POTENTIALITIES OF 3D-ARTWORK FOR ATOMIC PHYSICS TEACHING.pdf Повышение эффективности образовательной деятельности в настоящее время обеспечивается в первую очередь качественно новым уровнем информационного обеспечения, интеграцией традиционного информационно-иллюстративного изложения учебного материала с интерактивными мультимедиатехнологиями. Информационные технологии позволяют обеспечивать учебный курс традиционными по назначению материалами на качественно новом уровне, а также разрабатывать такие дидактические приложения, «бумажных» аналогов которым нет. К ним относятся динамические компьютерные демонстрации, интерактивные виртуальные эксперименты и лабораторные практикумы, автоматизированные системы контроля знаний и другие учебные программные средства с различной степенью реализации мультимедиа и интерактивности. Одним из наиболее распространенных и значимых компонентов информационного обеспечения учебного курса в системе традиционного очного образования является динамическая демонстрация. Такая демонстрация с лекторским изложением облегчает восприятие изучаемого материала, способствует его пониманию и запоминанию, дает более яркое и емкое представление о предметах, явлениях, ситуациях, объектах изучения, а также стимулирует познавательную активность студентов. Использовать анимационные демонстрации необходимо для понимания нового материала, где требуется наглядное дополнительное разъяснение, для обобщения и систематизации тематических смысловых блоков, для общего «оживления» всего учебного материала. Тем самым применение демонстраций обеспечивает один из базовых психолого-педагогических принципов сочетания абстрактности мышления с наглядностью. Следует отметить, что наглядность не является в прямом смысле иллюстративностью. В контексте обучения она рассматривается как один из основных способов психолого-педагогического воздействия на обучаемых, управления их познавательной деятельностью. Ранее нами сообщалось о первых результатах, а в данной работе представлены некоторые итоги разработки динамических демонстраций по университетскому курсу «Физика атома и атомных явлений» [1]. Данный курс проходят студенты физических факультетов университетов, как правило, в 5-6-м семестрах, имея уже достаточно прочную базовую подготовку по общей физике. Курс атомной физики имеет определенную методологическую специфику: здесь студенты впервые сталкиваются с системным представлением двуединой корпускулярно-волновой природы микрообъекта, с квантово-механическим описанием его движения. В основе этих представлений лежит положение о статистическом характере движения микрообъекта, о невозможности указать точные его координаты и траекторию в определенных условиях взаимодействия с другими объектами. «Камнем преткновения» при восприятии и осознании этого учебного материала является положение о том, что данная особенность при описании движения микрообъекта не является недостатком математического или инструментального аппарата, а микрообъект действительно так движется. Основной проблемой является отсутствие образов и аналогов этого явления в окружающем нас «макромире». В связи с этим, на наш взгляд, наглядные анимационные демонстрации по курсу «Физика атома и атомных явлений» должны стать важным инструментом достижения целей обучения. На стадии проектирования были разработаны комплекты эскизов анимационных демонстраций по всем основным разделам курса атомной физики [2]. Под «эскизом анимации» в настоящем контексте понимается технологический сценарий разработки анимационной демонстрации, включающий детальное описание и последовательность «узловых» изображений, описание траекторий и характеров перемещения объектов между узловыми изображениями, визуализируемые обозначения основных объектов, цветовую гамму и т.д. Основой для разработки технологического сценария стала методическая проработка рассматриваемого объекта (эффекта) атомной физики с позиций проблем при освоении учебного материала. Основное внимание было уделено специфике квантового объекта, связанной с корпускулярно-волновым дуализмом, квантованием динамических переменных. При разработке видеоматериалов (в формате avi) использовалось программное обеспечение «Autodesk 3D Studio Max 8». Среда «3D Studio Max 8» дает широкие возможности для моделирования, визуализации объектов, создания фотореалистичных сцен [3]. В процессе разработки видеороликов для моделирования использовались широкие возможности библиотеки объектов, в том числе объекты «системы частиц», модификаторы группы Parametric Modifiers, при создании анимаций - метод создания ключевых кадров. Рис. 1. Фрагменты видеоролика «Дифракция электронного потока» Рис. 2. Фрагменты видеоролика «Фотоэлектрический эффект» Подпись: Рис. 3. Фрагменты видеоролика «Эффективный магнитный момент электронной оболочки атома» В соответствии с содержанием курса к настоящему моменту разработаны анимации (видеоролики в формате avi, 3D-графика, цвет): • внешний фотоэлектрический эффект; • дифракция электронного потока при прохождении кристаллической мишени (опыты Томсона и Тартаковского); • дифракция при отражении электронного потока от кристаллической мишени (опыты Дэвиссона и Джермера); • атомные орбитали (s-, p-, d-орбитали); • квантовые векторы момента импульса электронной оболочки; • квантовые векторы магнитного момента электронной оболочки; • правила сложения квантовых векторов моментов электронной оболочки. При разработке видеоматериала по теме «Дифракция электронного потока при прохождении кристаллической мишени» (опыты Томсона и Тартаковского) использовалась упрощенная модель «Дифракция электронного потока на щели», полностью сохраняющая физическую сущность явления. Фрагменты этого видеоролика показаны на рис. 1: демонстрируются прохождение каждого отдельного электрона через дифракционную щель, случайное (статистическое) отклонение его от первоначальной траектории, «фиксация» электрона на «фотопластинке». По ходу просмотра видеоматериала видно статистическое накопление интерференционной картины на фотопластинке в виде колец, что отражает распределение плотности вероятности нахождения электрона в пространстве эксперимента в соответствии с волновыми закономерностями. Наглядность представления, просмотр с различных позиций ^D-графика), возможность задавать начальные условия эксперимента (набор видеороликов с различными интенсивностью и скоростью потока электронов) существенно облегчают понимание такого сложного физического явления, как корпускулярно-волновой дуализм микрообъекта (электрона). На рис. 2 представлены фрагменты видеоролика по теме «Фотоэлектрический эффект», демонстрирующего проявление корпускулярных свойств электромагнитной волны (потока света). Подпись: ** "й*"’ч V*» , •«Подпись: 0;tf*v3.V > : - * • *&v* V •** •■ *•• -да. М-н--'' Подпись: *-;• i; ; * ‘V. •’ £■-• Г t* *#“*•.Данная видеодемонстрация призвана наглядно показать, как можно представить поток света (в волновых представлениях это электромагнитная волна) в виде потока микрочастиц (фотонов, квантов электромагнитной энергии), а взаимодействие электромагнитной волны с кристаллом - в виде одиночных взаимодействий частиц. На рис. 3 представлена схема образования эффективного магнитного момента электронной оболочки - векторная модель атома. Видеоролик наглядно показывает «генезис» магнитного момента как следствие наличия момента импульса у электрона; составляющие компоненты эффективного момента появляются поочередно, при этом демонстрируется неопределенность положения каждого вектора в пространстве классическим аналогом данного квантового явления - прецессией (обращением) вектора момента импульса около оси координат. Представленный дидактический материал оказался чрезвычайно полезным при изучении данного раздела курса атомной физики. Особенно ярко удалось реализовать достоинства 3-мерной графики, наглядно продемонстрировать в виде динамической картины статистическое «накопление» распределения плотности вероятности нахождения электрона в атоме водорода в различных состояниях в видеоматериале по теме «Атомные орбитали» (рис. 4). Картина «электронной плотности» формируется в процессе просмотра ролика, при этом итоговое распределение плотности вероятности зависит как от угловых координат, так и от расстояния между электроном и атомным ядром, что демонстрируется поворотом и просмотром модели под различными углами и в разрезе. Реализованные модели в формате динамической 3Б-графики (мультипликации) апробированы в реальном учебном процессе в качестве сопровождения лекционных занятий, показали свою дидактическую обоснованность и педагогическую эффективность.

Скачать электронную версию публикации