Проведение дистанционных практических туров олимпиад по

Тезисы
Проведение дистанционных практических туров
олимпиад по физике
Нами разработан пилотный вариант системы проведения практических туров
олимпиад по физике (механика, электричество) на основе использования компьютерных
моделей, позволяющий решить эту проблему. Модели созданы с помощью программного
комплекса BARSIC (Business And Research Scientific Interactive Calculator) [1-8] и
предназначены для проведения на локальном компьютере или через WWW практических
туров местных, городских и региональных олимпиад школьников 7-11 классов.
При проведении дистанционных практических туров необходимо не только
достигнуть максимального правдоподобия компьютерных моделей реальным аналогам, но
и учесть ряд других факторов. С нашей точки зрения проведение экспериментальных
работ отличается от решения теоретических задач тем, что в реальной системе:
 Существует очень большое количество вариантов возможных действий
пользователя, причём заранее трудно предсказать, какая последовательность
приведёт к правильным результатам.
 Имеется гораздо большее число параметров эксперимента, чем в явном виде задано
в условии. Например, существует большое количество (неопределённое) внешних
факторов с заранее неизвестными значениями. Так, в механических системах
существует трение, параметры которого неизвестны, вибрации, неровности
поверхности и т.п. В электрических системах имеются помехи, паразитные
ёмкости, паразитные индуктивности и т.п.
 Одним из необходимых навыков в экспериментальной работе является выбор
учащимся необходимых инструментов для исследования, а также конструирование
необходимой системы (механической конструкции, электрической схемы и т.д.).
В связи с этим нами были разработаны две группы программ-конструкторов, по
механике и по электричеству, позволяющие формировать различные конфигурации
физических систем, и задавать большое количество параметров объектов в этих системах.
Кроме того, система позволяет проводить тестирование в двух различных режимах:
как в широко распространенном режиме выбора ответа из нескольких вариантов или в
виде числа, так и в режиме ввода ответа в виде формулы.
Создана также система, позволяющая регистрировать результаты участников
непосредственно в процессе их работы. Данная система в автоматическом режиме
формирует протокол, в котором фиксируется количество баллов начисленное каждому
участнику за каждое выполненное задание.
Описание
используемых
технологий
Перед использованием виртуальной лаборатории для выполнения практических
заданий на клиентском компьютере должна быть инсталлирована исполняющая среда –
проигрыватель BARSIC. Этот проигрыватель позволяет минимизировать объем
пересылаемых по сети файлов. Он распространяется свободно и выложен на
олимпиадный сайт.
Стоит упомянуть о безопасности данных в разработанной системе. Участники
олимпиады отсылают на сервер только результаты своих измерений, а обработка этих
результатов ведётся на сервере. Внутри программы параметры системы, конечно,
имеются. Однако они не задаются в таком виде, который может быть обнаружен
пользователем.
Программы для выполнения заданий экспериментального тура (исполняемые
файлы среды BARSIC) генерируются с помощью программ-конструкторов, написанных
на языке BARSIC. Конструкторы позволяют организаторам олимпиад выбирать тип
задания, после чего устанавливать число и различные параметры изучаемых объектов и
инструментов, используемых в задании. Об этих конструкторах будет подробно
рассказано далее.
Пример задания: «Определение плотности тел» (“Корона Гиерона”)
Преамбула: легенда о том, что к Архимеду, жившему в Сиракузах, обратился правитель
этого города Гиерон II с просьбой проверить, не заменил ли мастер, сделавший ему
золотую корону, часть золота на серебро.
У золота и серебра разная плотность, поэтому для прямоугольного слитка легко
определить, сколько в нём золота, а сколько серебра.
Проблема заключалась в том, что корона была сложной формы. Архимед решил эту
проблему с помощью погружения короны в жидкость и наблюдения, какой объём
жидкости она вытеснит.
Цель работы: максимально точно определить процентное содержание золота и серебра в
короне.
Дано (рис.4):
- Корона
- Набор грузов по 2 гирьки каждого номинала, при этом 3 наименьших номинала (0.1,
0.2 и 0.5 г) не подписаны.
- Рычажные весы
- Два слитка неправильной формы – золотой и серебряный
- Большой мерный сосуд с двумя сливными трубками кранами (неподвижный)
- Малый мерный сосуд – мерный стакан (его можно перемещать, а также выливать из
него воду в большой сосуд)
- Раковина с отверстием, куда утекает вылитая вода
- Большой и маленький краны для наливания воды в сосуды
Рис.4. Внешний вид работы “Корона Гиерона”
Работа состоит из нескольких этапов:
1) Узнать массу неподписанных грузов
2) Определить массу серебряного и золотого слитков
3) Определить их объём и, значит, плотность
4) Определить массу короны
5) Определить её объём и, значит, плотность
Имеется несколько “подводных камней”:
1) Узнать объем тела можно путём его погружения в большой мерный сосуд и
считывания показаний по шкале. Однако такие измерения дадут очень низкую
точность
2) Более точно измерить объем тела можно путём его погружения в большой мерный
сосуд в случае, если вода налита доверху. При этом вода выливается через верхнюю
трубку, и её можно собрать в малый мерный сосуд. По рискам в этом сосуде объём
можно измерить точнее.
3) Самым точным способом измерения объема тела является измерение веса вылившейся
воды.
В результате надо будет ввести:
1. массы неподписанных грузов
2. массу, объём и плотность серебряного и золотого слитков
3. массу, объём и плотность короны
4. процентное содержание золота и серебра в короне
В зависимости от желаемого уровня сложности можно включать или не включать
некоторые из перечисленных пунктов в задания.
По каждому из выполненных пунктов по мере выполнения заданий может отсылаться
отчёт и, соответственно, вестись протокол на сервере. При этом программа будет
сообщать участвующему в олимпиаде об уровне выполнения задания (отличная, хорошая,
удовлетворительная или неудовлетворительная точность измерения данного параметра).
Выбранный подход позволяет для одной и той же модели (без изменения клиентской
программы) менять содержание заданий и формы отчетов, отсылаемых на сервер, в
зависимости от параметров, установленных для серверного программного обеспечения.
Подготовка заданий для олимпиад – редактор заданий по разделу
“Механика”
Важной частью разработанной системы является редактор заданий, позволяющий
организаторам олимпиад создавать разнообразные варианты однотипных задач,
различающихся размерами, формой, весом и цветом тел.
Рис.5. Внешний вид редактора заданий в режиме выбора типа задания
При необходимости можно отредактировать параметры модели. На рис.6 приведён
пример экрана редактора олимпиадных заданий для задания “Корона Гиерона”.
Во время работы модели все элементы можно перетаскивать “мышью” – кроме тех,
для которых при редактировании задания отмечен пункт “ Фиксированное положение на
столе ”. В этом случае элемент нельзя перетаскивать, и он располагается там, куда был
помещён во время редактирования.
У тела, выделенного щелчком “мыши”, можно задавать параметры (размеры, вес и
т.п.). Кроме того, на каждое тело можно нанести надпись, которая, в отличие от
независимой надписи, не является самостоятельным элементом. Она будет перемещаться
вместе с телом. А если размеры тела меняются – масштабироваться вместе с ним.
В процессе редактирования олимпиадного задания можно добавлять новые
элементы.
Подготовка заданий для олимпиад – редактор заданий по разделу
“Электричество и магнетизм”
В редакторе заданий (рис.11) можно изменять различные характеристики
исследуемых систем. Например, наличие тех или иных приборов и элементов, их
начальное расположение, номиналы элементов и т.д.
В редакторе заданий можно устанавливать параметры приборов. Для генератора
переменного тока и источника напряжения – возможность регулировки напряжения во
время работы модели, максимальное выходное напряжение (для генератора эффективное), внутреннее сопротивление. Для генератора дополнительно задаётся
возможность регулировки частоты во время работы модели. У мультиметров задаются
возможности измерения напряжения, тока и сопротивления во время работы модели.
Кроме того, задаётся входное сопротивление и входная емкость мультиметра в режиме
измерения напряжения и внутреннее сопротивление в режиме измерения тока.
Во время работы модели можно изменять не только положение мультиметра, но и
его размер. Для этого служат белые стрелки в его левом верхнем углу.
Рис.11. Редактор заданий по разделу “Электричество и магнетизм”
У всех элементов имеется область для показа надписи. При щелчке “мышью” в
этой области появляется диалог установки параметров элемента. В нем можно задавать
тип элемента (сопротивление, конденсатор, индуктивность), его номинал и надпись на
элементе. Кроме того, имеется возможность выбора, можно ли при выполнении модели
изменять параметры элемента и надпись на нём (рис.12).
Апробация дистанционного практического тура олимпиад
В феврале 2005 году модель “Корона Гиерона” была апробирована в рамках IX
Международного турнира по компьютерной физике, проведившегося Интеллектклубом «Глюон» с 5.02.05 по 13.02.05 в г. Пущино Московской области.
По мнению жюри, все участники конкурса с большим интересом отнеслись к
выполнению заданий, при выполнении которых им было необходимо использовать
виртуальную
лабораторию.
Команды
школьников
собрали
виртуальные
экспериментальные установки, провели исследования, проверили свои соображения и
подготовили ответы на вопросы конкурсов.
В Ноябре 2005 в Центр «Интеллект» для одаренных детей Лен. области (Лисий нос)
проведен практический тур олимпиады с использованием данной системы. В олимпиаде
приняли участие 60 школьников 10–11 классов.
В настоящее время в Кировском районе проведена подготовка дистанционной
практической олимпиады. Приняты заявки от 17 школ (около 300участников). Олимпиада
будет проведена 14 декабря.
Олимпиады и конкурсы с использованием компьютерных моделей имели
несомненный успех. Все школьники с большим интересом проводили эксперименты и
искали ответы на поставленные вопросы и задачи. Безусловно, экспериментальная
деятельность с использованием виртуальной лаборатории повышает интерес
школьников к изучению физики и является дополнительным мотивирующим
фактором.
Пример протокола олимпиады
Протокол формируется системой в автоматическом режиме. Возможна сортировка
списка участников как по алфавиту, так и по рейтингу.
Ф.И.О.
(Логин)
Тест:
Кинематика
Тест:
Динамика
Изм.
массу
тел
7
Измерить
объем
жидкостей
4
Измерить
плотности
жидкостей
8
Корона
Гиерона
Всего
№
10.71
Определить
номиналы
гирь
12
Косульников
Сергей
Маслова
Александра
Казак
Светлана
Воробьев
Виктор
Неплохов
Иван
Овсянников
Матвей
Безъязычный
Евгений
Петров
Алексей
Чепилко
Никита
Воропаев
Роман
Чекмарева
Яна
Кузьмина
Елена
Лутков
Александр
Копин
Дмитрий
Кухаренко
Роман
Шилков
Владислав
Шкиря Денис
Замараев
Дмитрий
Сагайдаченко
Мария
Пахомов
Роман
Постников
Вячеслав
Прокофьев
Павел
Конев Леонид
Еншанова
Василиса
Валикова
Анастасия
Лазарев
Роберт
17.65
28
87.36
1.
17.65
10.71
12
6
4
8
28
86.36
2.
15.88
13.57
12
7
4
8
25
85.45
3.
15.29
13.57
12
5
4
7
28
84.86
4.
18.82
12.86
12
4.29
3
5
28
83.97
5.
12.94
10
12
7
4
8
28
81.94
6.
14.12
11.43
12
7
3
5.25
28
80.8
7.
14.71
12.14
10
7
3
4.5
28
79.35
8.
17.65
16.43
10
4
3
7
21
79.08
9.
17.06
13.57
12
5
4
7
20.28
78.91
10.
14.12
11.43
6
7
4
7
27
76.55
11.
12.94
13.57
12
5
4
8
20.28
75.79
12.
11.18
10.71
7.33
7
4
7
28
75.22
13.
19.41
15.71
12
7
4
8
9
75.12
14.
8.24
7.86
12
7
4
8
28
75.1
15.
9.41
7.14
10
7
4
8
28
73.55
16.
13.53
8.24
10.71
10
12
12
5
7
4
4
8
6
20.28
26
73.52
73.24
17.
18.
8.24
12.86
12
7
3
8
20.28
71.38
19.
9.41
7.86
8.33
5
3
7
28
68.6
20.
7.65
9.29
11
6
4
3
27
67.94
21.
8.82
7.14
12
0.86
4
6
27
65.82
22.
8.82
7.65
10.71
8.57
8
11
3
6
4
3
7
3
21
22.41
62.53
61.63
23.
24.
12
7
4
8
21
52
25.
5.5
4
4
12.55
33.7
26.
7.65