Жарких Ю.С., Лисоченко С.В., Третяк О.В., Шкавро А.Г.

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

радіофізичний факультет, Київ–01033, Володимирська 64.

Гуманітарні аспекти навчання з застосуванням віртуальних симуляторів лабораторних робіт

В наш час постійного відбору і оновлення курсів вищої освіти у відповідності з вимогами розвитку суспільства, особливу роль відіграє комп’ютерна підтримка навчального процесу [1]. Така підтримка повинна підсилювати педагогічні і методологічні аспекти учбового процесу конкретних курсів в окремих галузях знань, сприяти процесу становлення цілісної наукової картини оточуючого світу, розвивати методологію підходів наукового пошуку і розв’язання наукових і прикладних задач. В свою чергу, це стимулює особисту зацікавленість студента в результатах навчання. Навчання з застосуванням комп’ютерних технологій повинно розглядатися студентом як надання можливості досягнення більших результатів у вивченні своєї спеціальності, загальному інтелектуальному зростанні, що в кінцевому підсумку дає можливість досягнення життєвих успіхів на основі найбільш повної реалізації власних можливостей. Всьому цьому сприяє реалізація концепції віртуальних симуляторів лабораторних робіт. Такі симулятори можуть застосовуватися при дистанційному навчанні, включатися до звичайного або електронного підручника, демонструватися на лекції чи практичних заняттях, бути частиною підготовки до проведення реальних лабораторних робіт. При створенні практикумів і окремих віртуальних симуляторів підтримка гуманітарних аспектів навчання повинна бути закладена в комплексну методологічну, апаратну і програмну підтримку комп’ютерного впровадження, а також мати тісний зв’язок з лекційними курсами. З лекційних курсів і спілкування з викладачем студент повинен знати свої завдання для реалізації названих підходів, а сама симуляція лабораторної роботи мати відповідні програмно-технічні можливості.

Для формування майбутніх спеціалістів або керівників різних рівнів, в будь якій галузі народного господарства потрібно навчити студента розв’язувати поставлені задачі виходячи з загальних принципів, від початку і до кінця, починаючи від постановки задачі, відбору різних методів і засобів досягнення мети і закінчуючи оцінкою кінцевого результату. Це можливе лише при порівнянні результатів різних підходів, варіації початкових параметрів задачі і співставлення отриманих результатів з відомими. Всі вищезгадані підходи можуть бути найбільш швидко і успішно реалізовані в курсах природничих і інженерних дисциплін, комп’ютерна підтримка яких легко реалізується з використанням алгоритмічних мов.

Симулятори лабораторних робіт створювались на базі автоматизованих лабораторних робіт з фізики напівпровідників [2]. Для розв’язку поставлених завдань було доопрацьоване їх програмне забезпечення, що включало два основних напрямки. Перший з них спирається на використання методу аналогій і сприяє розвитку асоціативного мислення. Для реалізації цього напрямку програма окремої роботи має можливості різних варіантів виконання. Студент, змінюючи параметри розрахунку, швидко отримує набір результатів в графічній і аналітичній формах і, надалі, порівнюючи їх між собою знаходить в них спільні риси і відмінності. Отримуючи проміжні результати в графічній чи аналітичній формах, і надрукувавши їх, подальший аналіз проводиться „вручну”, з використанням калькулятора по спрощених формулах. В цьому випадку студент має знайти відмінності між точним розв’язком рівняння і самостійно зробленими оцінками, оцінити точність проміжних результатів. Другою можливістю є варіація експериментальних даних, що використовуються, їх штучне створення, в тому числі, з свідомо введеними помилками або даних, що відповідають реально неіснуючим умовам чи матеріалам. Надалі студент має можливість порівняти свої результати з відомими з літературних джерел. Разом це безпосередньо вмикає творчі можливості студента і змагальну мотивацію до виконання роботи.

Програмне забезпечення симуляторів розроблено для роботи під оболонкою „Windows” з використанням сучасних алгоритмічних мов програмування С++ і Microsoft Visual. Програми мають невеликий об’єм (до 3-5мбайт) і створені у вигляді готового до використання .ехе-файлу. Файли даних представлені у вигляді текстових файлів в форматі .txt.

Інтерактивні інтерфейси користувача виконані з урахуванням основних вимог стандартів фірми „Mіcrosoft”. Вони є інтуїтивно зрозумілими і, практично, не потребують часу на їх вивчення, за умови знання студентом ходу і мети лабораторної роботи. Побудова інтерфейсів сприяє освоєнню фізичної суті процесів, що вивчаються і дає підказки в послідовності проведення роботи.

Програмне забезпечення дозволяє в інтерактивному режимі проводити обробку експериментальних даних безпосередньо після вимірювань, або після завантаження файлу експериментальних даних з існуючої бази. Завантаження даних може здійснюватись як основною програмою вимірювань, так і спеціальною програмою обробки. Іінтерфейс користувача програми обробки є ідентичним інтерфейсу основної програми. Це дозволяє проводити дослідження реальних напівпровідникових структур, пластин кремнію та інших об’єктів вимірювань (з використанням отриманих експериментально і зчитаних з бази даних характеристик), або в режимі повної симуляції (з використанням тільки зчитаних з бази даних характеристик). Програма обробки даних складена таким чином, що може бути легко доповнена новими методами аналізу, можливе їх доопрацювання для використання в лабораторних роботах по іншим спеціалізаціям, в тому числі і з гуманітарних дисциплін, де необхідно проведення розрахунків, наприклад, в соціології. В останньому випадку необхідна також переробка інтерфейсу користувача.

Наведемо основні можливості програмного забезпечення розроблених симуляторів:

1. Відкриття файлів даних, запам’ятовування результатів обчислень і набору параметрів, що використовувались при їх проведенні. Вихідні дані для обчислень можуть бути взяті з результатів реальних експериментів, або створені штучно у відповідності до завдань що вирішуються. Зазначимо, що за умови наявності відповідного обладнання створене програмне забезпечення дозволяє реальне проведення кожної лабораторної роботи.

2. Встановлення режимів (автоматичний, ручний, покроковий) і настройок (ведення величин параметрів, кількість кроків експерименту або діапазон змін вимірюваних величин, тощо) проведення експерименту.

3. Побудова експериментальних залежностей в реальному часі в процесі симуляції роботи.

4. Розрахунки, побудова необхідних графіків.

5. Створення і друк заключного звіту.

6. Можливість обробки даних в іншій програмній оболонці, наприклад „Origin”, „Еxсel”.

Перелік створених автоматизованих лабораторних робіт і їх симуляторів включає „Вимірювання контактної різниці потенціалів безконтактним методом Кельвіна”, „Вимірювання часу життя неосновних носіїв заряду методом зміни опору”, “Дослідження вольт-фарадних характеристик контакту метал-напівпровідник з бар’єром Шотткі”, “Дослідження МДН–структур”, “Визначення параметрів глибоких центрів напівпровідника методом релаксаційної спектроскопії”.

1. Жарких Ю.С., Рудник Ю.Н., Третяк О.В. Программные средства для компьютерных технологий в образовании. Новий Колегіум, 2002, №1, с.41-45.

2. Жарких Ю.С., Лисоченко С.В., Третяк О.В., Шкавро А.Г., Бунак С.В., Плахотнік А.В., Погорілий В.М. Універсальні вимірювально-керуючі комплекси. Вестник НТУ «ХПИ», 2005, №35, с.85-93.