ДОСВІД ПРОВЕДЕННЯ ВІДКРИТОГО ДИСТАНЦІЙНОГО КУРСУ «ВСТУП ДО ФІЗИКИ ЗВУКУ»
ДОСВІД ПРОВЕДЕННЯ ВІДКРИТОГО ДИСТАНЦІЙНОГО КУРСУ «ВСТУП ДО ФІЗИКИ ЗВУКУ» О. С. Воронкін м. Луганськ, Луганський державний інститут культури і мистецтв
Воронкін О. С. Досвід проведення відкритого дистанційного курсу «Вступ до фізики звуку»/ О. С. Воронкін // Теорія та методика навчання математики, фізики, інформатики :
збірник наукових праць. Випуск X : в 3-х томах. – Кривий Ріг :
Видавничий відділ НМетАУ, 2012. – Т. 2 : Теорія та методика навчання
фізики. – C. 44-53.
Вступ В умовах постіндустріального розвитку світової цивілізації саме освіта й наука стають основними продуктивними силами, що визначають конкурентоспроможність і життєздатність держави. Саме життя та науково-технічний прогрес висунули до освіти нові вимоги, оскільки саме вона сприяє формуванню інформаційного суспільства. Все це зумовлює потребу її радикальної модернізації та впровадження новітніх інформаційно-комунікаційних технологій в усі сфери суспільного життя.
Сьогодні педагогічною громадськістю жваво обговорюються проблеми підвищення конкурентоспроможності вітчизняних навчальних закладів, якості навчання й продуктивності праці. Впроваджуються елементи дистанційної (електронної) освіти, зароджуються розумні простори для навчання та веб-орієнтовані середовища.
Незважаючи на те, що необхідною складовою організації дистанційної освіти є дистанційні курси, в Україні уніфікованих вимог до них поки не існує. Також майже відсутні науково обґрунтовані праці щодо механізмів реалізації та технологій дистанційного навчання з фізики, що пояснюється й специфікою викладання самої навчальної дисципліни, й мотивацією педагогів і потребами тих, хто навчається [1]. Тому створювані курси будуються на різних парадигмах організації, використовуються абсолютно різні методологічні підходи до формування змісту курсу й методів контролю.
Серед вітчизняних віртуальних проектів уваги заслуговують: 1) «Фізика звуку» – переможець конкурсу «Успішний проект 2009», керівник проекту – Антикуз О. В.; 2) науково-педагогічний проект МОНУ «Дистанційне навчання учнів» (експеримент проводився відділом дослідження і проектування навчального середовища Інституту інформаційних технологій і засобів навчання АПН України), керівник – Богачков Ю. М. [2]; 3) «Вивчаємо фізику разом» – переможець 7-го Всеукраїнського конкурсу «Вчитель-новатор 2011», керівник проекту – Антикуз О. В.
Сучасний розвиток веб-технологій дозволив розміщувати в Інтернеті будь-які матеріали, у тому числі й навчальні, всім бажаючим, а не тільки науковцям і викладачам. Це призвело до появи великої кількості псевдонаучної «інформації», що характеризується: а) активним поширенням науковоподібних термінів, зміст яких як правило не пояснюється та є незрозумілим у контексті думки автора, б) фрагментарним уявленням самих авторів про сучасний стан фізичних наукових знань, в) рівень розвитку офіційної науки представляється застарілим і таким, що не визнає новаторських прогресивних ідей [3]. Разом з цим для учнів загальноосвітніх закладів і студентів ВНЗ існує проблема вибору ефективної стратегії пошуку навчальної інформації в Інтернет-мережі та її диференціації з псевдонаучними відомостями [4].
I. Організація та зміст дистанційного курсу Протягом двох місяців – з 29 жовтня по 30 грудня 2011 року, для учнів 9-11 класів середніх навчальних закладів автором було проведено відкритий дистанційний курс «Вступ до фізики звуку». В основу курсу було покладено авторський курс лекцій, прочитаний на підготовчому відділенні Луганського державного інституту культури й мистецтв у 2010-2011 роках.
Взяти участь у курсі виявили бажання 22 слухача з України (Луганська й Закарпатська області), Африки (Єгипет, Нью-Делі, республіка Ботсвана), Йорданії (Ирбид), Індії (Чандигарх, Бангалор), Алжиру, Шрі-Ланки, Саудівської Аравії й Російської Федерації. Інтерес виявили не тільки учні, але й педагоги, однак перешкодою повноцінної участі став мовний фактор. З усіх учасників найбільш активними були 7 слухачів з України (Луганськ) та США (Бостон). Високу підготовленість до всіх занять показали тільки 2 слухача.
Повідомлення про набір до групи розміщувалося на декількох форумах, на сайті Всеросійського з'їзду вчителів фізики «Педсовет.org» та в соціальній мережі «Українські науковці у світі». Інформація про проведення кожного заняття публікувалася в розділі новин інформаційно-освітнього порталу «Технології дистанційної освіти» [5]. Відповідне повідомлення розміщувалося в Twitter-блозі з наступним кросспостингом у соціальній мережі Facebook (рис. 1).
Рис. 1. Реалізація курсу
Головною ідеєю було те, щоб всі використовувані Інтернет-сервіси були безкоштовними і доступними для освоєння учнями. Для проведення вебінарів використовувалася платформа WizIq (рис. 2), демонстрація фізичних експериментів проводилася завдяки вбудованому Media Player, який дозволив ретранслювати відео-ресурси сервісу Youtube учасникам проекту. Додатково в Youtube були завантажені відео-фрагменти лекцій з інших Інтернет-джерел, показ яких був узгоджений з авторами (правовласниками).
Рис. 2. Фрагмент лекції-вебінару
Увесь курс
було розраховано на 8 занять: 6 лекційних, 1 семінарське й підсумкове
заняття, які проходили у віртуальних он-лайн класах у формі вебінарів. Організаційні
форми дистанційного курсу наведені в табл. 1.
Таблиця 1
Організаційні форми навчання
Під час занять учасники мали змогу чути і бачити один одного, для цього використовували мікрофон, навушники, веб-камеру та стандартне програмне забезпечення, встановлене на власному ПК. Платформа WizIq дозволяла: а) демонструвати презентацію, б) захоплювати екран, в) використовувати білу дошку «Whiteboard», г) транслювати всім учасниками одночасно відео з Youtube, д) надавати можливість говорити й управляти презентацією іншим, е) спілкуватися у текстовому чаті. Учасники, які не могли з будь-яких причин прийняти очну участь у тому чи іншому вебінарі мали змогу завантажити відеозапис пізніше. Для консультування слухачів використовувалася електронна пошта (іноді система IP-телефонії Skype).
Особливістю було те, що учасники читали тільки той навчальний матеріал, який безпосередньо зацікавив їх з рекомендованого переліку бібліографічних джерел. Також вони не були зобов'язані вести конспект під час вебінарів. Тематичний план дистанційного курсу наведено в табл. 2.
Таблиця 2
Тематичний план курсу
Розглянемо стислий зміст кожної з тем. Тема 1. Фізика і методи наукового пізнання Предмет фізики. Фізика як наука про природу. Класифікація наук. Методи наукового дослідження. Співвідношення теорії і експерименту в фізиці. Історія та роль великих експериментів. Дослідження Всесвіту. Суб’єктивні спостереження на прикладі оптичних ілюзій. Міжнародна система СІ. Кратні та частинні одиниці СІ. Мета заняття: формування світоглядного сприйняття фізичної реальності, загального уявлення про фізичний світ, його основні теоретичні засади i методи пізнання, усвідомлення ролі фізичних знань у житті людини i суспільному розвитку. Відео-демонстрації. 1. Прояви інерції: а) різке висмикування скатертини з-під посудини з рідиною; б) монета, що падає в пляшку при різкому вибиванні паперового кільця. 2. Біографічні фільми про видатних вчених із серії Encyclopedia channel (Аристотель, Г. Галілей, Е. Резерфорд). 3. Фрагменти відео-інтерв’ю Р. Фейнмана: а) о науковому підході й революціях в науці на прикладі шахової гри; б) про реборда у поїздів; в) про вивчення й розуміння Всесвіту. 4. Експерименти на великому адронному колайдері. Тема 2. Механічні коливання Поняття коливань. Механічні коливання та хвилі. Коливальний рух. Вільні коливання. Амплітуда, пе¬ріод, частота. Гармонічні коливання й осцилятори. Математичний та пружинний маятники. Вимушені коливання й резонанс. Автоколивальні системи. Класифікація коливань. Мета заняття: знайомлення слухачів з одним з найпоширеніших рухів у природі й техніці – коливальним рухом, його видами й характеристиками, ре¬зонансними явищами. Відео-демонстрації 1. Експериментальне підтвердження закону Гука. Нелінійні деформації. 2. Вільні коливання: а) вантаж на нитці; б) вантаж на пружині; в) залежність періоду коливання вантажу на пружині від її жорсткості та маси вантажу; г) гармонічні коливання математичного й пружинного маятників; д) залежність періоду коливання вантажу на нитці від її довжини. 3. Вимушені коливання й резонанс: а) резонанс маятників; б) руйнування Такомського моста; в) руйнування скляного келиха при резонансі. 4. Автоколивання маятника в годиннику. 5. Біографічний фільм про Х. Гюйгенса із серії Encyclopedia channel.
Тема 3. Хвильові процеси та звук Виникнення хвилі. Точкове джерело хвиль. Хвильовий процес. Поперечні й поздовжні хвилі. Поверхневі хвилі. Зв'язок між довжиною хвилі, швидкістю її поширення й періодом. Хвильова поверхня й фронт хвилі. Рівняння плоскої хвилі. Звукові хвилі в повітрі. Швидкість поширення звуку. Мета заняття: ознайомити учасників з хвильовими явищами, ввести поняття поперечних, поздовжніх і поверхневих хвиль, хвильової поверхні, фронту хвилі. Дати поняття про звукові хвилі й швидкість їх поширення у різних середовищах. Відео-демонстрації. 1. Демонстрація поперечних і поздовжніх хвиль: а) поперечна хвиля уздовж однорідного шнура; б) поздовжні хвилі уздовж пружини; в) хвильова машина Зворикіна; г) джерела звуку. 2. Властивості газів: а) заповнення молекулами всього об’єму посудини крізь отвір у перегородці; б) залежність швидкості руху молекул від температури; в) зміна швидкості звуку в газах при зміні молярної маси та температури.
Тема 4. Акустичні резонансні явища. Інтерференція та дифракція Акустичний резонанс. Експеримент із гнучкою однорідною ниткою. Експеримент із резонаторами Г. Гельмгольца. Відбиття й заломлення хвиль. Луна та реверберація. Принцип суперпозиції. Інтерференція звукових хвиль. Умови виникнення максимумів і мінімумів. Інтерференція й закон збереження енергії. Дифракція. Мета заняття: ознайомити слухачів на прикладі акустичних резонансних явищ з деякими музичними інструментами, дати уявлення про інтерференцію, дифракцію, луну та реверберацію, пояснити принцип суперпозиції. Відео-демонстрації. 1. Незвичні музичні інструменти: а) інструмент на скляних келихах («співаючий келих»); б) гармоніка Франкліна; в) тибетські «співаючі» чаші; г) еолова арфа. 2. Акустичний резонанс: а) експеримент з камертонами; б) експеримент із гнучкою однорідною ниткою; в) експеримент з резонаторами Гельмгольца; г) скринька – резонатор камертона. 3. Біографічний фільм про Германа Гельмгольца із серії Encyclopedia channel. 4. Закони відбивання й заломлення хвиль (на прикладі світла). 5. Інтерференція та дифракція хвиль на поверхні води. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Тема 5. Стоячі хвилі та музичні інструменти Стоячі хвилі в струнах й трубах. Демонстрація звукової стоячої хвилі за допомогою труби Рубенса й труби Кундта. Метод Кьоніга. Демонстрація звукової стоячої хвилі в трубі Рійке. Власні коливання плоских фігур. Стоячі хвилі на поверхні води. Геометрія звукових вібрацій в контейнері з колоїдної рідиною (фігури з двомірною та тривимірною структурою). Мета заняття: ознайомити слухачів з природою стоячих хвиль в струнах, трубах й пластинах. Відео-демонстрації. 1. Виникнення стоячих хвиль в струнах. 2. Зв'язок між основною частотою відкритої труби та її довжини. Труба Рійке. 3. Візуалізація стоячих хвиль у трубах: а) метод Рубенса; б) метод Кундта. 4. Візуалізація стоячих хвиль у пластинках: а) коливання мембран; б) фігури Хладні. 5. Манометричні вогники Кьоніга.
Тема 6. Биття. Характеристики звуку Биття. Суб'єктивні характеристики звуку (гучність, висота й тембр звуку). Об'єктивні характеристики звуку (інтенсивність, частота й спектр). Залежність швидкості поширення хвиль від властивостей середовища. Інтервали в музиці. Логарифмічний закон Вебера-Фехнера. Рівень гучності звуку. Будова органу слуху людини. Мета заняття: дослідити суб’єктивні та об’єктивні характеристики звуку, ознайомитися з генерацією і сприйняттям звуку людиною. Відео-демонстрації. 1. Биття: а) запис биттів піском; б) биття на камертонах; в) биття на осцилографі. 2. Залежність гучності звуку від амплітуди коливань. 3. Залежність висоти тону від частоти коливань. 4. Вплив фази вищих гармонік на тембр. 5. Амплітудно-частотні спектри звукових коливань. 6. Механізм роботи слухового апарату.
Тема 7. Інфра-, ультразвуки та їх застосування Інфра- та ультразвуки: джерела та застосування, дія на організм людини. Зворотний п’єзоелектричний ефект. Магнітострикція. Ультразвукова й гідродинамічна кавітації. Сонолюмінесценція. Мета семінарського заняття: опанування навичками та уміннями використання теоретичного знання. Відео-демонстрації. 1. Застосування ультразвуку: а) в медицині, б) в дефектоскопії, в) у технологіях зварювання. 2. Гідростатична та ультразвукова кавітації. Сонолюмінесценція. 3. Інфра- та ультразвукова зброя.
II. Облік затраченого часу На навчальну, методичну й організаційну роботу щодо супроводу дистанційного курсу було затрачено 137 академічних годин, з них: - 12 годин на розробку програми курсу (приблизно 1 година на 2 години загального обсягу курсу); - 7 годин на роботу з мережевими ресурсами фізичних демонстрацій і відеолекцій (1 година на 1 заняття); - 14 годин на підготовку до занять (1 година на 1 годину занять); - 81 година на розробку презентацій до занять (приблизно 0,4 години на 1 слайд, в середньому 13,5 годин на одну презентацію). - 14 годин – проведення вебінарів; - 9 годин на консультування учасників (1 година в тиждень).
III. Активізація пізнавальної діяльності слухачів під час навчання Відомо, що фізика, як наука не може існувати без експерименту – тільки перевірені експериментально гіпотези стають теорією. Основою курсу став детальний опис багатьох експериментів з великою кількістю відео-супроводу (на 1 заняття – до 10 демонстрацій), що сприяло підвищенню зацікавленості та бажанню учасників повторити експеримент (діяльнісний підход). При підготовці к семінарському заняттю учасники самостійно визначили перелік питань до обговорення за вказаною темою й створили презентаційний супровід.
З метою організації самостійної роботи й поглибленого опрацювання тем курсу учасникам було рекомендовано низку статей з науково-популярного журналу «Квант». Також було запропоновано ознайомитися з книгою В. Турчина «Феномен науки: Кибернетический подход к эволюции» та автобіографічною книгою Р. Фейнмана «Какое тебе дело до того, что думают другие» [6, 7].
Слід зазначити, що найбільш складні питання дистанційного курсу розбиралися без застосування складного математичного апарату, а під час занять системно створювалися такі ситуації, щоб слухачі на основі аналізу фактів і спостереження явищ самостійно робили висновки і узагальнення, відповідали на нескладні, але цікаві запитання. Розглянемо деякі приклади створення проблемних ситуацій, які дозволили активізувати пізнавально-пошуковий інтерес слухачів.
1. Загальновідомим є визначення того, що коливання – це рухи, які повторюються через певні проміжки часу. Припустимо, що на кришці стола тіло масою m рівномірно обертається по колу. Якщо ми подивимося зверху, то побачимо, що рух дійсно відбувається по окружності. А от людина, яка подивиться «в торець» стола та побачить проекцію кругового руху, може подумати, що спостерігає коливальний рух туди й назад. Саме це й показано на рис. 3. Чи можливо якось інакше визначити коливання?
Рис. 3. Рівномірний рух тіла по колу
2. Відомо, що у газах швидкість звуку менша, ніж в рідинах, а в рідинах швидкість звуку менша, ніж у твердих тілах. Дуже часто учні пояснюють це тим, що щільність рідин та твердих тіл більша, ніж у газів. Але як тоді пояснити, що швидкість звуку в газі зменшується при збільшенні його молекулярної маси, тобто щільності. Наприклад при вдиханні ксенону (М=131•10-3 кг/моль) голос людини стає більш низькочастотним, а при вдиханні гелію (М=4•10-3 кг/моль) стає більш високочастотним (зміна частоти пояснюється зміною швидкості звуку в газах – f=υ/λ). Спробуйте пояснити та знайти недоліки в наведеному поясненні учнів.
3. Якщо на закріплений в центрі металевий диск насипати змішаний пісок з дрібним пилом, а по краю диска проводити смичком, то пісок створює один геометричний візерунок, а пил зовсім інший. Тобто коли диск вібрує пісок і пил розділяються та утворюють незалежні візерунки. Поясніть чому це відбувається.
4. Якщо проводити мокрим пальцем уздовж краю келиха з тонкими стінками, то почуємо чистий звук – келих «співає». Що саме викликає звучання келиха й чому палець при цьому повинен бути вологим і не жирним? Чим визначається частота звуку? Які коливання краю келиха: поперечні чи поздовжні?
5. Якщо інтенсивність звуку зростатиме лінійно, то людина відчує збільшення гучності східчасто. Чим це пояснюється та за яким законом треба змінювати інтенсивність звуку, щоб людина відчула лінійну зміну гучності? Висновки
Участь у дистанційному курсі дозволила учасникам не тільки розширити знання з даної теми, а й активізувати пізнавальний інтерес до подальшого вивчення фізики, розвити креативне мислення. По закінченню дистанційного курсу у деяких учасників виникло бажання взяти участь у новому віртуальному навчально-пізнавальному проекті.
Презентації всіх проведених занять розміщені в платформі SlideShare та доступні для відкритого перегляду, а тому разом з відео-демонстраціями Youtube можуть бути використані повторно вже в асинхронному режимі [5]. Матеріали будуть корисні для учнів старших класів загальноосвітніх шкіл, абітурієнтів, слухачів підготовчих відділень ВНЗ, а також слухачів секцій фізики Малої академії наук учнівської молоді України.
Література 1. Шарко В. Д. Організація самостійної пізнавальної діяльності учнів з фізики з використанням інформаційних технологій / В. Д. Шарко, А. О. Солодовник // Інформаційні технології в освіті. – Херсон, 2010. – Випуск 8. – С. 10–16. 2. Про впровадження науково-педагогічного проекту «Дистанційне навчання учнів» [Електронний ресурс] : наказ Міністерства освіти і науки України № 1231 від 29 грудня 2009 р. – Режим доступу : http://www.testportal.org.ua/res/custom/files/01-order_1231.pdf. 3. Бушуев Ю. Е. Некоторые аспекты формирования научного мировоззрения студентов при изучении курса общей физики / Ю. Е. Бушуев, А. П. Васильев, В. А. Сигаев // Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии : матер. VI междунар. науч.-техн. конф. БФФХ-2010, Севастополь, 26-30 апр. 2010г. – Севастополь, 2010. – Том I. – С. 392-395. 4. Воронкін О. С. Проблеми формування якісного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ України / О. С. Воронкін // New information technologies in education for all: learning environment : збірник праць VI Міжнародної конференції, ITEA–2011, м. Київ, 22–23 листопада 2011р. – Київ, 2011. – С. 294–300. 5. Воронкин А. С. Предварительные итоги открытого авторского дистанционного курса «Введение в физику звука – 2011» [Электронный ресурс] / А. С. Воронкин. – Луганск : Информационно-образовательный портал «Технологии дистанционного образования». – Режим доступа : http://tdo.at.ua/news/zvuk/2012-01-07-51. 6. Фейнман Р. Какое тебе дело до того, что думают другие? / Р. Фейнман. – Ижевск : Регулярная и хаотическая динамика, 2001. – 208 с. 7. Турчин В. Ф. Феномен науки: Кибернетический подход к эволюции / В. Ф. Турчин. – М. : ЭТС, 2000. – 368 с.
