CC BY
31PHYSICS AND MATHEMATICS
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТИКЕ В УСЛОВИЯХ ДИСТАНЦИОННОГО
ОБУЧЕНИЯ
Алёшин М.С.
кандидат ф.-м. наук, доцент Тихоокеанского государственного университета
LABORATORY PRACTICUM ON OPTICAL PHYSICS IN DISTANCE LEARNING
Aleshin M.
PhD in Physics and Mathematics, Associate professor Pacific National University
Аннотация
В работе рассматривается способ проведения лабораторных занятий по физике на примере физического практикума по оптике в условиях фактического отсутствия у студентов доступа к лабораторному оборудованию. Вопрос проведения лабораторных занятий по естественно-научным дисциплинам особенно актуален в современной ситуации вынужденного перехода университетов на дистанционную форму обучения. Описанные лабораторные работы входят в состав электронного учебного курса по дисциплине «Общий физический практикум». При их создании мы ставили целью создать имитацию взаимодействия обучающегося через фото и видео с реальным лабораторным оборудованием, а не с его моделью.
Abstract
The paper deals with the way of implementation of laboratory physics classes on the example of a physical practicum on optics in conditions of actual lack of students' access to laboratory equipment. The question of carrying out laboratory classes on natural sciences is especially relevant in the current situation of forced transition of universities to a distance form of education. The described works are a part of the e-learning course on the discipline "General Physical Practicum". to create an imitation of interaction of a student through photo and video with real laboratory equipment, not with it model.
Ключевые слова: лабораторный практикум, дистанционное обучение, оптика, интерференция, поляризация.
Keywords: laboratory workshop, distance learning, optics, interference, polarization.
В настоящее время использование информационных технологий в учебном процессе становится не столько актуальным, сколько необходимым. Введённый практически по всему миру режим социального дистанцирования вынудил учебные заведения перейти на дистанционную форму обучения. Если раньше такой режим работы рассматривался как альтернатива очным занятиям и применялся в большей степени для заочной формы обучения, то теперь, в связи с принятием мер по предотвращению распространения коронавирус-ной инфекции, онлайн-обучение стало единственно возможным вариантом функционирования учебных заведений, в том числе и университетов. Таким образом, электронные средства обучения, которые обычно используются в качестве вспомогательных инструментов в образовательном процессе, на момент написания данной работы становятся уже основными и даже обязательными.
Стоит заметить, что в большинстве университетов, до введения режима самоизоляции уже имелись инструменты для сознания электронных образовательных сред, которые позволили в сравнительно короткие сроки перевести обучение по многим предметам в электронную форму. Преимущественно перевод курса в онлайн форму был лишь вопросом времени и заключался в простом пере-
носе в электронную образовательную среду с сопутствующим наполнением курса электронными материалами, заданиями и прочим. Однако то же самое нельзя сказать о курсах естественных и физических наук. Здесь проблемным является вопрос о том, как обеспечить эффективный лабораторный практикум.
Создатели курсов, содержащих в себе лабораторные занятия, прибегают к разным способам их реализации. Так, в отсутствии режима самоизоляции в некоторых случаях была возможность перевести экспериментальные задания, требующие взаимодействия с лабораторным оборудованием, в офлайн, и сделать обязательным посещения лабораторий университета для их проведения. И первый опыт создания онлайн курсов по естественным наукам в западных университетах в конце 90х -начале 00х годов основывался именно на таком подходе - создании, так называемых, гибридных курсов [1].
В сложившейся ситуации приходится искать иные способы проведения практикума. Одним из наиболее распространённых является применение компьютерных симуляций физических явлений и создание на их основе виртуальных лабораторных работ [2]. Некоторые работы могут быть найдены в свободном доступе, но подавляющее их большин-
ство представляют собой максимально упрощённую модель исследуемого явления, не имеют приемлемого интерфейса, а потому дают лишь качественное представление об изучаемых процессах. В наше время появляются виртуальные лабораторные работы, разрабатываемые на игровых движках [3], которые представляют собой виртуальную копию лабораторной установки. Однако, разработка любых виртуальных работ самостоятельно педагогом, даже при наличии навыков программирования, очень трудоёмка и требует большого количества времени. Покупка же готовых виртуальных работ у разработчиков, представляется невозможной, ввиду ограниченного финансирования университетов, несмотря на наличие уже готовых коммерческих предложений.
Другой способ организации дистанционных экспериментов, ставший возможным сегодня благодаря возросшим скоростям интернет-соединения - онлайн трансляции с помощью сервисов видео-конференц-связи. В таком формате в лаборатории необходимо находиться лишь педагогу и, возможно, помощнику, для проведения трансляции процесса выполнения эксперимента. Технически в большинстве случаев для этого подходит даже бюджетный смартфон. Несомненными преимуществом такого подхода являются возможность продемонстрировать реальное лабораторное оборудование и в режиме дискуссии с обучающимися донести материал. Однако, в таком случае студент снимает измерения «под диктовку», теряется составляющей самостоятельной работы. Кроме того, в условиях социального дистанцирования, большинство учебных заведений ограничило доступ в университет даже для преподавателей, что делает невозможным проведение онлайн занятий из лабораторий университета. Но даже при наличии такой возможности не все измерения и не все явления могут быть продемонстрированы с помощью камеры смартфона. В частности, лабораторный практикум в курсе оптики включает в себя явления, которые
Рис. 1. Кадр с поляриметром из работы «Изучение естественной оптической активности»
невозможно показать в условиях видео-конференц-связи ввиду физических ограничений. Процесс измерений также специфичен, поскольку производится на микроскопах, гониометрах, поляриметрах и пр.
В данной статье предлагается способ реализации электронных версий лабораторных работ по оптике в форме видеороликов и фотографий, по которым обучающийся самостоятельно выполняет измерения. Настоящие работы создавались под существующие методические пособия и были внедрены в учебный процесс в составе электронного учебного курса. Здесь мы рассмотрим краткое описание видеоверсий следующих работ: «Изучение естественной оптической активности», «Определение радиуса кривизны линзы и показателя преломления воды при помощи колец Ньютона». Мы приведём лишь описание некоторых технических моментов реализации опытов, оставляя вопрос о методическом обеспечении и инструментах внедрения работ в электронные образовательные курсы, поскольку подразумеваем, что эти инструменты имеются в распоряжении современного университета.
Лабораторная работа «Изучение естественной оптической активности». Цель работы заключается в определении удельного вращения плоскости поляризации света и концентрации сахара в водном растворе. Для этого применяется полутеневой поляриметр СМ-2 [4].
Студентам предлагается просмотреть видеоролик, в котором запечатлён процесс измерения. Для определения угла поворота плоскости поляризации необходимо остановить видео в момент, когда достигается равенство яркостей полей сравнения в окуляре поляриметра вблизи полного затемнения. Для удобства можно замедлить скорость воспроизведения видео. Кадр из видеоролика работы представлен на рисунке 1.
Сложность съёмки такой работы обусловлена необходимостью одновременной фиксации на камеру чёткого изображения в окуляре поляриметра и измерительных угловых шкал. Для съёмки использовалась полупрофессиональная камера с возможностью ручной фокусировки и штатив. При повторном поиске областей равного затемнения полей зрения в окуляр невозможно поставить видео на паузу ровно в тот же момент несколько раз, это позволяет проводить серию измерений углов по одному ролику.
Лабораторная работа «Определение радиуса кривизны линзы и показателя преломления
ж-
воды при помощи колец Ньютона». Цель работы заключается в изучении интерференции световых волн в тонких пленках. Для этого используется установка, схема которой приведена на рисунке 2. В опыте исследуемая линза 3 и плоскопараллельная пластинка 4 вставлены в оправу и поджаты винтами. Свет от источника S пройдя светофильтр 1 преобразуется в монохроматический. Лучи падают на прозрачную пластинку 2, отражаются от нее, затем отражаются от нижней грани линзы 3 и верхней грани пластинки 4 и интерферируют между собой. Интерференционная картина наблюдается в окуляр микроскопа [5].
к окуляру
:
Рис 2. Схема опыта с кольцами Ньютона
Электронная версия работы представляет собой набор фотографий, которые демонстрируют
общий вид установки, стеклянную линзу, используемую в работе и непосредственно изображения колец Ньютона в окуляре микроскопа (рисунок 3).
Рис. 3. Фото колец Ньютона, наблюдаемых в окуляре микроскопа
Студенту необходимо самостоятельно измерить радиусы колец в случае воздушного зазора между линзой и пластинкой, по ним определить радиус кривизны линзы. Далее измерения повторяются для случая заполнения зазора водой и определяется показатель преломления жидкости. Для съёмки использовалась полупрофессиональная камера с возможностью ручной фокусировки и штатив. Без данной аппаратуры получение качественных изображений крайне затруднительно. Подобным методом были созданы электронные версии и других лабораторных работ из курса оптики.
Таким образом, описанный нами способ реализации лабораторного практикума позволяет, хоть и не в полной мере, сымитировать взаимодействие студента с реальным лабораторным оборудованием. Наличие фото и видео настоящих установок с процессом измерений реальных экспериментальных данных позволяет продемонстрировать явление как есть, а не его упрощённую модель. Однако заметим, что такие съёмки не всегда возможно провести с помощью обычной камеры смартфона, и в случае с некоторыми курсами, такими как оптика, приходится прибегать к использованию оборудования, не всегда имеющегося в распоряжении сотрудников университетов.
Также стоит признать, что даже такой формат представления лабораторного опыта не способен заменить реальный эксперимент. Любое «правильное» изучение естественных наук требует проведения настоящих практических опытов, чтобы студенты могли эффективно наблюдать и понимать изучаемые явления природы. Такой тактильный опыт укрепляет процесс обучения и способствует более глубокому пониманию научного метода в целом и предмета в частности. Но в условиях вынужденного режима дистанционного обучения описанный нами подход вполне оправдан.
Список литературы
1. Jeschofnig P. Effective laboratory experiences for distance learning science courses with self-contained laboratory kits [Электронный ресурс] // Proceedings of the 20th Annual Conference on Distance Teaching and Learning - 2004. - URL: https://www.re-searchgate.net/publication/228489913_Effective_la-boratory_experiences_for_distance_learning_sci-ence_courses_with_self-contained_laboratory_kits (22.06.2020).
2. Драчёв К.А., Губин С.В. Виртуальные лабораторные работы по физике для студентов дистанционной формы обучения / Драчёв К.А., Губин С.В. // The Scientific Heritage. - № 44-1 (44) - 2020. - С. 9-12.
3. Насыров В.В. Виртуальная лабораторная работа «Машина Атвуда» / Насыров В.В., Хаин Д.С. // Материалы научно-практической конференции: ТОГУ-Старт: фундаментальные и прикладные исследования молодых. Хабаровск. - 2020. - С. 6974.
4. Кирюшин А.В. Изучение естественной оптической активности: методические указания к лабораторной работе №53. [Электронный ресурс]. -2006 - URL: http://pnu.edu.ru/media/filer_public/2013/04/03/lab53. pdf (22.06.2020).
5. Швец Н.Л. Определение радиуса кривизны линзы и показателя преломления воды при помощи колец Ньютона: методические указания к выполнению лабораторной работы № 52ф [Электронный ресурс]. - 2014 - URL: http://pnu.edu.ru/media/filer_public/a1/da/a1da1ad2-df0b-4e81-ac22-0e1e89855b8Mab52.pdf (22.06.2020).
ТЕОРЕМА ФЕРМА
Геворкян Ю.Л.
канд. ф.-м. наук, профессор,
Национальный Технический Университет «Харьковский Политехнический Институт» FERMAT'S THEOREM
Gevorkyan Yu.
Cand. of Phys. Math. Sc., Professor, National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute "
Аннотация
В статье предлагается доказательство теоремы Ферма. Вместо целых чисел a, b, С в теореме Ферма рассматривается треугольник с длинами сторон a, b, С. Доказано, что в случае прямоугольного и тупоугольного треугольников уравнение Ферма решений не имеет. При рассмотрении случая, когда a, b, С являются сторонами остроугольного треугольника, доказано, что уравнение Ферма не имеет целых решений при p > 2.
