Видеозадачник: от наблюдения к измерению

98

Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå âóçàõ. Ò. 10, ¹ 4, 2004 А.И. Скворцов, А.И.â Фишман

Видеозадачник: от наблюдения к измерению А.И. Скворцов, А.И. Фишман Казанский государственный университет 420008, Казань, ул. Кремлевская 18 Email: [email protected] Обсуждаются основные особенности новой версии «Видеозадачника по физике»  оригинального учебного пособия на компактдиске для вузов и школ, связанные с появлением возможности измерений ряда физических величин из видео и звукового ряда, активным использованием компьютерных моделей при обсуждении сути явлений и введением системы отбора задач по темам и урокам.

Решение задач является одновременно и целью, и средством физического образования. Этот вид учебной деятельности позволяет активно влиять на развитие творческих способностей студентов, интереса к познавательной деятельности, на формирование положительных мотивов обучения. Интересно поставленная задача может увлечь студента, заставить его искать и найти ответ. В предыдущих работах [1,2] описаны первая и вторая части оригинального видеозадачника по курсу общей физики на компактдисках, предназначенного для старшеклассников и студентов младших курсов. Основная идея, положенная в основу этого пособия, состоит в том, что студенту предлагается посмотреть видеофрагмент , в котором показан реальный физический эксперимент, и ответить на поставленные вопросы. Задачи с таким способом формулировки условия можно отнести к классу задач с неполным условием. Их решение требует построения и анализа той или иной физической модели и является, по существу, научным исследованием. Эта статья посвящена новой версии задачника, в которой не только значительно расширен круг задач, но и реализован ряд новых методических идей. Существенными отличиями новой версии являются: возможность классификации и отбора задач по содержанию в соответствии с разными базовыми учебными пособиями; наличие набора инструментов, позволяющего измерять на видеокадрах громкость звука, расстояния, углы и временные интервалы; использование компьютерных моделей физических явлений при обсуждении сути явлений и анализе решений; возможность реализации на одном компактдиске видеозадачника на нескольких языках (русском, английском и др.)

· · · ·

Видеозадачник: от наблюдения к измерению

99

Классификатор задач Дополнение видеозадачника классификатором задач позволяет значительно упростить работу как преподавателя физики, так и учащегося. Очевидно, что компьютерный вариант задачника позволяет организовать классификацию задач по различным признакам. Нами проведена классификация по содержанию, с использованием различных методических пособий. В частности, преподаватель может воспользоваться традиционным разбиением учебного материала по темам курса, либо следовать плану поурочного планирования (автор В.А.Касьянов).

Инструментарий

·

значительно расширяет возможности постановки количественных задач, предполагающих получение ответа в числовом виде; формирует у учащихся навыки выполнения измерений и обработки экспериментальных данных, что особенно важно – с использованием компьютерных технологий; позволяет самостоятельно измерять важные физические величины (например, ускорение свободного падения) и ”открывать” физические законы (например, законы преломления и отражения света).

· ·

Рисунок 1.

В качестве примера использования инструментария опишем работу с задачей “Зеркало Ллойда”. На столе установлены два штатива (см. рис.1). На одном из них закреплен динамик, а другой удерживает в вертикальном положении длинную линейку. После включения динамика ведущий перемещает микрофон вдоль линейки. При этом громкость звука меняется. В задаче предлагается определить

100

А.И. Скворцов, А.И. Фишман

частоту звука, излучаемого динамиком. Решая задачу, учащийся должен понять, что в этом эксперименте он наблюдает ни что иное, как интерференцию волн отраженной от стола, и падающей на микрофон непосредственно от динамика. Для решения этой задачи необходимо построить физическую модель явления: обоснованно пренебречь влиянием волн, отраженными от стен, сделать предположение о малых размерах источника волн и т.д. Описав явление на языке модели, нужно найти связь ширины интерференционной картины с частотой звука, понять какие именно величины необходимо измерить, провести измерения, оценить их погрешность. Для измерений нужно воспользоваться инструментами “Линейка и транспортир” и “Микрофон” (рис. 2). С помощью инструмента “Линейка и транспортир” (окно справа с надписью “расстояния”) можно измерять расстояния между объектами в кадре видеофрагмента и углы между интересующими направлениями. Для этого необходимо, захватывая мышкой цветные кружки на кадре клипа (на рис. 2 они помечены цифрами 1,2,3), совместить их с изображением объектов в кадре. При этом в темных полях в окне инструмента (см. рис. 2) будут указаны расстояния между центрами цветных кружков. В этой задаче расстояния измеряются в экранных пикселях, но в некоторых других они представляются в размерных единицах с учетом определяемого при съемке увеличения видеоаппаратуры.

Рисунок 2.

Видеозадачник: от наблюдения к измерению

101

Для удобства работы этот инструмент может выводить на экран как значения углов, так и значения простейших тригонометрических функций этих углов. Например, на рис. 2 указано значение тангенса угла, обозначенного на кадре клипа светлыми линиями соединяющими кружки 1,2,3. Инструмент “Линейка и транспортир” может работать и в режиме измерения декартовых и полярных координат. В этом случае система отсчета связывается с кружком 2, а направление одной из осей определяется, положением кружка 3. Недостатком инструмента “Линейка и транспортир” является то, что с их помощью можно измерять расстояния только в одной плоскости перпендикулярной лучу зрения. Инструмент “Микрофон” (на рис. 2 окно с надписью ”Звук”) позволяет определять среднюю громкость звука, соответствующую текущему кадру клипа. Под громкостью здесь понимается число, определяемое только содержимым звуковой дорожки клипа. Поэтому показания “Микрофона” не зависят от текущих настроек компьютера. С помощью этого инструмента при покадровом просмотре можно легко найти кадры, соответствующие максимумам и минимумам звука. Таким образом, в распоряжении учащегося оказывается достаточный набор инструментов для измерения параметров экспериментальной установки и наблюдаемой интерференционной картины.

Рисунок 3.

102

А.И. Скворцов, А.И. Фишман

Как и в реальной деятельности ученого, некоторые задачи допускают не единственный путь решения. В этом случае учащийся должен попытаться выбрать оптимальный способ получения результата с учетом возможной точности измерений и справедливости допущений используемой модели. В качестве иллюстрации опишем задачу “Вверхвниз”. Ее идея содержится во многих задачниках. Ведущий устанавливает в основании наклонной плоскости шайбу (рис. 3) и щелкает по ней. Шайба поднимается по наклонной плоскости на некоторое расстояние, а затем соскальзывает вниз. Ставится задача определения коэффициента трения шайбы о наклонную поверхность. Находящиеся в распоряжении ученика инструменты “Линейка и транспортир” и “Секундомер” допускают несколько способов решения задачи. Во первых, измеряя перемещения на отдельных кадрах можно найти изменение скорости в результате подъема или спуска. Кроме этого, можно измерить высоту подъема и угол наклона поверхности. Использовав закон сохранения энергии, можно связать коэффициент трения с измеренными величинами. Учащийся может предложить другой способ. Используя динамические уравнения движения, он выразит коэффициента трения через угол наклона и времена подъема и спуска шайбы. С помощью инструментов «Линейка и транспортир» и «Секундомер» он сможет выполнить измерения последних трех величин. Если учащийся найдет оба способа решения, то прежде, чем проводить измерения, он должен теоретически оценить ожидаемую точность полученных результатов. Отметим, что “Секундомер” (светлое окно над полосой прокрутки клипа на рис. 3) измеряет промежутки времени между событиями с погрешностью 0,04 с. Такая точность позволяет анализировать относительно быстрые движения, например падение тел. Показания секундомера привязаны к кадрам клипа. Это позволяет использовать его при просмотре сюжета по кадрам. Кроме этого “Cекундомер” позволяет отмечать момент начала интересующего процесса (t0 на рис. 3) и быстро прокучивать клип до этого момента времени. Как и в предыдущей версии, все задачи сопровождаются подробными ответами с необходимыми иллюстрациями и гиперссылками. Это усиливает обучающую функцию задачника. В данной версии при обсуждении сути явлений, встречающихся в некоторых задачах, используются интерактивные компьютерные модели.

Компьютерные модели

· позволяют глубже проникать в суть явлений;

Видеозадачник: от наблюдения к измерению

103

· делают процесс обучения активным, а изложение – более наглядным. Вопрос о соотношении виртуального и реального экспериментов в обучении естественным наукам является одним из наиболее важных при создании компьютерных учебных пособий. Неоднократно обсуждался он и на страницах данного журнала (см., например, [3]). На решение этого вопроса влияет множество факторов: от цели, которую преследует то или иное пособие, до особенностей изложения конкретного вопроса. Мы считаем, что в преподавании естественных наук компьютерным моделям должна быть четко определена ведомая роль. Основное же внимание, как и в науке, должно быть акцентировано на результатах реальных наблюдений и измерений, на процессе построения физических моделей. Здесь мы хотим обратить внимание читателей на особенности использования компьютерных моделей именно в рамках видеозадачника, как инструментов, помогающих раскрыть суть реальных экспериментов, проанализировать поведение системы при параметрах и начальных условиях, отличающихся от тех, которые использовались в эксперименте.

Рисунок 4.

В качестве примера рассмотрим использование компьютерной модели в задаче ”Глубина резкости”. Преподаватель с помощью слайдпроектора получает на экране нечеткое изображение некоторой надписи. Далее, он помещает в луч проектора ”колечко”, образованное пальцами руки. При этом резкость изображения значительно улучшается. Для последующего детального исследования проблемы, на пути лучей устанавливается ирисовая диафрагма. Демонстрируется, что уменьшение диаметра отверстия ведет к увеличению резкости и уменьшению

104

А.И. Скворцов, А.И. Фишман

яркости изображения (рис. 4). Учащихся просят объяснить наблюдаемый эффект, а также тот факт, что близорукие люди часто щурятся, особенно при неярком освещении. При просмотре ответа учащиеся имеют возможность проанализировать наблюдаемое явление, используя компьютерную модель эксперимента, построенную в рамках законов геометрической оптики (рис. 5). Модель позволяет учащемуся самостоятельно “поэкспериментировать”, изменяя параметры установки: диаметр диафрагмы, положения линзы и экрана. Это делает ученика активным участником процесса обучения.

Рисунок 5.

Просмотрев видеозапись реального эксперимента, у учащегося возникает необходимость анализа поведения системы при других условиях, воспроизвести

Видеозадачник: от наблюдения к измерению

105

которые в данный момент нет возможности. В этом случае он может воспользоваться интерактивной моделью. Такое сочетание в видеозадачнике реальных и модельных экспериментов делает учащегося активным участником познавательного процесса, и является эффективным приемом обучения. Наш опыт показывает, что применение модельных экспериментов в контексте видеозадачника существенно помогают учащимся разобраться в сути анализируемых явлений. Особо хотелось бы отметить, что работа с видеозадачником теперь включает все неразрывно связанные элементы научного исследования: наблюдение (видеоряд), эксперимент (измерения с помощью инструментария), теоретическое осмысление и обобщение результатов (компьютерные модели). В заключение отметим следующее. “Живые” задачи с неполным условием являются превосходным средством развития наблюдательности и творческих способностей учащихся. Они в значительной мере повышают интерес к предмету. В свою очередь, возникающее любопытство помогает учащимся преодолевать естественные трудности, связанные с усвоением нового учебного материала. Снабженный описанными выше инструментами, видеозадачник знакомит учащихся с основами проведения физических измерений. Не заменяя лабораторных экспериментов, видеозадачник, в его теперешнем виде, может использоваться как пособие по физическому практикуму для самостоятельной работы вне лаборатории. Работа поддержана Совместной РоссийскоАмериканской программой “Фундаментальные исследования и высшее образование”, проект REC007 “Материалы и технологии XXI века” а также программой Казанского государственного университета «Создание мультимедийных образовательных пособий» (2003 г.)

Литература 1. Фишман А.И., Скворцов А.И. Опыт создания видеозадачника по физике. Физическое образование в вузах. 1998, т. 4 № 2. C. 9094. 2. Скворцов А.И., Фишман А.И. Компьютерная реализация видеозадачника по физике. Тез. докл. съезда российских физиков–преподавателей «Физическое образование в ХХI веке», Москва, 28 – 30 июня 2000 г. С.245 3. Воронин Ю.А., Чудинский Р.М. Соотношение натурного и модельного экспериментов в физическом практикуме. Физическое образование в вузах. 2003, т. 9, № 2. C. 5975.