CC BY
16ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 372.853
РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ» ШКОЛЬНОГО КУРСА ФИЗИКИ
С. В. Симукова, А. С. Прадед
ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского»
В статье рассмотрена методика разработки видеороликов, предоставляющих возможность продемонстрировать на опыте наиболее распространённые явления, связанные с процессами механических колебаний и распространения волн, а также объяснить причины возникновения этих явлений. Также рассмотрена методика применения разработанных видеороликов. Ключевые слова: цифровой образовательный ресурс, механические колебания и волны, видеодемонстрация.
Изучение физики в общеобразовательной школе предполагает использование большого количества различных видов наглядности, прежде всего учебного эксперимента. К сожалению, из-за отсутствия необходимого оборудования, а также большого времени, необходимого для подготовки эксперимента, не все явления можно продемонстрировать на уроке. Тут на помощь приходят информационные технологии.
Разрабатывать цифровые образовательные ресурсы (ЦОР) может и сам учитель во внеурочное время. При разработке ЦОРов сначала необходимо проанализировать учебник, выделить в нём элементы содержания образования, затем для каждого элемента разработать соответствующий ЦОР. Для анализа был выбран учебник 9 класса по физике авторов Пёрышкина А.В. и Гутник Е.М. [1], тема «Механические колебания и волны». В каждом параграфе были выделены элементы содержания образования, которые должны быть усвоены учащимися и для которых должны быть разработаны средства наглядности, в том числе и цифровые образовательные ресурсы. Результаты проделанной работы представлены в таблице 1.
Таблица 1
№п/п Название параграфа Элементы содержания образования
1. § 23. Колебательное движение. Свободные колебания Механические колебания; Свободные колебания; Колебательная система; Маятник.
2. § 24. Величины, характеризующие колебательное движение. Амплитуда колебаний; Период колебаний; Собственные колебания; Собственная частота колебательной системы; Фаза колебаний.
3. § 26. Гармонические колебания Гармонические колебания; Математический маятник; Причина возникновения гармонических колебаний.
4. § 26. Затухающие колебания. Вынужденные колебания Затухающие колебания; Вынужденные колебания; Вынуждающая сила; Связь между частотой установившихся вынужденных колебаний и частотой вынуждающей силы.
5. § 27. Резонанс Механический резонанс;
6. § 28. Распространение колебаний в среде. Волны Волны; Упругие волны Продольные волны; Поперечные волны; Особенности переноса энергии в бегущей волне.
7. § 29. Длина волны. Скорость распространения волн Длина волны.
8. § 30. Источники звука. Звуковые колебания Источники звука; Звуковые колебания.
9. § 31. Высота, тембр и громкость звука Чистый тон; Зависимость высоты звука от частоты колебаний; Зависимость громкости звука от амплитуды колебаний; Тембр звука и его связь с обертонами.
10. § 32. Распространение звука. Звуковые волны Условие распространения звука.
11. § 33. Отражение звука. Звуковой резонанс Резонаторы; Звуковой резонанс.
Перед разработкой цифровых образовательных ресурсов был произведён анализ готовых материалов, размещенных в сети Интернет и других источниках. На основании произведённого анализа готовых материалов установлено, что для каждого для каждого элемента содержания образования обязательно существует несколько неразработанных типов ЦОРов. Нами было решено разработать видеофрагменты экспериментов для демонстрации следующих элементов содержания образования: «Собственные колебания», «Собственная частота колебательной системы», «Фаза колебаний», «Акустический резонанс». Выбор данного типа ЦОРов обусловлен тем, что вышеперечисленные понятия не всегда удобно продемонстрировать наглядно во время демонстрационных опытов в силу специфичности некоторых приборов, используемых для демонстрации. Поскольку понятия «Собственные колебания» и «Собственная частота колебательной системы» неразрывно связаны между собой, решено было сделать единый видеофрагмент.
Процесс создания ЦОРов был разделен на 3 этапа:
1. Формирование сценария видеоролика;
2. Съёмка демонстрационных опытов;
3. Монтаж видеоролика
4. Разработка методики использования ЦОРа в учебном процессе.
Сценарий видеоролика полностью в нашем случае соответствует тексту его озвучивания. Приведем тексты к каждому из трех роликов.
Видеофрагмент «Собственные колебания.
Собственная частота колебательной системы».
Большинство окружающих нас тел движется. Движения, совершаемые телами, можно классифицировать по-разному. Например, их можно разделить на равномерное и неравномерное движения. Равномерно движется машина, если она едет по дороге с постоянной скоростью. Неравномерное движение всегда происходит с ускорением. Ускорение может быть постоянным - как в случае камня, падающего на поверхность Земли, так и переменным - при движении маятника часов. В случае маятника с часами можно говорить о том, что маятник совершает механические колебания. Вспомним, что это такое. Согласно определению, механические колебания - это повторяющиеся через равные
промежутки времени движения, при которых тело многократно и в разных направлениях проходит положение равновесия.
Одно и то же колеблющееся тело в различных условиях может совершать разные колебания. Рассмотрим это на примере (рис. 1). Для этого нам понадобится установка, состоящая из двух сосудов, в одном из которых находится масло, а в другом - вода, нитяного маятника и стеклянной палочки.
Л. ^
Рис. 1
Опустим маятник сосуд с маслом. Стеклянной палочкой отведем грузик в сторону и отпустим его. Как видно, маятник начинает совершать колебательные движения (рис. 2).
Однако из-за того, что масло достаточно вязкое, они быстро затухают. Попробуем уменьшить вязкость среды, в которой находится маятник. Для этого опустим его в сосуд с водой (рис. 3). Отводим грузик в сторону и после этого можем наблюдать колебания маятника. Видно, что в воде шарик колеблется дольше и быстрее, по сравнению с маслом. Это связано с тем, что вода менее вязкая, чем масло, и шарику оказывается меньшее сопротивление.
Рис. 3
Попробуем ещё сильнее уменьшить сопротивление. Для этого пронаблюдаем колебания шарика в воздухе (рис. 4). Снова отклоним шарик в сторону и отпустим его.
Ж
\дд
XX/
Л
р'
Рис. 4
Теперь колебания шарика стали ещё быстрее и дольше, хотя, рано или поздно и они закончатся из-за сопротивления воздуха и трения в конструкции маятника. А что произошло бы, если бы у нас была возможность полностью убрать силы трения и сопротивления?
Очевидно, что в этом случае ничего бы не мешало шарику колебаться. Колебания шарика происходили бы бесконечно долго без затухания. Такие колебания называют собственными колебаниями системы, а соответствующая этим колебаниям частота - собственной частотой колебательной системы. Таким образом, этим понятиям можно дать следующие определения: собственные колебания - свободные колебания в отсутствие сил трения и сопротивления воздуха; собственная частота свободных колебаний - частота, с которой совершаются собственные колебания системы.
В повседневной жизни наблюдать собственные колебания и соответствующую им собственную частоту невозможно, так как всегда присутствуют силы трения и сопротивления. Однако, если их значительно уменьшить, то можно колебания, близкие к собственным. Таким, например, будет являться колебания математического маятника для малых углов.
Видеофрагмент «Фаза колебаний»
Колебательные движения, совершаемые разными телами, могут как отличаться друг от друга, так и быть очень похожими или даже идентичными. Для того, чтобы отличать одно колебательное движение от другого, вводят специальные величины, называемые также параметрами, которые эти движения описывают, или, по-другому, их характеризуют. Как известно, колебательной движение характеризуется несколькими параметрами: амплитудой - максимальным отклонением колеблющегося тела от положения равновесия, частотой -числом полных колебаний в секунду и периодом - временем, за которое тело совершает одно полное колебание. Есть ещё одна величина, являющаяся параметром колебательного движения. Она называется фазой колебаний. Чтобы понять, что это такое, проведём небольшой опыт.
Для него возьмём два одинаковых нитяных маятника, которые вы видите на экране (рис. 5).
Рис. 5
Рассмотрим их колебания. Отведём оба маятника в крайнее левое положение и отпустим (рис. 6). Видно, что скорости эти маятников в любой момент времени направлены одинаково. В этом случае говорят, что маятники совершают колебания в одинаковых фазах.
Следует отметить, что понятие фазы используется не только при сравнении колебаний двух или нескольких тел, но и при описании колебаний одного тела. Можно сказать, что фаза - величина, характеризующая положение колебательной системы в данный момент времени.
Саму фазу непосредственно мы наблюдать не можем, так как это понятие не имеет физического смысла, однако разность фаз наблюдать вполне возможно, что мы с вами и проделали во время опытов.
Рис. 6
Видеофрагмент «Акустический резонанс».
В повседневной жизни нам приходится сталкиваться с явлением механического резонанса. Напомним, что резонансом называется явление резкого увеличения амплитуды колебаний при совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой колебательной системы. Примером такого явления может служить ситуация, при которой один человек сидит на качелях, а другой, периодически его подталкивая, раскачивает качели. При такой ситуации резонанс вызывается периодическим воздействием одного тела на другое. При определённых условиях возможно наблюдать явление резонанса, воздействуя на некоторое тело звуковыми волнами. Такой вид резонанса называется звуковым резонансом. Рассмотрим его на опыте.
Перед вами имеется установка, состоящая из звукового генератора, динамика, камертона и шарика, прикреплённого к подвесу (рис. 7).
Рис. 7
Частота собственных колебаний камертона равна 440 Гц. Включим звуковой генератор, предварительно настроив его на частоту, меньшую, чем резонансная частота камертона. Как видно, колебания шарика практически незаметны. Теперь будем постепенно увеличивать частоту звукового генератора, приближаясь к резонансной частоте камертона. Амплитуда колебаний шарика значительно возросла (рис. 8).
Рис. 8
Будем дальше увеличивать частоту звукового генератора, по сравнению с резонансной. Теперь мы можем наблюдать, что колебания шарика практически прекратились.
Таким образом, мы наблюдали явление, при котором постепенное увеличение частоты звуковых колебаний до резонансной частоты способствовало более интенсивному раскачиванию шарика. Это не что иное, как явление резонанса колебаний камертона, вызванное звуковыми колебаниями от динамика.
В жизни также можно наблюдать явление звукового резонанса. Например, при игре на таком музыкальном инструменте, как акустическая гитара. При щипке струны она начинает колебаться, заставляя колебаться корпус китары с такой же частотой. Эти колебания, в свою очередь, передаются воздуху. И мы слышим ясный и громкий звук.
Монтаж видеофрагментов экспериментов производился при помощи программ Adobe Premiere Pro и Adobe Audition. Ниже описан алгоритм создания видеороликов.
1. Adobe Audition
Аудиозаписи импортируются в программу командой «Файл - Импорт». С помощью команды «Амплитуда - Усиление» открываем диалоговое окно для изменения громкости сигнала. Ставим в нём значение «5» и нажимаем кнопку «Применить».
На рабочем столе выделяем фрагмент сигнала, соответствующий внешнему шуму. Используем комбинацию клавиш «Shift+P». В выскочившем диалоговом окне нажимаем кнопку «Ок». Затем используем комбинацию «Ctrl+Shift+P». В появившемся окне устанавливаем значения «Снижение уровня шума» и «Понижение» на уровень «100» и нажимаем кнопку «Применить».
Для того чтобы вырезать нежелательный фрагмент записи, необходимо его выделить и нажать клавишу «Del».
Экспорт файла осуществляется при помощи комбинации «Ctrl+Shift+E». Затем в диалоговом окне вводится необходимое имя выходного файла, выбирается местоположение для сохранения файла и в нижнем правом углу нажимается кнопка «ОК».
2. Adobe Premiere Pro
Ролики импортируются в программу при помощи команды «Файл - Импорт». После выполнения команды все ролики находятся в особом месте программы, которое имеет название «Браузер медиаданных». Выделяется первый видеоролик, который должен быть в конечном видео. Двойным кликом мыши он открывается на одном из экранов, имеющий название «Экран источника». Ролик просматривается. При помощи горячих кнопок «I» и «О» устанавливаются точки входа и выхода соответственно. Это нужно в том случае, если видео необходимо обрезать.
Перетаскиванием мыши отредактированный ролик переносится из области экрана источника на «Рабочий стол» программы. Такая же последовательность действий выполняется со всеми оставшимися роликами, причём они переносятся на рабочий стол в той последовательности, в которой должны следовать в конечном видеофрагменте. Теперь, используя «Панель инструментов», располагающуюся рядом с инструментом «Рабочий стол», видео монтируется на трех видео- и трех аудиодорожках. В процессе монтажа конечная последовательность периодически просматривается на другом мониторе, носящем название «Экран программы» для соответствующей корректировки последовательности.
В том случае, если ролик удовлетворяет необходимым требованиям, после просмотра выполняется операция экспорта готового видеофрагмента. Для этого используется команда «Файл - Экспорт - Медиаконтент». В появившемся диалоговом окне в разделе «Настройки экспорта» в качестве формата видео в раскрывающемся списке выбирается «H.264». Ниже указывается имя файла. В правом нижнем углу ставится отметка «Наилучшее качество визуализации» и нажимается кнопка «Экспорт». После нажатия кнопки программа начинает автоматический рендеринг видео и затем выводит его на жёсткий диск компьютера.
Разработку методики применения созданных материалов необходимо делать с учётом планирования материала темы. Для этого можно использовать либо готовое планирование, либо разработать его самостоятельно.
Процесс применения ЦОР можно разделить на 3 этапа:
1. Подготовка к использованию ЦОР на уроке.
На данном этапе учитель изучает учебную программу, учебники и дополнительные пособия, выясняет наличие технической аппаратуры, степень её исправности и проверяет имеющееся к ней необходимые по теме урока дидактические материалы, устанавливает аппаратуру в кабинете, выбирает необходимый материал. До урока необходимо прослушать и просмотреть весь отобранный материал, так как не всегда тема пособия соответствует его содержанию.
Далее необходимо определить, с какой целью, для решения каких задач будет использован выбранный ЦОР, в какой части урока наиболее целесообразно показывать этот материал. Выделяется главное, вокруг чего следует сосредоточить внимание учащихся, чтобы просмотр помог формированию новых понятий.
Затем полезно выяснить, на какие сведения, факты, известные учащимся, нужно будет опереться, что следует восстановить в памяти учащихся перед началом или в ходе просмотра, к чему направить поиски учащихся.
После этого необходимо разбить материал на порции в соответствии с характером учебного материала, найти способ реализации каждой порции, подготовить вопросы и задания по каждой порции и по всему материалу, продумать работу с учебником в сочетании с ЦОР, размножить необходимый раздаточный материал, а также адаптировать при необходимости имеющиеся пособия к возрасту и возможностям своих воспитанников.
Для правильного использования ЦОР необходимо установить взаимосвязь с другими средствами обучения, применяемыми на уроке. От того, насколько удачной будет взаимосвязь всех этих средств, во многом зависит эффективность учебного процесса.
2. Использование ЦОР на уроке.
Работа с ЦОР требует определённой организации соответствующего этапа урока. Прежде всего нужно подготовить детей к просмотру. Наиболее эффективная форма
подготовки - беседа, в которой учитель умело поставленными вопросами помогает детям вспомнить всё то, что они знают по данной теме. Вступительное слово до показа экранного пособия не следует делать очень длинным, достаточно несколько минут. Целесообразно поставить 2-3 узловых вопроса, на которые дети должны ответить, просмотрев экранное пособие. Если фильм посвящён незнакомому вопросу, то вступительное слово связывает известное с неизвестным.
Непосредственное применение информационных ресурсов при изучении темы «Механические колебания и волны» в 9 классе предлагается проводить согласно следующим методическим рекомендациям:
2.1 Учитель создает проблемную ситуацию на уроке;
2.2 Для решения проблемы привлекается ЦОР;
2.3 После просмотра ЦОР учитель подводит учащихся к решению проблемы;
2.4 В случае неудачи в п.2.3, следует повторить п.2.2 и 2.3.
2.5 В случае повторной неудачи следует выполнить решение самостоятельно. Продолжительность показа пособий определяется скоростью работы учащихся на уроке и зависит от того, как быстро учащиеся успевают понять каждый кадр и выполнить, если потребуется, работу с ним.
3. Работа после демонстрации.
После демонстрации учитель проводит беседу, в ходе которой он выясняет, как усвоен материал, уточняет и дополняет полученные представления.
Похожим образом могут разрабатываться и другие ЦОРы, а также методика применения к ним. Их основным применением является использование в процессе урока, однако ЦОРы могут быть полезны и при самостоятельном изучении физики.
Список литературы
1. Буров В.А. и др. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Ч. 1. Колебания и волны, оптика, физика атома. Под ред. А.А. Покровского. -М.: Просвещение, 1978. - 287 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. - М.: Дрофа, 2016. - 256 с.
Об авторах
Симукова Светлана Васильевна - кандидат педагогических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», e-mail: simukova-svetlana@yandex. ru.
Прадед Александр Сергеевич - магистрант кафедры экспериментальной и теоретической физики, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского».
DEVELOPMENT OF DIGITAL EDUCATIONAL RESOURCES FOR STUDYING TOPIC
«OSCILLATION AND WAVE» OF THE SCHOOL COURSE OF PHYSICS
S. V. Simukova, A. S. Praded
Bryansk State University after Academician I.G. Petrovsky
The article discusses the technique of developing videos that provide an opportunity to demonstrate the most common phenomena associated with the processes of mechanical oscillations and wave propagation, as well as explain the causes of these phenomena. Also reviewed the method of application of the developed videos.
Keywords: digital educational resource, mechanical vibrations and waves, video demonstration.
References
1. Burov V.A. and others. Demonstration experiment in physics for senior students in secondary schools. Part 1. Oscillations and waves, optics, atom physics. Edited by A.A.Pokrovsky. - M.: Prosveshchenie, 1978. - 287 p.
2. Pyoryshkin A.V., Goutnik E.M. Physics: Students' Book. 9 Form. - M.: Drofa, 2016.
-256 p.
About authors
Simukova S. V. - PhD in Pedagogical Science, Associate Professor of the Department of Experimental and Theoretical Physics, Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky, e-mail: simukova-svetlana@yandex.ru.
Praded A. S. - graduate student, Department of Experimental and Theoretical Physics, Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky.
