Оборудование школьного физического кабинета

Подключив к комплексу аудиосистему, мы сделаем его более мультимедийным, позволив обучающимся воспринимать изначально цифровую информацию не только визуально, но и аудиально. Тем самым увеличим ее восприятие (при условии наличия такой информации). Подключив к комплексу электронную опросную систему обучающихся, мы сделаем его еще более интерактивным.

Электронные опросные системы представляют собой набор пультов для опроса, которые раздаются учащимся, и приемный блок с возможностью подключения к компьютеру. Такая система может найти весьма широкое применение в различных формах учебной деятельности.

Например, объяснение нового материала всегда сопровождается коротким опросом – текущим контролем усвоения знаний обучающимися. Такой опрос должен быть коротким по времени, но в то же время максимально информативным для обучающего. Традиционно эта задача решается лишь в малой степени. С помощью системы опроса информация поступает мгновенно от всех учащихся, может быть отображена на экране, а учитель принимает решение – двигаться дальше или повторить объяснение еще раз. Собираемая информация может быть использована для выставления оценок по итогам урока. Такая система позволяет удерживать внимание учащихся в течение всей лекции. Блиц-опрос – эффективное средство проверки знаний учащихся до начала и после окончания урока. Он позволяет узнать: хорошо ли усвоена изучаемая тема, успешно ли ученики справились с домашним заданием, эффективен ли был урок и т. д. Главными преимуществами такого опроса над другими способами контроля знаний являются: высокая информативность, низкий процент списывания, экономия времени урока, которого всегда не хватает учителю, и экономия времени на проверку, анализ и оценку работ после уроков.

Эффективно дополнить получившийся комплекс документ-камерой. Это устройство позволяет получать цифровое динамическое изображение высокого качества любых объектов, обрабатываемое компьютером или напрямую видеопроектором. Так же как и обычная видеокамера, документ-камера позволяет увеличивать изображение для демонстрации мелких деталей.

Своему названию документ-камера обязана своей первоочередной функции: отображать бумажные документы на экране компьютера или мультимедийного проектора. Традиционно эта функция широко использовалась в обучении и реализовывалась графопроектором. Документкамера – устройство, значительно более удобное и функциональное. Размеры и вес документ-камеры позволяют любому человеку без труда с ней обращаться, она не «привязана» к экрану, позволяет обрабатывать и сохранять полученное изображение в динамике и статике. Вот некоторые возможности использования документ-камеры в обучении:

• простое проецирование текста и рисунков с бумаги на экран, аналогично работе с графопроектором, но используется обычная бумага, а не прозрачная;

• использование специальных функций при проецировании: «заморозка» изображения или «заморозка» части изображения, например заголовка, чтобы акцентировать на нем внимание, а в «незамороженной» части изображения работать с материалом;

• демонстрация мелких предметов с возможностью увеличения в 22 раза (в некоторых моделях документ-камер), что позволяет сравнить ее с микроскопом;

• сохранение цифровых статических изображений и видео для дальнейшей работы с ними: создание электронных презентаций, монтаж и публикация изображений и видео в Интернете, для дистанционной работы с учениками или просто демонстрации на уроке;

• внесение правок непосредственно на проецируемом изображении, не исправляя оригинал с помощью интерактивной доски.

С помощью видеокамеры и микрофона можно вести запись занятия, с одновременной трансляцией в сеть. Сегодня эти устройства во многом олицетворяют дистанционные технологии обучения.

Компьютеризация учебного физического эксперимента открывает возможности автоматизации процессов измерения и обработки результатов, а также получения качественно новых результатов при исследовании быстрых процессов и временных зависимостей. Для регистрации и измерения таких физических величин, как температура, давление, ускорение, угловая скорость, проводимость, индукция магнитного поля и др., отечественной и зарубежной учебно-технической промышленностью выпускаются специальные датчики. Далее рассмотрим принцип действия некоторых моделей датчиков.

Наиболее употребляемый в учебном физическом эксперименте, датчик момента времени. В основе его действия лежит оптический принцип. Состояние датчика меняется при перекрытии непрозрачным телом оптической связи (оптической оси) между входящими в состав датчика оптическими элементами, светодиодом и фотодиодом. Светодиод и фотодиод устанавливают друг против друга. В момент прохождения между ними физического объекта оптическая связь обрывается. Как правило, в физических экспериментах используют несколько датчиков (минимум два). Это необходимо для измерения промежутков времени.

Принцип действия датчика угловой скорости такой же, как и у датчика момента времени, отличие в том, что в зазоре оптопары (оптические ворота) вращается диск, разбитый на прозрачные и непрозрачные сектора. В большинстве физических экспериментов ось вращения диска датчика совмещается с осью вращающегося элемента учебной экспериментальной установки.

Датчик угла поворота представляет собой многооборотный резистивный преобразователь (потенциометр), размещаемый в жестком корпусе. На валу резистивного преобразователя закреплена втулка для соединения датчика с элементом учебной экспериментальной установки, совершающим вращательное или колебательное движение.

Датчик температуры представляет собой тонкую трубку, как правило выполненную из нержавеющей стали (щуп), с чувствительным элементом (терморезистором) на конце.

Датчик давления может быть выполнен на основе тензометрического чувствительного элемента или мембранного чувствительного элемента. Датчики давления имеют постоянную времени – не более 0,1 с, что позволяет регистрировать давление в переходных процессах, например в случае адиабатного расширения газа.

Датчик влажности воздуха имеет в своей основе чувствительный элемент, представляющий собой плоский конденсатор, у которого в качестве диэлектрика используется тонкий слой полимера. Изменение относительной влажности воздуха приводит к изменению диэлектрической проницаемости полимера и, как следствие, к изменению емкости конденсатора.

Датчик проводимости предназначен для измерения удельной электрической проводимости различных водных растворов. Действие датчика основано на измерении сопротивления среды между электродами при пропускании переменного тока высокой частотой до 1 кГц.

Датчик индукции постоянного магнитного поля состоит из чувствительного полупроводникового элемента, через который пропускают электрический ток. Физический принцип действия основан на эффекте Холла, который заключается в следующем. Если в полупроводнике движутся заряды, то в магнитном поле они отклоняются силой Лоренца в направлении, перпендикулярном к направлению тока (то есть скорости носителей тока) и индукции магнитного поля. В результате в поперечном сечении полупроводника возникает разность потенциалов, пропорциональная индукции магнитного поля. Эта разность может быть измерена. Чувствительный полупроводниковый элемент размещается в щупе (узкой трубке). Датчик измеряет тангенциальную составляющую вектора индукции магнитного поля, направленную вдоль оси щупа.

Датчик освещенности выполнен на основе полупроводникового фотоэлемента, ЭД С которого зависит от величины падающего на него светового потока.

В основе принципа действия датчика силы лежит изменение сопротивления переменного резистора (реостата), размещенного на одной оси с динамометрической пружиной.

Для передачи информации с аналоговых датчиков в компьютер требуются аналого-цифровые преобразователи. Обычно они являются составной частью так называемых интерфейсов – устройств с набором входов для подключения датчиков и выходом USB для подключения к компьютеру. Существуют также интерфейсы, подключаемые к мобильным компьютерам через Bluetooth или wi-fi, что значительно упрощает проведение лабораторных работ с использованием датчиков. К одному интерфейсу можно подключить сразу несколько датчиков, что позволяет измерять несколько физических величин одновременно.

Основной характеристикой аналого-цифрового преобразователя является частота дискретизации (преобразования аналогового сигнала в дискретный). Чем она выше, тем шире спектр цифрового сигнала, а значит, возможность более детального анализа данных, поступающих с датчика. Массив получаемых данных обычно обрабатывается специальным программным обеспечением, позволяющим получать графики изменения физических величин в реальном времени, сохранять их в памяти компьютера, а также выполнять экспорт массива в формат электронной таблицы для проведения детального анализа.

В качестве примера рассмотрим цифровую лабораторию от американской компании PASCO, выпускающей учебные датчики для естественнонаучных и инженерных дисциплин. В России продукцию этой компании представляет фирма Polymedia. В комплект ученика входят: датчик движения, датчик освещенности, датчик магнитного поля, датчик низкого давления, датчик силы, поворотный датчик движения, датчик температуры, датчик напряжения, два датчика момента времени, стальной зонд для датчика температуры, цифровой преобразователь, кабель-удлинитель. Комплект для учителя помимо вышеперечисленных элементов включает датчик заряда, двухканальный датчик напряжения и датчик альфа/бета/гамма-излучений (счетчик Гейгера). К комплекту датчиков требуется приобрести регистратор данных, позволяющий снимать показания с датчиков, визуализировать данные и проводить их анализ, либо интерфейс для подключения к компьютеру в комплекте с программным обеспечением, либо беспроводной интерфейс для подключения к мобильным устройствам на базе ОС Android или Apple iOS. С помощью таких комплектов можно проводить большое количество лабораторных работ и демонстрационных экспериментов, с интересом воспринимаемых школьниками. Пока, однако, методические описания для проведения лабораторных работ с использованием рассматриваемых датчиков имеются только на английском языке. Тем не менее множество подобных комплектов уже имеется в образовательных организациях России с русскоязычным описанием.

Интерес к использованию портативных информационно-измерительных систем в учебном физическом эксперименте будет возрастать. Это легко объяснимо возможностями комплексного их использования для учебной работы в различных условиях, как в учебных физических лабораториях, так и вне учебных лабораторий, например, в различных выездных мероприятиях (производственных экскурсиях, лабораторных занятиях на природе по изучению экологической обстановки и т. п.). Особенно перспективным является использование портативных систем в самостоятельном учебно-научном физическом эксперименте, что достигается целым рядом удобств, по сравнению с использованием обычных стационарных информационно-измерительных систем.

При выборе портативной информационно-измерительной системы для учебного физического эксперимента следует руководствоваться учебными задачами, в решении которых должны оказать помощь эти средства. Например, следует внимательно изучить состав датчиков, предлагаемых в комплекте (от этого в значительной степени зависит цена комплекта, так как датчики очень дорогие). Не следует приобретать комплекты, имеющие в своем составе датчики, которые в учебном физическом эксперименте не используются. Дело в том, что производители (особенно зарубежные фирмы) стараются изготавливать широкий спектр датчиков, дабы покрыть весь спектр физико-химических величин, измерением которых приходится заниматься в дисциплинах естественно-научного цикла (физике, химии, биологии и т. д.). Российские распространители (дилеры) не всегда учитывают особенности преподавания отдельного предмета (в нашем случае физики) и предлагают для лабораторий физики перенасыщенные комплекты. Например, в составе портативной информационно-измерительной системы, производимой израильской фирмой Fourier system Inc, имеется датчик цветности. Он предназначен для определения концентрации растворов по степени их окрашивания. В учебном физическом эксперименте этот датчик вряд ли найдет применение.

Особое внимание следует обращать на погрешности измерений физических величин. Встречаются случаи, что указанные в инструкциях на систему данные не отвечают действительности. Для проведения учебной экспериментально-исследовательской деятельности студентов требуются приборы с погрешностью не более 5 %.

Наконец, следует обращать внимание на представление информации о результатах измерений и программные возможности их дальнейшей обработки. Обратите внимание, все ли физические величины отображаются на экране в шкалах, соответствующих международной системе.

Перспективы развития компьютеризированного физического учебного эксперимента связаны в первую очередь с повышением его доступности для всех участников учебного процесса. Особенно важен этот факт для дистанционной формы обучения. Обучение физике в домашних условиях серьезно снижает возможности обучающегося по проведению эксперимента, вследствие отсутствия необходимого оборудования. Однако уже сейчас эта проблема активно решается с помощью нового поколения мобильных компьютеров, представленного смартфонами. Современный смартфон (например, семейства HTC One) содержит в себе набор устройств, способных измерять ускорение, угловую скорость, индукцию магнитного поля, освещенность, расстояние, уровень шума.

Завершая описание комплекса аппаратных средств электронного обучения физике, подчеркнем, что в его основе лежит принцип вариативности, позволяющий изменять составы модулей в зависимости от условий конкретного образовательного процесса и методик, используемых в нем.

Если взглянуть на процесс организации и проектирования электронного обучения, то сперва определяются основные задачи обучения, его масштабность, затем для их решения подбираются электронные образовательные ресурсы и другие программные средства, а затем строится аппаратная платформа. Таким образом, несмотря на то что аппаратный комплекс является, на первый взгляд, более фундаментальным, нюансы его проектирования должны определяться на последнем этапе.

4.2. Оборудование общего назначения

В номенклатуре учебной техники, предназначенной для осуществления учебного процесса по физике в общеобразовательной школе, есть оборудование, которые обеспечивает работу всего учебно-технического комплекса и может быть использовано как при проведении различных видов учебного эксперимента, так и различных форм ведения занятий. Такое учебное оборудование составляет модуль «Оборудование общего назначения», который состоит из трех блоков:

• общее оборудование;

• измерительные приборы;

• принадлежности для опытов.

Блок «Общее оборудование» обеспечивает, посредством комплекта электроснабжения (внешний вид щита электроснабжения представлен на рис. 4.2), электропитание рабочих мест учителя (1 точка) и обучаемых (30 точек) переменным током напряжением 42 В, частотой 50 Гц на рабочие места обучаемых. От щита идут три линии по 10 точек, ток нагрузки – по 10 А. Одна точка расположена на рабочем месте учителя, там же имеются еще три дополнительные точки напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Защита электрической цепи автоматическая в течение 0,1 с при возникновении тока утечки более 0,001А. Рабочее место учителя обеспечивается: выпрямленным регулируемым напряжением 0–24 В, 10 А, переменным регулируемым напряжением 0–30 В, 1 А (на рис. 4.3 представлен внешний вид источника переменного и постоянного тока), высоким напряжением от 5 кВ до 30 кВ, 0,3 мА (на рис. 4.4 представлен внешний вид источника высокого напряжения). Кроме того, обеспечивается генерирование электрических колебаний синусоидальной, прямоугольной и пилообразной формы в диапазоне частот от 0,1 Гц – 100 кГц при амплитуде напряжения на нагрузке 8 Ом, регулируемом в диапазоне 0–10 В (на рисунках 4.5 и 4.6 представлены функциональный и звуковой генераторы). Рабочее место учителя обеспечивается насосами, которые позволяют быстро получить вакуум до 0,3 мм рт. ст. (насос вакуумный, рис. 4.7) и создать давление воздуха до 200 кПа (насос воздушный ручной, рис. 4.8). Кроме того, обеспечивается создание механического давления до 15,2 МПа (пресс гидравлический, рис. 4.9).

Блок «Измерительные приборы» обеспечивает: измерение времени методом совпадений с подачей звуковых сигналов в интервалах метронома 40–240 ударов в минуту (на рис. 4.10 представлен внешний вид электронного метронома); измерение физических величин с помощью датчиков, подключенных к компьютерному измерительному блоку (на рис. 4.11 дан внешний вид компьютерного измерительного блока):

• датчик момента времени (измеряемый интервал – не менее 0,004 с, точность – не менее 0,0002 с);

• датчик угла поворота (0–8 × 360 градусов);

• датчик угловой скорости вращения (0,1–10 об/с);

• датчик температуры (–20… +100 градусов);

• датчик температуры (0… +1000 градусов);

• датчик давления (0–2 атм., погрешность 1 %);

• датчик силы (0–5 Н, погрешность 2 %);

• датчик влажности (10–98 %, погрешность 5 %);

• датчик напряжения (–10 В… +10 В с возможностью одновременного измерения напряжения на двух произвольных элементах электрической цепи);

• датчик индукции постоянного магнитного поля (–200… +200 мТл, погрешность 5 %);

• датчик электрической проводимости растворов (5 мкСим/см – 10 мСим/см, погрешность 5 %);

• датчик ионизирующего излучения (10–999 мкР/ч, погрешность 5 %).

Рис. 4.2. Щит электроснабжения кабинета физики

Рис. 4.3. Источник переменного и постоянного тока

Рис. 4.4. Источник высокого напряжения

Рис. 4.5. Функциональный генератор

Рис. 4.6. Генератор звуковой частоты

Рис. 4.7. Насос вакуумный с тарелкой-манометром и колпаком

Рис. 4.8. Насос воздушный ручной и прибор для демонстрации атмосферного давления

Рис. 4.9. Пресс гидравлический

Рис. 4.10. Электронный метроном

Рис. 4.11. Компьютерный измерительный блок

Измерение физических величин цифровыми приборами: времени (0–999 с, точность 0,001–0,1 с в зависимости от измеряемого интервала), силы постоянного тока (0–10 А), силы постоянного тока (0–999 мА); силы переменного тока (0–999 мА), напряжения постоянного тока (0–100 В), напряжения постоянного тока (0–999 мВ), напряжения переменного тока (0–100 В), температуры (–20… +100 °C), влажности (40–98 %), индукции постоянного магнитного поля (до 200 мТл), индукции переменного магнитного поля (до 20 мкТл), давления (до 100 кПа). На рисунках 4.12–4.15 представлены цифровые измерительные приборы.

Рис. 4.12. Комплект цифровых измерителей тока и напряжения

Рис. 4.13. Мультиметр цифровой демонстрационный

Рис. 4.14. Прибор комбинированный цифровой

Рис. 4.15. Измеритель индукции магнитных полей

Измерение физических величин аналоговыми приборами: температуры (0–100 градусов), влажности (0–100 %), массы (до 1 кг, чувствительность 0,2 г), силы (0–12 Н, чувствительность 1 Н; 0–0,01 Н, чувствительность 0,001 Н), атмосферного давления (720–780 мм рт. ст.), давления газов (0–1,6 ат; 0–6 ат), изменений давления в жидкостях и газах (0–20 мм вод. ст.; 0–400 мм вод. ст.), плотности жидкостей (0,7–1,4 г/см3), силы постоянного тока (0–10 А), силы переменного тока (0–1 А), напряжения постоянного тока (0–15 В), напряжения переменного тока (0–250 В); осциллографирование периодических электрических сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы (частота 0–1 кГц; амплитуда 0,05–10 В). На рисунках 4.16–4.22 представлены аналоговые измерительные приборы.

Рис. 4.16. Амперметр и вольтметр демонстрационные

Рис. 4.17. Барометр-анероид

Рис. 4.18. Динамометры с принадлежностями

Рис. 4.19. Манометр

Рис. 4.20. Манометр жидкостный

Рис. 4.21. Термометр демонстрационный жидкостный

Рис. 4.22. Комплект ареометров

Блок «Принадлежности для опытов» снабжен комплектом принадлежностей для реализации демонстрационных опытов: штативом высотой до 1500 мм (из составных стержней по 750 мм), с двумя подставками, двумя изолирующими стержнями, четырьмя муфтами, тремя стальными стержнями, одним кольцом на стержне, четырьмя крючками для подвешивания деталей и одной струбциной для крепления подставок к крышке стола; столиком подъемным с наибольшей высотой до 0,45 м; аквариумом стеклянным (0,4 × 0,12 × 0,25 м); набором соединительных проводов, рассчитанных на работу в цепях с силой тока до 6 А; комплектом электрических демонстрационных выключателей и переключателей, рассчитанных для работы цепях с напряжением до 24 В и силой тока до 5 А; комплектом реостатов демонстрационных с техническими характеристиками: 15 Ом/10 А, 30 Ом/5 А, 100 Ом/2 А, 200 Ом/1 А, 500 Ом/0,6 А, 1000 Ом/0,4 А, 5000 Ом/0,2 А, 10 000 Ом/0,1 А; комплектом наборных грузов (до 1 кг), предназначенных для использования в качестве мер массы и силы; комплектом лабораторной посуды. На рисунках 4.23–4.26 представлено оборудование, входящее в состав блока «Принадлежности для опытов».

4.3. Оборудование демонстрационное

Процесс обучения физике начинается с организованного наблюдения окружающих физических явлений. Однако ограничиться только наблюдениями окружающих явлений и опираться лишь на них при обучении физике было бы неправильно, так как этих наблюдений далеко не всегда бывает достаточно для понимания и надлежащего восприятия самой сути физического явления, кроме того, для наблюдения большинства природных явлений необходимы определенные условия (время и место наблюдения), которые не всегда удается соблюсти.

Это приводит к необходимости воспроизводить в школьных условиях нужные для обучения физические явления в виде специально организованных демонстрационных опытов.

В школьном курсе физики демонстрации – не дополнение к словесному изложению, а его неотъемлемая, органическая часть. Демонстрации нельзя считать только формой преподавания, они составляют значительную часть содержания школьного курса физики. Как правило, все основные физические явления должны демонстрироваться на опыте. Правда, не всякое явление, о котором идет речь, можно продемонстрировать на уроке, и тогда приходится ограничиваться показом демонстрационных компьютерных программ, видеороликов, фотоснимков, диапозитивов, на которых представлено это явление; но это нужно рассматривать только как исключение.