В начало   Дистрибутивы  Публикации  Лабораторные работы  Слайды  Награды 
  Лабораторный практикум в Интернет

 

Виртуальный лабораторный практикум по физике для дистанционного обучения с использованием Интернет.

Измайлов А.С., Тарасов И.А., Терещенко А.С.

Рассматривается реализация виртуального лабораторного практикума по курсу физики для использования в процессе дистанционного обучения с использованием глобальной сети Интернет. Практикум разработан на основе Java – технологии.

В последние десять лет появились значительные сложности в образовательной системе России. Это в первую очередь связано с тем, что многие учащиеся, проживающие далеко от больших городов, где расположено большинство ведущих вузов России и не имеющие реальной возможности каждый день добираться до этих вузов (все мы знаем сколько сейчас стоят билеты на электрички или автобусы) вынуждены получать образование в местных учебных заведениях, где не часто можно получить хорошее образование. Или же поступать на заочные формы обучения, при которых минимально общение с преподавателями, а, следовательно, и качество образования ухудшается. Эти проблемы существуют во многих странах мира.

Однако с появлением проблем возникают и их решения. В последнее время в мире широкое распространение получила сеть Интернет, которая позволила людям, не выходя из дома, общаться между собой, быстро получать нужную информацию, заказывать товары широкого потребления, почти заменила почту. Посредством этой сети, которая доступна сейчас каждому, у кого есть компьютер и телефон, можно также реализовать проблему дистанционного обучения. Такой вид обучения позволяют учащемуся в режиме “online” получить информацию для самостоятельной проработки, выполнить контрольные задания, задать вопросы преподавателю и получить, в свою очередь, на них ответы. Преподавателю такая форма обучения дает возможность быстрого и оперативного контроля усвоения материала каждым студентом и внесения при необходимости соответствующих корректировок в процесс обучения. Вследствие этого, центром СИТМО и кафедрой физики нашего института нам была поставлена задача реализации виртуального лабораторного практикума по физике в Интернет.

Лабораторный практикум представляет собой набор программ (java-апплеты) и гипертекстов в формате HTML. Теоретические сведения, условия задач, контрольные вопросы, в общем, все то, что содержится в книжке, здесь выполнено в виде гипертекста с удобной навигацией по ним. Иллюстрации выполнены гораздо качественнее, чем в обычной книге. В электронном виде нет проблем сделать картинку больших размеров и с любым количеством цветом, в то время как в бумажном варианте такой возможности нет. Есть только один недостаток - не все могут воспринимать информацию с экрана монитора. Однако, как нам кажется, все зависит от количества и типа информации. Например, воспринимать математику, содержащую массу трехэтажных формул, с экрана монитора достаточно сложно, а хорошо иллюстрированный, структурированный и интерактивный материал лучше воспринимается и усваивается с экрана. Реализация виртуального лабораторного практикума позволяет любому студенту через Интернет прочитать все, что надо не выходя из дома. Благодаря гипертексту навигация значительно удобнее, нежели при чтении бумажного варианта. При чтении учебного материала доступны все справочники, таблицы и прочие сопутствующие вещи. Теперь, что касается, непосредственно практикума. Для большей наглядности и восприимчивости в гипертексты встроены интерактивные программы. При работе с ними можно покрутить ручки экспериментальной установки и увидеть как реагируют другие приборы. Конечно, паяльник в руках так держать вряд ли научишься, но осциллограф представлять будешь лучше себе, чем по описанию в книжке. Тут надо правильно понимать - лабораторный практикум в Интернет не является альтернативой занятиям в лаборатории. Это скорее просто другой вариант распространения книг и необходимость иметь лекции преподавателей. Также надо отметить возможность сделать те опыты, которые невозможно сделать в учебной лаборатории. Например, по распаду атомного ядра.

Перед нами была поставлена задача, максимально приблизить происходящее на экране монитора к тому, что можно увидеть в лаборатории. Поэтому наши апплеты являются не просто демонстрациями, а отображениями физических явлений, которые мы можем наблюдать в реальной жизни. То есть в каждом апплете используются реальные расчетные формулы, которые отображают поведение тел при данных условиях. Конечно, формулы являются идеализированными, поскольку в реальной жизни, проведению эксперимента всегда мешают какие-либо условия (трение, сопротивление воздуха и т.д.), которые отклоняют результаты экспериментов от расчетных, и из-за которых результаты эксперимента отличаются друг от друга. В связи с этим нам пришлось реализовывать в апплетах приближение к реальному эксперименту за счет добавления погрешности к результату. Например, в работе по нахождению физических параметров тела (длина, ширина, высота, диаметр) использовалось гауссово распределение ошибок, а в работах, связанных с измерением времени мы предоставили пользователю возможность самому запускать и останавливать секундомер, поскольку достаточно сложно получить одинаковое значение времен в двух экспериментах, делая это вручную.

Еще одна задача состояла в том, чтобы апплеты работали в реальном масштабе времени. То есть секундомер должен отображать реальное время, но мы пока не смогли это осуществить, поскольку у каждого пользователя сети Интернет свой компьютер со своими производительностью и быстродействием. Поэтому за одно и то же время на одном компьютере секундомер отсчитает, например, 10 секунд, а на другом 15. И все же мы будем пытаться решить эту проблему за счет определения быстродействия и производительности данного компьютера. Узнав эти параметры можно несложными формулами описать шаг по времени при выполнении апплета. Проблема в том, что мы пока не знаем, как определить эти параметры средствами Java.

За четыре месяца мы разработали цикл виртуальных лабораторных работ по физике за первый семестр. Всего было сделано семь лабораторных работ по механике и одна по молекулярной физике. Первая посвящена общим вопросам проведения лабораторных работ, подробно разобрано получение результатов и оценка погрешностей. Лабораторная работа “гироскоп” работает в трехмерном пространстве. Для Интернета это новшество. Анимация в Интернет есть, но она, как правило, не является интерактивной и обычно выполнена в виде gif-файла. У такого рода апплетов, на мой взгляд, большие перспективы. Эту технологию можно использовать при разработке дизайна сайтов. В лабораторной работе по вязкости жидкости использован эффект прозрачности. В общем, OpenGL предоставляет неограниченные возможности для творчества.

Теперь подробнее о процессе создания лабораторных работ. В самом начале их разработки у нас была уникальная возможность - заранее выбрать те технологии и программные продукты, которые будут использоваться в дальнейшей работе.

Преподаватель пишет текст или же за основу берется уже существующий (используется текстовый процессор Microsoft Word 97, как самый распространенный и имеющийся на большинстве компьютеров преподавателей). Текст конвертируется в HTML-файл, с помощью всё того же Microsoft Word 97 (т.к. конвертация текста в HTML там далеко не совершенна, то нам приходилось чистить полученный HTML-файл от лишней информации вручную). Поскольку текст и программы должны быть доступны в Интернет, то других вариантов кроме HTML и Java практически не существует. В текущей версии HTML нет встроенной поддержки формул, поэтому приходилось вставлять их в виде картинок. Формулы подготавливались в программе MathType. Эта программа наилучшим образом позволяет сделать верстку формул и сохранять их в формате GIF. Рисунки делались в графическом пакете Macromedia Fireworks – пакете, специализированном для создания графики для Интернет. Далее следует последний этап - разработка интерактивных апплетов. За основу мы взяли реальные лабораторные работы. Задания и функции программы адаптировали для электронной версии. Для компилирования исходных текстов использовали, свободно распространяемый JDK (Java Development Kit) версии 1.2. Сперва пробовали использовать коммерческие компиляторы Symantec и Microsoft. К сожалению они себя плохо зареоммендовали. Symantec, например, не понимает запись числа с плавующей точкой в виде “12.34”, он воспринимает только в научной нотации - “1.234е1”. Microsoft VisualJ++6 вообще недоделанный, средства быстрой разработки там недоступны. Самое главное с ним происходили какие-то чудеса. После обновления и перекомпиляции исходного файла, апплет в броузере не обновлялся. Для создания трехмерных сцен и реализации сложной графики использовали технологию OpenGL. OpenGL берет на себя программирование трехмерной графики. Программист только расставляет объекты, камеру и источники света в трехмерном пространстве. Программировать самим все это очень сложно, поэтому мы воспользовались готовым решением. Недостаток в том, что нужно устанавливать дополнительные библиотеки. Сейчас мы освоили новую реализацию OpenGL для Java, которая не требует установки дополнительных библиотек, но она работает только с Internet Explorer пятой версии. Также сейчас мы планируем написать библиотеку для реализации трехмерной графики на Java. Предполагается, что классы этой библиотеки будут работать на любой платформе, где есть Java.

С точки зрения веб-дизайнера здесь следует упомянуть о нескольких проблемах, связанных с HTML. В нём могут повторяться определённые элементы форматирования, определяющие шрифт и цвет текста, параметры абзаца. Эти повторения увеличивают размер файла, соответственно увеличивая время его загрузки - этого надо избегать, поэтому в настоящее время мы внедряем программу Macromedia Dreamweaver 3, которая позволяет автоматически удалять все повторения.

Помимо этого необходимо учитывать, что лабораторные работы будут доступны через Интернет, а, следовательно, мы не можем точно сказать:
  1. На какой машине и под какой операционной системой будут просматриваться лабораторные – следовательно, нельзя использовать исполняемые программы, работающие только под Microsoft Windows.
  2. Каким броузером они будут просматриваться - т.е. нельзя рассчитывать только на Microsoft Internet Explorer , который так любят на нашей кафедре.
  3. Нельзя использовать полноцветные фотографии и отсканированные изображения, т.к. на многих компьютерах произойдет потеря цветов и они будут смотреться, как мятая бумага.
Мы решили использовать правило “разумного минимума” - т.е. прикинуть большинство возможных платформ и броузеров и выбрать некое среднее арифметическое из всех, под которое и решили ориентироваться в работе.

На этом гипотетическом компьютере установлен броузер, поддерживающий технологию Java (т.е. все броузеры 3-х и 4-х версий, HTML 3.2 + CSS (все броузеры 4.х версий) и 256-цветов на экране. В итоге получаем: Microsoft Internet Explorer 3.x/4.x/5.x или Netscape Communicator 4.x, процессор не ниже 486, минимум 8 Мб. оперативной памяти и 256-цветов. Все это является абсолютным минимумом, встречающимся в Интернет.

Лабораторный практикум был опробован на студентах первого курса факультета прикладной математики. Впечатления у студентов неоднозначные, однако они довольны тем, что остается больше времени на защиту лабораторных работ и тем, что их можно делать дома. Литература
  • Программирование в Web для профессионалов - Крис Джамса, Сулейман Лалани и Стив Уикли - ООО “Попурри” - 1997 г.
  • Программирование на Microsoft Visual Java++ - Стивен Р. Дэвис - “Русская редакция” - 1997 г.
  • Секреты программирования для Internet на Java - Майкл Томас, Пратик Пател, Алан Хадсон, Дональд Болл (мл.) - Издательство “Питер” - 1997 г.
  • “OpenGL для начинающих” - Игорь Тарасов - Издательство “ITSoft” при непосредственном участии МГИЭМ - 1999 г.
  • “Официальное руководство по языку гипертекстовой разметки HTML версии 4.0” - World Wide Web Consortium (W3C) – 1999 г.
  • “Официальное руководство по языку форматирования CSS версии 2” - World Wide Web Consortium (W3C) – 1999 г.
 
[an error occurred while processing this directive]
© 1999-2000 ITSoft. Оформление Игорь Тарасов и Александр Терещенко.