Компьютер как средство управления экспериментом системы сбора и обработки данных

Обновлено: 04.07.2024

Компьютер как средство автоматизации информационных процессов

Данные, программы, компьютер как средство автоматизации информационных процессов, компьютер как средство информационных и телекоммуникационных технологий, функциональные устройства компьютера и их взаимосвязь, локальные и глобальные компьютерные сети

Компьютер является современным средством автоматизации информационных процессов. Использование компьютерных сетей для управления информационными процессами на различных расстояниях позволяет говорить о компьютере как о средстве телекоммуникационных технологий. Следовательно, компьютер является средством информационных и телекоммуникационных технологий.

Компьютер используется для работы с различными видами информации: числовой, текстовой, графической, звуковой. Эта информация должна быть представлена в виде специальных сигналов. Информацию, представленную в компьютере в виде сигналов, называют данными. Данные хранятся, обрабатываются и передаются в компьютере в двоичном коде (нет сигнала — 0, есть сигнал — 1). Таким образом, чаще всего данные закодированы в виде последовательности нулей и единиц.

Данные — информация, представленная в виде сигналов, пригодных для ее хранения, обработки и передачи с помощью компьютера.

Компьютер работает с данными автоматически. Для этого человек заранее продумывает последовательность действий (команд), которую необходимо выполнить в процессе работы с данными. Говорят, что в этом случае человек составляет программу, с помощью которой осуществляется автоматическое управление всеми действиями компьютера. Так же как и данные, программы хранятся, обрабатываются и передаются в компьютере в виде двоичных сигналов.

Программа — последовательность команд, которую необходимо выполнить при работе с данными для автоматизации информационных процессов.

Основой конструкции современного компьютера являются электронные компоненты (микросхемы). В будущем с изобретением новых технологий возможно создание компьютеров, базирующихся на других физических принципах (например, квантовых или биоэлектронных).

Компьютер является универсальным средством автоматизации информационных процессов. Универсальность компьютера заключается в автоматизации информационных процессов, составляющих основу информационной деятельности человека: обработки, хранения и передачи информации. Универсальность компьютера проявляется не только в возможности выполнения различных операций с данными одного типа, но и в возможности работы с данными различных видов, таких как текст, числа, графика или звук.

Компьютер — универсальное программно-управляемое электронное устройство, предназначенное для автоматизации информационных процессов.

Компьютер представляет собой единство аппаратных и программных средств, неразрывно связанных между собой и не функционирующих друг без друга. Примечательно, что автоматизация информационных процессов с помощью компьютера невозможна без протекания информационных процессов внутри компьютера.

Термин «компьютер» в переводе с английского языка означает «вычислитель». Однако способность производить вычисления — далеко не основное предназначение современных компьютеров. С их помощью автоматизируются различные операции с данными различных видов, решаются самые разнообразные информационные задачи. При решении таких задач вычислительный характер носят лишь информационные процессы, происходящие внутри компьютера и остающиеся незаметными для человека. Популярность термина «компьютер» обусловлена его международным использованием и удобством для образования новых понятий (например, компьютеризация, компьютерная грамотность).

Поскольку компьютер изначально создавался людьми для автоматизации информационных процессов, традиционно свойственных человеку, то в компьютере можно выделить функциональные устройства, выполняющие информационные функции по аналогии с человеком (табл. 19).

ВЗАИМОСВЯЗЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ, СВОЙСТВЕННЫХ ЧЕЛОВЕКУ, И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ КОМПЬЮТЕРА

В состав ССД могут входить фильтры нижних частот (ФНЧ), нормирующие усилители (НУ), аналоговый мультиплексор (MUX), устройство выборки и хранения (УВХ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микроконтроллер (МК). Некоторые типы ССД содержат программируемый усилитель после мультиплексора, что позволяет перестраивать диапазон измерений. Наиболее распространенная структура ССД представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема ССД

ССД используются в различных областях, таких как прецизионные низкочастотные измерения, акустика, а также в высокоскоростных измерениях. Несмотря на близкую структуру, в зависимости от области применения к ССД, к ним могут предъявляться различные требования. В некоторых случаях используются и другие структуры ССД, Например, структура с несколькими УВХ (рисунок 2а). Эта структура используется, когда необходимо произвести выборку значений двух или большего числа сигналов точно в один и тот же момент времени (одновременная выборка).

Структура с параллельно работающими АЦП (рисунок 2б) используется, когда преобразование всех сигналов должно проходить максимально быстро и в один и тот же момент времени. Наличие отдельного АЦП для каждого канала позволяет реализовать более высокую частоту дискретизации в расчете на канал. Такая структура чаще всего используется в системах контроля качества электросетей, управления двигателем и т.д. Обе структуры ССД, изображенные на рисунке 2, используются в приложениях, где разность фаз выборки сигналов, возникающая из-за задержки преобразования, ведет к появлению методической погрешности.

Рис. 2. Структуры ССД

В настоящее время существуют два основных подхода к проектированию современных систем сбора данных: построение ССД с использованием дискретных компонентов и построение ССД с использованием технологий систем на кристалле.

Первый подход является наиболее сложным способом разработки ССД. Он требует обоснованного выбора элементной базы, схемотехнических решений и конструкции печатной платы. Этот подход предполагает создание макетного образца и проведение испытаний, что увеличивает сроки и стоимость разработки. Для всего перечисленного необходимы высокая квалификация разработчика, а также достаточно большие временные и экономические затраты. Тем не менее, построение ССД на дискретных компонентах необходимо для решения узкоспециализированных задач. Это целесообразно в случаях, когда для решения задачи не существует специализированных систем на кристалле или готовых интегральных ССД.

Компания Maxim выпускает значительное количество высокоинтегрированных компонентов с уникальными характеристиками для построения современных ССД. В номенклатуре выпускаемой ею продукции есть компоненты для реализации любого узла ССД, такие как датчики физических величин, интегральные фильтры, операционные и инструментальные усилители, цифровые и аналоговые мультиплексоры, устройства выборки и хранения, источники опорного напряжения, программируемые усилители, аналого-цифровые преобразователи, микроконтроллеры и т.д.

Интегральные схемы фильтров

Усиление и нормирование сигнала

Схема усиления и нормирования сигнала предназначена для согласования уровня напряжения выходного аналогового сигнала датчика к полному диапазону АЦП, что снижает погрешность преобразования АЦП. Подбирая операционные усилители для работы в составе той или иной ССД, помимо метрологических характеристик, таких как напряжение, смещение, температурный и временной дрейф напряжения смещения, КОСС, коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, необходимо внимательно анализировать и шумовые характеристики ОУ (см. таблицу 1).

Таблица 1. Операционные усилители компании MAXIM

Для приложений, особенно критичных к уровню шума, необходимо использование таких малошумящих ОУ, как, например, MAX9632. Это малошумящий операционный усилитель с ультранизким уровнем входных шумов (порядка 0,94 нВ/√Гц) и напряжения смещения (125 мкВ) в широком диапазоне питающих напряжений (до 36 В).

Рис. 3. Пример применения ОУ MAX44251 совместно c 24-разрядным АЦП серии MAX112хх

Для задания коэффициента усиления удобно использовать интегральные делители напряжения MAX5490/1/2. Использование интегральной резисторной цепочки серии MAX549x (рисунок 4) поможет снизить габаритные размеры и повысить стабильность аналоговой схемы. Прецизионные резистивные делители семейства MAX549х состоят из двух точно согласованных резисторов с тремя классами согласования: 0,035% (класс A), 0,05% (класс B) и 0,1% (класс C). Температурный дрейф коэффициента деления чрезвычайно низок и не превышает 2 ppm/°С.

Рис. 4. Применение прецизионной цепочки резисторных делителей MAX5491

Аналоговые мультиплексоры

Устройство выборки/хранения

УВХ предназначено для уменьшения погрешности в выходном сигнале преобразователя, связанной с неопределенностью значения входного сигнала в течение времени преобразования при очень быстром его изменении. УВХ нужны также для многоканальных систем сбора данных, где они обеспечивают хранение выборки для выполнения преобразования по одному каналу, в то время как мультиплексор переключается на другой канал. Использование УВХ позволяет свести к минимуму апертурную погрешность. Основными критериями, предъявляемыми к устройствам выборки/хранения, являются скорость выборки, период удержания сигнала, потребляемая мощность и габаритные размеры.

Аналого-цифровые преобразователи

Компания Maxim выпускает широкую номенклатуру АЦП (таблица 2), из которой можно выбрать преобразователь для применения практически в любом приложении.

Таблица 2. Пример АЦП компании Maxim

Наименование	Разрешение, бит	Кол-во преобр/с	Кол-во входов	Потребляемая мощность, мВт	Интерфейс
MAX11201	24	120	1 диф	300 мкА	2-WIRE SERIAL
MAX11202/08/12/05	24/20/18/16	120	1 диф	300 мкА	2-WIRE SERIAL
MAX11200/07/11/03	24/20/18/16	480	1 диф	300 мкА	SPI, QSPI™, MICROWIRE™
MAX11210/06/09/13	24/20/18/16	480	1 диф	300 мкА	SPI, QSPI™, MICROWIRE™
MAX11040K/60	24/16	до 64K	4 диф	36 мА, 3,3 В	SPI-/QSPI-/MICROWIRE-/DSP-Compatible 4-Wire Serial Interface
MAX11044/5/6 MAX11054/5/6	16 14	250К	4/6/8	50 мА	16-Bit/14-Bit, High-Speed, Parallel Interface

АЦП семейства MAX112xx с одинаковым функциональным набором, но разными разрешающими способностями, полностью совместимы, что позволяет оптимизировать состав измерительного тракта. Легко повысить метрологические характеристики системы, заменив АЦП с более низкой разрешающей способностью на АПЦ с большей, не переделывая при этом печатную плату. Кроме того, это позволяет разработчику легко перейти с младшей модели преобразователя на старшую без временных затрат на освоение. Перечисленные достоинства, а также рекордно низкая потребляемая мощность (до 300 мкА максимум), миниатюрные габаритные размеры (корпуса QSOP) и низкая стоимость позволяют реализовать ССД с оптимально подобранным и настроенным АЦП в каждом канале для преобразования требуемого сигнала без существенного увеличения себестоимости, потребления и габаритных размеров всей системы. Или повысить универсальность системы сбора данных.

Как и семейство MAX112xx , изделия серии MAX11040K/60 полностью совместимы друг с другом, что позволяет легко взаимозаменять MAX11040K и MAX11060 для достижения оптимальной разрешающей способности.

Наиболее прогрессивным перспективным способом является построение ССД с применением систем на кристалле. Для большинства современных задач существуют готовые решения, выполенные в виде систем на кристалле. Использование таких систем позволяет снизить временные и экономические затраты, а, следовательно, и себестоимость ССД. Использование систем на кристалле упрощает построение всей ССДпо сравнению с построением отдельно взятого тракта обработки аналогового сигнала на отдельных компонентах.

Системы прецизионного нормирования, обработки и преобразования сигналов с датчиков физических величин

Эти устройства позволяют упростить структуру ССД, исключив схемы усиления и нормирования, построенные на операционных и измерительных усилителях (см. таблицу 3).

Таблица 3. Пример специализированных решений для обработки сигналов с датчиков физических величин

Наименование	Описание
MAX1452	Устройство предварительной обработки сигнала с тензометрического преобразователя
MAX1454	Прецизионная схема предварительной обработки сигнала с тензометрического преобразователя
MAX1464	Многоканальная малошумящая схема предварительной обработки сигналов датчиков с низким энергопотреблением
MAX1402	Преобразователь сигнала резистивного датчика температуры
MAX31855	Преобразователь термопары схемой компенсации температуры холодного спая

Так, например, MAX1454 представляет собой прецизионную, надежную, устойчивую к отказам высокоинтегрированную схему предварительной обработки сигнала. В ее состав входят все необходимые аналоговые узлы, обеспечивающие усиление, калибровку и температурную компенсацию входного сигнала и не вносящие при этом шумы квантования. Смещение нуля, установка рабочего диапазона напряжений и калибровка производятся с помощью встроенного 16-битного ЦАП, что обеспечивает легкость замены датчиков. Наличие защиты от перегрузки и переполюсовки по входу в пределах до 45 В, ограничения выходного тока и схемы обнаружения неисправности первичного преобразователя позволяют создать высоконадежное измерительное устройство.

АЦП с функционалом систем сбора данных

Рис. 5. Структурная схема АЦП семейства MAX11044/5/6 и MAX11054/5/6

На базе MAX1400/1/2/3 можно построить высокопрецизионную законченную промышленную систему сбора данных с использованием минимального набора внешних компонентов. MAX1400/1/2/3 по своей структуре представляет систему сбора данных (рисунок 6). Это дельта-сигма АЦП с высокой разрешающей способностью и малым потреблением. MAX1400 содержит на борту аналоговый мультиплексор, программируемый малошумящий усилитель (PGA), источник тока для детектирования неисправности первичного преобразователя, ЦАП для формирования смещения входного сигнала, цифровой фильтр.

Рис. 6. Структурная схема MAX1400

Интегральные системы сбора данных

Таблица 4. Пример интегральных систем сбора данных

Наименование	Функциональное назначение	Отличительные особенности
MAX1358B	Система сбора данных	Богатый набор периферийных модулей
MAX1407/8/9/14	Система сбора данных	Небольшие габаритные размеры, малое потребление
78M6618	Система на кристалле для счетчиков электроэнергии	Содержит микропроцессорное ядро

Говоря о готовых системах сбора данных, нельзя не упомянуть о семействе 78М66хх. Эти системы на кристалле предназначены для измерения потребления по электросетям. Устройства содержат все необходимые периферийные модули для реализации задач такого рода. Стоит отметить то, что если метрологические характеристики и быстродействие данного семейства позволяют, его можно использовать как систему сбора данных на одной микросхеме. 76M6618 содержит 21-битный дельта-сигма АЦП, встроенный ИОН, датчик температуры. Встроенное процессорное ядро 8051 позволяет реализовать сбор и первоначальную обработку непосредственно на одном кристалле.

Заключение

В данной статье приведена лишь небольшая часть компонентов, на которых можно реализовать системы сбора данных. Набор компонентов, выпускаемых для каждого узла, намного больше, и выбирать компонент для реализации того или иного узла необходимо, опираясь на технические требования, предъявляемые к проектируемой системе сбора данных.

Необходимо подготовить реферат с презентацией и докладом на одну из предложенных тем: 1)Предметная область мультимедиа-технологии. 2)Компьютер как средство управления экспериментом, системы сбора и обработки данных. Есть все методички, рекомендуемая литература, журналы, статьи.

Это место для переписки тет-а-тет между заказчиком и исполнителем.
Войдите в личный кабинет (авторизуйтесь на сайте) или зарегистрируйтесь, чтобы
получить доступ ко всем возможностям сайта.

Закажите подобную или любую другую работу недорого

Вы работаете с экспертами напрямую,
не переплачивая посредникам, поэтому
наши цены в 2-3 раза ниже

Последние размещенные задания

Решить РГР по механике

Решение задач, Механика

Срок сдачи к 23 нояб.

Задача 21 Теоретические вопросы 34,7,46,18,49

Контрольная, налоговое право

Срок сдачи к 26 нояб.

Сочинение по творчеству Н. А. Некрасова

Срок сдачи к 21 нояб.

Моделирование экологических систем

Решение задач, Алгоритмы и структуры данных

Срок сдачи к 24 нояб.

Две задачи по электротехнике, с примером решения

Решение задач, Электротехника

Срок сдачи к 23 нояб.

80% антиплагиата, к указанному сроку можно прислать ещё наработки

Курсовая, Комплектование, учёт и хранение музейных фондов

Срок сдачи к 26 нояб.

Написать курсовую работу по программированию на языку программирования Питон

Срок сдачи к 23 нояб.

Решить практикум по философии ,5 заданий

Срок сдачи к 1 дек.

Контрольная работа письменная

Контрольная, Метрология и технические измерения

Срок сдачи к 1 дек.

Здравствуйте, хотелось бы узнать сколько будет стоить решение шести.

Решение задач, Физика

Срок сдачи к 25 нояб.

Срок сдачи к 23 нояб.

Кросскультурные исследования восприятия

Срок сдачи к 21 нояб.

Ответы на билеты и тесты сделать до 22.11

Срок сдачи к 22 нояб.

Роль кредитов в экономике

Срок сдачи к 21 нояб.

Решить задачи (6 вариант) если требует вариант и + эссе ( надо выполнить 1,2,3,3А ,4,5 и эссе)

Решение задач, Макроэкономика

Срок сдачи к 23 нояб.

Можно от руки и фото

Решение задач, БЖД

Срок сдачи к 24 нояб.

Контрольная, Техническое обслуживание и ремонт автомобильных двигателей

Срок сдачи к 2 дек.

нужно решить только 15 вариант

Решение задач, Алгебра

Срок сдачи к 22 нояб.

Спасибо,все выполнено хорошо. Быстро и качественно. Все оговаривалось и выслушивались все . Работа выполнена досрочно и высоко оценена преподавателем! Спасибо огромное! Очень довольн. работа выполнена отлично, спасибо большое за выдержанные сроки, очень рекомендую, ответств. Спасибо большое за подбор материала, все выполнено грамотно и в кратчайшие сроки! Спасибо,все выполнено хорошо. Быстро и качественно. Все оговаривалось и выслушивались все мои нелепые вопросы ) Работа выполнена досрочно и высоко оценена преподавателем! Спасибо огромное! Очень довольна! Буду обращаться еще! работа выполнена отлично, спасибо большое за выдержанные сроки, очень рекомендую, ответственный исполнитель! Спасибо большое за подбор материала, все выполнено грамотно и в кратчайшие сроки!

обратился к нам
за последний год

работают с нашим сервисом

заданий и консультаций

выполнено и сдано
за прошедший год

Сайт бесплатно разошлёт задание экспертам.
А эксперты предложат цены. Это удобнее, чем
искать кого-то в Интернете

Отклик экспертов с первых минут

С нами работают более 15 000 проверенных экспертов с высшим образованием. Вы можете выбрать исполнителя уже через 15 минут после публикации заказа. Срок исполнения — от 1 часа

Цены ниже в 2-3 раза

Вы работаете с экспертами напрямую, поэтому цены
ниже, чем в агентствах

Доработки и консультации
– бесплатны

Доработки и консультации в рамках задания бесплатны
и выполняются в максимально короткие сроки

Гарантия возврата денег

Если эксперт не справится — мы вернем 100% стоимости

На связи 7 дней в неделю

Вы всегда можете к нам обратиться — и в выходные,
и в праздники

Эксперт получил деньги за заказ, а работу не выполнил?
Только не у нас!

Деньги хранятся на вашем балансе во время работы
над заданием и гарантийного срока

Гарантия возврата денег

В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем
возврат полной уплаченой суммы

Разместите заказ и получите
предложения с ценами
экспертов Получите положительную оценку,
оплатите работу
и оставьте
отзыв
эксперту

Поможем вам со сложной задачкой

С вами будут работать лучшие эксперты.
Они знают и понимают, как важно доводить
работу до конца

С нами с 2017
года

Помог студентам: 10 996 Сдано работ: 10 996
Рейтинг: 82 314
Среднее 4,94 из 5

С нами с 2018
года

Помог студентам: 7 634 Сдано работ: 7 634
Рейтинг: 69 528
Среднее 4,87 из 5

С нами с 2019
года

Помог студентам: 2 422 Сдано работ: 2 422
Рейтинг: 26 260
Среднее 4,84 из 5

Обращайте внимание на отзывы и рейтинг исполнителя

С нами с 2018
года

Помог студентам: 2 081 Сдано работ: 2 081
Рейтинг: 13 082
Среднее 4,87 из 5

1. Сколько стоит помощь?

Цена, как известно, зависит от объёма, сложности и срочности. Особенностью «Всё сдал!» является то, что все заказчики работают со экспертами напрямую (без посредников). Поэтому цены в 2-3 раза ниже.

Специалистам под силу выполнить как срочный заказ, так и сложный, требующий существенных временных затрат. Для каждой работы определяются оптимальные сроки. Например, помощь с курсовой работой – 5-7 дней. Сообщите нам ваши сроки, и мы выполним работу не позднее указанной даты. P.S.: наши эксперты всегда стараются выполнить работу раньше срока.

3. Выполняете ли вы срочные заказы?

Да, у нас большой опыт выполнения срочных заказов.

4. Если потребуется доработка или дополнительная консультация, это бесплатно?

Да, доработки и консультации в рамках заказа бесплатны, и выполняются в максимально короткие сроки.

5. Я разместил заказ. Могу ли я не платить, если меня не устроит стоимость?

Да, конечно - оценка стоимости бесплатна и ни к чему вас не обязывает.

6. Каким способом можно произвести оплату?

Работу можно оплатить множеством способом: картой Visa / MasterCard, с баланса мобильного, в терминале, в салонах Евросеть / Связной, через Сбербанк и т.д.

7. Предоставляете ли вы гарантии на услуги?

На все виды услуг мы даем гарантию. Если эксперт не справится — мы вернём 100% суммы.

В настоящее время культура получения информации становится частью общей культуры человека. Для успешного использования учащимися современных информационных технологий необходимо развитие системного мышления учащихся и освоение ими фундаментальных понятий информации, объекта, модели и системы, используемых во всех сферах информационной деятельности человека [3, с. 9; 4, с. 21].

Задача учителя — научить обучаемого за определённый промежуток времени освоить и преобразовать определённый объём информации, чтобы затем использовать в практической деятельности. Учитель при решении этой непростой задачи может сочетать традиционные методы обучения и современные информационные технологии, в том числе компьютерные. Использование компьютера позволяет сделать процесс обучения мобильным, дифференцированным и индивидуальным.

Информационные технологии — это широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям управления и обработки данных, а также создания данных. Любая педагогическая технология — это информационная технология, так как основу технологии процесса обучения составляют получение и преобразование информации. Как правило, под новыми информационными технологиями обучения понимают компьютерные технологии обучения, предполагающие процесс подготовки и передачи информации учащемуся, средством осуществления которых является компьютер.

Развитие общества приводит к изменению целей физического образования, от которых зависит его содержание, то есть то, чему нужно учить на уроках физики. От целей обучения и содержания курса физики зависят методы, средства и формы обучения — то, как нужно учить физике. Например, одной из целей обучения физике является формирование исследовательских экспериментальных умений. В связи с этим в содержание курса физики включены экспериментальные работы, используется исследовательский метод обучения, определены средства обучения и индивидуальная форма организации учебной деятельности [2, c . 7]. Средства, методы и формы обучения составляют технологию обучения. В структуре техники и методики учебного физического эксперимента можно выделить следующие взаимосвязанные элементы: технические средства обучения, техника экспериментирования, методика организации восприятия учебного физического эксперимента и методика его использования при обучении [1, с. 19].

В то же время следует уточнить, что принцип свободы экспериментирования представляет собой формулировку некоторого идеала экспериментальной познавательной деятельности, на самом деле субъект научного исследования никогда не обладал и не будет обладать абсолютной свободой экспериментирования. Существует целый ряд существенных ограничений возможностей экспериментальной деятельности. Некоторые из них обусловлены недостаточным уровнем развития техники или научного знания и исчезают в процессе развития техники и технологии, производственной и научной практики. Это означает, что эксперименты, технически невозможные ранее, становятся возможными сейчас, — современная компьютерная техника позволяет существенно расширить границы учебного физического эксперимента. Например, изучение быстропротекающих процессов в режиме реального времени становится возможным благодаря наличию мощных средств визуализации современных компьютеров и применению технологии цифровых измерений.

Итак, одно из основных направлений использования компьютера при обучении физике — его работа в соединении с экспериментальными установками. В этом случае он может фиксировать экспериментальные данные и автоматизировать управление экспериментом. Компьютерная установка избавит (если это необходимо, например, при демонстрациях опытов) от большого числа однообразных простейших измерительных операций, позволит обеспечить визуализацию результатов экспериментального исследования в реальном времени, автоматизацию и высокую точность математических вычислений, сохранение результатов на электронном носителе информации. Целесообразно использовать компьютер и по той причине, что сам он представляет безусловный интерес для учащихся, особенно в том случае, когда он применяется в сочетании с другой экспериментальной техникой.

Для того чтобы представить в наглядном виде информацию об измеряемой аналоговым датчиком физической величине на экране компьютера, необходим измерительный комплекс, включающий, кроме датчика измеряемой физической величины, компьютер, устройство сопряжения датчика с компьютером и программное обеспечение (рис. 1). В случае применения цифрового датчика в устройстве сопряжения нет необходимости (рис. 2).

В простейшем случае устройство сопряжения представляет собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее напряжение на выходе аналогового датчика в двоичный код, «понятный» компьютеру. Если сигнал с датчика очень слабый (например, если датчиком является термопара), то в этом случае в состав устройства сопряжения может входить усилитель сигнала датчика. Таким образом, функционально аппаратная часть измерительного комплекса состоит из измерителя (датчика) физической величины, преобразующего ее в электрическое напряжение (в случае аналогового датчика) или цифровой код (в случае цифрового датчика), цифрового измерителя напряжения на выходе аналогового датчика (только в случае использования аналогового датчика) и показывающего устройства (компьютера).

Использование компьютера в качестве показывающего устройства (ясно, что вместо компьютерного дисплея могут использоваться телевизор, проектор или интерактивная доска, если в этом есть необходимость) является наиболее оптимальным вариантом с точки зрения улучшения дидактических характеристик учебного измерителя физических величин по сравнению с другими (стрелочными измерителями, измерителями с жидкокристаллическими или светодиодными индикаторами и т. п.). В этом случае можно эффективнее управлять процессом измерения, его визуализацией и вниманием учащихся.

Технические средства учебного физического эксперимента выполняют обучающую функцию тогда, когда их применяет учитель, владеющий техникой экспериментирования — приемами обращения с физическим оборудованием. Чем выше уровень техники экспериментирования, тем эффективнее влияние физических опытов на процесс усвоения физических знаний. Содержание этого элемента методики и техники учебного эксперимента в нашем случае составляют следующие компоненты: сборка и налаживание компьютерных экспериментальных установок; приведение их в действие; обеспечение успешного протекания физического процесса и его наблюдения с помощью информационных компьютерных технологий; прекращение опыта в нужный момент; полное соблюдение требований техники безопасности.

Если рассматривать методику организации восприятия физического эксперимента учащимися как совокупность методов и приемов, обеспечивающих ее высокую эффективность, то можно выделить наглядность эксперимента, научную организацию эксперимента, управление восприятием обучаемых в процессе физического эксперимента.

При проведении опытов на уроках физики основная задача учителя — правильно организовать наблюдение изучаемого явления или процесса. В данном случае наблюдение — это система фиксации и регистрации свойств и связей изучаемого объекта в искусственном, специально организованном эксперименте. Эта система связана с восприятием непосредственно или опосредованно, так как отражает объективные связи и отношения окружающего нас мира. Наблюдение предполагает наличие некоторого наблюдаемого объекта и воспринимающего его субъекта, который осуществляет наблюдение в конкретных условиях места и времени, а также специальных средств наблюдения (в нашем случае компьютерных средств), назначение которых состоит в том, чтобы компенсировать природную ограниченность органов чувств человека, повысить точность и объективность результатов наблюдения.

Познавательные возможности наблюдения зависят от характера и интенсивности чувственного восприятия особенностей объекта наблюдения, условий наблюдения, совершенства измерений. При условиях, созданных с помощью учебных компьютерных установок, этот метод обеспечивает достаточно обширную и разностороннюю информацию для изучения новых для учащихся фактов и формирования знаний. В этом случае можно эффективно реализовать фиксацию и регистрацию информации; возможность на базе известной теории провести классификацию научных фактов (с учетом новизны зафиксированных фактов; объема информации, содержащейся в фактах; особенностей свойств и связей объекта исследования); сравнение зафиксированных фактов с фактами, известными науке, и с фактами, характеризующими другие, подобные системы. На основе реализации этих функций могут быть сформулированы рабочие гипотезы учащихся.

Для решения учебно-воспитательных задач учителю физики недостаточно приобрести или изготовить технические средства, овладеть приемами экспериментирования и создать условия для оптимального восприятия эксперимента учащимися. Важно обеспечить такое практическое применение эксперимента в учебном процессе, которое бы позволило наилучшим образом решать эти задачи. Методика использования учебного физического эксперимента (совокупность методов и приемов практического применения учебного физического эксперимента в сочетании с другими методами обучения, позволяющими успешно решать учебно-воспитательные задачи) — еще один структурный элемент его методики и техники.

Учебный физический эксперимент на базе компьютерных установок может быть лабораторным и индивидуальным. Эксперимент — это система познавательных операций, которая осуществляется в отношении объектов, поставленных в такие специально созданные условия, которые должны способствовать обнаружению, сравнению, измерению объективных свойств, связей, отношений объектов и проверке истинности теории в отношении этих свойств, связей, отношений. Он предполагает вмешательство в естественные условия существования предметов и явлений или воспроизведение определенных сторон предметов и явлений в специально созданных условиях с цепью их изучения.

определение целей эксперимента и обоснование условий, которые способствовали бы наиболее полному и всестороннему проявлению свойств и связей системы;

разработка систем измерителей физических величин и других технических средств и устройств;

наблюдение, измерение, фиксирование обнаруженных свойств и связей, статистическая обработка результатов эксперимента;

предварительная классификация и сравнение статистических данных о результатах эксперимента;

Эффективность эксперимента в решающей степени определяется глубиной и всесторонностью обоснования условий проведения эксперимента и его целей.

Самостоятельное экспериментальное изучение объектов по сравнению с наблюдением опытов, демонстрируемых учителем, имеет ряд преимуществ. Характерная особенность учебного лабораторного эксперимента как специального метода учебного исследования физических объектов заключается в том, что он обеспечивает учащемуся возможность активного практического воздействия на изучаемые явления и процессы. Учащийся здесь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания. Он может осуществить такое вмешательство путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменить условия, в которых происходит этот процесс. И в том и в другом случае необходимо, чтобы результаты исследования точно фиксировались и контролировались средствами учебной экспериментальной техники. Компьютерная техника подходит в этом случае лучше, чем какая-либо другая, так как обеспечивает необходимую точность измерений, визуализацию информации и ее сохранность.

проверочный эксперимент (необходим для эмпирической проверки той или иной гипотезы или теории);

качественный эксперимент, который проводится с целью выявления действия тех или иных факторов на исследуемый процесс без установления точной количественной зависимости между ними;

планирование и разработку последовательности этапов эксперимента;

проектирование эксперимента, включая проектирование имитационной обстановки и экспериментальной установки, проектирование сбора и обработки информации, включающей аппаратные и программные средства компьютера;

обработку и анализ результатов эксперимента;

До тех пор, пока эксперименты были простыми с теоретической и технической точек зрения, проектирование объектов испытаний и планирование экспериментов осуществлялось эвристически. Развитие науки и техники, усложнение объектов и целей экспериментальных исследований привели к усложнению экспериментальной техники и методики ее использования при обучении. Отсюда следует, что для успешного освоения технологией компьютерных измерений учителю физики необходимо овладеть знаниями в области программирования и электроники, а также приобрести конструкторские умения, если он планирует самостоятельное изготовление компьютерных измерительных приборов. Это выведет его на новый уровень профессиональной компетентности, соответствующий современным требованиям системы физического образования.

Данилов О. Е. Теория и методика использования метода сканирования в учебном физическом эксперименте: Дис. … канд. пед. наук: 13.00.02 / О. Е. Данилов. — Глазов, 2005. — 207 с.

Каменецкий С. Е. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская; Под ред. С. Е. Каменецкого, Н. С. Пурышевой. — М.: Издательский центр «Академия», 2000. — 384 с.

Роберт И. В. Информационные и коммуникационные технологии в образовании: учебно-методическое пособие / И. В. Роберт, С. В. Панюкова, А. А. Кузнецов, А. Ю. Кравцова; Под ред. И. В. Роберт. — М.: Дрофа, 2008. — 312 с.

Читайте также: