ФГБОУ ВО «Мордовский государственный педагогический институт имени М. Е. Евсевьева»

физико-математический факультет

направление подготовки 050100.65 «Педагогическое образование»

профиль «Физика.Информатика»

Физико-математический факультет

Кафедра информатики и методики обучения информатике

РЕФЕРАТ

«Виртуальные имитационные лаборатории»

Выполнил: студент 4 курса группы МДФ - 112 Янгличев Р.Р.

Проверила: Кормилицына Т.В.

Саранск 2016Содержание

Введение

Что такое «виртуальная лаборатория»?

Цель реферата рассмотреть виды виртуальных лабораторий, этот вопрос

актуален в настоящее время.

По определению В.В. Трухина, виртуальная лаборатория «представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. В первом случае мы имеем дело с так называемой лабораторной установкой с удаленным доступом, в состав которой входит реальная лаборатория, программно-аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства коммуникации. Во втором случае все процессы моделируются при помощи компьютера»

Итак, под виртуальными лабораториями понимается два типа программно-аппаратных комплексов:

1)Лабораторная установка с удаленным доступом - назовем такие комплексы дистанционные лаборатории

2)Программное обеспечение, позволяющее моделировать лабораторные опыты - виртуальные лаборатории (в узком смысле)

1. Виртуальные лаборатории

В чём состоят преимущества виртуальных лабораторий перед реальными?

Основными преимуществами виртуальных лабораторий являются:

1)Отсутствие необходимости приобретения дорогостоящего оборудования и реактивов. Из-за недостаточного финансирования во многих лабораториях установлено старое оборудование, которое может искажать результаты опытов и служить потенциальным источником опасности для обучающихся. Кроме того, в таких областях как, например, химия, кроме оборудования требуются также расходные материалы (реактивы), стоимость которых достаточно высока. Разумеется, компьютерное оборудование и программное обеспечение также стоит недешево, однако универсальность компьютерной техники и ее широкая распространенность компенсируют этот недостаток.

2)Возможность моделирования процессов, протекание которых принципиально невозможно в лабораторных условиях.· Наглядная визуализация на экране компьютера. Современные компьютерные технологии позволят пронаблюдать процессы, трудноразличимые в реальных условиях без применения дополнительной техники, например, из-за малых размеров наблюдаемых частиц.

3)Возможность проникновения в тонкости процессов и наблюдения происходящего в другом масштабе времени, что актуально для процессов, протекающих за доли секунды или, напротив, длящихся в течение нескольких лет.

4)Безопасность. Безопасность является немаловажным плюсом использования виртуальных лабораторий в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями или химическими веществами.

5)В связи с тем, что управлением виртуального процесса занимается компьютер, появляется возможность быстрого проведения серии опытов с различными значениями входных параметров, что часто необходимо для определения зависимостей выходных параметров от входных.

6)Экономия времени и ресурсов для ввода результатов в электронный формат. Некоторые работы требуют последующей обработки достаточно больших массивов полученных цифровых данных, которые выполняются на компьютере после проведения серии экспериментов. Слабым местом в этой последовательности действий при использовании реальной лаборатории является ввод полученной информации в компьютер. В виртуальной лаборатории этот шаг отсутствует, так как данные могут заноситься в электронную таблицу результатов непосредственно при выполнении опытов экспериментатором или автоматически. Таким образом, экономится время и значительно уменьшается процент возможных ошибок.

7)И, наконец, отдельное и важное преимущество заключается в возможности использования виртуальной лаборатории в дистанционном обучении, когда в принципе отсутствует возможность работы в лабораториях университета.

1.1. Примеры виртуальных лабораторий.

1.1.1. Виртуальные лаборатории STAR

STAR (Software Tools for Academics and Researchers) - программа Массачусетского технологического института (MIT) по разработке виртуальных лабораторий для исследований и обучения. Деятельность программы заключается в разработке обучающих и исследовательских приложений по общей биологии, биохимии, генетике, гидрологии, в области распределенных вычислений. Большинство приложений реализованы в java либо в html. Официальный сайт программы: star.mit.edu.

1)StarBiochem - 3D-визуализатор молекул белков. Имеет гибкую и подробную настройку. URL: star.mit.edu/biochem/index.html.

2)StarGenetics. - позволяет моделировать процессы скрещивания, изучать закономерности наследования моногенных признаков (т.н. законы Менделя). URL: star.mit.edu/genetics/index.html.

3)StarORF. - позволяет научиться идентифицировать так называемые открытые рамки считывания (англ - ORF - Open Reading Frame) - единицы в составе цепи ДНК или РНК, способные кодировать белок. URL: star.mit.edu/orf/index.html.

4)StarMolSim - это серия инструментов, моделирующая процессы молекулярной динамики. Каждый из инструментов имеет широкий набор входных значений и, аналогично, широкий набор выходных значений для анализа и исследования. URL: star.mit.edu/molsim/index.html.

5)StarBiogene - Набор инструментов по генетике. URL: star.mit.edu/biogene/index.html.

6)StarHydro - программный инструмент для моделирования гидрологических процессов. (не удалось запустить!). URL: star.mit.edu/hydro/index.html.

7)StarCluster - Набор инструментов для создания, настройки и управления кластерами виртуальных машин на веб сервисе Amazon's EC2 cloud. URL: star.mit.edu/cluster/index.html.

Дать оценку этим виртуальным лабораториям могут только соответствующие специалисты, однако можно с определенной долей уверенности утверждать, что они отличаются фундаментальностью, охватывают широкий круг задач в определенной сфере знаний, обладают богатым инструментарием.

1.1.2. Виртуальные лабаратории Vi rtuLab

VirtualLab - проект по разработке виртуальных лабораторных работ для учащихся по физике, химии, биологии, экологии. Виртуальные лабораторные работы реализованы при помощи технологии Flash. Отличаются узкой специализацией, в большинстве случаев линейностью опыта (вся последовательность действий и результаты опыта заданы заранее). Продукты VirtualLab имеют познавательную ценность и решают задачу проведения лабораторных работ при отсутствии необходимого оборудования.

Сайт проекта VirtuLab: www.virtulab.net/

Примеры лабораторных работ:

1)Изучение взаимодействия частиц и ядерных реакций

2)Сравнение молярных теплоемкостей металлов

3)Изучение закона Ома для полной цепи - Изучение закона Ома для полной цепи - Этап 2

4)Знакомство с образцами металлов и сплавов

5)Идентификация неорганических соединений

6)Изучение внешнего строения и многообразия членистоногих. Внешнее строение речного рака. Внешнее строение насекомого.

7)Исследование изменений в экосистемах на биологических моделях (аквариум)

8)Модель хищник-жертва Лотки-Вольтерры

1.1.3. Algodoo

Algodoo - программа предназначенная для физических 2D симуляций. Имеет очень богатый инструментарий для создания различных объектов, механизмов и систем с целью моделирования их физического взаимодействия и свойств. Например можно создать модель работающих часов, модель планетохода или пневматической винтовки.

Программа способна симулировать не только механические процессы, но и оптические, а возможность программирования при помощи скриптового языка Thyme позволяет создавать объекты с оригинальными физическими свойствами, различные функции, эффекты и явления. Также имеется возможность загружать рисунки: рисунок становится объектом симуляции и ему можно задать любые физические свойства.

Программа бесплатна.

Имеется хранилище algobox, где пользователи могут обмениваться своими моделями.

Официальный сайт: www.algodoo.com/

1.1.4. PhET

PhET - проект. разработанный Университетом Колорадо. Проект включает большое множество виртуальных лабораторий, демонстрирующих различные явлений в области физики, биологии, химии, математики, наук о Земле.

Опыты имеют высокую познавательную ценность и при этом очень увлекательны.

Примеры:

1) Color vision phet.colorado.edu/en/simulation/color-vision

2) Balancing Act phet.colorado.edu/en/simulation/balancing-act

3) John Travoltage phet.colorado.edu/en/simulation/travoltage

4) Sound phet.colorado.edu/en/simulation/sound

5) Radioactive Dating Game phet.colorado.edu/en/simulation/radioactive-dating-game

6) Build an Atom phet.colorado.edu/en/simulation/build-an-atom

7) Circuit Construction Kit (AC+DC) phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab

8) My Solar System phet.colorado.edu/en/simulation/my-solar-system

9) Photoelectric Effect phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric

10) Radio Waves & Electromagnetic Fields phet.colorado.edu/en/simulation/radio-waves

11) Glaciers phet.colorado.edu/en/simulation/glaciers

1.1.5. Wolfram Demonstrations Project.

Цель проекта Wolfram Demonstrations Project - наглядная демонстрация концепций современной науки и техники. Wolfram претендует на роль единой платформы, позволяющей создать объединенный каталог онлайновых интерактивных лабораторий. Это, по мнению его разработчиков, позволит пользователям избежать проблем, связанных с применением разнородных обучающих ресурсов и платформ разработки.

Для просмотра демонстраций понадобится скачать и установить специальный Wolfram CDF Player

На текущий момент (июль 2013 г.) Wolfram Demonstrations Project обладает внушительным каталогом - примерно 8900 интерактивных демонстраций.

Каталог проекта состоит из 11 основных разделов, относящихся к различным отраслям знания и человеческой деятельности. Здесь есть крупные физические, химические и математические разделы, а также посвященные технике, инженерному делу, социальным наукам.

Примеры:

1) RadialEngine demonstrations.wolfram.com/RadialEngine/

2) 3D Skeletal Anatomy of the Arm demonstrations.wolfram.com/3DSkeletalAnatomyOfTheArm/

3) Epidemic Spread and Transmission Network Dynamics demonstrations.wolfram.com/EpidemicSpreadAndTransmissionNetworkDynamics/

4) Optimizing the Counterweight Trebuchet demonstrations.wolfram.com/OptimizingTheCounterweightTrebuchet/

5) A Special Case of the Sum of Two Cosines demonstrations.wolfram.com/ASpecialCaseOfTheSumOfTwoCosines/

6) Keynesian Cross Diagram demonstrations.wolfram.com/KeynesianCrossDiagram/

1.1.6. The ChemCollective

Проект The ChemCollective, посвящен изучению химии.

1) The Virtual Lab: www.chemcollective.org/vlab/vlab.php. Отличительной особенностью лаборатории является то, что отсутствуют какие-либо задания, пользователю предоставлена свобода действий

Прочие продукты проекта представляют собой лабораторные проекты, посвященные определенным темам и касаются таких разделов химии как стехиометрия, термохимия, теория кислот и оснований, аналитическая химия и др. Примеры:

1) Identifying an Unknown Liquid from its Density chemcollective.org/activities/vlab/69

2) Predicting DNA Concentration chemcollective.org/vlab/81

3) Coffee Problem chemcollective.org/vlab/91

4) Cobalt Chloride and LeChatlier's Principle chemcollective.org/vlab/85

5) Standardization of NaOH with a KHP solution: Acid Base Titration chemcollective.org/vlab/101

6) Creating a Buffer Solution chemcollective.org/vlab/104

1.1.7. Виртуальные лаборатории teachmen.ru

Проект teachmen.ru разработан специалистами Челябинского государственного университета и полностью посвящен физике. Помимо собственно лабораторных работ, здесь можно также найти лекции с наглядными интерактивными элементами.

Примеры лабораторных работ:

1) Закон сохранения и изменения импульса teachmen.ru/work/mech/momentum1.html

2) ТЕПЛОТА. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. РАБОТА teachmen.ru/work/molec/law1/index.html

3) Безопасная радиация teachmen.ru/work/r_safety/ecology.php

1.1.8. Late Nite Labs

Это серия платных виртуальных лабораторий по химии, биологии и микробиологии. Стоимость доступа - около 50$ на студента в семестр.

Виртуальная лаборатории оформлены в виде 3D мира. Адрес: Latenitelabs.com

Демонстрационные версии лабораторных работ:

1) Лабораторная работа по химии - https://latenitelabs.com/lms/index.php?standalone=3&labid=271&labsectionid=0&nologin=true#

2) Лабораторная работа по биологии - https://latenitelabs.com/lms/index.php?standalone=3&labid=712684961&labsectionid=0&nologin=true#

3) Лабораторная работа по микробиологии - https://latenitelabs.com/lms/index.php?standalone=3&labid=733071681&labsectionid=0&nologin=true

1.1.9. ChemLab

Программное обеспечение для моделирования лабораторных работ. Официальный сайт: modelscience.com

2.Дистанционные лаборатории

The Labshare Institute (LBI)

Адрес проекта: www.labshare.edu.au

Labshare - консорциум, созданный по инициативе министерства образования, занятости и трудовых отношений Австралии и включающий в себя 5 технических ВУЗов Австралии. Цель проекта - создание национальной сети удаленных лабораторий.

Примеры установок:

1) Coupled Tanks - Generation II www.labshare.edu.au/catalogue/rigtypedetail/?id=1&version=2

2) Engineering Geology www.labshare.edu.au/catalogue/rigtypedetail/?id=20&version=1

3) iRobot www.labshare.edu.au/catalogue/rigtypedetail/?id=15&version=1.1 4) Loaded Beam www.labshare.edu.au/catalogue/rigtypedetail/?id=8&version=1

2.2. MIT iCampus iLabs

icampus.mit.edu/projects/ilabs/

Заключение

</<font face="Times New Roman, serif">Мы рассмотрели виды виртуальных лабораторий и выяснили положительные и отрицательные стороны каждой лаборатории. Цели поставленные в начала рефераты были достигнуты.

Список использованной литературы

1 А.В. Трухин. «Об использовании виртуальных лабораторий в образовании» // Открытое и дистанционное образование. - 2002. - № 4 (8) .

15