ICT_Zyuzgin

•На следующих занятиях в ходе дискуссии обсуждаются предложенные студентами варианты расчетов и вырабатывается правильный подход к решению задачи.

•Во время лекции снова проводится демонстрационный эксперимент с полным комплектом измерительного оборудования МК, и слушатели могут сравнить результаты расчетов и прямого измерения значений физических величин.

Подбор лекционных демонстраций позволяет охватить сразу несколько тем курса общей физики при рассмотрении одного опыта. Например, для оценки величины изменения давления в опыте с картезианским водолазом необходимо взаимосвязанно применить понятия и законы из гидростатики, динамики, статики и молекулярной физики.

Во время проведения таких занятий мультимедийный комплекс используется:

•для поддержки демонстрационных опытов (см. параграф 3.2.3);

•фото- и видеорегистрации процесса, и последующего воспроизведения на практических занятиях (очень востребованная студентами процедура);

•пространственно-временных измерений параметров процесса по видео- и фотоизображениям (методика описана в пункте 3.4.3.2);

•оперативного поиска справочной информации в ресурсах Интернета и Интранета;

•дистанционной поддержки.

Опыт применения такого метода использования физического демонстрационного эксперимента для постановки задач показал, что

•лекционные и практические занятия вызывают повышенный интерес у значительной части студентов, ориентированных на качественное обучение;

•существенно возрастает время, затраченное студентами на самостоятельную внеаудиторную работу;

171

•углубляется понимание природных процессов и явлений, их взаимосвязи и приобретаются навыки вычленения физических законов и закономерностей, определяющих данный процесс;

•студенты приобретают умение приближенно оценить значения физических параметров процесса, отсеять пренебрежимо малые и почти не влияющие на конечный результат и выделить величины, определяющие развитие явления;

•слушатели получают навык применения полученных академических знаний к познанию и описанию реальных природных и технологических процессов и явлений;

•совершенствуется опыт поиска и использования профессиональной научно-учебной литературы и повышается уровень информационно-коммуникационной компетентности.

Глава 3.4. ИКТ в лабораторных занятиях

Возможности применения образовательного мультимедийного комплекса в лабораторных работах трудно переоценить. Причем, МК может быть как интегрирован в лабораторную установку (по сути, доукомплектован лабораторной моделью), так и просто размещен в помещении лаборатории для общего доступа к его возможностям. Это позволит проводить автоматизированные измерения физических величин с помощью входящей в МК измерительной подсистемы (см. параграф 1.4), или использовать бесконтактные косвенные измерения. Более того, применение МК обеспечит реализацию лабораторных работ нового типа − с экспериментальным и численным моделированием в режиме реального времени. Помимо этого мультимедийные возможности МК можно задействовать для организации защит отчетов о лабораторных исследованиях в виде мини-конференции. Рассмотрим основные функции мультимедийного комплекса при проведении лабораторных занятий.

172

3.4.1. Информационное сопровождение

Во время подготовки к выполнению исследования и при написании отчета о выполнении лабораторной работы студенты, как правило, испытывают информационный голод, поскольку типичная учебная лаборатория не располагает библиотечными ресурсами с учебными и справочными материалами. Подробно информационное обеспечение занятий рассмотрено в параграфе 3.1.1, здесь отметим лишь, что электронная форма предоставления студентам учебных, методических и справочных источников позволяет избежать их износа, порчи или хищения, легко копируется для самостоятельных и внеаудиторных занятий.

Помимо описанных возможностей мультимедийный комплекс лаборатории может предоставить студентам дистанционный доступ к базам данных результатов измерений, что позволяет эффективно организовать самостоятельную работу по анализу экспериментальных данных и оформлению отчета по лабораторной работе.

3.4.2.Измерения с использованием датчиков

Вглаве 1.4 описаны типы широко распространенных универсальных измерительных приборов, которые могут быть подключены к компьютеру, входящему в МК. Сопряжение цифрового измерителя с ЭВМ предоставляет следующие недоступные аналоговым приборам возможности:

•регистрация, запоминание, хранение и визуализация в численной и графической форме результатов измерений и времени их совершения;

•визуализация сигналов в режиме реального времени с масштабированием амплитудной и временной осей координат (“цифровой осциллограф”);

•регистрация быстроменяющихся сигналов (аналоговые запоминающие приборы, например самописцы, инерционны, да и области высоких частот выходят за пределы их чувствительности,

173

тогда как электронный измерительный тракт не имеет резонансных частот и может проводить тысячи измерений в секунду);

•автоматический выбор пределов измерения надежно защищает цифровой прибор от повреждения высокоамплитудными входящими сигналами;

•цифровое представление измеренного сигнала позволяет применить к его анализу всю мощь компьютерных методов обработки данных;

•возможность программирования режима автоматической работы измерителя (время начала измерений, длительность сеанса, частота опроса датчика и т.д.);

•регистрация редких событий.

Отметим, что применение в лабораторных работах описанных возможностей измерительной подсистемы МК позволяет вести подготовку студентов на современном уровне развития средств естественно-научного эксперимента и повышает уровень информационно-коммуникационной компетентности подготавливаемого специалиста.

3.4.3.Бесконтактные измерения

Внекоторых опытах присутствие датчиков может серьезно изменить характеристики или разрушить ход процесса, внеся в него развивающиеся возмущения. Агрессивные среды (например, в химических реакциях) также способны повлиять на результаты измерений или испортить датчики. Кроме этого, размеры датчиков могут быть слишком велики в масштабе наблюдаемого явления, или оно удалено и изучается дистанционно (например, солнечное затмение). В таких случаях видеоподсистема МК (см. главу 1.2) и пакет MS Office 2003 могут обеспечить проведение бесконтактных прямых или косвенных измерений. Рассмотрим методики нескольких способов таких измерений.

174

3.4.3.1. Измерение пространственных характеристик

Пространственные бесконтактные измерения проводятся, как правило, при определении геометрических параметров удаленных или мелких объектов. Для этого используют фотографирование цифровым аппаратом МК в режимах “Пейзаж”, обеспечивающем максимальную глубину резкости, или “Макросъемка” − для максимального оптического увеличения объекта съемки соответственно. В кадре должно находиться изображение эталонного тела или линейки (например, съемки мелких предметов проводятся на фоне листа миллиметровой бумаги). В случае специфического освещения объекта необходимо подобрать соответствующий тематический режим съемки. Фотографию предпочтительно сохранять в формате TIFF, без сжатия, чтобы обеспечить максимальное цифровое увеличение и отсутствие артефактов (пикселизации), когда изображение состоит из цветных квадратиков, соответствующих пикселям матрицы камеры.

Для проведения измерений рекомендуется использование программы создания презентаций Power Point (см. рис. 3.15).

Рис. 3.15. Измерение пространственных характеристик с помощью программы Power Point

175

Процесс измерения состоит из следующей последовательности операций:

•открыть Power Point (РР);

•создать слайд, удалить с него нажатием клавиши DEL служебные надписи заголовков и окон, предварительно выделив их щелчком мыши;

•включить линейки (пункт меню Вид → Линейка);

•поместить фотографию на слайд (Вставка → Рисунок → Из файла), при этом PP растянет изображение по размерам листа A4 альбомной ориентации;

•c помощью окна “Масштаб” панели инструментов “Стандартная” провести цифровое увеличение изображения, сохраняя баланс увеличение − качество;

•используя линейки окна PP и визирные нити на них, соответствующие позиции курсора мыши, можно провести измерения вертикальных и горизонтальных размеров нужного изображения (диагональные размеры косвенно измерить с помощью тригонометрии, определив длину вертикального и горизонтального катетов);

•таким же образом провести измерения эталонного тела;

•зная размеры эталонного тела, вычислить пересчетный коэффициент для перевода единиц измерения линейки PP в системные единицы длины.

3.4.3.2.Измерение пространственно-временных характеристик

Для бесконтактного измерения пространственно-временных характеристик процесса, таких, например, как скорость или ускорение, нужно выполнить видеосъемку процесса или провести съемку серии фотографий в режиме управления фотокамерой компьютером для обеспечения равного и контролируемого интервала времени между снимками. Важно сохранять пространственную ориентацию камеры во время регистрации изображений.

176

Затем, если проводился видеозахват, то, используя шкалу времени программы Movie Maker (см. подпункт 2.1.2.2.5), сохранить ряд кадров видеоролика, захваченных через равные промежутки времени. После этого по методике, приведенной в пункте 3.4.3.1, провести определение координат тела на первом изображении серии фотографий. Далее, вставляя на слайд последующие фотографии можно определять изменение координаты тела со временем. Необходимо обратить внимание, чтобы масштаб и положение изображений относительно линеек PP не изменялись. Для этого, в частности, надо контролировать, чтобы PP постоянно растягивал / уменьшал изображение, вписывая его в формат A4. Если изображения по отношению сторон отличны от A4, можно синхронизировать их по положению, например, левого верхнего угла или выбрать соответствующие размер и ориентацию слайда в меню Файл → Параметры страницы. Построив в программе EXCEL зависимость координаты x от времени t, можно графически продифференцировать ее, построив зависимость скорости v от t. Для этого, разбив ось времени на равные промежутки ∆t, нужно определить для каждого ∆t соответствующее ∆x. Их отношение даст искомую скорость, а за момент времени можно принять среднее значение данного ∆t. Повторное графическое дифференцирование полученной зависимости v / t позволит определить зависимость ускорения a от времени. Данная методика проиллюстрирована на примере модели математического маятника (Рис. 3.16).

3.4.3.3. Трековая фотография методом длительной экспозиции

Зеркальные цифровые фотокамеры полупрофессионального класса, рекомендованные к включению в мультимедийный комплекс (см. подпункт 1.2.5.1.4 и пункт 1.2.5.3), позволяют в ручном режиме в широком диапазоне изменять параметры фотографирования (см. рис. 3.17). Этим можно воспользоваться для регистрации трековых изображений, когда при длительной экспозиции снимок содержит размытое изображение одного или нескольких тел (трек), визуализирующее их траектории движения.

177

3.4.3.4. Получение трековых картин методом наложения изображений

Еще один способ получения трековых изображений может быть использован для регистрации очень медленных процессов в условиях яркой освещенности, например, когда времени экспонирования ПЗС-матрицы фотоаппарата до полной засветки не хватает для регистрации приемлемой длины трека.

В этом случае проводится видеосъемка процесса неподвижной камерой. Затем сохраняется ряд кадров видеоролика, как описано в пункте 3.4.3.2. Интервалы времени между захватываемыми кадрами лучше подбирать из условия, что регистрируемое тело от кадра к кадру смещается на величину своего характерного размера. После чего формируется итоговое трековое изображение как последовательность наложенных друг на друга полупрозрачных слоев, каждый из которых содержит кадр из захваченного временного ряда. К сожалению, Power Point 2003 не позволяет реализовать эту операцию, достаточно стандартную для любого мощного графического редактора, например Adobe Photoshop. Остается надеяться, что в следующих версиях пакета MS Office графический редактор или PP получит эту возможность.

3.4.4.Лабораторное и численное моделирование в режиме реального времени

Описание практикума и методики таких лабораторных работ выходит за рамки данного пособия, ограниченного использованием практически штатного программного обеспечения каждого персонального компьютера, поскольку организация таких исследований требует достаточно специализированных программ. Концепция и пример реализации практикума подробно описаны в29. Здесь отметим, что новизна подхода заключается в реализации численного моделирования, лабораторного эксперимента и совмещенного анализа данных в режиме реального времени. Таким образом, анализ и сопоставление согласующихся и взаимно дополняющих друг друга характеристик процессов

180