С. В. Степанов
Оборудование школьного физического кабинета
2.2. Кабинет физики первой половины XX века
В первой половине двадцатого столетия школьный кабинет физики приобрел форму, которую еще можно встретить и в наши дни. Оптимальный вариант планировки фактически определился в 1930-е годы. Наиболее значительный вклад в развитие кабинета физики первой половины XX века сделали физики-методисты Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, Г. Н. Григорьев, А. А. Покровский, Д. И. Сахаров.
Школьный физический кабинет в тридцатые годы представлял собой прежде всего чистое и сухое помещение, обладающее необходимой площадью, вентиляцией и освещением. В общем случае это было помещение, состоящее из двух комнат: препараторской и аудитории для проведения уроков. Аудитория, при том что группа учащихся состояла не более чем из 40 человек, представляла собой комнату в 60 кв. метров, слегка удлиненную (7,0×8,5 м), с двумя дверями: одна из коридора, другая из препараторской. В препараторской также предусматривался выход в коридор.
Экспериментальный стол устанавливали выше рабочих столов учащихся на 25–30 см на подиуме. Стол имел прочную крышку (3,0×0,8 м) и 6 ящиков для хранения наиболее часто употреблявшихся приборов. Высота стола 0,8 м. К столу подводились газ, вода и электрический ток (рис. 2.7). В лаборатории и препараторской устанавливались шкафы для лабораторных и демонстрационных приборов. В шкафах препараторской хранились демонстрационные приборы, в шкафах аудитории оборудование для лабораторных работ. Габариты шкафа 2,0×1,5×0,5 м.
Рис. 2.7. Общий вид экспериментального стола
В кабинетах 1930-х годов предусматривалась установка тяжелых вращающихся механизмов (двигатель внутреннего сгорания, умформер).
Умформер являлся сердцем электроснабжения кабинета 1930-х годов. Эта установка состояла из асинхронного двигателя с короткозамкнутым якорем и шунтовой динамо-машины (рис. 2.8). Умформер должен был стоять в отдельном помещении либо в препараторской, чтобы его шум не мешал занятиям. В препараторской помещался электрощит для управления умформером. На щите располагались амперметры, вольтметры, контрольные лампы, реостаты, двух- и трехполюсные рубильники, гнезда для подключения к трансформаторам, динамо-машине, выпрямителям, рубильникам. В аудитории располагался подобный щит, только меньшего размера. Электрический ток подводился к каждому рабочему месту посредством проводки, расположенной на стенах или под полом. На рабочих местах располагались малые щитки с розетками и предохранительными пробками. Трансформаторы и выпрямители имели большие размеры (умформер был вообще крупногабаритной установкой). Выпрямители были электролитическими. При их простоте и доступности они были громоздки и небезопасны.
Рис. 2.8. Умформер
Наиболее удобной для того периода следует считать планировку кабинета физики, разработанную физиком-методистом Д. И. Сахаровым (рис. 2.9), но из-за дефицита школьных площадей эта планировка не получила широкого распространения. Аудитория 1 занимала около 60 кв. м, была слегка удлиненной, с двумя дверями одна из препараторской, другая из коридора. Лаборатория 2 предназначалась для выполнения лабораторных работ. В ней размещалось 12 столов для учащихся (считая по 3–4 человека на комплект учебного оборудования). Для препараторской 3 отводилась светлая комната размером 6,0×5,0 м.
Из нее выделялся уголок (3,0×2,0 м) для фотокомнаты 6. Помещение 4 для хранения приборов (хранилище) занимало площадь 30 кв. м. Физический кабинет имел специальную мастерскую 5 для ремонта приборов. Д. И. Сахаров писал: «Кабинет без своей мастерской неминуемо обратится в музей покупных и притом часто недействующих приборов, и живая мысль преподавателя и учащихся, не находя себе осуществления, заглохнет». Машинная комната 7 служила для размещения умформера.
Рис. 2.9. Планировка физического кабинета первой половины XX века:
1 – аудитория; 2 – лаборатория; 3 – препараторская; 4 – хранилище; 5 – мастерская; 6 – фотокомната; 7 – машинная; 8 – коридор
Для кабинетов физики первой половины XX века уже были обязательны специальные системы: водоснабжения, газоснабжения, электроснабжения, затемнения окон, освещения, вентиляции. Эти системы были довольно сложны в эксплуатации, и их обслуживание осуществлялось специалистами.
Главной отличительной чертой комплекса учебного оборудования физического кабинета этого периода стало появление большого количества приборов, связанных с расширением использования электричества. В преподавании этого периода делался упор на связь физики с основами производства, и поэтому в учебном оборудовании появляется много моделей. Например, модель двигателя постоянного тока, большая демонстрационная модель вращающегося витка.
Если в XIX веке физические приборы применялись без дифференциации, то в этот период наблюдается разделение приборов на демонстрационные и лабораторные. Вместе с этим наблюдается сокращение количества приборов, связанное с тем, что значительно сократился материал по темам «свет» и «звук». На курс физики в это время возлагалась основная задача – ознакомление с научными принципами производства.
В этот период в кабинетах физики начинают появляться технические средства обучения – фильмоскопы и проигрыватели.
2.3. Кабинет физики второй половины XX века
К середине 1950-х годов была определена общая структура единого типового кабинета физики (в связи с тем, что в этот период все школы страны работали по единой учебной программе). Разработкой единого типового кабинета физики и учебного оборудования по физике в этот период занималась группа ученых методистов-физиков, возглавляемая А. А. Покровским. В нее входили известные методисты того времени: Б. С. Зворыкин, Н. М. Шахмаев, С. Е. Каменецкий, Б. И. Переверзнев, И. Н. Румянцев и др. За основу были приняты два варианта планировки кабинетов физики. Первый – получивший наибольшее распространение – представлен на рис. 2.10. Второй – реже встречающийся – на рис. 2.11. Согласно этой планировке кабинет состоял из двух классов-лабораторий, разделенных препараторской.
Рис. 2.10. Первый вариант планировки кабинета физики середины XX века:
1 – стол для проекционного аппарата; 2 – стол для экспериментов (демонстрационный); 3, 7 – раковина с водопроводным краном; 4 – рабочее место учителя; 5 – электрощит; 6 – рабочий стол; 8 – стол для ремонта; 9 – набор инструментов; 10 – шкафы; 11 – письменный стол учителя; 12 – тележка; 13 – подставка для ТСО
В этот период средние школы работали по единой учебной программе. Наполняемость классов была жестко определена. Норма наполняемости составляла 40 человек. Все это позволило к началу 1970-х годов определить жесткие строительные нормы типового кабинета физики. Для школ с 8–20 классами на типовой кабинет физики выделялось два помещения: класс-лаборатория площадью 66 кв. м и препараторская 16 кв. м. В школах на 30–40 классов выделялось два класса-лаборатории площадью по 66 кв. м, разделенные препараторской в 32 кв. м (второй вариант планировки). В школах на 50 классов и более общая площадь утраивалась.
В классе устанавливалось 20 двухместных ученических столов. Столы размещались в три ряда. В конце среднего ряда располагался передвижной стол-подставка 1 (рис. 2.10) для проекционной аппаратуры. У задней стенки класса располагали шесть шкафов 10 для хранения лабораторного оборудования, еще шесть шкафов располагалось в препараторской для хранения демонстрационного оборудования. Переднюю часть класса занимал подиум размером приблизительно 1,7×3,8 м и высотой 15–20 см, на котором сосредоточивалось рабочее место учителя. На подиуме были установлены демонстрационный стол 2 с раковиной 3, стол учителя 4. Стол учителя несколько выдвигался вперед и устанавливался под некоторым углом к демонстрационному столу. При таком расположении стола достигался хороший обзор класса и классной доски, которая подвешивалась на переднюю стену класса, над ней – проекционный экран. На стене за рабочим столом учителя закреплялся электрораспределительный щит 5.
Препараторская имела два выхода – в коридор и в класс-лабораторию. Вдоль стены, отделяющей препараторскую от класса, устанавливали рабочий стол 6, он был такого же типа, как демонстрационный стол, но служил для подготовки опытов к урокам. По одну сторону от этого стола размещалась раковина со сливом и водопроводным краном 7, а по другую – стол 8 для ремонта оборудования. Над ним подвешивали шкаф 9 с инструментами. Письменный стол учителя 11 располагался у окна. В препараторской размещалась тележка 12 для перевозки приборов и передвижная подставка с ТСО 13.
К демонстрационному столу в классе и рабочему столу в препараторской кроме воды подводились газ и электрическое напряжение. Для управления электроснабжением в лаборантской, как и в классе, был установлен пульт с выключателями и автоматическими предохранителями. Этот пульт позволял управлять электропитанием всего кабинета и подавать напряжение в класс и препараторскую в отдельности.
Рис. 2.11. Второй вариант планировки кабинета физики середины XX века:
1 – рабочий стол; 2 – шкафы; 3 – стол учителя; 4 – стол лаборанта; 5 – шкафы; 6 – шкаф для библиотеки; 7 – тележка; 8 – передвижная подставка для ТСО
В препараторской имелся кран, перекрывающий газовую сеть и позволяющий отключать газ во всем кабинете. Такие же краны были установлены у рабочего стола в препараторской и у демонстрационного стола в классе.
В классе и препараторской на стене с оконными проемами монтировали механизмы затемнения и подвешивали шторы. Обеспечивалось полное затемнение.
На противоположной стене размещались стенды с различными сменными материалами, панель с метеорологическими приборами и таблица «Международная система единиц СИ». Над стендами располагали портреты ученых-физиков.
Демонстрационный стол был двухтумбовый, высотой 0,9 м, крышка размером 2,4×0,75 м. Поверхность крышки не имела никаких выступов и вырезов и покрывалась пластиком.
В классе устанавливался электрораспределительный щит. Щит предназначался для плавной регулировки переменного напряжения частотой 50 Гц от 5 до 240 В и постоянного напряжения от 0 до 80 В.
Классная доска состояла из двух секций, размером 1,5×1,1 м каждая. К секциям крепились лотки для мела. В верхней части доски крепилась специальная планка с подвижными зажимами для таблиц.
Стол ученика выполнялся на деревянном основании. Рабочая поверхность стола оклеивалась прочным светлым пластиком. Ее размеры 125×70 см. Подстолье разделялось перегородкой на два открытых сектора, куда учащиеся убирали свои портфели. Сбоку у стола укреплялась электрическая розетка.
Для выполнения фронтальной лабораторной работы отводилось не более одного урока. В течение этого времени учителю и лаборанту необходимо было раздать сравнительно большое число приборов и принадлежностей на столы учащихся, дать необходимые указания, как выполнять работу, и после выполнения работы вернуть все оборудование на места хранения. Поэтому все приборы, принадлежности и приспособления для фронтальных занятий сосредоточивались в классе и хранились в лабораторных шкафах вблизи рабочих мест учащихся.
Лабораторный шкаф состоял из двух разъемных секций шириной 0,96 м и глубиной 0,38 м. Нижняя секция высотой 0,88 м имела прочные деревянные дверцы, а верхняя секция высотой 1,2 м была снабжена застекленными дверцами. В соответствии с габаритами приборов и укладок в секциях можно было устанавливать полки на различном расстоянии друг от друга.
Все приборы и принадлежности для фронтальных работ собирались в комплекты по 20 штук (из расчета – один прибор на двоих учащихся) и располагались в укладках различных размеров и конструкций.
Демонстрационное оборудование хранилось в препараторской в шкафах того же размера, что и шкафы для лабораторного оборудования, но нижняя секция была остеклена. В препараторской размещался и шкаф для учебно-справочной литературы.
В препараторской выполнялась в основном вся работа по подготовке демонстрационных и лабораторных опытов: испытание приборов, сборка и проверка установок, текущий ремонт приборов и т. д. Поэтому здесь организовывалось рабочее место лаборанта, состоящее из рабочего стола для подготовки опытов и стола для выполнения различных монтажных и ремонтных работ.
Как было сказано, в препараторской хранилась тележка для перевозки подготовленных к уроку приборов и установок.
Вторая половина XX века характеризуется интенсивным внедрением в преподавание технических средств обучения. Кинофильмы, кинофрагменты, кинокольцовки, диафильмы, диапозитивы, грампластинки, магнитные ленты содержат информацию в «скрытом» виде. Для передачи этой информации учащимся необходимо было иметь аудиовизуальную аппаратуру. Кабинеты физики начали пополняться киноустановками, фильмоскопами, диапроекторами, магнитофонами, проигрывателями и т. п. В середине шестидесятых годов центральное телевидение страны начинает показ учебных программ. В школьных кабинетах появились телевизоры. Широкое распространение в практике тех лет получили эпидиаскопы. Они служили для демонстрации больших диапозитивов размером 85×85 мм и непрозрачных изображений размером 140×140 мм.
С 1960-х годов в школах начали использовать графопроекторы. Этот прибор служит для проецирования на экран записей и рисунков, выполненных на прозрачной пленке. Размер окна у графопроектора тех лет был небольшой 104×114 мм (современные графопректоры имеют размер кадрового окна 250×250 мм).
Для приема телепередач применялся специально выпускаемый промышленностью для средних учебных заведений телевизор «Горизонт Школьный». Этот телевизор имел выходную мощность 3 Вт (бытовые телевизоры тех лет имели выходную мощность порядка 1 Вт). Корпус телевизора имел дверцы, необходимые для снижения боковой засветки при работе телевизора, устройство для винтового крепления к тележке и ручки для переноски. Масса телевизора составляла 56 кг при габаритах 727×698×461 мм.
В подборе учебного оборудования для кабинета одним из основных принципов в период 1950-1980-х годов являлся принцип комплектности, согласно которому все учебные приборы должны соответствовать друг другу и основному оборудованию помещения. Кроме того, просматривалось стремление к системе, благодаря которой сравнительно небольшое число приборов в физическом кабинете приводило к максимальным педагогическим возможностям их применения. Так называемый комплексный подход к созданию и использованию учебного оборудования зародился именно в эти годы.
Этот период характеризуется появлением третьего вида учебного эксперимента физического практикума. К приборам, предназначенным для практикума, предъявлялись требования, вытекающие из следующих условий работы: приборы в практикуме устанавливались стационарно, на определенный период времени и по определенным разделам курса; каждая из установок по составу оборудования носила индивидуальный характер и в течение одного учебного года не повторялась.
Для 1950-1980-х годов в школьном физическом эксперименте заметен большой упор на демонстрационный эксперимент. Демонстрационные опыты подбирались по четырем основным направлениям. Прежде всего, это опыты, отражающие процессы, явления и закономерности; затем опыты, показывающие применение изучаемых явлений; небольшое число опытов, демонстрирующих устройство и принцип действия основных технических приборов; опыты, представляющие собой экспериментальные задачи.
В это время для демонстрационного эксперимента появляется ряд качественно новых, не имевших аналогов ранее приборов, таких, как электронный осциллограф, электронный стробоскоп, электронный секундомер, солнечная батарея, звуковой генератор. Введение в эксперимент новых приборов выводило этот эксперимент на новый уровень. Но вместе с этим изменялся и сам эксперимент. Он становился более наглядным, конкретным и точным. Эти требования к эксперименту выводили на более высокий уровень школьное оборудование.
В самом конце восьмидесятых (1989 г.) годов двадцатого столетия был создан по приказу министра народного образования Г. А. Ягодина специальный Временный научно-технический коллектив (ВНТК) «Кабинет физики», перед которым была поставлена задача – создать школьный кабинет физики, удовлетворяющий требованиям процесса информатизации. Руководителем был назначен инженер А. П. Козырев, группу методистов возглавил профессор С. Е. Каменецкий, в эту группу вошли известные методисты-физики О. Ю. Овчинников, А. Г. Восканян, С. В. Степанов, Н. В. Шаронова, В. Ф. Шилов и др. В состав группы входил автор настоящего пособия. В течение двух лет (1989–1991 гг.) был создан школьный кабинет физики, принципиальные дидактические, методические и технические основы которого реализовываются при создании кабинетов физики по настоящее время.
Отличительной особенностью созданного школьного кабинета физики была полная компьютеризация рабочих зон учителя и учащихся, компьютеризация парка учебного оборудования, значительное увеличение количества оборудования, предназначенного для фронтального лабораторного эксперимента, появление учебного оборудования, предназначенного для выполнения кратковременных практических работ, формирование комплектов учебного оборудования, значительное усовершенствование учебного оборудования для физического практикума и организация специального отдельного помещения для проведения работ физического практикума. Первые кабинеты физики, созданные коллективом ВНТК «Кабинет физики», были установлены в московских школах № 388 и № 444.
Настоящий период развития школьного образования в нашей стране связан с введением Федерального государственного стандарта общего образования, переходом к Единому государственному экзамену, созданием новых учебников по физике. Все это ведет к изменениям в учебно-материальной базе обучения физике. Решению проблем модернизации материально-технической базы образовательной среды обучения физике были посвящены исследования, проводимые в течение 2000–2003 гг. в рамках выполнения работ по разделу «Учебная техника» научно-технической программы Минобразования РФ «Научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования». Возглавлял эти работы генеральный директор Российского научно-производственного объединения «Росучприбор» профессор В. В. Крынкин. Авторы настоящего пособия принимали активное участие в этих работах. Результатом работ стало создание современного учебно-технического комплекса для кабинетов физики общеобразовательных учреждений.