Институт научной информации РАО
Ханнанов Н.К.
Серия научных статей, отражающих новые подходы к преподаванию физики на базе цифровых технологий в контексте реализации национальной образовательной инициативы «Наша новая школа»
Черноголовка 2011 г.
Рецензенты:
Директор ИНИМ РАО академик РАО Усанов В.Е.
Зам. директора ИНИМ РАО д.п.н. Романов А.М.
Ханнанов Н.К. Серия научных статей, отражающих новые подходы к преподаванию физики на базе цифровых технологий в контексте реализации национальной образовательной инициативы «Наша новая школа», 2 п.л., ИНИМ РАО, Черноголовка, 2011 г.
Аннотация. В серии статей дан анализ возможностей и преимуществ методик развития творческих способностей и исследовательских навыков школьников, использующих информационные технологии для формирования базовых понятий и навыков, предусмотренных новыми стандартами физического образования для основной школы (интерактивные компьютерные задания), для проведения физического практикума (цифровые датчики физических величин), для организации исследовательской деятельности (цифровые инструменты на основе компьютерной периферии и специальных программ в открытом доступе), и для организации творческих соревнований (интернет – олимпиады).
Содержание.
Ханнанов Н.К., Хоменко С.В., Сазонов М.М., Поваляев О.А., Использование ВЭБ - камеры для повышения наглядности демонстрационного эксперимента по физике 3
Ханнанова Т.А., Ханнанов Н.К. Методика использования электронного издания «1С: Школа. Физика 7 кл.» для формирования частнопредметных и общеучебных умений. 12
Ханнанов Н.К. Цифровые инструменты для проведения исследовательских работ по естественнонаучным предметам. 26
Монахов В.В., Монахова С.В., Кожедуб А.В., Ханнанов Н.К., Олимпиады по естественно-математическим дисциплинам в сети Интернет. Некоммерческие олимпиады школьников России. 42
Монахов В.В., Кожедуб А.В., Монахова С.В., Ханнанов Н.К. Олимпиады по естественно-математическим дисциплинам в сети Интернет. Математические олимпиады за рубежом 66
Монахов В.В., Ханнанов Н.К. Сравнение интернет-олимпиады по физике с другими формами интеллектуальных состязаний 79
Монахов В.В., Монахова С.В., Кожедуб А.В., Ханнанов Н.К., Интернет –олимпиады как способ развития творческих способностей школьников. 96
Статья опубликована журнале Физическое образование в вузах, 2011, Т. 17, N 1, с.59-67
Ханнанов Н.К., Хоменко С.В., Сазонов М.М., Поваляев О.А., Использование ВЭБ - камеры для повышения наглядности демонстрационного эксперимента по физике
УДК 53.07+372.853
Аннотация. Обсуждается ряд примеров совместного использования датчиков физических величин и ВЕБ-камеры, что открывает новые возможности повышения наглядности и получения количественных соотношений в ходе демонстрации.
Ключевые слова: наглядная демонстрация физических явлений, преподавание физики, физический эксперимент, компьютер, интерактивная доска, ВЕБ-камера,
Введение. Опыт создания системы оборудования, хорошо известной общественности под брендом “L-микро”, показал перспективность комплексного подхода в решении проблемы оснащения учебного процесса современным оборудованием. Основные методические и технические предпосылки, на которых основывалась эта система, были сформированы более пятнадцати лет назад. С тех пор прошло много времени, и кардинальным образом изменились как требования к школьному естественнонаучному образованию, так и технические возможности реализации эксперимента в школе. В частности последние два года ознаменовались беспрецедентным объемом поставок информационной техники в школы. В кабинетах физики появились учительский компьютер, мультимедиа проектор, интерактивная доска и даже набор ноутбуков на каждого ученика. Поэтому фирма «Научные развлечения» разрабатывает новую систему оборудования, продолжающую идею использования датчиков в демонстрационном эксперименте, удобные системы хранения лабораторного оборудования, а также создает работы компьютеризированного практикума [1], и наборы для проведения занимательных экспериментов в домашних условиях [2].
В рамках работ по развитию демонстрационного оборудования, в настоящее время, на наш взгляд, важно предложить педагогически оправданные формы использования интерактивной доски, дающей абсолютно иные возможности учителю, не меняя кардинально его положения в аудитории. Данная работа посвящена изложению некоторых идей развития демонстрационного эксперимента по физике с использование ВЕБ - камеры.
Повышение качества статичного и видеоизображения, получаемого с помощью ВЕБ- камер, при ее относительной дешевизне и обязательной поставке программного сопровождения, позволяющего состыковать ее работу с любым компьютером, делают ее весьма привлекательной для использования в тех же целях, что и видеокамеру. Перечень таких примеров невелик, поэтому расширение круга демонстрационных экспериментов, в которых оправдана демонстрация через мультимедиа проектор изображения с видеокамеры, на наш взгляд, весьма актуально. В литературе обсуждается использование видеокамеры для
увеличения масштаба получаемой на экране картины (интерференционных полос или осциллограммы) [3,4];
покадровой обработки получаемого видеоизображения, дающей количественные закономерности (полет мяча, капиллярные явления и т.д.) [4,5].
В наборе лабораторных работ для компьютеризированного практикума по волновой и квантовой оптике эти идеи использованы [1] для фиксации интерференционной картины с помощью ВЕБ- камеры, получаемой на матовом экране по аналогии с [3]. Поскольку это не демонстрационный, а лабораторный эксперимент, то программное обеспечение к работе позволяет, зафиксировав это изображение, затем обрабатывать его с помощью цифровых инструментов (с целью получения длины волны лазера). При таком разделении процессов фиксации картины и ее обработки минимизируется время попадания лазерного излучения в глаза учащегося или студента.
В данной работе рассматриваются (рис.1) новые возможности использования ВЕБ - камеры для
увеличения фрагмента установки в ходе демонстрации тепловых явлений;
наблюдение мнимого изображения;
для регистрации ИК-излучения.
Рис.1
Увеличение фрагмента установок по демонстрации тепловых явлений. При разработке демонстрационных опытов с показом таких тепловых явлений как плавление, кипение и т.п. мы сталкиваемся с методическим противоречием между необходимостью увеличить размер установки для возможности наблюдения явления на большом расстоянии и уменьшить ее размер для уменьшения времени, отведенного на демонстрацию. Нагрев больших количеств вещества (порядка 1 кг или 1 л) требует при ограниченных мощностях теплоподвода увеличения длительности эксперимента, что недопустимо в пределах одной лекции или урока. Кроме того, возникают ограничения связанные с техникой безопасности, равномерностью прогрева образца и т.п.
И в классических демонстрациях, например, при наблюдении критической температуры этилового эфира [6] в таких случаях прибегали к увеличению фрагмента установки, используя мощные проекторы и демонстрируя увеличенное изображение ампулы на экран. В разработанном нами наборе для демонстрационного эксперимента «Тепловые явления» [7] для увеличения фрагмента установки по демонстрации плавления металлов (или кипения жидкостей) предложено использовать ВЕБ – камеру. На экране через мультимедиа проектор одновременно демонстрируются и «кривая нагревания и охлаждения», получаемая с датчика температуры, и изображение плавильной ложечки, в которой нагревается и плавится металл (рис.2). Непрерывное постукивание по рукоятке ложечки позволяет на видеоизображении с ВЕБ – камеры наблюдать начало появления жидкости в ложечке. В этот момент времени на «кривой нагревания – остывания» появляется плато, соответствующее переходу металла из твердого в жидкое состояние. Аналогично демонстрируется переход металла из жидкого в твердое состояние с одновременным переходом второго плато на кривой T(t) на спадающий участок остывания металла. Одного – двух грамм металла хватает, чтобы с помощью обычной спиртовки в течение 1-2 минут расплавить его, и при этом получить достаточно качественную кривую с двумя горизонтальными участками, соответствующими температуре плавления (рис.2).
Рис.2
Установка включает специальную оснастку для крепления ложечки, датчика и ВЕБ - камеры. В ней удается получить значения температур плавления олова, свинца и цинка, близкие к табличным величинам.
В случае кипения жидкостей на аналогичной установке, где ложечка заменена на пробирку, удается продемонстрировать:
постоянство температуры кипения жидкости Tкип при атмосферном давлении,
возможность нагревания жидкости без кипения до температур выше Tкип при увеличении давления над ней выше атмосферного
кипение при температуре меньше Tкип, если давление над жидкостью ниже атмосферного.
При этом хорошее освещение зоны прогрева и настойка параметров работы ВЕБ -камеры позволяют одновременно наблюдать и процесс закипания и его прекращения и ход температуры в сосуде.
В обоих опытах малый масштаб установок, обеспечивает не только малое время демонстрации, но и подходящий темп теплопередачи, а кроме того минимизирует пожароопасность демонстраций. Программное обеспечение набора позволяет вести управление прямо с интерактивной доски, без обращения к мышке. Зарегистрированная кривая нагревания сохраняется после его окончания, может быть увеличена, уменьшена программными методами, числовые значения температуры и времени в различных точках кривой выводятся в соответствующее окно при выведении на экран вертикального маркера. Кроме того, видеокамера может использоваться для записи опыта в видео файл для последующего его воспроизведения.
Отметим, что получение кривой нагревания с четкими участками «плато» в ходе плавления и кристаллизации в рамках демонстрационного эксперимента достаточно сложная задача. В методиках для школы она реализуется обычно с помощью плавления льда при 0 градусов с постоянным его перемешиванием. Можно было бы реализовать его, увеличивая шкалу жидкостного термометра с помощью ВЕБ- камеры, однако опыт длится 15 минут и требует приготовления льда [8]. В работе [9] описана экспериментальная задача, в ходе которой происходит кристаллизация и остывание небольшой массы парафина, поскольку авторы справедливо отмечают, что в связи с низкой теплопроводностью неметаллического вещества трудно обеспечить условия теплового равновесия по всему объему вещества. Для получения качественной кривой предпринимаются усилия по замедлению темпов теплоотвода в окружающий воздух, и опыт длится не менее 30 минут. Наши попытки получить надежное плато с помощью наборов по кристаллизации на основе подкрашенных парафинов [10] не привели к предполагаемому результату в ходе нагревания с помощью различных источников, хотя авторы разработки [10] утверждают, что при охлаждении на воздухе расплавленного парафина плато наблюдается (рис.3).
Рис.3
Также требуются специальные усилия [7], обеспечивающие устойчивое закипание в установке по изучению зависимости температуры кипения над жидкостью. В ней ВЕБ – камера также демонстрирует процесс закипания органической жидкости в пробирке при погружении ее в горячую воду одновременно с регистрацией кривой нагревания.
Нами также разработана работа по изучению траектории заряженных частиц в магнитном поле с использованием ВЕБ - камеры. В этой работе, также производится увеличение фрагмента установки с демонстрацией формы траектории частиц на экране через мультимедиа проектор. Параллельное с ВЕБ – камерой использование датчика магнитного поля позволяет продемонстрировать, как радиус орбиты частиц зависит от индукции магнитного поля. Программное обеспечение позволяет также достаточно просто измерить радиус орбиты заряженных частиц и шаг винтовой линии при их движении по этим сложным траекториям.
Объективизация мнимого изображения. ВЭБ – камера может быть использована и для объективизации мнимого изображения. Такой подход реализован нами, например, для демонстрационного эксперимента с получением линейчатого спектра газоразрядной лампы.
В кабинете физики 70-х – 80-х годов прошлого столетия линейчатый спектр демонстрировался на экране с помощью осветителей мощных дуговых ламп с угольными электродами или ртутных ламп низкого давления ПРК [11], которые теперь исключены из оборудования кабинетов.
В современной методике преподавания физики в школе демонстрируются линейчатые спектры газоразрядных трубок, наполненных гелием, неоном, аргоном водородом. При этом ученикам предлагается наблюдать их либо через двухтрубный спектроскоп, поочередно подходя к нему и приставляя глаз к окуляру, или с помощью спектроскопа прямого зрения со своих рабочих мест направляя трубку спектроскопа на узкую часть газоразрядной лампы, светящейся на столе учителя [8]. Во втором случае помещение практически полностью затемняется. В работе [9] для наблюдения спектров газоразрядной лампы предлагается использовать дифракционную решетку (рис.4а).
 
а) б)
Рис.4
Во всех этих случаях спектр регистрируется сетчаткой глаза (рис.4б), то есть наблюдается «мнимое изображение» линий.
Появление в кабинетах физики компьютеров с ВЕБ- камерой позволяет перейти к объективизации такого спектра - демонстрации изображения спектра на экране). Специальная оснастка для ВЕБ камеры позволяет заменить ею глаз наблюдателя у окуляра спектроскопа, сформировать изображение спектра на матрице ВЕБ – камеры и затем выводить его через мультимедиа проектор на экран (рис.5а).
 
а) б)
Рис.5
Аналогично получается изображение и с помощью дифракционной решетки. На рис.5б показан процесс получения с помощью дифракционной решетки (300 штрихов на мм) спектров первого и второго порядка от бытового светильника с газоразрядной лампой, который снабжен специальной щелевой насадкой. Спектр может быть получен на мониторе компьютера и продемонстрирован через проектор на экран. Получаемая картина может быть легко обработана с использованием цифровых инструментов или с помощью обычной линейки путем измерения расстояния от щели до ВЕБ – камеры, расстояния от нулевого максимума до первого дифракционного максимума и его сопоставления с масштабом репера, находящегося в одной плоскости с щелью [1, 12].
Регистрация инфракрасного излучения. ВЭБ камера может быть использована и как датчик ИК - излучения [13]. Модификация установки, изображенной на рис.2б, за счет замены газоразрядной лампы на платформу с укрепленными на ней красным и инфракрасным светодиодами позволяет достаточно просто сравнить длины волн излучения этих двух светодиодов и показать, насколько длина волны инфракрасного излучения одного источника больше. Следует только обратить внимание учащихся на условность «фиолетового цвета» пятна от инфракрасного диода на экране, поскольку ВЭБ камера и программа обработки сигнала от нее на были рассчитаны на «визуализацию» сигнала, возникающего в результате освещения участка матрицы ИК- излучением. В работе [14] нами показано, как цифровая камера мобильного телефона, также чувствительная к ИК – излучению, может быть использована для восстановления хода ИК – «луча» через плоскопараллельную пластину из оргстекла. Авторами [13] предложен целый ряд демонстраций по волновой оптике, основанных на таком использовании ВЕБ - камеры.
Таким образом, использование ВЕБ – камеры позволяет модернизировать классические демонстрационные опыты, выступая в качестве средства увеличения зоны протекания физического процесса, повышая, таким образом, наглядность демонстрации. За счет этого стирается грань между лабораторным экспериментом и демонстрационным экспериментом, что позволяет расширить поиск методически оправданных способов ее использования в область модификации лабораторного практикума. Сходство оптической системы глаза и ВЕБ - камеры позволяет провести регистрацию многих экспериментов по переводу мнимых изображений из ранга субъективно-визуального на объективно-фиксируемый и демонстрируемый на экране. Чувствительность матрицы ВЕБ – камеры к невидимому глазу ИК - излучению, позволяет заменить демонстрации, выстраивающие аналогии между волновыми свойствами видимого света и невидимых электромагнитных волн и реализуемые в сантиметровом радиодиапазоне, на демонстрации в ИК диапазоне. Появление мощных ИК – осветителей на основе ИК - диодов может позволить и создание эффектных демонстраций по наблюдению холодных объектов в темноте.
Литература.
1. Н.К. Ханнанов, Д.М.Жилин, С.В. Хоменко, А. Ю. Цуцких, М. М. Сазонов, О. А. Поваляев, Проблемы создания школьного компьютеризированного практикума по физике и возможные пути их решения, Физическое образование в вузах, Том 15, номер 1, 2009, с.100 – 113
2. http://www.nau-ra.ru
3. À.В. Селиверстов, М.С. Дунин, Использование устройств видеозахвата в лекционном эксперименте по физике, Физическое образование в вузах, 2002, т.8, №3, 97-102
4. Филиппова И.Я, Петрова М.А., Новые видеовозможности на уроке физики, ИКТ в образовании", № 15, 2008
5. Скворцов À.И., Фишман À.И., Измерительный комплекс на базе компьютера в лекционных демонстрациях: I. Àнализ механического движения с помощью видеокамеры, Физическое образование в вузах, 2001, Т. 7, № 2, с. 85–92,
6. Покровский А.А., Критическое состояние эфира, в кн. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т.I, под ред. А.А.Покровского. Изд.2-е, М., Просвещение, 1971
7. Тепловые явления: Руководство по выполнению демонстрационных экспериментов. / О.А. Поваляев, Н.К. Ханнанов. – М.: Научные развлечения, 2010.
8. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений, под ред. Бурова В.А. и Никифорова Г.Г., - М.: Просвещение, 1996.
9. Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Экспериментальные задания по физике. 9-11 классы. – М.: Вербум-М, 2001.
10. http://www.1-klacc.ru/node/1126
11. И.М.Румянцев, Дисперсия света, в кн. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т.II, под ред. А.А.Покровского. Изд.2-е, М., Просвещение, 1972
12. Н.К. Ханнанов, О.А. Поваляев, А.Ю.Цуцких, Изучение линейчатого спектра «экономной» лампы, Физика в школе, 2010, №2, 2010, с. 51-59
13. Сабирзянов А.А., Семериков. В.А., Зуев П.В., Игумнов А.С., Демонстрационные опыты с инфракрасным излучением, Современный физический практикум [Текст]: материалы X международной учебно-методической конференции / под ред. Н.В.Калачева и М.Е.Шапочкина. – М.: Издательский дом МФО, 2008, с.150-151
14. Блинов Д., Миронов И., Ханнанов Н.К., Инфракрасный фонарь, Физика для школьников, №2, 2010, с.29-34
Статья принята к публикации в журнал «Физика в школе»
|
