Виртуальная лаборатория по физике в www для 10-11 классов

ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ПО ФИЗИКЕ В WWW

ДЛЯ 10-11 КЛАССОВ

К.К. Боярский, В.В. Монахов, Л.А. Евстигнеев

Обучение физике в средней школе вызывает многочисленные проблемы у учащихся. Это связано со сложностью курса физики, так как именно в нем вводится большое число новых концептуальных понятий. Одной из самых больших проблем в средней школе является наличие разных уровней подготовки и разных темпов обучения у разных школьников [1]. Обычна ситуация, когда преподаватель не может проводить обучение всех учащихся с адекватной скоростью, а вынужден ориентироваться на "среднего" учащегося. В результате учащиеся, имеющие чуть меньшую скорость восприятия либо пропустившие часть занятий по болезни или из-за перехода из одного учебного заведения в другое, становятся стабильно отстающими и не могут догнать своих одноклассников.

Как установлено в результате многолетней практики преподавателями из разных стран, эффективное обучение физике возможно только при проведении сопроводительных учебных демонстраций. Самостоятельное изучение физики по учебнику не может обеспечить таких возможностей. Кроме того, учебник не обеспечивает необходимой интерактивности обучения.

Использование компьютера в принципе дает большие возможности в решении проблем обучения физике [2-9], хотя, конечно, не может заменить в полной мере обычной формы обучения. C 1999/2000 учебного года в школах введена новая программа [10, 11] обучения физике. Уже появился ряд учебников, соответствующих этой программе.

В то же время имеющиеся электронные пособия и программное обеспечение в большинстве своем не проработаны методически и тем более не ориентируются на новую школьную программу. Основная проблема при написании такого программного обеспечения - необходимость совмещения высокой квалификации в области программирования с не менее высокой квалификацией в области физики. Как показал опыт, в мире существует очень немного качественных программных продуктов такого рода.

Естественно использование для этих целей Web-технологий. При таком подходе доступ к документам различного содержания и формы, включающих в себя текст, графику, звук и видео, осуществляется с помощью одной программы - Интернет-обозревателя (англ. browser). Интернет-форматы оформления электронных документов стали фактическим стандартом в последние годы.

Однако статические данные, даже видеофайлы, лишены возможности реагировать на действия пользователя, что необходимо для создания элементов управления виртуальными демонстрациями в области физики. Существует несколько различных подходов, позволяющих решить эти проблемы, из-за чего в Интернет имеется большое количество виртуальных лабораторий по физике с разными методами реализации экспериментов.

Целью данной работы являлась разработка серии виртуальных лабораторных работ по физике для 10-11 классов.

Широкое распространение Интернет и Web-технологий потребовало добавления возможности динамического управления интерфейсом документов как с участием сервера, так и без него. В мире было развито несколько различных подходов:

• приложения, выполняемые на стороне сервера, например, сценарии CGI;

• приложения, запускаемые на компьютере клиента: язык Java, Java-апплеты, технология подключаемых модулей (plug-in приложений), компоненты ActiveX,

Технологии, используемые при создании виртуальных лабораторий

по физике в WWW

В настоящее время в Интернет существует множество демонстраций и виртуальных лабораторий по различным темам - от простого механического движения до квантовой механики, от простых статических картинок, иллюстрирующих текстовый материал, до сложных мультимедийных презентаций и виртуальных лабораторий с развитыми возможностями управления.

Среди множества образовательных сайтов, содержащих демонстрации по физике, хотелось бы выделить некоторые как дающие четкое представление об используемых методах и технологиях.

Сайты без интерактивного управления пользователем. В этих сайтах для демонстраций используются анимированные GIF-файлы или видеофрагменты реальных демонстраций и экспериментов, сопровождаемые пояснениями. У этой технологии есть свой недостаток. Пользователь может только пронаблюдать проводимый эксперимент, но не может принять в нем участия. Кроме того, видеофрагменты имеют большой объем (сотни килобайт), что следует считать недостатком.

Сайты, реализованные на основе CGI. На сайте [12] Российского образовательного сервера тестирования представлены тесты по основным дисциплинам средней школы, таким как математика, физика, химия, биология, история, русский язык и информатика. После выбора ответа на заданный вопрос учащийся отправляет свой ответ на сервер, откуда потом приходит результат.

Сайты с приложениями VRML. Технология VRML хороша для отображения объектов со сложной трехмерной структурой. Специальная программа -VRML-проигрыватель - позволяет рассматривать эти объекты с разных сторон путем плавного вращения, увеличивать/уменьшать их. Но она не обладает истинной интерактивностью, не позволяет управлять экспериментом. Из плюсов этой технологии можно отметить сравнительно небольшой объем передаваемой по сети информации - VRML-файлы очень компактны.

Сайты с приложениями Macromedia Flash. Macromedia Flash - это сравнительно новая технология, сочетающая в себе векторную графику, видео, звук и возможность интерактивного управления. Она, в принципе, независима от платформы, так как вся информация представлена в виде платформонезависимых файлов данных, обрабатываемых подключаемым модулем. Объемы передаваемых по сети данных не слишком велики из-за использования внутреннего сжатия. Однако программирование приложений Flash крайне трудоемко, а средство разработки приложений требуется покупать. Все это препятствует его широкому использованию в учебных заведениях РФ.

Сайты с апплетами Java. Примером может служить "Interactive Physics & Math with Java". [14] Авторы проекта Татьяна и Сергей Киселевы разработали пакет из 20

Java-апплетов по физике и математике на английском языке. К каждой демонстрации приводится вся необходимая теория по данной теме. Java-апплеты позволяют достичь высокого уровня интерактивности и использовать сложную графику. Возможность работы с графическими примитивами (точками и линиями) позволяет рисовать картинки и анимацию "с нуля". К недостаткам лабораторий, написанных на языке Java, относятся долгий старт Java-машины и потребление большого объема оперативной памяти. Кроме того, особенностью, которая может рассматриваться и как достоинство, и как недостаток языка, является закрытость исходных кодов программы (в отличие от HTML-документов, исходный код которых доступен любому).

Некоторые сайты созданы с использованием сразу нескольких технологий. В разделе "Физика" сайта американской школы Ithaca High School [15] представлены практически все разделы физики. Демонстрации выполнены с использованием технологий: GIF-анимации, QuickTime видео, Shockwave Flash, Java-апплетов.

Из представленных в огромном количестве разнообразных виртуальных лабораторий в WWW лишь некоторые выделяются своей четко разработанной концепцией и самими демонстрациями. Большинство из них реализованы в виде Java-апплетов или в виде файлов Shockwave Flash.

Для реализации компьютерного моделирования систем в различных областях естественных наук были разработаны различные варианты специализированных программных комплексов - конструкторов моделей. Конструктор моделей представляет собой систему визуального проектирования, как правило, без сопутствующего языка программирования. Он позволяет в интерактивном режиме, обычно с помощью мыши, строить модели из отдельных визуальных элементов. Конструкторы моделей особенно удобны для использования в учебном процессе, когда учащийся может самостоятельно построить модель, например, экспериментальной установки, и промоделировать ее работу. Существуют конструкторы моделей, предназначенные для создания научных программ-приложений как по моделированию каких-либо процессов, так и для управления реальными установками.

Sodaconstructor [16] - одна из наиболее популярных в 2000 г. программа в WWW. Она позволяет анимировать и редактировать двумерные модели, созданные из точечных масс и пружин. Пружины могут контролироваться волной, создавая пульсирующие мускулы, а массы могут быть фиксированными (не двигаются под воздействием внешних сил). Возможно создание катящихся, ходящих, извивающихся и др. моделей.

"Interactive physics" [17] - конструктор физических моделей для обучения физике школьников и студентов. Он позволяет из отдельных компонентов, таких, как физические тела, нити, плоскости и др., собирать лабораторную установку и проводить модельные эксперименты. Преимуществом системы "Interactive physics" является простота в использовании, позволяющая применять ее в учебном процессе. Имеется богатый набор описаний экспериментов, которые можно воспроизвести с помощью этой системы. Недостаток - невозможность пользователю развивать систему, дополняя ее новыми компонентами. Кроме того, не все физические модели достаточно точны, и встречаются случаи, когда модель ведет себя неправильно из-за недостаточной точности методов решения уравнений движения. Эти методы пользователю недоступны для анализа и изменений.

Популярность этой системы на Западе и возрастающий интерес к ней в России связан с тем, что она проблемно-ориентирована и не требует высокой программистской квалификации для написания качественного программного продукта. Основной недостаток этой программы с точки зрения разработки виртуальных лабораторных работ - неприспособленность системы для работы в WWW.

Таким образом, в Интернет представлен широкий спектр технологий, на основе которых реализованы виртуальные демонстрации и виртуальные лаборатории по физике. Основным недостатком подавляющего большинства сайтов является отсутствие связи этих демонстраций с конкретными учебными программами.

Кроме того, все найденными нами демонстрации и виртуальные эксперименты не позволяют выводить результаты серий экспериментов для последующей обработки.

Основные идеи, положенные в основу виртуальных лабораторных работ

Виртуальные лабораторные работы разрабатывались для решения следующих задач:

• обеспечить разноуровневое и разнотемповое обучение школьников в условиях классно-урочной системы;

• обеспечить возможность индивидуальной работы учащихся для ликвидации пробелов в знаниях, связанных с болезнью или переходом из одного общеобразовательного учреждения в другое;

• обеспечить возможность проведения имитационного эксперимента в условиях отсутствия необходимого оборудования, но наличия доступа в WWW;

• обеспечить дополнительные возможности для детального анализа учебного физического эксперимента во время классных или домашних занятий;

• создать условия для освоения школьниками современных компьютерных технологий в образовательных и научных целях [18].

Вирт jajibHbie лабораторные работы по школьным разделам физике - Micro-soft Internet Ejeplorer

JnlJZl

Файг

n_poDKQ Вид Псрснвд, Иобраимос Спра&ко

О

©

_:i di-iut;m ь

Диглий

Gj

пиие

t-Э

Фишкя

Ви1)туяльные лябораторные работы

Анп>[»и: Модемов В Д..Евс

J^-J Мои компьютер

Л

Рис 1. Главная страница

Для решения этих задач планировалось:

• разработать продукт, не требующий от пользователей специального обучения работе с программой;

• в качестве основы для виртуальных лабораторных работ использовать инструкции к лабораторным работам, составленные А.Б. Долицким и А.З. Синяковым при участии Ю.И. Дика и Г.Г. Никифорова [19];

• обеспечить программное моделирование большинства перечисленных в [19] основных демонстраций с возможностью активного участия пользователя в выборе условий проведения модельных демонстраций;

• отбор содержания, его представление и размещение провести с учетом возрастных особенностей учащихся, особенностей их восприятия и методических рекомендаций по преподаванию физики.

В соответствии с этим были разработаны виртуальные лабораторные работы по технологии DHTML. Существующая версия продукта приспособлена для просмотра только под Internet Explorer версий 4.0, 5.0, 6.0. Виртуальная лаборатория имеет одноуровневую систему гипертекстового оглавления. Более подробное описание продукта дано ниже.

Заставка и главная страница виртуальной лаборатории

Виртуальная лаборатория рассчитана на работу пользователя с использованием Интернет обозревателя Internet Explorer версий 4.0 или более новой. Тем не менее, главную страницу можно смотреть под любым обозревателем, который поддерживает русские шрифты.

Если пользователь не пользуется обозревателям IE указанных версий, то он может их бесплатно загрузить из Интернет, нажав указателем мыши на соответствующую картинку - ссылку (рис. 1, слева).

^Виртуальные лабораторные работы по физике - Microsoft Internet... НЕЮ

^ Оглавление

Лабораторные работы по физике

• Введение

• 10 Класс

1. Опытная проверяя закона Гей-Люссака

2. Из м ер е н и е м о дуля упруго ст и (м о дуля В!) н га) р е з и ны

3. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока

4. Измерение удельного сопротивления проводника

5. 1I зуч е н п е по следов тельного с о е д и нения пр ов о дн и ков

6. Изучение параллельного соединения проводников

7. Определение заряда электрона

• 11 Класс

1. I Гзуч е н и е яв л е и пя эле кт р о м а гн ит и о й и и дукц и и

2. Измерение показателя преломления стекла

3. Изучение треков заряженных частиц

Рис. 2. Вид оглавления виртуальной лаборатории

При выборе "мышью" области, обозначенной как "Вход" или "Учебные материалы и демонстрации" (рис. 1), происходит открытие независимого окна Интернет-обозревателя (рис. 2) со страницей, являющейся содержанием (или оглавлением) виртуальной лаборатории.

Общая структура лабораторных работ

При переходе по ссылке на какую-либо лабораторную работу в окно загружается страница с выбранной работой (рис. 3). Документ лабораторной работы состоит из трех фреймов. Левый верхний фрейм содержит описание и порядок выполнения

лабораторной работы. Правый фрейм содержит лабораторную установку - приборы и инструменты. Левый нижний фрейм содержит таблицу, в которую заносятся результаты эксперимента и необходимых вычислений. Также в левом нижнем фрейме содержатся поля для ввода ответа на контрольный вопрос.

J ВчЛзптлнс раЛпрлтпгичят рабаtxa по («же - k invinlt Inlrmrrl I *р4пто

> ф D

Огпэвление

Опытная проверка закона ГеЙ-Люссака

( С1 Сор^псЫ В В Ппгчгт. Л А_Ев;гг:нгсЕ | Оборудование и средства измерения

Б правой частя от а показан; оборудование, необходимое для лреведеЕия работы:

» стеклянная трубка, запаянная с одного конца,

* цилиндрический сосуд (слева),

* стакан с водой кокнагнсй температуры (справа).

* пдасткдин.

« териюметр,

* ллкЕНка,

* спиртовка

Роулшаты зкш^шв^апв:

V

!гьГТ| 'с

L- №1

Измерено Вичкслено

»1 ЦК h iai h 'С h Ч •с мы At' и h мы MW к V V £ К К дг к h 'г г1 % ÜJ

г~ ЫГ1~ С1П Г~

Калькулятор |

LL

Рис. 3. Вид лабораторной работы "Опытная проверка закона Гей-Люссака"

Большинство приборов лабораторной установки перемещается при помощи мышки. Над такими приборами курсор меняет свою форму со стрелки на курсор перемещения. Иногда установка управляется из фрейма, в котором расположено описание порядка проведения лабораторной работы, путем нажатия на кнопки с описанием действия. Результаты измерений, проводимых в ходе эксперимента, переносятся в таблицу результатов автоматически при нажатии на кнопку "Занести в таблицу". После проведения эксперимента результаты всех необходимых вычислений заносятся в таблицу. При нажатии на кнопку "Отправить результаты на сервер" на сервер отправляется форма со значениями, занесенными в таблицу.

Практически все лабораторные работы представляют собой конструкторы. В каждой работе можно перемещать все приборы и инструменты в произвольном порядке. Это приводит к необходимости понимания выполняемых действий. Таким образом достигается эффект реализма проводимой работы, что важно при обучении с помощью компьютера.

Технические решения, применявшиеся для создания виртуальной лаборатории

В связи с тем, что одной из целей разработки виртуальной лаборатории было последующее выкладывание его в WWW, основным форматом файлов являлся стандарт HTML 4.0 (расширения имен файлов .html и .htm). В документах HTML использовались различного рода элементы языка (гиперссылки, заголовки, неупорядоченные и упорядоченные списки, кнопки и др.). Вставляемые в документы

изображения имели форматы JPEG (файлы с расширением .jpg), а также GIF (файлы с расширением .gif). В ряде случаев применялись анимированные файлы GIF.

Для оформления страниц кроме возможностей, имеющихся непосредственно в языке HTML, использовался также язык стилей страниц, поддержка которого в соответствии с рекомендациями консорциума WWW имеется в MS IE 4.0 и более поздних версиях.

В связи с необходимостью использования программного управления для перемещения изображений и их замены, а также динамического формирования элементов страниц использовалась технология Dynamic HTML (DHTML) [6].

При работе с электронным пособием не из WWW, а с CD-ROM наличие на экране элементов навигации Интернет-обозревателя (главного меню, обычных кнопок, адресной строки и пр.) является мешающим фактором. Они занимают много места на экране и отвлекают внимание учащегося. Даже при работе из WWW в наличии этих элементов нет особой необходимости. Поэтому при работе с виртуальной лабораторией такие элементы были устранены со страниц, а необходимые элементы навигации Интернет-обозревателя программно эмулированы.

Главная страница разбита на два фрейма. Верхний фрейм эмулирует элементы навигации, а в нижнем располагается страница с оглавлением. Каждый пункт оглавления представляет собой гиперссылку с названием лабораторной работы. При нажатии на гиперссылку в нижний фрейм загружается документ с выбранной лабораторной работой.

Страницы виртуальных лабораторных работ состоят из системы трех фреймов, показываемых в нижнем фрейме основного окна электронного пособия (рис. 3). В одном из фреймов происходит имитация опыта, в другом описан порядок выполнения. В третьем фрейме динамически выводятся результаты экспериментов. Порядок

выполнения лабораторных работ создавался на основе инструкции к лабораторным работам, составленных А.Б. Долицким и А.З. Синяковым при участии Ю.И. Дика и Г.Г. Никифорова. [19].

При создании виртуальных демонстраций для обозревателя IE активно использовался язык стилей CSS. Абсолютное или относительное позиционирование элемента на WWW-странице - одно из самых больших преимуществ в DHTML. При этом размер и положение элементов в окне Интернет-обозревателя могут быть такими, какими их пожелает сделать автор.

Пять стилей позволяют создавать страницы, более приближенные к типографским стандартам: left, top, position, visibility и clip. В CSS мы можем просто задать координаты х и y у каждого элемента страницы. Новые свойства left и top атрибута STYLE могут быть использованы для задания с точностью до точки, в каком месте страницы должен быть выведен данный элемент.

Свойство position в сочетании со свойствами left и top позволяет ставить элементы в определенные позиции внутри окна Интернет-обозревателя. Оно может иметь три значения: absolute, relative и static.

Тот факт, что элементы можно точно позиционировать на странице, немедленно вызывает следующий вопрос. Если мы можем при создании документа поставить элементы туда, куда захотим, можем ли мы их программным путем сдвигать? Вероятно, самое заметное достижение в DHTML связано с тем, что Интернет-обозреватель может перерисовать всю страницу или ее часть, используя сохраненные копии элементов, а не исходный текст сценария страницы.

Еще одно полезное свойство стиля в CSS - свойство visibility (видимость). Как ясно из его названия, это свойство определяет, будет ли элемент виден на странице. Когда мы создаем полностью неподвижные страницы, используя абсолютное позиционирование, это свойство не является необходимым. Оно становится важным, когда мы добавляем на наши страницы код сценария, т.е. при работе с DHTML. Сценарий может изменять свойства элемента, например, делая его то видимым, то невидимым. Если по каким-либо причинам мы хотим убрать картинку, не двигая текст, мы можем просто задать значение hidden (спрятанный) свойству visibility. Результатом будет то, что все элементы, кроме исчезнувшей картинки, останутся на своих местах [21].

Литература

1. Степанова Г.Н., Монахов В.В., Колесников Ю.Л., Бутиков Е.И., Стафеев С.К., Фрадкин В.Е., Кораблев В.А. Программное обеспечение для компьютерной поддержки школьного курса физики // Тезисы докл. V междунар. конф. "Физика в системе современного образования". 1999. СПб. Т.3. С.132-133.

2. Васильев В. Н., Колесников Ю.Л., Монахов В.В., Стафеев С.К., Смирнов А.В. СПб образовательная сеть по физике и система удаленного тестирования знаний в Internet // Физическое образование в вузах. 1998. Т.4. № 4. С.83-88.

3. Васильев В.Н., Колесников Ю.Л., Монахов В.В., Поляков А.А., Стафеев С.К. Разработка фрагментов Санкт-Петербургской региональной образовательной сети, разделы "«Механика" и "Оптика" // Тез. докл. V учебно-методич. конф. "Современный физический практикум". 1998. Новороссийск. С.166-167.

4. Монахов В.В. и др. Автоматизированный практикум по физике. Механика. СПб: Изд. СПбГУ, 1998. 75 с.

5. Монахов В.В. и др. Изучение основ управления физ. экспериментом с помощью компьютера. СПб: Изд. НИИ химии СПбГУ,1999. 19 с.

6. Башнина Г.Л., Колесников Ю.Л. и др. Опыт разработки учебного CD-ROM по курсу общей физики // Физическое образование в вузах. 1997. Т.3. № 3. С.97-103.

7. Монахов В.В., Кожедуб А.В. и др. BARSIC - интегрированная среда и язык программирования для физиков // Вестник СПбГУ. Сер. 4. 1998. Вып. 3 (№ 18). С.112-114.

8. Monakhov V.V., Kozhedub A.V., Kashin A.N. Integrated Environment for Physical Experiments Control // Abstracts of the First International Conference «Modern Trends in Computational Physics», Dubna, Russia, 1998, p.125.

9. Колесников Ю.Л., Стафеев С.К., Смирнов А.В. и др. В помощь абитуриенту. Методические указания по подготовке к вступительному экзамену по физике. СПб: Изд. СПб ИТМО, 1998. 79 с.

10. Оценка качества подготовки выпускников основной школы по физике / Сост. В. А. Коровин. М.: Дрофа, 2000. 64 с.

11. Примерные программы среднего (полного) общего образования / Сост. Н.Н. Гара, Ю.И. Дик. М.:Дрофа, 2000. С.138-161.

12. http://www.ae.msstate.edu/vlsm/truss/index.html - Mississippi State University.

13. http://rostest.runnet.ru - образовательный сервер тестирования.

14. http://www.lightlink.com/sergey/java - "Interactive Physics & Math with Java".

15. http://www.sciencejoywagon.com/physicszone/ - Ithaca High School.

16. http://www.krev.com/products/ip.html , http://www.school.edu.ru/int/soft/fiz.html - в русской редакции

17. http://sodaplay.com/index.htm - сайт с демонстрационной версией программы Sodaconstructor.

18. Программное обеспечение для компьютерной поддержки школьного курса физики // Тезисы докл. V междунар. конф. "Физика в системе современного образования". 1999. СПб. Т.3. С.132-133.

19. Долицкий А.Б., Синяков А.З., Дик Ю.И., Никифоров Г.Г. Инструкции к лабораторным работам по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2001.

20. Леонтьев И.А. Разработка электронного учебного пособия по физике. Магистерская диссертация. Санкт-Петербург, 2001. 52 с.

21. Айзекс С. Dynamic HTML. СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1998. 496 с.