Компьютерная графика в сопровождении лекции ''Собственная и примесная проводимость полупроводников''

Компьютерная в сопровождении лекции Ôèçè÷åñêîå графика îáðàçîâàíèå â âóçàõ. Ò. 10, ¹ 4, 2004 «Собственная и примесная проводимость полупроводников»

81

Компьютерная графика в сопровождении лекции «Собственная и примесная проводимость полупроводников» В.В. Леменкова, Ф.А. Сидоренко Уральский государственный технический университет – УПИ 620002, Екатеринбург, Мира, 19, кафедра физики e$mail: [email protected] , [email protected], [email protected] Рассматриваются методические особенности анимированной компьютерной графики, используемой для сопровождения лекции. Графический материал подготовлен с использованием приложения Microsoft PowerPoint.

Компьютерные технологии открывают широкие возможности для развития методики преподавания физики и могут наполнить новым содержанием даже традиционные аудиторные формы работы, например, лекции. Применение компьютера на лекциях становится не только возможным, но теперь уже и необходимым. Одной из таких возможностей является лекция с использованием компьютерной графики [1, 2]. Для создания лекционных презентаций можно использовать широко известное и распространённое приложение «Microsoft PowerPoint». По количеству возможных изобразительных и анимационных эффектов оно конкурирует со многими авторскими инструментальными средствами разработки мультимедийных приложений. Программа позволяет создавать как линейные последовательности простых слайдов, подобных традиционным фотографическим, так и полнофункциональные мультимедийные презентации с развитыми средствами навигации, яркими анимационными эффектами [3]. Основной единицей компьютерного графического сопровождения лекции является кадр или слайд визуального представления учебной информации. Сравнение таких программных средств подготовки электронных учебных материалов, как «WebCT», «ToolBook II Instruktor», «Author Wary», «PowerPoint», позволяет сделать выбор в пользу последнего [4]. Это обусловлено, прежде всего, широким распространением этого приложения, быстротой освоения преподавателями$предметниками, достаточно большими возможностями анимации предоставляемого материала, возможностью импорта различных графических приложений, кино$ и звуковых файлов [2,4]. Приложение PowerPoint (версия 2002) Microsoft Office позволяет создавать презентации с использованием достаточно богатой анимации. На слайдах можно изобразить «живые» формулы, рисунки, схемы, чертежи, вставить объёмные изображения, использовать 3D$графику, анимацию и видеофрагменты. Кроме того,

82

В.В. Леменкова, Ф.А. Сидоренко

данное приложение позволяет показать рисунки в движении, формулы можно выделить цветом и объёмом, использовать всплывающие подсказки, стрелки; там, где это оправдано, можно использовать звук. Из презентаций, подготовленных в программе «PowerPoint», можно вызывать другие программы, делать переходы на адреса Интернета, а также выполнять сложные программируемые действия за счёт использования языка Visual Basic – стандартного средства расширения возможностей пакетов Microsoft за счёт высокоуровневого программирования. Эти и многочисленные другие инструментальные возможности делают данную программу лидером в области мультимедийных презентаций, а наличие русскоязычной версии решает все проблемы, связанные с её локализацией [3]. Существенно, что данное приложение пользовательское, не требующее специальных навыков программирования. Нами подготовлен графический материал по теме курса физики для технических специальностей «Собственная и примесная проводимость полупроводников». В созданной презентации 40 слайдов, на которых представлена тема лекции, основные положения, очень краткие текстовые комментарии. Большая часть презентационного материала занята авторскими рисунками, схемами, формулами, импортированными из учебных пособий и другой доступной литературы. В данной презентации большая часть схем, формул, рисунков анимирована. При этом временная последовательность построения изображения на экране соответствует темпу обычного построения этих рисунков или схем мелом на доске. Пошаговый вывод картинок на экран осуществляется лектором и помогает ему раскрывать физическое содержание темы. При создании слайдов были учтены эргономические требования визуального (зрительного) восприятия информации. К основным требованиям этого типа относятся разборчивость шрифтов обозначений и надписей, отсутствие агрессивных полей и неприятных ощущений при динамическом воспроизводстве графических объектов, правильное расположение информации в поле восприятия, отсутствие цветового дискомфорта, оптимальное соотношение яркости графиков и основного фона, отсутствие засорения мелкими деталями главного материала [5]. Аппаратом зрения является глаз – орган чувств со сложным анатомическим строением. Световые волны, отражаемые предметом, преломляются, проходя через хрусталик глаза, и фокусируются на сетчатке в виде изображения. Выделяются две большие группы зрительных ощущений: 1) ахроматические – отражают переход от белого к чёрному через массу оттенков серого цвета; 2) хроматические – отражают цветовую гамму с многочисленными оттенками и переходами цветов. Восприятие цвета значительно обогащает познавательные способности человека. В цветовых

Компьютерная графика в сопровождении лекции «Собственная и примесная проводимость полупроводников»

83

ощущениях ярко выражается эмоциональный тон. Не случайно говорят о тёплом или холодном цвете [6]. Показано, например, что голубой цвет связан с открытым пространством, даёт ощущение потока информации извне, поэтому не случайно именно голубой цвет выбран в качестве фона для слайдов представленной презентации. Красный цвет вызывает возбуждение, чувство тревоги, поэтому красные оттенки использованы для тех символов, линий и изображений, на которые в данный момент лекции должен быть сделан акцент. Зрительный анализатор позволяет различать яркость цвета и этим способствует вычленению предмета из фона. Чёрное на белом или белое на чёрном очень хорошо заметно. Этот закон контраста лежит в основе различения плоскостных изображений. Чем слабее освещён предмет, и чем дальше он расположен от зрителя, тем большим должен быть контраст для безошибочного различения раздражителей [6]. Данные требования представления визуальной информации успешно реализуются в презентационной лекции. Голубой фон выбран достаточно светлым, чтобы на его фоне формулы и рисунки, выполненные в основном в чёрном, синем, красном, жёлтом цвете были отчётливо видны. А сами картинки достаточно контрастны (и контраст усиливается по мере необходимости используемой анимацией) даже для «галёрки», где располагается на лекции, если не основная, то весьма значительная часть студенческой аудитории. Данная презентация по курсу физики создана с учётом также и методологических требований, предъявляемых к теоретическим образам, которые используются для перекодировки вербализованной информации об абстрактных объектах в наглядно$образные при построении слайдов [7]. Отметим лишь основные требования, которые были учтены в данной презентации: – теоретические образы не являются застывшими, статическими, а представляют собой динамически развивающиеся события; – при этом они развиваются дискретно, «обрастая» небольшими порциями информации, которые по своему объёму должны приближаться к объёму кратковременной памяти человека; – материал на слайдах структурирован таким образом, что каждая новая порция информации обеспечивает изучение какого$либо одного существенного признака (одной группы признаков) изучаемого объекта, отвлекаясь при этом от изучения других его свойств; – при переходе от одних образов к другим использованы специфические особенности компьютерной техники (выделение цветом, изменение размеров и шрифтов, анимация, звук); – каждый новый теоретический образ содержит в себе следы предыдущих,

84

В.В. Леменкова, Ф.А. Сидоренко

что обеспечивает преемственность информации, улучшает качество её запоминания; – помимо теоретического понятийного мышления активируется образное мышление обучающихся и привлекаются механизмы практических видов мышления (наглядно$образного и наглядно$действенного); – теоретические образы развиваются (появляются на экране) по мере поступления «запросов» как со стороны лектора, так и со стороны студента при работе в индивидуальном темпе; – символы непосредственно привязаны к наглядным изображениям и остаются на экране необходимое время (например, до конца работы со слайдом); – все теоретические образы созданы с учётом требований эргономики, эстетики, особенностей психологии зрительного восприятия (о чём говорилось выше) и, по возможности, приближаются к уровню художественного искусства. Отметим ещё ряд преимуществ такой лекции. Наряду с важностью зрительного восприятия в обучении большую роль играет слуховое восприятие. Как показано в [8], смысл любого сообщения при живом разговоре собеседников на 7% передаётся словами (вербально), на 38% – интонацией говорящего и более 50% – передаётся мимикой, жестами, позой говорящего. В речи каждого человека его эмоциональное состояние выражается в интонации, ритме, темпе, паузах, повышениях и понижениях голоса, разрывах, что находит прямой отклик у аудитории. Поэтому на любой лекции огромное методическое значение имеет постановка аудиосопровождения. В видеофрагментах, телелекциях и видеолекциях используется закадровый голос диктора, который, естественно, не подчиняется принципу «обратной связи», то есть никак не реагирует на состояние аудитории. А полное отсутствие визуально$психологического контакта с лектором является существенным недостатком. Этот недостаток легко устраним при чтении лекции с использованием презентаций. На такой лекции основным источником информации выступает лектор, а слайды подчинены логике лекции и помогают студентам воспринимать материал и вести конспект. Важно при этом, чтобы лектор хорошо представлял себе содержательную сторону не только слайда, предъявляемого в данный момент, но и предстоящую последовательность зрительных образов. Восприятие, осмысление и запоминание материала существенно зависит от характера его изложения. Основы прочного усвоения учебной информации закладываются в процессе его первичной подачи. Это положение общей психологии имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Восприятие материала, существенно зависит от того, в какой форме он подаётся, а осмысление и усвоение, – от того, как (какими способами) он излагается [4]. Как показывает практика, внимание студентов к лекции резко повышается:

Компьютерная графика в сопровождении лекции «Собственная и примесная проводимость полупроводников»

85

ведь она сопровождается сменой интересных слайдов. До 80% информации об окружающем мире человек получает через зрение. Поэтому яркость, наглядность, образность формы, органично объединённые с основным, смысловым содержанием лекционного материала производят огромное эмоциональное воздействие, облегчают понимание материала и улучшают усвоение его. Преподаватель только усиливает интенсивность восприятия своей лекции, сопровождая своё устное повествование показом соответствующих динамичных слайдов, которые будут «привязаны» к теме рассказа. На лекциях большую роль играют зрительное восприятие (отражение формы, величины, направления, взаимного расположения объектов и рельефа пространства) и слуховое восприятие (слушание лектора). При восприятии лекции студент видит преподавателя, слышит его речь, записывает основное содержание лекции. Комплекс действующих раздражителей вызывает возбуждение в зрительных, слуховых, двигательных рецепторах. Возникшее возбуждение передаётся в мозг. В результате образуются сложные системы временных нервных связей, определяющие целостность восприятия. Восприятие не пассивный процесс, оно характеризуется активностью и зависит от интересов, установок, потребностей личности [6]. Целью восприятия всегда является вычленение предметов из общего фона. Из огромного числа воздействий лишь некоторые выделятся студентами с большой отчётливостью и осознанностью. Контрастность рисунков на слайдах, подвижность графиков и схем, необычность предложенной анимации позволяют быстро выделить их из фона, что усиливает восприятие нового материала. Акценты можно расставить, выделяя формулы и текст объёмом, используя разные шрифты и звуковые сопровождения. Увеличивается степень запоминания и усвоения материала, так как кроме слуховых образов «подключены» и яркие зрительные. Процесс запоминания протекает в трёх формах: запечатление, непроизвольное запоминание, произвольное запоминание. Рассмотрим некоторые закономерности запоминания, которые выделил В.А. Ситаров [6] и посмотрим, как презентационная лекция согласуется с этими положениями. – Запоминание зависит от цели, которая поставлена перед человеком. Это довольно легко осуществить в нашей лекции, так как всегда можно быстро перейти на любой слайд и неоднократно предъявлять студентам цели рассматриваемого вопроса. – Запоминание очень сильно зависит от средства предъявления (репрезентации) материала. Доля образов в передаче знаний очень велика, поэтому оправдано насыщение лекции образным содержанием, что легко сделать с помощью

86

В.В. Леменкова, Ф.А. Сидоренко

динамичных слайдов. При подготовке к экзамену у студентов в памяти будут возникать в сознании компьютерные образы, воспринятые на лекции. – Запоминание очень сильно зависит от логики изложения материала. Раздел курса необходимо строить по одной логической схеме, что легко соблюдать при компьютерном сопровождении лекции. Все слайды выполнены в едином шаблоне (это и одинаковый фон, и одинаковый шрифт, схожая анимация и т.д.), логика изложения учебного материала соответствует рекомендуемой литературе. – В запоминание следует включать все виды памяти. В учении всегда желательно опираться на зрение, слух и двигательную память, то есть запоминаемый материал надо видеть (картинки на экране), слышать (сопутствующий голос лектора) и записывать (конспект). При этом доказано, что у большинства людей зрительная (иконическая) память преобладает над слуховой (эхоической) по степени «сохранности» предоставляемого материала [9]. – Запоминание происходит быстрее, если в предлагаемом материале присутствуют «механические» связи. Это легко воссоздать, используя различные анимационные приёмы. Анимация играет роль компонента невербальной коммуникации, роль жеста в бытовом общении и увеличивает необходимую информационную избыточность лекции. А информационная избыточность способствует прочному запоминанию материала [4].

Рисунок.1. Перемещая рычажок реостата, увеличиваем напряжение внешнего поля. Это приводит к сужению области p$n перехода, что сопровождается ростом тока основных носителей.

Компьютерная графика в сопровождении лекции «Собственная и примесная проводимость полупроводников»

87

Рисунок 2. Смена полярности внешнего напряжения приводит к увеличению ширины p$n перехода. Небольшой обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда, растёт по мере роста приложенного напряжения и достигает насыщения.

Слайды подготовлены с учетом удобства конспектирования студентами; при необходимости всегда можно вернуться к уже рассмотренным идеям и положениям. Рисунки достаточно просты, их легко перенести в конспект. Как показывает опыт, большинство студентов использует сделанный со слайдов конспект для подготовки к зачётам и экзаменам. Возможности PowerPoint позволяют быстро редактировать и вносить различные изменения, как в сами слайды, так и в порядок их следования. Процесс совершенствования электронного конспекта лекций оказывается перманентным и PowerPoint позволяет в течение 10 минут перед очередной лекцией внести «домашние заготовки» в уже имеющийся материал и (или) убрать устаревшие сведения [4]. Применение средств мультимедиа в лекционной работе требует новых подходов к эстетике учебного процесса. Это условие предъявляет высокие требования к уровню владения программными средствами. На приведённых ниже рисунках изображены копии лишь некоторых слайдов из выше названной презентации.

88

В.В. Леменкова, Ф.А. Сидоренко

Литература 1. Кренцис Р.П., Сидоренко Ф.А., Кротов Д.В. Компьютерное и видеосопровождение лекций по общей физике // Журнал Московского физического общества.– Серия Б.– «Физическое образование в вузах».– 1995.– №1.– С. 47– 51 2. Стародубцев В.А., Чернов И.П. Разработка и практическое использование мультимедиа средств на лекциях // Физическое образование в вузах, том 8, №1, 2002, стр. 86–91. 3. Агапонов С.В. и др. Средства дистанционного обучения. Методика, технология, инструментарий. СПб.: БХВ$Петербург, 2003, 336 стр. 4. Стародубцев В.А. Компьютерные и мультимедийные технологии в естественнонаучном образовании. Томск: Изд$во Дельтаплан, 2002, 223 стр. 5. Андреев В.Н. Психологические аспекты представления информации на экране дисплея в автоматизированных обучающих системах. М.,1991. 6. Ситаров В.А. Дидактика. М.: Изд$во Академия, 2002, 368 стр. 7. Зайнутдинова Л.Х. Метод разработки наглядно$образных представлений учебного материала для электронных учебников по предметным областям с высоким уровнем абстракции // Электронные учебники и электронные библиотеки в открытом образовании: Тезисы докладов 2$й Всероссийской конференции. М.: МЭСИ, 2001, стр. 201–205. 8. Ильченко О.А. Психолого$педагогические требования при обучении с использованием средств компьютерных и телекоммуникационных технологий // Образование в информационную эпоху: Материалы конференции. Москва, 13 июня 2001г., М.: МЭСИ, 2000, стр. 192–197. 9. Роберт Солсо. Когнитивная психология. – СПб: Питер, 2002, стр. 592.