USB-камера как средство интеграции цифровых и традиционных средств обучения физике

Разделы: Физика, Общепедагогические технологии


Современное обучение, с учетом федерального государственного образовательного стандарта нового поколения, невозможно представить без использования цифровых образовательных ресурсов. К последним, наиболее часто используемым среди учителей, можно отнести, в первую очередь, мультимедийные презентации (чаще всего в формате MS PowerPoint), а также видео- и аудио-фрагменты, цифровые модели экспериментов и явлений, виртуальные лабораторные работы, компьютерные тесты и задания, электронные учебники и др. В то же время все меньше внимания уделяется традиционным, зарекомендовавших себя со временем, средствам обучения, например, демонстрационному и модельному эксперименту. Одним из вариантов решения этой проблемы является интеграция традиционных и цифровых средств обучения. В качестве инструмента, интегрирующего традиционные и современные средства обучения, может выступать usb-камера в совокупности с персональным компьютером, специализированным программным обеспечением и мультимедийным проектором.

Usb-камеры довольно часто используются в организации образовательного процесса, например, при проведении видеоконференций и вэбинаров. Непосредственно в процессе обучения usb-камеры используются в документ-камерах, в настоящее время приобретающих все большую популярность. При обучении биологии usb-камеры широко применяются в виде цифровых usb-микроскопов или usb-приставок, позволяющих обычный лабораторный микроскоп подключать к персональному компьютеру.

Одной из сторон использования usb-камер в обучении является качество самой usb-камеры. Наиболее оптимальным вариантом, в этом случае, являются обычные web-камеры. Естественно, что положительными качествами usb web-камеры выступают ее разрешение, частота записываемых кадров в секунду, наличие автоматической или ручной фокусировки, светодиодная подсветка и др. Автор статьи обычно использует web-камеру с разрешением 320 Х 480 dpi и ручным фокусом. Ручная фокусировка позволяет выбирать объекты наблюдений даже на очень близком расстоянии от объектива usb-камеры.

Другой стороной применения usb-камер в образовательном процессе является выбор программного обеспечения. Основные требования, предъявляемые к программному обеспечению, касаются возможности передачи видео в режиме реального времени и наличия цифрового увеличения для масштабирования размеров наблюдаемого объекта. При использовании для вывода изображения мультимедийного проектора масштабирование может осуществляться с помощью цифрового zoom-а самого проектора. Дополнительные функции, которыми может оснащаться программное обеспечение для usb-камеры, заключаются в возможности обработки снятого видеофрагмента – ускоренное или замедленное воспроизведение видеофайла, системы для обработки изображения с целью определения размеров снимаемых объектов, подключение двух usb-камер и др. Большинство программ с открытым исходным кодом удовлетворяют поставленным требованиям. Автор в течении длительного времени использует бесплатное программное обеспечение «Live WebCam» [1] и «Webcam 7» [2], а также платное программное обеспечение «Altami Studio» [3].

В процессе обучения физике usb-камера может использоваться в качестве документ-камеры для проецирования эксперимента с демонстрационного стола на экран проектора. При этом положительным моментом является размер наблюдаемого изображения – если на демонстрационном столе рассматриваемое явление небольших размеров, то при использовании usb-камеры и проектора с возможностью масштабирования явление можно рассмотреть в подробностях, а также благодаря программному обеспечению добавить рукописные детали к проецируемому изображению. В качестве примера на рисунке 1 приведены возможности использования usb-камеры при изучении темы «Магнитное поле» в 11 классе, демонстрация «Силовые линии магнитного поля». Автор достаточно часто использует usb-камеру при решении экспериментальных задач для демонстрации показаний измерительных лабораторных приборов на проекционном экране (рисунок 2).

Рисунок 1. Использование usb-камеры
при демонстрации силовых линий магнитного поля

Рисунок 2. Использование usb-камеры
при решении экспериментальных задач

Программное обеспечение, используемое для захвата видео с usb-камер и последующего воспроизведения отснятого материала, или иное программное обеспечение, распространяемое бесплатно или в демо-версиях, например «Blend Me», «Gimp», «Virtual Dub» и другие, позволяют увеличивать и уменьшать скорость воспроизведения, а также делать фотоснимки через определенные промежутки времени и выполнять наложение фотоснимков друг на друга. Наличие такой возможности позволяет изучать физические явления, в которых необходимо фиксировать состояние объекта через определенные промежутки времени, например, для определения траектории тела, брошенного под углом к горизонту, при изучении колебаний, равноускоренного движения и др.

Еще одним плюсом использования usb-камер, по сравнению с документ-камерами, помимо малой стоимости, является мобильность usb-камер, малый размер и возможность использовать внутри другого оборудования. Так, автором разработан метод демонстрации особенностей спектрального анализа с использованием usb-камеры для исследования спектров поглощения водными растворами веществ видимого излучения. Сконструированный спектрометр может быть продемонстрирован при изучении тем «Излучения и спектры», «Спектральный анализ», «Дифракция» в 11 классе. Конструкция прибора представлена на рисунке 3. Спектр поглощения исследуемого вещества (3), получаемый с помощью дифракционной решетки (5), фотографировался с помощью usb-камеры (6), помещенной внутрь спектрометра. В качестве источника использовался светодиод белого свечения (2). Сфотографированный спектр (рисунок 3) в дальнейшем обрабатывался с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом CellPhoneSpec, позволяющего определять интенсивность света на всех длинах волн видимого диапазона. Работа спектрометра апробирована при исследовании спектров поглощения водных растворов хлорида натрия в видимом диапазоне оптического излучения [4].

Рисунок 3. Использование usb-камеры в демонстрационном
эксперименте по теме «Излучения и спектры»


Таким образом, использование usb-камеры позволяет проводить демонстрационные эксперименты по физике в сочетании с цифровыми технологиями, что согласуется с федеральным государственным образовательным стандартом нового поколения. Плюсами использования usb-камер, по сравнению с документ-камерами, в первую очередь является низкая стоимость usb-камер, а также их мобильность и возможность использовать внутри других приборов.

Автор надеется, что представленная в статье информация окажется полезной для широкого круга работников образовательных учреждений, учителей не только физики, но и других естественно-научных дисциплин, и не сомневается, что современные учителя могут найти другие возможности использования usb-камер в процессе обучения учащихся.

Использованные источники

1. LiveWebCam - бесплатная программа для вебкамеры и видеонаблюдения [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://iddd.ru/programs/livewebcam.
2. Webcam XP [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.webcamxp.com/home.aspx.
3. Программное обеспечение Altami Studio [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://altami.ru/soft/altami_studio/.
4. Федотова Д.А., Прелова Л.В., Волков А.С. Спектроскопические исследования водных растворов морской соли в видимом диапазоне [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://project.1september.ru/works/609622.