С. В. Степанов
Оборудование школьного физического кабинета
Оснащение кабинетов физики современными ТСО порождает множество новых разнообразных форм педагогической работы. Необходимо, однако, учитывать одно обстоятельство, которое может оказаться серьезным тормозом в процессе использования техники на уроке. Дело в том, что мультимедиа, компьютеры, видео, телевидение, радио имеют свой «язык», знать который обязательно для глубокого и точного понимания содержания учебной звукообразной модели. Необходимо знакомить учащихся с понятиями: панорама, крупный план, обратный ход времени, двойная экспозиция, монтаж, компьютерная презентация и т. п. Не понимая языка экранно-звуковых средств, обучаемые не смогут связать эмоциональное с логическим, чувственный образ и научную абстракцию, не научатся думать с помощью компьютерных образов, видео, кино и телевидения.
В настоящее время в учебно-воспитательном процессе значительно возрастает роль современных компьютерных ТСО. Главное состоит сейчас в том, чтобы найти наиболее целесообразную, разумную, удобную форму для их применения.
Укрепление учебно-материальной базы общеобразовательных школ, использование современных средств обучения интенсифицирует учебно-воспитательный процесс.
Однако в настоящих условиях задачи школы усложняются. Для их успешного решения требуется непрерывное совершенствование форм и методов учебно-воспитательной работы на основе широкого использования достижений педагогики, психологии и смежных наук.
Одним из важнейших факторов повышения эффективности учебно-воспитательного процесса и управления им является рациональное использование технических средств обучения.
В настоящее время в кабинетах физики общеобразовательных школ используют различные варианты применения технических средств обучения:
• аппаратура в учебном кабинете устанавливается стационарно;
• аппаратура устанавливается на тележках-подставках и передвигается из препараторской в класс по необходимости (передвижная система);
• отдельная аппаратура монтируется стационарно в классе, а другая – передвигается из препараторской в класс (комбинированная система).
Перечисленные варианты имеют свои плюсы и минусы, но все они страдают одним существенным недостатком отсутствия связи с общим центром управления, особенно сильно это ощущается при комплексном использовании средств обучения.
В этом случае актуальным стало создание централизованной компьютеризированной система технических средств обучения – автоматизированного комплекса преподавателя физики – АКП «Физика». Комплекс предназначен для повышения эффективности процесса обучения на основе применения современных технических средств. Комплекс не только решает технические задачи, но и является средством реализации новых подходов к обучению физике, открывая возможности для построения в кабинете физики личностно-ориентированной образовательной среды.
Структура автоматизированного комплекса преподавателя – АКП «Физика» сформирована исходя из общих задач, стоящих перед учебным процессом по физике в условиях кабинетной системы обучения, и новых принципов организации учебного процесса (демократизация, отказ от авторитарности, педагогика сотрудничества, гуманизация, то есть формирование в процессе обучения новых отношений учителя и учащихся) и обеспечивает принципиально новые педагогические и методические решения, обладая широким спектром технических возможностей. АКП ориентирован на использование разных методов и форм обучения, поэтому может быть применен в кабинетах физики образовательных учреждений разного типа и профиля, при различных технологиях обучения физике, с учетом особенностей практически каждого преподавателя физики (преподаватель может применять все средства, входящие в АКП, или часть средств, постоянно расширяя их набор).
В основу построения комплекса положен блочный принцип и при необходимости блоки можно доращивать новыми техническими средствами.
Блок, состоящий из компьютера, мультимедиапроектора, интерактивной доски и коммутатора управления сетевыми нагрузками, является основным.
Персональный компьютер преподавателя – это центр комплекса. Его характеристики зависят от степени развития компьютерной техники и со временем постоянно улучшаются.
Информация с центрального компьютера комплекса поступает на мультимедийный проектор, имеющий световой поток не менее 2500 лм. Большой световой поток позволяет осуществлять просмотр видеоинформации без затемнения помещения кабинета физики.
Электроснабжение оборудования, входящего в состав АКП «Физика», осуществляется от электросети (220В×50Гц), через коммутатор управления сетевыми нагрузками. Коммутатор обеспечивает включение/выключение и контроль за работой всего оборудования, входящего в комплекс. Управление может осуществляться с любого места кабинета физики, через специальный пульт, работающий на ИК-лучах (электромагнитных волнах инфракрасного диапазона).
Блок традиционного оборудования комплекса включает: графопроектор; комплект лингафонного оборудования с головными телефонами на 32 учащихся, внешним электронным акустическим усилителем и стереофоническими громкоговорителями мощностью не менее 10 Вт, микрофоном.
Блок специального оборудования комплекса включает: цифровую видеокамеру, компьютерный измерительный блок в комплекте с датчиками – систему для измерения параметров физических величин, микрокомпьютерную автоматизированную учебную систему.
Через цифровую видеокамеру визуальная информация поступает в центральный компьютер комплекса, снабженный специальной программой по работе с видеоизображениями. Динамическое изображение можно остановить, увеличить для подробного просмотра. При желании изображение можно изменить, дополнить, сократить. Этапы съемки можно, если это нужно, представить рядом последовательных статических картинок. Длительный процесс можно «сократить по времени» и т. п. Все эти приемы обогащают и совершенствуют методику обучения физике.
Система измерения параметров физических величин предназначена для получения информации о значениях физических параметров в ходе проведения демонстрационных экспериментов. Информация о значениях физических параметров поступает в центральный компьютер, обрабатывается и представляется, по желанию преподавателя, в табличном, графическом или алгебраическом видах. В состав системы входит аналого-цифровой преобразователь и комплект датчиков физико-химических величин. Комплект датчиков включает: датчики измерения кинематических величин (перемещения, скорости, ускорения, частоты колебаний, угла поворота); датчики измерения динамических величин (силы, массы); датчики измерения термодинамических величин (температуры, давления); датчики измерения электромагнитных величин (разности электрических потенциалов, силы электрического тока, электрического сопротивления), датчики измерения оптических величин (освещенности, силы света).
Микрокомпьютерная автоматизированная учебная система (МАУС) рассчитана на обучение одновременно до 32 учащихся, обслуживаемых одним центральным компьютером, и включает сеть планшетных микрокомпьютеров, размещаемых на ученических столах.
АКП «Физика» позволяет вести современное электронное обучение. До недавнего времени электронное обучение могли позволить себе лишь крупные образовательные организации со значительным бюджетом. С развитием технологий электронное обучение становится все более доступным: снижается стоимость аппаратных средств, дорогостоящие программные средства предоставляются как услуги через Интернет, растет информационно-коммуникационная компетентность обучающих и обучающихся. Электронное обучение становится необходимой составляющей любого образовательного процесса.
Инфраструктуру электронного обучения составляют аппаратные и программные средства. При организации электронного обучения эти средства необходимо рассматривать в едином комплексе. Мы будем говорить об аппаратной платформе электронного обучения.
Рассмотрим модель современного макроскопического комплекса аппаратных средств электронного обучения для кабинета физики (рис. 4.1). Она имеет клиент-серверную архитектуру и включает в себя:
1) сервер (физический или виртуальный);
2) телекоммуникационное оборудование;
3) компьютеры-клиенты (могут быть представлены ноутбуками, планшетами, смартфонами и т. п.);
4) средства управления программным обеспечением и ввода данных (клавиатура, мышь, сенсорная панель, пульт, микрофон, видеокамера, документ-камера);
5) средства представления учебной информации (дисплей, проектор, аудиосистема, наушники, интерактивная доска);
6) средства компьютеризации учебного физического эксперимента (датчики: момента времени, температуры, давления, проводимости, освещенности и др., регистраторы данных).
Рис. 4.1. Комплекс аппаратных средств электронного обучения для кабинета физики
Особо отметим, что элементы комплекса не всегда представлены в виде отдельных аппаратных средств. Например, современный планшет не только играет роль микрокомпьютера, но и имеет в своем составе сенсорный экран, динамики, микрофон, видеокамеру и датчики. То есть является комплексным устройством с серьезным потенциалом использования в электронном обучении в целом, а в электронном обучении физике особенно.
Еще одной особенностью модели является то, что мы не стали выделять в отдельный элемент средства хранения информации. Ранее выделение его в подобных схемах было вполне оправданным. Однако сегодня средства хранения информации (диски, флэш-карты, магнитные накопители) перестали играть ключевую роль в электронном обучении. По сути, они входят в компьютерный блок и являются, в основном, элементом сервера, на котором хранятся все необходимые ресурсы и программное обеспечение. Тем не менее эти средства пока еще распространены и следует их учитывать при организации электронного обучения.
Рассмотрим аппаратный комплекс подробнее.
Первые три модуля комплекса являются составляющими логического блока, который мы назовем «компьютерным блоком». Его задача состоит в работе с информацией, представленной в цифровом виде: ее обработка, передача и хранение.
Основой компьютерного блока является сервер. Сервером называют компьютерное аппаратное или программное обеспечение, предназначенное для обработки информации, поступающей из компьютерной сети (от компьютеров-клиентов). Обычно в качестве аппаратного обеспечения сервера используется компьютер с высокой вычислительной мощностью, большим объемом оперативной памяти и объемным запоминающим устройством. Однако это бывает не всегда, так как выбор сервера основывается на требованиях, которые предъявляются поставленными перед ним задачами, а они часто могут быть не такими высокими, как предполагается изначально. В то же время нельзя и недооценить возможную нагрузку на сервер, так как в этом случае, несмотря на экономию средств, можно столкнуться с гораздо более серьезной проблемой – нехваткой ресурсов. Для поддержания правильной работы сервера требуются компетентные специалисты: техники, системные администраторы, программисты.
По вышеописанным причинам (потребность в гибком масштабировании и низких затратах при качественной работе сервера) небольшие (а иногда и крупные) образовательные организации вместо покупки сервера используют услуги центров обработки данных (ЦОД, датацентр). Такие центры специализируются на предоставлении серверных мощностей и имеют в своем составе все необходимое оборудование и компетентных специалистов. В этом случае также говорят об использовании «облачных вычислений». Согласно одному из определений, облачные вычисления (cloud computing) – это модель предоставления пользователю удобного доступа по требованию к массиву настраиваемых компьютерных ресурсов, которые могут быть быстро зарезервированы и высвобождены с минимальными действиями со стороны их провайдера. Особенностью «облачных вычислений» является то, что они могут частично или полностью взять на себя вычислительную работу компьютеров-клиентов, что снижает требования к ним, а следовательно, уменьшает стоимость аппаратного комплекса.
Сервер необходим для размещения комплекса информационных систем, обеспечивающих функционал для полноценной работы всех участников образовательного процесса (о них мы поговорим в следующей главе). Облачные технологии в качестве компьютерных ресурсов предлагают как непосредственно серверные мощности, так и прикладные программы. Наглядным примером последних являются сервисы Google Диск и Microsoft Offi ce 365, широко используемые в образовании, так как предоставляют свои услуги для образовательных организаций бесплатно.
Доступ компьютеров-клиентов к серверу осуществляется посредством телекоммуникационного оборудования. С его помощью строится телекоммуникационная сеть – она представлена сетью Интернет и (или) внутренней сетью образовательной организации.
Для построения телекоммуникационной (компьютерной) сети используются проводные и беспроводные технологии. Проводные технологии используются для построения высокоскоростных (используется волоконно-оптический кабель) и среднескоростных (используется витая пара) сетей. Беспроводные технологии используются пока в большей степени для подключения компьютеров и мобильных устройств на небольшом удалении от источника радиосигнала (точки доступа wi-fi), а также для реализации мобильного интернета (GPRS, 3G, 4G). Развитие беспроводных технологий идет быстрыми темпами, и в ближайшем будущем они смогут в большинстве случаев заменить проводные сети, что сделает соединение более надежным и доступным.
Компьютеры-клиенты – это компьютеры участников электронного обучения. С их помощью ведется первичная или полная (без участия сервера) обработка информации, поступающей с устройств ввода, ее хранение и передача на устройства вывода. Для выполнения этих операций компьютер оборудован микропроцессором, оперативной памятью, устройствами ввода-вывода данных с переферийных устройств (на переферийные устройства), устройством хранения информации.
В качестве компьютеров-клиентов могут выступать традиционные компьютеры (системные блоки), ноутбуки (нетбуки), неттопы, планшеты, смартфоны. Характеристики компьютера пользователя (то, что обычно называется словосочетанием «системные требования») зависят от поставленных задач обучения. Более мощные компьютеры, с дорогостоящими видеоадаптерами, требуются для работы с качественной графикой и видеоматериалами. Но в большинстве случаев для организации электронного обучения физике достаточно средств средней ценовой категории или даже эконом-класса. При наличии подходящих программных средств и электронных образовательных ресурсов предпочтительно использовать более удобные, портативные компьютеры: планшеты или ноутбуки.
Основные инструменты обучающего и обучающихся – это периферийные устройства ввода-вывода информации: связующие звенья между людьми и компьютерами. Именно с ними непосредственно взаимодействуют участники образовательного процесса: управляют учебной деятельностью, воспринимают информацию, создают цифровую информацию.
Блок периферийных устройств ввода-вывода мы разделили на три модуля, согласно выполняемым ими функциям в электронном обучении физике:
• средства управления программным обеспечением компьютера и ввода информации в компьютер;
• средства представления учебной информации;
• средства компьютеризации учебного физического эксперимента.
Связь между компьютерным блоком и блоком устройств ввода-вывода организуется напрямую, с помощью кабелей, прилагаемых к устройствам, либо с помощью специального коммуникационного оборудования, обеспечивающего также управление комплексом.
Некоторая условность деления модулей блока устройств ввода-вывода может быть проиллюстрирована на примере микрофона. Традиционно микрофон используется для записи звука или передачи его на расстояние (аудиокоммуникации), то есть используется для ввода информации в компьютер. В последнее время микрофон все чаще используется в качестве устройства управления программным обеспечением – такая функция стала доступна благодаря развитию технологии распознавания речи. Кроме того, получаемую с микрофона информацию о звуке как о физическом процессе можно использовать в учебном физическом эксперименте.
Устройства ввода отправляют в компьютерный блок информацию, передаваемую человеком. Устройства вывода преобразуют цифровую информацию, обработанную компьютером, обратно в формат, воспринимаемый рецепторами человека (зрение, слух, осязание, обоняние, вкус).
Цифровая информация, которой оперирует компьютер, физически представлена с помощью дискретных электрических сигналов. В зависимости от величины напряжения электрического сигнала передается логический «0» или «1». Минимальный объем информации – бит, равен одному разряду в двоичной системе счисления. Одномоментно компьютер обрабатывает один байт информации, равный 8 бит (28 = 256 значений).
Работу устройства ввода информации рассмотрим на примере знакомого всем устройства – клавиатуры. Электрическая схема клавиатуры представляет собой матрицу, каждый элемент которой – это контакт, замыкающийся при нажатии на соответствующую ему клавишу клавиатуры. Замыкание приводит к появлению напряжения на специальном контроллере, постоянно анализирующем состояние клавиш. В зависимости от того, на какой клавише произошло замыкание, на системную плату компьютера передается соответствующий однобайтовый численный код. Поскольку каждая клавиша имеет свой уникальный код, компьютер без труда может «понять», какая именно клавиша была нажата. Далее, компьютерная программа выполняет команду, связанную с нажатием соответствующей клавиши, а результат обычно передается на устройство вывода. Похожий принцип используется и в сенсорных панелях.
Наиболее распространенным устройством представления информации сегодня является жидкокристаллический дисплей. Основными его модулями являются модуль подсветки и жидкокристаллическая матрица. Каждый пиксель матрицы представляет собой параллельно расположенные прозрачные электроды, создающие электрическое поле в расположенных между ними жидких кристаллах, и два поляризационных фильтра с внешних сторон от электродов (плоскости поляризации фильтров перпендикулярны и при выключенном дисплее не пропускают свет). Жидкие кристаллы могут находиться в некотором числе фаз, промежуточных между твердым и жидким состояниями. Молекулы жидких кристаллов являются стержнеобразными органическими соединениями и находятся в разных ориентациях в этих фазах. При подаче напряжения на электроды молекулы стремятся выстроиться вдоль поля, вследствие чего поляризация пикселя меняется, то есть меняется его прозрачность. При отключении напряжения силы упругости возвращают молекулы в первоначальное состояние. Таким образом, меняя напряжение на электродах жидкокристаллической матрицы, видеоадаптер (видеокарта) компьютера меняет изображение на дисплее. Такой же принцип действия имеют мультимедиапроекторы с матрицей из жидких кристаллов. Видеоадаптер компьютера выполняет функцию накопителя, обработчика и преобразователя цифровой информации об изображении в аналоговые электрические сигналы, передающиеся на матрицу. Для выполнения последней из перечисленных функций он включает в себя цифроаналоговый преобразователь. Такие преобразователи, а также обратные им аналогоцифровые преобразователи, часто являются частью цепи «человек – компьютер – человек».
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – это устройство, преобразующее аналоговый электрический сигнал в цифровой (дискретный). АЦП является важным элементом аппаратной платформы электронного обучения физике. Он необходим компьютеру для перевода в цифровой вид информации, поступающей с устройств, регистрирующих различные физические величины. Одним из таких широко применяемых устройств является микрофон. Звуковые волны, распространяемые в среде, вызывают колебания чувствительной мембраны микрофона, которые, в свою очередь, вызывают колебания электрического тока, поступающие на вход звуковой карты компьютера. Звуковая карта снабжена АЦП, преобразующим эти аналоговые колебания в цифровую информацию о звуке (об амплитуде и частоте звуковых колебаний).
При воспроизведении цифрового звука используется обратная схема. Для этого звуковая карта снабжена цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), передающим аналоговый электрический сигнал на динамики аудиосистемы.
Устройства ввода данных и устройства представления информации обычно работают в комплексе, благодаря чему возникает интерактивность электронного обучения. Например, мультимедийный проектор в комплексе с сенсорной панелью создают интерактивную доску – мощный инструмент электронного обучения. Как отмечают исследователи методики применения интерактивной доски в обучении физике, она в значительной мере расширяет возможности учителя, дополняет его деятельность качествами, которые отсутствуют при применении меловой или маркерной доски, позволяет развивать методы активного обучения, создавать собственные макеты электронных конспектов уроков, которые могут заполняться обучающимися. Такой комплекс, впрочем, может быть представлен одним, но более дорогостоящим устройством – сенсорным экраном или сенсорным проектором.
Подключив к комплексу аудиосистему, мы сделаем его более мультимедийным, позволив обучающимся воспринимать изначально цифровую информацию не только визуально, но и аудиально. Тем самым увеличим ее восприятие (при условии наличия такой информации). Подключив к комплексу электронную опросную систему обучающихся, мы сделаем его еще более интерактивным.
Электронные опросные системы представляют собой набор пультов для опроса, которые раздаются учащимся, и приемный блок с возможностью подключения к компьютеру. Такая система может найти весьма широкое применение в различных формах учебной деятельности.
Например, объяснение нового материала всегда сопровождается коротким опросом – текущим контролем усвоения знаний обучающимися. Такой опрос должен быть коротким по времени, но в то же время максимально информативным для обучающего. Традиционно эта задача решается лишь в малой степени. С помощью системы опроса информация поступает мгновенно от всех учащихся, может быть отображена на экране, а учитель принимает решение – двигаться дальше или повторить объяснение еще раз. Собираемая информация может быть использована для выставления оценок по итогам урока. Такая система позволяет удерживать внимание учащихся в течение всей лекции. Блиц-опрос – эффективное средство проверки знаний учащихся до начала и после окончания урока. Он позволяет узнать: хорошо ли усвоена изучаемая тема, успешно ли ученики справились с домашним заданием, эффективен ли был урок и т. д. Главными преимуществами такого опроса над другими способами контроля знаний являются: высокая информативность, низкий процент списывания, экономия времени урока, которого всегда не хватает учителю, и экономия времени на проверку, анализ и оценку работ после уроков.
Эффективно дополнить получившийся комплекс документ-камерой. Это устройство позволяет получать цифровое динамическое изображение высокого качества любых объектов, обрабатываемое компьютером или напрямую видеопроектором. Так же как и обычная видеокамера, документ-камера позволяет увеличивать изображение для демонстрации мелких деталей.
Своему названию документ-камера обязана своей первоочередной функции: отображать бумажные документы на экране компьютера или мультимедийного проектора. Традиционно эта функция широко использовалась в обучении и реализовывалась графопроектором. Документкамера – устройство, значительно более удобное и функциональное. Размеры и вес документ-камеры позволяют любому человеку без труда с ней обращаться, она не «привязана» к экрану, позволяет обрабатывать и сохранять полученное изображение в динамике и статике. Вот некоторые возможности использования документ-камеры в обучении:
• простое проецирование текста и рисунков с бумаги на экран, аналогично работе с графопроектором, но используется обычная бумага, а не прозрачная;
• использование специальных функций при проецировании: «заморозка» изображения или «заморозка» части изображения, например заголовка, чтобы акцентировать на нем внимание, а в «незамороженной» части изображения работать с материалом;
• демонстрация мелких предметов с возможностью увеличения в 22 раза (в некоторых моделях документ-камер), что позволяет сравнить ее с микроскопом;
• сохранение цифровых статических изображений и видео для дальнейшей работы с ними: создание электронных презентаций, монтаж и публикация изображений и видео в Интернете, для дистанционной работы с учениками или просто демонстрации на уроке;
• внесение правок непосредственно на проецируемом изображении, не исправляя оригинал с помощью интерактивной доски.
С помощью видеокамеры и микрофона можно вести запись занятия, с одновременной трансляцией в сеть. Сегодня эти устройства во многом олицетворяют дистанционные технологии обучения.
Компьютеризация учебного физического эксперимента открывает возможности автоматизации процессов измерения и обработки результатов, а также получения качественно новых результатов при исследовании быстрых процессов и временных зависимостей. Для регистрации и измерения таких физических величин, как температура, давление, ускорение, угловая скорость, проводимость, индукция магнитного поля и др., отечественной и зарубежной учебно-технической промышленностью выпускаются специальные датчики. Далее рассмотрим принцип действия некоторых моделей датчиков.
Наиболее употребляемый в учебном физическом эксперименте, датчик момента времени. В основе его действия лежит оптический принцип. Состояние датчика меняется при перекрытии непрозрачным телом оптической связи (оптической оси) между входящими в состав датчика оптическими элементами, светодиодом и фотодиодом. Светодиод и фотодиод устанавливают друг против друга. В момент прохождения между ними физического объекта оптическая связь обрывается. Как правило, в физических экспериментах используют несколько датчиков (минимум два). Это необходимо для измерения промежутков времени.
Принцип действия датчика угловой скорости такой же, как и у датчика момента времени, отличие в том, что в зазоре оптопары (оптические ворота) вращается диск, разбитый на прозрачные и непрозрачные сектора. В большинстве физических экспериментов ось вращения диска датчика совмещается с осью вращающегося элемента учебной экспериментальной установки.
Датчик угла поворота представляет собой многооборотный резистивный преобразователь (потенциометр), размещаемый в жестком корпусе. На валу резистивного преобразователя закреплена втулка для соединения датчика с элементом учебной экспериментальной установки, совершающим вращательное или колебательное движение.
Датчик температуры представляет собой тонкую трубку, как правило выполненную из нержавеющей стали (щуп), с чувствительным элементом (терморезистором) на конце.
Датчик давления может быть выполнен на основе тензометрического чувствительного элемента или мембранного чувствительного элемента. Датчики давления имеют постоянную времени – не более 0,1 с, что позволяет регистрировать давление в переходных процессах, например в случае адиабатного расширения газа.
Датчик влажности воздуха имеет в своей основе чувствительный элемент, представляющий собой плоский конденсатор, у которого в качестве диэлектрика используется тонкий слой полимера. Изменение относительной влажности воздуха приводит к изменению диэлектрической проницаемости полимера и, как следствие, к изменению емкости конденсатора.
Датчик проводимости предназначен для измерения удельной электрической проводимости различных водных растворов. Действие датчика основано на измерении сопротивления среды между электродами при пропускании переменного тока высокой частотой до 1 кГц.