Применение информационных технологий в организации деятельности учащихся по решению физических задач

-оперативная информация, систематически пересылаемая заказчику по электронной почте в соответствии с выбранным списком рассылки;

-разнообразные базы данных ведущих библиотек, информационных, научных и учебных центров, музеев;

-информация о компакт-дисках, видео- и аудиокассетах книгах и журналах, распространяемых через internet-магазины.

Средства телекоммуникации, включающие электронную почту, глобальную, региональные и локальные сети связи и обмена данными. Открывают перед обучаемыми и педагогами широчайшие возможности: оперативную передачу на любые расстояния информации любого объема и вида; интерактивность и оперативную обратную связь; доступ к различным источникам информации; организацию совместных телекоммуникационных проектов; запрос информации по любому интересующему вопросу через систему электронных конференций.

Перечисленные возможности современных телекоммуникаций способствуют развитию новой формы обучения -- дистанционного. Это специфическая образовательная система, базирующаяся на современных педагогических и информационных технологиях. Компьютерные коммуникации обеспечивают эффективную обратную связь, которая обеспечивается как организацией учебного материала, так и общением (через электронную почту, электронную конференцию) с преподавателем, ведущим определенный курс. Такое обучение на расстоянии и получило в последние годы название «дистанционного» (англ. distance education -- обучение на расстоянии).

В большинстве случаев данный термин используется когда «доставка» учебного материала, взаимодействие педагога и обучаемого обеспечивается с помощью современных информационных и коммуникационных технологий (телевидение, радио, компьютерные коммуникации). Этот термин подчеркивает отличие предлагаемой формы обучения от традиционной заочной, когда для обмена сообщениями преподаватель и учащиеся использовали почтовую связь.

Организация дистанционного обучения, как правило, базируется на специализированной учебной инфраструктуре. Чаще всего это специальный центр, в составе которого имеются методическое подразделение, разрабатывающие и распространяющие соответствующие учебные материалы, а также группа технической поддержки, обеспечивающая функционирование студии учебного телевидения, образовательного Web-сервера и других специализированных узлов компьютерных коммуникаций.

Дистанционное образование позволяет решать задачи обучения и повышения квалификации людей, находящихся вдали от учебных, научных и технических центров, и получает все более широкое распространение, поскольку способствует удовлетворению образовательных потребностей общества.

В заключение более подробно остановимся на организации взаимодействия преподавателя и обучаемых, основанного на применении именно коммуникационных технологии. При этом речь будет идти не только о дистанционном обучении.

Современные коммуникационные технологии позволяют индивидуализировать и активизировать образовательный процесс даже в рамках группового сообщающего обучения, в основе которого лежит представление преподавателем учебного материала, ориентированного на некоего «усредненного» обучаемого. Методы традиционной образовательной системы получают благодаря возможностям коммуникационных технологий новое развитие. Так, лекции, содержащие материал, восприятие которого не требует дополнительных дискуссий, могут быть подготовлены в электронном виде, выставлены в локальной сети, в Internet или в электронной конференции.

Конспекты лекций могут дополняться подборками статей, дополнительными материалами, адресованными конкретным студентам. Индивидуальное обучение как таковое реализуется в основном посредством таких технологий, как ICQ, электронная почта, обеспечивающих общение студента с преподавателем в приватной форме.

Технологии чатов, видео- и электронных конференций позволяют проводить как оперативные коллективные обсуждения, дискуссии, так и протяженные по времени виртуальные семинары. В последнем случае порядок работы обусловливается асинхронностью образовательной среды: участники электронного семинара готовят сообщения, которые отправляются по электронной почте для рассмотрения всей группой. Далее следует направляемое преподавателем их обсуждение, по завершении которого участники группы подводят итоги, опять-таки представляемые всей группе.

Такая структура обладает известной гибкостью в плане использования времени: нет жестких требований по включению в обсуждение в определенный момент, а есть возможность обдумать обсуждаемую проблему и направить свое письмо в наиболее удобное для обучаемого время. Вклад всех участников группы в таком семинаре хорошо виден и преподавателю, и обучаемым, что может служить дополнительным стимулом к активной работе. Управление электронным семинаром требует от преподавателя определенных навыков в принятии оперативных решений, связанных с необходимостью направить обсуждение в нужное русло, обеспечить корректность высказываний, активизировать обучаемых, способствовать как проявлению индивидуальности, так и совместному творческому поиску.

Таблица 1. Для соответствующих ИТО в зарубежной практике принята следующая терминология

CAI	Computer Aided Instruction	Компьютерное программированное обучение
CAL	Computer Aided Learning	Изучение с помощью компьютера
CBL	Computer Based Learning	Изучение на базе компьютера
CBT	Computer Based Training	Обучение на базе компьютера
CAA	Computer Aided Assessment	Оценивание с помощью компьютера
CMC	Computer Mediated Communications	Компьютерные коммуникации

1.2 Психологические аспекты информатизации образовательной системы

Ещё Норбертом Винером было сформулировано положение о том, что технические средства, используемые культурой данного общества, оказывают определённое влияние на преобладающие способы мышления. Информационные технологии не только меняют само существо связанной с ними деятельности, но и оказывают как прямое, так и косвенное воздействие на личность человека, что впоследствии может проявляться также и в тех видах деятельности, которые напрямую никак не связаны с их применением. Всё это объясняется тем, что наше мировосприятие в основном обусловлено и ограничено теми средствами, которые мы используем в разных видах своей деятельности. В ходе обучения на основе ИТО человек с помощью новых средств осваивает новые категории, дающие новые представления о картине мира, что впоследствии, безусловно, будет сказываться в других, не только учебных сферах его деятельности.

Особенности воздействия ИТО на психику обучаемого. Существуют различные ситуации, обусловливающие воздействие ИТО на психику обучаемого. Это, конечно, и непосредственное взаимодействие с той или иной информационной технологией в рамках учебно-познавательной деятельности. Далее, не стоит забывать о широком распространении компьютерных игр и специальных аттракционов, основанных на технологии виртуальной реальности. Даже те, кто никак впрямую не соприкасается с компьютерами, являются их косвенными пользователями, смотря анимационные фильмы, пользуясь кредитными карточками и т.д. Ну и, наконец, сами педагоги и обучаемые, активно взаимодействующие с информационными технологиями, распространяют их влияние все дальше и дальше.

Применяя ИТО в образовательном процессе, педагог должен учитывать следующие основные особенности.

Во-первых, те новообразования, которые возникают под влиянием ИТО, переносятся в условия традиционного общения. Исследования психологов показали, что значительно усиливаются требования к точности формулировок, логичности и последовательности изложения, повышается значение рефлексии, однако при этом же снижается роль эмоциональных средств общения.

Во-вторых, наблюдается и обратный процесс: особенности традиционной деятельности становятся присущи и компьютеризованной.

В работе как со школьниками младших классов, так и со студентами педагогам приходится очень часто наблюдать элементы «очеловечивания» программ и самих компьютеров, когда пользователь (начинающий или высококвалифицированный) восполняет поле своей деятельности отсутствующими, но, по всей видимости, просто необходимыми элементами. Опытному педагогу или психологу иногда достаточно просто посмотреть на то, как оформлен «Рабочий стол» на экране компьютера, чтобы многое понять о человеке.

Подобные противоположно направленные воздействия и формируют сложную и противоречивую структуру различных видов деятельности (в том числе и учебно-познавательный), основанной на применении информационных технологии.

Влияние ИТО на личность обучаемого может быть выражено в большей или меньшей степени: от локального, касающегося ограниченного круга психических явлений (например, использование компьютерного слэнга), до глобальных, свидетельствующих об изменении личности в целом (Internet - зависимость, синдром хакера и т.п.). Необходимо заметить, что психологи, педагоги, специалисты в области информационных технологий уделяли и уделяют много внимания исследованию последствий информатизации для различных видов деятельности - игровой, учебной, профессиональной. Однако вопросы глобальных изменений личности в полной мере еще не изучены, вот почему становится понятной необходимость участия педагогов, психологов в экспертизе разрабатываемых проектов по внедрению НТО. В этом случае появляется возможность выявить и принять меры как для нейтрализации негативного воздействия ИТО на личность обучаемого, так и для создания условий, в которых в наибольшей степени смогут проявить себя преимущества, обеспечивающие применение этих технологий.

Характерным примером служит использование в качестве ИТО Internet-технологий, дающее возможность позитивных преобразований личности на основе качественного изменения коммуникативной и познавательной деятельности, самого стиля обучения. Поскольку при работе в Internet повышается активность познающего субъекта, индивидуализируется процесс обучения, преодолеваются стереотипы авторитарного стиля взаимодействия педагога и ученика, появляется доступ к различным, подчас противоречивым, источникам информации. Все это стимулирует развитие личности обучаемого -- самостоятельности его суждений, инициативности, мобильности. Однако существуют и отрицательные последствия: интенсивное интеллектуальное и творческое развитие не гарантирует того, что обучаемый успешно адаптируется к запросам и требованиям социальной среды. Реальна и Internet-зависимость, которой могут подвергнуться обучаемые самых разных возрастов.

Психологические последствия этого явления -- социальная изоляция (частичный или полный отказ от общения с другими людьми, замена реальных друзей виртуальными, ослабление эмоциональных реакций, существенное сужение сферы интересов и т.п.). Некоторые избавляются от этого пристрастия самостоятельно, вдоволь «нагулявшись» по глобальной сети, в то время как для кого-то может потребоваться и помощь психолога.

Психологические механизмы воздействия информатизации. Большой интерес представляет также вопрос о том, каким образом те или иные психологические компоненты, сформированные под воздействием ИТО, переносятся в традиционные, «безкомпьютерные» сферы деятельности, т.е. в чём состоит суть психологических механизмов воздействия информатизации. Ответ на этот вопрос очень важен для педагога, поскольку позволяет использовать не только прямое, но и косвенное воздействие ИТО.

Перенос умений и навыков работы с ИТО на навыки традиционной деятельности может осуществляться с помощью аналогии и уподобления своей деятельности работе технического устройства. Так, педагоги, применяющие ИТО, отмечают, что эти технологии преобразуют учебную деятельность, внося в нее четкость, эффективность, предсказуемость. В то же время важнейшей задачей педагога становится показать обучаемым ограниченность подобного подхода. Нельзя исключать влияние примитивных (механических) способов «мышления» многих компьютерных обучающих программ на развитие способов мышления обучаемых. Необходимо перевернуть ситуацию, показав обучаемым, каким образом сознательно выбрать и применить оптимальные алгоритмы решения задач по аналогии с компьютером, но используя рациональный подход к построению именно оригинального решения, путь к которому подскажет интуиция, догадка, неординарный, иррациональный взгляд на проблему.

Не отрицая того, что ИТО способствуют развитию новых форм учебной деятельности, получению новых знаний, умений и навыков, отметим, что наблюдается и движение в обратном направлении. Используя для этого явления термин реверсия, психологи понимают под ним возрождение ряда ранее весьма значимых, но затем в значительной степени утративших свою роль психических компонентов.

Одним из наиболее характерных примеров является возрождение (правда, в новых, видоизмененных формах) эпистолярного творчества. Электронная почта, чаты, телеконференции потребовали навыков письменного общения, которые во многих развитых странах оказались практически забытыми благодаря широкому распространению телефонной связи. Там, где обучаемым становятся доступны коммуникационные технологии, естественным образом создаются условия для возникновения у них мотивации овладения письменной речью. Мы становимся свидетелями зарождения своеобразной субкультуры, включающей правила знакомства в Internet, этикет электронной деловой и личной переписки (в частности требующий обязательного быстрого ответа на каждое полученное письмо), специфический символьный язык, позволяющий передать в сообщении свое настроение. Internet переводит на новый, общедоступный уровень межэтническое общение, ведет к актуализации общекультурных познаний, создает мотивацию и условия для интенсивного изучения иностранных языков в ходе переписки.

Внедрение любых высоких технологий в различные сферы деятельности очень часто напрямую преследует в качестве основной цели освобождение человека от рутинных операций и, как следствие, создание условий для его развития. Так и внедрение ИТО постепенно делает ненужными не только многие умения и навыки, но даже формы деятельности. Однако отнюдь не всегда подобные потери являются допустимыми. Например, никто не будет отрицать больших возможностей электронных таблиц, позволяющих производить не только обычные вычисления, но и помогающих избавившись от рутинных операций, перейти к анализу данных. В то же время широкое и не всегда оправданное использование микрокалькуляторов даже в начальной школе ведет к утрате навыков устного счета, быстрого счета и т.п. В итоге это приводит к тому, что учащиеся не могут правильно оперировать самим понятием числа, поскольку не прочувствовали основные операции с числами.

Наибольшая опасность здесь кроется в том, что современные ИТО часто обеспечивают легкость получения разнообразной информации. Поэтому задача педагога состоит в том, чтобы направить усилия обучаемых на самостоятельную выработку новых знаний (не информации!), представляющих собой результат познавательного процесса, полученный самим обучаемым. Так, например, разнообразные программные комплексы для статистической обработки, системы символьной математики дают практически готовые и наглядно иллюстрированные решения разнообразных задач, получение которых ни в коем случае не должно быть самоцелью. Здесь мощный потенциал ИТО может вывести на новый уровень «традиционные» навыки обучаемых: поиск и установление взаимосвязей между различными параметрами, уточнение постановки задачи, сопоставление различных методов решения, анализ результатов, обобщение полученных знаний.

Широкому внедрению ИТО обязательно должны сопутствовать специальные меры, направленные на эмоциональное развитие обучаемых.

Опасность технократического мышления, развивающегося под прямым и косвенным влиянием информационных технологий, по мнению психологов, состоит в том, что для такого мышления характерны «примат средства над целью, цели над смыслом и общечеловеческими интересами, смысла над бытием и реальностями современного мира, техники (в том числе и психотехники) над человеком и его ценностями».

Итак, последствия применения ИТО могут быть как позитивными, так и негативными, к оценке той или иной технологии нельзя подходить односторонне. Проектируя использование ИТО в учебно-воспитательном процессе, педагог должен проанализировать те возможные прямые и косвенные воздействия на личность обучаемого, которые и будут определять его развитие.

1.3 Использование компьютерных технологий на уроках физики

Применение новых информационных и телекоммуникационных технологий в школьном физическом образовании обсуждается широко и на методических советах различного уровня и на страницах всех методических журналов и газет. При этом каждому учителю, безусловно, понятно, что это требование сегодняшнего дня. Но всё равно есть сомнения или неуверенность. Поэтому я хочу рассказать о нашем опыте использования новых информационных технологий в учебно-воспитательном процессе, чтобы тем самым, в первую очередь, показать преимущества данной методики работы и помочь вам преодолеть боязнь внедрения новых технологий в практику своей работы.

Достижение высокой эффективности учебного процесса - нелёгкая задача для каждого школьного преподавателя. Успешное решение этой задачи определяет уровень его мастерства. Не всегда достаточно заинтересовать учащихся содержанием предмета. Необходимо создать такие условия, при которых полноценное усвоение основ научных знаний было бы доступно каждому ребенку, способствовало развитию когнитивных функций мозга, опиралось на все психические качества, участвующие в обучении, поддавалось контролю со стороны учителя. Для преподавателей школьных предметов естественнонаучного цикла эта задача усложняется тем, что нужно добиваться глубокого понимания учащимися законов и процессов, изучаемых в рамках общепринятой учебной программы. В этом случае использование технических средств, таких, как компьютер, видеомагнитофон, DVD -плеер, может быть весьма эффективным.

Развитие новых информационных технологий и приход их в школу существенно расширяет возможности учителя в преподавании предмета, позволяет проникнуть глубже в суть рассматриваемых явлений.

Персональный компьютер превратился в эпоху Интернета из средства производства информации в средство доступа к ней. И его использование в образовании просто провоцирует учителя и ученика на творчество и новаторство, даёт возможность перейти к более эффективным формам обучения.

Вряд ли кто-то из нас сейчас может с полной уверенностью заявлять, что совсем не использует компьютер в своей преподавательской деятельности. В той или иной мере, мы все прибегаем к его помощи. И мы не откроем секрета, что даже если совсем минимизировать применение компьютера на уроке, тем не менее, он очень сильно своим приходом в нашу жизнь, облегчил нам работу. Но учитель - всегда творческая личность, и, получив новое средство обучения, как правило, стремится использовать это средство как можно более полно, как можно более эффективно. Итак, поставим перед собой вопрос: как, и в каком объёме, может быть использован компьютер на уроке физике?

Сначала просто перечислим возможные на сегодня (т.е. реально используемые учителями) направления внедрения информационных технологий в практическую деятельность учителя обычной образовательной школы:

-Опираясь только на домашний ПК учителя;

-Реализуя возможности автоматизированного рабочего места учителя в кабинете физики или специализированном классе школы;

-Через проведение занятий в компьютерном классе школы;

-Используя домашние ПК учащихся;

С чего же начинать? Наверное, с самого простого и лишь постепенно расширять круг видов деятельности сначала самого учителя, а затем и учащихся вместе с учителем. Не надо пытаться сразу охватить все виды деятельности на уроке, изменить полностью учебный процесс в угоду внедрения новых педагогических технологий. Это будет крайне сложно, да и не принесёт желаемого результата.

У нас в школе компьютер начал внедряться в учебный процесс уже достаточно давно, поэтому мы уже можем поделиться своим небольшим опытом его использования на различных этапах учебного процесса. В самых различных формах работы компьютер применяется нами для следующих видов организации учебной деятельности:

-организации повторения домашнего материала;

-объяснения нового материала;

-закрепления изученного и проверки знаний учащихся.

Сейчас наша школа имеет в распоряжении хорошо оснащённый мультимедийный кабинет. Доступ в него имеют все учителя - предметники, чуть позже расскажу, какие возможности раскрывает для учителя наличие такого кабинета в школе. А начинали мы тоже с малого. В кабинете информатики на компьютере были загружены некоторые программы- тренажёры, которые составлялись самими учителями физики, старшеклассниками, да и выпускниками школы. На этих программах класс изредка мог отрабатывать решение задач по определённым темам, проходить тематическое тестирование.

Тогда компьютера в нашем свободном распоряжении не имелось. Проведение этих уроков, понятно, было связано с совсем определёнными трудностями - это распределение учебного времени. Детей приходилось приглашать во внеурочное время, тогда когда был свободен кабинет информатики. Приходить могли не все ребята, поэтому эффективность этих занятий была, но, к сожалению, не такая высокая, как нам того хотелось бы.

Затем у нас в распоряжении появился компьютер, который использовался нами только на уроках физики. Это сразу значительно расширило наши возможности его применения. Мы начали использовать те же самые тесты для систематического контроля усвоения знаний учащимися. Это сразу стало для ребят мощным стимулом к изучению предмета. Причём использование компьютера сразу задействовало межпредметные связи. У нас появилась возможность привлечь к своей методической работе самих ребят. Так как наша школа обладает статусом школы с углублённым изучением отдельных предметов (математики, физики, информатики), наши учащиеся изучают информатику и информационные технологии на высоком качественном уровне. Поэтому старшеклассники уже сами смогли принять участие в составлении и подобных тренировочных тестов по предметам в целом и по физике в частности. А также у нас появилась такая форма работы с ребятами, как составление ими презентаций на определённые темы.

В дальнейшем, лучшие из этих работ мы используем в своей деятельности уже как методические пособия. Причём подобная работа выполняется детьми дома на своих ПК и только по желанию ребёнка. Это рассчитано на формирование интереса и творческого отношения к получаемым ребёнком знаниям.

С появлением в школе класса, позволяющего осуществить мультимедийную поддержку уроков, наши возможности в использовании новых технологий на уроках резко расширились. Мы не оставляем творческую работу по составлению различных видов тестов, творческих заданий. Но наряду с этим мы стали внедрять в свою деятельность базу уже созданных электронных уроков. Существует огромное число готовых программных продуктов, которые могут быть использованы учителями- предметниками при проведении современных уроков с применением новых информационных технологий.

Подобные уроки позволяют повысить мотивацию учащихся в изучении предметов естественно- математического цикла, активизировать их познавательную деятельность, формировать общее мировоззрение на научном уровне. Причём подобные программы могут быть использованы как в полном предложенном объёме, так и моделироваться учителем под конкретный урок и конкретные задачи. Для себя из всего многообразия учебных электронных программ мы выделили несколько программ, которыми активно пользуемся и которыми мы очень довольны. Это следующие программы:

«Электронные уроки и тесты» в 6 томах. ЗАО «Новый Диск»

1С: Школа. Физика, 7-11 классы «Библиотека наглядных пособий»

«Интерактивный курс физики для 7-11 классов». С.М. Козел, В.А. Орлов, Н.Н. Гомулина, Н.Н. Соболева, А.Ф. Кавтрев.

«Библиотека электронных наглядных пособий»

«Видеозадачник по физике» А.И. Фишман, А.И. Скворцов, Р.В. Даминов.

Мы стараемся не придерживаться какой-то одной программы, готовясь к уроку, пытаемся выбрать из разных дисков наиболее интересные фрагменты, которые наиболее полно решают учебные задачи.

Кроме этого, помимо компьютера, мы имеем возможность использовать на своих уроках и видеосюжеты. Это расширяет наши возможности, потому что мы не всегда можем в условиях урока провести сложные физические эксперименты, наблюдение за которыми ярко демонстрировало бы то или иное физическое явление. Использование на уроках видеоаппаратуры раздвигает и эти границы.

Сейчас в школе появилась ещё одна новинка - интерактивная доска, которая ещё больше облегчает нашу работу и вызывает активный познавательный интерес к изучению не только физики, но и всех предметов у наших детей. Интерактивная доска позволяет включить в активную работу с компьютерной программой уже весь класс в целом и каждого ребёнка в отдельности. При выполнении какого-то теста или задания результаты работы, как и ошибки, допущенные в ней, становятся доступны для обозрения не одного ученика, а всего класса. Это увеличивает эффективность использования компьютерных технологий для решения поставленных перед уроком задач. Причём программы, которые идут в комплекте с самой доской, ориентированы именно на развитие познавательного интереса учащихся к предмету.

Но ведь ни для кого не секрет, что для того, чтобы ребёнок хорошо усвоил материал, ему необходимо его индивидуально отработать. Для этих целей в школе, помимо мультимедийного кабинета, кабинетов информатики создан ещё и кабинет тренажёр. Если в мультимедийном кабинете мы имеем только один компьютер и можем работать коллективно или, в крайнем случае, можем протестировать 2-3 учеников за урок, посадив их за компьютер, то кабинет-тренажёр даёт возможность каждому учащемуся оценить свои знания, потренироваться в решении задач и найти пробелы в своих знаниях. Из готовых программных продуктов мы пользуемся в этом случае чаще всего диском:

«Подготовка к ПГК» Физика 10-11.

Здесь программа составлена таким образом, что может быть использована практически во всех классах, начиная с 7 по 11. Удобный интерфейс позволяет учителю не только выбрать количество необходимых, на его взгляд, заданий, но и установить уровень их сложности, а также после проверить качество выполнения заданий каждым учеником.

Хочется сказать, что не нужно бояться начинать. Подобная методика не предполагает отказа от ранее наработанного. Это лишь обогащает урок, делает его более наглядным. Со временем, когда учитель уже сам привыкнет к применению компьютерных технологий на уроках, подобная методика преподавания сильно облегчит работу педагога.

Уроки с использованием мультимедийных возможностей очень нравятся детям, они активизируют их интерес к изучению предмета. Но здесь есть один подводный камень, о котором я пока умолчала. При всех видимых плюсах данной методики работы, при всех её преимуществах, необходимо помнить одну старую, давно известную истину: всё хорошо в меру. Нельзя переусердствовать. Материал, излагаемый с использованием новых технологий, должен быть строго дозирован. Нельзя убить эффект новизны и необычности. Мы с радостью ходим в 1-ый класс, просто потому что школа для нас - это «новое». Но очень быстро для многих это становится нудной обязанностью. Задача учителя - сделать так, чтобы поддержать интерес детей к подобной форме работы.

Поэтому мы стараемся у старшеклассников проводить подобные уроки не чаще, чем один раз в неделю, а с учащимися среднего звена не чаще, чем один раз в 3-4 урока. Тогда интерес ребят не гаснет, а наоборот только растёт.

1.4 Особенности лабораторного практикума для естественнонаучных дисциплин

На мой взгляд, основная проблема заключается в различии способов подачи информации, преобладающих в системе естественнонаучного и гуманитарного образования.

В соответствии с одной из существующих концепций, информация воспринимается человеком, проходя следующие этапы: сенсорно-моторный, символьный, логический и лингвистический.

На первом этапе происходит чувственное восприятие информации, на втором осуществляется ее преобразование в образы, на третьем - ее осмысление, на четвертом - информация фиксируется в сознании через "слово-образ".

В преподавании же естественнонаучных дисциплин всегда присутствовал сенсорно-моторный этап. В этом большую роль играют лабораторные практикумы и учебные эксперименты.

Учебный эксперимент является одним из важнейших методов обучения, источником знаний и средством наглядности одновременно. Он может использоваться в качестве введения к той или иной теме курса (мотивация), как иллюстрация к объяснению нового материала (восприятие и осмысление), как повторение или обобщение пройденного (интериоризация) или как контроль приобретенных знаний, умений, навыков, т.е. на всех этапах процесса обучения.

Различают следующие виды учебного эксперимента:

Демонстрационный эксперимент. (Проводится в ходе объяснения для иллюстрации законов и явлений и их применения, демонстрации принципов действия технических установок. А также для знакомства учащихся с фундаментальными опытами (готовится и выполняется только преподавателем).

Фронтальные лабораторные работы, опыты и наблюдения. (Выполняются на уроке всеми учащимися одновременно на однотипном оборудовании, под непосредственным руководством преподавателя).

Практикум. (Является формой самостоятельной работы учащихся, готовится учащимися заранее и выполняется по письменной инструкции).

Внеурочные опыты и наблюдения это-разновидность домашнего задания. Используется для актуализации теоретических знаний или как мотивация к изучению нового материала.

Методически грамотно организованный эксперимент способствует как формированию практических умений, так и активизации теоретических знаний, полученных ранее. В процесс обучения вовлекаются различные каналы восприятия (слух, зрение, осязание, обоняние и т.д.). Это позволяет организовать полученную информацию, как систему ярких образов, и заложить ее в долговременную память.

С другой стороны, подготовка и проведение лабораторных работ являются довольно непростым делом и требуют от учителя знания некоторых методических особенностей, в значительной степени зависит от наличия тех или иных приборов и инструментов.

Частично эти и другие проблемы можно решить, используя при обучении компьютерный эксперимент. Под данным термином мы понимаем лабораторную работу, проводимую полностью на компьютере, без использования других технических средств обучения.

Некоторые эксперименты, проводимые в области компьютеризации учебного процесса, показывают, что применение компьютерного эксперимента позволяет существенно сократить время, которое тратится на рутинную работу (варьирование параметров эксперимента путем изменения схемы установки, расчета результатов измерения и т.д.), тем самым, высвобождая время для более серьезного уяснения целей и задач проводимого эксперимента.

Кроме того, появляется возможность продемонстрировать опыты, которые невозможно провести в условиях учебного кабинета.

Отметим характерные особенности компьютерного эксперимента.

Формой работы является диалог учащегося с компьютером. При этом в функции компьютера входит:

Реализация программными средствами модели изучаемого объекта, установки, процесса или ситуации

Имитация средств измерения и выполнение рутинной части обработки измерений.

Оценка действий учащегося.

Функции учащегося (несколько отличаются от его функций в традиционном эксперименте):

Анализ информации, которую программа выдает на экран дисплея.

Выбор условий эксперимента.

Проведение серий экспериментов для достижения цели, сформулированной в начале работы.

Корректировка последующих шагов с целью получения более высокой оценки и решения задачи более рациональным способом.

Разумеется, что возможна реализация эксперимента только в его компьютерном варианте. Однако при всей привлекательности и несомненной дидактической выгоде компьютерного эксперимента в обучении остаются нерешенными некоторые проблемы.

Во-первых, восприятие информации учащимся уже существенным образом отличается от того, как это происходит при выполнении традиционной лабораторной работы. В частности, сенсорно-моторный этап практически отсутствует. Без данного этапа восприятие не может быть полноценным. Следовательно, неполноценным может оказаться и преподавание соответствующей дисциплины.

Во-вторых, возникает проблема получения политехнических навыков работы с реальными приборами и установками.

Очень важна и все еще мало исследована проблема формирования адекватного представления о мире при работе с нереальными объектами. Возможно, эту проблему можно решить, используя в процессе обучения программные продукты, максимально точно отображающие процессы и явления, происходящие в реальном мире. В этом смысле особое внимание стоит обратить на средства виртуальной реальности.

Таким образом, одной из основных проблем преподавания предметов естественнонаучного цикла является отсутствие возможности реальной постановки учебного, и лабораторного эксперимента.

Хотя в настоящее время имеются разработки виртуальных лабораторных практикумов, однако окончательно решение проблемы требует пристального внимания специалистов различных профилей, в том числе и психолого-педагогического.

2. Курс виртуальных лабораторных работ по дисциплине «Оптические методы и устройства обработки информации»

2.1 Оптические методы

Значительная часть оптической обработки информации основана на свойстве преобразования Фурье. Уникальность тонкой положительной линзы заключается в выполнении преобразования Фурье: в когерентном свете распределение амплитуды излучения в задней фокальной плоскости линзы может быть представлено как двумерное комплексное преобразование Фурье от функции распределения амплитуды света в передней фокальной плоскости линзы. Основные геометрические соотношения при действии тонкой положительной линзы показаны на Рис. 1. Дифракционный интеграл, описывающий взаимосвязь распределений поля во входной и выходной плоскостях такой системы имеет вид:

Где u = /лf , v = /лf ; л - длина волны света, f - фокусное расстояние линзы;

f() - комплексная амплитуда световой волны в передней (входной) фокальной плоскости , F(u,v) - комплексная амплитуда световой волны в задней (выходной, спектральной) фокальной плоскости .



Рисунок 2. Преобразование оптического сигнала тонкой положительной линзой

2.2 Преобразования Фурье в оптике

Математически преобразование Фурье является частным случаем интегрального преобразования Фредгольма с ядром в виде экспоненты с мнимым, линейным по аргументу, показателем. Преобразование Фурье в оптике «реализуется» с помощью аналогового устройства - положительной линзы, и основные свойства этого преобразования могут быть наглядно демонстрированы при рассмотрении прохождения световых волн через оптическую систему, содержащую линзы, диафрагмы, оптические транспаранты и др.

Различают прямое (2) и обратное (3) преобразования Фурье

Линейность - означает, что через одну линзу, осуществляющую преобразование Фурье, одновременно может проходить множество световых сигналов.

 (4)

Подобие - изменение масштаба изображения на входе системы приводит к сжатию либо растяжению области его пространственного спектра.

(5)

Смещение - сдвиг изображения вызывает изменение фазы спектральной функции, но сохраняет неизменной ее амплитуду.

(6)

Производная

(7)

Для функций с ограниченным спектром (финитных функций) выполняется теорема Парсеваля: Это свойство означает постоянство полной мощности (квадрата амплитуды) излучения, проходящего через идеально прозрачную линзу. В фурье-анализе часто используется понятие «свертка» двух функций. Свертка определяется как интеграл от произведения двух функций, смещенных друг относительно друга по осям координат, при этом величина смещения есть аргумент (независимая переменная) интеграла свертки.

2.3 Перспективы развития оптических методов обработки информации

Исследования оптических методов и систем обработки информации ведутся уже более 20 лет. Оптические системы обработки характеризуются высоким быстродействием, возможностью параллельного выполнения операций над большими массивами данных, отсутствием взаимных помех при передаче сигналов по оптическим каналам, а также возможностью организации программируемых локальных и глобальных связей между отдельными узлами оптических систем.

Эти достоинства открывают интересные перспективы для выполнения многих традиционных видов обработки сигналов, когда цифровая электронная техника становится неадекватной. В качестве примеров областей, где потребности в цифровой обработке превышают возможности современной электронной техники, можно назвать обработку и анализ изображений, обработку радиолокационных сигналов, машинное зрение, искусственный интеллект.

Поэтому наряду с разработкой традиционных оптических устройств обработки в последнее время большое внимание уделяется созданию универсальных оптических вычислительных систем, по своим возможностям намного превосходящих ЭВМ. Исследования по созданию средств оптической вычислительной техники проводятся в настоящее время в следующих основных направлениях.

Разработка оптических устройств для повышения быстродействия современных и перспективных ЭВМ (например, оптических устройств распределения синхросигналов, оптических соединений на различных уровнях и т.д.);разработка оптических процессоров специального назначения для решения ограниченного круга проблем. К таким устройствам относятся, в частности, матричные и систолические процессоры.

Ожидается, что потенциальная производительность этих процессоров достигнет 10 опер./с;.создание универсальных оптических цифровых вычислительных машин (ОЦВМ), по быстродействию на несколько порядков превосходящих существующие ЭВМ; исследование принципиально новых оптических компьютеров, в частности нейронно-сетевых, с необычными архитектурами, по своим возможностям приближающихся к человеческому мозгу.

ОЦВМ, превосходящие по быстродействию современные суперЭВМ на несколько порядков, представляют собой параллельные мультипроцессорные системы, которые позволят не только существенно повысить скорость вычислений, но и будут иметь принципиально отличающиеся от ЭВМ архитектуры, решающие задачи искусственного интеллекта, символьной обработки и ассоциативного распознавания изображений. Специалисты считают, что оптические методы благодаря возможности организации программируемых глобальных и локальных связей открывают большие возможности для создания нейронно-сетевых компьютеров.

В настоящее время еще нет общепринятой архитектуры оптической вычислительной машины (ОВМ). Чтобы выработать архитектурные принципы, нужно прежде всего рассмотреть оптические методы, которые можно использовать при создании новой вычислительной системы.

Одним из наиболее важных и фундаментальных принципов построения ОВМ является применение эффективного оптического метода распараллеливания логических вентилей. Это приводит к новой архитектуре логических систем и делает заманчивым переход на оптическую систему, когда электронный вариант оказывается неудобным. Системы с большим количеством связей зачастую легче создать в сравнительно простом оптическом варианте, тогда как уже сейчас ограничения, вносимые соединениями, начинают серьезным образом сказываться на системах, использующих СБИС.

Описаные современные нетрадиционные методы и схемотехнические варианты построения многоканальных оптических цифровых логических систем, основаны на парафазном представлении информации на всех этапах обработки. Важной и интересной особенностью этих устройств является легкость и оперативность переключения на вычисление любой булевой логической функции как электрическими, так и оптическими сигналами, простота, компактность и возможность выполнения методами интегральной технологии. Рассмотрены оригинальные оптические системы связи, обеспечивающие возможность оперативного изменения топологии соединений многоканальных оптических логических устройств. Показано, что производительность многоканальных оптоэлектронных процессоров, построенных на таких схемах, может достигать 10¹³опер./с.

К наиболее перспективным следует отнести схемотехнические варианты создания таких логических устройств на основе световодной (волоконной и интегральной) оптики, которая обеспечивает конструктивную совместимость с электронными интегральными схемами. Идеологически они хорошо сопрягаются с перспективными устройствами вычислительных и поисковых систем с целью образования единой аппаратуры. Такая оптоэлектронная аппаратура, использующая одновременно достоинства оптики и электроники при обработке информации, может широко использоваться в радиоэлектронных системах различного назначения как наземного, так и бортового базирования.

2.4 Управляемый транспарант

Управляемы в оптических системах находят широкое применение: ввод-вывод данных, кодирование и распознавание оптических сигналов, реализация логических операций, усиление яркости изображений, перестраиваемые фильтры. По способу управления модуляцией светового пучка различают электрически (ЭУТ) и оптически (ОУТ) управляемые транспаранты. Оба типа транспарантов могут осуществлять дискретную или аналоговую модуляцию светового пучка.

Существуют различные подходы к конструированию УТ, зависящие от используемых материалов и физических эффектов. Хотя было исследовано множество материалов, однако модели УТ с удовлетворительными характеристиками удалось построить лишь на PLZT-керамике и жидких кристаллах. УТ на PLZT-керамике. PLZT-керамика --класс прозрачной сегнетоэлектрической керамики с сильно выраженными электрооптическими свойствами, зависящими от электрической поляризации материала. Изменение поляризации сопровождается изменением двулучепреломления материала. PLZT-керамика обладает и упругооптическими свойствами, подобными электрооптическим.

Создание механического напряжения вдоль определенного направления вызывает появление двулучепреломления. Для пространственной модуляции света используют следующие основные эффекты. Наблюдающиеся в PLZT-керамике, помещенной в электрическое поле: наведенное двулучепреломление (электрооптический эффект); динамическое рассеяние, краевой эффект и изменение толщины керамической пластинки (обратный пьезоэффект).

Используя тот или иной эффект, на основе PLZT-керамики можно построить УТ, способные осуществлять пространственную модуляцию объектного пучка как по амплитуде, так и по фазе или поляризации.

Основным достоинством PLZT-керамики является возможность ее использования в режиме работы с запоминанием, основанным на гистерезисном характере зависимости поляризации Р от напряжения управляющего электрического поля Vz. Обычно состояние с остаточной поляризацией принимается за двоичную единицу («1»), а деполяризованное (Р = 0) -- за двоичный нуль («0»). Для переключения из одного состояния в другое требуются импульсы напряжения порядка 50 - 300 В длительностью 1 - 10 мкс.

УТ на жидких кристаллах. Жидкие кристаллы (ЖК) обладают электрооптическими свойствами и являются почти совершенными модуляторами света, легко управляемыми электрическим полем. Особенностью тонких жидкокристаллических слоев является их способность изменять оптические свойства под действием низких рабочих напряжений (1 - 50 В) при малом потреблении мощности (1 мкВт/см2). Благодаря этому ЖК находят широкое применение в оптических системах. Известны три типа ЖК (нематические, холестерические и смектические), из которых для построения УТ наибольший интерес представляют нематические. Для пространственной модуляции света используют два электрически управляемых эффекта, наблюдающихся в ЖК: наведенное двулучепреломление и динамическое рассеяние. Процесс изменения оптических свойств слоя ЖК носит пороговый характер, что также является достоинством ЖК.

УТ на основе ЖК, использующее эффект динамического рассеяния, применяют для амплитудной модуляции как проходящего, так и отраженного светового пучка. Эффект динамического рассеивания заключается в следующем. В невозбужденном состоянии слой ЖК совершенно прозрачен. При создании электрического поля в ЖК происходят два процесса: 1) под действием электрического поля молекулы ориентируются параллельно либо перпендикулярно полю в зависимости от того, имеет ли ЖК положительную или отрицательную «диэлектрическую анизотропию»; 2) поток зарядов через слой ЖК нарушает ориентацию молекул, в результате чего возникает турбулентность, что, в свою очередь, вызывает рассеяние света вследствие пространственного изменения коэффициента преломления. При этом происходит сильное ослабление интенсивности светового пучка в направлении его распространения, а также потеря его когерентности. По окончании действия электрического поля слой ЖК вновь приобретает исходную структуру и становится прозрачным. Длительность этого процесса измеряется миллисекундами. Если требуемое время экспонирования регистрирующей среды составляет доли миллисекунд, то достаточно естественной памяти ЖК-слоя. В противном случае каждый элемент жидкокристаллического УТ должен быть снабжен интегральной управляющей схемой с памятью.

Оптически управляемые транспаранты (ОУТ). Характерной особенностью ОУТ является возможность параллельного преобразования страницы данных. В связи с этим требования к времени хранения оптического состояния значительно снижаются.

При работе в отраженном свете между DKDP-фотопроводником помещается диэлектрическое зеркало, позволяющее значительно уменьшить влияние считывающего пучка на возбуждение фотопроводника и благодаря этому увеличить яркость оптических сигналов. Для стирания записанного изображения полярность приложенного напряжения изменяют, в результате чего и фотопроводник освещается ультрафиолетовым или синим светом. Для записи информации транспарант освещается модулированным световым пучком с одновременной подачей постоянного напряжения. Генерируемые в полупроводнике носители заряда дрейфуют к границе кристалла с диэлектриком, где захватываются ловушками.

Создаваемый носителями пространственный заряд компенсирует заряд на электродах. Следовательно, электрическое поле внутри проводника, наведенное полем двулучепреломления кристалла, благодаря эффекту Поккельса приводит к фазовой или амплитудной (при наличии поляроидов) модуляции считывающего светового пучка, в качестве которого может быть использовано излучение полупроводникового лазера. Считывание можно выполнять и с помощью видимого света, к которому кристалл в 103 - 104 более чувствителен, чем к излучению полупроводниковых лазеров. Если изменить полярность приложенного при считывании постоянного напряжения, то можно получить негативное изображение.

При закороченных электродах наблюдается позитивное изображение, так как изменение двулучепреломления происходит в результате образования пространственных зарядов. Для стирания записанного изображения необходимо снизить до нуля напряжение и осветить кристалл ультрафиолетовым или синим светом.

2.5 Голография

Голография -- это научно-техническое направление в оптике и в смежных с нею областях, в том числе и в вычислительной технике, основанное на специальных методах записи и восстановления волновых фронтов. Изображение объекта регистрируется в виде интерференционной картины, которая получается при наложении двух когерентных волн. Одна из волн является опорной, другая -- предметной. Предметная волна, полученная в результате фазовой и амплитудной модуляции, содержит информацию о предмете, на котором она дифрагировала (рассеялась).

При воспроизведении изображения голограмму (интерферограмму) освещают восстанавливающей волной. Восстанавливающая волна обычно совпадает с опорной волной, используемой при записи. В результате дифракции опорной волны на голограмме образуется волна, совпадающая с предметной при записи, а, следовательно, восстанавливается изображение исходного предмета.

Слово «голография» происходит от греческого слова holos -- полный, весь. Голография дает полную информацию о предметной волне как амплитудной, так и фазовой. Голография была предложена в 1947 г. английским физиком Деннисом Габором. В дальнейшем она пережила второе рождение благодаря фундаментальным исследованиям советского физика Ю. Н. Денисюка и американских ученых Э. Лейта и Д. Упатниекса. Голограммы в зависимости от материала, на котором они записаны, могут модулировать не только амплитуду, но и фазу за счет изменения рельефа поверхности или показателя преломления регистрирующей среды. В связи с этим различают амплитудные (поглощающие), рельефно-фазовые и объемные фазовые голограммы.

2.6 MathCAD и виртуальные элементы

Mathcad -- система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением, отличается легкостью использования и применения для коллективной работы. Mathcad был задуман и первоначально написан Алленом Раздовом из Массачусетского технологического института (MIT), соучредителем компании Mathsoft, которая с 2006 года является частью корпорации PTC (Parametric Technology Corporation). Mathcad имеет простой и интуитивный для использования интерфейс пользователя. Для ввода формул и данных можно использовать как клавиатуру, так и специальные панели инструментов. Некоторые из математических возможностей Mathcad (версии до 13.1 включительно) основаны на подмножестве системы компьютерной алгебры Maple (MKM, Maple Kernel Mathsoft). Начиная с 14 версии -- использует символьное ядро MuPAD. Работа осуществляется в пределах рабочего листа, на котором уравнения и выражения отображаются графически, в противовес текстовой записи в языках программирования. При создании документов-приложений используется принцип WYSIWYG (What You See Is What You Get -- «что видишь, то и получаешь»).

Несмотря на то, что эта программа в основном ориентирована на пользователей-непрограммистов, Mathcad также используется в сложных проектах, чтобы визуализировать результаты математического моделирования, путем использования распределённых вычислений и традиционных языков программирования. Также Mathcad часто используется в крупных инженерных проектах, где большое значение имеет трассируемость и соответствие стандартам. Mathcad достаточно удобно использовать для обучения, вычислений и инженерных расчетов . Открытая архитектура приложения в сочетании с поддержкой технологий .NET и XML позволяют легко интегрировать Mathcad практически в любые ИТ-структуры и инженерные приложения. Есть возможность создания электронных книг (e-Book). Количество пользователей в мире -- около 1.8 млн.