МИНИСТЕРСТВО ПРОСВЕЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ И ЭКОНОМИКИ Кафедра прикладной информатики, информационных систем и технологий Курсовая работа по дисциплине «Технологии разработки электронных учебных материалов» ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ТОКА В ПРОВОДНИКЕ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЕГО КОНЦАХ: ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ (8 КЛАСС) Работу выполнил: обучающийся 1247 группы направления подготовки 09.03.02 Информационные системы и технологии, профиль «Информационные технологии в образовании» Харин Даниил Михайлович __________________ (подпись) «Допущен к защите» И.о. зав кафедрой ПИ ИСиТ _______________________________ «___» ________2020 г. Оценка: _______________________ Руководитель: д-р пед. наук, профессор кафедры ПП ИСиТ Оспенникова Елена Васильевна ___________________ (подпись) ПЕРМЬ 2020 Оглавление Введение.................................................................................................... 3 ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ДИЗАЙНА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЮЗАБИЛИТИ ВИРТУАЛЬНОГО ПЛАНШЕТА ................................. 1.1. Виды интерфейса. Характеристики юзабилити учебных моделей ……………………………………………………… 1.2. 9 Форма представления виртуальной среде дидактических (Применение материалов 9 в принципов педагогического дизайна в дидактических материалах) …………………………………. 15 Выводы по главе 1 ……………………………………………. 17 ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА В СРЕДЕ BLENDER ТРЕХМЕРНОЙ ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРМЕНТА ПО ТЕМЕ «ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ» …………………………………………………….. 20 2.1. Анализ цифровых образовательных ресурсов по теме «Закон Ома для участка цепи»…………………………………….….. 20 2.2. Содержание цифрового учебного модуля «Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи» (8 класс)…………………………………….. 28 2.3. Технология разработки объектов трехмерной демонстрационной модели «Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи» и создания анимации действий пользователя с объектами модели ……………………………………………… 35 Выводы по главе 2 …………………………………………….. 42 ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................... 43 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................... 45 Приложение 1. Теоретический материал в составе учебного модуля……………………………………..………………….. ……… 47 Приложение 2. Сведения из истории к учебному модулю ………. 49 Приложение 3. Тест для самоконтроля к учебному модулю ……… 51 Приложение 3. Цифровой учебный модуль « Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи » (8 класс) [Электронный ресурс] ВВЕДЕНИЕ В эпоху развития информационных технологий процесс обучения можно сделать более наглядным и понятным с использованием трёхмерных интерактивных моделей, с помощью которых можно наглядно изучить различные физические приборы, провести множество экспериментов в безопастной для учащихся обстановке. Подобные виртуальные эксперименты дают необходимое понимание в будущей работе с реальными физическими приборами, различными установками. Время идёт, технологии не стоят на месте, так и происходит постепенный переход от двухмерных моделей к трёхмерным квазиреалистичным моделям. Разработкой трёхмерных образовательных продуктов занимаются как крупные IT-компании, так и различные авторские коллективы. Для разработки интерактивных трёхмерных программных продуктов существует целый ряд программного обеспечения: Autodesk 3ds Max, Cinema 4D, 3D-Coat, FXhome HitFilm, Blender и многие другие. Для разработки также используются программные инструментальные средства. Одной из наиболее популярных и часто используемых у разработчиков интерактивных трёхмерных программных продуктов является Blender. Изложение основ создание трёхмерных моделей представлено в работах И. Сазерленд, Д. Эванс, Э. Катмулл, Д. Блинн, А. Гюра, Е. Трубецкой, К. Людвиг, Д. Хофлер, Ф. Терман, Д. Кларк, Э. Сильверстоун и др. Данные знания применимы и к созданию квазиреалистичных 3D моделям различных экспериментов в области физики. Такими работами, например, занимается компания «Увлекательная реальность», разрабывающая образовательные системы и виртуальные тренажеры. Актуальность исследования обосновывается необходимостью разработки для средней общеобразовательной школы виртуальных моделей учебного физического визуализацией эксперимента, демонстрационной отличающихся установки и реалистичной высоким уровнем интерактивности, обеспечивающих реалистичность действий, учащихся с ее объектами. Необходимость выполнения проектно-исследовательской работы обусловлена важностью разрешения противоречия между современными технологиями разработки интерактивных учебных моделей школьного физического эксперимента как важной составляющей цифровой образовательной среды и традиционным подходом к их созданию, для которого характерны: ограниченность в использовании современных подходов к дизайну ЭУМ, невысокий уровень познавательной активности учащихся в виртуальной среде, недостаточная разработанность методов и средств, обеспечивающих интерактивный характер взаимодействия учащихся с ее объектами, невысокий уровень интереса к деятельности и реализации воспитательного потенциала компьютерных технологий. Анализ указанного противоречия позволил сформулировать проблему проектно-исследовательской работы: каким образом на основе базовых закономерностей дизайна дидактических материалов должны осуществляться проектирование, и разработка виртуальных моделей учебного физического эксперимента с целью обеспечения результативности их применения в обучении школьников экспериментальному методу познания явлений природы? Объект проектно-исследовательской работы: проектирование и разработка виртуальных моделей для учебного процесса по физике. Предмет проектно-исследовательской работы: создание трехмерных виртуальных учебных моделей физического эксперимента с учетом базовых закономерностей педагогического дизайна. Цель работы: разработка средствами инструментальной среды Blender учебного модуля «Закон Ома на участке цепи», включающего 3D-модель физического эксперимента, анимацию действий учащегося с экспериментальной установкой, инструктивные указания к работе с моделью и задания для самоконтроля. Задачи работы: 1. Выявить и изучить основные особенности дизайна электронных учебных материалов. 2. Уточнить основные направления применения моделей дизайна дидактических материалов в разработке цифровых образовательных ресурсов. 3. Выполнить анализ цифровых учебных образовательные ресурсов по теме «Закон Ома на участке цепи» для учащихся средней школы (8 класс). 4. Провести предпроектное исследование объекта моделирования, разработать структуру, содержание и методику применения интерактивной виртуальной демонстрации по теме «Закон Ома на участке цепи» в курсе физики средней школы (8 класс). 5. Реализовать проект интерактивной виртуальной демонстрации по теме «Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи» в инструментальной среде Blender с применением технологии максимально реалистичного интерфейса и учетом закономерностей педагогического дизайна. 6. Подготовить дидактические материалы для самостоятельной работы учащихся с интерактивным учебным модулем (инструктивные материалы в текстовой форме и форме инструкции-анимации, тест для самоконтроля). Методы исследования: 1) изучение объекта моделирования (содержания учебной темы «Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи» (8 класс)) и анализ качества цифровых учебных объектов для сопровождения данной темы; 2) выявление подходов к разработке интерактивных учебных моделей школьного физического эксперимента; систематизация и обобщение опыта их проектирования и создания; 3) изучение и освоение технологий моделирования учебных объектов в среде Blender; 4) проектирование и моделирование экспериментальной установки физической демонстрации «Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи» в виртуальной среде с применением технологий максимально реалистичного интерфейса; 5) тестирование модели; 6) проектирование и разработка дидактического сопровождения самостоятельной работы с виртуальной моделью. Новизна проектно-исследовательской работы состоит в разработке интерактивной виртуальной модели учебной физической демонстрации, отличающейся реалистичной визуализацией объектов экспериментальной установки, обеспечивающей квазиреалистичные взаимодействия учащихся с данными объектами и реализующей современные подходы к педагогическому дизайну электронных учебных материалов. Теоретическая значимость: разработаны требования к интерфейсу виртуального лабораторного эксперимента, определены его структура и содержание. Практическая ценность: создан цифровой ресурс по теме «Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи», подготовлены цифровые дидактические материалы для сопровождения лабораторных занятий по физике в средней школе. Работа состоит из введения, двух глав, заключения и библиографического списка, включающего 24 источника, содержит 4 таблицы, 21 рисунок, 3 приложения. Объем работы 61 страница. ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ДИЗАЙНА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЮЗАБИЛИТИ ВИРТУАЛЬНОГО ПЛАНШЕТА 1.1 Характеристики юзабилити и интерфейса, его модели Важной частью любого ПО является его понятный и приятный глазу дизайн, первое на что смотрит пользователь — это, конечно, на то, как выполнены различные кнопки, шрифты текста, качество картинок или моделей, если пользователя что-то не устроит, он, скорее всего, закроет данное ПО, поэтому необходимо понимать, что для правильной работы необходимо разработать такой дизайн, который будет выглядеть привлекательно, не отталкивающе. Разработкой дизайна или по-другому интерфейса занимаются профессионалы, дабы привлечь как можно больше внимания. Об интерфейсе часто говорят, когда имеют в виду взаимодействие человека и компьютера или приложений. Интерфейс — это «проводник» между человеком и программой, операционной системой, техническим устройством или способ взаимодействия приложений между собой. Человек дает команды с помощью интерфейса, устройство их анализирует и отвечает. Основные задачи, для решения которых он предназначен: ввод и отображение информации (звук, изображение); управление отдельными приложениями; обмен данными с другими устройствами; взаимодействие с операционной системой. Интерфейс подразумевает взаимодействие не только человека и техники, но и компьютер-программа, программа-программа, компьютерустройство. Например, когда устройства подключают к системному блоку компьютера, как способ взаимодействия используют разъем. Виды интерфейсов Одни виды взаимодействия позволяют получить больше контроля над компьютером или смартфоном, но требуют дополнительных навыков. Другие — более комфортные, но предоставляют меньше возможностей. У каждого типа есть свои особенности. Командная строка Через командную строку можно выполнить максимальное количество операций — это прямой способ общения с операционной системой. Чтобы набрать команду, нужно ввести текст на языке компьютера и нажать Enter, компьютер начнет выполнять. Минус способа в том, что он подходит только подготовленным пользователям. В командной строке нет вспомогательных графических элементов, для взаимодействия придется освоить язык, а чтобы команды работали — нельзя допускать ошибок. Графический и текстовый Графика упрощает взаимодействие с компьютером, с ней работать гораздо легче и комфортнее, чем с текстом. В роли графического интерфейса выступают такие элементы: иконки; меню; списки; рисунки и схемы; другие графические элементы. Например, при взаимодействии с Windows используют иконки и окна, для ввода подключают мышь. На смартфоне устройством ввода служит сенсорный дисплей. Текстовый интерфейс не использует изображения: команды отдаются с помощью текста и информация предоставляется в текстовом виде. Жестовый, голосовой, тактильный и нейронный Жестовое взаимодействие позволяет отдавать команды движениями пальцев. Оно применяется при работе с сенсорным экраном смартфона. Например, жест «вверх» заставляет появиться всплывающее окно. Голосовой интерфейс — это управление голосом. Гаджет распознает и выполняет звуковые команды. Тактильный подразумевает взаимодействие с помощью осязания: вибрация или чувствительность к силе нажатия. Нейронный интерфейс передает команды прямо из мозга в компьютер, для этого в мозг вживляют электроды. Его применяют в медицине: так парализованный человек может общаться с окружающим миром. Программный, аппаратный, аппаратно-программный Взаимодействие программ между собой обеспечивает программный интерфейс. Программы направляют запросы друг другу и получают ответы. Например, чтобы постоянно показывать актуальную погоду в виджете или на компьютере, одна программа постоянно отправляет запрос другой, а та — предоставляет свежие данные. Аппаратный предназначен для организации связи между физическими устройствами через разъемы и слоты. А когда компьютер считывает информацию с жесткого диска — это совместная работа программы и физического устройства, то есть, аппаратно-программный интерфейс. Пользовательский интерфейс Все, с чем взаимодействует обычный пользователь, когда включает компьютер, заходит на сайт или в приложение, все, что человек видит на экране — это пользовательский интерфейс. Веб, игровой сайт Веб-интерфейс позволяет работать через браузер. Это взаимодействие программ в интернете. Например, можно зайти на сайт магазина и там же оплатить покупки. Браузер в этом случае будет веб-интерфейсом, благодаря которому страницы взаимодействуют. Игровой — это то, как пользователь может взаимодействовать с игрой, какие команды может отдавать, в какой форме представлена игровая информация и как игра будет реагировать на действия. Материальный Это тактильный контакт с гаджетами. Он включает в себя прикосновения к сенсорному экрану, действия с мышкой или джойстиком. Интерфейс в телефонах На смартфонах используют сенсорный экран, который подразумевает жестовой и тактильный интерфейсы. Пользователь прикасается к элементам, операционная система или приложение получают от него команды и выполняют их. Важно, чтобы интерфейс соответствовал целям и контексту. Если это взаимодействие специалиста с компьютером, то главное — это способность обеспечивать получение информации и выполнение задач. Для обычного пользователя он имеет не только техническое, но и эстетическое значение: работа с ним должна быть удобной и понятной. Для пользователей интерфейс — основа работы с ПК или телефоном. От того, насколько проста или сложна эта система, будет зависеть удобство управления устройством. Разработчики могут менять системные структуры для сложных задач. Неопытным пользователям лучше покупать устройства с понятным интерфейсом, чтобы облегчить себе работу. Развитие технологий всё больше усложняет принципы построения и использования систем. Сейчас нам многое может казаться обыденным, но исторически простые и уже привычные нам задачи раньше вовсе не были такими лёгкими в исполнении. Например, работа в текстовом редакторе или взаимодействие с вебстраницами. Лёгкость и доступность работы с этими вещами — в немалой степени заслуга не только технического прогресса, но и оптимизации интерфейсов. Специалисты адаптируют интерфейсы под конечного пользователя — в том числе и прежде всего подтого, который не обладает специальными знаниями. Как следствие, это облегчает и ускоряет обучение, расширяет список доступных навыков, упрощает решение ряда задач, либо позволяет решать совершенно новые, повышает производительность труда. Юзаби́лити (удобство использования, пригодность использования, эргономичность) — способность продукта быть понимаемым, изучаемым, используемым и привлекательным для пользователя в заданных условиях; свойство системы, продукта или услуги, при наличии которого конкретный пользователь может эксплуатировать систему в определенных условиях для достижения установленных целей с необходимой результативностью, эффективностью и удовлетворённостью. Другой термин юзабилити – степень удобства, с которым пользователь может использовать некоторый инструмент для достижения определенных целей. Также юзабилити понимают как дизайн с точки зрения пользователя. Сам термин также отсылает к различным методам улучшения и облегчения интерфейсов. Это понятие ориентировано в большей степени именно на функционал и эргономику, нежели чем на визуальную и эстетическую составляющую. Юзабилити интересует результат взаимодействия клиента с системой и построение пути к нему. Один из основоположников направления — специалист по интерфейсам Якоб Нильсен (Jakob Nielsen) — определил следующие компоненты юзабилити с точки зрения пользователя: Усваиваемость — то, насколько легко пользователям выполнять базовые задачи, сценарии использования, когда они столкнулись с интерфейсом впервые; Эффективность — насколько быстро пользователи могут выполнять задачи, когда они уже ознакомились с дизайном; Запоминаемость — насколько просто пользователям восстановить навыки работы с интерфейсом, когда они возвращаются к нему после длительного периода; Ошибки — частота возникновения ошибок в использовании, насколько они серьёзны и насколько легко пользователю восстановиться после них; Удовлетворённость — насколько дизайн приятен в использовании. Также Нильсен предлагает оценивать Пользу интерфейсов и определять Полезность по формуле: Полезность = Юзабилити + Функциональность, где Функциональность — даёт ли интерфейс то, что вам нужно; Юзабилити — насколько легко и приятно с ним работать. Также Нильсен описал 10 принципов хорошего юзабилити: Видимость статуса системы; Соответствие между системой и реальным миром; Контроль и свобода выбора у пользователя; Последовательность и стандартизированность; Предотвращение ошибок; Распознавание лучше вспоминания; Гибкость и эффективность использования; Эстетика и минималистичный дизайн; Помогает пользователям распознавать, диагностировать восстанавливаться после ошибок; Помощь и документация. С точки зрения восприятия значение юзабилити следующее: и Пользователи могут сконцентрироваться на выполнении своих задач в нормальном рабочем процессе. Им не нужно разбираться в меню интерфейса или понимать внутреннюю архитектуру программного обеспечения, структуру элементов управления, значение иконок и кнопок. Иными словами, им не нужно думать, как конвертировать задачу в команду «ввод» для компьютера и как совершить полный цикл операций. Пользователи не могут быть отвлечены или сбиты с толку интерфейсом в процессе взаимодействия с ним. Все этапы работы и конкретные операции просты, понятны и воспроизводимы с ожидаемым результатом. Пользователи могут нормально работать с интерфейсом в большинстве условий и сценариев. С точки зрения пользователя, он может спокойно и продуктивно работать с программой и не чувствовать себя некомпетентным. Если речь идёт об учебных моделях, то юзабилити некоторых программ не соответствуют реалиям нынешнего времени, они ограничены несколькими кнопками для проверки ответа и переходом на следующее задание. Для хорошего продукта необходимо: Интерактивность; Хорошо выполненные рисунки и картинки, иконки, кнопки; 3D – модель с возможностью выполнять определенные действия; Информация должна быть максимально познавательная и без лишних «сложных» слов, которые ученик не всегда может понять. Наглядный пример хорошего интерфейса и юзабилити можно увидеть на рисунке N. В котором можно переключиться на необходимые вкладки, прочитать всю необходимую информацию, выполнить управление объектами и персонажем. Рисунок 1 1.2 Форма представления дидактических материалов в виртуальной среде Перед школой информационного века стоит задача развития познавательной самостоятельности школьников, способности самостоятельно учиться, находить и использовать нужную информацию, работать в коллективе, решать актуальные проблемы. Для решения этой задачи необходимы как новые инструменты (мультимедийные образовательные материалы нового поколения, компьютерные инструменты, интегрированные информационные среды обучения, порталы электронного обучения и т. д.), так и новые образовательные технологии (дистанционные образовательные технологии и, в частности, технология педагогического дизайна) Под технологией педагогического дизайна мы будем понимать алгоритмическую систему процедур, включающую анализ, проектирование, разработку, применение и оценку эффективности электронных учебных ресурсов, на основе функциональных, эстетических, фасилитативных требований в информационно-образовательной среде. Знание технологии педагогического дизайна, основанной на традиционных культурологических ценностях с использованием новейших технологий для творческого самовыражения, позволяет разрабатывать электронные образовательные ресурсы с учетом психологопедагогических требований и в целом конструировать учебный процесс. С точки зрения педагогического дизайна электронные образовательные ресурсы представляют собой проект учебного процесса [14]. Педагогический дизайн (Instructional design, ID) — относительно новое понятие в современной системе образования. Потребность в формировании качественных знаний постоянно растет, в то время как традиционные инструменты подходят для относительно простых, «линейных» методов подготовки. При создании более сложных программ применение традиционных методов ведет к потерям времени и ресурсов. В итоге появилось понятие педагогического дизайна — дисциплины, которую команды разработчиков применяют еще на стадии проектирования, создания и оценки обучающих материалов. В его основу положено систематическое использование знаний об эффективной работе, выстраивании учебного процесса с «открытой архитектурой» и создании настоящей обучающей среды [15]. Принципы педагогического дизайна Основная задача качественной и планомерной разработки учебного курса — максимально полная передача нужной информации в доступной для ученика форме. Важен не просто сам факт её предоставления — с этим неплохо справляются более простые методы. Главной задачей является именно четкое восприятие и последующее применение полученных знаний на практике. Для достижения этого в основы педагогического дизайна заложены 8 принципов американского психолога Роберта Ганье (Robert Mills Gagne), одного из основателей педагогического дизайна и автора книг по теории обучения. 1. Привлечение внимания учеников, мотивация на обучение, пробуждение интереса к теме и методам. 2. Объяснение целей и задач обучения. Здесь не только даётся ответ на вопрос «зачем?», но и формируется определенный уровень ожиданий от итогов самого процесса. 3. Представление нового материала. Наиболее сложная часть процесса, поскольку выборочность восприятия любого нового материала свойственна человеческой психике. А это значит, что необходимо заранее предусмотреть определенные элементы, которые позволят удержать внимание ученика на важных моментах и довести до него главную мысль проекта в максимально доступной форме [15]. 4. Сопровождение обучения. По сути это руководство учениками и семантическое формирование установки на удержание полученного материала в долгосрочной памяти. 5. Практика. Необходимо быстро, пока новые знания еще свежи, опробовать их в реальных условиях или просто подтвердить соответствующим экспериментом, что четко и весьма эффективно увяжет теорию и приложение знаний. 6. Обратная связь. Оценка выбранного метода обучения и его эффективности невозможна без оперативного анализа. Поэтому еще на этапе разработки курса должна закладываться максимально гибкая система обратной связи (здесь пригодятся результаты анализа целевой аудитории и её возможностей). 7. Оценка успеваемости и общая оценка эффективности учебного курса. 8. Перевод в практическую плоскость, помощь ученикам в сохранении знаний и их правильном применении.В отличие от пятого принципа, здесь важно перенести практические навыки в новые условия, не заданные изначальными рамками курса. Это позволит оценить глубину усвоения знаний. 5 этапов разработки учебных материалов Процесс проектирования учебных материалов по многим параметрам схож с такими дисциплинами как программирование, логистика, дизайн и прикладная психология. Это последовательность четко определенных процедур, которые сгруппированы в ряд этапов и имеют конкретные задачи и методы их решения. Чаще всего при разработке педагогического дизайна урока используется хорошо зарекомендовавшая себя модель ADDIE (Analysis, Design, Development, Implementation, Evaluation), разбивающая весь процесс на 5 этапов [15]. 1. Анализ Самая важная стадия разработки: выделяются ключевые элементы, изучаются потребности учеников и задача учителя, формулируются измеримые и понятные цели обучения, оценивается целевая аудитория и формы работы с ней, а также составляется список ожидаемых результатов. Для повышения эффективности эта стадия также разбивается на несколько этапов, позволяющих за счет постепенного выявления ключевых точек четко сформулировать задачи. помогают определить Тщательно инструментарий проработанные учебного курса, степень цели его наполнения интерактивными элементами и применимость уже имеющихся материалов и методик. 2. Проектирование Самая обширная и непредсказуемая стадия проекта. В этот момент необходимо учесть все выводы стадии анализа и выработать общий план и структуру материала, оформить схему упражнений и оценок, визуальный ряд, интерфейс и общий дизайн, увязать между собой десятки порой сильно различающихся компонентов. По сути создается некий прототип, сценарий всего проекта, определяющий влияние каждого элемента на задачи, выявленные на первом этапе. Он также должен быть разбит на несколько шагов, поскольку попытка решить все задачи без планомерного подхода чаще всего обречена на провал. 1. Выбор средств обучения. Здесь все также начинается с анализа и изучения целевой аудитории, ожидаемых условий и форм обучения, содержания материалов и применимости к ним тех или иных методов демонстрации. Затем можно приступать к детализации учебных задач и уточнению инструментария, а также выявлению необходимых знаний, умений и навыков, позволяющих выполнить все задачи курса. 2. Создание сценария или план-схемы будущих учебных материалов, оформление и утверждение внешнего вида типовых экранов, проработка рабочих макетов разных фрагментов и экспертная оценка каждого элемента. Главное на этом этапе — уточнение технических требований к будущему курсу. 3. Подготовка пробной версии учебных материалов, подбор или создание иллюстраций, анимационных эффектов и интерактивных элементов, аудио- или видеоряда. На этом этапе можно выявить отдельные недочеты, быстро исправить их и оперативно внести изменения в рабочий сценарий. 4. Оценка и доработка материалов с точки зрения полного соответствия задачам. Здесь максимально эффективны сторонняя экспертиза и все виды моделирования: от педагогического эксперимента с обучением тестовой группы до мозгового штурма по выявлению сильных и слабых сторон разработанного продукта [15]. 5. Сопровождение и развитие учебных материалов. На этом шаге уже можно сосредоточиться на решении мелких технических вопросов, возникающих по ходу создания и тестирования, дополнять и расширять удачные модули, выявлять логические связки, готовить выход новых версий или создавать новые учебные курсы с использованием имеющихся наработок. 3. Разработка Основная «техническая» стадия любого проекта, когда все созданные материалы занимают свое место в общей структуре, обрастают новыми элементами и логическими связями, проходят отладку и «притирку» между собой. Здесь же можно очень тонко настроить выбор методов изложения материала, тона подачи, стиля, форму изложения отдельных элементов исходя из целей всего проекта и особенностей аудитории. На этом этапе окончательно встраиваются элементы общего контента, подбираются наиболее эффективные упражнения, вырабатываются формы обратной связи и проверки освоения материала (задания и способы контроля), оттачиваются интерфейс и связки (правила перехода) между отдельными темами или вопросами. Особое внимание следует уделить четкому определению инструментария для подведения итогов проверки или практической работы, что позволит оценить эффективность всего курса. Этап разработки — это очень кропотливая, но творческая работа, требующая от создателей максимальной гибкости при выполнении жестких исходных установок [15]. 4. Реализация На этой стадии учебный курс загружается в соответствующую систему управления обучением (Learning Management System, LMS) или на ресурс, с помощью которого ученики могут получить доступ к материалам. Несмотря на, казалось бы, малую значимость этой стадии, она позволяет оценить применимость учебных материалов на практике. Именно здесь можно проверить, подходит ли урок или курс для выбранной аудитории, получить первичные данные о его выполнении и эффективности, наладить связь с сообществом обучающихся, что даст дополнительный материал для подготовки инструкций, сопроводительных документов и так далее. 5. Оценка После накопления первичной информации о выполнении учебного курса нужно оценить его эффективность. Необходимо соотнести поставленные на стадии анализа задачи с результатами, которые получены на практике. Оцениваются сами учебные материалы, достижение целей обучения, выполнимость того или иного типа заданий и их соответствие общей задаче. На основании этого дорабатывается курс в целом или отдельные уроки, оцениваются результаты учебной работы и намечаются пути корректировки учебных материалов. Эта стадия в идеале должна закончиться пересмотром требований к отдельным блокам и обновленной версией всего курса. Другие модели педагогического дизайна ADDIE. ADDIE в настоящее время считается практически стандартом разработки учебных курсов с использованием правил педагогического дизайна. Её логичность и хорошо просматриваемая связь с классическими методами дает массу преимуществ. Есть и другие методики, вроде SAM, ALD, Dick & Carey Systems Approach Model или Jerrold Kemp Instructional Design Model, но пока они используются менее интенсивно. Появление новых подходов легко объяснимо — растет объем информации, что увеличивает сложность линейного планирования, происходит смещение интереса разработчиков и потребителей. Поэтому подходы, ориентированные на явно заданные цели, все чаще уступают место конструктивистским моделям обучения. Это позволяет упростить процедуры педагогического дизайна и включить в них элементы кооперации и рефлексии, технологии быстрого прототипирования, каскадную модель и прочие методики. Процедура анализа, например, может длиться на протяжении всей разработки. Подготовка проектной документации сливается с фазой разработки материала. Даже доводка продукции вполне допустима на стадии окончательно работоспособной версии, «на площадке пользователя», что очень похоже на современные методики создания компьютерных программ с их бесконечными патчами и релизами [15]. Таким образом, жесткая последовательная цепочка производственных этапов превращается в единый процесс со множеством итераций. Грань между проектированием и производством материалов постепенно стирается, а сами они начинают взаимодействовать между собой по гораздо большему количеству смысловых или логических связок. Это дает разработчикам возможность создания весьма сложных комплексов учебных материалов. SAM. Один из ярких примеров — модель SAM (Successive Approximation Model, Последовательная модель приближения). Её суть не в планомерном линейном развитии проекта, а в сочетании выполнения небольших по содержимому, по постоянно повторяющихся циклов разработки. Каждый из них постепенно приближает к выполнению общей задачи за счет все большей концентрации усилий по мере прохождения циклов. Это позволяет создать даже очень масштабные проекты «малыми шагами», разрабатывая каждый компонент максимально быстро и просто, поэтапно нарабатывая элементы взаимной привязки в процессе [15]. Однако и здесь обязательно используется логичная цепочка развития, а весь процесс делится на четыре основные стадии: Подготовка (Preparation) — сбор информации и создание первичной базы данных по всему объему материала, который будет изучаться посредством итогового продукта. Цикличная разработка (Iterative Design) — по сути мозговой штурм всех участников проекта, позволяющий быстро наработать сначала основу, а затем за счет создания все новых и новых логических блоков нарастить общий объем материала. Цикличное развитие (Iterative Development) — постоянное расширение материала за счет новых блоков, встраивание его в общую структуру и оценка полученных результатов. Карта действия (Action Mapping) — быстрый и эффективный визуальный способ проектирования. По сути это моделирование действий человека в процессе обучения, изучающее его действия в незнакомой среде. Её главными инструментами являются поиск наилучшего пути решения проблемы, создание стимулирующих, а не информационных материалов, включение в процесс изучения интуиции и экспертная оценка итогов. Проектировщик не создает «карту» самостоятельно, с самого начала над ней работают и обучающийся (пока еще в рамках модели), и эксперт. Поэтому на данном этапе также необходим тщательный анализ, как и во время предварительной проработки проекта. Такая методика явно ориентирована не на академическую среду, а на профессионально-техническое образование и корпоративный сегмент, где относительно легко установить измеримую цель и проанализировать степень её достижения. Процесс сосредотачивается именно на конкретных навыках, а не на общем объеме знаний, что предъявляет повышенные требования к практическому опыту самих разработчиков. Все элементы итогового продукта должны строго оправдывать свое существование, выполняя непосредственно поставленные задачи и отсекая все лишнее. В этом наблюдается явное сходство с методологией SMART [15]. SMART. SMART – система проектного управления, базирующаяся на четко сформулированных и измеримых целях. Её суть заложена в самом названии — Specific (Конкретный), Measurable (Измеримый), Attainable (Достижимый), Relevant (Актуальный) и Time-bound (Ограниченный во времени), вместе — SMART (Умный). То есть цель непременно должна быть конкретной, измеримой, достижимой, значимой и соотноситься с конкретным сроком. А скорость и эффективность выполнения задачи зависит от правильной её формулировки. Причем каким образом будет достигнуто выполнение, не имеет особого значения. Это может быть и поэтапное и планомерное повышение результатов за счёт множества небольших шагов, и сразу ориентация на максимально возможный результат — главное, чтобы он был конкретно и объективно измерим. Предварительный анализ и планирование путей здесь также играют колоссальную роль, поэтому эта концепция применима и к педагогическому дизайну в целом. ALD. Методика ALD (Agile Learning Design) делает акцент на скорости, гибкости и кооперативности разработки. Она вобрала в себя множество наработок из области создания программного обеспечения, главный её козырь — ускорение повышения квалификации за счет резкого увеличения концентрации на специфических задачах. Поэтому она всё чаще находит свое место в создании систем дистанционного обучения и переподготовки, где необходима интенсивная передача материала и использование активного интереса самого обучающегося [15]. Основные принципы методики ALD: Диалоговая подача материала с постоянной повторной проработкой ключевых моментов для закрепления. Применение шаблонов и других стандартных инструментов для быстрого и эффективного выполнения задачи. Активное использование интереса обучающегося и его стимулирование. Приоритет подачи ключевых моментов над второстепенными. Активное привлечение экспертов в узких областях знаний. Создание интерактивных баз данных со всем справочным материалом как по самой теме, так и по близким дисциплинам. Концентрация на самом процессе обучения и материале, а не на планировании. Систематическая оценка процесса обучения и потребностей ученика на каждом этапе. В итоге создание и использование учебных материалов приобретает еще более конкретный вид, а лишние на данном этапе массивы знаний отсеиваются. Однако это вовсе не означат примитивизации процесса — в любое время все необходимые данные могут быть использованы по назначению. Причем как по мере готовности ученика, так и при появлении новых задач, что придает системе ALD большую гибкость при высокой концентрации на процессе. Споры об эффективности методик можно вести бесконечно. Однако хорошо заметно, что каждая из них имеет четкую ориентацию на конкретный сегмент, а потому все сильные и слабые стороны жестко связаны с самой потребностью выстраивать обучение различных групп с учетом их специфических потребностей. Хорошо освоенная и проработанная методика ADDIE даст мощный инструментарий для создания универсальных обучающих курсов, ориентированных по получение фундаментальных знаний, но требует очень высокой квалификации разработчиков. SAM позволяет объективно ускорить и упростить процесс разработки, а также придать ему большую гибкость в случае появления новых задач. А технологии ALD дают возможность быстро и четко создавать узкоспециализированные курсы, ориентированные на специальные области знаний [15]. Федеральные государственные образовательные стандарты предъявляют новые требования к системе профессионального обучения. В связи с этим необходимы новые подходы к организации учебного процесса. Одним из них может быть применение интерактивных технологий, которые не только облегчают деятельность преподавателя на уроке, но и создают эффективную обратную связь, необходимую для того, чтобы студенты могли самостоятельно повторить изученный материал дома, оценить уровень своих знаний по теме. Кроме того, тип этих материалов активизирует познавательную деятельность обучающихся, помогает лучше освоить учебный материал [16]. Творческому преподавателю всегда хочется попробовать сделать свои собственные работы или организовать проектную деятельность с группой студентов с использованием ИКТ. Для этого есть возможность воспользоваться специальными он-лайн сервисами для создания собственных интерактивных материалов к конкретному проекту, уроку, внеклассной деятельности. Для создания и разработки, необходимых вам дидактических материалов, можно привлечь обучающихся, предложив им для реализации мини-проекты по изготовлению дидактических материалов. Предоставляя разнообразные средства для отображения учебной информации в сочетании с интерактивностью, сервисы обеспечивают качественно новый уровень обучения [16]. Значение использования дидактических материалов при использовании в текущей учебной деятельности: · Формирование умений самостоятельной работы с различными источниками информации и умения усваивать и анализировать новый материал. · Активизация познавательной деятельности обучающихся. · Контроль с обратной связью, с диагностикой ошибок (появление на компьютере соответствующих комментариев) по результатам деятельности и оценкой результатов. · Тренировка в процессе усвоения учебного материала. · Усиление мотивации обучения. · Формирование культуры учебной деятельности, информационной культуры общества. · Активизация взаимодействия интеллектуальных и эмоциональных функций при совместном решении исследовательских (творческих) учебных задач [16]. Обзор апробированных он-лайн публикации дидактических материалов: сервисов для создания и 1.Онлайн сервис для создания интерактивных Flash-ресурсов и, прежде всего, дидактических игр для уроков ClassTools.NET Ссылка на источник - http://www.classtools.net/ Его создатель – английский педагог Рассел Тарр. С помощью этого сервиса вы можете в считанные минуты создать свою дидактическую игру или создать учебную диаграмму, воспользовавшись одним из шаблонов. Алгоритм работы достаточно прост. Набираете по шаблону вопросы и ответы. С помощью Генератора игр подбираете наиболее подходящий для вас вариант. Запускаете. Есть возможность сохранить игры на компьютере в виде .htm файла, разместить на страничках сайтов и блогов, поделиться ссылкой. Есть возможность «запаролить» Большинство дидактических режим игр редактирования можно успешно готовой работы. использовать с интерактивной доской. Сервис также позволяет преподавателям и студентам создавать интерактивные Flash - диаграммы для эффективного проведения презентаций, защиты проектов, представления диаграмм, аналитических докладов, планирования мероприятий и т.д. Для начала работы регистрироваться не нужно [16]. 2.Он-лайн сервис для создания карточек BrainFlips Ссылка на источник - http://www.brainflips.com/. С помощью сервиса можно изготовить карточки по предмету преподавания и тут же начать работать с ними. Карты-задания объединяются в колоды. В карточку можно добавить видео, аудио или фото для того, чтобы включить все каналы восприятия информации. Также можно пользоваться карточками других участников сервиса. Формат использования карточек выбирается преподавателем. Сервис создан специально для учителей. Есть возможность создавать группы, подключать к группе участников. Для начала работы необходимо зарегистрироваться. 3.Он-лайн сервис Flashcard Machine Ссылка на источник - http://www.flashcardmachine.com Создан для подготовки дидактических материалов в игровой форме в виде наборов карточек. Материалы на карточках могут быть в виде текста, изображений, звука, ссылок. Вопросы готового набора карточек при запуске тасуются случайным образом. Для начала работы необходимо зарегистрироваться. Есть возможность выступать в роли учителя, студента и организовать групповую работу с карточками. Имеется большая коллекция готовых карточек, разложенная по темам, возрастам [16]. 4.Он-лайн сервис JeopardyLabs Ссылка на источник - http://www.jeopardylabs.com Предназначен для генерации тематических викторин. Для начала работы на сервисе не нужно регистрироваться. Только ввести пароль для редактирования. После заполнения данными сервис предложит ссылку для работы с викториной. 5.Сервис LearningApps Ссылка на источник - http://learningapps.org Предназначен для создания интерактивных учебно-методических пособий по разным предметам. Сервис основан на работе с шаблонами (заготовками) для создания работы. Тематика разнообразна: от работы с картами до разгадывания кроссвордов и создания карт знаний. Для начала работы необходимо зарегистрироваться. Есть большая коллекция работ. 6.Творческий инструмент для 21-го века Wixie Ссылка на источник - https://www.wixie.com/ Позволяет рисовать, добавлять текст, добавить картинку, и многое другое. Это дает вам отличную возможность попробовать Wixie (полная версия ориентирована на учебные заведения) и апробировать в практической деятельности. Бесплатная версия не требует регистрации. Студенты могут использовать в Wixie инструменты рисования, изменять параметры текста, картинок и встраивать голосовые записи при разработке электронных публикаций и флэш-анимации. Этот сервис поможет в создании основных навыков работы с информационными технологиями 21-го века [16]. 7.Он-лайн сервис для создания дидактических материалов (рабочих листов, головоломок, упражнений, игр) WordLearner http://www.wordlearner.com. карточек Для начала и работы необходимо зарегистрироваться (как студент, педагог, представитель ОУ). Есть возможность создавать группы, регистрировать студентов и вести статистику работы в группе. 8. Он-лайн сервис Study Stack http://www.studystack.com для создания дидактических материалов для образования. Порядок работы с вашими материалами: это работа с текстом (вопросы и ответы) и работа с графическими изображениями и комментариями к ним. Набрав один раз комплект вопросов и ответов, вы получаете несколько вариантов для генерации дидактических материалов в игровой форме. Готовые работы легко можно встроить на странички сайтов, блогов, поделиться информацией в социальных сетях. [16]. Выводы по главе 1 1. Изучена информация по видам интерфейса, были выявлены основные характеристики юзабилити. 2. Изучена технология педагогического дизайна в разработке электронных учебных материалов, а также подобраны существующие площадки для создания ЦОР. ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА В СРЕДЕ BLENDER ТРЕХМЕРНОЙ ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРМЕНТА ПО ТЕМЕ «ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ» 2.1 Анализ цифровых образовательных ресурсов по теме «Закон Ома для участка цепи» С развитием IT-технологий, количество ЦОР (цифровых образовательных ресусров) увеличивается многократно, постепенно повышая планку качества и информационной наполненности, использование ЦОР для учителя повышает процент воспринятия информации на уроках у школьников, а наглядные 2D (или 3D) модели позволяют ознакомиться напрямую с некоторыми приборами, провести различные эксперименты, исследовать различные зависимости и запомнить некоторые понятия. Программные средства для создания мультимедиа продуктов – это различные приложения, при помощи которых происходит их разработка. Они складываются из 3 компонентов [8]: ― системные программные средства; ― инструментальные программные средства; ― прикладные программные средства. Системные программные средства включают комплекс программ, входящие в состав операционной системы компьютера и осуществляющие управление устройствами мультимедиа. Управление осуществляется на двух уровнях. Первый уровень − физический, на котором происходит управление вводом-выводом информации. Второй − низкий уровень, управление происходит с помощью машинных команд и пользователем, который управляет характеристиками устройств с помощью графического интерфейса, изображающего пульт управления устройством, например, регулировки громкости звука, тембра, стерео-баланса и так далее. Инструментальные программные средства позволяют модифицировать файлы мультимедиа, расширять возможности управления мультимедийными устройствами, а также облегчают процесс создания новых мультимедийных приложений. Создание мультимедийных приложений осуществляется с помощью следующих пакетов программ [10]: ― редакторов неподвижных графических изображений; ― средств создания анимированных GIF-файлов; ― средств аудио- и видеомонтажа; ― средств создания презентаций; ― средств распознавания отсканированных текстов; ― средств создания обучающих программ; ― систем распознавания голоса и преобразования звуковых файлов в текстовые; ― системы создания приложений виртуальной реальности и другие. Инструментальные средства являются некоторые из них имеют высокую стоимость. платными продуктами, Прикладные программные средства – это комплекс прикладных программ, предназначенных для различных видов деятельности [9]. Мультимедийный продукт – интерактивная компьютерная разработка, в состав которой могут входить музыкальное и речевое сопровождение, видеоклипы, анимация, графические изображения и слайды, базы данных, текст и так далее. Мультимедийные продукты делятся на энциклопедии, интерактивные курсы обучения, игры, Интернет-приложения, тренажеры, средства торговой рекламы, электронные презентации и другие. Существует великое множество жанров цифровых ресурсов. Рассмотрим самые популярные виды ресурсов по теме «Закон Ома для участка цепи»: 1. Мультимедиа-энциклопедии; 2. Мультимедиа-презентации; 3. Обучающая мультимедиа-система; 4. Лингвистическая мультимедиа-система; 5. Мультимедиа-учебники; 6. Мультимедийные базы данных; 7. Бизнес-игры; 8. Справочные мультимедиа-системы; 9. Электронный журнал; 10. Видео-ресурсы Одной из самой большой базой (коллекцией) цифровых образовательных ресусров является сайт – http://school-collection.edu.ru/, на котором имеются необходимые ресусрсы для помощи проведения школьных занятий учителю или педагогу. Ознакомившись с данным порталом, можно найти необходимые источники по теме «Закон Ома для участка цепи» нескольких видов: 1. Статьи посвященные данной теме или текстовые материалы (Рис. 1, Рис. 2). Имеет множество необходимой информации, полезной для ознакомления, имеет графически необходимые рисунки для визуального представления и необходимые формулы. Полезно будет использовать данный материал для проведения лекционных занятий. Однако используются некачественные визуальные материалы и для их просмотра необходимо использовать определенное ПО для просмотра. Рис. 1. Статья посвящена закону Ома. 1971 г [1]. Рис. 2. Статья, посвященная Закону Ома для неоднородного участка цепи, а также решение задач по данной теме[2]. Интерактивные модели, виртуальные практикумы. Данные модели позволяют «вживую» ознакомиться с приборами, провести эксперименты, изучить данную тему на практике. Изучим более подробно имеющиеся модели: А) Модель «Закон Ома» ( ООО Физикон, 2009). Изменяя различные параметры электрической цепи, пользователь сможет наблюдать за изменениями показаний приборов и убедиться в справедливости закона Ома (рис. 3). Интерактивная модель сопровождается инструкцией пользователю, краткой теоретической справкой, а также методическими материалами для преподавателей [3]. Рис. 3. Виртуальный практикум по теме «Закон Ома» [3]. Б) Закон Ома для участка электрической цепи (Рис. 4). Устанавливается линейная зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах. Устанавливается обратная зависимость силы тока от сопротивления проводника. Формулируется закон Ома для участка цепи [4]. Данная модель позволяет управлять объектами модели, тем самым меняя параметры приборов. Рис. 4. Закон Ома для участка электрической цепи [4]. В) Интерактивная задача "Закон Ома" (Рис. 5). Данные интерактивные задачки позволяют закрепить практические знания по теме и проверить их на практике. Рис. 5. Интерактивная задача «Закон Ома» [5]. Такие модели отлично подходят для проведения лабораторных или проверочных работ 2. Видео и аудио-материалы (Рис. 6). Новые технологии позволяют облегчить усвоение материала, вовлечь учеников в процесс обучения и поднять обучение на качественно новый уровень. Речь идёт, конечно же, про видео и аудио-материалы, использование которых требует минимального дополнительного оборудования, но при этом помогает сделать урок более запоминающимся для учеников, а изложение материала – более наглядным и понятным. Рис. 6. Определение «Закон Ома» [6] 3. Тесты (Рис. 7). Позволяют определить соответствия пройденной темы заданным критериям, уровню усвоенности учащихся, а также производится проверка знаний. Отличительной чертой от виртуальных практикумов является то, что в тестах, как правило, отсутствует интерактивность, у пользователя есть возможность только выбрать ответ или написать его. Рис. 7. Тест к уроку «Закон Ома для участка электрической цепи» [7]. Анализ позволяет сделать выводы о том, что имеющиеся модели по данной теме имеет низкое качество картинок, простейшую анимацию, не полное раскрытие темы. Таким образом, есть небольшое количество различных ЦОРов, однако все они ограничены количеством информации, ее неполнотой, использование старых технологий разработки, как следствие низкое качество картинок, анимаций, видео и аудио-материалов. Исследовав данные ЦОР, можно выявить, что необходимы кардинально новые и качественные ЦОР, которые будут включать в себя все вышеперечисленные виды (тесты, видеофрагменты или аудиоматериалы, виртуальные модели, текстовые материалы) для полного представления по теме «Закон Ома», требуется создание интерактивной трёхмерной модели, сочетающей в себе все остальные жанры. 2.2. Структура и содержание цифрового учебного модуля по теме «Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи (8 класс)» Вводная часть - Основная задача проекта: разработка цифрового образовательного ресурса (ЦОР) как средства поддержки лабораторных занятий по физике - В связи с отсутствием полных интерактивных моделей лабораторного эксперимента на различных порталах ЦОР, требуется создание наглядного 3D – эксперимента для понимания основ работы с приборами и оборудованием, знания, получаемые в ходе работы с физическими объектами. - Необходимость в создании сопровождающих дидактических материалов (инструкции к работе, виртуальный планшет с различным меню) к данным интерактивным моделям. - Модульный подход позволяет разрабатывать цифровой ресурс структурно: анализ имеющихся ЦОР, сбор всей необходимой информации, создание проекта, его отладка, поиск вариантов расширения возможностей проекта, загрузка проекта на все площадки ЦОР. Основная часть Структура учебного модуля: 1) сведения из истории (ПРИЛОЖЕНИЯ 1) 2) теоретический материал (ПРИЛОЖЕНИЯ 1) 3) интерактивная 3D-модель физического эксперимента, 4) рабочая тетрадь с инструктивными указаниями к выполнению эксперимента в текстовом формате 5) инструкция в формате анимации 5) тест для самоконтроля (ПРИЛОЖЕНИЯ 1) 6) образец отчета о выполнении опыта (для самоконтроля) 7) технологии управления объектами модели Интерактивная 3D-модель физического эксперимента Эксперимент заключается в том, чтобы проверить зависимость силы тока от напряжения и сопротивления (Закон Ома). Интерактивная рабочая тетрадь. В цифровой рабочей тетради представлены инструктивные указания к работе с моделью, окна ввода данных физического эксперимента, а также окна ввода сформулированных учащимися выводов по его результатам. Подготовка инструктивных указаний к работе с виртуальной моделью является для учителя сложной профессиональной задачей. При подготовке инструктивных материалов должны быть уточнены вид и особенности модели, определены цели ее использования в обучении. В нашей работе основу разработки инструкции составляют обобщенный план проведения физического эксперимента, а также обобщенный план работы с компьютерной моделью. В структуре инструкции выделено три основных блока: 1) анализ модели, 2) планирование и выполнение работы, 3) представление результатов эксперимента. Ниже приведена инструкция к выполнению виртуального физического эксперимента. ВИРТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ лабарторного эксперимента «ЗАКОН ОМА» Инструктивные указания к работе Анализ модели Рассмотрите составляющие модели демонстрационного физического эксперимента «Закон Ома». В рабочем окне модели изображены: Гальванический элемент (1.5В) 3 шт.; Набор резисторов на подставке (1, 2, 4 Ом); Лабораторный амперметр (2А); Лабораторный вольтметр (6В); Замыкающий ключ; Провода соединительные; Планшет с электронной рабочей тетрадью, включающей интерактивные элементы (клавиши навигации, таблицы для записи результатов опыта, окно ввода вывода по результатам опыта, тест для самоконтроля). Интерактивные элементы модели: Лабораторный амперметр, Лабораторный вольтметр, Провода соединительные Замыкающий ключ; Планшет. Взаимодействие с объектами модели: изменение значений показания амперметра; изменение значений показания вольтметра; замыкание или размыкание ключа; добавление дополнительного источника тока (гальванического элемента); замена резистора; прикрепление соединительных проводов к резисторам, амперметру или вольтметру, и их перемещение по горизонтали или по вертикали; работа с планшетом: навигация по содержанию учебного модуля, внесение данных измерений и расчетов в таблицы, текстовой ввод вывода по опыту, выполнение теста для самоконтроля. Планирование и выполнение работы Цели эксперимента: - изучить (исследовать) зависимость силой тока от напряжения на однородном участке электрической цепи и сопротивлением этого участка. - изучить (исследовать) зависимость силой тока от сопротивления на однородном участке электрической цепи. Оборудование: Гальванический элемент (1.5В), набор резисторов на подставке (1, 2, 4 Ом), лабораторный амперметр (2А), лабораторный вольтметр (6В), замыкающий ключ, провода соединительные; Идея эксперимента: Три величины, с которыми мы имеем дело в любой электрической цепи, − это сила тока, напряжение и сопротивление [11, с. 123]. Сила тока – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в 1 с. [11, с. 107]. Единицу силы тока называют ампером (А) [11, с. 108]. Обозначается буквой I. Напряжение – это физическая величина, характеризующая электрическое поле. Оно обозначается буквой U [1, с. 113]. Единица напряжения названа вольтом (В) [11, с. 115]. Сопротивление – физическая величина. Обозначается оно буквой R. За единицу сопротивления принимают 1 Ом. [11, с. 122] Эти величины связаны между собой [11, с. 123]. Их зависимость можно пронаблюдать в эксперименте (рис. 1), в котором можно менять количество напряжения и сопротивления. Ход работы Опыт 1 Цель опыта: исследование зависимости силы тока от сопротивления при постоянном напряжении в цепи; 1. Рассмотрите экспериментальную установку. 2. Соберите цепь используя проводник с сопротивлением 1 Ом, замкните ключ и запишите полученный результат в таблицу 1. Таблица 1 № R, Ом I, А 1 2 3 3. Включите в цепь проводник с сопротивлением 2 Ом, замкните ключ и запишите полученный результат в таблицу 1. 4. Включите в цепь проводник с сопротивлением 4 Ом, замкните ключ и запишите полученный результат в таблицу 1. 5. По полученным данным постройте график зависимости силы тока от напряжения. График 1 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1 2 3 4 5 6. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы по опыту 1. Введите текст Проверить Вывод Опыт 2 Цель опыта: исследование зависимости силы тока от напряжения при неизменном сопротивлении; 1. Рассмотрите экспериментальную установку. 2. В качестве источника тока выберите батарею напряжением 1,5В, оставьте резистор на 4 Ом. 3. Соберите цепь и замкните ключ, полученный результат впишите в таблицу 2. Таблица 2 № U, В I, А 1 2 3 4. Подсоедините источник тока с другим напряжением, замкните цепь и запишите полученные результат в таблицу 2. 5. Подсоедините источник тока с третьим напряжением, замкните цепь и запишите полученные результат в таблицу 2. 6. По полученным данным постройте график зависимости силы тока от напряжения. График 2 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 2 4 6 8 10 7. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы по опыту 2. Введите текст Проверить Вывод Образец отчета о выполнении опыта (для самоконтроля) Отчет о проведении эксперимента (формируется автоматически) Оборудование: Гальванический элемент (1.5В), набор резисторов на подставке (1, 2, 4 Ом), лабораторный амперметр (2А), лабораторный вольтметр (6В), замыкающий ключ, провода соединительные. Опыт 1 Цель опыта: исследование зависимости силы тока от сопротивления при постоянном напряжении в цепи; Таблица 1 № R, Ом I, А 1 1 1,40 2 2 0,70 3 4 0,35 График 1 Вывод: Опыт показывает, что сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника Опыт 2 Цель опыта: исследование зависимости силы тока от напряжения при неизменном сопротивлении Таблица 2 № U, В I, А 1 1,4 0,35 2 2,8 0,70 3 4,2 1,05 График 2 Вывод: Опыт показывает, что сила тока в проводнике пропорциональна напряжению на концах этого проводника прямо Заключительная часть Виртуальный лабораторный практикум позволяет студенту полноценно осваивать учебный материал, подкрепляя текущее изучение теоретического материала необходимым выполнением лабораторных работ. А проверка преподавателем подготовленных отчетов по выполненным лабораторным работам позволяет оценивать степень освоения студентом учебного материала наряду с проведением рубежного контроля в виде дистанционного тестирования. Для данного интерактивного модуля подготовлены дополнительные дидактические материалы «Сведения из истории», «Теоретический материал», а также разработан тест для самоконтроля (Приложение 1). Комплекс цифровых дидактических материалов для учащихся представлен в интерактивном виртуальном планшете. Технологии управления объектами модели: При работе с моделью используются игровые технологии управления объектами виртуальной образовательной среды и персонажем (виртуальным учащимся). Ученик может передвигаться по сцене, может подойти к окну, манипулировать объектами (перемещать, заменять, удалять) в квазиреалистичном режиме. Ниже раскрываются технологии управления объектами. Управление персонажем: - перемещение персонажа: клавиши W(вперед), S(назад), D(вправо), A (влево), Z (вниз), X(вверх); - изменение угла обзора экспериментальной установки и объектов лаборатории: движение мыши; Действия с объектами модели: ПКМ – правая клавиша мыши, ЛКМ – левая клавиша мыши, технология «drag&drop».. Активация всплывающих подсказок: наведение курсора на объект. В таблице приведены: содержание подсказок (указание на действия с объектами модели), технологии их реализации и описание процедуры выполнения действия. Таблица Действие Технология Описание (всплывающая подсказка) Замкнуть/разомкнуть ключ Установить дополнительный гальванический элемент Убрать дополнительный гальванический элемент Заменить резистор drag&drop ЛКМ drag&drop ЛКМ Ключ располагается на подставке на рабочей поверхности (столе). Гальванический элемент находится слева от цепи. Двойной клик ЛКМ Гальванический элемент возвращается на лабораторный стол drag&drop ЛКМ Резистор располагается слева от цепи. Инструкция-анимация. Инструктивные текстовые материалы уходят на второй план. С развитием технологий учащимся становится скучно читать большой алгоритм действий к лабораторной работе. Целесообразнее прослушать или просмотреть необходимую часть действий, выполнить указания и записать необходимые данные в тетради. Анимация к демонстрационной модели «Третий закон Ньютона» выполнена в редакторе трехмерной графики Blender 3D (рис. 12). В Blender 3D использовались такие инструменты как перемещение объекта (Move Items) и закрепление ключевых кадров (Local). При работе с таким небольшим инструментарием получилось изобразить в точности реальный физический эксперимент. Тест для самоконтроля. Тест для самоконтроля к демонстрационному эксперименту по теме «Третий закон Ньютона» состоит из 10 заданий: 9 – с выбором правильного ответа и одно задание открытого типа (приложение 1). Сведения из истории. Сведения из истории знакомят с теорией происхождения третьего закона Ньютона, рассказывают о реакции современного общества и его актуальности в современной жизни (приложение 2). 2.3. Технология разработки объектов трехмерной демонстрационной модели «Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах: закон Ома для участка цепи» и создания анимации действий пользователя с объектами модели Трехмерная демонстрационная модель физического эксперимента по теме «Закон Ома для участка цепи» была разработана в редакторе трехмерной графики Blender. Программа Blender – это программа для создания трехмерной компьютерной графики. Её используют для 3D моделирования и визуализации, применяя в различных сферах деятельности. Здесь можно создать 3D модели персонажей, зданий, техники, объектов игровой реальности, точно визуализировать любой интерьер помещения и многое другое, учитывая физические особенности объекта. Кроме этого, можно подобрать необходимый дизайн, даже если его не существует на самом деле. В дополнение, любой объект можно нарисовать, используя возможности векторной графики и получая качественные изображения. Также Blender полезен для анимации и спецэффектов - используется в киноиндустрии для создания полнометражных и короткометражных мультфильмах, в рекламной продукции (реклама по телевидению), для эффектной презентации, например, при строительстве жилого комплекса или будущего ремонта в квартире. А также при использовании в пост-обработке, создания различных спецэффектов в фильмах и их монтаж, совмещение 3D и видеоряда, и анимации персонажей в видеоиграх [13]. Трехмерная модель физического эксперимента по теме «Закон Ома для участка цепи»» состоит из трёх источников питания, амперметра, вольтметра, резисторов 1, 2, 4 Ом(рис. 14) и замыкающий ключ. При создании данных объектов были задействованы основные элементы Blender, такие как: - Mesh – добавление новых элементов сцены; - Material properties – создание, изменение и настройка материалов; - Modifier properties – наложение модификаторов; - Animation – создание анимации; - Render properties – сохранение готовой анимации и изображений. Рис. 14. Демонстрационная модель эксперимента Первым для разработки были выбраны амперметр и вольтметр (рис. 15), так как они идентичны в создании. Составляющие данных приборов: корпус, две клеммы, знаки «+» и «-», шкала показаний, стрелка и держатель для стрелки. Рисунок 2 В режиме редактирования (Edit Mode) был создан корпус для приборов (использовался объект Cube), держатель для стрелки (Cylinder), стрелка (Cube) и клеммы (Cylinder), а также знаки плюс и минус. Модификатор сглаживания объектов (Subdivision Surface) привел краям закругленный вид. Клеммам и концу стрелки изменён цвет на красный. Клеммы были выполнены максимально приближены к реалистичным (вдавлены внутрь сверху, по бокам имеются вырезы). Плюс и минус были сделаны с помощью текста и добавлением формы. Самым сложным этапом было подобрать верную шкалу приборов, на часть корпуса была наложена текстура в виде картинки (шкалы) с помощью редактора Shader Editor (рис. 16). Рисунок 3 По таким же принципам были разработаны резисторы (рис. 17). В котором пружины были выполнены из объекта Circle (круг) с добавлением модификатора (Screw). Сами пружины находятся в держателях из объекта Cylinder, которые были вырезаны в центре с помощью функции Loop Cut (обрезка объектов). Рисунок 4 Источники тока или гальванические элементы (рис.17) были выполнены идентично, на сами батареи выбраны подходящие цвета. Рисунок 5 Самым сложным для создания был замыкающий ключ (рис. 18). В котором необходимо создать сложные объекты (держатель для ключа или его «шапка», сам ключ, две подставки – одна держит сам ключ, вторая подставка место, где ключ замыкается). Такие сложные объекты были созданы с помощью Edit Mode и добавления дополнительных Mesh – объектов. Рисунок 6 Заключительным немаловажным действием после создания модели является установка камеры для качественного изображения модели и ее анимации в Render (рис. 17). Рисунок 7 При работе с редактором трехмерной графики Blender была создана квазиреалистичная модель «Закон Ома для участка цепи» с интерактивными анимированными элементами. Это полностью повторяет существующие приборы для данного эксперимента, а анимирование элементов помогает учащимся правильно и точно выполнить лабораторную работу. Выводы по главе 2 1.Выполнен анализ цифровых образовательных ресурсов по теме «Закон Ома для участка цепи» для средней школы и цифровых инструктивных материалов для работы с данными ресурсами. Было выявлено, что большинство существующих моделей не обладают реалистичным интерфейсом и сопровождающими инструктивными материалами. 2. Разработана учебная модель «Закон Ома для участка цепи» с применением графических объектов, созданных в 3D-редакторе Blender, и анимации, показывающей действия учащегося с виртуальной экспериментальной установкой. 3. Подготовлены инструктивные указания к работе с моделью, которые были реализованы различными технологиями, такими как текст и анимация. Составлены задания для самоконтроля качества усвоения учащимися материала учебного модуля. Приведны сведения из истории открытия закона. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнения работы получены следующие результаты: Изучена 1. информация по видам интерфейса, основным характеристикам юзабилити учебных моделей. В результате это было выявлено каким должен быть дизайн и обеспечение юзабилити учебных моделей. 2. Изучена технология педагогического дизайна в разработке электронных учебных материалов, а также подобраны существующие площадки для создания ЦОР. Выявлено, что для применения принципов дизайна в дидактических материалах необходимо соблюдать множество аспектов, а также были подобраны качественные платформы для создания ЦОР. 3. Выполнен анализ существующих физических моделей по теме «Закон Ома для участка цепи», включающих цифровые инструктивные материалы. Показано, что почти отсутствует интерактивное взаимодействие пользователя с элементами модели. Не все модели имеют задания для самоконтроля и теоретическую информацию, которая помогла бы ученику разобраться в данной теме. Отсутствуют иструктивные материалы для работы с ЦОРом и самим модулем. 4. Разработана учебная модель «Закон Ома для участка цепи» с применением трехмерных графических объектов, созданных в редакторе Blender, и анимации действий учащегося с виртуальной экпериментальной установкой. Модель включает в себя исторические сведения, трехмерную установку физического эксперимента, инструкцию в форме текста, инструкцию-анимацию и тест для самоконтроля. 5. Подготовлены инструктивные материалы: в форме текста на основе обобщенного плана работы с виртуальной моделью, и инструкция-анимация, созданная в трехмерном редакторе Blender, и демонстрирующая пошаговые действия пользователя при работе экспериментальной установкой. 6. Составлены задания для самоконтроля качества усвоения учащимися материала учебного модуля в виде теста. Он включает в себя вопросы с выбором правильного ответа, решения задач на тему «Закон Ома для участка цепи» и задания открытого типа. Библиографический список: 1. Закон Ома. Статьи по физике. [Электронный ресурс]. – URL: http://schoolcollection.edu.ru/catalog/res/5e9f763e-fb53-a2b0-1f31-22de5f64b810/? (дата обращения 23.10.2020). 2. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Статьи по физике. [Электронный ресурс]. – URL: http://school-collection.edu.ru/catalog/res/2b53e259-1400-40a8-b8dfcb17c6dacd73/? (дата обращения 23.10.2020). 3. Закон Ома. Интерактивные модели по физике. [Электронный ресурс]. – URL: http://school-collection.edu.ru/catalog/res/37c160cb-66fd-4f45-f0a7-17f031e28157/? (дата обращения 23.10.2020). 4. Закон Ома для участка электрической цепи. Интерактивные модели по физике. [Электронный ресурс]. – URL: http://school-collection.edu.ru/catalog/res/669ba071e921-11dc-95ff-0800200c9a66/? (дата обращения 23.10.2020). 5. Интерактивная задача «Закон Ома». Интерактивное задание. [Электронный ресурс]. – URL: http://school-collection.edu.ru/catalog/res/72440082-0334-4a7e-8a26e60c45c19540/? (дата обращения 23.10.2020). 6. Определение «Закон Ома». Текст/Текст с иллюстрациями с озвучиванием. [Электронный ресурс]. – URL: http://school-collection.edu.ru/catalog/res/724400820334-4a7e-8a26-e60c45c19540/? (дата обращения 23.10.2020). 7. Тест к уроку «Закон Ома для участка электрической цепи». Тест, Интерактивное задание. [Электронный ресурс]. – URL: http://schoolcollection.edu.ru/catalog/res/669b795f-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/?/? (дата обращения 23.10.2020). 8. Danger – Программные средства для создания и редактирования элементов мультимедиа [Электронный ресурс]: [справочный листок] ‒Danger, 2011. ‒ Режим доступа: http://dander.ru/gos/43.html 9. Педагогический Интернет-клуб – Применение мультимедиа при создании учебных пособий [Электронный ресурс]: [справочный листок] ‒ Педагогический Интернетклуб, 2009. ‒ Режим доступа: https://scienceforum.ru/2014/article/2014004753 10. Бурятский Государственный Университет – Понятие технологии мультимедиа [Электронный ресурс]: [справочный листок] ‒ Бурятский Государственный Университет, 2008. ‒ Режим доступа: www.bsu.ru/content/hec/dambieva/powerpoint.doc 11. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2013. – 191с. (п. 42. Зависимость силы тока от напряжения – с. 119 – 121; п. 44. Закон Ома для участка цепи – с. 123 – 126). – URL: https://uchebnik-skachatj-besplatno.com/Физика/Учебник%20Физика%208%20 класс%20Перышкин/index.html (дата обращения 29.09.20). 12. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина, 2012. – 272с. (п. 13. Сопротивление. Закон Ома для участка цепи – с. 94-101). – URL: https://uchebnik-skachatj-besplatno.com/Физика/ Физика%208%20класс%20Учебник%20Генденштейн%20Кайдалов%20часть%201/i ndex.html (дата обращения 29.09.20). 13. Словарь «Академик» [Электронный ресурс]. – URL: https://professional_education.academic.ru/1170/%D0%98%D0%9D%D0%A1%D0%A2 %D0%A0%D0%A3%D0%9A%D0%A2%D0%98%D0%92%D0%9D%D0%AB%D0%9 5_%D0%9C%D0%90%D0%A2%D0%95%D0%A0%D0%98%D0%90%D0%9B%D0% AB (дата обращения: 30.11.2020). 14. Технология педагогического дизайна в разработке электронных учебных материалов. Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании». CYBERLENINKA. [Электронный ресурс]. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnologiya-pedagogicheskogo-dizayna-v-razrabotkeelektronnyh-uchebnyh-materialov (дата обращения 30.11.2020). 15. Блог iSpring. Платформа для корпоративного обучения. Что такое педагогический дизайн? [Электронный ресурс]. – URL: https://www.ispring.ru/elearning-insights/chtotakoe-pedagogicheskiy-dizayn (дата обращения 30.11.2020). 16. Курсы для учителей. Мультиурок. Создание дидактических материалов с использованием сетевых сервисов. [Электронный ресурс]. – URL: https://multiurok.ru/blog/sozdaniie-didaktichieskikh-matierialov-s-ispol-zovaniiemsietievykh-siervisov.html (дата обращения 30.11.2020). Приложение 1 Тест по теме «Закон Ома для участка цепи» Вопрос 1. Эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника (или электрического напряжения) с силой тока, протекающего в проводнике, и сопротивлением проводника: 1) закон Ома 2) закон Ньютона 3) закон Паскаля 4) закон Джоуля - Ленца Вопрос 2. Как сила тока в проводнике зависит от его сопротивления: 1) она прямо пропорциональна сопротивлению проводника 2) сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению 3) чем меньше сопротивление, тем больше сила тока 4) чем больше напряжение, тем больше сила тока Вопрос 3. Зависимость силы тока от какой физической величины устанавливает закон Ома: 1) количества электричества 2) времени 3) сопротивления 4) плотности Вопрос 4. Зависимость силы тока от какой физической величины устанавливает закон Ома: 1) напряжения 2) количества электричества 3) времени 4) длины проводника Вопрос 5. Какова формула закона Ома? 1) 𝐼 = 𝑞 2) 𝑰 = 3) 𝑈 = 𝑡 𝑼 𝑹 𝐴 4) 𝑁 = 𝑞 𝐴 𝑡 Вопрос 6. Какие формулы для определения напряжения и сопротивления следуют из закона Ома? 1) 𝑰 = 𝑰𝑹 и 𝑹 = 2) 𝑈 = 3) 𝑈 = 𝐼 𝑅 𝐼 𝑅 и𝑅 = и𝑅 = 4) 𝑈 = 𝐼𝑅 и 𝑅 = 𝑼 𝑰 𝑈 𝐼 𝐼 𝑈 𝐼 𝑈 Вопрос 7. На рисунке представлен график зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах. Определите по нему сопротивление проводника. 1) 20 Ом 2) 200 Ом 3) 2 кОм 4) 2 Ом Вопрос 8. Какой из проводников, для которых графики зависимости силы тока от напряжения показаны на рисунке, обладает наибольшим сопротивлением? 1) №1 2) №2 3) №3 Вопрос 9. Сопротивление нагревательного элемента утюга 88 Ом, напряжение в электросети 220 В. Какова сила тока в нагревательном элементе? 1) 0,25 А 2) 2,5 А 3) 25 А 4) 250 А Вопрос 10. Сопротивление проводника 70 Ом, сила тока в нем 6 мА. Каково напряжение на его концах? 1) 420 В 2) 42 В 3) 4,2 В 4) 0,42 В Вопрос 11. Чтобы экспериментально определить сопротивление проводника, включенного в цепь, какие нужно измерить величины? Какими приборами? 1) Напряжение и количество электричества; вольтметром и гальванометром 2) Силу тока и количество электричества; амперметром и гальванометром 3) Напряжение и силу тока; вольтметром и амперметром Вопрос 12. Зависит ли сопротивление проводника от напряжения и силы тока? 1) Не зависит от напряжения, но зависит от силы тока 2) Не зависит от силы тока, но зависит от напряжения 3) Не зависит ни от напряжения, ни от силы тока 4) Зависит и от напряжения, и от силы тока Вопрос 13. На рисунке приведён участок электрической цепи, по которому течёт ток. В каком из проводников сила тока наименьшая? 1) 1 2) 2 3) 3 4) 4 Вопрос 14. В электрической цепи (см. рисунок) вольтметр V1 показывает напряжение 2 В, вольтметр V2 — напряжение 0,5 В. Напряжение на лампе равно 1) 0,5 В 2) 1,5 В 3) 2,0 В 4) 2,5 В Приложение 2 Исторические сведения по теме «Закон Ома для участка цепи» Георг Симон Ом (1789–1854) родился в Эрлангене, в семье потомственного слесаря. Роль отца в воспитании мальчика была огромной, и, пожалуй, он всем тем, чего добился в жизни, обязан отцу. После окончания школы Георг поступил в городскую гимназию. Гимназия Эрлангена курировалась университетом и представляла собой учебное заведение, соответствующее тому времени. Георг Ом (1789 – 1854) [1]. Успешно окончив гимназию, Георг Ом весной 1805 года приступил к изучению математики, физики и философии на философском факультете Эрлангенского университета. Проучившись три семестра, Георг Ом принял приглашение занять место учителя математики в частной школе швейцарского городка Готтштадта. В 1809 году Георгу было предложено освободить место и принять приглашение на должность преподавателя математики в город Нейштадт. Другого выхода не было, и к Рождеству он перебрался на новое место. Но мечта окончить университет не покидает Ома. В 1811 году он возвращается в Эрланген. Самостоятельные занятия Ома были настолько плодотворными, что он в том же году смог окончить университет, успешно защитить диссертацию и получить степень доктора философии. Сразу же по окончании университета ему была предложена должность приват-доцента кафедры математики этого же университета. Королевским решением от 16 декабря 1812 года Георг Ом был назначен учителем математики и физики школы в Бамберге. В феврале 1816 года реальная школа в Бамберге была закрыта. Учителю математики предложили за ту же плату проводить занятия в переполненных классах местной подготовительной школы. Потеряв всякую надежду найти подходящую преподавательскую работу, отчаявшийся доктор философии неожиданно получает предложение занять место учителя математики и физики в иезуитской коллегии Кельна. Он немедленно выезжает к месту будущей работы. Здесь, в Кельне, он проработал девять лет. Именно здесь он "превратился" из математика в физика. Наличие свободного времени способствовало формированию Георга Ома как физика-исследователя. Он с увлечением отдается новой работе, просиживая долгие часы в мастерской коллегии и в хранилище приборов [1]. Г. Ом занялся исследованиями электричества. Он начал свои экспериментальные исследования с определения относительных величин проводимости различных проводников. Применив метод, который стал теперь классическим, он подключал последовательно между двумя точками цепи тонкие проводники из различных материалов одинакового диаметра и изменял их длину так, чтобы получалась определенная величина тока. Как пишет В.В. Кошманов: «Ом знал о появлении работ Барлоу и Беккереля, в которых были описаны экспериментальные поиски закона электрических цепей». Знал он и о результатах, к которым пришли эти исследователи. Хотя и Георг Ом, и Барлоу, и Беккерель в качестве регистрирующего прибора использовали магнитную стрелку, соблюдали особую тщательность в соединении цепи и источник электрического тока в принципе был одной и той же конструкции, однако полученные ими результаты были различными. Истина упорно ускользала от исследователей. Питер Барлоу (1766 – 1862) [3]. Антуан Арни Беккерель (1852 – 1908) [4]. Необходимо было, прежде всего, устранить самый значительный источник погрешностей, каким, по мнению Ома, была гальваническая батарея. Уже в своих первых опытах Ом заметил, что магнитное действие тока при замыкании цепи произвольной проволокой уменьшается со временем... Это снижение практически не прекращалось с течением времени, и ясно было, что заниматься поиском закона электрических цепей при таком положении дел бессмысленно. Нужно было или использовать другой тип генератора электрической энергии из уже имеющихся, или создавать новый, или разрабатывать схему, в которой изменение ЭДС не сказывалось бы на результатах опыта. Ом пошел по первому пути". После опубликования первой статьи Ома Поггендорф посоветовал ему отказаться от химических элементов и воспользоваться лучше термопарой медь – висмут, незадолго до этого введенной Зеебеком. Ом прислушался к этому совету и повторил свои опыты, собрав установку с термоэлектрической батареей, во внешнюю цепь которой включались последовательно восемь медных проволок одинакового диаметра, но разной длины. Силу тока он измерял с помощью своего рода крутильных весов, образуемых магнитной стрелкой, подвешенной на металлической нити. Когда ток, параллельный стрелке, отклонял ее, Ом закручивал нить, на которой она была подвешена, пока стрелка не оказывалась в своем обычном положении; сила тока считалась пропорциональной углу, на который закручивалась нить. Ом пришел к выводу, что результаты опытов, проведенных с восемью различными проволоками, могут быть выражены уравнением – частное от а, деленного на х + в, где х означает интенсивность магнитного действия проводника, длина которого равна х, а а и в – константы, зависящие соответственно от возбуждающей силы и от сопротивления остальных частей цепи. Условия опыта менялись: заменялись сопротивления и термоэлектрические пары, но результаты все равно сводились к приведенной выше формуле, которая очень просто переходит в известную нам, если заменить х силой тока, а - электродвижущей силой и в + х – общим сопротивлением цепи. Ом проводит опыты и с четырьмя латунными проволоками - результат тот же. "Отсюда следует важный вывод, - пишет Кошманов, – что найденная Омом формула, связывающая физические величины, характеризующие процесс протекания тока в проводнике, справедлива не только для проводников из меди. По этой формуле можно рассчитывать электрические цепи независимо от материала проводников, используемых при этом... ...Кроме того, Ом установил, что постоянная в не зависит ни от возбуждающей силы, ни от длины включенной проволоки. Этот факт дает основание утверждать, что величина характеризует неизменяемую часть цепи. А так как сложение в знаменателе полученной формулы возможно только для величин одинаковых наименований, то, следовательно, постоянная в, заключает Ом, должна характеризовать проводимость неизменяемой части цепи. В последующих опытах Г. Ом изучал влияние температуры проводников на их сопротивление. Он вносил исследуемые проводники в пламя, помещал их в воду с толченым льдом и убеждался, что электрическая проводимость проводников уменьшается с повышением температуры и увеличивается с понижением ее". Получив свою знаменитую формулу, Г. Ом пользуется ею для изучения действия мультипликатора Швейггера на отклонение стрелки и для изучения тока, который проходит во внешней цепи батареи элементов, в зависимости от того, как они соединены - последовательно или параллельно. Таким образом, он объясняет, чем определяется внешний ток батареи, - вопрос, который был довольно темным для первых исследователей [1]. Успех дальнейших экспериментов Г. Ома решило открытие термоэлектричества. Немецкий физик Томас Иоганн Зеебек (1770-1831) участвовал в большой дискуссии между сторонниками химической и контактной теорий. Он склонялся к мнению Вольта, что ЭДС возникает при контакте веществ независимо от наличия химического реагента, и искал доказательства [2]. Томас Зеебек (1770 – 1831) [5]. В 1822 г. Зеебек изготовил спираль из медной полосы, внутри которой укрепил компас. Это был, по-современному, гальванометр с малым внутренним сопротивлением. Концы спирали присоединялись к разнородным металлическим пластинкам. Когда был взят висмутовый диск и положен на медный, магнитная стрелка вздрогнула. Эффекта не было, если диск брали не рукой, а с помощью предмета, имеющего комнатную температуру. В конце концов Зеебек выяснил, что эффект пропорционален разности температур двух контактов. Одним из важнейших следствий открытия было то, что в руках экспериментаторов оказался источник, ЭДС которого можно было плавно регулировать и поддерживать постоянной [2]. Ом использовал термопару висмут – медь; один спай помещался в лед, другой – в кипящую воду. Чувствительность "гальванометра" пришлось, естественно, увеличить. Процедура измерений заключалась в следующем. Восемь испытуемых проводников поочередно включались в цепь. В каждом случае фиксировалось отклонение магнитной стрелки. Примитивная установка Ома понятна из рисунка 1. Результат экспериментов Ом выразил формулой: где X - сила магнитного действия проводника (сила тока), а - постоянная, определяющая электровозбудительную силу термопары (ЭДС), х-длина испытуемого проводника (съемной части цепи), b - константа, определяющая проводимость всей цепи, кроме съемной ее части. Это был второй шаг. Здесь нет еще привычных нам понятий силы тока, ЭДС, внешнего, внутреннего сопротивлений. Они кристаллизуются постепенно. В следующей работе (1826 г.) Ом вводит понятие "электроскопической силы", пользуется понятием силы тока и записывает закон для участка цепи уже в форме, близкой к современной: где X - сила тока, k - проводимость, w - поперечное сечение проводника, а - электроскопическая сила (электрическое напряжение на концах проводника), l - длина проводника . Рис. 1. Эксперимент Ома [2] Несмотря на убедительные экспериментальные данные и отчетливые теоретические основания, закон Ома в течение почти десяти лет оставался малоизвестным. Достаточно сказать, что Фарадей даже не подозревал о существовании закона; при описании опытов он вынужден был поэтому прибегать к перечислению данных об элементах цепей: количестве пластин в батареях, их размере, составе электролита, длине, диаметре и материале проводов [2]. Появляется в свет знаменитая статья Ома "Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество, вместе с наброском теории вольтаического аппарата и мультипликатора Швейггера", вышедшая в 1826 году в "Журнале физики и химии" [1]. Появление статьи, содержащей результаты экспериментальных исследований в области электрических явлений, не произвело впечатления на ученых. Никто из них даже не мог предположить, что установленный Омом закон электрических цепей представляет собой основу для всех электротехнических расчетов будущего. В 1827 году в Берлине он опубликовал свой главный труд "Гальваническая цепь, разработанная математически". Ом вдохновлялся в своих исследованиях работой "Аналитическая теория тепла" (1822) Жана Батиста Фурье (1768–1830). Ученый понял, что механизм "теплового потока", о котором говорит Фурье, можно уподобить электрическому току в проводнике. И подобно тому, как в теории Фурье тепловой поток между двумя телами или между двумя точками одного и того же тела объясняется разницей температур, точно так же Ом объясняет разницей "электроскопических сил" в двух точках проводника возникновение электрического тока между ними. Ом вводит понятия и точные определения электродвижущей силы, или "электроскопической силы", по выражению самого ученого, электропроводности и силы тока. Выразив выведенный им закон в дифференциальной форме, приводимой современными авторами, Ом записывает его и в конечных величинах для частных случаев конкретных электрических цепей, из которых особенно важна термоэлектрическая цепь. Исходя из этого, он формулирует известные законы изменения электрического напряжения вдоль цепи [1]. Но теоретические исследования Ома также остались незамеченными Теоретическая работа Ома разделила судьбу работы, содержащей его экспериментальные исследования. Научный мир по-прежнему выжидал. Только в 1841 году работа Ома была переведена на английский язык, в 1847 году - на итальянский, в 1860 году - на французский. Раньше всех из зарубежных ученых закон Ома признали русские физики Ленц и Якоби. Они помогли и его международному признанию. При участии русских физиков, 5 мая 1842 года Лондонское Королевское общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом Ом стал лишь вторым ученым Германии, удостоенным такой чести. Очень эмоционально отозвался о заслугах немецкого ученого его американский коллега Дж Генри "Когда я первый раз прочел теорию Ома, писал он, - то она мне показалась молнией, вдруг осветившей комнату, погруженную во мрак". О значении исследований Георга Ома точно сказал профессор физики Мюнхенского университета Е. Ломмель при открытии памятника ученому в 1895 году "Открытие Ома было ярким факелом, осветившим ту область электричества, которая до него была окутана мраком. Ом указал единственно правильный путь через непроходимый лес непонятных фактов. Замечательные успехи в развитии электротехники, за которыми мы с удивлением наблюдали в последние десятилетия, могли быть достигнуты только на основе открытия Ома. Лишь тот в состоянии господствовать над силами природы и управлять ими, кто сумеет разгадать законы природы. Ом вырвал у природы так долго скрываемую тайну и передал ее в руки современников"[1]. Используемые источники 1. Самин Д. К. – 100 великих научных открытий. – Москва «Вече», 2005. – 450 с. (Закон Ома – с. 21 – 22.). – URL: https://onlineknigi.com/kniga/104908/100-velikikh-nauchnykh-otkrytiy (дата обращения 18.10.20). 2. История закона Ома [1983 Дуков В.М. – исторические обзоры в курсе физики средней школы [Электронный ресурс]. – URL: http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000037/st019.shtml (дата обращения 18.10.20). 3. Барлоу, Питер – Википедия. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Барлоу,_Питер (дата обращения 29.10.2020) 4. Беккерель, Антуан Арни – Википедия. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Беккерель,_Антуан_Анри (дата обращения 29.10.2020) 5. Зеембек, Томас Иоганн – Википедия. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Зеебек,_Томас_Иоганн (дата обращения 29.10.2020) Приложение 3 Виртуальная модель экспериментальной установки для учебной демонстрации «Закон Ома для участка цепи». [Электронный ресурс] Учебный модель «Закон Ома для участка цепи» (рис. N) – это разработка средствами инструментальной среды Blender, состоящей из 3D-модели физического эксперимента, анимационных действий учащегося с экспериментальной установкой, инструктивных указаний к работе с моделью и задания для самоконтроля. Установка модели наглядно демонстрирует справедливость выполнения Закона Ома для участка цепи. Для проведения эксперимента, объекты можно перемещать во всех направлениях пространства, совершая квази- реалистичные действия. Все элементы модели имеют реалистичную прорисовку. При работе с физическими приборами можно увидеть точные и правильные показания приборов. Рис. N. Демонстрационная установка «Закон Ома для участка цепи»
