Метод компьютерного сканирования полей физических величин и его применение в учебном физическом эксперименте

В статье рассматривается понятие метода сканирования. Приводятся примеры его использования в учебном физическом эксперименте. Сформулированы принципы использования метода компьютерного сканирования полей физических величин. Предлагается использовать этот метод как универсальный метод экспериментального исследования полей при обучении физике.

Ключевые слова:метод компьютерного сканирования полей физических величин, учебный физический эксперимент, виртуальный прибор, сканирование.

В Словаре иностранных слов термин «сканирование» (от англ. scan — поле зрения) обозначает «непрерывное упорядоченное поэлементное просматривание пространства или объекта». В Интернете можно обнаружить следующее применение этого термина: «Сканированием в компьютерных технологиях называют аналого-цифровое преобразование плоского изображения в цифровую растровую форму с помощью сканера. Сканирование в компьютерной графике — этап цифрования графических и картографических источников для их векторного представления. Сканирование предваряет процесс растрово-векторного преобразования (векторизации)».

В Большой Советской Энциклопедии приводятся примеры использования этого термина в радиологии, радиолокации и физике. Сканирование в радиологии — это исследование распределения радиоактивных препаратов, введенных в организм с диагностической, лечебной или исследовательской целями. При этом используются радиоактивные изотопы, при распаде которых излучаются гамма-кванты. Для визуализации распределения радиоактивных препаратов применяют сканеры, содержащие подвижный детектор гамма-излучения (сцинтилляционные счетчики) и системы преобразования электрического сигнала в световой с последующей регистрацией черно-белого или цветного изображения. Сканирование в радиолокации — это процесс последовательного обзора пространства при перемещении в нем радиолокационного луча. Оно производится с целью обнаружения объектов, находящихся в зоне обзора, и наблюдения за ними. Сканирование в физике — это управляемое пространственное перемещение по определенному закону пучка электронов или светового луча. Например, в электроннолучевых трубках и растровых электронных микроскопах используется сканирование электронного пучка, создающего изображение на экране.

Сканированием в учебном физическом эксперименте мы называем метод поточечного исследования поля физической величины, в результате которого получается визуализированное изображение определенной области поля или графическое изображение зависимости физической величины, характеризующей поле, от координат точек этой области.

Анализ современных учебников по физике позволяет сделать вывод, что в учебном материале приводятся примеры использования датчиков для исследования физических полей, но термин «сканирование» не используется. Впервые применение этого термина в учебных экспериментальных исследованиях встречается в публикациях журнала «Физика в школе» в 70–80-е годы прошлого века (В. В. Майер, Е. С. Мамаева).

Исследовать звуковое поле с помощью перемещаемого в нем датчика-микрофона предлагается в некоторых школьных учебниках. При этом учебная экспериментальная установка включает: 1) звуковой генератор; 2) два динамика; 3) микрофон; 4) усилитель низкой частоты; 5) демонстрационный гальванометр; 6) линейку. Отметим, что некоторые приборы, входящие в состав установки, промышленностью уже практически не выпускаются и, как правило, отсутствуют в школе. Главный недостаток этой установки заключается в том, что она не дает целостной картины распределения интенсивности звуковой волны, потому что не является сканирующей. К другим ее недостаткам следует отнести большой (для данных условий опыта) размер микрофона и невозможность оценки влияния на результаты опытов звуковых волн, отраженных от окружающих установку предметов и стола. Как показали наши исследования, эти волны оказывают существенное влияние на интерференционную картину, получаемую от двух динамиков, расположенных на предлагаемой в опытах высоте над поверхностью демонстрационного стола. Результат наших исследований — минимумы и максимумы амплитуды звуковой волны наблюдаются даже при одном включенном динамике. В этом случае испускаемая динамиком волна интерферирует с волной, отраженной от поверхности стола, поэтому наблюдать отсутствие ярко выраженных минимумов и максимумов при одном включенном динамике и их наличие в случае двух включенных динамиков вряд ли удастся. Методику и технику данного эксперимента нельзя признать приемлемой, учитывая существование более точного и доступного оборудования для реализации этого учебного эксперимента методом сканирования.

Рис. 1. Применение сканирующего индикатора для демонстрации распределения амплитуды звуковой волны вдоль линии при дифракции на круглом диске: 1) динамик; 2) диск; 3) индикатор.

Методы визуализации волновых полей (методы получения видимой картины распределения физической величины, характеризующей волновое поле в разных точках пространства) хорошо известны. В учебном физическом эксперименте для изучения звуковых и электромагнитных полей реализован самый распространенный прием — сканирование исследуемого поля миниатюрным приемником, напряжение на выходе которого модулирует яркость перемещаемого синхронно с ним точечного источника света. Для визуализации этих полей в Глазовском педагогическом институте были разработаны специальные сканирующие индикаторы (рис. 1).

Сканирующий индикатор для демонстрации распределения интенсивности волны вдоль линии представляет собой расположенные рядом приемник волны и малоинерционную лампочку, соединенную с приемником через усилитель. Индикатор приводят в быстрое периодическое движение в исследуемом поле. При этом учащиеся наблюдают свечение лампочки, характеризующее распределение интенсивности волны вдоль траектории движения индикатора. Если сканирующий индикатор сплошь зачерчивает некоторый участок плоскости, то распределение интенсивности волны в плоскости может быть сфотографировано или визуализировано иным способом.

Применение сканирующего индикатора в демонстрационном эксперименте обеспечивает высокую эффективность процесса формирования понятия волнового поля. Недостатком этого метода является то, что он не позволяет получить количественное распределение интенсивности в волновом поле. Повышение дидактической ценности опытов по сканированию волновых полей возможно при использовании компьютера для сбора экспериментальных данных, их последующей обработки и выведения цифровой или графической информации на экран.

Для формирования у учащихся понятия метода сканирования целесообразно организовать поэлементное изучение этого понятия. С этой целью мы предлагаем дидактическую модель формирования понятия метода сканирования, разработанную на основе дидактической модели формирования физического понятия Т. Н. Шамало. Процесс формирования понятия состоит из четырех этапов: 1) введения понятия; 2) изучения полного содержания понятия; 3) практической реализации знаний о понятии; 4) систематизации знаний о понятии.

Использование метода сканирования при обучении физике опирается на общедидактические принципы научности, системности, доступности, наглядности. Проведенный нами анализ позволяет сформулировать наиболее важные, на наш взгляд, частнодидактические принципы применения метода сканирования в учебном физическом эксперименте [4].

1.          Принцип освоения и использования учителем в демонстрационном эксперименте. Формирование понятия поля физической величины будет полным, если в демонстрационном эксперименте систематически применять метод сканирования, как универсальный метод экспериментального исследования полей физических величин.

2.       Принцип изучения и использования учащимися в индивидуальном эксперименте. Метод сканирования относится к общефизическим методам экспериментального исследования, поэтому учащиеся должны не только понимать его сущность, но и реально использовать его в учебном эксперименте.

3.         Принцип единства визуализирующего и графопостроительного сканирования. Метод сканирования в учебном эксперименте необходимо использовать в двух вариантах: качественном с целью визуализации распределений физических величин в области сканирования и количественном с целью получения графических представлений распределений физических величин в исследуемых полях.

4.         Принцип поточечного компьютерного сканирования. Количественное сканирование целесообразно реализовать в компьютерном полуавтоматическом варианте, при котором учащиеся последовательно ставят приемник в определенные точки исследуемого поля и записывают в память компьютера соответствующие значения физической величины.

Перечисленные принципы положены в основу общей концепции метода сканирования в учебном процессе [2], разработки учебного оборудования, системы учебных экспериментов по сканированию волновых полей, содержания индивидуальных учебных исследований, методики организации деятельности учителя и учащихся по применению компьютерного сканирования в учебном процессе [7].

В современной дидактике физики аксиомой считается положение, что физическое понятие может быть сформировано лишь при условии его экспериментального обоснования. Это, в частности, означает, что вводя понятие физической величины, необходимо дать метод, позволяющий измерить эту физическую величину. Понятно, что при формировании понятия поля нужно поступать аналогичным образом, давая учащимся метод, позволяющий количественно описать поле, то есть получить распределение характеризующей поле физической величины в области пространства, где это поле существует. Общий метод исследования полей физических величин, позволяющий определить значение физической величины в каждой точке поля, является методом сканирования.

Впервые в отечественной дидактике физики метод сканирования был использован с целью совершенствования демонстрационных экспериментов со звуковыми и электромагнитными волнами сантиметрового диапазона. Была предложена серия экспериментальных установок для учебного сканирования волновых полей. Кратко рассмотрим приборы, обеспечивающие работу этих установок.

Индикатор интенсивности волны в точке представляет собой малогабаритный приемник волны и расположенную рядом с ним небольшую лампу накаливания (или светодиод), соединенную с приемником через усилитель (рис. 1). Сканирование поля осуществляется перемещением индикатора в поле. При этом учащиеся по свечению лампы судят о распределении физической величины в области сканирования. Сканирующий индикатор для демонстрации распределения интенсивности волны вдоль линии состоит из укрепленных на конце гибкой штанги приемника волны и соединенной с ней через усилитель малоинерционной лампы (или светодиода). Сканирующий индикатор для получения распределения интенсивности волны в плоскости представляет собой приемник волны, соединенный через усилитель с пишущим устройством. При перемещении индикатора в плоскости визуализируется картина распределения интенсивности. Возможен вариант, при котором производится фотографирование изображения волнового поля. Перечисленные индикаторы визуализируют исследуемые поля, давая качественные картины распределений характеризующих их величин. Для полного формирования понятия поля этого недостаточно: в учебных опытах необходимо получать количественные графические изображения распределений характеризующих поля величин. Такие графики в принципе могут быть получены посредством электронно-механических графопостроителей. Однако в современных условиях эти ненадежные приборы должны быть заменены компьютерными системами [2; 3; 5]. Первые варианты подобных систем уже разработаны [1].

Обобщая результаты изучения и исследования проблемы сканирования в учебной физике, мы приходим к дидактической концепции метода сканирования в учебном физическом эксперименте, которую можно представить в виде нескольких блоков [2]. Содержательный блок включает понятие метода сканирования (определение, характеристики, виды) и приборы для учебного сканирования (точечный индикатор, сканирующий индикатор, компьютерный сканер). Методический блок содержит приемы использования метода сканирования (индикация в точке, сканирование вдоль отрезка прямой, сканирование вдоль дуги окружности, сканирование в плоскости) и формы использования этого метода (демонстрационный эксперимент, индивидуальный лабораторный эксперимент). Процессуальный блок включает принципы использования метода сканирования — общедидактические (научности, системности, доступности, наглядности) и частнодидактические (освоения, изучения и использования, единства визуализирующего и графопостроительного сканирования, компьютерного поточечного сканирования); применение метода сканирования при изучении волновых полей (поле уединенного источника волны, интерференционное поле двух когерентных источников, поле стоячей волны, дифракционное поле при прохождении волны через круглое отверстие, дифракционное поле при дифракции на круглом диске); модели деятельности (учителя физики, учащихся школы, студентов педвуза, совместной учебно-исследовательской). Блок нерешенных проблем использования метода сканирования в учебном эксперименте включает сканирование электростатического, электростационарного, магнитного и теплового полей.

Для решения проблемы сканирования электростатического поля необходима разработка специальных датчиков напряженности или потенциала поля. Более простой представляется задача сканирования стационарного электрического поля, поскольку в качестве датчика потенциала в этом случае может быть использован подходящий электрод. Сканирование магнитного, теплового и светового полей также требует создания соответствующих учебных датчиков. Накопленный нами опыт работы по сканированию волновых полей позволяет уверенно утверждать, что перечисленные проблемы будут решены. Это откроет новые возможности совершенствования учебного эксперимента по термодинамике, электродинамике и оптике.

Практическая реализация разработанной нами концепции метода сканирования в учебном физическом эксперименте обеспечивает эффективное и достаточно полное формирование в сознании учащихся понятия поля физической величины. Мы пришли к следующим выводам [6].

1.          Изучение методологических основ учебного физического эксперимента показывает, что определяющей тенденцией его развития является использование в учебном эксперименте доступных массовому потребителю достижений современной науки, техники и технологии. Отсюда следует необходимость дидактических исследований элементов ноосферы с целью возможного использования их в учебном эксперименте, обеспечивающем более эффективное и полное выполнение требований образовательного стандарта. Применение в учебном эксперименте компьютерной техники и информационных технологий представляет собой приоритетное направление таких исследований.

2.          Понятие поля физической величины в школьном курсе физики относится к наиболее сложным для понимания учащимися понятиям. Для формирования обобщенного понятия поля необходимо в школьном курсе физики наряду с гравитационным, электрическим и магнитным полями введение понятия волнового (акустического, электромагнитного, светового) поля. Определяющим фактором в формировании понятия поля физической величины является учебный физический эксперимент. В условия такого эксперимента в качестве измерительных приборов входят приемник характеризующей поле физической величины и датчик координаты точки нахождения приемника, понятия которых должны быть сформированы у учащихся.

3.         Наиболее эффективным в современных условиях методом формирования понятия волнового поля является метод сканирования. Сканирование относится к общенаучным методам экспериментального познания природы и широко применяется в современной, в том числе бытовой, технике. В учебном физическом эксперименте длительное время используются сканирующие индикаторы волновых полей, обеспечивающие визуализацию полей сантиметровых звуковых и электромагнитных волн вдоль траектории или плоскости сканирования. Эти приборы дают качественную картину пространственного распределения соответствующих физических величин и позволяют сформировать у учащихся наглядный образ соответствующих полей. Однако этот образ недостаточно согласуется с количественными распределениями величин, характеризующих волновые поля, что затрудняет сопоставление экспериментальных данных с результатами теории. Отсюда следует необходимость количественного сканирования волновых полей. В принципе оно может быть осуществлено посредством электронно-механических самописцев или графопостроителей. Однако в современных условиях ненадежную технику целесообразно заменить другой, используемой в сочетании с персональным компьютером. Это, помимо прочего, позволит осуществить оперативную обработку и сравнение экспериментально получаемых результатов.

4.                  Компьютерное сканирование волновых полей должно реализовываться с помощью максимально доступной для общеобразовательной школы экспериментальной установки и удовлетворять принципам единства визуализирующего и графопостроительного сканирования и поточечного компьютерного сканирования.

Литература:

1.   Данилов О. Е. Компьютерный сканер для учебных исследований волновых полей / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 8. — С. 93–99.

2.   Данилов О. Е. Концепция метода сканирования полей в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2014. — № 2. — С. 89–93.

3.   Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.

4.   Данилов О. Е. Принципы использования метода компьютерного сканирования полей физических величин в учебном процессе / О. Е. Данилов // Актуальные вопросы современной педагогики: материалы IV междунар. науч. конф. (г. Уфа, ноябрь 2013 г.). — Уфа: Лето, 2013. — С. 220–222.

5.   Данилов О. Е. Создание компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками для школьного кабинета физики / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 3. — С. 93–102.

6.   Данилов О. Е. Теория и методика использования метода сканирования в учебном физическом эксперименте: Дис. … канд. пед. наук: 13.00.02 / О. Е. Данилов. — Глазов, 2005. — 207 с.

7.   Майер В. В. Исследование волновых полей методом компьютерного сканирования / В. В. Майер, О. Е. Данилов // Учебная физика. — 2005. — № 1. — С. 153–186.