Проекты

Создание программного модуля для иллюстрации эмпирических распределений

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Информационные технологии. Программирование. Кибернетика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Образовательные технологии
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1589
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2020 года

Актуальность

Одной из задач экспериментальной физики является получение экспериментальных данных в результате выполняемых измерений. Измерения сопровождаются влиянием множества факторов – результат измерений всегда случаен.

Начинающие исследователи не уделяют должного внимания характеру получаемых экспериментальных данных и неосознанно используют понятия среднего значения и среднеквадратического отклонения для представления результатов измерений. Можно предположить, что с помощью современных вычислительных средств отображения и представления данных удастся проиллюстрировать важность учёта формы эмпирических распределений при обработке результатов.

Цель

Знакомство с эмпирическими распределениями и разработка виртуального прибора для имитации потока эмпирических данных с заданным законом распределения.

Задачи

  1. Получить общее представление о первичной обработке экспериментальных данных и методах измерения.

  2. Рассмотреть примеры дискретных и непрерывных случайных величин, встречающихся в физике, и способы их описания.

  3. Выбрать форму визуализации эмпирических данных и законов распределения. Разработать интерфейс виртуального прибора и программный код.

  4. Выполнить отладку программного модуля и показать возможность его использования для демонстрации эмпирических распределений

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Среда графического программирования LabVIEW в качестве среды программирования

Описание

В LabVIEW можно создавать виртуальные приборы, внешний вид и выполняемые действия которых имитируют реальные приборы. LabVIEW имеет удобный пользовательский интерфейс и использует графический язык программирования G. Программный код формируется в виде блок-схемы.

Любая программа, созданная в этой среде, представляет собой виртуальный прибор. Этот прибор включает лицевую панель и блок-схему. На лицевой панели размещаются элементы управления и элементы отображения (индикаторы). На блок-схеме задаются связи между элементами управления и индикаторами. Основные элементы программного кода выполнены в виде графических подпрограмм, имеющих входы и выходы. Задачей разработчика является сопоставление соответствующих входов и выходов с учётом типов данных.

В ходе выполнения работы был разработан программный код виртуального прибора «Эмпирические распределения». На лицевой панели прибора отображаются поток эмпирических данных и соответствующая ему гистограмма распределения. С помощью элементов управления можно выбирать тип распределения, изменять его параметры и менять число интервалов группирования.

Для формирования равновероятного, нормального и гамма-распределений использовались встроенные подпрограммы: Uniform White Noise.vi; Gaussian White Noise.vi; Gamma Noise.vi. Экспоненциальное распределение получается на основе равновероятного распределения. Статистические параметры распределений рассчитывались с помощью подпрограмм: Mode.vi; Standard Deviation and Variance.vi. Для отображения данных использовались графические индикаторы: Waveform Graf и XY Graf.

Иллюстрация работы программного модуля

Результаты работы/выводы

В ходе выполнения работы была достигнута поставленная цель и создан программный модуль, позволяющий воспроизводить непрерывные потоки данных, распределённых по равномерному закону, закону Гаусса, закону Эрланга и экспоненциальному закону.

Были решены следующие задачи:

  1. Установлено, что если на экспериментальные результаты влияет большое количество факторов, то, согласно ЦПТ, распределение данных будет подчиняться нормальному закону.

  2. Рассмотрены способы описания непрерывных случайных величин, имеющих разные законы распределения.

  3. Для представления эмпирических распределений создан программный модуль. В качестве среды разработки использовалась среда графического программирования LabVIEW.

Перспективы использования результатов работы

Разработанный программный модуль может использоваться для иллюстрации эмпирических распределений школьниками. В будущем планируется расширить возможности модуля. Например, добавить отображение распределения молекул идеального газа по скоростям.

Мнение автора

«Проект «Академический (научно-технологический) класс в московской школе» предоставляет учащимся новые возможности и наделяет ценными навыками. Учащиеся под руководством опытных наставников осваивают различные методы научных исследований, выдвигают гипотезы, получают новые знания и учатся самостоятельно обрабатывать результаты своих исследований.

Конференция «Наука для жизни» даёт юным исследователям бесценный опыт. Она позволяет предоставить результаты своей работы на обсуждение авторитетной комиссии, понять недостатки, оценить уровень работы и сформулировать направления дальнейших исследований. Также участие в конференции – это отличная возможность познакомиться с работами других учеников, обменяться знаниями, опытом и информацией.

В процессе работы над своим проектом было желание сделать что-то нужное, создать то, что имело бы практическую ценность. В режиме онлайн-обучения созданный виртуальный прибор приобрёл ещё большую значимость, ведь его можно демонстрировать ученикам и дистанционно.

В режиме дистанционного обучения работа может получить новый импульс развития. Если дополнить разработанный модуль возможностью выполнения практических заданий, тогда он мог бы стать основой для разработки виртуального лабораторного практикума»