Варианты использования компьютерных технологий для приближения учебного эксперимента к научному исследованию

Отзыв научного руководителя на магистерскую диссертационную работу

Марек Вероники Петровны

«Варианты использования компьютерных технологий для приближения учебного эксперимента к научному исследованию»»

Магистерская диссертационная работа «Варианты использования компьютерных технологий для приближения учебного эксперимента к научному исследованию» в определенно смысле является завершающим этапом ее шестилетней работы в области исследования новых подходов к использованию современных информационных и мультимедийных технологий в профессиональном обучении физике. На младших курсах бакалавриата выполняемые были в основном связаны с созданием электронного информационно-образовательного контента по материалам изучаемых ею курсов на базе имеющихся оригинальных оболочек, которые используются на физическом факультете при разработке электронных сборников. Ею были разработаны серии интерактивных обучающих тестов и ориентированный на углубленное изучение курса механики набор интерактивных Java-моделей, иллюстрирующих свободные и вынужденные колебания в системах с большим числом (N ≥ 3) связанных одномерных осцилляторов. Указанные материалы были включены в электронные сборники и используются сегодня при обучении студентов физического факультета СПбГУ и других университетов.

Традиционным направлением развития работ студентов в области компьютеризации является их постепенный переход к разработке нового программного обеспечения для электронного сопровождения разработки контента и создания компьютерных моделей в физике. В указанной области деятельность выполнила работу, включающую элементы эксперимента и посвященную апробации возможности использования технологий стереоскопической визуализации результатов компьютерного моделирования. Созданные с ее непосредственным участием компьютерные 3D модели и учебный стереоскопический фильм по структуре пространства Минковского используют проектирование четырехмерных изображений на трехмерное пространство, отображаемое методами стереоскопических визуализаций.

Параллельно с работами в области компьютерного моделирования и визуализаций на старших курсах бакалавриата начала активную деятельность в области реального физического эксперимента и его дополнения и сопровождения численным моделированием. Переход к деятельности такого рода был инициирован работой по созданию образовательного контента, посвященного хорошо известному эффекту отталкивания постоянных магнитов от сверхпроводящих поверхностей. При создании учебных электронных ресурсов в этой области был зарегистрирован эффект сильного гистерезиса сил отталкивания в случае использования многосвязных образцов высокотемпературной сверхпроводящей керамики. выполнила работу, включавшую экспериментальное исследование, отбор возможных моделей процессов частичного срыва высокотемпературной сверхпроводимости и численное моделирование системы с целью определения количественных характеристик явления.

Перечисленные результаты составили содержания бакалаврской работы и могли быть использованы как стартовый задел для магистерской работы. Однако была выбрана иная траектория учебно-исследовательской деятельности. Накопленный ею опыт сочетания экспериментальной работы и компьютерного моделирования был использован при постановке цикла работ по физике низкотемпературной плазмы на новом оборудовании, появившемся на физическом факультете СПбГУ в последние годы.

было создано мультимедийное описание канала импульсной оптической накачки многофункционального научного-учебного комплекса исследования вещества в газовой и кристаллической фазах. Полученные в ходе выполнения этой работы компетенции позволили Веронике осуществить численное моделирования пучкового эксперимента по изучению столкновительного перемешивания различающихся по спину состояний в группах близкорасположенных высоковозбужденных уровней гелия. Численное моделирование показало, что подобное исследование лежит на грани технических возможностей имеющейся установки. Постановка соответствующего эксперимента не была осуществлена по ряду организационных и технических причин, не зависящих от деятельности магистранта. Соответствующие комплексные измерения были выполнены вне СПбГУ в условиях газоразрядной ячейки с накачкой излучением импульсного лазера, аналогичного прототипу для подготовленного мультимедийного описания. Созданное программное обеспечение было использовано при выполнении квазиклассических оценок вероятностей индуцированных электронным ударом переходов с изменением спина в гелии через промежуточные n1,3F состояния. Полученные результаты свидетельствуют о существенной роли предложенного механизма в кинетике заселенностей высоковозбужденных состояний.

Приобретение физическим факультетом нового оборудования для учебного практикума поставило вопрос о создании современного мультимедийного описания для него. Возникшая задача полностью соответствовала имеющемуся у опыту работы. Для выполнения пилотного проекта создания пробного образца подобного мультимедийного описания магистрантом была выбрана работа, посвященная исследованию газового разряда в воздушной смеси при пониженных давлениях, соответствующая ее интересам, связанным с физикой плазмы. Созданный вариант мультимедийного описания дополнен видеофильмом с демонстрацией установки и методов работы на ней и набором интерактивных обучающих тестов для самоконтроля готовности обучаемых к работе на уязвимой высоковольтной установке. Выполнение основной части поставленной задачи не стало завершением работ в этой области. Запланированная разработчиками и поставщиками работа студентов на учебной установке предполагала по существу лишь их первое знакомство с газовым разрядом в результате его визуального наблюдения и качественного описания. были выполнены количественные измерения в объеме, допускаемом комплектацией установки, с целью создания углубленного варианта работы практикума, а так же контрольные высоковольтные измерения, устранившие возможность неоднозначных интерпретаций получаемых на оригинальной приборной базе результатов. Полученные экспериментальные результаты были сопоставлены с результатами выполненного магистрантом численного моделирования разряда в рамках упрощенной модели воздуха как двухкомпонентной газовой смеси (азот и кислород). Полученные вполне удовлетворительное для используемых сегодня моделей такого рода согласие по существу открывает новый вариант развития работ углубленного физического практикума для наиболее мотивированных студентов бакалавриата. Подобный «апгрейд» учебных лабораторных работ по существу означает их трансформацию в научные исследования, представляющие интерес для прикладной и фундаментальной науки.

Апробированный вариант «апгрейда» работ учебного практикума для студентов младших курсов был протестирован на еще одной новой учебной работе, использующей сложный физический объект, не допускающий простого теоретического описания: крыло в воздушном потоке, создаваемом аэродинамической трубой. Получаемые в рамках оригинального варианта работы зависимости подъемной силы крыла, его лобового сопротивления и отношения указанных сил от угла атаки позволяли учащимся лишь на качественном уровне познакомиться с соответствующим разделом аэродинамики. было предложено дополнение к работе, позволяющее получить зависимости перечисленных характеристик от скорости газового потока, и, что представляет наибольший интерес, сравнить полученные результаты измерений с численными моделями, использующими различные приближения и уточненные «подгоночные параметры».

Выполненные работы по созданию углубленного учебного практикума допускают свое развитие как в направления увеличения числа таких работ, так и в область улучшения уже использованных при моделировании теоретических моделей и дооснащения самих работ дополнительным оборудованием с целью дальнейшего приближения учебного эксперимента к научному исследованию. Представленные на конференции «Физика в системе современного образования – 2013» результаты и озвученные рекомендации по дальнейшему развитию учебных работ вызвали интерес у представителей фирмы-изготовителя LD-DIDACTC и прошли обсуждение на ее внутреннем Научно-методическом совете, давшим рекомендацию для начала разработки новой версии работы по газовому разряду.

Наконец, накопленный опыт работы и компетенции в области физики низкотемпературной плазмы позволили ей в инициативном прядке выполнить еще одно исследование, носящее междисциплинарный характер. Речь идет об измерении скоростей элементарных процессов в цитоплазме живой клетки, определяющих эволюцию микротрубочек цитоскелета и, следовательно, динамику развития клеток. Работы выполнялась на базе лаборатории Optique et Biosciences Высшей политехнической школы Парижа Ecole Plytechnique. Используя аналогии с уравнениями баланса числа частиц в низкотемпературной плазме, магистрантом были составлены аналогичные уравнения для вероятностей обнаружения трубочек заданной длины. Для получения входящих в уравнения скоростей присоединения молекулярных комплексов, гидролиза и обсуждаемого дополнительного механизма так называемого скалярного гидролиза был поставлен весьма сложный эксперимент, сочетающий использование современных биотехнологий и генной инженерии с оптическими методами наблюдений и измерений и численным моделированием. В результате были получены оригинальные результаты по скоростям процессов и показано, что в выбранным системах раковых клеток предполагаемые процессы скалярного гидролиза не играют сколько-нибудь существенного значения.

Т. о., в магистерской диссертации , посвященной решению имеющей методико-педагогический оттенок задачи исследования возможностей использования современных мультимедийных и компьютерных технологий для осуществления взаимопроникновения учебного и научного экспериментов в рамках традиционно декларируемого на физическом факультете принципа организации обучения в ходе привлечения студентов к научным исследованиям содержится не только отчет об успешном выполнении глобального задания, результаты которого уже внедряются в практику, но и получены оригинальные результаты, имеющие интерес для фундаментальной и прикладной науки. К сказанному следует добавить, что сам процесс обучения на физическом факультете так же представлял собой своеобразный методический эксперимент по исследованию возможностей привлечения студента к реальной исследовательской деятельности, начиная с первого семестра первого курса. Вероника с честью прошла это предложенное ей испытание, доказательством чему является наличие у нее более полутора десятка успешных выступлений на конференциях и публикаций в журналах.

Успешно выполненный комплекс работ, нашедший отражение в представленной ею магистерской диссертации свидетельствует о ее полном квалификационном соответствии званию магистра, а сама магистерская диссертация заслуживает самой высокой оценки.

Научный руководитель к. ф. – м. наук, доцент физического факультета СпбГУ