Система виртуальной и реальной лабораторий для физического практикума

УДК 535.42

СИСТЕМА ВИРТУАЛЬНОЙ И РЕАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИЙ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА

© 2000 В.С.Казакевич, С.П.Котова, А.Л.Петров, Т.Н.Сапцина, П.О.Скобелев

Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

В данной работе авторы предлагают использовать в одном образовательном комплексе для физического практикума в вузе и в школе ряд возможностей, сочетающих традиционные методы преподавания и преимущества новых информационных технологий. Предлагаемая концепция реализована по теме «Дифракция света» и может послужить моделью для создания подобных систем по другим разделам физического практикума.

В настоящее время, справедливо называемое веком информационных технологий, когда персональные компьютеры и Интернет становятся все более и более доступными, появляется реальная возможность получения полноценного образования вне зависимости от места жительства и качества образовательного учреждения. Информационные технологии могут предоставить доступ к огромному ресурсу знаний во многих отраслях, позволят приблизить, увидеть и «взять в руки» объект, находящийся за тысячи километров. Этот мощный ресурс можно использовать для постановки на новом уровне физического практикума в вузе и в школе. В данной работе авторы, основываясь на многолетнем опыте преподавания на кафедре оптики и спектроскопии Самарского государственного университета, предлагают использовать в одном образовательном комплексе ряд возможностей, сочетающих традиционные методы преподавания и преимущества новых информационных технологий:

• реальную полноценно оборудованную лабораторию - как базовую систему;

• виртуальную лабораторию на основе этого реального прототипа;

• компьютерные модели физических процессов;

• рассылку описаний реальных полномасштабных лабораторных работ через Интернет.

Известно, что преподавание физики постоянно сталкивается со сложностью демонстрации экспериментов и постановки лабораторных работ для учащихся. Это особенно

важно в настоящее время, когда высокая стоимость экспериментального оборудования и трудоемкость постановки учебных экспериментов являются серьезным препятствием для создания полноценного физического практикума. Предлагаемый подход может существенно упростить эти проблемы - появляется реальная возможность организации эффективного физического практикума вне зависимости от наличия в учебном заведении полного набора лабораторного оборудования.

Актуальность подхода обусловлена несколькими факторами. Во-первых, нельзя не отметить, что в результате перестройки системы образования в России обучение физике, как и другим естественнонаучным дисциплинам, оказалось в сложном положении. Финансовые трудности, непрерывно испытываемые образовательными учреждениями, оставляют учебную лабораторную базу без должной поддержки. И если для гуманитарного образования в последнее время существует возможность развития при помощи грантов зарубежных благотворительных организаций, в физическом образовании, как и вообще в естественнонаучном, нужно рассчитывать исключительно на внутренние ресурсы.

Во-вторых, естественнонаучное образование нуждается в повышенном внимании, так как существующая тенденция переориентации на гуманитарное образование может повлечь снижение уровня подготовки физиков в университетах (например, из-за отсут-

ствия полноценной учебной лабораторной базы), за чем последует снижение уровня преподавания физики в школах. Это, в свою очередь, может привести к дальнейшему падению престижа инженерной и физической специальности у молодых людей. Таким образом, в стране, имевшей передовые позиции во многих отраслях науки и техники, через некоторое время может возникнуть дефицит собственных квалифицированных специалистов, что нежелательно, и даже недопустимо в мире сложнейших технических систем, неквалифицированная эксплуатация которых может привести к авариям и техногенным катастрофам.

В третьих, во многих развитых странах у молодежи отмечается уменьшение интереса к естественным наукам, в частности, к физическим дисциплинам. Поэтому преподнесение материала с использованием реальных экспериментов и всех возможностей информационных технологий, демонстрация явлений во всей гармонии и красоте может послужить средством привлечения новых сил в эту область знаний.

В настоящее время существует ряд обучающих программ по физике на компакт дисках [1-3] и в сети Интернет. В Интернет представлены в основном рекламы обучающих программ для школьного курса физики на компакт дисках, сами обучающие программы предлагается приобретать отдельно [4,5], а небольшие доступные обучающие ресурсы

- это сканированные страницы учебников [6] или анимированные математические модели. Цельной же системы, комплексно использующей возможности информационных технологий в каком-либо разделе физики, нам обнаружить не удалось.

Предлагаемый подход реализован на основе лабораторного комплекса, расположенного в Учебно-научной лаборатории Самарского филиала ФИАН, с использованием обучающего мультимедиа диска «Дифракция» и одноименного сайта в Интернет (http:// www.kg.ru/diffraction) [7-9]. Эта система посвящена одному из самых красивых и сложных разделов оптики - дифракции света. Возможности мультимедиа не только облегчают восприятие такого сложного и необычного

явления как дифракция, но и позволяют продемонстрировать его удивительную красоту.

Представляется интересным при помощи современных средств мультимедиа воспроизвести обстановку лаборатории в виде, максимально приближенном к реальности, для того чтобы ознакомить учащегося с реальной лабораторией, подготовить к эксперименту или заменить эксперимент (при отсутствии реальной лаборатории). То, что виртуальная лаборатория разработана на основе конкретного существующего оборудования и с максимальным эффектом правдоподобия изображений, дает эффект узнавания в ситуации реальной лаборатории.

Реальная лабораторная установка комплекса находится в Учебно-научной лаборатории Самарского научно-образовательного центра подготовки специалистов по оптике и лазерной физике (СамГУ - СФ ФИАН). Оптика, лазерная физика и оптоэлектроника лежат в основе многих современных высоких технологий и технологий будущего. В лаборатории поставлены работы по изучению различных лазерных и оптических систем, в ряде случаев с использованием уникальных экспериментальных установок. Лаборатория предусматривает возможность постановки экспериментов различной сложности по курсу оптики и лазерной физики, включая изучение источников и приемников излучения, элементов современной оптоэлектроники (световодов, пространственно-временных модуляторов света и других), вплоть до выполнения исследовательских работ.

Составной частью лаборатории являет-

Рис. 1. Внешний вид учебно-лабораторного комплекса

ся учебно-лабораторный комплекс по курсу «Оптика» «Опыты со светом», разработанный для проведения лабораторных работ и демонстрационных экспериментов по оптике для школ с углубленным изучением физики, средних специальных учебных заведений, а также ВУЗов. В нее входят: четыре источника светового излучения, монохроматор, осциллограф, фотоприемник, гранитная плита с направляющими рельсами, разнообразные оптические элементы (наборы линз, зеркал, световоды, светофильтры, поляризатор, голограммы и т.д.) с элементами крепежа (рис.1).

В виртуальной лаборатории можно выделить несколько частей. Первая часть - это размещенное на диске «Дифракция», сконструированное в редакторе трехмерных изображений, помещение виртуальной лаборатории с набором оборудования для 6 экспериментов, в котором пользователь может «ходить», «брать» со стеллажа элементы, ставить на оптический стол и, «перемещаясь» по лаборатории, наблюдать ход лучей лазера в оптической схеме. Внешний вид оптических элементов разработан по чертежам оборудования, имеющегося в реальной лаборатории (рис.2). В лаборатории воссозданы блики лазерного света на поверхности оптических элементов и оправах, освещенные места стены, мерцание пылинок в луче лазера.

Вторая часть виртуальной лаборатории

- это раздел «Задания» на диске. При обращении к этому разделу пользователю предлагается список лабораторных работ по 4 темам: «Дифракция Френеля», «Дифракция Фраунгофера на одиночных отверстиях», «Дифракция Фраунгофера на наборе отвер-

Рис. 3. Экран задания

стий», «Дифракционная решетка» - всего 20 заданий - каждое их которых по сюжету представляет собой полноценную лабораторную работу.

Сначала учащемуся предлагается описание лабораторной работы - внешний вид установки, перечень элементов (часть из которых он мог видеть в виртуальной лаборатории), описание задания. Затем учащийся переходит к выполнению задания. На основном экране представлен внешний вид экспериментальной установки, на дополнительных

- вид экрана наблюдения, вид основного элемента схемы, таблица для занесения результатов измерения, поле графика (рис.3). Учащемуся предлагается при помощи «виртуальной» линейки произвести необходимые измерения, занести результаты в таблицу, затем построить график. После выполнения работы учащийся должен ответить на контрольный вопрос по результатам задания. Завершается работа анализом правильности выполненных действий.

Изображения дифракционных картин, предлагаемых учащимся в заданиях, частью являются видеокадрами записей реальных экспериментов (рис.4), частью - результатом модельных расчетов и обработки изображе-

Рис. 2. Виртуальная лаборатория

Рис. 4. Экспериментально полученная картина дифракции на щели

Рис. 5. Картина дифракции на 5 щелях, полученная в результате моделирования

ния в графическом редакторе, которое проводилось с целью добиться наибольшего сходства с экспериментом (рис.5).

Практикум в виртуальной и реальной лаборатории дополняется еще одним видом экспериментов - это компьютерные модели физических процессов, которые учащиеся могут располагать на своих компьютерах и проводить виртуальные эксперименты в реальном времени. Интерактивные программы преследуют цель показать сходство и различие реальных видеосъемок и математических моделей. Они также могут познакомить учащихся со сложными эффектами, которые не всегда легко получить даже в научной лаборатории. В нашей системе эти модели пользователи могут получить через Интернет с сайта «Дифракция» (рис.6).

Еще одна интересная часть виртуальной лаборатории - это раздел сайта «Домашние опыты». Он содержит описание интересных экспериментов, которые можно поставить без сложного оборудования, пользуясь обыч-

П_____________I

о .

I’’

э

Рис. 6. Интерактивная программа

ными предметами даже в домашних условиях (рис.7).

Выполнив отдельные эксперименты на настоящем оборудовании и дополнив их виртуальными, либо наоборот, сначала проработав задания в виртуальной лаборатории, а затем, совершив экскурсию в реальную, учащиеся за короткое время могут получить полную картину проявлений физического закона. Существенную поддержку физическому практикуму в конкретном учебном заведении может оказать возможность получить описание и фото отчет полномасштабной лабораторной работы, которую можно поставить у себя в лаборатории.

Ключевым моментом предлагаемой системы является возможность посещения реальной лаборатории, которая может быть одна на большое количество учебных заведений в регионе. Учебные группы ВУЗов и классы школ могут посещать такую лабораторию по расписанию 1 раз в месяц или реже. После полномасштабного проведения экспериментов в виртуальной лаборатории, всестороннего рассмотрения различных аспектов изучаемого явления, внешнего вида лабораторного оборудования, ответов на контрольные вопросы, живое посещение реальной, учебной или научной лаборатории будет значительно эффективнее. Для учащихся Самары это можно сделать в Учебно-научной лаборатории Самарского филиала ФИАН.

Не каждое учебное заведение может позволить себе иметь полномасштабный лабораторный комплекс. Но обучающего диска, сайта в Интернет и возможности совершить экскурсию в реальную лабораторию может быть достаточно для полноценного усвоения экспериментального материала.

Данная концепция реализована по теме «Дифракция света» и может послужить моделью для создания подобных систем по другим разделам физического практикума. Кроме того, развитие системы может продолжаться вглубь, например, организацией удаленного доступа в лабораторию через Интернет.

Авторы благодарят преподавателей СамГУ, сотрудников СФ ФИАН и коллектив программистов компании «Генезис Знаний»

Рис. 7. Опыт с лазерной указкой

за помощь в создании системы. Особую признательность авторы выражают С.В.Лопоу-хову, благодаря идеям и усилиям которого сайт и диск реализовались в представленном виде. Работа выполнена при поддержке Фонда Сороса (грант № #1ЕА711) и Федеральной целевой программы «Интеграция» (проект № 21-235).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Школьный курс физики. Эл. учебник. 1999.

2. Открытая физика 1.0. 4.2. Эл. учебник. М.: Физикон, 1997.

3. Задачник по физике. Оптика. Волны. Эл. учебник. М.: Медиа паблишинг, 1997.

4. Ьйр://^^№. 1 с.ш/гере1;11;ог/Нурег/рЬу81с8.Ь1т

5. http://www.ipk.edu.yar.ru/resource/distant/ physics/dozorov/paket.htm

6. http: //www.bashedu. ru/kafedry/algeom/ sharipov/electr-l.htm

7. Жукова B.A., Зверев M.B., Иванова A.M., Казакевич B.C., Котова С.П., Лопоухов C.B., Сапцина Т.Н., Скобелев П.О., Фролов Д.М. Мультимедиа-система “Дифракция света” // Труды международной конференции “Физика в системе современного образования”. 1999. Т.3.

8. Иванова А.М., Казакевич B. С., Лахин О.И., Котова С.П., Лопоухов C.B., Самороди-нов Д.B., Сапцина Т.Н., Скобелев П. О. Оптика в INTERNET: Дифракция // Труды международной конференции “ Физика в системе современного образования”. 1999. Т.3.

9. Жукова B.A., Казакевич B.С., Котова С.П., Лопоухов С.B., Майорова А.М., Петров А.Л., Сапцина Т.Н., Скобелев П.О., СамородиновД..B., ФроловД.М. Гибридная система дистанционного обучения по оптике (дифракция света) // Материалы второй Байкальской научной школы по фундаментальной физике. Иркутск: Иркутский университет, 1999.

THE SYSTEM OF VIRTUAL AND REAL LABORATORIES FOR STUDENT PRACTICAL WORKS ON PHYSICS

© 2000 V.S. Kazakevich, S.P. Kotova, A.L. Petrov, T.N. Saptsina, P.O. Skobelev

Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Levedev of Russian Academy of Sciences

At present work authors propose to apply in one educational system for student training work on physics for universities and schools the complex combining the traditional methods and advantages of new informational technologies. Presented conception is realized for theme «Diffraction of light» and can be a model for creation of similar systems for other section of physics.