Возможности применения промышленных автоматизированных установок в лабораторном практикуме вуза
Автор: Матвеев Олег Прокопьевич
Журнал: Современная высшая школа: инновационный аспект @journal-rbiu
Рубрика: Инновационные процессы в контексте непрерывного образования
Статья в выпуске: 1 (31), 2016 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается возможность использования в лабораторном физическом практикуме вуза автоматизированных установок промышленного изготовления для проведения учебных исследований. Приведены конкретные возможные примеры проведения исследований на установках производства «Физтехприбор» по молекулярной физике и термодинамике. Опыт работы показывает, что студенты, овладев методологическим аппаратом исследования, способны выявить круг возможных исследовательских задач при выполнении лабораторных работ с использованием автоматизированных установок и другого имеющегося в их распоряжении оборудования и материалов. Показано, что благодаря созданию проблемных ситуаций, требующих выдвижения гипотез, предложенная методика позволяет в соответствии с требованиями ФГОС ВПО овладеть прописанными в стандарте профессиональными компетенциями.
Автоматизированная установка, учебные исследования, эксперимент, лабораторный практикум, задачи исследования, методика, объект исследования
Короткий адрес: https://sciup.org/14240030
IDR: 14240030 | DOI: 10.7442/2071-9620-2016-1-50-56
Текст научной статьи Возможности применения промышленных автоматизированных установок в лабораторном практикуме вуза
Как известно, современный физический эксперимент немыслим без автоматизированных измерительных комплексов [1; 8; 13]. Подобные комплексы уже используются и в учебном эксперименте [2; 4; 7], в связи с чем появляется возможность проведения индивидуально-групповых учебных исследований на современном научно-методическом уровне [3; 5].
В частности, из требований к результатам освоения основных образовательных программ магистратуры, установленных ФГОС ВО [11] следует, что выпускник магистратуры должен обладать способностями:
-
1) к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов;
-
2) использовать на практике навыки и умения в организации научно-исследовательских работ;
-
3) применять знания о современных методах исследования.
Исходя из этого, мы считаем необходимым в процессе подготовки студентов и магистрантов поставить следующие задачи:
-
1) выработать способность к самостоятельному проведению исследования;
-
2) научить методам эффективной эксплуатации автоматизированных комплексов;
-
3) научить методам разработки, сборки и наладки автоматизированных установок.
Успешное решение этих задач позволяет студентам:
-
1) владеть информацией о выпускаемом лабораторном физическом оборудовании, его характеристиках и методике использования;
-
2) представлять круг возможных задач для разработанных лабораторных работ с использованием автоматизированных установок и другого имеющегося в распоряжении исследователя оборудования;
-
3) разрабатывать, организовывать изготовление и отладку автоматизирован-
- ных лабораторных установок физического практикума;
-
4) разрабатывать методическое обеспечение лабораторных работ на основе разработанных автоматизированных комплексов.
В условиях ограниченного финансирования образовательных организаций особое значение приобретает задача эффективного использования нового оборудования. Один из возможных путей в этом направлении состоит в приобретении таких учебных установок, которые, после небольшой доработки и создания соответствующего методического обеспечения, могли бы быть использованы не только для выполнения плановых лабораторных работ, но и для исследовательской деятельности студентов, реализуемой в рамках курсовых и выпускных квалификационных работ. В них, кроме заданий традиционного характера, студент должен изучать и анализировать информацию, обобщать и систематизировать результаты работы, проводить необходимые расчеты, используя современные технические средства и информационные технологии.
В настоящее время вузы приобретают автоматизированные установки для использования в лабораторном практикуме по различным разделам физики. Но они, как правило, не ориентируют потребителя на возможность проведения на них учебных исследований. Тем не менее, при умелом методическом подходе их также можно использовать для проведения учебных исследований.
Наш вуз закупил установки по молекулярной физике и термодинамике производства «Физтехприбор» (г. Москва). Эти установки включают объект исследования с необходимой инфраструктурой, измерительное устройство, АЦП и персональный компьютер. В методическом обеспечении оборудования приводится описание установок, краткая теоретическая часть и алгоритм выполнения лабораторной работы. Таким образом, имеется возможность протоколировать и сохранять
Возможности применения промышленных автоматизированных установок в лабораторном практикуме вуза
О.П. Матвеев
результаты измерений на ПК, экспортировать полученные данные в EXCEL и в этой программе строить графики процессов. Причём, период опроса данных можно изменять, используя настройки в программах, установленных на ПК.
Для проведения учебных исследований с использованием указанных установок перед студентами ставится задача исследования и не предлагается алгоритм его проведения, кроме того, студент сам определяет, что ему понадобится для этого дополнительно из приборов и материалов. При выполнении исследовательского задания, кроме знания теории, студенту необходимо определить последовательность производимых действий. Поэтому ему нужно составить опорный план эксперимента. Он включает идею эксперимента, цель, приборы и материалы, план проведения эксперимента, ожидаемый результат, пути устранения ошибок.
После постановки задачи для выдвижения исходной гипотезы необходимо провести анализ имеющейся информации и условий проведения эксперимента, что позволит определиться с выбором контролируемых величин. Этот выбор зависит от того, насколько точно выявлены все существенные условия постановки эксперимента. При этом должно быть учтено действие различных факторов на протекание исследуемого явления. Необходимо понимать, что в учебном исследовании, как и в научном, вследствие действия неучтённых или заранее неизвестных факторов могут быть получены совершенно неожиданные или даже ошибочные результаты. Но не менее важно умение абстрагироваться от несущественных факторов, иначе поставленную задачу исследования решить очень сложно или вообще невозможно.
Выбор контролируемых в данном исследовании величин позволяет перейти к определению способа их измерения и подбору необходимых для этого приборов, исходя из имеющихся возможностей учебной лаборатории. Следующим важ- ным этапом является определение последовательности измерений, выбор диапазона варьирования различных параметров и необходимого для получения достоверных результатов количества опытов.
Приведём конкретные примеры проведения исследований на данных установках.
Исследование 1. Установка для определения термического коэффициента давления воздуха с помощью газового термометра
Лабораторная установка основана на использовании закона Шарля [10] и получении из опыта зависимости приращения давления газа от температуры.
Лабораторная установка (рис.) состоит из герметичной термостатируемой ёмкости, нагрев воздуха в которой производится циркулирующей между её двойными стенками водой, нагреваемой в водоподогревателе. При этом давление измеряется водяным U – манометром. Температура воздуха в ёмкости измеряется термопарой, соединённой с измерителем температуры типа ТРМ200, который подключается к ПК.
ТРМ200 производит опрос входных датчиков, вычисляя по полученным данным текущие значения измеряемых величин, отображает их на цифровом индикаторе и через интерфейс связи передаёт на ПК. При работе с датчиками можно произвольно задавать диапазон измерения. При поступлении на вход измерителя аналоговых сигналов прибор осуществляет линейное преобразование входной величины в соответствии с заданным диапазоном измерения. Для уменьшения влияния случайных помех на измерение контролируемых величин в приборе используются цифровые фильтры.
После ознакомления с установкой студентам предлагается подумать, какие параметры можно было бы варьировать, какие условия изменять при выполнении предусмотренной разработчиками лабораторной работы. Затем после совместного обсуждения выбираются возможные варианты проведения исследований.
В частности, оказывается возможным определить коэффициент термического давления при различных давлениях воздуха в термостатируемой ёмкости или

Рис. Установка для определения коэффициента термического давления воздуха
Для этого студентам на основе известного им обобщённого плана проведения исследований [9] необходимо продумать, какие задачи должны быть поставлены при выявлении указанных зависимостей. В частности, для определения указанного коэффициента при различных давлениях воздуха в термостатируемой ёмкости нужно предложить способы получения давлений, отличных от атмосферного. При этом данная задача разбивается на несколько подзадач:
-
1) выяснение последовательности действий для реализации предложенного способа;
-
2) определение необходимого оборудования и материалов.
Так, например, если выбран вариант получения давления меньше атмосферного, то при реализации одного из возможных способов уменьшения плотности воздуха в смеси паров воды и воздуха необходимо осуществить такие операции, как нагревание до температуры выше 100 С, длительное выдерживание системы при этой температуре и сохранение малой плотности воздуха в сосуде при герметизации и охлаждении.
оценить точность измерения температуры газовым термометром в зависимости от изменения объёма баллона, наличия в газе примесей и т.д.
Для решения второй подзадачи студенты предлагают необходимое для этого достаточно простое оборудование и материалы: подставку для прибора, ёмкость для дистиллированной воды, дистиллированную воду, электроплитку с закрытой спиралью для нагрева, твёрдую вакуумную замазку.
Исследование 2. Установка для изучения эффекта Джоуля – Томсона предназначена для определения постоянной в уравнении Ван-дер-Ваальса [12]. В установке исследуемый газ в адиабатических условиях под действием разности давлений медленно перетекает через пробку из плотного пористого материала (дроссель). Работа основана на измерении разности температур перед пробкой и за ней, при изменении давления воздуха перед пробкой. После обсуждения принципа работы установки студентами выдвигается гипотеза о целесообразности осуществления следующих исследований: 1) зависимости разности температур при изменении плотности дросселя;
-
2) зависимости коэффициента Джоуля – Томсона от температуры перед дросселем;
Возможности применения промышленных автоматизированных установок в лабораторном практикуме вуза
О.П. Матвеев
-
3) определения постоянной а в уравнении Ван – дер – Ваальса для различных газов.
Для проведения указанных исследований студентам требуется спланировать способы их технического осуществления.
Исследование 3. Установка для определения тепловых свойств материалов методом регулярного режима
Методика выполнения работы предполагает измерение температуры в разных точках металлического образца, нагретого в электропечи, при охлаждении его в термостате. Целью работы является определение коэффициента температуропроводности. Измерение температуры производится термопарами. На базе этой установки студенты могут провести исследование области регулярного теплового режима при различных температурах термостата и скорости нагревания (охлаждения) образца.
При этом перед студентами встают следующие технические задачи:
-
1) найти способ изменения температуры термостата и её стабилизации;
-
2) обеспечить различную скорость изменения температуры образца;
-
3) продумать крепление различного количества термопар в образце;
-
4) перепрограммировать АЦП для различных датчиков температуры;
-
5) внести изменения в программах, установленных на ПК, для обработки данных, поступающих от датчиков.
Исследование 4. Установка для определения коэффициента теплопроводности твёрдых тел методом цилиндрического слоя
Согласно описанию, установка предназначена для изучения процесса теплопроводности [6] в цилиндрическом образце с заданным в радиальном направлении градиентом температур. Целью данной работы является расчёт коэффициента теплопроводности твёрдого тела по результатам измерений температур и напряжения на нагревателе. Кроме этого, студенты, овладев методологическим аппаратом исследования, имеют возможность:
-
1) определить коэффициент теплопроводности для различных градиентов температур и в более широком температурном интервале;
-
2) измерить коэффициенты теплопроводности для различных материалов.
Использование описанных выше установок невозможно без контроля преподавателя. При проведении контрольно-оценочной деятельности нами учитывались следующие дидактические требования:
-
1) осуществление контроля над учебной деятельностью каждого обучающегося;
-
2) систематичность, регулярность проведения контроля на всех этапах процесса обучения;
-
3) разнообразие форм проведения;
-
4) всесторонность контроля, предполагающая охват всех разделов учебной программы;
-
5) объективность контроля.
При проведении текущего контроля использовались такие формы, как устный фронтальный опрос; беседа со студентами; наблюдение и анализ деятельности студентов во время их работы; тестирование.
Использование указанных форм в процессе обучения дает возможность увидеть и оценить деятельность студентов на всех этапах выполнения эксперимента.
Итоговый контроль проводится после выполнения исследования. Особое внимание уделяется этапу представления результатов. При этом анализируются выводы, полученные в результате эксперимента.
Анализ работы студентов при выполнении автоматизированного эксперимента, начиная постановкой задачи исследования и заканчивая представлением результатов и обобщающими выводами, может служить объективным показателем достижения поставленной цели обучения.
Таким образом, проведение учебных исследований на промышленных современных автоматизированных установ- ках, благодаря созданию проблемных ситуаций, требующих выдвижения гипотезы, применения навыков планирования и анализа, позволяет в результате поиска и решения студентами дополнительных задач выработать:
-
1) способность к формулированию проблемы и сведению её к задаче;
-
2) способность к делению задачи на подзадачи;
-
3) умение выдвигать гипотезу;
-
4) умение разрабатывать методику проведения эксперимента;
-
5) умение подбирать оборудование и материалы;
-
6) способность к самостоятельному проведению эксперимента;
-
7) способность к обработке и анализу полученных результатов.
Список литературы Возможности применения промышленных автоматизированных установок в лабораторном практикуме вуза
- Давыдов В.Н., Новиков Д.А. Измерительные методики и автоматизированный комплекс для исследования приборов опто-и наноэлектроники//Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2015. №1. С. 64-73.
- Данилов О.Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте//Молодой ученый. 2013. №1. С. 330-333.
- Кудрин А.В. Использование программной среды LabView для автоматизации проведения физических экспериментов: учебно-метод. пособие. -Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2014. -68 с.
- Литвинов Ю.В. Средства автоматизации учебного физического эксперимента при дистанционной форме образования//Дистанционное и виртуальное обучение. 2013. №6. С. 68-74.
- Матвеев О.П., Фискинд Е.Э. Использование компьютеризированной лабораторной установки для проведения учебного исследования по оптике//Физическое образование в вузах. 2011. Т. 17. №2. С. 90-96.
- Никеров В.А. Физика. Современный курс: учебник. -М.: Издательскоторговая корпорация «Дашков и К», 2012. -452 с.
- Певцов Е.Ф. Автоматизация физического эксперимента. Лабораторный практикум. Часть 1. Схемы с операционными усилителями: учеб. пособие/Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики». -М., 2013. -43 с.
- Сергеев В.А., Фролов И.В., Широков А.А. Автоматизированная установка для измерения вольтфарадных характеристик гетеропереходных светодиодов с повышенным разрешением//Приборы и техника эксперимента. 2014. №1. С. 137-138.
- Старовиков М.И. Введение в экспериментальную физику: учеб. пособие. -СПб.: Лань, 2008. -235 с.
- Трофимова Т.И., Фирсов А.В. Курс физики с примерами решения задач в 2 т. Т.1: учебник. -М.: КНОРУС, 2015. -592 с.
- Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 050100 Педагогическое образование. Квалификация (степень) «магистр». Утверждён приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 14 января 2010 г. №35.
- Хавруняк В.Г. Курс физики: учеб. пособие. -М.: ИНФРА-М, 2014. -400 с.
- Хоченков А.Е., Галиаскаров Э.Г. Автоматизированная система сбора данных физического эксперимента//Обьектные системы. 2014. №1. С. 57-62.
- Davydov V.N., Novikov D.A. Measurement methodologies and automated system for the study of opto -and nanoelectronics//Doklady Tomskogo gosudarstvennogo Universiteta system upravlenia i radioelectroniki. 2015. №1. P. 64-73.
- Danilov E.O. The application of computer technologies in educational physical experiment//Molodoi uchenyi. 2013. №1. P. 330-333.
- Kudrin A.V. Using the software environment LabView for the automation of physical experiments. The Nizhny Novgorod: Nizhny Novgorod state University, 2014.
- Litvinov Yu.V Automation of the educational physical experiment in distance form of education//Distantsionnoie i virtualnoie obuchenie. 2013. №6. P. 68-74.
- Matveev O.P., Fiskind E.E. The Use of the computerized laboratory installation for carrying out of educational research on optics//Fizicheskoie obrazovanie v vuzakh. 2011. Vol. 17.№2. P. 90-96.
- Nikerov V.A. Physics. Modern course: Textbook. M.: Izdatelsko-torgovaia korporatsia«Dashkov i K», 2012.
- Pevtsov E.F. Automation of physical experiment. Laboratory workshop. Part 1. Circuits with operational amplifiers: a tutorial «Moscow state technical University of Radioengineering, electronics and automation». M., 2013.
- Sergeev V.A., Frolov I.V., Shirokov A.A. Automated setting for measuring capacitance- voltage characteristics of heterojunction LEDs with increased resolution // Pribory i tekhnika experimenta. 2014. №1. P. 137-138. [in Russian]
- Staroverov M.I. An introduction to experimental Physics. St. Petersburg: Lan, 2008.
- Trofimova T.I., Firsov A.V. Course of physics with examples of solving problems. In 2 Vol.Vol. 1: Textbook. M.: KNORUS. 2015. .
- Federal state educational standard of higher professional education for the training 050100 Pedagogical education. Qualification (degree) «Master». Approved by the Ministry of education and science of the Russian Federation of 14 January 2010. No. 35
- Khavruniak V.G. Course in physics. M.: INFRA, M, 2014.
- Khochenkov A.E., Galiaskarov E.G. Automated data collection system of physical experiment//Obiektnyie sistemy. 2014. №1. P. 57-62.