчик с подробным паспортом, в котором указаны условия работы устройства, технические характеристики, указания по технике безопасности, пределы измерения и точность измерений. Это большой плюс этой датчиковой системы и выгодно отличает ее от ЦЛ " Архимед".

Чтобы учитель получил представление о работе датчиков представляемой системы, необходимо описать особенности, связанные с каждым из них.

Датчик ускорения:

- может производить измерения с различной частотой опроса от 10 до 100 Гц;

- график зависимости ускорения от времени имеет предельный размер шкалы ускорения в 5м/с2 ;

- может измерять ускорение только в течение 2секунд;

- датчик чувствителен к направлению перемещения тела (по горизонтали, по вертикали) и малейшим вибрациям системы.

Датчик движения:

- датчик ультразвуковой и достаточно точный, никакой калибровки не требуется;

- может использоваться для измерения координаты и скорости движущихся объектов;

- в программе используется только в сценарии по изучению пружинного маятника;

Pto .8. Датчики системы AFS

- шкала расстояний ограничена программно 10 см при заявленном диапазоне до 6 м.

Датчик звука:

- может использоваться только для проведения качественных наблюдений амплитуды и частоты звуковых колебаний;

- позволяет наблюдать форму звукового сигнала.

Датчик температуры:

- производитель гарантирует возможность измерения температуры в диапазоне от -40 до +135 градусов Цельсия.

Датчик давления газа: точный и чувствительный прибор, хорошо откалиброванный

Датчик магнитного поля:

- достаточно точный прибор, основанный на эффекте Холла;

- ПО не позволяет визуализировать индукцию магнитного поля как функцию времени;

- используется для отдельных измерений индукции магнитного поля в конкретных точках пространства, которые сразу же заносятся в таблицу данных

Датчик напряжения:

- снимает показания с устройств или точек цепи в течение 100 с;

- амплитуда напряжения составляет 5В, отрицательные значения на графике отражаться не будут, поэтому желательно не путать клеммы источника;

- табличное представление данных не предусмотрено.

Основные недостатки датчиковой системы ЛРБ - это, пожалуй, очень жесткий программный сценарий каждой работы и отсутствие необходимой оснастки для опыта. При этом компания " Доцент" утверждает, что все необходимые средства для физического эксперимента можно у них же и докупить. Стоимость этого комплекта сопоставима со стоимостью ЦЛ " Архимед". Например, устройство сбора данных (ССД) стоит порядка 8тыс.руб.

На основе опыта работы с комплексом можно сформулировать следующий вывод: это оборудование предназначено только для проведения демонстрационного эксперимента по физике. Те работы, которые есть сей-

час в " Инновационном физическом практикуме", могут обеспечить проведение демонстраций в 7-9 классах общеобразовательных школ на базовом уровне.

И, пожалуй, последняя в данном обзоре система для проведения компьютеризированного физического эксперимента - это система немецкой компанией PHUWE, поставляемая в школы и вузы России. Для нашей страны подобное оборудование пока достаточно ново, встречается оно пока крайне редко. Можно привести пример: в МПГУ на математическом факультете закуплены несколько установок PHUWE для демонстрационного и лабораторного практикума по физике для вузов. На рис. 9 одна из демонстрационных установок в МПГУ.

Рис.9. Демонстрационная установка с катушками Гельмгольца PHUWE

В Астрахани, Петрозаводске, Ростове-на-Дону, в различных вузах и в школах уже эксплуатируется это оборудование. Не обладая полной информацией по географии закупок учебного оборудования, отметим только, что круг таких закупок пока очень узок. На рис. 10 показана установка по визуализации интерференции в электроннолучевой трубке.

Для физического кабинета компания поставляет различное оборудование: демонстрационное оборудование по естественным наукам на магнитной доске, например, "Механика на магнитной доске" - 49 экспериментов, лабораторные эксперименты по физике по различным темам. Например,

Рис.10. Интерференция на напыленном слое кристалла в электронно-лучевой трубке

набор "Оптика-2" включает в себя следующие эксперименты:

- по геометрической оптике - 3 эксперимента,

- интерференции - 7 экспериментов,

- дифракции - 6 экспериментов,

- фотометрии - 3 эксперимента,

- поляризации - 4 эксперимента,

- прикладной оптике - 11 экспериментов.

Но в рамках данной статьи необходимо

остановиться на оборудовании для проведения экспериментов с использованием компьютера - это система “Кобра 3” с использованием программного обеспечения " теа-зиге".На рис.11 приведена установка “Кобра 3” по изучению эффекта Холла.

Итак, система представляет собой 4 блока “Кобра 3” различного функционального назначения: от цифрового индикатора результатов эксперимента до устройств, к которым подключается через измерительные модули система датчиков физических величин. У блока существуют различные типы выходов для подключения датчиков, в том числе и удаленного подключения. Эти блоки также являются стабилизированным питанием всего устройства (стабильно питание не превышает 5В). Частота опроса аналоговых датчиков может достигать 500 кГц. Измерительных модулей существует 11

различных модификаций. 9 различных типов датчиков, среди них: датчик давления, датчик силы, оптодатчик, датчик температуры, датчик электропроводности, датчик магнитной индукции. Интерфейс программы Measure не сложен.

Компания заявляет, что существуют детальные и подробные описания (на английском языке) для 200 экспериментов по физике и в программе Measure уже установлены параметры, которые при выборе эксперимента автоматически грузится, облегчая задачу выбора параметров эксперимента. В описании, заложенном в программу, представлено подробное описание экспериментальной установки с фотографией основных измерительных узлов. При описании любого эксперимента указаны цель и краткое теоретическое введение в тему. Как утверждают методисты, работающие с системой “Кобра 3” в России, к оборудованию нет никаких нареканий, оно надежно и четко работает. Основные вопросы по использованию этой системы в России связаны с ценой комплекта - она очень высока с методическим обеспечением, т.е.с адаптацией готового оборудования под нашу методическую систему. Так, например, оборудование, закупленное для МПГУ как оборудование для практикума, используется для

Рнс.11. Установка компьютеризированного практикума по физике "Изучение эффекта Холла" PHUWE

лекционных демонстраций именно в силу разницы в методике проведения эксперимента в России и Германии.

В данной статье мы не рассмотрели множество других датчиковых систем, которые иногда встречаются в России. Но их появление скорее редкость, а не система.

Надеемся, что в настоящей статье нам удалось ответить хотя бы частично на вопросы учителей физики о разновидностях датчи-

ковых систем и их возможностях. Прежде чем решиться на покупку оборудования, необходимо подумать: для каких целей приобретается система, какой учитель будет с ней работать, какой навык работы с ИКТ потребуется при ее эксплуатации, где она будет храниться (что немаловажно при ее стоимости). И самое важное: как вы будете работать с учащимися, какие приемы и методы использовать.

Библиографический список

1..Петрова М.А. Перспективы использования компьютеризированного эксперимента в общеобразовательной школе / М.А. Петрова, О.А. Поваляев//Материалы XVIII международной конференции выставки" Информационные технологии в образовании".-М., 2008. Ч. 3.-С. 26-29.

2. Петрова М.А. Применение цифровых лабораторий в учебном физическом эксперименте в общеобразовательнойшколе: дис. ...канд.пед.наук/М.А. Петрова. - М., 2008. -268 с.

3. Ханнанов H.K. Работы компьютеризированного лабораторного практикума по физике с использованием оборудования L-микро/ H.K. Ханнанов, Д^. Жилин, O.A. Поваляев и др. // Mатepиалы X международной учебно-методической конференции " Современный физический практикум". - Aс трахань, 2008. - С. 258-259.

4. Чудинский P.M. K вопросу о компьютеризации учебного эксперимента / P.M. Чудинский // Наука и образование. - 2006. №6. -С.69-71.