Разработка программы "Вычислительная электронная лаборатория" по физике для раздела "Электричество и Магнетизм"

PageControl

Набор панелей с закладками. Каждая панель может содержать свой набор интерфейсных элементов и выбирается щелчком по связанной с ней закладке.

ImageList

Набор рисунков. Представляет собой хранилище для нескольких рисунков одинакового размера, например, пиктограмм для кнопок.

RichEdit

Многострочный редактор форматированного текста. В отличие от компонентаMemo может изменять такие характеристи текста как шрифт, цвет, выравнивание и т.д. (формат RTF).

TrackBar

Регулятор. Используется для управления значениями некоторых величин в программах. Например, с его помощью удобно изменять громкость звучания мультимедийных устройств.

ProgressBar

Индикатор процесса. С помощью этого компонента можно отображать ход исполнения достаточно длительного процесса, например, копирование данных.

UpDown

Цифровой регулятор. Две кнопки этого компонента служат для увеличения (верхняя) или уменьшения (нижняя) связанной с компонентом числовой величины. Для отображения этой величины умеет ассоциироваться с компонентом Edit.

HotKey

Управляющая клавиша. Компонент служит для ввода управляющих кодов, таких как F1, CTRL+Shift и т.д.

Animate

Мультипликатор. Предназначен для отображения движущихся изображений (видеоклипов). Имеет ограничение - не может сопровождать видеоклип звуком. Как и компонент ProgressBar, применяется в основном для сопровождения длительных процессов.

DateTimePicker

Селектор времени/даты. Этот компонент предназначен для ввода или отображения времени или даты.

MonthCalendar

Календарь. Служит для отображения календаря и выбора даты или диапазона дат.

TreeView

Дерево выбора. Представляет собой совокупность связанных в древовидную структуру пиктограмм. Обычно используется для просмотра структуры каталогов и других подобных элементов, связанных иерархическим образом.

ListView

Панель пиктограмм. Организует просмотр нескольких пиктограмм и выбор нужной. Компонент способен располагать пиктограммы в вертикальных или горизонтальных рядах и показывать их в крупном или мелком масштабе.

HeaderControl

Управляющий заголовок. Представляет собой горизонтальную или вертикальную полосу, разделённую на ряд смежных секций с надписями. Размеры секций можно менять на этапе работы программы. Обычно используется для изменения размеров столбцов или строк в разного рода таблицах.

StatusBar

Панель статуса. Предназначена для размещения разного рода служебной информации в окнах редактирования. Пример - нижняя часть рамки окна текстового редактора Word.

ToolBar

Инструментальная панель. Этот компонент служит контейнером для командных кнопок BitBtn и и способен автоматически изменять свои размеры и положение при добавлении или удалении кнопок.

CoolBar

Инструментальная панель. В отличие от ToolBar, используется как конейнер для размещения стандартных интерфейсных компонентов Windows, таких как Edit, ListBox, ComboBox и т.д.

PageScroller

Прокручиваемая панель. Служит для размещения узких инструментальных панелей. При необходимости автоматически создаёт по краям панели стрелки прокрутки.

Страница Win32

Эта страница содержит компоненты, представляющие собой интерфейсные элементы для 32-разрядных операционных систем Windows 95/98/NT (В версии системы Delphi 2 эта страница называлась Win95). Использующие эти компоненты программы выглядят в стилистике последних версий операционных системWindows.



Глава II. Разработка программы «Вычислительная электронная лаборатория» по физике для раздела «Электричество и Магнетизм»

Электронные лаборатории по физике (обзор: новизна, где применяются)

В настоящее время происходит стремительное развитие глобального процесса информатизации общества. При этом кардинальным образом изменяется вся информационная среда общества. Новые автоматизированные информационные технологии проникают практически во все сферы социальной практики и становятся неотъемлемой частью новой, информационной культуры человечества.

Дипломная работа посвящена разработке лабораторной работы по физике для применения в процессе преподавания физики как в школах и средне специальных учебных заведениях, так и в высших учебных заведениях. Насыщенность школ современной вычислительной техникой еще не приводит к большим переменам в образовании, если учитель не подготовлен ни психологически, ни профессионально к внедрению ЭВМ в его жизнь. В настоящее время накоплен большой опыт применения вычислительной техники в физических исследованиях, выработаны общие методические подходы решения основных физических проблем. Основным методом исследования вычислительной физики является компьютерный эксперимент, теоретической базой которого служит математическое моделирование, а экспериментальной базой - ЭВМ. Компьютерное моделирование интегрирует такие предметы, как теоретическая физика, численный анализ и программирование.

На сегодняшний день в процессе преподавания физики очень многие важные явления и опыты не могут быть реализованы в виде демонстраций в силу их сложности, а их объяснение требует от преподавателя больших "художественных возможностей". Именно поэтому появилась тенденция создания компьютерных программ для моделирования подобных процессов . Теперь преподаватель, заранее подобрав исходные данные, может по ходу объяснения демонстрировать все возможные варианты развития процесса не затрачивая массу времени на приемлемое изображение установки, самого эксперимента, сопутствующих графиков. Кроме того, такие программы могут быть также использованы в лабораторном практикуме с дополнительными заданиями разного уровня сложности, а в совокупности с прилагаемыми описаниями и для самостоятельного изучения материала.

Целями дипломной работы являлись:

исследование моделируемых процессов на предмет получения конечных аналитических решений, пригодных для создания на их основе демонстрационных программ, а в случае их отсутствия построение алгоритмов решения на основе численных методов;

создание демонстрационных программ на основе полученных решений;

создания лабораторных работ на основе разработанных программ и ряда разно уровневых заданий к ним;

апробация созданных лабораторных работ на физическом факультете.

Также позволяет:

в ряде случаев дать учащимся более полную и точную информацию об изучаемом явлении, с помощью компьютерной мультипликации (или компьютерного видео);

повысить наглядность, создать представления о механизме сложных явлений и тем самым облегчить учащимся их понимание;

ознакомить учащихся с характером быстро и медленно протекающих процессов, а также невидимых явлений;

познакомить учащихся с фундаментальными физическими экспериментами, постановка которых в классе затруднена или невозможна;

более успешно решать задачи политехнического образования, поскольку компьютерная анимация позволит дать представление о конструкции машин и механизмов и о физических принципах их работы, а также показать переход от принципиальной схемы того или иного технического устройства к её конкретному конструктивному решению;

проводить контроль знаний учащихся, учитывая их индивидуальные способности;

усилить воспитательное воздействие на учащихся.

Физический эксперимент на уроках физики формирует у учащихся накопленные ранее представления о физических явлениях и процессах, пополняет и расширяет кругозор учащихся. В ходе эксперимента, проводимого учащимися самостоятельно во время лабораторных работ, они познают закономерности физических явлений, знакомятся с методами их исследования, учатся работать с физическими приборами и установками, то есть учатся самостоятельно добывать знания на практике.

Но для проведения полноценного физического эксперимента, как демонстрационного, так и фронтального необходимо в достаточном количестве соответствующее оборудование. В настоящее время школьные лаборатории по физике очень слабо оснащены приборами по физике и учебно-наглядными пособиями для проведения демонстрационных и фронтальных лабораторных работ. Имеющееся оборудование не только пришло в негодность, оно также морально устарело и имеется в недостаточном количестве.

Применение только традиционной методики проведения физического эксперимента приводит к низкому уровню умений и практических навыков учащихся по физике. Ученики не умеют анализировать, понимать и интерпретировать графики и таблицы, полученные в ходе эксперимента, не умеют объяснять суть физических явлений, не понимают закономерности физических процессов, не умеют самостоятельно добывать нужную информацию из различных источников, в том числе электронных. Это влияет на формирование информационной компетентности и уровень обученности учащихся по физике.

Если проводить физический эксперимент и фронтальные лабораторные работы, используя виртуальные модели посредством компьютера, то можно скомпенсировать недостаток оборудования в физической лаборатории школы и, таким образом, научить учащихся самостоятельно добывать физические знания в ходе физического эксперимента на виртуальных моделях, то есть появляется реальная возможность формирования необходимой информационной компетентности у учащихся и повышения уровня обученности учащихся по физике.

Исторически сложилось так, что в первую очередь внедрение компьютерных технологий шло в области естественных наук, в частности на уроках физики. Формирование практических навыков учащихся по физике можно эффективно осуществлять, если в учебный процесс включить виртуальные версии школьного демонстрационного эксперимента. Виртуальная среда компьютера позволяет оперативно видоизменить постановку опыта, что обеспечивает значительную вариативность его результатов, а это существенно обогащает практику выполнения учащимися логических операций анализа и формулировки выводов результатов эксперимента.

Компьютерный эксперимент способен дополнить “экспериментальную” часть курса физики и значительно повысить эффективность уроков. При его использовании можно вычленить главное в явлении, отсечь второстепенные факторы, выявить закономерности, многократно провести испытание с изменяемыми параметрами, сохранить результаты и вернуться к своим исследованиям в удобное время. К тому же, в компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов. Данный вид эксперимента реализуется с помощью компьютерной модели того или иного закона, явления, процесса и т.д. Работа с этими моделями открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.

В большинстве интерактивных моделей предусмотрены варианты изменений в широких пределах начальных параметров и условий опытов, варьирования их временного масштаба, а также моделирования ситуаций, недоступных в реальных экспериментах.

Ещё один позитивный момент в том, что компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощенной теоретической модели, что позволяет быстро и эффективно находить главные физические закономерности наблюдаемого явления. Кроме того, учащийся может одновременно с ходом эксперимента наблюдать построение соответствующих графических закономерностей. Графический способ отображения результатов моделирования облегчает учащимся усвоение больших объемов полученной информации. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков. Также необходимо учитывать, что далеко не все процессы, явления, исторические опыты по физике учащийся способен представить себе без помощи виртуальных моделей. Интерактивные модели позволяют ученику увидеть процессы в упрощенном виде, представить себе схемы установок, поставить эксперименты вообще невозможные в реальной жизни.

Для проведения компьютерного эксперимента на уроках физики есть необходимая материальная база, которая позволяет широко использовать возможности по внедрению современных информационных технологий в образовательный процесс.

Применение компьютерных технологий позволяет преподавателю не только применять современные формы и методы обучения, но и помогает повысить скорость и точность сбора и обработки информации об успешности обучения учащихся, благодаря компьютерному тестированию и контролю знаний, позволяет вести экстренную коррекцию.

Приобщение учащихся к компьютерным технологиям облегчается тем, что современные ученики, студенты уже владеют пользовательскими навыками, так как большинство семей имеют компьютерную технику, нередко осуществляется выход в Интернет. Применение компьютерных технологий повышает и стимулирует интерес учащихся к получению новых знаний, активизирует мыслительную деятельность, благодаря интерактивности, позволяет эффективно усваивать учебный материал. Учащимся предоставляется возможность моделировать и визуализировать процессы, сложные для демонстрации в реальности, проводить самостоятельно исследовательский поиск материалов, опубликованных в Internet, для подготовки докладов и рефератов, тем самым развивать самостоятельность у учащихся, навыки самооценки. Обучение учащихся с помощью компьютерных технологий можно организовать индивидуально, разделять учебный материал по темпу его изучения, по логике и типу его восприятия учащимися. В отличие от таких привычных пассивных форм как лекция, просмотр видео и кинофильмов ученикам, пользователям компьютера, предлагается постоянное участие в происходящем, происходит приобщение и приучение их поисковой творческой деятельности, развивается воображение и модельное видение. Любая учебная компьютерная программа фактически является моделью, отображающей реальность в виртуальном мире. Ученик познает реальность с помощью компьютера через условные понятия и изображения, их нельзя потрогать, но они фактически двумерны. Применение электронных лабораторных работ способствует формированию информационной компетентности у учащихся, они учатся интерпретировать, систематизировать, критически оценивать и анализировать полученную информацию с позиции решаемой им задачи, делать аргументированные выводы, использовать полученную информацию при планировании и реализации своей деятельности в той или иной ситуации, структурировать имеющуюся информацию, представлять её в различных формах и на различных носителях, адекватных их запросам.

На уроке физики в компьютерном классе создается необычная обстановка. Окружение компьютеров очень сильно отвлекает ученика или студента и компьютер для него первоначально является только средством для проведения виртуальных игр. Поэтому необходимо так проводить уроки и заинтересовать ученика, чтобы он целенаправленно занимался физическим экспериментом и был заинтересован в получении результатов в ходе эксперимента.

Для этого необходимо четко поставить цель эксперимента и разработать критерии оценки полученных учениками результатов. Получение высокой оценки по предмету является хорошим стимулом для добросовестной работы учеников. Виртуальный лабораторный эксперимент интересен и выполнение его посильно для любого “слабого” ученика.

Для того, чтобы эксперимент прошел успешно, необходимо вначале научить ученика работать с электронным учебником, этому посвящается несколько первых уроков в компьютерном классе. Ученики должны научиться выбирать нужные виртуальные модели, находить необходимый теоретический материал, пользоваться управляющими кнопками, выбирать и менять исходные параметры виртуального эксперимента, уметь переключать проведение данного же эксперимента в другой режим, наблюдать за вычерчиванием графиков, описывающих процесс эксперимента, находить тексты задач по данным моделям и проводить самоконтроль по её решению.

Для качественного выполнения физического виртуального эксперимента учащимся необходима инструкция по выполнению данного эксперимента, включающая в себя навигацию по нахождению необходимой модели, пошаговый план выполнения эксперимента по данной модели, дается задание по изучению теоретических вопросов по теме эксперимента и решению задачи к данной модели, предлагается ученику сделать вывод по итогам проделанной работы и своим наблюдениям. То есть тем самым отрабатывается и технологическая компетентность у учащихся. Далее необходимо проводить целенаправленное обучение учащихся работе с электронными учебниками для формирования навыков.

Разработка и описание «Вычислительной электронной лаборатории»

В данной главе дипломной работы мы изучим программную область вычислительной лабораторной работы. Borland Delphi 7.0 обладает наиболее оптимальным сочетанием технических характеристик и производительности.

Система программирования Borland Delphi 7.0 - это комбинация нескольких важнейших технологий:

высокопроизводительный компилятор в машинный код;

объектно-ориентированная модель компонент;

визуальное построение приложений из программных прототипов;

Визуальное проектирование избавляет программиста от многих аспектов разработки интерфейса программы, так как Delphi автоматически готовит необходимые программные заготовки и соответствующий файл ресурсов. Использование компонентов визуального программирования не только во много раз сокращает сроки разработки программ, но и существенно снижает вероятность случайных программных ошибок. В процессе построения приложения разработчик выбирает готовые компоненты. Еще до компиляции он видит результаты своей работы - после подключения к источнику данных их можно видеть отображенными на форме, можно перемещаться по данным, представлять их в том или ином виде. Мощность и гибкость языка программирования Delphi - безусловное достоинство языка. Ядро языка Delphi является язык Паскаль.

Среди достоинства Delphi 7 можно выделить:

наличие встроенных CASE-средств;

взаимодействие с другими СУБД;

использование RAD-технологий;

широкий набор компонентов системы, облегчающих проектирование и разработку приложения;

встроенный редактор форм.

Интегрированная среда разработки Delphi 7.0 - это сложный механизм, обеспечивающий высокоэффективную работу программиста. Таким образом, Borland Delphi обеспечивает высокую эффективность процесса разработки и большую производительность результирующих приложений. Средства поддержки баз данных позволяют организовать эффективную обработку данных как при использовании внутренней базы данных Borland Delphi, так и внешних СУБД. Borland Delphi можно рекомендовать как универсальное средство разработки приложений различного уровня сложности, начиная от простейших задач до крупных проектов.

Рассмотрим следующий интерфейс программы:

Главное окно

рис.1. Интерфейс главного окна.

Главное окно программы, как видно на рисунке, состоит из четырех основных кнопок:

Лабораторная работа

Видео

Вычисления

Выход

Выбор раздела

Каждая фотокартина содержит ссылку на материалы ознакомления с биографиями этих знаменитых людей, их огромный вклад в раздел физики, их великие работы, достижения.

В разделе лабораторная работа содержится полное описание работы «Проверка закона Ома для постоянного тока» по разделу «Электричество и Магнетизм». Также в этом разделе есть кнопка, с помощью которой программа возвращается на главное окно.

Во втором разделе проигрывается наглядный пример построения электрической цепи. Тут возможно прокрутка, пауза и кнопка стоп. Во всех окнах имеются кнопка для переход на главную страницу.



А в разделе Вычисление находятся формы проверки для данных формул в лабораторной работе.

Таблица с фиксированными строками и столбцами, также нефиксированные ячейки, которых нужно заполнять в ручную. Студент может ознакомиться с заданием и работать, заниматься самостоятельно, что повышает производительность труда студента и направляет на самостоятельность студента.

Также по завершении заполнения нефиксированных ячеек, можно нажав кнопку получить график.

Далее результат проведенной лабораторной работы можно сохранить на Блокноте и последующим распечатыванием.

Так, после нажатия кнопки сохранить, результаты сохраняются следующим образом.



Заключение

Данная работа написана с целью обобщения знаний, полученных в течение 5 лет учебы, и для конкретизации направления будущей работы. Рассмотренная проблема имеет большой интерес жизни ВУЗов, колледж и школ, сколько обучающих, столько и учащихся.

Цель дипломного проекта заключалась в проектировании, реализации и последующем внедрение информационно- вычислительной лабораторной работы для кафедры Физики.

В ходе дипломного проектирования мною были сделаны следующее:

разработана информационно- вычислительная лабораторная работа на основе ранее применяемых лабораторий на уроках;

разработанная система апробирована на кафедре Физики.

На стадии обследования существенную помощь оказал учебно-вспомогательный персонал и аспиранты кафедры.

Система была продемонстрирована специалистам с других кафедр и получила положительные отзывы.

Система имеет большой потенциал дальнейшего развития. На данный момент идут работы по интеграции с системой, а также дорабатываются существующие следующие лаборатории.

Таким образом, в ходе дипломного проектирования все поставленные задачи были решены, цель проекта достигнута.



Использованная литература

А.Хомоненко,В.Гофман? Delphi7.0".2010.,БХВ,стр 1101.

М.Сухарев Золотая книга Delphi от а до я. 2008 НИТ,г.Москва

Архангельский А.Я." Delphi7.0".2003.М.стр 788.

A.M.Епанешников., "Программирование в среде Delphi7.0"

Дж. Мартин., "Организация баз данных в вычислительных системах" М: Мир 2003г.

Размещено на Allbest.ru