Использование программного пакета MATLAB при создании интерактивных лабораторных работ по физике

Одной из основных тенденций в развитии современного образования, не зависимо от его видов и форм, выступает повышение роли информационных технологий в процессе изучения множества дисциплин. Возрастающая важность инклюзивного и удаленного образования в условиях быстрого развития информационных технологий делает актуальным использование специализированного программного обеспечения, повышающего качество подачи учебного материала.

Важность большего вовлечения информационных технологий в учебный процесс связана и с необходимостью улучшения качества инклюзивного и удаленного обучения. Не имея возможности принимать непосредственное участие в практических занятиях, обучающиеся должны иметь возможность проходить учебную программу дистанционно, что, безусловно, ограничивает доступ к работе с реальным лабораторным оборудованием. В таком случае, использование программного обеспечения, которое помогает смоделировать реальный процесс, позволяет сгладить все трудности, связанные с невозможностью обучающегося присутствовать на занятиях. Это весьма важно, например, для жителей отдаленных населенных пунктов, для которых существует проблема ограничения доступа к учебным заведениям, из-за их удаленности, а также и для многих учебных заведений, имеющих мало оснащенные лабораторным оборудованием кабинеты или фактически отсутствующих лабораторий. Рассматриваемая проблема также очень актуальна и для обучающихся, находящихся на домашнем обучении, лиц с ограниченными возможностями здоровья.

Особую важность и актуальность получает использование информационных технологий в связи с изучением технических, физико-математических и естественнонаучных дисциплин, которые, зачастую, предполагают проведение сложно реализуемых на практике экспериментов и опытов. Зачастую не обладающие необходимым экспериментальным, измерительным и прочим узкоспециализированным оборудованием, учебные заведения школьного, среднего профессионального и высшего образования могут использовать компьютерные системы моделирования для того, чтобы решать всевозможные учебные задачи в широком спектре естественнонаучных и математических дисциплин.

Например, лабораторные работы по физике целесообразно организовывать в форме интерактивных лабораторных работ.

Интерактивная лабораторная работа – прогрессивная форма проведения учебных лабораторных занятий, суть которой заключается в замене лабораторного исследования с реальным оборудованием на математическое моделирование изучаемых физических процессов, подразумевающее виртуальное взаимодействие с лабораторным оборудованием. [2]

Широкие возможности виртуального моделирования можно продемонстрировать на примере создания интерактивной лабораторной работы в среде MATLAB.

MATLAB – пакет программного обеспечения, предназначенный для математического моделирования и решения технических задач. MATLAB, располагая обширным функционалом и вычислительными мощностями, способен справляться с большим количеством математических и технических задач. Данный пакет прикладных программ способен выполнять множество задач, связанных с моделированием, а потому разработка интерактивных лабораторных работ, предполагающих виртуальное изучение реальных физических процессов в среде MATLAB не составит труда.

В качестве примера реализации лабораторной работы по физике можно привести моделирование задачи контроля уровня воды в баке. В задаче объект управления представлен баком с водой, оснащенным двумя трубами. Через одну из труб вода подается в бак, через другую – вытекает. Подача воды в бак должна регулироваться в зависимости от скорости расхода воды. Задача в этом случае состоит в поддержании необходимого (изменяемого во времени) уровня воды на должном уровне путем регулирования объема подачи воды в бак.

Реализация данной системы на практике вряд ли возможна и целесообразна в учебном заведении. Однако, изучение процесса функционирования системы легкодоступно и удобно исследуется средствами моделирования MATLAB. Принимая вентиль подачи воды за регулирующий элемент и предполагая, что существует некий регулятор, агрегирующий данные об уровне воды и подающий управляющее воздействие на регулирующий элемент, можно описать условия изменения уровня подачи воды правилами нечеткой логики и построить блок-диаграмму модели экспериментальной установки (Рис. 1) [1, с. 235].

Рисунок 1. Блок-диаграмма экспериментальной установки в среде Simulink пакета MATLAB

Таким образом, результатом моделирования задачи будет график (Рис. 2), показывающий фактический и заданный уровень воды, на котором будет достаточно хорошо виден переходный процесс изменения уровня воды в баке. [1, с. 236] Благодаря средствам моделирования MATLAB можно подобрать такое управляющее воздействие, при котором переходный процесс будет сведен к минимуму, что представляет не только обучающую ценность, но и имеет большую важность в условиях реальных предприятий ввиду снижения издержек.

Рисунок 2. График изменения уровня воды в баке

Другим примером интерактивной лабораторной работы в среде MATLAB может служить задача моделирования качения шара по качели. Задача управления в данном случае состоит в том, чтобы поддерживать такое состояние качелей, при котором шар не смог бы скатиться с них.

Создав блок-диаграмму (Рис. 3) модели и запустив моделирование (Рис. 4), можно наглядно увидеть, как система подает управляющие воздействия на края качелей, подталкивая их и не позволяя шарику скатиться. Таким образом, в итоге получается модель, хорошо иллюстрирующая физические явления и вполне способная заменить собой реальный лабораторный опыт. Пакет MATLAB хорошо справляется и с более сложными процессами – как, например, имитация движения шара, отскакивающего от качелей (Рис. 5) [1, с. 240-242].

Рисунок 3. Блок-диаграмма установки с качелями в среде Simulink пакета MATLAB

Рисунок 4. Cимуляция опытной установки в среде MATLAB

Рисунок 5. Cимуляция процесса отскакивания шара от качелей

Приведенные выше примеры иллюстрируют простоту виртуального моделирования реальных физических процессов, реализация которых технически сложна в лабораторных условиях. Для большей наглядности на базе Камышинского технологического института (филиал) ВолгГТУ были выполнены лабораторные работы в классической и интерактивной форме. Например, в реальных лабораторных условиях и с помощью моделирования был поставлен опыт по изучению зависимости сопротивления металлов от температуры. По итогам сравнения подготовки и проведения обоих опытов было выявлено, что:

- Интерактивная лабораторная работа занимает меньше времени по сравнению с реальной;

- Виртуальная модель может быть использована вне реальной лаборатории в любое время, но необходим компьютер;

- Виртуальная модель установки не зависит от состояния реальных приборов.

Таким образом, интерактивные лабораторные работы открывают широкие возможности для изучения физических явлений и решения технических задач, в том числе задач управления. Программное обеспечение, предназначенное для математического моделирования реальных физических процессов, обладает большим потенциалом и широкими возможностями, позволяет решить большое количество экспериментальных и прикладных задач, способствует более наглядному представлению учебных материалов, повышает их доступность. Внедрение интерактивных лабораторных работ в учебный процесс полностью разрешает проблемы отсутствия реального лабораторного оборудования, невозможности проведения тех или иных опытов в лабораторных условиях, а также проблемы ограниченного доступа к учебному оборудованию ввиду тех или иных причин.

Можно с уверенностью сказать, что потенциал интерактивных лабораторных работ, конструируемых посредством пакетов моделирующего программного обеспечения, поистине безграничен.