Реально-виртуальный эксперимент

Васильев А.А. Реально-виртуальный эксперимент в учебном процессе по
физике [Текст] / А.А. Васильев, А.В. Вопилов // Учебная физика. Научнопрактический жрнал. – М.: ИСМО РАО, 2007. – №1. – 2007г - 2008с. – С. 135141.
Реально-виртуальный эксперимент в учебном процессе по физике.
Васильев А.А., Вопилов А.В.
каф. Физики и методики
преподавания физики
Дан анализ некоторых аспектов проблемы внедрения виртуальнореального эксперимента в учебный процесс по физике. Рассмотрен пример
использования компьютерной техники при выполнении опыта по
определению длины световой волны. Приведен текст авторской программы.
Развитие компьютерной техники и внедрение её в различные сферы
деятельности человека открывает новые возможности в проведении учебного
физического эксперимента. Реально-виртуальный эксперимент обладает
большим потенциалом в реализации образовательного процесса: расширяет
представления учащихся об экспериментальном методе познания, позволяет
осуществить экспериментальное исследование явления или процесса в
различных видоизменённых условиях, развивает самостоятельность
школьников в постановке и решении практической задачи, реализовывает
межпредметные связи физики и информатики, активизирует познавательную
деятельность учащихся, способствует более многогранному проявлению
способностей учащихся.
Наибольшую популярность в настоящее время приобрело
оборудование для реально-виртуального эксперимента компании «Л-Микро».
Оборудование, выпускаемое компанией «Л-Микро» для общего
и специального образования, позволяет осуществить большое количество
разнообразных по тематике, назначению и сложности лабораторных
и демонстрационных экспериментов.
Выпускаемое сейчас оборудование серии L-микро® представляет
собой единую экспериментальную среду, объединяющую демонстрационное
оборудование и наборы для лабораторных работ и практикума. Его ядром
является персональный компьютер с измерительным блоком. Для проведения
измерений служат датчики физических величин, которые подключаются к
измерительному блоку.
Наряду с использованием специального оборудования, выпускаемого
промышленностью, учитель самостоятельно или совместно с учащимися
способен организовать работу по разработке, созданию и дальнейшему
использованию
приборов
и
оборудования
реально-виртуального
эксперимента.
Рассмотрим некоторые возможности усовершенствования парка
оборудования школьной физической лаборатории.
Человеку свойственно желать лучшего, а очень часто и большего. Но
часто желания не совпадают с … возможностями? И это не редкое явление,
но часто бывает, что желание не совпадает с желанием. Т.е. есть желание
что-либо сделать, но как-то не хочется этим заниматься.
Зададимся вопросом: Почему в достаточно большом количестве
школьных физических лабораториях нового оборудования либо нет, либо его
доля невелика? Почему в реальный учебный процесс все-таки весьма редко
внедряется новый учебный эксперимент? На нащ взгляд, причиной этому
могут служить 3 основные проблемы:
1.
Отсутствие идеи – как и в какой форме произвести
видоизменение, усовершенствование опыта/эксперимента.
Здесь проблема в том, что не всегда удастся реализовать эксперимент
с имеющимся оборудованием, а если частично автоматизировать
эксперимент с таким оборудованием, которое надо «подгонять молотком»
или которое не действует без постоянной мануальной регулировки, то,
вероятность удачного эксперимента, практически, равна нулю.
Для осуществления частичной автоматизации эксперимента
необходимо создать некоторый комплекс с использованием наукоемкого
оборудования. Отсюда возникает вторая проблема.
2.
Расходы.
Где взять качественное и/или модифицированное оборудование? Тут
есть 2 пути: собрать, как говорится, своими руками, или приобрести на
финансовые средства. Средняя стоимость необходимого оборудования
будет не очень велика, но всего необходимого не найдется в продаже. И
многое из этого еще будет требовать дополнительных затрат на доработку
и адаптацию к конкретному опыту. Поэтому, даже если достаточно
финансовых средств, все равно необходимо многое делать с нуля,
создавать что-то… отсюда вытекает третья проблема.
3.
Реализация.
Есть идея, есть материалы. А кто будет всем этим заниматься? Чтобы
создать или усовершенствовать установку, необходимо полностью
понимать эксперимент – без этого никак. Затем надо суметь
проанализировать идею и подобрать необходимое оборудование для ее
реализации. После этого, опять таки, надо подумать, как все это лучше
собрать. А главное, должно быть желание всем этим заниматься и
поддерживать работоспособность созданного оборудования.
В качестве примера реально-виртуального эксперимента, который
может быть поставлен силами, например, физического кружка,
рассмотрим модификацию опыта: «Измерение длины волны с помощью
дифракционной решетки».
Классический вариант выполнения опыта: на оптической скамье ФОС
последовательно располагают осветитель, конденсор, щель, объектив,
дифракционную
решетку.
Изображение
дифракционной
картины
проецируется на экран и в дальнейшем после несложных измерений и
расчётов вычисляется величина длины волны того или иного цвета.
Использование видеоустройства для снятия графической информации о
дифракционной картине, соответствующее программное обеспечение,
позволяет передать ряд функций по обработке и анализу изображения, а так
же проведение необходимых расчётов компьютеру.
Проводя эксперимент, вместо осветительной скамьи ФОС удобно
использовать фотоувеличитель. Вместо осветительного стекла, на подставку
для пленки устанавливается регулируемая щель из двух бритвенных лезвий.
Для фокусировки изображения используется объектив от фотоаппарата.
Вместо красного фильтра устанавливается дифракционная решетка, которая
занимает свое место под объективом. На планшет кладем лист белой бумаги
– получается экран. В качестве «съемщика» графической информации была
использована вэб-камера Genius Slim320, которая удобно закрепляется на
полуволнах пленкодержателя. Полученное изображение легко фиксируется в
графический файл. Причем если на экране трудно визуально установить
границы цветных полос, то после цифрового снятия – картинка заметно
проясняется, кроме того, цифровая обработка позволяет максимально точно
распознать ширину данных линий, производя попиксельную обработку всей
битовой карты изображения.
Преимущества такой модификации работы в том, что:
 существенно ускоряется процесс получения и обработки данных;
 наглядно проявляется межпредметная связь физики и
информатики, что так же способствует профессиональной
ориентации учащихся.
Недостатки:
 упрощение отдельных элементов опыта может привести к
недостаточному их пониманию;
 наличие некоторую погрешности, которую вносит цифровой
посредник ( веб-камера) между изображением и графическим
файлом. Вследствие
этого
могут произойти некоторые
коррективы в восприятии освещения, т.е. сдвинуться границы
цветовых полос.
Схематическое изображение установки
1 - Осветитель, 2- объектив, 3- Web-камера, 4 – дифракционная решетка,
5 – экран.
Порядок выполнения лабораторной работы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Собрать установку как показано на рисунке. Установить в нее
дифракционую решетку.
Закрепить Web-камеру таким образом, чтобы на экране монитора
были видны цветовые полосы для распознавания.
ПРИМЕЧАНИЕ! Необходимо выбирать тот спектр, который
слева имеет красную полоску, а справа синюю.
В зависимости от приложения, с помощью которого создаем
фотографию через Web-камеру, сохраняем картинку в Jpeg или
BitMap формате.
Запустить программу.
Нажать на пиктограмму «открыть» или на среднюю кнопку мыши,
чтобы вызвать диалоговое окно и открыть картинку для
распознавания в Jpeg или BitMap формате.
Удерживая правую кнопку мыши можно передвигать изображение
по рабочей области.
Удерживая левую кнопку мыши, выделить область для
распознавания.
Нажать кнопку «Расчет»
ПРИМЕЧАНИЕ: расстояние от экрана до решетки не указывается, оно
рассчитывается программой.
Текст программы:
procedure TForm1.picMouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X,
Y: Integer); //при движении мыши по изображению
begin
if naj=true then //если удерживается правая кнопка, изображение
передвигается по экрану курсором мыши
Begin
If pic.left<=0 then if x>xd then pic.Left:=pic.Left+2;
If pic.Left+pic.Width>=panel1.Width then if x<xd then pic.Left:=pic.Left-2;
If pic.Top<=0 then if y>yd then pic.Top:=pic.Top+2;
If pic.Top+pic.Height>=panel1.Height then if y<yd then pic.Top:=pic.Top-2;
end;
If fic=true then //если удерживается левая кнопка
begin bevel1.Width:=x-xd1; bevel1.Height:=y-yd1; end; //выделяем область
распознавания
xd:=x;yd:=y; //фиксируем координаты, чтобы определять в какую сторону
сместилось изображение
end;
procedure TForm1.picMouseDown(Sender: TObject; Button: TMouseButton;
Shift: TShiftState; X, Y: Integer); // событие нажатия кнопки мыши
begin
If button=mbRight then naj:=true; //фиксируем нажатие правой кнопки мыши
if button=mbMiddle then If openDialog1.Execute then if
OpenDialog1.FilterIndex=1 then JPEGtoBMP(openDialog1.FileName) //если
нажата средняя кнопка мыши, вызывается диалоговое окно открытия
изображения, с переводом в формат BMP
else pic.Picture.LoadFromFile(openDialog1.FileName); //или прямое
открытие, если изображение уже в формате BMP
If button=mbLeft then //фиксируем нажатие левой кнопки
Begin
fic:=true; xd1:=x; yd1:=y; //сбрасываем запомненное нажатие правой
кнопки и фиксирцем координаты сдвига изображения относительно рабочей
области
bevel1.Left:=x+(pic.Left); bevel1.Top:=y+(pic.Top); //рисуем рамку области
выделения
end;
end;
procedure TForm1.picMouseUp(Sender: TObject; Button: TMouseButton;
Shift: TShiftState; X, Y: Integer);//событие размыкания кнопки мыши
begin
If button=mbRight then naj:=false; //запоминаем, что правая кнопка
отпущена
If button=mbLeft then fic:=false; //запоминаем, что левая кнопка
отпущена
end;
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
fic:=false; pix:=0; len:=0; //начальные значения при запуске программы
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var i,j,py,px,by,ck,kz,zs,sc,k,z,ss,lR,lG,lB,d:integer;chg:boolean;
begin
k:=0; z:=0; ss:=0; d:=300; chg:=false; ck:=0; kz:=0; zs:=0;
Setlength(m[0],bevel1.Width);// устанавливаем длину массива равной длине
рамки выделения
Setlength(m[1],bevel1.Width);
Setlength(m[2],bevel1.Width);
bx:=bevel1.Left-pic.Left; by:=-pic.top; //координаты рамки выделения
for j:=bevel1.Top to bevel1.Top+Bevel1.Height-1 do //перебираем все строки
выделенной рамки
begin
for i:=1 to bevel1.width-1 do //перебираем все точки j-ой строки
begin //получаем значения 3-х составляющих цвета для текущего
пиксела
R:=GetRValue(pic.Picture.Bitmap.Canvas.Pixels[i+bx,by+j]);
G:=GetGValue(pic.Picture.Bitmap.Canvas.Pixels[i+bx,by+j]);
B:=GetBValue(pic.Picture.Bitmap.Canvas.Pixels[i+bx,by+j]);
m[0,i]:=R; m[1,i]:=G; m[2,i]:=B;
RGBtoHLS;
if ck=0 then if (h>=3) and (h<=15) and (L>40) then ck:=i+bx; //граница
черно-красная
if kz=0 then if (h>=54) and (h<=66) and (L>30) then kz:=i+bx; //граница
красно-зеленая
if zs=0 then if (h>=120) and (h<=130) then zs:=i+bx; //граница зеленосиняя
if sc=0 then if (h>=155) and (L>60) and (s>=200) then //граница
фиолетово-черная
begin sc:=i+bx; chg:=true; end;
end;
k:=k+(kz-ck); z:=z+(zs-kz); ss:=ss+(sc-zs); //суммируем ширины полос для
определения средней длины
end;
k:=Trunc(k/bevel1.Height); z:=Trunc(z/bevel1.Height);
ss:=Trunc(ss/bevel1.Height); //высчитываем ширину полос спектра
len:=20-((k+z+ss-52)/4); {вычисление расстояния до экрана }
Edit2.Text:=FloatToStr(len); StrToFloat(edit2.text);
pix:=1.25; {коэффициент соотношения пиксела и миллиметра}
{Вычисление соответсвующих длин волн}
lR:=Trunc(1/d*sin(k*pix/len*pi/180)*10000000);
lG:=Trunc(1/d*sin(z*pix/len*pi/180)*10000000);
lB:=Trunc(1/d*sin(ss*pix/len*pi/180)*10000000);
label5.Caption:='Красный:'+IntToStr(lR)+' нм';
label6.Caption:='Зеленый:'+IntToStr(lG)+' нм';
label7.Caption:='Синий :'+IntToStr(lB)+' нм';
end;
procedure TForm1.Panel1MouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X,
Y: Integer);
Begin If naj=true then naj:=false;
end;
procedure TForm1.FormMouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X,
Y: Integer);
Begin If naj=true then naj:=false; //При выходе за границы рабочей области не
работает ни выделение, ни перетаскивание
end;
procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);
begin //Если открываемый файл имеет не BMP формат, то вызывается
процедура перевода его в таковой, перед открытием
If openDialog1.Execute then if OpenDialog1.FilterIndex=1 then
JPEGtoBMP(openDialog1.FileName) else
pic.Picture.LoadFromFile(openDialog1.FileName);
end;
end.
Список используемой литературы:
1. Баяндин Д. В. Интерактивные компьютерные тренажеры в школьном
курсе физики /Д. В. Баяндин, Н. Н. Медведева, Н. К. Ханнанов//
Физика в школе. – 2006. - №4. – с. 3-10.
2. Буров В. А. Демонстрационный эксперимент по физике в средней
школы: в 2 т. Т 2 /В. А. Буров, Б. С. Зворыкин, А. П. Кузьмин, И. М.
Румянцев; Пособие для учителей; Под ред. А. А. Покровского. – 3-е
изд., перераб. – М.: Просвещение, 1979. – 287 с., ил.
3. Воронин Ю. А. Компьютеризированные системы средств обучения для
проведения учебного физического эксперимента /Ю. А. Воронин, Р. М.
Чудинский// Физика в школе. – 2006. - №4. – с. 33-39.
4. Галимов Ф. Х. Создание интерактивных моделей в обучающей среде
«Живая физика» /Ф. Г. Галимов// Физика в школе. – 2006. - №4. – с. 1921.
5. Информационная деятельность в области образования и педагогики
[Электронный ресурс]: Компьютерные технологии в обучении. –
Электронные текстовые данные (74485 bytes) . – Режим доступа:
http://www.eduhmao.ru/portal/dt?last=false&provider=HMAOArticlePageC
ontainer&HmaoArticleId=ARTICLE_48207&HmaoSecsId=SECTION_111
93 Wednesday, 2 May 2007 10:23:45.
6. Компьютеризация школьного курса физики [Электронный ресурс]
/В.И. Лырчикова. – Электрон. текстовые данные (5950 bytes). – Режим
доступа: http://www.kurgan-city.ru/conf/thesises/lyrchikova.html Tuesday,
1 May 2007 15:49:02.
7. Куценко С. С. Использование компьютерных тренажеров при
подготовке и проведении работ лабораторного практикума по физике
/С. С. Куценко, Е. И. Сивченко// Физика в школе. – 2006. - №7. – с. 4347.
8. Старовиков М. И. Введение в экспериментальную физику: учебное
пособие для студентов высших учебных заведений/ М. И. Старовиков;
Бийский пед. гос. Ун-т им. В. М. Шукшина. – 2-е изд. – Бийск: БПГУ
им. В. В. Шукшина, 2005.- 190 с.