| Среди интерактивных
средств обучения большую популярность получили программы, использующие
компьютерные симуляторы. В сочетании с традиционными способами подачи
учебного материала создание аутентичной среды обучения в симуляторе
увеличивает эффективность процесса обучения, поскольку предполагает
активное участие обучаемого лица в познавательном процессе.
Предлагаемое сообщение содержит краткое описание
проекта, реализуемого на физическом факультете МГУ. Виртуальный лазерный
практикум LaserLab предусматривает выполнение компьютерных
экспериментов, направленных на моделирование как отдельных эффектов
и явлений нелинейной оптики, так и методов лазерной спектроскопии.
Студенту предоставляется виртуальная экспериментальная установка,
состоящая из виртуальных приборов, с помощью которых в реальном времени
моделируется проведение лазерного эксперимента. В настоящее время
пилотная версия программы содержит несколько экспериментальных задач,
предназначенных для изучения явлений генерации второй гармоники, параметрической
генерации света, вынужденного комбинационного рассеяния и др.
Программа разрабатывалась в Asymetrix ToolBook
II (http://www.asymetrix.com)
с использованием оригинальных DLL и ActiveX компонентов и работает
под управлением ОС Windows 9x или NT. Интернет версия программы содержит
только отдельные задачи виртуального практикума и требует установки
у конечного пользователя специального расширения Neuron для программ
Web-броузеров, представляющего собой модифицированную run-time версию
ToolBook.
В наиболее полном виде LaserLab состоит из трех
функциональных частей.
- Оболочка менеджер, предлагающая стандартный
для обучающих программ набор функций - регистрация, контроль над
выполнением учебного плана и оценка знаний пользователя, организация
доступа к лабораторным работам и учебным ресурсам. Использующая
стандартный интерфейс с модулями-симуляторами оболочка позволяет
легко наращивать объем виртуального практикума.
- Виртуальная экспериментальная установка, состоящая
из виртуальных аналоговых и цифровых устройств, управляемых с помощью
манипулятора мышь. Органы управления виртуальными приборами созданы
на основе стандартных элементов Windows, для ввода аналоговой информации
используются специальные вращающиеся ручки или линейные движки.
Для смены образца или светофильтра из имеющегося набора используется
механизм drag-and-drop Windows.
- Ядро реального времени содержит программный
код, запускаемый по прерываниям таймера, поддерживающий обмен информацией
между отдельными виртуальными приборами и моделирующий отклик экспериментального
объекта на внешнее воздействие при всем многообразии условий проведения
эксперимента. Основная часть кода является объектно ориентированной
(насколько это позволяет ToolBook) и написана на языке OpenScript.
Критичные к скорости выполнения части программы реализованы в виде
внешних DLL.
Работы по реализации проекта LaserLab были начаты
с создания библиотеки виртуальных приборов, список которых постоянно
растет. К настоящему времени она содержит лазерные источники с блоками
питания, многочисленные активные и пассивные оптические и электронные
элементы, управляемые шаговыми двигателями механические оптические
столы с контроллерами, измерители мощности и системы регистрации,
самописцы и спектральные приборы, в общем, все, что позволяет быстро
создавать экспериментальные установки. Разработано "специальное"
оборудование для проведение экспериментов при низких температурах,
в сверхвысоком вакууме, электрохимических экспериментов.
Виртуальные приборы представляют собой группу
объектов ToolBook, расположенных на фоне изображения приборной панели.
Кнопки, переключатели, аналоговые и алфавитно-цифровые дисплеи виртуального
устройства определяют его интерфейс с пользователем LaserLab. Для
обмена данными между собой или с ядром симулятора используются доступные
как для чтения, так и для записи свойства виртуальных приборов, для
синхронизации и управления со стороны системы - специальные команды
и сообщения. Функции прибора определяются его OpenScript программой.
Виртуальная установка LaserLab является примером
распределенной вычислительной системы, предназначенной для моделирования
в реальном времени как физических явлений, так и работы аппаратуры,
необходимой для их наблюдения. Такая система описывается конечным
набором уравнений, зависящих от большого числа динамических переменных,
описывающих состояние физического объекта и отдельных элементов установки.
Параметрами уравнений в таком случае являются физические константы
и характеристики используемых приборов. Многие из констант, определяющих
алгоритмы работы приборов, доступны для редактирования, что позволяет
создавать целые семейства приборов на основе единого шаблона с помощью
загружаемых из внешних файлов профилей.
Одним из возможных направлений дальнейшего развития
системы может служить добавление в нее третьего виртуального компонента
- инструктора, способного в некоторых случаях брать на себя управления
виртуальной установкой подобно тому, как это делает пользователь,
сопровождая свои действия соответствующими комментариями (режим show
me). В режиме test me виртуальный инструктор может, не вмешиваясь
в процесс измерений, контролировать действия обучаемого, выделяя его
характерные ошибки. Использование такой программы-инструктора позволит
сочетать преимущества интерактивного обучения с использованием симуляторов
с достижениями современных теорий обучения.
Успешная разработка первой очереди практикума
LaserLab позволяет надеяться на возможность распространения этого
подхода к on-line обучению и на другие области экспериментальной и
теоретической физики, равно как и на другие естественные и технические
науки. |
