Интерактивная лекция по электростатике

Учебные ресурсы
Script;
- сложность освоения Flash, в сравнении
с другими средствами авторских разработок,
компенсируется возможностью создания
оригинальных и динамических средств тестирования.
Литература
1. Андерсен Бент Б., Ван ден Бринк Катя. Мультимедиа в образовании : Специализированный
учебный курс/ Пер. с англ. – 2-е изд., исп. и доп. – М. : Дрофа, 2007. – 222 с.
2. Nielsen Jakob. Designing Web Usability : The Practice of Simplicity //– New York: New Riders, 2000.
– 419 с.
3. Агапонов С.В. и др. Средства дистанционного обучения. Методика, технология, инструментарий
/ Агапонов С.В. Джалиашвили З. О. Кречман Д.Л. Никифоров И.С. Ченосова Е.С. Юрков А.В. ; Под ред.
З. Джалиашвили. – СПб. : БХВ-Петербург, 2003. – 336 с.
4. Макар Дж., Паттерсон Д.. Macromedia Flash 8 ActionScript // Д. Паттерсон Денни ; Пер. с англ. –
СПб. : ЭКОМ Паблишерз, 2007. – 536 с.
5. Осин А.В. Мультимедиа в образовании: контекст информатизации / А.В. Осин. – М. : Агентство
«Издательский сервис», 2004. – 320 с.
6. Воган Тэй. Руководство по созданию мультимедийных проектов/ Пер. с англ. М.И. Талачевой. –
М. : НТ Пресс, 2006. – 520с.
7. Бангал Шем. Action Script/ Пер. с англ. – СПб. : Символ – Плюс, 2002. – 477с.
ИНТЕРАКТИВНАЯ ЛЕКЦИЯ ПО ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ
Е.Е.Гетманова, к.ф.-м.н., доц.
Тел.: (4722)309982; E-mail: elge@mail.ru
Белгородский государственный технологический университет
им. В. Г. Шухова
http://www.bstu.ru
An interactive computer lecture on physics, created on the basis of Flash technologies
is considered. The lecture enables the students to master electrostatics laws, to check the
skills of calculating physical indexes. It may be used at lectures and seminars and at the
individual work.
Представлена интерактивная компьютерная лекция по физике, созданная на основе Flash- технологий. Лекция позволяет освоить законы электростатики, проверить навыки в вычислении физических
величин. Может использоваться на лекционных и практических занятиях, а также при самостоятельной работе.
Ключевые слова: flash-технологии, компьютерное моделирование физических процессов, электростатика, интерактивное обучение.
Keywords: flash technology, computer modeling of a physical processes, electrostatics, interactive learning.
Значительные
изменения,
произошедшие в современном мире
за последние десятилетия, поставили перед человечеством проблемы,
разрешить
которые
может
только общество,
которое в своем
большинстве обладает глубокими научными
знаниями.
Формирование такого общества является основной задачей современной системы
14
образования. Цель сегодняшнего образования – не только обучение небольшой части
студентов, которая связывает свое будущее с
наукой, но и формирование физического
мировоззрения у большинства студентов,
которые станут инженерами, экономистами
и т.д. и в своей дальнейшей деятельности
будут использовать навыки, полученные в
учебных заведениях.
«Количество» знаний, которое необходимо освоить студенту за время обучения в
высшем учебном заведении, неизмеримо
больше того, которое получал студент еще
десять лет назад. В связи с этим возрастают
требования к качеству изложения, к способности преподавателя создать в рассказе це-
Открытое образование • 2/2009
Учебные ресурсы
лостную, взаимосвязанную картину из излагаемых научных фактов. В настоящее время
задача образования состоит не просто в передаче знаний, а в умении увязать информацию, объяснить перечень проблем, стоящих
в данной отрасли, возможных способах их
решения, связях с другими науками. Передача информации становится «нелинейной»,
в отличие от последовательного статического изложения материала, наблюдавшегося и
наблюдающегося в образовании. Пояснение
базовых основ дисциплины необходимо
сделать более четким, быстрым и понятным.
Перечисленные причины требуют изменения структуры образования, которое
заключается, прежде всего, в том, чтобы интенсифицировать процесс обучения.
Интенсифицировать процесс обучения
можно при помощи компьютерных информационных технологий. Внедрение в учебный процесс инновационных компьютерных
технологий является основным требованием
современной системы образования. Интерактивные компьютерные программы позволяют акцентировать внимание на главном в изучаемом явлении и способствуют
тем самым более глубокому пониманию его
сущности.
Компьютерные мультимедийные учебные средства обеспечивают разнообразие
форм передачи информации. Известно, что
информация, доносимая до учащегося в нескольких видах (анимационной, графической), воспринимается более эффективно.
Интерактивность позволяет контролировать приобретение знаний и умений учащихся, а анимационные модели позволяют
пояснить в наглядном виде основные идеи
физического явления студентам.
Компьютерные обучающие программы
служат для закрепления знаний, отработки у
учащихся познавательных умений и формирования навыков.
Изучение физики с использованием
мультимедийных компьютерных технологий
повышает объем восприятия, усиливает
внимание, активизирует мыслительную деятельность путем вовлечения образной сферы
человека в процесс обучения. Возможность
многократного повторения явления [1] позволяет зрительно его запомнить, изучать
его, меняя параметры. Мультимедиатехнологии соединяют в себе как возможность одновременного получения образа
объекта, процесса в различных информационных представлениях (графика, звук, видео), так и реализацию динамики движения.
Открытое образование • 2/2009
Несмотря не большое количество готовых компьютерных анимационных программ, созданных для изучения физики
[2,3], весьма полезно было бы преподавателям владеть информационными технологиями в такой степени, чтобы создавать самостоятельно компьютерные модели, имитирующие физическое явление. Это давало
бы возможность проводить компьютерные
лабораторные работы по моделированию,
обучать модельному стилю мышления студентов, поскольку учитель, имеющий свои
личные компьютерные разработки, способен
передать навыки моделирования студентам.
Преподаватели, имеющие большой опыт
работы, вырабатывают свою, авторскую методику изложения, и смогут создать уникальные анимационные фильмы, моделирующие физические явления. В настоящее
время образовательное физическое сообщество интенсивно использует пакеты Flash и
Java для моделирования физических явлений. Обусловлено это, прежде всего, небольшим размером файлов, что позволяет
использовать интерактивные файлы для
дистанционного образования.
Использование Flash-технологий для
моделирования физических явлений и процессов расширяет восприятие и открывает
новые возможности в преподавании физики.
Красивая компьютерная Flash-графика
позволяет создавать анимационные заливки
и тексты, что способствует лучшему восприятию, делает интерфейс более привлекательным и тем самым лучше запоминающимся по сравнению с другими пакетами.
Подобные Flash-фильмы напоминают учащимся, скорее, компьютерные игры, чем
«сухой» урок физики.
В работе описаны интерактивные лекции по электростатике, выполненные на основе Flash-технологий, которые опробованы
на занятиях со студентами Белгородского
государственного технологического университета им. В. Г. Шухова.
Подобного рода лекции обеспечивают
высокую степень наглядности. Они представляют собой активный способ обучения,
позволяя многократно повторять явление.
Такой тип проведения занятий обеспечивает
возможность самоконтроля, поскольку физические величины вычисляются вначале
самостоятельно учащимся, а при нажатии
кнопки выводятся на экран в виде текстовой
информации.
Все описанные ниже Flash-фильмы демонстрировались с помощью проектора на
15
Учебные ресурсы
экране во время изложения лекционного материала.
При изучении закона Кулона на экран
выводятся два шарика, подвешенных на нитях одинаковой длины. Шарикам сообщаются заряды и массы, и они взаимодействуют
(отталкиваются или притягиваются). При
нажатии кнопки на экраны выводятся углы
отклонения и расстояния между шариками.
Изменение параметров (массы, зарядов, первоначального расстояния между шариками)
меняет угол отклонения. Преподаватель рисует силы, действующие на каждый шарик
(нанося их прямо на спроецированный
файл), и поясняет, почему меняется угол
отклонения.
При объяснении понятий напряженности и потенциала электростатического поля
демонстрируется интерактивный фильм, где
вводятся величины зарядов, фиксированные
в заданных координатах. Пользователь задает произвольно координаты точки. После
нажатия кнопки значения напряженности и
потенциала в данной точке, а также искомый
вектор напряженности появляются на экране. Преподаватель просит студентов самостоятельно подсчитать напряженность и потенциал, а затем сверить результаты с данными, полученными на экране.
Понятие потока вектора напряженности
электростатического поля изучается с помощью Flash-фильма, который демонстрирует три пересекающиеся поверхности, которые окрашены в разные цвета (рис.1, см.
цв. обложку 3), что позволяет зафиксировать
их зрительно. При нажатии кнопки, которая
расположена после соответствующей надписи, внутри поверхностей произвольно
вводятся четыре заряда, координаты и величины которых задаются случайным образом.
Величины зарядов показываются в текстовых окнах вблизи зарядов. Положительные
заряды окрашены в красный цвет, отрицательные – в синий. При нажатии второй
кнопки значения потоков через поверхности
появляются на экране. Данный фильм вписывается в контекст лекции следующим образом. Преподаватель дает определение потока, поясняет, каким образом посчитать
поток для зарядов, расположенных внутри
замкнутой поверхности. Щелкает по кнопке,
получает в текстовом окне значения потоков. Затем выполняет данную процедуру
еще раз. Предлагает студентам вычислить
значения потоков самостоятельно. Нажимает кнопку и просит сопоставить результаты,
полученные студентами, с теми, которые
16
появились в текстовом окне. Повторение
упражнения приводит к практически стопроцентному усвоению понятия потока.
Пояснение применения теоремы Гаусса
для расчета напряженности и потенциала
заряженной сферы сопровождается фильмом, в котором на экран выводится заряженная сфера, радиусом которой составляет
100 см (рис.2, см. цв. обложку 3). Преподаватель вводит величину заряда q на сфере и
радиус поверхности r , через которую требуется вычислить поток вектора напряженности.
Если радиус поверхности меньше радиуса сферы, то поверхность располагается
внутри сферы, заряд, расположенный на поверхности сферы, оказывается вне введенной поверхности, поток и напряженность
равны нулю, а потенциал внутри сферы равен потенциалу на поверхности сферы. Если
же поверхность охватывает сферу, то поток
вектора напряженности равен
→
→
∫ Ed s =
S
q
ε0
,
напряженность и потенциал электрического
поля определяются, соответственно, выра-
q
q
. Вы4πε 0 r
численные значения потока вектора напряженности, напряженности электростатического поля и потенциала выводятся в текстовые поля при нажатии кнопки, указанной
стрелкой. Заряды расположены на поверхности сферы и меняют цвет в зависимости
от знака заряда q на сфере. Красные точки
символизируют положительный заряд, а синие – отрицательный. Силовые линии направлены от положительного заряда к отрицательному и тоже изменяют цвет при изменении знака заряда. На изменяемой поверхжениями E =
4πε 0 r 2
, ϕ =
→
ности расположены векторы d s , направленные наружу из объема.
Поведение диэлектрика в электрическом поле поясняется с помощью фильма,
интерфейс которого представлен на рис.3
(см. цв. обложку 3). При нажатии кнопки,
расположенной в левом верхнем углу и указанной стрелкой после надписи «диэлектрик в
вакууме», на экране появляется диэлектрик,
внутри которого находятся диполи, совершающие колебательное (тепловое) движение.
Диполи расположены хаотически, результирующая плотность связанных зарядов на поверхностях диэлектрика равна нулю. При нажатии кнопки, указанной анимационной
Открытое образование • 2/2009
Учебные ресурсы
стрелкой после надписи «диэлектрик в электрическом поле», в пространстве между диэлектриком и пластинами конденсатора и в
пространстве диэлектрика возникают силовые
линии электростатического поля. Плотность
силовых линий внутри диэлектрика меньше,
чем в пустом пространстве на величину, равную значению диэлектрической проницаемости, которая задается произвольным образом в
пределах ε = 2 ÷ 4 . Значения напряженности
электростатического поля в вакууме также
задаются случайным образом и выводятся в
текстовом окне, которое снабжено соответствующей надписью. Ориентация диполей при
этом становится упорядоченной, на каждой из
сторон диэлектрика образуется избыточная
плотность связанных зарядов одного знака.
При нажатии кнопки, расположенной в нижней части экрана, выводится величина электрического поля в диэлектрике, а также значения плотности свободных и связанных зарядов. После демонстрации данного фильма, с
соответствующим пояснением физического
явления, учащиеся понимают особенности
поведения диэлектрика в электрическом поле.
При изучении зависимости между напряженностью и потенциалом демонстрируется фильм (рис.4, см. цв. обложку 3), в котором
при нажатии кнопки, расположенной после
соответствующей надписи, вводятся две
произвольные эквипотенциальные поверхности, причем значения потенциалов
также задаются произвольно. При нажатии следующей кнопки на эквипотенциальных поверхностях устанавливаются
три произвольные точки и на экран выводятся два значения расстояния. Учащимся
необходимо, используя теорему Пифаго-
ра, самостоятельно рассчитать расстояние
между эквипотенциальными поверхностями, указать направление векторов градиента потенциала и напряженности электрического поля, а также вычислить значение напряженности. При нажатии последней кнопки появляются соответствующие векторы, и в текстовом поле выводится значение напряженности. Это позволяет проверить понимание материала.
Подобным способом поясняется тема о
движении электрона в электростатическом поле плоского конденсатора.
Тесты, проведенные сразу после изложения лекционного материала с использованием описанных выше интерактивных фильмов, показали практически
стопроцентное освоение основных понятий электростатики.
Изложенный подход в изучении физики имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным методом объяснения материала. Во-первых, наглядность, что позволяет быстро осваивать материал, вовторых, возможность работать самостоятельно, что соответствует европейским
стандартам образования, где 60% материала студенты должны осваивать самостоятельно.
Представленные Flash-фильмы являются хорошей основой для изучения физического явления при самостоятельной
работе. Они также весьма эффективно могут использоваться в дистанционном образовании, так как недостаточная лабораторная база на месте обучения приводит к
необходимости
вводить компьютерное
интерактивное моделирование.
Литература
1. Гетманова Е.Е. Интерактивное изучение физики //Тр. Междунар. конф. «Теория и методика изучения математики, физики, інформатики». – Вып.УII. – Т. 2 / Мин. обр. и науки Украины. – Кривой Рог,
2008. – С.15 -18.
2. http://interactivephysics.design-simulation.com/ (дата обращения 20.12.2008)
3. www.college.ru (дата обращения 5.01.09)
III Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
11-13 ноября 2009 г. в Москве по инициативе Научного совета РАН по методологии искусственного интеллекта (http://scmai.philosophy.ru/) на базе ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» состоится III Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ: ФИЛОСОФИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ, ИННОВАЦИИ»
Источник. Сайт конференции (http://www.scmaiconf.ru/)
Открытое образование • 2/2009
17