|
··· VII Московский марафон учебных
предметов. День физики ···
Л.В.ПИГАЛИЦЫН < levp@rambler.ru >, www.levpi.narod.ru>,
МОУ СОШ № 2, г. Дзержинск, Нижегородская обл.
Компьютер как физический прибор
О новых возможностях
информационных технологий для преподавания
физики
Первый настоящий персональный
компьютер я увидел в Москве на международной
выставке «Школьное оборудование» в 1969 г. Это мне
показалось несбыточной фантастикой. И вот, когда
в конце 80-х гг. в школах стал вводиться курс
«Информатика», я пришёл к директору и сказал, что
информатику в нашей школе буду вести я.
Компьютеров, естественно, не было. Курс
информатики был бумажный. Но мы сразу приобрели 13
программируемых калькуляторов, и я стал учить
детей писать программы на этой машине. (А что?! 99
шагов – присваивания, ветвления, циклы – всё это
есть и в современных ЭВМ.)
Зачем мне это было нужно? Говоря
честно, я не хотел в будущем быть учителем
информатики. Моя стезя – физика. Но шестое
чувство мне подсказывало, что только этим путём
можно получить доступ к компьютерам для
применения их на уроках физики. В конце концов
так оно и вышло. После МК-54 у нас появились
компьютеры «Микроша». И хотя у них не было
графики (только текстовый режим и псевдографика),
мы уже тогда на уроках информатики стали
создавать различные программы по физике.
В 1990 г. для моего Авторского класса (см.
мою статью в № 2/2007) Облоно выделило два комплекта
«Корветов». Они в те времена были очень
приличными компьютерами с хорошей графикой, и мы
с ребятами стали на них создавать компьютерные
программы в поддержку школьного курса физики.
Сейчас положение изменилось в лучшую
сторону, и не только потому, что у нас появились
современные компьютеры, а ещё и потому, что у
многих учеников появились компьютеры дома. И
теперь я практически не представляю
преподавание физики без компьютерной поддержки.
Я использую компьютер на уроках во время
объяснений (фото-, видео- и графические
иллюстрации, компьютерные программы из
интернета), на лабораторных работах, физическом
практикуме и для моделирования физических
процессов на ПК.
Поскольку нельзя объять необъятное, то
я рассмотрю ряд применений компьютера на уроках:
стандартных, которыми пользуются многие
учителя, и нестандартных, позволяющих превратить
компьютер в полнофункциональный физический
прибор с возможностями, зачастую превышающими
возможности сложных школьных физических
приборов – генераторов, осциллографов и т.д.
• Интерактивные курсы и
компьютерные энциклопедии. Ими пользуются
практически все учителя физики и астрономии, уже
освоившие компьютерную поддержку. Я, например,
пользуюсь компакт-дисками «Открытая физика» (под
ред. проф. МФТИ С.М.Козела, компания «Физикон»),
«Физика. 7–11 классы» той же компании, «Уроки
физики. 8–11 классы» (фирма «Кирилл и Мефодий»),
«Вся физика» (фирма «Руссобит»). Кроме этого
довольно часто обращаюсь к «Библиотеке
наглядных пособий по физике» (фирма «1С»),
«Оксфордской энциклопедии науки», «Физикусу» и
т.д.
К сожалению, все приведённые выше
интерактивные средства не привязаны к
какому-либо конкретному учебнику или программе,
поэтому целиком их использовать нельзя. Я делаю
для каждого урока выборки фрагментов, рисунков,
видеофайлов, анимаций, т.е. небольшие  медиапакеты.
Аналогично на уроках астрономии
использую интерактивные курсы по астрономии:
«Открытая астрономия» (под ред. Н.Н.Гомулиной),
«Redschift3», астрономическая энциклопедия
«Невооружённым взглядом», энциклопедия «Космос.
Вперёд, к звёздам!», «Энциклопедия Солнечной
системы» и различные программы, например,
компьютерный планетарий «StarCalc».
Второй год я веду экспериментальный
пропедевтический курс «Физика и окружающий мир»,
аналогичный опубликованному в № 8/2007, и использую
на занятиях «Уроки физики. 5–6 класс» (фирма
«Кирилл и Мефодий») и обучающие игровые
приложения: «Дракоша и занимательная физика»,
«Дракоша и занимательная астрономия» (Медиа 2000),
а также развивающие игры «Умники – изучаем
жизнь», «Фанат науки “Физика”» и т.д.
Безусловно лучшим вариантом
применения компьютерных интерактивных
энциклопедий и библиотек является полный
комплект: учебник плюс CD (DVD)-диск. Мне
известен всего один такой комплект – «Физика. 9
класс» С.В.Громова, Н.А.Родиной. Но
Минобрнауки России обещает выпустить в
ближайшем будущем такие комплекты по всем
предметам.
В последнее время появляются
компьютерные программы нового поколения.
Замечательным примером может служить
«Видеозадачник по физике» в трёх частях,
разработанный ведущими преподавателями физики
Казанского университета А.И.Фишманом,
А.И.Скворцовым и Р.В.Даминовым. Он позволяет
учащимся сделать около ста неожиданных открытий
и разобраться в сути окружающих нас явлений
природы. Для учителей видеозадачник является
отличным помощником при объяснении сложного
учебного материала и даёт возможность создавать
проблемные ситуации на уроках и внеклассных
занятиях.
• Компьютерный физический
эксперимент. Компьютер – изобретение XX в.,
предоставляющее поистине огромные возможности,
что делает его незаменимым в офисах, на
производстве, в сельском хозяйстве и, конечно, в
научных исследованиях и в школе. С помощью
компьютера можно проводить физические
эксперименты условно четырёх типов:
демонстрационный, моделирующий, графический и
вычислительный. Рассмотрим их подробнее.
– Демонстрационный компьютерный
эксперимент. Во время объяснения учебного
материала часто приходится рассказывать об
устройстве различных физических приборов,
делать графические иллюстрации различных
зависимостей физических величин и т.д. Большую
помощь при этом могут оказать демонстрационные
программы – самостоятельные или фрагменты из
других программ по данной теме. Учащиеся с
удовольствием пишут несложные демонстрационные
программы на Бейсике, Паскале или Дельфи, и
наиболее удачные я использую на уроках или
внеурочных занятиях. Некоторые учащиеся создают
целые пакеты программ по определённым темам и
защищают их на переводных или выпускных
экзаменах.
Так, например, мой одиннадцатиклассник
Ушаков Антон создал на языке Дельфи
демонстрационный пакет программ по механическим
волнам. Он включает в себя демонстрационные
программы по образованию продольных и
поперечных волн, интерференции и дифракции
механических волн.
Другой ученик – победитель
международных олимпиад по физике и астрономии Игорь
Квасов – создал пакет демонстрационных
программ по волновой оптике: «Дисперсия света»,
«Интерференция света», «Кольца Ньютона» и «Зоны
Френеля».
Ценность таких программ заключается
ещё и в том, что это своеобразное мотивационное
средство для других учащихся.
– Моделирующий компьютерный
эксперимент. Значение моделей в учебном
процессе связано с повышением наглядности и
научно-теоретического уровня изложения
материала, с развитием мышления учащихся. При
этом ученик имеет большие возможности для
исследовательской, творческой деятельности, что
стимулирует развитие его умственных
способностей, делает усваиваемые знания глубже и
прочнее.
Моделировать в физике и астрономии
можно практически всё: движение материальных
точек и тел в гравитационных, электрических и
магнитных полях; процессы, происходящие в
различных состояниях вещества (твёрдом, жидком,
газообразном, в плазме). Можно проводить
всевозможные виртуальные эксперименты на
виртуальных приборах.
Ярким примером моделирующей программы
по астрономии является виртуальная лаборатория
«Движение космических тел», созданная
профессором Санкт-Петербургского университета Е.И.Бутиковым.
Некоторые простейшие программы по моделирующему
компьютерному эксперименту можно скачать с
моего сайта: моделирование поперечных и
продольных волн – volna.zip; моделирование
столкновений тел – stolkn.zip; моделирование
движение тела в тоннеле, прорытом в Земле, –
tonnel.zip; падение шарика с учётом сопротивления
воздуха – shar.pad.zip. Прошу не судить эти программы
слишком строго, т.к. их делали мои ученики в
качестве домашних заданий.
– Графический компьютерный
эксперимент. В программы закладывается
возможность исследования зависимости одних
физических величин от других на графиках,
которые на экране строит компьютерная программа.
В механике это может быть исследование
зависимости ускорения, скорости, координаты,
пройденного пути, импульса, потенциальной и
кинетической энергий от времени; исследование
изменения параметров колебательного движения от
времени в зависимости от начальной фазы,
добротности колебательной системы, резонансные
явления и т.д. В МКТ и термодинамике это может
быть исследование максвелловского
распределения молекул по скоростям,
исследование изо- и полигазовых процессов,
исследование циклов тепловых двигателей и т.д. В
электростатике это может быть исследование
зависимости напряжённости или потенциала
электрического поля точечного заряда или
системы зарядов от расстояния. В темах
«Постоянный ток» и «Ток в средах» это может  быть
исследование ВАХ металлов, полупроводников,
вакуума, электролитов и газов.
Примером является программа для
исследования распределения силовых линий и
эквипотенциальных поверхностей, созданная на
языке Дельфи учеником 11-го класса Бариновым
Александром. Написаны программы для
исследования зависимости ёмкости плоского
конденсатора от его параметров – расстояния
между пластинами, площадью пластин и
диэлектрической проницаемости диэлектрика, и
т.д.
На моём сайте выложены несколько
программ:
1) программа gr-rnd1.bas – генератор (через
RND) графиков скорости материальной точки для 3 с
её движения. По этим графикам необходимо
выяснить, откуда, куда и как двигалась точка в
течение каждой секунды, и построить графики
координаты и пути;
2) программа elst7.bas – генератор (через RND)
графиков зависимости напряжённости
электрического поля двух заряженных сфер от
расстояния и графиков зависимости потенциала
заряженной сферы, окружённой диэлектрическими
сферами, от расстояния. Имеются демонстрационные
и контролирующие блоки;
3) программа sl-kol.bas для сложения двух
колебаний (происходящих в одной плоскости и в
двух взаимно перпендикулярных) и получения фигур
Лиссажу;
4) программа rez.bas для исследования
механического резонанса.
– Вычислительный компьютерный
эксперимент служит мостом между лабораторным
экспериментом и теоретическими моделями.
Отправным пунктом численного моделирования
является разработка идеализированной модели
рассматриваемой физической системы. Затем
определяется алгоритм для реализации данной
модели на компьютере. Численное моделирование,
как и лабораторные эксперименты, не заменяет
размышление, а является инструментом постижения
сложных явлений. Мне это представляется так: с
помощью измерительных приборов снимаются
параметры физических процессов, вводятся в
компьютер, который их обрабатывает с помощью
определённой программы. В компьютер загружается
программа-симулятор какого-либо физического
процесса с возможностью вмешательства в этот
процесс исследователя, который сидит у
компьютера. После соответствующих операций
компьютер обрабатывает данные, получившиеся в
результате, и выдаёт их на экран монитора.
Для реализации вычислительного
эксперимента мы с учениками создали несколько
программ, посвящённых разгадке содержимого
электрического «чёрного ящика», в котором могут
находиться резисторы, лампочки накаливания,
диоды, конденсаторы, катушки и т.д. На практике и в
быту мы очень часто встречаемся с приборами и
устройствами, имеющими вход и выход. Например,
радиоприёмник, телевизор, стабилизатор
напряжения, выпрямитель и т.д. Мы знаем, как
включать эти приборы в электрическую сеть и что
будет на выходе (звук, изображение, напряжение и
т.д.). Но что находится внутри этого прибора, мы не
знаем. Это и есть «чёрный ящик». Оказывается, в
некоторых случаях можно, не вскрывая «чёрный
ящик» узнать его содержимое, подключая ко входу и
выходу различные устройства. На школьном уровне
электрический «чёрный ящик» можно сделать из
несложных трёх- или четырёхполюсников. Такие
задачи развивают воображение, пространственное
мышление и творческие способности, не говоря о
том, что должны быть глубокие и прочные знания по
тому разделу физики, к которому относится
«чёрный ящик». Поэтому совсем не случайно на
многих всесоюзных и международных олимпиадах по
физике в качестве задач предлагалось
исследование «чёрных ящиков». 
Я периодически обращаюсь на уроках и
внеклассных занятиях и к реальным «чёрным
ящикам». Их схемы монтируются в спичечных
коробках, которые для «куража» оклеиваются
чёрной бумагой. На фотографии (см. с. 12) в верхнем
ящике находятся диод и три резистора, а в нижнем
– диод, стабилитрон и катушка от малогабаритного
реле. Оба ящика имеют по 4 вывода. В своём
Авторском классе я провожу три реальных
лабораторных работы по «чёрным ящикам»:
«Резисторы и лампы накаливания» (у ламп
нелинейная ВАХ) – при изучении темы «Законы
постоянного тока», 10-й класс; «Резисторы, лампы
накаливания и диоды» – при изучении темы
«Полупроводники и их применение», 10-й класс;
«Резисторы, конденсаторы, катушки,
трансформаторы и колебательные контуры» – при
изучении темы «Электромагнитные колебания».
После исследования «чёрных ящиков» с помощью
приборов (авометров, генераторов, осциллографов
и т.д.) ученики представляют мне схему, которая, по
их мнению, находится в «ящике», и номиналы её
элементов. Обработку данных, полученных в
результате исследований, построение ВАХ и АЧХ
ребята делают на компьютере. Потом открываем
«ящик» и анализируем результаты. В 2002 г. я послал
руководителю российской международной
олимпиадной команды С.М.Козелу на тренировочные
сборы пять «крутых» «чёрных ящиков». Так наши
олимпийцы отгадали целых два!
Мы исследуем также и виртуальные
«чёрные ящики», для чего написали несколько
компьютерных программ. Достоинством этих
программ является то, что исследования можно
проводить одновременно всем классом, тогда как с
реальными «чёрными ящиками» (с диодами,
конденсаторами и катушками) это невозможно, –
для этого необходимо 15 осциллографов,
15 звуковых генераторов и т.д., т.е. 15 комплектов
дорогостоящего оборудования, которым
большинство школ не располагает.
В настоящее время мы разрабатываем
программы пакета «BOX» по механике и оптике.
Cкачать один из вариантов программы «Чёрный
ящик» на резисторах (blackbox.bas) можно с моего сайта.
Виртуальные «чёрные ящики» я использую или при
допусках к лабораторным работам, или при
тренинге, или на зачётах. Познакомиться с
методикой разгадывания «чёрных ящиков» можно по
задаче № 18.19 из книги В.И.Лукашика
«Физические олимпиады» или по п. 4, § 8 из книги О.Ф.Кабардина,
В.А.Орлова, Н.И.Шефер «Факультативный курс
физики. 10-й класс».
• Анимации
Апплеты (небольшие анимационные
программы для демонстрации различных физических
явлений, устройства и принципа действия приборов
и различных механизмов и проведения виртуальных
физических экспериментов, написанные на языке
Java) – это своеобразные живые плакаты с
возможностью проведения физических
исследований и виртуальных физических
экспериментов. Достаточно много апплетов есть в
интерактивных курсах «Открытая физика» и
«Открытая астрономия» (там они называются моделями).
Большое количество апплетов можно найти в
интернете, вот несколько ссылок: апплеты по
физике «ph14e» с сайта www.walter-fendt.de;
NTNU Virtual Physics Laboratory (java applets) ntnujava – много грамотных
и интересных анимаций по разным разделам физики
– www.phy.ntnu.edu.tw/java/index.html;
http://didaktik.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer/home/java1.htm
JAVA – апплеты по физике; http://www.k-wz.de
– набор апплетов по термодинамике.
Моя коллекция насчитывает около 200
апплетов по физике и 100 по астрономии из
интернета и компьютерных энциклопедий В
качестве примера предлагаю два.
Первый – «Электрический мотор» – из
пакета ph14e: на панели управления можно изменять
направление тока в рамке, направление линий
магнитной индукции. Направление сил Ампера,
действующих на проводники рамки, определяем с
учениками по правилу левой руки, а потом нажимаем
на кнопку «Старт». Появляются силы Ампера, и
рамка начинает вращаться.
Второй апплет – «Паровая машина» – из
пакета k-wz: на нём изображены паровоз, котёл,
устройство паровой машины; при нажатии на кнопку
«Start» все детали паровой машины приходят в
движение; при нажатии на кнопку «gо» паровоз
начинает двигаться, вызывая восторг у учащихся
как 8-х, так и 10-х классов.
Имейте в виду, что описанные апплеты из
пакетов ph14e и k-wz будут работать только в тех
браузерах, в которых есть поддержка пакетов Java.
Лучше всего для этой цели подходит браузер Opera7.2.
Его можно скачать с официального сайта Opera (имя
ow32enen720j). К сожалению, в последних версиях
браузера Opera9, Opera10 поддержки пакетов с Java нет.
Другая разновидность анимации –
GIF-анимация.Это очень короткий микрофильм из
чередующихся картинок или фотографий,
позволяющий познакомиться с физическими
явлениями или процессами. Таких gif-файлов очень
много на различных анимационных сайтах по
физике.
Ещё один вид анимации – Flash-анимация.
Они представлены практически на всех
современных мультимедийных дисках по физике и
астрономии, поэтому наиболее доступны. Но при их
использовании необходимо обязательно загрузить
в компьютер Flash-проигрыватель.
• Виртуальный физический
эксперимент
Компьютерные технологии позволяют
проводить физические и астрономические
эксперименты без реальных физических приборов.
Это особенно актуально в наши дни, когда
финансирование физических кабинетов находится
практически на нуле. С другой стороны, ученик,
увидев на уроке опыты с применением сложных
приборов – генераторов, осциллографов и т.д., –
может захотеть повторить этот эксперимент дома.
До недавнего времени это было практически
невозможно, за исключением тех случаев, когда
папа или дедушка были радиолюбителями. Сейчас,
если иметь компьютер, можно обойтись без
реальных приборов, воспользовавшись
виртуальными компьютерными
программами-симуляторами приборов и их наборами,
физическими конструкторами. В интернете можно
найти много таких виртуальных приборов, которые
можно использовать в демонстрационном,
лабораторном и исследовательском экспериментах.
Остановимся на них подробнее.
Виртуальные приборы. Мы
систематически используем на уроках и
внеклассных занятиях по физике программы
«Звуковой генератор», «Двухканальный
осциллограф» (см. «Физику» № 5, 7, 9, 11/2008). Для
учебно-исследовательских работ, проводимых
учащимися, можно использовать более сложные
комплексы виртуальных приборов: UNILOGIC –
логический анализатор, осциллограф и
частотометр (правда, у меня есть только адрес
автора Алексея Плюсова из Минска – Fidonet
2:450/147.12.) и Аудиотестер, включающий в себя
функциональный двухканальный осциллограф и
спектроанализатор (его можно скачать бесплатно с
сайта http://www.sumuller.de.). Все эти
приборы используют звуковую карту компьютера.
Физические конструкторы.
Виртуальные приборы, о которых говорилось выше,
позволяют принимать информацию от реальных
физических установок и приборов (осциллографы,
частотометры, RСL-метры и т.д.) или выдавать
информацию (звуковые генераторы). Но есть
программы, которые позволяют моделировать на
рабочем столе компьютера различные установки и
исследовать их работу с помощью виртуальных
приборов, включённых в эту же программу.
На рисунке изображён рабочий стол
физического конструктора по механике «Ecsamle3». В
этом конструкторе можно собирать и приводить в
действие различные кинематические и
динамические схемы с синхронным построением
графиков и фазовых диаграмм.
Большой интерес для учителей может
представлять физический конструктор «Сrocodile»,
позволяющий моделировать и исследовать процессы
почти по всем темам школьного курса физики.
Если вас интересуют исследования
электронных устройств от простейшей проверки
закона Ома до сложных аналоговых и цифровых
устройств, то для этих целей можно использовать
электронные конструкторы:
– «Сборка» для 8-го класса. Рабочий
стол этого конструктора показан на рисунке;
– «Начала электроники» (разработка
КазГУ им. Аль-Фарби) – http://elektronica.newmail.ru;
– и (для более серьёзных исследований)
программа «Электронный конструктор» WorkBench
(версия 4 – WWЕB4, версия 5 – EWB5.12. или EWB 6.01). Версию
EWB5.12 можно скачать с сайтов http://depositfiles.com/files/3446944 ; http://letitbit.net/download/937a38321589/ElWorkBench5.12.rar.html.
В интернете можно найти большое
количество физических конструкторов по оптике,
например, «Оптический конструктор», показанный
на рисунке, с успехом можно применять на уроках
по оптике в 8-м и 11-м классах. Он позволяет
моделировать ход лучей в сферических зеркалах, в
собирающих линзах (в одной или сразу в двух). В
экспериментах с линзами и зеркалами можно
использовать и плоскопараллельную пластинку.
Представленный обзор физических
конструкторов представляет лишь малую часть из
существующих. Некоторые с успехом применяют
«Активную физику», «Живую физику»,
«Интерактивную физику» и т.д.
• Виртуальные лабораторные работы
Когда у нас появились ЭВМ, мы решили их
использовать при выполнении лабораторных работ
и первым делом написали универсальную программу
oblab.bas для вычисления результатов лабораторных
экспериментов, абсолютных и относительных
ошибок. Во время выполнения лабораторных работ
большую помощь ученикам может оказать
программа-секундомер sek-lab1, которая может
работать в ручном и автоматическом режимах при
подключении лабораторной установки к
компьютеру.
Когда материальное положение школ
стало ухудшаться и возникла проблема с
пополнением оборудования для фронтальных
лабораторных работ и работ физического
практикума, мы с учениками решили создавать свои
виртуальные лабораторные работы. Потом
виртуальные лабораторные работы стали
появляться в интернете. Я стал давать как
реальные натурные лабораторные работы с
использованием физических приборов, так и
виртуальные лабораторные работы. Последние,
которые можно найти в интернете и в
интерактивных курсах физики, можно разделить на
два типа:
– классические лабораторные работы
(«Закон Гука», «Определение модуля Юнга резины» и
др.)
– работы с контрольными вопросами и
задачами («Упругие и неупругие соударения»,
«Изотермический процесс» и др.) – их можно найти
в интерактивном курсе «Открытая физика».
Для продвинутых школьников и учащихся
классов с углублённым изучением физики можно
использовать «Экспериментальные задачи
лабораторного физического практикума»
Казанского университета им. Н.И.Лобачевского. Я,
например, эти виртуальные лабораторные работы с
успехом использую на занятиях по спецкурсу в
Авторском классе с углублённым изучением физики
и вычислительной техники.
• Реальный физический эксперимент с
применением компьютера
При автоматизации физического
эксперимента, например, по механике, с
использованием электронного секундомера, очень
часто приходится создавать схемы для замыкания и
размыкания контактов. Эту работу мы поручаем
компьютеру, используя порты компьютера LPT-, COM- и
GAME-, предназначенные для связи ПК с внешними
устройствами.
Кроме того, порты компьютера мы
используем для измерения практически всех
физических величин, преобразуя их в частоту с
помощью стандартных или самодельных
аналогоцифровых преобразователей и подавая
цифровые сигналы на один из портов компьютера.
Нами созданы простейшие приставки для
изучения законов кинематики и динамики,
исследования напряжённости гравитационного
поля, исследования зависимости ёмкости
конденсатора от его параметров, измерения
температуры, относительной влажности, измерения
освещённости, исследования электромагнитных
волн – от радиоволн до ультрафиолетовых – и т.д.
В результате всей этой работы появилась ШКФЛ –
школьная компьютерная физическая лаборатория. С
2007 г. в Педагогическом университете «Первое
сентября» проводятся курсы дистанционного
обучения по этой теме (см. № 10, 15 /2008).
В данной статье описана лишь небольшая
область использования компьютера на уроках
физики. В настоящее время появляются новые
технические средства, используемые вместе с
компьютером, – это интерактивные доски,
сенсорные интеллектуальные приставки и т.д.,
которые в значительной степени повысят
возможности компьютера в преподавании физики и
астрономии, что приведёт к получению учащимися
более глубоких и прочных знаний и повысит их
мотивацию к изучению этих предметов.
Лев Васильевич Пигалицын, заслуженный
учитель России, и Нана Дмитриевна Козлова,
главный редактор газеты «Физика», в редакции
газеты
|