Опыт создания интерактивных анимаций физических явлений для дистантного обучения.
В бытность свою, работая методистом, мне довелось посетить сотни, если не тысячи, уроков. Неудовлетворённость способом изложения материала в учебниках, тем, как этот материал доносят при всём старании учителя до своих учеников, собственными уроками привела меня к мысли о создании анимированных компьютерных материалов. Особенно сильным стало это желание после знакомства с трудами Л.И. Резникова. Поразил его способ анимации меловых рисунков на классной доске. Его принципы анимации я попробовал перенести на свои работы. Сразу скажу, что художник из меня никакой, рисунки во многом заимствованы из сети, программирование нигде и никогда не изучал, в моих работах по этой части можно найти немало недостатков. Принимаю! Но само существо этих незатейливых работ, мне кажется, заслуживает внимание учителя физики. Тем более, что их активно используют особенно для дистантной работы многие и многие учителя, о чём сужу по сайтовой аналитике. Первым толчком к работе над интерактивными материалами к уроку физики послужило давнее знакомство с Л.И. Скрелиным, автором знаменитых карточек Скрелина, его картонными моделями физических приборов, которые он пытался, как мог, сделать интерактивными. Теперь техника позволяет это сделать, и я с энтузиазмом взялся за это дело. Что важно, средства наглядности позволяют создавать условия чувственного восприятия явления. Современные технические средства позволяют наделять наглядность свойствами анимации и интерактивности. Эту способность катастрофически мало используют учителя и авторы пособий от простых презентаций до электронных учебников. Бумажное мышление превалирует по-прежнему, несмотря на технический прогресс и доступность. По Е.Е. Горячкину (хотя в его времена и мечтать не могли о нынешних возможностях компьютерного моделирования) то, что должно двигаться, должно быть анимированным, должно двигаться, процесс не имеет права быть статичным, явление должно происходить, а не быть застывшим в картинке. Он умел анимировать физику на школьной доске мелом, выработал правила анимации физических явлений. Кроме того, школьник должен иметь максимальную возможность экспериментирования с математической моделью явления с целью её неторопливого, а, значит, глубокого изучения. Наглядность важна не сама по себе. Она должна иметь явно выраженное дидактическое значение, то есть наглядность должна привносить нечто новое в восприятие учеником учебного материала. Если этого нет, такая наглядность не нужна. Восприятию средств наглядности нужно учить так же, как мы учим читать книгу или рассматривать картину. Я также обратил внимание, что из учебника в учебник, от вузовского лектора к лектору кочуют одни и те же образы, чертежи, схемы, часто повторяя ошибки и недочёты друг друга, даже изложение идёт почти одними и теми же словами. То, что мы видели и слышали когда-то, изучая науки, имеет для нас часто магическое и завораживающее значение. И мы не в силах взглянуть иначе, ибо доверились тому, кто умнее нас, и, не потрудившись понять всё основательно. Феномен остаточного знания создаёт губительную иллюзию компетентности. Я связываю этот феномен с «квантом знания». Изученная нами тема неизбежно создаёт в нашем подсознании образ этой темы, клубок различных ассоциаций на понятийном, зрительном, слуховом и т.д. уровне восприятия. Этот образ в дальнейшем мы и используем в своей работе или учёбе. Он обладает свойством неделимости, внутреннего единства на уровне подсознания, поэтому я позволил себе называть его квантом знания. Сознательно используя части информации, а не весь образ, мы, тем не менее, остаёмся привязанными к нему незримыми нитями подсознательных ассоциаций. Это часто является причиной того, что понятное и очевидное для преподавателя, остаётся непонятым его учениками. У нас-то есть целиковый образ изучаемого, а у школьника его ещё нет! Что для нас очевидно, то для ученика может быть ошеломляюще. Анимация помогает решить эту проблему, обладая свойством кванта знания. Зрительная информация усваивается именно целиком, притом на уровне подсознания. Мы вольны отметить на картине те или иные детали и подробности, тогда они будут подняты на уровень сознания. Но это не значит, что остальные детали полотна будут нами утеряны. Это радостное для меня наблюдение, сильно облегчающее восприятие материала физики учеником, заставляет меня изобретать новые и новые анимашки. Другая сторона дела оказалась для меня совершенно неожиданной. Чтобы сделать более или мене удачную анимацию, нужно влезать во все подробности изображённого с её помощью явления. Например, на рисунке слева изображена привычная схема электронных уровней атома. Это для нас она привычная, а ученик, следуя увиденному в своём подсознании «думает», что электроны так и скачут между уровнями по прямой! У нас-то есть целиковый сложившийся образ строения атома по Бору, или даже посложнее, с орбиталями и облаками вероятностей по Шрёдингеру, но у ученика-то его нет. Кстати, а вы можете ответить, как на самом деле они скачут? За какое время происходит тот или иной переход. А мне при создании модели атома водорода по Бору этого не избежать никак. Деваться некуда. Думаю, вы ответили правильно: за время, равное периоду обращения электрона. «Где всё началось, там всё и закончится». В противном случае образовалась бы незавершённая электромагнитная волна, произошёл бы разрыв пространства-времени. Такого природа не допускает. Здесь реализуется принцип наименьшего действия, уравнение Гамильтона - Якоби (первая производная Гамильтонова действия) должно быть равно нулю, указывая на наличие экстремума, в данном случае минимального действия. Именно требование неразрывности пространства порождает кватнованность уровней в атоме, а вовсе не правила Бора. Эти правила квантования родились, когда ещё учёный мир слабо осознавал характер электромагнитного поля. С тех пор все и повторяют полунаучные догадки Н. Бора слово в слово. А, между тем, именно тот факт, что переход электрона с первой орбиты на ядро требует действия ЕТ = h/2, что никак не возможно, и создаёт первую и единственно устойчивую орбиту в атоме. Подсчитайте сами, если не лень. Именно в такую орбиту укладывается целое число волн де-Бройля – круглый аналог стоячей волны, не требующий излучения вовне. К чему столь длинное отступление в нешкольную физику? Просто хотелось показать, чего минимально требует иногда простой самодвижущийся рисунок от его создателя. Для понимания вопроса оказалось необходимым даже вступить в довольно длительную переписку с русскоговорящим профессором одного из мексиканских университетов. Правда, в конце концов всё-таки пришлось отказаться от плавного перехода электрона с орбиты на орбиту в анимации для упрощения управляющего скрипта, да, суть не в этом. Другая сторона дела – это спектр излучения водорода. Мы показываем ученикам спектр, он носит линейчатый характер потому-то и потому-то. Но не всё так просто. Отдельный атом излучает отдельный квант, а рисунок спектра создаёт ложное впечатление, что атом «светит» всё время. Так же ложно впечатление, что атом излучает все линии спектра сразу, между тем один атом излучать может в данный момент только одну линию, а спектр есть результат свечения многих атомов. Этот факт, к сожалению, нигде и никогда не обсуждается с ребятами и может давать неверную картину явления. Анимация же всё ставит на свои места! Пришлось придумать, как линия спектра появляется на короткое время излучения, и только та, которая соответствует заданному переходу электрона в атоме водорода на более низкую орбиту. А при излучении инфракрасных и ультрафиолетовых линий, не появляется ничего, излучение есть, но оно для глаз не видимо. (См. http://sverh-zadacha.ucoz.ru/7/skrelin/models/10-9-1-atom.html ) А вот другой пример, попроще. Что уж казалось бы сложного в л/р «Измерение фокусного расстояния линзы»? А вы по-быстрому сможете ответить, сколько стигматических изображений можно получить на экране, если поставить предмет, экран, а между ними собирающую линзу, с возможностью её перемещения вдоль оптической оси установки? Это не сложно: ноль, одно или два. Если расстояние между предметом и экраном менее 4F, то ни одного, если равно 4F, то одно равное и обратное, а если более 4F, то два: увеличенное и уменьшенное. Это вытекает из квадратичной зависимости расстояний. Но как это наглядно и красиво демонстрирует анимация (http://sverh-zadacha.ucoz.ru/Virtual_lab/11-3-lens/11-3-lens.htm )! А, вот вопрос посложнее. На всем привычном чертеже хода лучей в собирающей линзе есть грубейшая ошибка. Заметили? И мы повторяем её веками. ВЕКАМИ! Вот пример того, как мы, доверившись более умному, как нам казалось, источнику, бездумно транслируем этот недочёт детям. А между тем уменьшенное только по вертикали изображение стрелки и есть та самая ошибка! Меняются не только вертикальные размеры предмета на изображении, но дети думают вслед за нашими рисунками, что меняется только вертикальный размер! Можно сказать, что на плоском рисунке трудно показать этот феномен (но ведь можно рисовать на уменьшенном изображении стрелочку потоньше, или в тексте где-то оговорить сей момент, так ведь нет). Можно сказать, что это всего лишь условное, схематическое изображение, не отражающее всей полноты явления для упрощения. Часто упрощения создают недоразумения. Опять же в нашей-то голове есть полное представление об объекте изучения, но у учеников-то его может не быть. Спасибо тому же Горячкину, научил непредвзято вглядываться в картинки. Читайте его четвертый том и не только, учитесь у великого методиста!
А ещё изготовление анимаций помогает увидеть хорошо известное с новой точки зрения, на что в текучке школьной жизни внимания не обращаешь. Как завораживающе меняется размер изображения при перемещении ползунка в анимации, управляющего положением линзы! В исследовательской работе «Ход лучей в линзе» не менее волшебно проявляется это изумительное свойство интерактивной анимации. Многие ученики думают (см. внимательно на рис . выше), что лучи исходят только из верхней части предмета, и лучей таких может быть два, ну, три. Анимация показывает наглядно и убедительно, лучей существует великое множество и все они подчиняются единой закономерности. Как славно, направляя лучики под разными углами к линзе, собирающей или рассеивающей, мы видим, как она завораживающе преломляет их. Впрочем, натурный опыт нисколько не хуже, только там у ученика нет возможности самому покрутить оптическую установку. Поэтому мы и рекомендуем использовать наши интерактивные анимации как дополнение к основному изложению, а не как самодостаточный материал, особенно в дистантном обучении. Ещё пример, проводимость полупроводников. Сразу скажу, что от модели, предлагаемой авторами школьных учебников, пришлось сразу отказаться, слишком много вопросов возникает у учеников, на которые ответов в такой модели не найти. Я использовал зонную теорию, что не сложнее того, что даётся обычно в школе, зато понятно всё! И даже работа светодиода, и твёрдотельного лазера! На такой, например, вопрос сможете ответить сразу. p-n-переход образуется электронами и дырками соседствующих областей двух полупроводников разного типа проводимости. А эти заряды связаны или свободны? Могут ли они наряду с другими носителями зарядов участвовать в образовании электрического тока? Нет, они являются связанными, ибо находятся на подуровнях в запрещённой зоне, хотя и близко от зоны проводимости или же валентной зоны. Всё это очевидно и понятно в зонной модели, в «школьной» нет. А без ответа на такой вопрос не будет понят до конца вопрос о проводимости контакта двух полупроводников. А как легко можно перейти после этого к алфёровским гетероструктурам, где не только будет всё понятно без лишних объяснений как, но и для чего.
Важен не только феномен кванта знания, сформировавшегося клубка ассоциаций в голове ученика, но и его качество, в частности полнота, завершённость, самодостаточность. Нынешняя программа по физике (ФГОС) построена по принципу начётничества. В курсе физики должно быть нечто, что не хуже чем у «них». И это за два часа в неделю! При таком подходе, ни о каком качестве знаний, их полноте и самодостаточности не может быть и речи. По этой причине мы занимаем 83 место в мире по уровню функциональной грамотности (PISA). И ни какие амбиции, ни какие костыли не помогут нам занять так желанное для министерства место в первом десятке стран.
Стремление дать самодостаточное представление о полупроводниках и их применении, которое бы могло потом прорасти в более совершенное в вузе, заставило нас обратиться к зонной модели полупроводника. Ибо, если в вузе человеку придётся менять своё представление о явлении, то такое представление попросту изначально было не нужно.
Из тех же соображений мы расширили несколько изложение вопроса о применении полупроводников. Сказать, что диоды применяются в выпрямителях, а также в качестве детекторов мало. Для ученика это не знание, а информационный шум. Знанием оно является только для того, кто представляет себе работу и назначение выпрямителя, детектора.
Резников нам и тут помог. Согласно его представлениям рисунок должен появляться перед учеником постепенно, а не сразу. Дидактически важно, чтобы он появлялся, начиная с главного. Скажем, в нашей анимации мы хотим показать работу детектора в детекторном приёмнике (см. ШАГ 5): http://sverh-zadacha.ucoz.ru/7/skrelin/models/11-9-8-zona.html
Что первое должно появиться на рисунке? Нет, не детектор. Главное в приёмнике – приёмная антенна. Она принимает сигналы. Поэтому мы начинаем являть схему приёмника именно с неё, и сразу, чтобы всё понять не только на словах, подключаем к ней и заземлению осциллограф. И что видим? – Ничего. Сигнал слаб, да и выделить в хаосе принимаемых волн один внятный не возможно. Ученик видит это! (Попутно учим понимать картинки с осциллографа). Чтобы получить нечто вразумительное, надо подключить колебательный контур (ШАГ 6). Мало этого, надо настроить его на частоту одной из работающих станций. Слайдером, управляющим ёмкостью конденсатора, приближаемся к резонансу на принимаемой волне в районе 63 пФ. О. чудо! Есть сигнал, и вполне внятный. Но это ещё не звук. Добавляем детектор, другие детали шаг за шагом. Вот, теперь преемник готов. И ученик всё видел глазами и слышал ушами (в анимации работает звук). Постепенное появление в соответствии со значимостью и функционалом даёт ученику самое полное представление о схеме и работе детекторного приёмника. Выбросите хоть один шаг из этой анимации (например для экономии времени, или, сочтя что-то лишним, сложноватым), и всё рухнет. Таково свойство кванта знания, он требует определённой целиковости. Взялся за гуж…
Кстати о колебательном контуре. Частота, на которую он настроен, лежит в одном из вещательных радиодиапазонов (СВ). Это так же важно. А то в одной задаче (ЕГЭ) читаю: лазер излучает красный свет с длиной волны 700 нм… Таких лазеров в природе не существует! Есть, к примеру, 635 нм, а 700 – извините, нет. Круг материалов и легирующих добавок в природе ограничен таблицей Менделеева. Нельзя давать ученику то, чего быть не может. Можно настроить колебательный контур на длину волны 45 м, но изображать, что вы можете принимать сигнал на этой волне, есть полная чепуха. В районе 49 м – можно, можно в районе 41 м, но на волне 45 м пусто! Мы видим, что не только анимация сложных явлений, но и, казалось бы, самых обычных, какую ни возьми, проявляет свойство богатства представлений и ощущений в сравнении со статичным рисунком, а тем более со словесным или формульным описанием (с «меловой физикой»). Представляется чрезвычайно важным накопление чувственного опыта общения ученика с виртуальными моделями физических явлений (что не отменяет, а дополняет натурную физику) при дистантном или частично дистатном обучении, или же в качестве домашнего задания при очной работе педагога.
Например, на рисунке слева изображена привычная схема электронных уровней атома. Это для нас она привычная, а ученик, следуя увиденному в своём подсознании «думает», что электроны так и скачут между уровнями по прямой! У нас-то есть целиковый сложившийся образ строения атома по Бору, или даже посложнее, с орбиталями и облаками вероятностей по Шрёдингеру, но у ученика-то его нет. Кстати, а вы можете ответить, как на самом деле они скачут? За какое время происходит тот или иной переход. А мне при создании модели атома водорода по Бору этого не избежать никак. Деваться некуда. Думаю, вы ответили правильно: за время, равное периоду обращения электрона. «Где всё началось, там всё и закончится». В противном случае образовалась бы незавершённая электромагнитная волна, произошёл бы разрыв пространства-времени. Такого природа не допускает. Здесь реализуется принцип наименьшего действия, уравнение Гамильтона - Якоби (первая производная Гамильтонова действия) должно быть равно нулю, указывая на наличие экстремума, в данном случае минимального действия. Именно требование неразрывности пространства порождает кватнованность уровней в атоме, а вовсе не правила Бора. Эти правила квантования родились, когда ещё учёный мир слабо осознавал характер электромагнитного поля. С тех пор все и повторяют полунаучные догадки Н. Бора слово в слово. А, между тем, именно тот факт, что переход электрона с первой орбиты на ядро требует действия ЕТ = h/2, что никак не возможно, и создаёт первую и единственно устойчивую орбиту в атоме. Подсчитайте сами, если не лень. Именно в такую орбиту укладывается целое число волн де-Бройля – круглый аналог стоячей волны, не требующий излучения вовне.
А, вот вопрос посложнее. На всем привычном чертеже хода лучей в собирающей линзе есть грубейшая ошибка. Заметили? И мы повторяем её веками. ВЕКАМИ! Вот пример того, как мы, доверившись более умному, как нам казалось, источнику, бездумно транслируем этот недочёт детям. А между тем уменьшенное только по вертикали изображение стрелки и есть та самая ошибка! Меняются не только вертикальные размеры предмета на изображении, но дети думают вслед за нашими рисунками, что меняется только вертикальный размер! Можно сказать, что на плоском рисунке трудно показать этот феномен (но ведь можно рисовать на уменьшенном изображении стрелочку потоньше, или в тексте где-то оговорить сей момент, так ведь нет). Можно сказать, что это всего лишь условное, схематическое изображение, не отражающее всей полноты явления для упрощения. Часто упрощения создают недоразумения. Опять же в нашей-то голове есть полное представление об объекте изучения, но у учеников-то его может не быть. Спасибо тому же Горячкину, научил непредвзято вглядываться в картинки. Читайте его четвертый том и не только, учитесь у великого методиста!