Wirtualne laboratorium elektrotechniczne na lekcji fizyki i techniki

Analizując programy nauczania fizyki i techniki oraz publikacje nauczycieli tych przedmiotów stwierdziłem, że duża część zagadnień związana jest z szeroko rozumianą elektrotechniką.

Ze swego doświadczenia zawodowego wiem, że lekcje urozmaicone zajęciami praktycznymi budzą większe zainteresowanie, a wiedza lepiej przyswajana. Zwłaszcza zajęcia z fizyki powinny być wzbogacone wieloma doświadczeniami. Wykonanie doświadczeń związanych z elektrotechniką wymaga zakupu wielu kosztownych przyrządów pomiarowych takich jak: multimetry, oscyloskopy, generatory itp. W szkole, w której uczę, mam możliwość korzystania z tych urządzeń ponieważ istnieje technikum elektroniczne, posiadające dobre wyposażenie techniczne. Natomiast w gimnazjach i szkołach o profilu ogólnym lub technicznym (nie elektrycznym) takiego wyposażenia zapewne nie ma, a nauczyciel fizyki czy techniki nie zawsze właściwie je wykorzystuje. Pozostaje, więc sucha teoria i rozwiązywanie zadań z treścią.

Uważam, że nie musi tak być. Każdy nauczyciel musi wykazać się znajomością technik komputerowych, więc wiedzę w tym zakresie posiada, albo musi ją nabyć. Większość szkół szczyci się dobrze wyposażonymi pracowniami komputerowymi i z dostępem do komputerów nie ma problemów.

Dlatego też chciałbym przedstawić nauczycielom fizyki i techniki alternatywną propozycję zajęć teoretycznych, mianowicie wirtualne laboratorium z wykorzystaniem komputera. Takim wirtualnym laboratorium są programy symulacyjne układów elektronicznych. Wykorzystuję je od wielu lat na swoich zajęciach z przedmiotu pracownia elektroniczna i mam w tym zakresie duże doświadczenie, którym chcę podzielić się z innymi.

Zamiast wykonywania manualnego doświadczeń z układami elektronicznymi na stole montażowym w pracowni, uczeń, student lub hobbysta posiądzie równie duże umiejętności trzymając dłonie na klawiaturze komputera. W porównaniu z montowaniem i sprawdzaniem układów na stole, symulacja komputerowa oferuje następujące zalety:
- zwiększa szybkość montażu i modyfikacji układów oraz ich badanie,
- posiada wirtualny magazyn z olbrzymią ilością elementów o wszystkich możliwych parametrach,
- nie istnieje niebezpieczeństwo spalenia lub uszkodzenia jakiegokolwiek elementu lub przyrządu,
- możliwe jest korzystanie z nieograniczonej liczby przyrządów pomiarowych, generatorów sygnałowych, oscyloskopów,
- możliwa jest precyzyjna podstawa czasów,
- spowolnienie działania układów umożliwia dokonywanie obserwacji i sporządzenie notatek i opisów
- jest dostęp do pełnych wyników pomiarów.

Oferowane w handlu rozmaite zestawy symulacyjne prawie bez wyjątku wykorzystują program SPICE jako rdzeń pakietu, natomiast różnią się w szczegółach wprowadzania układu, jego analizy oraz obrazowania wyników. Płatne wersje są bardzo drogie. Ceny ich sięgają nawet kilku tysięcy dolarów. Natomiast do wykorzystania jako laboratorium wirtualne na lekcji, w zupełności wystarczą bezpłatne wersje demo tych programów.

Istnieje duży wybór elektronicznych programów symulacyjnych. Są to m. in:
Multisim (Elektronics Workbench) www.electronicsworkbench.com
MicroCap www.spectrum-soft.com
CircuitMaker www.microcode.com
Pspice www.orcadpcb.com
ElekroSym www.evatronix.com.pl

Myślę, że do zastosowań z fizyki i techniki najlepiej nadają się programy, które oferują wirtualne przyrządy pomiarowe. Należą do nich programy Electronics Workbench oraz jedyny w tym wykazie program polski ElektoSym. Szczególnie polecałbym ten ostatni. Główną jego zaletą jest to, że posiada polską wersje językową, ma bardzo dobra instrukcję obsługi połączoną z wersją instalacyjną oraz nie wymaga komputera o dużej mocy obliczeniowej.

Niżej chciałbym przedstawić kilka zastosowań tego programu do zagadnień związanych z elektrotechniką zawartych programie nauczania fizyki w szkole średniej. Rysunki przedstawiają badanie podstawowych praw elektrotechniki: prawa Ohma i dwóch praw Kirchhoffa. Są to proste schematy prezentujące możliwości programu. Każdy z tych programów ma ogromne możliwości wykraczające poza poziom szkoły średniej.

Rys.1 Badanie prawa Ohma, lub pomiar rezystancji metodą techniczną

Rys.2 Badanie praw Kirchhoffa

Rysunki przedstawiają zrzuty ekranowe programu ElektroSym. Z lewej strony znajduje się półka z elementami, przewodami i przyrządami. W centralnej części mamy stół montażowy z połączonym schematem. Natomiast z prawej - wyświetlacze przyrządów pomiarowych. Czyż nie jest to wirtualne laboratorium?

Celem tego artykułu, nie jest nauczenie obsługi programu, lecz przedstawienie możliwości uatrakcyjnienia prowadzenia lekcji. Obsługa programu nie powinna sprawiać kłopotów dla kogoś, kto miał wcześniej doczynienie z komputerem.

Jestem pewien, że wirtualne laboratorium w dużej mierze ułatwi zdobywanie wiedzy, komputer na fizyce może być atrakcyjnym elementem pracy ucznia. Natomiast nauczyciel wprowadzający ten program na swoich zajęciach może zwiększyć skuteczność nauczania i wpłynąć na rozwijanie technicznych zainteresowań ucznia wykraczających poza obowiązkowy program nauczania.

 

Opracowanie: Bogdan Werpachowski
nauczyciel przedmiotów elektronicznych
w Zespole Szkół nr 5 w Suwałkach

Wyświetleń: 3369