eksperimento automatizavimo įtaka fizikos praktinių užsiėmimų ...

EKSPERIMENTO AUTOMATIZAVIMO ĮTAKA FIZIKOS PRAKTINIŲ
UŽSIĖMIMŲ KOKYBEI
Andžej Lučun, Eugenijus Mačerauskas, Viktoras Vaitkus
Vilniaus kolegijos Elektronikos ir informatikos fakultetas
Anotacija. Naujoje fizikos laboratorijoje automatizuotose darbo vietose eksperimentų duomenys apdorojami naudojant informacines
technologijas. Straipsnyje nagrinėjama šių technologijų taikymo įtaka studentų žinioms ir dėstytojų darbui. Kaip pavyzdys
nagrinėjamas konkretus laboratorinis eksperimentas, pateikiant klasikinius jo tyrimo metodus, vėliau jie lyginami su automatizuotu.
Straipsnyje pateikiama šiuolaikinių automatizuotų fizikos eksperimentų įtaka studijų kokybei. Straipsnis paremtas asmenine autorių
patirtimi.
Raktiniai žodžiai: eksperimento automatizavimas, informacinės technologijos.
1. Įvadas
Viena iš pagrindinių šiuolaikinio techninio eksperimento sudedamųjų dalių – informacijos surinkimo ir
apdorojimo procedūrų automatizavimas, novatoriškai taikomas ne tik mokslo sferoje, bet ir mokyme. Visame pasaulyje
pripažinti, kad asmeniniai kompiuteriai ir informacinės technologijos yra gerokai lankstesni instrumentai, palyginus su
tradicinėmis matavimo priemonėmis, todėl virtualaus prietaiso ar asmeninės programos sukūrimas yra gana nesudėtinga
ir naudinga priemonė eksperimentams automatizuoti. Be to, šių priemonių naudojimas kartu su integruotomis mokymo
priemonėmis yra įdomus ir patrauklus procesas, galintis sudominti studentą. Kiekvienoje aukštojoje techninėje
mokykloje ar universitete, rengiant inžinierius, į mokymo programas būtina įtraukti techninių ir mokslinių eksperimentų
automatizacijos mokymą ir techninių užduočių sprendimą, taip pat technologinių procesų monitoringą naudojant
informacines technologijas. Ypač aktualus yra šių naujovių įdiegimas pirmo kurso studentams, kai jie pirmą kartą
susiduria su informacijos surinkimo ir apdorojimo būtinybe, studijuodami dalykus, kurių pagrindą sudaro
eksperimentinė bazė. Vienas iš pagrindinių dalykų yra fizika.
Naudojant informacines technologijas galima atlikti pakankamai įdomius ir išsamius skirtingų fizinių sistemų
tyrimus. Šie tyrimai gali būti geras priedas prie jau egzistuojančių tradicinių fizinių eksperimentų. Jie taip pat leidžia
naujai pažvelgti į daugelio teorinių rezultatų analizę. Be to, gali būti išplėstos tradicinių fizikos praktinių darbų
galimybės. Daugelį reiškinių, kurių negalima pademonstruoti laboratorijose dėl sudėtingos, brangios įrangos trūkumo ar
eksperimento sudėtingumo, galima detaliai atkurti kompiuterinio eksperimento metu.
Šiuolaikinės informacinės technologijos leidžia modeliuoti praktiškai visus fizikinius reiškinius ar procesus
kompiuteriu, sudaryti pačias įvairiausias programas, keisti jų sąlygas, sukurti demonstracinį eksperimentą, organizuoti
grupinius ir individualius laboratorinius darbus. Tai nereiškia, kad informacinės technologijos turėtų pakeisti visus
egzistuojančius tradicinius dėstymo metodus. Jos turi harmoningai papildyti jau esančias priemones ir siekti konkrečių
tikslų: sudominti studentus fizikos mokymusi, palengvinti fizikinių reiškinių prasmės suvokimą, mokymosi procesą
paversti kiek įmanoma įdomesniu, organizuoti operatyvų žinių patikrinimą. Akivaizdumas, paprastumas, šiuolaikinių
kompiuterių paprastumas įgalina padidinti dalyko įsisavinimo kokybę, fizikos mokymosi motyvaciją.
Mokymosi efektyvumui įvertinti parenkami tokie kriterijai, kaip dalyko supratimas, pagrindinių fizikos sąvokų
ir nuostatų žinojimas ir supratimas, sugebėjimas įgytas žinias panaudoti praktikoje, sugebėjimas analizuoti, stebėti ir
savarankiškai aprašyti bet kurį fizikinį reiškinį, sugebėjimas spręsti nestandartines užduotis.
Priimdami naujoves, studentai tampa neabejingi dėstomam dalykui, pasikeičia bendravimo su dėstytoju
kokybė, auga dėstytojo autoritetas, kartais pats studentas tampa dėstytojo konsultantu.
2. Laboratorinio eksperimento pavyzdys
Siekiant pagrįsti laboratorinio eksperimento automatizavimo privalumus, pateikiamas laboratorinio
eksperimento „Feromagnetinių medžiagų histerezės reiškinio tyrimas“ pavyzdys.
63

1 pav. Feromagnetiko magnetinės histerezės kilpa
Feromagnetikų savybės yra nulemtos jų domeninės struktūros. Feromagnetiko magnetinės histerezės kreivė
pateikta 1 pav. Magnetiniame lauke domenų magnetiniai momentai orientuojami magnetinio lauko kryptimi, kol
pasiekiamas įmagnetėjimo įsotinimas, kai visų domenų magnetiniai momentai tampa lygiagretūs. Tokiame taške
magnetinė skvarba yra didžiausia, ir toliau magnetinis laukas medžiagoje stiprėja tik dėl išorinio lauko stiprėjimo. Jei
išorinio magnetinio lauko stipris pradedamas mažinti, jo kryptis yra pakeičiama į priešingą. Visai išjungus išorinį lauką
feromagnetikas lieka įmagnetintas (liekamoji indukcija B L ). Norint visai panaikinti magnetinį lauką, būtina pakeisti
magnetinio lauko kryptį į priešingą taip, kad jo didumas būtų lygus H c . Ši vertė vadinama koercine jėga. Pagal
koercinės jėgos dydį galima pasakyti ar magnetinė medžiaga yra kietamagnetė, ar minkštamagnetė. Gaunant histerezės
kilpą galima visiškai charakterizuoti magnetinę medžiagą ir nusakyti jos taikymo sritis.
Magnetinėms medžiagoms histerezės kilpą galima gauti keliais būdais: tiesiogiai oscilografo ekrane, didinant
permagnetinimo lauko amplitudę, arba balistiniu metodu, naudojant nuolatinę srovę ir sudėtingą nuolatinės srovės
keitimo sistemą.
Pirmuoju būdu histerezės kilpa gaunama oscilografo ekrane, įdėjus bandinį į kintamąjį magnetinį lauką ir
suteikus oscilografo horizontalaus atlenkimo plokštelėms įtampą U , proporcingą magnetinio lauko stipriui H, o
vertikalaus atlenkimo – įtampą
pavaizduota 2 pav.
y
x
U , proporcingą magnetinei indukcijai B. Šio eksperimento sandaros schema
2 pav. Histerezės kilpos tyrimo oscilografu sandaros schema 3 pav. Feromagnetikų histerezės reiškinio tyrimo balistiniu ir
oscilografiniu metodu sandaros schema
Balistinis histerezės gavimo metodas pagrįstas magnetinio srauto pokyčio matavimu pereinant medžiagai iš
vienos magnetinės būsenos prie kitos. Pagrindinis šio metodo trūkumas yra tas, kad matavimai atliekami diskretiškai ir
naudojama sudėtinga nuolatinės srovės junginėjimo schema. Magnetinio lauko pokytis matuojamas srauto matuokliu
kiekviename taške, o apatinė histerezės dalis gaunama grafiškai atvaizduojant simetrinius taškus. Be to, neįmanoma
realiu laiku stebėti visą histerezės kilpą, todėl dažniausiai šis metodas taikomas kartu su oscilografiniu metodu. Tokia
mišri metodika leidžia naudoti vieną eksperimentinį stendą. Šio metodo sandaros schema pateikta 3 pav.
64

Novatyviausias histerezės tyrimo metodas yra automatizuota, informacinėmis technologijomis paremta
matavimų sistema, kuri pastaruoju metu sėkmingai taikoma Vilniaus kolegijos Elektronikos ir informatikos fakulteto
fizikos laboratorijoje (4 pav.).
4 pav. Automatizuoto histerezės tyrimo sistemos schema
1 – matavimų kompiuteris, 2 – generatorius, 3 – tiriama magnetinės medžiagos šerdis,
4 – įmagnetinanti apvija, 5 – įsimagnetinimo apvija
Tyrimo sistemos pagrindą sudaro matavimų kompiuteris (4 pav. (1)) – išorinis, asmeninio kompiuterio
valdomas įrenginys, kuris nustato matavimų sąlygas ir surenka matavimų rezultatus. Išorinis generatorius (2) formuoja
kelių tipų ir skirtingo dažnio signalą įmagnetinimo apvijai (4). Įmagnetinimo apvijoje sukuriamas magnetinis laukas
veikia šerdį (3), pagamintą iš tiriamos magnetinės medžiagos. Įsimagnetinimo apvijoje (5) sukuriama srovė yra
matuojama matavimo kompiuterio (1), kuris rezultatus po pirminio apdorojimo siunčia į asmeninį kompiuterį.
Tokiu būdu asmeninis kompiuteris, su kurio dirba studentas, perduoda studento suformuotas eksperimento
sąlygas, iš kurių matavimų kompiuteris formuoja matavimų sąlygas. Be to matavimų kompiuteris surenka matavimų
rezultatus ir gražina atgal į asmeninį kompiuterį. Pagrindinis šio metodo privalumas yra tas, kad duomenys
dokumentuojami automatiškai su tolesnio jų apdorojimo galimybe, o tyrimo eigą studentas gali stebėti realiu laiku.
3. Klasikinio ir automatizuoto eksperimentų lyginamoji analizė
Anksčiau aprašyta automatizuota tyrimo sistema veikia kompiuteryje valdoma specializuotos mokomiesiems
tyrimams skirtos, CASSY Lab programinės įrangos.
Principinius automatizuoto eksperimento vykdymo skirtumus vaizdžiai iliustruoja 5 ir 6 pav. pateiktos
eksperimentų veiklos diagramos.
Apibendrintą neautomatizuoto eksperimento atvejį iliustruoja 5 pav., kuriame pateikta laboratorinio
eksperimento veiklos diagrama. Pagrindinis ir vienintelis sistemos dalyvis yra studentas, kuris vykdo visą eksperimentą.
Pradžioje studentas gauna eksperimento užduotį ir pagal ją nustato matavimų sąlygas kiekvienam eksperimento etapui.
Nustačius matavimų sąlygas vykdomi matavimai bei matavimo rezultatų dokumentavimas. Gautus duomenis studentas
atvaizduoja grafinėje formoje juos galima matyti vaizdžiai ir daryti išvadas apie fizikinį dėsnį.
Automatizuotame eksperimente dalyvauja šie pagrindiniai dalyviai: eksperimentą atliekantis studentas –
studentas ir automatizuota tyrimo sistema – automatizuota sistema (6 pav.).
65

5 pav. Neautomatizuoto
eksperimento veiklos diagrama
6 pav. Automatizuoto eksperimento veiklos diagrama
Automatizuoto eksperimento atveju (6 pav.) studentas gauna eksperimento užduotį ir pagal ją nustato tyrimų
sąlygas, atitinkamai konfigūruodamas aparatinę ir programinę įrangą, būtiną atlikti konkrečius matavimus. Toliau
automatizuota sistema, formuoja tyrimo sąlygas, kurios automatiškai skaidomos į grupes užduočių atskiriems
matavimams. Automatizuota sistema atlieka ne vieną, iš grupės matavimų susidedantį tyrimą, o tyrimų grupę, kurioje
gali būti didelis apibrėžtas tyrimų skaičius: 1, 2, ... n. Iš tokios kompleksinių tyrimų grupės gaunamas duomenų
masyvas, jo grafinis vaizdas vaizduojamas vartotojo sąsajoje (kompiuterio monitoriuje). Grafinį tyrimo rezultatų vaizdą
realiu laiku stebi studentas ir gali operatyviai veikti tyrimą keisdamas tyrimo sąlygas (šiuo atveju įtampą
transformatoriaus apvijų galuose ir apvijomis tekančią srovę). Tie patys duomenys naudojami formuojant rezultatų
rinkmeną, kuri perduodama studentui. Studentas naudoja tekstinę duomenų rinkmeną toliau apdoroti eksperimento
rezultatams ir ataskaitai rengti. Rengdamas ataskaitą studentas daro išvadas ne apie matavimų rezultatus, kas buvo
daroma atliekant matavimus su pavieniais prietaisais, o apie atskirų rezultatų tarpusavio priklausomybes. Išvados
daromos lyginant grafikų šeimas, nes eksperimento metu atlikta daug susijusių matavimų. Tokiu būdu studentas gali
geriau suprasti fizikinį dėsnį ir nustatyti fizikinių dydžių tarpusavio priklausomybes.
4. Eksperimento duomenų atvaizdavimo ir apdorojimo metodai
Klasikinio eksperimento atveju duomenys dokumentuojami ir atvaizduojami klasikiniais būdais, jų
apdorojimas trunka ilgai. O automatizuoto eksperimento atveju (7 pav.) grafiniai eksperimento duomenys gaunami
realiu laiku, t. y. studentas jau tyrimo metu gali kompiuteryje stebėti, kaip vykdomi matavimai ir kokios sąlygos veikia
matavimų rezultatus (7 pav.).
66

7 pav. Realiu laiku atvaizduojami matavimų rezultatai CASSY Lab aplinkoje
1 – matavimų rezultatai (skaitinis masyvas), 2 – matavimo sąlygos, 3 – matavimo rezultatų grafinis vaizdas, 4 – kreivių šeima: a, b, c,
d, skirtingos kreivės esant skirtingoms magnetinio lauko vertėms, 5 – įmagnetinimo apvija tekanti srovė, 6 – įtampa įsimagnetinimo
ritės galuose
Kitas duomenų apdorojimo būdas, tinkantis duomenų analizei yra matavimo duomenų masyvo, kuris
gaunamas tekstinės rinkmenos forma, apdorojimas matematinėmis programinėmis priemonėmis. Tarp taikomųjų
matematinių programų, kurias taiko Vilniaus kolegijos studentai, labiausiai tinkančios yra Exel, MatLAB ir Origin.
5. Išvados
Apibendrinant anksčiau pateiktus argumentus ir praktiškai įvertinant daugumos fizikos laboratorinių
eksperimentų automatizavimo naudą, galima teigti, kad automatizuoti laboratoriniai eksperimentai pakelia studijų
kokybę į aukštesnį lygį, nes:
Automatizuoti laboratoriniai eksperimentai leidžia pakeisti eksperimento pobūdį iš eksperimentų, kurių
tikslas gauti matavimų rezultatus, į eksperimentą kurio tikslas gauti matavimo rezultatų tarpusavio
priklausomybes. Kompiuterio, kaip tyrimo procesą iliustruojančios priemonės, naudojimas gerokai pakelia
susidomėjimą ir motyvaciją studijuoti mokomąjį dalyką.
Dauguma eksperimentų rezultatų grafiškai stebima realiame laike, todėl studentas gali operatyviai matyti
vienų fizikinių dydžių įtaką kitiems ir tokiu būdu lengviau suvokti fizikinį dėsnį. Procesų vaizdavimas
vizualiomis priemonėmis labai pagerina studijuojamo reiškinio suvokimo lygį, papildo teorinę medžiagą,
studijuojančius parengia darbui su realiais fiziniais instrumentais.
Mokydamiesi fizikos studentai įsisavina informacines technologijas, įgauna jo naudojimo sugebėjimų
sprendžiant taikomąsias užduotis, mokosi atlikti skaičiavimo darbus ir apdoroti rezultatus jau su parengtais
programiniais paketais (pvz., MatLab, Origin, Exel ir kt).
Automatizuoti eksperimentai taupo dėstytojų ir studentų laiką, priverčia giliau analizuoti fizikinių procesų
kitimą tiesiogiai laboratorinių eksperimentų metu ir efektyviai išnaudoti visą paskaitai skirtą laiką.
Informacinių technologijų naudojimas rodo aiškų studijuojamo dalyko suvokimo lygio didėjimą, motyvaciją
mokytis, paties dalyko patrauklumą, o tai kelia pasiūlytosios metodikos efektyvumą, palyginti su tradicine.
Literatūra
1. Ambrasas, V. Fizika. Elektros laboratoriniai darbai. Mokomoji knyga. Akademija, 2002. 83 p.
2. LD Didactic GmbH. CASSY Lab. Manual, pdf, LD Didactic GmbH, 2010.
3. Ferromagnetic hysteresis with Cobra3, prieiga per internetą http://www.phywe.com/461/pid/26445/Ferromagnetische-
Hysterese-mit-Cobra3-.htm (žiūrėta 2012 04)
67

The Influence of Experiment Automation on the Quality of Physics Laboratory Exercises
Summary. Information technologies are used for experimental data processing in the newly equipped physics
laboratory automated workstations. The article analyzes the impact of technologies use for students’ learning and
teachers’ work.
As an example a particular experiment "ferromagnetic hysteresis analysis” is analyzed; the computer based
methods are compared with the classical ones. The article describes the influence of the modern computer based physics
experiments on study quality. This article is based on the authors’ personal experience.
Key words: experiment automatization, information technology.
68