Способы компьютерной обработки экспериментальных данных для их визуального анализа на занятиях по физике

Приводится пример использования компьютерной визуализации для достижения образовательных целей. Рассматриваются два вида учебных экспериментальных установок для изучения полей физических величин, позволяющие получать визуальное представление распределения физической величины вдоль отрезка прямой и на плоскости.

Ключевые слова: компьютерная визуализация, поле физической величины, визуализация полей, обучение физике

Существует два понимания визуализации. В первом случае под визуализацией понимают генерацию изображений по входному сигналу. Например, по тексту требуется построить изображение. Во втором случае визуализация предполагает изображение элементов сигнала, либо структур, извлеченных из сигнала, для образовательных или аналитических нужд. В этой статье нас будет интересовать только второй вариант понимания этого термина.

Современные электронные датчики регистрируют различные процессы, причем многие полученные с их помощью данные сохраняются с большой степенью детализации. Эта информация представляет определенную ценность. Она может содержать в себе скрытые знания и закономерности, которые могут быть использованы при соответствующем анализе в различных областях человеческой деятельности [1, с. 11–13; 5, с. 11–12].

Существует много способов поиска машиной скрытых закономерностей в данных, но не стоит пренебрегать возможностями человека по анализу данных. Можно сочетать огромные вычислительные ресурсы современных компьютеров с творческим и гибким человеческим мышлением. Особенно это важно в обучении. Визуальный анализ данных человеком вовлекает его в процесс отыскания знаний в этих данных. Основная идея при этом заключается в том, чтобы представить большие объемы данных в удобной для восприятия обучающимся форме, где он смог бы увидеть то, что трудно или невозможно разглядеть в других ситуациях. Обучающийся, анализируя полученные данные, работает не непосредственно с ними, а с их визуальным представлением, старается с помощью этого представления понять их суть и сделать выводы.

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования распределения поля физической величины вдоль отрезка прямой

В связи с этим возникает необходимость в учебных компьютерных средствах отображения информации и результатов анализа (рис. 1). С помощью новых технологий обучающиеся будут способны оценивать полученную информацию. Визуальный анализ данных особенно полезен, когда о самих данных обучающемуся мало что известно и цели исследования ему до конца не понятны. За счет того, что обучающийся работает с данными, представленными в виде визуальных образов, которые он может рассматривать с разных сторон и под любыми углами зрения, в прямом смысле этого слова, он может получить дополнительную информацию, которая, в свою очередь, поможет ему получить новые знания [3]. Прямое вовлечение обучающегося в визуальный анализ имеет два основных преимущества перед автоматическими методами:

‒ визуальный анализ данных позволяет работать с неоднородными и зашумленными данными, в то время как не все автоматические методы позволяют работать с такими данными и давать удовлетворительные результаты;

Рис. 2. Экспериментальная установка для исследования распределения поля физической величины на плоскости

На наш взгляд, метод компьютерной визуализации необходимо применять систематически для учебных экспериментальных исследований полей физических величин, так как он является универсальным методом и позволяет изучать любые поля [3; 4]. Для этого могут быть использованы учебные компьютерные установки, которые включают датчик физической величины (аналоговый или цифровой), подключенный к компьютеру [2]. Экран компьютера является в этом случае визуализирующим устройством (рис. 1 и 2). При изучении одномерных полей используются направляющие, вдоль которых перемещается датчик (рис. 1) [4]. В случае двумерного поля датчик перемещается на плоскости (рис. 2). Трехмерные варианты учебных исследований, на наш взгляд, пока являются нецелесообразными в связи со сложностью восприятия обучающимися получающейся при этом картины распределения физической величины в пространстве.

Литература:

1. Грегори Р. Л. Разумный глаз / Р. Л. Грегори. Пер. с англ. Изд. 2-е. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — 240 с.
2. Данилов О. Е. Автоматизация учебных экспериментальных исследований / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2014. — № 12. — С. 43–49.
3. Данилов О. Е. Компьютерная визуализация как наглядный метод теоретического изучения полей физических величин / О. Е. Данилов // Педагогическое мастерство: материалы VIII междунар. науч. конф. (г. Москва, июнь 2016 г.). — М.: Буки-Веди, 2016. — С. 168–171.
4. Данилов О. Е. Экспериментальное изучение стоячей звуковой волны с помощью компьютерных технологий / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2014. — № 9. — С. 53–58.
5. Морозов А. Д. Визуализация и анализ инвариантных множеств динамических систем / А. Д. Морозов, Т. Н. Драгунов. — Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. — 304 с.