refik.in.ua 1


Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Головне управління освіти і науки Черкаської облдержадміністрації

Черкаське територіальне відділення МАН України



Відділення: комп’ютерні науки

Секція: мультимедійні системи, навчальні та ігрові програми




РОЗРОБКА НАВЧАЛЬНО-ТЕСТУВАЛЬНОЇ ВІРТУАЛЬНОЇ ЛАБОРАТОРІЇ ДЛЯ РОБОТИ З ЕЛЕКТРИЧНИМИ ЛАНЦЮГАМИ З МОЖЛИВІСТЮ ЇХ ПОВНОГО АНАЛІЗУ


Роботу виконав:

Джус Олександр Сергійович,

учень 11 класу Черкаського фізико-математичного ліцею (ФІМЛІ) Черкаської міської ради


Науковий керівник:

Ковальчук Андрій Олександрович, доцент кафедри фізики Черкаського національного університету

ім. Б. Хмельницького,

кандидат фізико-математичних наук


Черкаси - 2012

Розробка навчально-тестувальної віртуальної лабораторії для роботи з електричними ланцюгами з можливістю їх повного аналізу

Джус Олександр Сергійович,

Черкаське територіальне відділення МАН України,

Черкаський фізико-математичний ліцей (ФІМЛІ), 11 клас

Науковий керівник: Ковальчук Андрій Олександрович, кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри фізики Черкаського національного університету ім. Б. Хмельницького


Метою роботи є створення навчально-тестувальної віртуальної фізичної лабораторії на базі розробленої автором комп’ютерної програми, що дозволяє в інтерактивному режимі імітувати роботу з реальним обладнанням при перетвореннях електричних кіл постійного струму.

При аналізі шкільних задач можна переконатися у тому, що резистори в електричних ланцюгах часто розташовані таким чином, що тип їх з’єднання з іншими резисторами не очевидний. Подібні задачі викликають суттєві труднощі у школярів. Основним методом розв’язку подібних завдань є топологічне перетворення схеми до такого вигляду, коли тип з’єднання очевидний. Але проста візуальна демонстрація повного візуального перетворення схеми не сприяє покращенню навчального процесу.


Задача створеного програмного додатку – підштовхнути учня до самостійного перетворення схеми до зрозумілого вигляду, допомогти йому навчитись аналізувати подібні схеми. Учню покроково демонструються усі пари паралельних та послідовних резисторів з урахуванням еквівалентних перетворень.

На базі розробленого автором алгоритму планується розширення меж застосування запропонованої методики для роботи з лінійними колами змінного струму.

ЗМІСТ

ВСТУП 4

РОЗДІЛ 1. ДОСЛІДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТІ АЛГОРИТМІЗАЦІЇ АНАЛІЗУ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ 5

1.1. Закони Кірхгофа 5

1.2. Дослідження законів Ома та еквівалентних перетворень 6

1.3. Розробка структури параметрів аналізу 6

1.4. Алгоритм реалізації методу еквівалентних перетворень 7

РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА РОБОТИ З УЧНЯМИ НА БАЗІ РОЗРОБЛЕНОЇ ВІРТУАЛЬНОЇ ЛАБОРАТОРІЇ 12

2.1. Базові принципи керування віртуальною лабораторією 12

2.2. Методика роботи з завуальованими ланцюгами 12

2.3. Проведення віртуальних лабораторних робіт 13

2.4. Результати анкетування серед колективу ФІМЛІ 14

2.5. Альтернативні використання при розробці професійних схем 15

РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ РОЗРОБЛЕНОГО ПРОГРАМНОГО ДОДАТКУ 17

3.1. Розробка дружнього інтерфейсу та робочої зони навчального типу. 17

3.2. Інтерфейс, орієнтований на професійне

моделювання кіл змінного струму 20

3.3. Вимоги до ЕОМ 21

3.4. Використання перетворень зірка-трикутник 22

3.5. Пошук програм-аналогів 23

ВИСНОВКИ 24

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 27

ВСТУП

Мета: дослідження навчально-тестувальної віртуальної фізичної лабораторії на базі розробленої комп’ютерної програми, що дозволяє в інтерактивному режимі імітувати роботу з реальним електродинамічним обладнанням при перетвореннях електричних кіл постійного й змінного струму.


Актуальність: в умовах сучасної комп’ютеризації та автоматизації, ведення навчального процесу з використанням інформаційних технологій суттєво покращує рівень навчання, як це демонструють провідні країни Європи. З огляду на це вдосконалення та автоматизація (до певної міри) навчального процесу на уроках фізики є досить актуальною задачею. Також актуальним є використання програми в галузі професійної розробки електричних схем, оскільки вона здатна проводити аналіз схем на можливі еквівалентні спрощення та проводить розрахунок імпедансу для еквівалентних елементів автоматично.

Новизна: В проекті розроблено та використано принципово новий алгоритм аналізу електродинамічних схем, що базується на комбінованому використанні законів Ома та Кірхгофа. Зазвичай автоматизація шкільних уроків фізики ускладнюється недостатньою портативністю шкільних ЕОМ. Новизна проекту полягає в можливості використання віртуальної лабораторії на більшості портативних пристроїв (планшетах, електронних книгах, комунікаторах тощо).


РОЗДІЛ 1

ДОСЛІДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТІ АЛГОРИТМІЗАЦІЇ
АНАЛІЗУ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ


1.1. Закони Кірхгофа


Закони Кірхгофа (або правила Кірхгофа) – співвідношення, які виконуються між струмами і напругами на ділянках електричного кола. Правила Кірхгофа дозволяють розраховувати будь-які електричні кола постійного й змінного струму. Вони мають особливе значення в електротехніці через свою універсальність, оскільки придатні для розв'язання багатьох задач теорії електричних кіл. Застосування правил Кірхгофа до лінійного кола дозволяє отримати систему лінійних рівнянь відносно струмів, і, відповідно, знайти значення струмів на всіх гілках кола.

...




РОЗДІЛ 3

ДОСЛІДЖЕННЯ РОЗРОБЛЕНОГО ПРОГРАМНОГО ДОДАТКУ


3.1. Розробка дружнього інтерфейсу та робочої зони навчального типу

Розробка дружнього інтерфейсу є необхідною частиною створення навчальних програм для користувачів шкільного віку, оскільки ускладнення сприйняття інформації може загальмувати ефективність навчального процесу.

Меню формується з верхнього та нижнього рядків. Верхній рядок – це меню керування елементами віртуальної схеми: кнопка для утворення резисторів, кнопка для утворення з’єднувальних провідників, кнопка для проведення розрахунків, кнопка переривання поточної операції. Кожна з них супроводжується відповідною іконкою та надписом (рис. 3.1.)



Рис. 3.1. Верхній рядок меню

Нижній рядок є числовою клавіатурою для присвоєння потрібних значень параметрам схеми: напрузі, силі струму, опору (рис.3.2.)



Рис. 3.2. Нижній рядок меню

Також на екрані присутні додаткові величини, що демонструють поточні обрані параметри та початкові елементи, необхідні для створення подальшої схеми.

Сенсорне керування дозволяє створення нових елементів схеми у вигляді резисторів та з’єднувальних провідників безпосередньо в точці дотику до екрану, що дозволяє швидко створювати необхідні електричні кола. Оскільки розрахунок організований покроково, на кожному кроці під нижньою частиною меню виводиться інформація про сформований резистор, його опір, номери резисторів, які були ним замінені, та кількість резисторів, що залишились.

Загалом виявлено, що розроблена віртуальна фізична лабораторія має більші можливості в рамках навчального процесу, ніж інші аналоги для відповідних задач.

ВИСНОВКИ

У запропонованій роботі розроблено навчально-тестувальну віртуальну фізичну лабораторію з аналізу та перетворення кіл постійного струму. Програмний додаток виконано у середовищі “Java Standart Edition” з застосуванням “Android SDK” для використання на мобільних пристроях з операційною системою “Android”. Цей продукт здійснює логічний аналіз еквівалентних перетворень елементів електричних кіл з покроковою візуалізацією результатів, що дозволяє використовувати його у навчальному процесі. Це робить корисним та доцільним використання розробки при проведенні лабораторних робіт з електродинаміки у школах та самостійній підготовці учнів з даних тем. Дана розробка готова до тестового впровадження у систему освіти.


Вдосконалений для інженерної діяльності програмний додаток здатний проводити автоматичний розрахунок імпедансу для кожного новоствореного або еквівалентного елементу. Також проводиться повноцінний аналіз схеми на оптимізацію, що є важливою процедурою при розробці схем.

Доведено, що основні фізичні закони, пов’язані з аналізом електричних кіл, можуть бути виражені математизованими алгоритмами та адаптовані до використання на електронно-обчислювальних машинах.

У результаті досліджень були виявлені певні математичні аспекти законів постійного й змінного струму, що дозволяють їх досконалішу алгоритмізацію. В роботі вказано на можливі вдосконалення, пов’язані з використанням перетворень зірочка-трикутник та розширенням меж застосування програмного додатку.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ


1. Капица С. П. Библиотечка "Квант", ­­- М.: Наука, 1980. - 193 с.

2. Максвелл Дж.К. Материя и движение, - Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика". – 178 с.

3. Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики. Т.2. Колебания и волны, основы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физика ядра и элементарных частиц, - М. Наука, 1969. – 735 с.

4. Светозаров В. В., Руденко А. И. Сборник задач по физике (электричество и оптика), - М.: МИФИ, 1991. – 93 с.