В.А. Жукова, В.С. Казакевич, С.П. Котова, С.В. Лопоухов, А.М. Майорова, Т.Н. Сапцина, П.О. Скобелев, Д.В.Самородинов, Д. Фролов.

В настоящее время, когда Интернет становится все более и более доступным, появляется реальная возможность получения качественного образования вне зависимости от места жительства. На реализацию этой возможности и направлена гибридная система дистанционного обучения по оптике, состоящая из базовой системы в Интернет и дополнительной мультимедиа-системы на компакт диске.

Наша система посвящена одному из самых красивых и сложных разделов оптики – дифракции света. В основу предлагаемого курса положена серия специально сконструированных экспериментов в виртуальной оптической лаборатории, сопровождаемых занимательными лекциями и разнообразным дополнительным материалом. Мультимедиа возможности не только облегчают восприятие такого сложного и необычного явления как дифракция, но и позволяют продемонстрировать его удивительную красоту.

Как Интернет-версию, так и диск можно рассматривать как самостоятельные системы с рядом дополнительных возможностей по отношению друг к другу, однако, оптимальным является использование их в комплексе. Каковы же особенности и возможности этих систем и почему мы говорим именно о гибридной системе?

Сайт “Дифракция” состоит из следующих разделов: “Лекции”, ”Любопытно”, ”Из истории”, “Опыты”, “Вопросы”, “Связь”, ‘Download”.

В разделе “Лекции” дается, на наш взгляд, достаточно полная информация о явлении дифракции света. Лекции построены таким образом, что пользователи с различным уровнем подготовки могут найти для себя что-то интересное. Можно ознакомиться с верхним уровнем изложения, в котором описывается суть явления дифракции, показываются его красочные проявления, и при этом используется минимум математических формул. Есть и более глубокий уровень с использованием высшей математики. Специальные гиперссылки позволяют переходить с одного уровня на другой. Вы начали с верхнего уровня, но Вас заинтересовало, как получается математическое выражение, описывающее данное проявление дифракции? Нажмите “мышью” на соответствующую формулу – и Вы получите её вывод. Или наоборот, Вы начали с более глубокого уровня, но забыли то или иное определение – гиперссылка поможет его вспомнить, отослав Вас на верхний уровень или в специальный “Справочник”.

Лекции рассчитаны на учеников старших классов и студентов ВУЗов, однако мы надеемся, что сайт будет интересен и людям, никогда и не слышавшим о дифракции. Возможно, их привлекут рассказы об ученых в разделе “Из истории” или вопросы-парадоксы, интересные сведения о применении дифракции, а также различные случаи образования дифракционных картин в повседневной жизни из раздела “Любопытно”. Но с какого раздела не начал бы пользователь, благодаря уже упомянутым гиперссылкам, он сможет узнать информацию о заинтересовавшем его вопросе и в других разделах сайта.

Другой особенностью сайта является преимущественное использование в качестве иллюстраций художественно выполненных 3-D рисунков. Есть и анимированные иллюстрации физических процессов (как двумерные, так и трехмерные), выполненные на основе классических математических моделей (например, образование волнового фронта в принципе Гюйгенса). При этом 3-D графика использовалась лишь в тех случаях, когда это необходимо: например, для более явной и выразительной демонстрации образования интерференционной картины в волновой ванне. Ясно, что в реальном мире такую картину получить трудно - она будет “смазана” волной, отраженной от поверхности ванны. В данном же случае показано, как образуются волны от когерентных источников, и как получается в результате их сложения интерференционная картина.

Третья особенность сайта “Дифракция” – наличие интерактивных программ. И хотя в настоящее время компьютерные эксперименты широко применяются в учебных курсах, они, как правило, носят характер демонстрации “функционирования” математических моделей, а не реальных физических экспериментов. Наши интерактивные программы отличает то, что, во-первых, мы показываем сходство реальных видеосъемок и моделей. Так учащийся может сравнить дифракционные картины, полученные с помощью интерактивной программы “Дифракция на прямоугольном отверстии” с картинами, полученными экспериментально и представленными в специальном видеоролике. И уже уяснив сходство и различия между экспериментом и моделью, может сам наблюдать различные дифракционные картины, варьируя параметры опыта: размеры отверстия и расстояние между отверстием и экраном. Программа представляет интерес и с практической точки зрения. Любой пользователь, посмотревший её из Интернет, автоматически получает её на свой компьютер и далее может использовать в собственных разработках, меняя в программе параметры схемы: расстояние до экрана, размер отверстия, а также размер изображения в более широких пределах, чем представлены на сайте. Кроме того, мы использовали интерактивные программы в тех случаях, где трудно поставить натурный эксперимент. Такова вторая интерактивная программа нашего сайта – “Наблюдение зависимости дифракционной картины от числа открытых зон Френеля”. Даже тем, кто неоднократно видел картины дифракции Френеля, интересно наблюдать за их изменением при открытии того или иного набора зон Френеля.

Выше мы отмечали те объективные трудности, которые сокращают возможности школ и ВУЗов по постановке реальных лабораторных работ. Однако физика – это прежде всего экспериментальная наука. Именно поэтому возник на нашем сайте раздел “Опыты”. В этом разделе предложены два типа экспериментальных работ: опыты дома и лабораторные работы. “Опыты дома” представляют собой подробное описание опытов по дифракции, которые можно выполнить в домашних условиях, используя обычные предметы. Эти достаточно качественные и одновременно легко реализуемые опыты, предназначены для интересующихся любого уровня подготовки.

Другой тип экспериментальных работ представляет собой иллюстрированную аннотацию (описание и фотоотчет) лабораторных работ достаточно сложных разделов оптики, которые совсем недавно были предметом научных исследований (например, работа по изучению спекл-структур). Эти работы предназначены в первую очередь для студентов, и мы надеемся, что их готовые разработки заинтересуют преподавателей ВУЗов. Полностью лабораторную работу можно получить с помощью дополнительного запроса. Для этого Вам следует обратиться в самый объемный раздел нашего сайта – “Download”. Здесь помещены файлы, которые при необходимости человек может забрать на свой компьютер. В этом разделе содержаться полные описания лабораторных работ (отметим, что для обладателей CD-ROM “Дифракция” эти лабораторные работы являются бесплатными и могут использоваться как дополнения к диску).

Вторая часть раздела “Download” представляет собой необходимый компонент системы дистанционного обучения – электронную библиотеку. Пока в нашей электронной библиотеке всего две книги, но в дальнейшем мы планируем пополнять этот раздел как новыми книгами, так и новыми лабораторными работами.

После изучения материала обычно испытываешь потребность проверить полученные знания. Такую возможность мы предоставляем Вам в разделе “Контрольные вопросы”. Наши вопросы таковы, что для правильного ответа на них, прежде всего, требуется четкое и ясное понимание сути явления дифракции. При этом предлагаемый нами подход отличается мягкостью, глубиной и иллюстративностью. Ученик в любом случае узнает правильный ответ и много дополнительной информации, косвенно относящейся к вопросу.

Итак, интернет-версия отличается высокой насыщенностью текстовым материалом разного уровня сложности и разнообразными иллюстрациями, включая видеосъемки реальных экспериментов, анимацию, 3-D графику. Она содержит интерактивные программы и контрольные вопросы. Но что особенно важно в Интернет-версии системы представляются дополнительные (по отношению к компакт диску) задания для обучаемых, которые в дальнейшем будут постоянно пополняться.

Дополнительная мультимедиа система на компакт-диске содержит значительно больший по сравнению с базовой Интернет-системой объем лекционного иллюстрированного учебного материала (фотографий, видеосъемок, схем и т. д.). Здесь есть дикторское озвучивание и другие мультимедиа возможности, которые трудно реализовать по существующим линиям связи.

В лекциях представлено пять тем: “Явление дифракции”, “Дифракция Френеля”, “Дифракция Фраунгофера на одиночных объектах”, “Дифракция Фраунгофера на наборе объектов”, “Дифракционная решетка”.

К каждой теме предлагается набор заданий и контрольных вопросов.

Контрольные вопросы отличаются большим разнообразием. Среди них встречаются такие, которые требуют лишь знания определения физической величины или одной физической формулы, другие требуют понимания явления на качественном уровне. В ряде вопросов требуется проводить оценочные расчеты по 2-3 формулам. Предусмотрена рейтинговая система выставления оценок. В случае как правильного, так и неправильного ответа следует соответствующий комментарий.

Однако самым главным достоинством диска является более высокий уровень интерактивности, примером которой служит полноценная виртуальная оптическая лаборатория (в которой обучаемому доступны лазер, оптические элементы, экран и т. д.). Перемещаться по виртуальной лаборатории можно с помощью стрелок, а активизировать и брать элементы щелчком мыши. Вы можете походить по лаборатории, найти те объекты, которые можно активизировать и узнать некоторые подробности о лаборатории и этих объектах. Например, в лаборатории есть стенд с правилами техники безопасности, на стенах висят портреты ученых. Коснувшись портрета, Вы получите краткие сведения о достижениях. ученого. Однако, основная цель посещения лаборатории – это проведение экспериментов. В нашем виртуальном мире Вы можете пронаблюдать (причем с разных сторон, как и в реальной лаборатории) прохождение лазерного пучка через различные оптические элементы: линзу, дифракционную решетку и т.д. При этом, когда вы берете какой-то объект, диктор сообщает Вам его название, основные свойства и способы применения. В этой же виртуальной лаборатории Вам предлагается выполнить и задания по дифракции. Задания максимально приближены к реальным лабораторным работам. В н их, как в обычной лабораторной работе, учащийся должен провести измерения, занести данные в таблицу, построить график и ответить на контрольные вопросы. В ряде случаев используются дифракционные картины, полученные экспериментально. Зачастую задания и более познавательны, поскольку позволяют варьировать те параметры, которые в реальных лабораторных работах изменить практически очень трудно. Для выполнения заданий необходима некоторая теоретическая подготовка и 2-3 аудиторных часа.

Таким образом, предлагаемая гибридная система (сайт + диск) содержит компоненты, необходимые для дистанционного обучения: систематически изложенный курс лекций, лабораторные работы, коллекцию заданий в виртуальной лаборатории, электронную библиотеку, набор контрольных вопросов с рейтинговой системой оценки.

Такие особенности данной системы, как использование видеофрагментов реальных экспериментов, использование в качестве иллюстраций художественно выполненных 3-D рисунков, в том числе и анимированных, наличие интерактивных программ и виртуальной оптической лаборатории облегчают восприятие сложного необычного явления дифракции и делают физику живой и увлекательной наукой.

Хотя и сайт, и диск можно использовать как самостоятельные системы дистанционного обучения, оптимальным представляется реализация именно гибридной системы сайт + диск. Подобное технологическое решение с учетом проблемы низкого качества связи в отечественных телефонных сетях позволит обеспечить и полноценные мультимедиа возможности, и оперативность изменения информации.