Ruch falowy – lekcja ze wspomaganiem komputerowym

Praca dyplomowa in Ŝynierska

Mariusz Szkudlarek

Opiekun

dr hab. in Ŝ. Włodzimierz Salejda, prof. nadzw. w PWr

Wrocław 2008

2

Panu profesorowi Włodzimierzowi Salejdzie

dziękuj ę za cierpliwość, wyrozumiałość

i niezastąpioną pomoc w trakcie wykonywania

pracy.

Moim Rodzicom dziękuj ę za wsparcie i wiarę

w mój sukces.

Ukochanym Ŝonie i córce, za ciepło Waszych

Serc, bez którego nic bym nie osiągnął.

3

Spis tre ści 1. Cel pracy i układ pracy ............................................................................................. 4 2. Techniki multimedialne w kształceniu ..................................................................... 5

2.1. Rozwój mediów ................................................................................................ 6 2.1.1. Tradycyjne źródła wiedzy ......................................................................... 6 2.1.2. Media interaktywne – rozwój komputerów i Internetu ............................ 6

2.2. Istota kształcenia multimedialnego ................................................................... 8 2.3. Ogólna charakterystyka Internetu ..................................................................... 9 2.4. E-learning ........................................................................................................ 10

2.4.1. Cechy charakterystyczne e-learningu ..................................................... 11 2.4.2. Proces budowy treści e-learningowych .................................................. 12 2.4.3. Standardy e-learningowe ........................................................................ 13

3. Charakterystyka programu Macromedia Authorware ............................................ 18 3.1. Historia ............................................................................................................ 18

4. Tworzenie aplikacji w programie Authorware ....................................................... 20 4.1. Typy obiektów ................................................................................................ 20

4.1.1. Wykorzystanie podstawowych obiektów ............................................... 21 4.1.2. Knowledge Objects ................................................................................. 22

4.2. Testowanie aplikacji ....................................................................................... 23 4.3. Tworzenie plików multimedialnych. .............................................................. 24

4.3.1. Oscylator harmoniczny we Flesh MX .................................................... 24 4.3.2. Generowanie dźwięku w Matlabie ......................................................... 25

5. Budowa lekcji wspomaganej komputerowo ........................................................... 27 5.1. Struktura e-lekcji ............................................................................................. 27

5.1.1. Interakcje ................................................................................................ 32 6. Zawartość lekcji wspomaganej komputerowo ........................................................ 34

6.1. Fale mechaniczne ............................................................................................ 34 6.1.1. Fala poprzeczna i podłuŜna ..................................................................... 36 6.1.2. Impuls falowy i fala harmoniczna .......................................................... 36 6.1.3. Fale płaskie i kuliste ............................................................................... 37

6.2. Rozchodzenie się fal w przestrzeni ................................................................. 38 6.2.1. Prędkości fali i równanie falowe ............................................................ 40 6.2.2. Energia kinetyczna ruchu falowego ........................................................ 41 6.2.3. Energia potencjalna ruchu falowego ....................................................... 42

6.3. Zasada superpozycji ........................................................................................ 43 6.3.1. Interferencja ............................................................................................ 44 6.3.2. Fala stojąca ............................................................................................. 44 6.3.3. Dudnienia ................................................................................................ 45

6.4. Efekt Dopplera ................................................................................................ 46 7. Wnioski ................................................................................................................... 48 Bibliografia ..................................................................................................................... 49 Spis rysunków ................................................................................................................. 51

4

1. Cel pracy i układ pracy

Celem mojej pracy było stworzenie interaktywnej lekcji dotyczącej ruchu

falowego przeznaczonej dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych oraz kandydatów na

studia w Politechnice Wrocławskiej. Lekcja została wykonana za pomocą programu

Macromedia Authorware w wersji 7.0 na licencji firmy Adobe Systems Incorporated

[1]. Program pobrano ze strony producenta oprogramowania w wersji trial,

pozwalającej na bezpłatne uŜywanie programu przez 30 dni, nie zezwalającej natomiast

na komercyjne wykorzystanie oprogramowania. Lekcja ma formę witryny internetowej.

Praca została podzielona na pięć zasadniczych części, będących treścią

rozdziałów 2-6. Pierwsza obejmuje zagadnienia związane z wykorzystaniem technik

multimedialnych w nauczaniu oraz e-learningiem. Zwracam w niej uwagę na

moŜliwości, jakie daje zastosowanie multimediów, oraz płynące stąd korzyści.

Druga część pracy dotyczy programu Macromedia Authorware. Znajduje się

tam opis zalet programów klasy Authorware, oraz charakterystyka programu

Macromedia Authorware 7.0, obejmująca jego historię oraz moŜliwości.

W trzeciej części zamieściłem szczegółowy opis tworzenia materiałów

edukacyjnych w programie Authorware, a takŜe sposoby tworzenia animacji zjawisk

fizycznych, oraz generowania dźwięku za pomocą programów Macromedia Flash

i Matlab.

Rozdział 5. dotyczy wykonania lekcji wspomaganej komputerowo. Omówiłem

w nim strukturę wykonanej aplikacji, oraz sposoby wykorzystania elementów

interaktywnych pakietu Authorware.

Ostatnia część pracy, rozdział 6, stanowi treść merytoryczną e-lekcji oraz

zawarte w niej zadania wraz z rozwiązaniami.

W zakończeniu, rozdział 7, umieściłem wnioski, oraz bibliografię materiałów

uŜytych przy tworzeniu pracy.

5

2. Techniki multimedialne w kształceniu

Proces kształcenia, inaczej określany jako proces dydaktyczno-wychowawczy,

jest podstawową formą realizacji celów edukacyjnych w kaŜdej szkole [2]. Pod tym

pojęciem rozumie się najczęściej system powiązanej ze sobą działalności nauczycieli

i uczniów, w toku której nauczyciel, a takŜe rodzice lub opiekunowie, czyli kaŜdy

wychowawca, przekazuje uczniom wiedzę, bądź kieruje ich pracą, stwarzając warunki

do samodzielnego zdobywania wiadomości, rozwijania osobowości i kształtowania

postaw.

W kształceniu, poza wymienionymi elementami systemu, na coraz większą

skalę uczestniczą złoŜone media elektroniczne: komputery, Internet, telewizja.

Multimedia te występują niemal w kaŜdej działalności człowieka, takŜe edukacyjnej,

i oddziałują w sposób interakcyjny na prawie wszystkie zmysły.

Konsekwencje wprowadzenia nowych technologii informacyjnych i technik

multimedialnych wywierają istotny wpływ na proces dydaktyczny [6]. Z roku na rok

zdalne nauczanie staje się coraz bardziej popularne. Przyczynia się do tego nie tylko

rosnące zapotrzebowanie na wiedzę, lecz takŜe rozwój dostępności Internetu oraz

technologii internetowych, co umoŜliwia efektywne nauczanie [7] oraz pozwala na

wykorzystanie tego medium do nauczania na odległość. Student, zamiast dojeŜdŜać na

uczelnię, moŜe pozostać w domu lub udać się do pobliskiego centrum multimedialnego

i w elastyczny sposób realizować ustalony program studiów [6].

WyróŜnia się cztery podstawowe tryby nauczania zdalnego w Internecie [7]:

samokształcenie, tryb synchroniczny, asynchroniczny oraz mieszany. Głównym

zadaniem zdalnego nauczania powinno być wspomaganie i uatrakcyjnienie

tradycyjnych zajęć, a zwłaszcza zwiększenie efektywności i dostępności nauczania.

Jakość prezentowanych treści przekłada się bowiem na późniejszą jakość wiedzy

studenta i w znacznym stopniu odpowiada za powodzenie całego przedsięwzięcia, czyli

nauczania przez Internet.

6

2.1. Rozwój mediów

Geneza i ewolucja zastosowań nowych technologii informacyjnych, zwłaszcza

w kształceniu, wiąŜą się ściśle z rozwojem tradycyjnych form przekazu. Dynamiczny

rozwój środków audiowizualnych i mediów interaktywnych dokonał zasadniczych

przeobraŜeń w systemie i procesie kształcenia, w tym takŜe w przekazywaniu

róŜnorodnych informacji.

2.1.1. Tradycyjne źródła wiedzy

Przez tysiąclecia dokonywała się ewolucja języka mówionego. W miarę

przekazywania coraz dłuŜszych komunikatów werbalnych powstawały środki

ułatwiające zapamiętywanie – rym, rytm, aliteracja (mnemotechnika). Wreszcie

powstało pismo, którego wpływ na dzieje ludzkości pozostaje nieoceniony. Zasięg oraz

uŜyteczność tekstów pisanych zwiększyło powstanie i rozpowszechnienie druku, a ten

z kolei miał wpływ na masowe pojawienie się ksiąŜek i podręczników. Czasy

najnowsze przyniosły radio i telewizję, rozpowszechniła się telewizja satelitarna,

telewizja wysokiej rozdzielczości (HDTV), techniki wideo, komputery a takŜe systemy

i sieci informatyczne.

2.1.2. Media interaktywne – rozwój komputerów i Int ernetu

Wśród środków dydaktycznych wykorzystywanych w edukacji medialnej

szczególne miejsce, ze względu na swoje właściwości i moŜliwości pedagogicznego

wykorzystania, zajmują komputery i Internet [2]. Multimedia, w odróŜnieniu od innych

prostych środków dydaktycznych, mogą pełnić w procesie nauczania – uczenia się

funkcje nie tylko środków, ale takŜe środków – metod nauczania.

Za przodków komputera naleŜy uznać przyrządy przeznaczone do liczenia,

takie jak liczydło, mechaniczny arytmometr, maszyna analityczna z moŜliwością

wczytywania danych, przechowywania ich w pamięci i przetwarzania, a takŜe

wyprowadzania wyników. Wkrótce powstały pierwsze komputery tranzystorowe,

a nieco później układy scalone.

7

Najnowsze komputery cechuje moŜliwość wprowadzania wysokiej jakości

dźwięku i obrazu. Oprogramowanie umoŜliwia wykorzystanie komputera do syntezy

głosu i muzyki, animacji oraz do tworzenia cyfrowych obrazów filmowych. Trwają

prace nad komputerem wzorowanym na sieci połączeń komórkowych kory mózgowej

– tzw. „komputer neuronowy”.

Początki Internetu sięgają lat 60-tych [8]. Tak jak często w historii świata

bywało, ten „wynalazek” takŜe pojawił się w związku z inicjatywami mającymi na celu

odkrycie nowych rozwiązań dla celów działalności militarnej.

Końcem lat pięćdziesiątych powołano specjalną jednostkę w Departamencie

Obrony USA o nazwie ARPA (Advanced Research Project Agency). Zadaniem ARPA

było opracowanie nowych technologii teleinformatycznych zaadaptowanych dla celów

militarnych. Badania ARPA ukierunkowane były na stworzenie sieci komputerowej

łączącej ośrodki akademickie i organizacje militarne w USA. Sieć miała być

zaprojektowana i zbudowana w taki sposób, aby w przypadku ataku nieprzyjaciela

i zniszczenia jej fragmentu (np. części ośrodków), reszta mogła funkcjonować. Sieć

miała bazować na przesyłaniu informacji w pakietach – czyli podzielonej na małe

części. Opracowano technikę dynamicznego wyboru drogi dla informacji między

komputerami w sieci. Gdy ścieŜka w sieci ulega uszkodzeniu, system automatycznie

powinien wybrać inną. W 1969 roku sieć ARPANet połączyła cztery placówki

akademickie i właśnie ją uwaŜa się za protoplastę obecnego Internetu. W następnych

latach opracowano nowe protokoły, które umoŜliwiały szersze zastosowanie sieci (FTP,

Telnet, protokoły poczty elektronicznej). W roku 1971 było juŜ 15 węzłów i 23 serwery

w sieci. W 1973 roku sieć ARPANet po raz pierwszy zrealizowała połączenie

międzykontynentalne. Do sieci podłączono ośrodki uniwersyteckie z Wielkiej Brytanii

i z Norwegii. Wtedy teŜ pojawiła się nazwa Internet. W pierwszym dziesięcioleciu

działalności do sieci ARPANet mają dostęp jedynie organizacje i instytucje

uprzywilejowane.

Internet „zbłądził pod strzechy”, stając się ogólnodostępnym medium, dzięki

najpopularniejszej obecnie usłudze WWW (World Wide Web)[3]. WWW jest

hipertekstowym, multimedialnym, sieciowym systemem informacyjnym. Jego

pierwotnym i wciąŜ głównym zadaniem jest publikowanie informacji, w oparciu o kod

hipertekstowy, umoŜliwiający wyświetlanie formatowanego tekstu i grafiki. Pierwszą

specyfikację języka HTML, który jest dominującym językiem uŜywanym do tworzenia

8

stron internetowych, a takŜe podwaliny idei WWW stworzył Timothy Berners-Lee,

publikując w 1991 roku specyfikację HTML Tags[4][5].

Tabela. Rozwój komunikacji [2].

Wyszczególnienie Lata

Pierwszy mózg (prosty układ) 500 milionów lat temu

Mowa 35 – 50 tysięcy lat temu

Pismo 6 tysięcy lat temu

Alfabet 4 tysiące lat temu

Druk połowa XI wieku w Chinach,

połowa XV wieku w Europie

Telefon 1876 r.

Film 1894 r.

Telewizja 1926 r.

Internet lata ’90 XX wieku

2.2. Istota kształcenia multimedialnego

Kształcenie multimedialne, ze względu na moŜliwości jednoczesnego

oddziaływania na róŜne zmysły, jest nauczaniem – uczeniem się, w którym uruchamia

się wiele torów przepływu informacji [2]. W procesie tym przekazywanie informacji

odbywa się w języku działań poprzez stosowanie środków czynnościowych (naturalne

przedmioty i modele), w języku obrazów (materiały wizualne i audiowizualne) oraz

języku symbolicznym (materiały słowne i graficzne). Ta rozmaitość bodźców powoduje

uruchomienie wielorakich rodzajów aktywności uczących się, takich jak aktywność

spostrzeŜeniowa, manualna, intelektualna i emocjonalna.

Kształcenie multimedialne charakteryzuje się następującymi cechami [2]:

• w sferze psychodydaktycznej uczącego się: zmianą stosunku emocjonalno-

motywacyjnego do procesu uczenia się, spowodowaną dostępem do

najatrakcyjniejszych źródeł wiedzy; zerwaniem z przewagą słowa mówionego

i druku na korzyść współistnienia wielu „języków”, w tym języka

9

audiowizualnego; aktywizowaniem ucznia w procesie kształcenia

multimedialnego, wywoływanym m.in. występowaniem wielu bodźców;

• w sferze metodyki nauczania: modyfikacją sposobów pracy nauczyciela,

stwarzającą moŜliwości bardziej kreatywnego podejścia do nauczania;

nauczyciel ma moŜliwość tworzenia wraz z uczniami własnego systemu

materiałów dydaktycznych komunikatów uzupełniających źródła wiedzy

dostarczane w formie zinstytucjonalizowanej;

• w sferze realizacyjnej procesu kształcenia, czyli doboru strategii nauczania

– uczenia się: indywidualizacją kształcenia, moŜliwą nie tylko dzięki

rozbudowanym systemom symulacji komputerowej, ale równieŜ dzięki prostym

systemom multimedialnym; dostrzeganie róŜnic indywidualnych, róŜnych

stylów uczenia się, przyzwyczajeń, umiejętności i tempa przyswajania wiedzy.

Podstawowymi środkami kształcenia multimedialnego są: komputer z moŜliwością

podłączenia do Internetu, telewizja, radio, prasa, ksiąŜki. Za pomocą komputera

i Internetu moŜna integrować róŜnorodne funkcje pozostałych środków kształcenia

multimedialnego oraz innych urządzeń technicznych.

W kształceniu multimedialnym, w którym oddziałuje się na prawie wszystkie

zmysły człowieka, w odróŜnieniu od nauczania konwencjonalnego uzyskuje się m.in.

następujące wyniki [2]:

• skuteczność nauczania wyŜszą o 56%;

• zrozumienie tematu wyŜsze o 50-60%;

• nieporozumienia mniejsze przy przekazywaniu wiedzy o 20-40%;

• oszczędność czasu 38-70%;

• tempo nauczania wyŜsze o 60%;

• zakres przyswojonej wiedzy wyŜszy o 25-50%.

2.3. Ogólna charakterystyka Internetu

Internet jest wielką siecią komputerową łączącą miliony komputerów na

całym świecie [2], uŜywaną głównie jako kanał komunikacyjny dla poczty (e-mail),

choć zawiera takŜe ogromne zasoby uŜytecznych informacji (w tym multimedialnych),

gromadzonych przez osoby prywatne, rządy, środowiska oświatowe, naukowe oraz

10

organizacje komercyjne. Pozwala on małym kosztem i w sposób prawie

natychmiastowy wymieniać informacje między ludźmi na całym świecie. UmoŜliwia

wysyłanie i odbieranie poczty elektronicznej (e-mail), przeglądanie sieci Web,

tworzenie osobistych stron domowych. Globalna sieć teleinformatyczna w postaci

Internetu jest najbardziej powszechnym środowiskiem propagującym ideę

multimediów. Wraz z wprowadzeniem stron WWW powstała moŜliwość swobodnego

przesyłania obrazów, filmów, grafiki, tekstów i dźwięku między dowolnymi miejscami

na świecie.

MoŜna dostrzec trzy obszary zastosowań edukacyjnych Internetu:

• Internet jako źródło informacji i pomocy naukowych;

• Internet jako techniczne medium w procesie zdalnego nauczania – wirtualna

szkoła;

• Internet jako narzędzie wspierające proces masowego kształcenia.

Internet umoŜliwia [2]:

• szybkie przesyłanie korespondencji między dowolnymi uŜytkownikami sieci;

• interakcyjną pracę na odległych komputerach;

• bezpośrednią komunikację między uŜytkownikami pracującymi na dowolnych

komputerach sieci;

• tworzenie grup zainteresowań;

• badanie pracy i zasobów sieci;

• łatwy dostęp do odmiennych struktur plikowych;

• zdalną transmisję zbiorów;

• odszukanie zasobów sieciowych.

Internet umoŜliwia równieŜ efektywne korzystanie z ogromnej ilości informacji

zgromadzonych w sieci przy przygotowaniu się do zajęć i ich prowadzeniu.

2.4. E-learning

Jest to technika szkolenia wykorzystująca wszelkie dostępne media

elektroniczne, w tym Internet, intranet, extranet, przekazy satelitarne, taśmy

audio/wideo, telewizję interaktywną oraz CD-ROMy [9]. E-learning jest najczęściej

11

kojarzony z nauczaniem, w którym stroną przekazującą wiedzę i egzaminującą jest

komputer, dlatego przyjęło nazywać się tę formę nauki "distance learning" (uczenie na

odległość), w którym brak fizycznego kontaktu z nauczycielem. Sedno wyŜszości

e-learningu nad innymi metodami polega na przeniesieniu środka cięŜkości

w nauczaniu z nauczyciela na uczącego się pracownika. Ponadto e-learning umoŜliwia

nam samodzielne wybranie preferowanego formatu dostarczania wiedzy i tempa jej

przekazywania. Czy e-learning jest uwaŜany za lepszą technikę uczenia od

standardowych wykładów? Ostatni rok pokazuje, Ŝe wiele firm, instytucji oraz szkół

coraz częściej wprowadza kształcenie oparte na technologiach webowych. Nie jest to

przypadek, ale świadomość większych moŜliwości, jakie daje kształcenie online.

2.4.1. Cechy charakterystyczne e-learningu

E-learning pozwala na nauczanie i uczenie się, gdy uczniowie, studenci

i osoby dorosłe są oddalone od nauczyciela, lecz mają moŜliwość skorzystania z technik

komputerowych czy telekomunikacyjnych. Do charakterystycznych cech e-learningu

moŜna zaliczyć:

• realizowanie tych samych celów co w przypadku stacjonarnego systemu

edukacji, ale bez narzucania formalnych barier rekrutacji;

• komplementarna realizację programów opracowanych przez szkołę (uczelnię)

i samego zainteresowanego;

• zastosowanie róŜnych mediów informacyjnych i wszystkich moŜliwych metod

przekazu i komunikacji;

• duŜe moŜliwości wyboru form i metod kształcenia oraz trybu studiowania;

• elastyczny dobór wykładowców oraz materiałów szkoleniowych;

• dostosowanie do moŜliwości i potrzeb studenta;

• brak rozbudowanej infrastruktury kształceniowej.

12

2.4.2. Proces budowy tre ści e-learningowych

Przygotowanie elektronicznych materiałów edukacyjnych do przedmiotów

(kursów) moŜna realizować [6]:

• w formie zorganizowanej – gdzie kaŜdy przedmiot stanowi osobne

przedsięwzięcie realizowane przez zespół specjalistów;

• indywidualnej – gdzie nauczyciel sam, po uprzednim przeszkoleniu, stworzy

materiały edukacyjne do prowadzonych przez siebie przedmiotów.

Materiały są opracowywane, testowane i uzupełniane w trakcie pracy ze studentami

(nauczanie mieszane – blended learning).

Najogólniej moŜna wyszczególnić trzy generacje edukacji zdalnej:

• pierwszą, w której koncepcje nauczania na odległość dotyczyły

jednokierunkowego przekazu treści od nauczyciela do ucznia;

• drugą, w której zachodzi dwustronna wymiana informacji na torze nauczyciel

– uczeń;

• trzecią, w której wzajemna komunikacja uczniów i nauczycieli zachodzi

w czasie realnym (na bieŜąco) i w wirtualnej, tj. sztucznej rzeczywistości.

Zdalne nauczanie za pośrednictwem Internetu pozwala na wykorzystanie

bardzo wielu form elektronicznych materiałów dydaktycznych. Ze względu na

funkcjonalność moŜna je pogrupować w następujący sposób [6]:

• dokumenty tekstowe (statyczne, zawierające zarówno tekst, jak i grafikę), naleŜą

do nich między innymi popularne formaty:

a) DOC (Microsoft Word),

b) RTF (Rich Text Format),

c) PDF (Portable Document File),

d) SXW (dokument tekstowy OpenOffice.org – odpowiednik MS Word),

e) HTML (HyperText Markup Language) oraz wszystkie pochodne tego

języka;

• dokumenty multimedialne, z których najpopularniejsze to:

a) SWF – prezentacje, animacje, filmy Flash’owe,

b) PPT, PPS, MHT – prezentacje Microsoft PowerPoint,

13

c) STI – prezentacja OpenOffice.org (odpowiednik MS PowerPoint);

• zbiory audio i wideo, które moŜna podzielić na:

a) skompresowane zbiory audio i/lub wideo – róŜne formaty zbiorów

udostępnianych w formie plików do przekopiowania na własny

komputer w celu odsłuchania (obejrzenia),

b) media strumieniowe – zbiory audio lub wideo sformatowane

i udostępniane w taki sposób, który umoŜliwia odsłuchiwanie bądź

oglądanie ich bez konieczności wcześniejszego kopiowania całości

zbioru na komputer uŜytkownika;

• aplikacje interaktywne i symulatory, np.:

a) aplety Javy,

b) obiekty ActiveX,

c) aplikacje Flash i AuthorWare (Macromedia).

Wszystkie wyŜej wymienione formaty zbiorów elektronicznych mają za zadanie w jak

najbardziej przystępny sposób zaprezentować wiedzę. Technologia WWW pozwala

łączyć nie tylko tekst i grafikę, ale równieŜ pozostałe wymienione media, co

uatrakcyjnia przekaz i ułatwia naukę. Połączenie tekstu, obrazów, nagrań audio

i filmów w prezentację moŜliwe jest zarówno w technologiach WWW, FLASH, PDF,

MS PowerPoint, jak i innych. KaŜda z tych technologii posiada specyficzną dla siebie

funkcjonalność. NaleŜy równieŜ zauwaŜyć, iŜ rozwój narzędzi informatycznych dąŜy do

integracji wyŜej wymienionych form prezentacji, czego wynikiem jest np. moŜliwość

osadzania animacji, dźwięku, filmów czy budowanie interakcji w dokumentach

budowanych za pomocą edytorów tekstowych.

2.4.3. Standardy e-learningowe

Istotnym zagadnieniem związanym z budową materiałów edukacyjnych jest

konieczność przeniesienia niektórych składników procesu dydaktycznego

z komunikacji werbalnej na prezentowaną treść [2]. Składnikami takimi są np. techniki

skupienia uwagi i podtrzymywania motywacji do nauki. Materiały edukacyjne

spełniające te role powinny być znacznie bardziej atrakcyjne i urozmaicone,

w porównaniu do materiałów wykorzystywanych w nauczaniu tradycyjnym, oraz

14

zawierać przynajmniej niektóre z elementów niŜej wymienionych standardów. Do tej

pory zostało wypracowanych wiele standardów i wskazówek dla budowy treści

szkoleniowych. Standardy te określają zasady budowy materiałów edukacyjnych, ich

funkcjonowania oraz wykorzystania w procesie dydaktycznym.

• SCORM (ang. Sharable Content Object Reference Model) [10].

Otwarty standard reprezentacji zawartości dydaktycznej. Standard ten zapewnia

przenaszalność zawartości dydaktycznej pomiędzy systemami róŜnych

producentów oraz umoŜliwia wielokrotne uŜycie poszczególnych fragmentów

kursu. Wykorzystanie standardu pozwala na uniknięcie wysokich kosztów

obsługi kursów.

• SCO (ang. Sharable Content Object) najniŜszy poziom złoŜoności źródeł

uczących, które są wykorzystywane przez LMS [10]. SCO jest szczególną

implementacją Obiektu Uczącego LO(Learning Object), który wynika ze

standardu SCORM. SCO moŜemy więc określić jako implementacje LO

spełniającego następujące wytyczne:

a) zawiera jeden lub więcej zbiorów takich jak: media elektroniczne, tekst,

obrazy, dźwięki, strony WWW i obiekty oceniające;

b) potrafi lokalizować LMS API adapter;

c) zawiera minimum dwie klasy API: (LMSInitialize(“”) i LMSFinish(“”));

d) nie moŜe wywoływać innych obiektów.

• LMS (ang. Learning Management System) [10]. Główne zadanie LMS to pomoc

w zarządzaniu aktywnością szkoleniową i kompetencjami w organizacji.

Aktywności zarządzane przez LMS róŜnią się przy kursach prowadzonych przez

instruktora, seminariach edukacyjnych czy szkoleniach opartych na sieci

komputerowej. Z punktu widzenia uŜytkownika końcowego LMS zapewnia

efektywny sposób śledzenia indywidualnych umiejętności i kompetencji, proste

metody lokalizacji aktywności szkoleniowych i rejestracji na kursy. LMS

zarządza dostępem do kursów online na które uŜytkownik został zarejestrowany.

LMS ułatwia wprowadzenie, śledzenie, zarządzanie, i raportowanie aktywności

szkoleniowych w organizacji.

15

• LCMS (ang. Learning Content Management System) [10].

LCMS pomaga tworzyć, wykorzystywać, lokalizować, dostarczać, zarządzać

i ulepszać zawartość szkoleń. Zawartość jest zwykle zarządzana

w scentralizowanym archiwum w formie niewielkich, samo opisujących,

identyfikowalnych elementów lub jako jednostki szkoleniowe, z których kaŜda

satysfakcjonuje jeden lub więcej dobrze zdefiniowanych obiektów

szkoleniowych. LCMS potrafi zlokalizować i dostarczyć do uŜytkownika

końcowego indywidualną jednostkę szkoleniową, aby zaspokoić pojedyncze

zadanie, lub dostarczać elementy większego kursu, zdefiniowanego w systemie

LMS.W zaawansowanych systemach, LCMS kontroluje interakcje studenta

z obiektami kursu i opierając się na tej informacji dostarcza studentowi wysoce

spersonalizowany tok nauczania. LCSM dostarcza osobom nadzorującym

przejrzystych i wartościowych raportów, które w przyszłości mogą posłuŜyć

równieŜ do doskonalenia obiektów szkoleniowych. Niektóre z wiodących

systemów LCMS umoŜliwiają współpracę i wymianę wiedzy w odniesieniu do

obiektów szkoleniowych pomiędzy studentami i nauczycielami. RównieŜ ta

wymiana jest archiwizowana i udostępniana osobom przygotowującym

uzupełnienia treści szkoleń. Główne zadanie LCMS to tworzenie, przetwarzanie,

lokalizowanie, dostarczanie, zarządzanie i ulepszanie treści. W niektórych

przypadkach obszar ten rozszerza się na zbieranie dodatkowych informacji

i prezentowanie ich w przystępnej formie. LCMS nie zajmuje się zarządzaniem

kompetencjami, nie ma dodatkowych funkcji administracyjnych, nie zarządzają

szkoleniami ani logistyką.

• ECC (E-learning Courseware Certification) [2], rozpowszechniany przez ASTD

Institute E-learning2. Przeznaczony jest dla asynchronicznych kursów

bazujących na stronach WWW i multimediach oraz formułuje kryteria odnośnie:

nawigacji, lokalizacji, odpowiedzi zwrotnych, odnośników, pomocy oraz

czytelności i jakości publikowanego tekstu. ECC przedstawia równieŜ kryteria

projektowania instrukcji kursu i obejmuje następujące zagadnienia:

a) komunikaty dotyczące celów nauczania – cele nauczania powinny być

sprecyzowane dla całego kursu oraz jego głównych części

merytorycznych;

16

b) cele wymagające zastosowania nabytej wiedzy – wymagają od

uŜytkowników stosowania nowej wiedzy w kontekście znanych

problemów, sytuacji i zadań;

c) techniki skupienia uwagi i utrzymania zainteresowania – istotne z punktu

widzenia treści nauczania;

d) strategie podtrzymywania motywacji – kurs powinien zawierać stosowną

strategię angaŜowania uŜytkowników i podtrzymywania ich motywacji

podczas trwania całego procesu nauczania;

e) techniki wydobywania istotnej wiedzy – instrukcje pozwalające na

kumulację zdobywanej wiedzy – utrwalanie juŜ poznanych treści, tak

aby mogły one stanowić podstawę do dalszej nauki;

f) przykłady i demonstracje;

g) ilustrowanie i wyjaśnianie treści edukacyjnych;

h) dostarczanie przykładów praktycznego zastosowania treści nauczania;

i) moŜliwość integrowania wiedzy – oprogramowanie kursu powinno

dostarczać praktycznych okazji do integrowania i syntetyzowania wiedzy

oraz umiejętności uŜytkowników, zdobytych w ramach poszczególnych

jego części;

j) dostarczanie odpowiedzi zwrotnej;

k) oferowanie pomocy instruktaŜowej – uŜytkownicy powinni mieć dostęp

do (stopniowo zmniejszającej się i zmieniającej się w zaleŜności od

kontekstu) pomocy podczas szkolenia;

l) ocena wiedzy – kurs powinien zawierać uzasadniony i rzetelny system

oceny ucznia;

m) wykorzystanie mediów – media powinny być wykorzystywane dla

podniesienia wydajności nauczania oraz dostosowane do tematyki

i przedmiotu nauczania;

n) unikanie poznawczego obciąŜenia – kurs powinien wykorzystywać

strategie pozwalające uniknąć obciąŜenia poznawczego, związanego

z dostarczaniem informacji w ilościach większych niŜ moŜna przyswoić

w danym czasie.

17

Przedstawione powyŜej zagadnienia dotyczące certyfikacji i kryteriów związanych

z budową treści kursów e-learningowych są tylko krótkim przeglądem podstawowych

rozwiązań z tego zakresu.

18

3. Charakterystyka programu Macromedia Authorware

Jak wspomniano w poprzednim rozdziale, lekcja multimedialna pozwala na

przekazywanie uczestnikom procesu kształcenia złoŜonych informacji oraz efektywnie

wpływać na ich umiejętności i uzyskaną wiedzę. Podczas tworzenia lekcji

multimedialnej naleŜy pamiętać, Ŝe od jej twórcy wymaga się róŜnorodnych

umiejętności, rzadko występujących jednocześnie u jednej osoby. Konieczne jest, aby

lekcja multimedialna zawierała duŜo mniej tekstu niŜ tradycyjny podręcznik, za to

więcej grafiki, animacji i przede wszystkim interakcji [7]. Powinna niejako zmuszać

ucznia, studenta czy osobę dorosłą do przyswojenia materiału przez konieczność

interakcji z lekcją. Tworzenie lekcji multimedialnej wymaga doboru odpowiednich

narzędzi programistycznych. Podstawowym pakietem do tworzenia lekcji

multimedialnych jest Macromedia Authorware.

3.1. Historia

Firma Authorware powstała w 1987 r., załoŜona przez Michaela Allena, jak

równieŜ projekt multimedialny opracowany przez tę firmę [11]. Allen był współtwórcą

PLATO Learning Management System (PLM) - systemu nauczania rozwijanego w

latach 70. Firma Authorware połączyła się w 1992 r. MacroMind-Paracomp, tworząc

firmę Macromedia. Macromedia została w roku 2005 zakupiona przez Adobe Systems.

Obecnie jednym z najpowszechniej uŜywanych pakietów oprogramowania autorskiego

jest Adobe Authorware, współpracujący z innymi aplikacjami tej firmy, jak Adobe

Director.

System Authorware (rozumiany jako klasa oprogramowania) jest

interpretowanym, graficznym językiem programowania opartym na diagramach

i pozwalającym na łączenie w aplikacji tekstu, dźwięku, grafiki, animacji i filmów.

Praca z systemami Authoware polega na tworzeniu diagramu ilustrującego strukturę

aplikacji. UŜytkownik moŜe dodawać i zarządzać elementami tej aplikacji - dźwiękiem,

grafiką, tekstem, a takŜe dodawać elementy nawigacji, jak odsyłacze, przyciski i menu.

MoŜliwe jest teŜ uŜywanie elementów programowania - zmiennych, funkcji i wyraŜeń.

Najczęściej wykorzystuje się je do tworzenia interaktywnych przewodników czy

19

instrukcji, przez co są szczególnie przydatne zarówno w biznesie, jak i szeroko

rozumianej edukacji, oszczędzając autorom kosztownych szkoleń. Program Authorware

pozwala takŜe na tworzenie aplikacji i kursów opartych na bazie stron WWW, co jest

wykorzystane w e-learningu i podnosi jego walory jako środowiska edukacyjnego.

Tworzenie aplikacji odbywa się na zasadzie przeciągania i upuszczania ikon,

odnoszących się do określonych form prezentacji treści, na schemat blokowy aplikacji

(Flowline). Program Macromedia Authorware umoŜliwia łączenie róŜnorodnych

mediów takich jak: Windows Media Player, Quick Time, pliki MP3, obrazy bitmapowe,

filmy, Stockwave oraz programami z pakietu Macromedia np. Flash MX [13]. Produkt

finalny, czyli utworzona aplikacja moŜe być dostępna na róŜnych nośnikach,

np. dyskach CD-ROM lub DVD-ROM (w postaci plików.EXE) jak równieŜ w sieci

internetowej (w postaci plików AAM lub HTM).

20

4. Tworzenie aplikacji w programie Authorware

Głównym źródłem informacji na temat uŜywania Macromedia Authrware były

pliki pomocy zawarte w pakiecie [12].

W programie Macromedia Authorware aplikacje tworzy się przez

umieszczanie obiektów z panelu Icons w oknie Flowline - głównym oknie programu,

metodą Drag-Drop, czyli przez proste przenoszenie myszką. Flowline pozwala na

uszeregowanie czasowe wykonywanych przez aplikację czynności. Linia w oknie

Flowline reprezentuje więc swoistą oś czasową (rys.).

4.1. Typy obiektów

Podstawowe typy obiektów to:

• Display – umoŜliwia wyświetlanie tekstu i grafiki,

• Motion – pozwala przemieszczać obiekty,

• Erase – słuŜy do usuwania z ekranu wcześniej wyświetlonych obiektów,

gdy nie są juŜ one potrzebne,

• Wait – pauza, moŜe mieć czas zadany z góry, bądź trwać do wykonania

określonej akcji przez uŜytkownika (naciśnięcie klawisza, kliknięcie

myszką w pole, przycisk),

• Navigate – słuŜy do automatycznej bądź kontrolowanej przez

uŜytkownika nawigacji wewnątrz szkieletu Framework,

• Framework – tworzy szkielet, stanowiący strukturę teksu, grafiki,

animacji i innych danych, dzięki któremu uŜytkownik moŜe nawigować

między poszczególnymi scenami,

• Decision – wybiera między alternatywnymi ścieŜkami (flowline),

zaleŜnie od warunków lub zdarzeń,

• Interaction – pozwala uŜytkownikowi na dokonywanie złoŜonych

wyborów,

• Calculation – pozwala na zmianę wartości zmiennych,

21

• Map – SłuŜy do grupowania pozostałych ikon w segmenty, ułatwiając

tym czytelność struktury flowline,

• Movie – odtwarza filmy w formatach AVI, MOV, FLC, MPEG

i QuickTime 2,

• Sound – pozwala odtworzyć dźwięk.

4.1.1. Wykorzystanie podstawowych obiektów

Aby wyświetlić więc obraz na ekranie, umieszczamy w oknie Flowline ikonę

Display. Następnie otwieramy panel inspektora właściwości, nadajemy naszemu

obiektowi poŜądane przez nas parametry, takie jak ścieŜka dostępu do pliku, połoŜenie

obrazu na ekranie itd. (rys.1.).

Gdy chcemy, Ŝeby obraz przestał być wyświetlany po określonym czasie,

w lini flowline umieszczamy ikonę Wait, następnie dodajemy obiekt Erase, wybieramy

w jego właściwościach wcześniej utworzony obiekt Display .

Rysunek 1. Główne okno programu Authorware - panele Icons, Flowline, oraz Properties

22

Tak wygląda budowa podstawowych elementów aplikacji, jednak

ograniczenie się tylko do jednokierunkowego poruszania się wzdłuŜ linii czasu,

sprowadza naszą aplikację do poziomu prostej prezentacji, wymagającej od

uŜytkownika jedynie potwierdzania kiedy chce przejść do następnego widoku, podobnie

jak ma to miejsce w prezentacjach programu Microsoft Office PowerPoint.

Aby budować złoŜone interakcje, czy choćby moŜliwość bardziej swobodnego

poruszania się po aplikacji, konieczne jest uŜycie ikon Framework, Interaction, oraz

Navigate.

4.1.2. Knowledge Objects

Kolejnym bardzo waŜnym narzędziem są obiekty Knowledge Ojects, których

moŜliwości są ogromne, oferują bowiem kontrolę nad plikami, moŜliwość logowania

uŜytkowników, przesyłanie danych do systemów edukacyjnych LMS, a takŜe

sprawdzanie wiedzy uŜytkownika i wymuszanie na nim interakcji.

Wybierać moŜemy z kilkudziesięciu obiektów, o wyspecjalizowanych

funkcjach (rys.2.). Obiekty te posiadają złoŜoną strukturę, toteŜ ustawianie ich

parametrów jest wspomagane przez program, gdyŜ zastosowanie inspektora

właściwości, jak to miało miejsce w przypadku obiektów innych klas, spowodowałoby

wyświetlenie ogromnej liczby parametrów, nad którymi uŜytkownik musiałby sam

zapanować.

Obiekty Knowledge słuŜą głównie do budowania testów, są więc jednym

z podstawowych narzędzi, stanowiących o sile programu Authorware, oraz jego

specjalizacji pod kątem wykorzystania w kształceniu multimedialnym.

23

Rysunek 2. Panel wyboru Knowledge Objects

4.2. Testowanie aplikacji

Gdy juŜ umieścimy odpowiednie obiekty we Flowline, lub strukturze

Framework, a następnie nadamy wartości ich właściwością, przychodzi czas na

przetestowanie wyników pracy.

Authorware umoŜliwia to przez zastosowanie panelu Control, pozwalającego

odtworzyć tworzoną aplikację od dowolnego punktu, zatrzymać wykonywanie, w celu

zmiany parametrów, lub poprawienia ewentualnych błędów, a następnie jej wznowienie

z wprowadzonymi juŜ poprawkami. Bardzo przydatny jest tu tryb debugowania, dzięki

któremu moŜemy w linii przepływu umieścić flagi Start i Stop. Flagi znajdują się

w panelu Icons i wstawia się je do Flowline tak samo, jak wszystkie inne obiekty.

24

4.3. Tworzenie plików multimedialnych.

Jedną z głównych zalet komputerowego wspomagania nauczania jest

moŜliwość korzystania z multimediów. Zjawiska takie jak ruch falowy moŜna łatwiej

zrozumieć, dzięki animacją tego ruchu. W mojej pracy animacje tworzyłem za pomocą

programu Micromedia Flesh.

Dla zaprezentowania podstaw tworzenia animacji wybrałem animację

prostego jednowymiarowego oscylatora harmonicznego. Oscylator harmoniczny jest

bowiem podstawą większości animacji ruchu oscylującego, oraz ruchu falowego.

Dalej omawiam generowanie plików dźwiękowych za pomocą programu

Matlab 6.5.

4.3.1. Oscylator harmoniczny we Flesh MX

Animację we Flesh’u tworzy się zazwyczaj przez umieszczanie graficznych

obiektów w kolejnych scenach animacji. Następstwem tych obiektów steruje się

w oknie Timeline [13][14].

Takie rozwiązanie jest proste i nie wymaga od autora pisania Ŝadnego kodu,

jednak jest mało przydatne, jeśli ruch obiektów ma być modelem fizycznym, poniewaŜ

aby model mógł wiernie obrazować zjawisko fizyczne trzeba opisać go w postaci

matematycznej.

Korzystniejsze wydaje się więc zrezygnowanie z następstwa scen, a skupienie

się na animacji obiektu wewnątrz jednej sceny za pomocą języka ActionScipt, będącego

częścią składową pakietu Flesh MX, oraz późniejszych wersji Flesh.

W tym celu umieszczamy na scenie grafikę, którą chcemy animować,

a następnie przekształcamy ją w symbol (Menu > Insert > Convert to Symbol). W oknie

dialogowym zaznaczamy zachowanie symbolu jako „Movie clip” i nadajemy

symbolowi nazwę.

Teraz musimy otworzyć panel Actions i wpisać kod, który będzie sterował

animacją. W przypadku prostego oscylatora harmonicznego, kod moŜe wyglądać tak:

25

Rysunek 3. Kod oscylatora w języku ActionScript

Zdarzenie onEnterFrame jest wywoływane przy kaŜdym wyświetleniu obrazu.

Standardowo Flash wyświetla 12 obrazów na sekundę, stąd inkrement czasu wynosi

1/12 sekundy.

Jak widzimy tworzenie animacji w ten sposób jest bardzo proste i szybkie.

4.3.2. Generowanie d źwięku w Matlabie

W programie matlab równieŜ moŜemy tworzyć animacje [15], jednak zwykle

wymaga to pisania znacznie większej ilości kodu. Matlab jest jednak bardzo uŜyteczny,

gdy chcemy wygenerować dźwięk.

SłuŜy do tego funkcja WavWrite, konwertująca wektor liczb plik dźwiękowy

w formacie wav.

PoniŜsza ilustracja przedstawia cały kod potrzebny do wygenerowania

dźwięków w formie harmonicznych oscylacji o częstotliwościach 440 i 441 Hz, a takŜe

dźwięku powstałego przez superpozycję dwóch wcześniejszych. Dźwięki te posłuŜą do

zilustrowania efektu dudnienia.

26

Rysunek 4. Dudnienia w Matlabie

Pierwszą czynnością jest tutaj zadanie wartości zmiennym. Następnie

generujemy wektory wartości funkcji harmonicznej o zadanych parametrach.

W Matlabie do generowania wektorów nie trzeba uŜywać pętli, jak to znamy z innych

języków programowania.

Jak widzimy funkcja wavWrite jest wywoływana z szeregiem parametrów.

Pierwszy, to wektor, który chcemy przekonwertować na dźwięk. Drugi – częstotliwość

próbkowania generowanego dźwięku. Trzeci to nazwa liku, pod jaką ma być zapisany

nasz dźwięk.

27

5. Budowa lekcji wspomaganej komputerowo

Do budowy e-lekcji uŜyłem niemal wszystkich oferowanych przez

Authorware klas obiektów. Pozwoliły one stworzyć czytelny i sprawny system

nawigacji, wykorzystać w pełni multimedialne moŜliwości medium, jakim jest

komputer, oraz zapewnić interaktywność projektu.

5.1. Struktura e-lekcji

Podstawową strukturę e-lekcji wykonałem, opierając ją o szkielety, czyli

obiekty Framework. Obiekt Framework pozwala na nawigowanie między obiektami,

dzięki czemu nie jesteśmy przywiązani do prostoliniowego charakteru Flowline.

Jak widać na ilustracji (rys.3.) Główny szkielet zawiera scenę z listą tematów,

nazwaną Menu główne (rys.4.), oraz poszczególne tematy lekcji, które jednak nie są

umieszczone jako kolejno następujące po sobie w linii Flowline, ale kaŜdy z nich

tworzy osobną, równoległą linię czasu. Dzięki temu nie musimy po kaŜdej scenie

dodawać ikony Wait, wraz z przyciskiem do potwierdzenia kontynuacji, oraz ikony

Erase do wyczyszczenia ekranu z poprzedniej sceny (metodę taką wykorzystano do

budowy strony tytułowej, poniewaŜ jest ona wyświetlana tylko raz i nie ma potrzeby

wracania do niej). Do poruszania się wewnątrz szkieletu, wykorzystano elementy

Interaction oraz Navigate, tworząc widoczne wewnątrz całego szkieletu (w kaŜdym

widoku, od momentu wyświetlenia) przyciski {Menu główne} (powrót do listy

tematów), oraz {Wyjście}, wyświetlający okno, w którym moŜemy zdecydować, czy

chcemy zakończyć pracę z aplikacją, czy teŜ zrezygnować z wychodzenia.

28

Rysunek 5. Struktura lekcji oparta o obiekty Framework

29

Rysunek 6. Menu główne - struktura nawigacji

Szkielet framework moŜe być zagnieŜdŜany. I tak kaŜdy temat, ma swój

framework, pozwalający na przedstawienie wielu scen, oraz poruszaniu się po nich

(rys.3.). Nawigacja wewnątrz kaŜdego z tematów zbudowana jest tak samo, tzn. po

wejściu do szkieletu danego tematu wyświetla się jego pierwsza scena, oraz przyciski

nawigujące (rys.6.), pozwalające przejść do następnej sceny, bądź wrócić. Oczywiście,

przyciski wygenerowane w szkielecie nadrzędnym (Menu główne i Wyjście) są tu

widoczne cały czas i ich funkcje nie zmieniają się.

30

Rysunek 7. Widok menu głównego

Rysunek 8. Przykładowa scena z lekcji. Widać tu przyciski nawigujące.

31

Do ostatniej sceny kaŜdego tematu dodano przycisk nawigujący (za

pośrednictwem obiektów Interaction i Navigate), pozwalający „przeskoczyć” na

początek kolejnego tematu, bez potrzeby wracania do głównego menu (rys.7.).

KaŜda scena składa się z przynajmniej kilku obiektów, głównie typu Display,

oraz Movie, odpowiedzialnych za wyświetlanie tła sceny, tekstu, rysunków, animacji,

filmów. Dla większej czytelności, kaŜda scena została zgrupowana w jeden obiekt typu

Map. Poza uporządkowaniem struktury, ułatwia to teŜ ustalanie adresów przy tworzeniu

nawigacji, nie muszę bowiem pamiętać od jakiego elementu zaczynała się konkretna

scena. Nawigacja do obiektu Map jest bowiem toŜsama, z nawigacją do pierwszego

elementu zawartości obiektu Map. Kolejną zaletą stosowania obiektów Map, jest

moŜliwość kopiowania ich jako segmentów, dzięki czemu nie muszę w kaŜdej scenie od

nowa tworzyć np. tła.

Rysunek 9. Struktura przycisku nawigującego

32

5.1.1. Interakcje

Interakcje lekcji z uŜytkownikiem powstały głównie w oparciu o obiekty

Knowledge. Obiekty klasy Knowledge, które wykorzystałem do budowy własnej

aplikacji, to:

• Short Answer Question – pytanie, na które uŜytkownik odpowiada wpisując

odpowiedź bezpośrednio z klawiatury w pole edycyjne,

• Single Choice Question – test jednokrotnego wyboru,

• Multiple Choice Question – test wielokrotnego wyboru,

• True-False Question – pytanie wymagające odpowiedzi tak lub nie,

• Hot Spot Question – pytanie w którym odpowiedzią jest wskazanie miejsca na

rysunku.

Obiekty Knowledge umieszcza się w aplikacji w ten sam sposób, co obiekty

podstawowych typów. Ich właściwości, takie jak treść pytań, odpowiedzi, sposób

wyświetlania rozwiązania, ustala się w oknie Setup (rys.8.).

Rysunek 10. Widok okna Setup obiektu typu Knowledge

33

Rysunek 11. Pytanie stworzone za pomocą obiektu Multipe Choice Knowledge Object

Obiektów tych uŜyłem, aby uŜytkownik mógł po kaŜdej partii materiału

przekazanej w interaktywnej lekcji sprawdzić stan swojej wiedzy i zrozumienie

omawianych zagadnień. Takie pytania pojawiają się kilka razy w kaŜdym temacie.

UŜytkownik po wpisaniu bądź wybraniu odpowiedzi moŜe natychmiast

sprawdzić jej poprawność. W razie niepowodzenia wyświetlana jest podpowiedź, która

stanowi jakby dodatkowe powtórzenie przerobionego juŜ materiału. UŜytkownik moŜe

po zobaczeniu podpowiedzi poprawić swoją odpowiedź, dzięki czemu przyswojona

właśnie informacja ulegnie wzmocnieniu. Wygląd sceny przedstawiającej pytanie

przedstawia rys.9.

Pytania te wymuszają teŜ aktywność uŜytkownika, co jak pisałem w rozdziale

2 wpływa na poprawę szybkości i skuteczności procesu uczenia się.

34

6. Zawarto ść lekcji wspomaganej komputerowo W tym rozdziale szczegółowo omówię przebieg e-lekcji, a takŜe wszystkie

zawarte w niej zagadnienia, oraz przykłady interakcji z uŜytkownikiem, w formie zadań.

Treść e-lekcji obejmuje następujące zagadnienia [17]-[24]:

• fale mechaniczne – definicja fali, transport energii, fala poprzeczna i podłuŜna,

impuls falowy, fala harmoniczna, fale płaskie i kuliste;

• propagacja fal w przestrzeni – prędkość fali, amplituda, długość fali, liczba

falowa, częstość kołowa i częstotliwość, stała fazowa, równanie fali

harmonicznej;

• równanie falowe – prędkości fazowa i grupowa, jednowymiarowe równanie

ruchu falowego;

• przenoszenie energii przez fale – energia kinetyczna i potencjalna fragmentu

jednowymiarowego ośrodka – struny;

• zasada superpozycji – zakres stosowalności, opis złoŜonych fal okresowych;

• interferencja przestrzenna i czasowa – fala stojąca, dudnienia;

• efekt Dopplera.

6.1. Fale mechaniczne

Fala to zaburzenie stanu równowagi ośrodka lub przestrzeni, które

rozprzestrzenia się w ośrodku lub przestrzeni, z czym związany jest transport energii.

Z ruchem falowym spotykamy się w niemal kaŜdej gałęzi fizyki. Znane są

fale na powierzchni wody, fale dźwiękowe (fale mechaniczne), ale takŜe fale świetlne i

radiowe (fale elektromagnetyczne). Na poziomie atomowym i subatomowym materia

wykazuje właściwości falowe (mechanika falowa) [17].

Falami mechanicznymi nazywamy fale powstające w ośrodkach spręŜystych.

Generowane są w wyniku wychylenia fragmentu ośrodka z jego normalnego połoŜenia

(połoŜenia równowagi), co powoduje drgania tego fragmentu. Następnie zaburzenie

(fala) ulega propagacji, tzn. drgania są przekazywane do coraz to dalszych części

ośrodka. Dzieje się to na skutek spręŜystości ośrodka.

35

NaleŜy zaznaczyć, Ŝe ruch (propagacja) fali nie wiąŜe się z ruchem

postępowym ośrodka czy jego fragmentów. Fragmenty ośrodka wykonują jedynie

oscylacje w ograniczonej części ośrodka lub przestrzeni.

Energia fali mechanicznej, to kinetyczna i potencjalna energia cząstek materii.

Fale przenoszą energię przez propagację zaburzenia ośrodka, nie zaś przez ruch

postępowy samej materii.

O prędkości rozchodzenia się fal mechanicznych decydują spręŜystość

i bezwładność ośrodka. SpręŜystość jest czynnikiem powodującym pojawienie się sił

przywracających stan pierwotny po wystąpieniu zaburzenia, natomiast od bezwładności

zaleŜy zachowanie wychylonej części ośrodka pod wpływem tych sił.

W e-lekcji moŜna obejrzeć film, przedstawiający „meksykańską falę” –

kibiców wstających na stadionie sportowym. Przykład ten ma zobrazować ruch fali

mechanicznej i podkreślić brak transportu materii. UŜytkownikowi przedstawiane jest

teŜ pytanie (rys.12.), dzięki któremu moŜe sprawdzić, czy dobrze zrozumiał pojęcie fali

mechanicznej.

Rysunek 12. Pytanie kontrolne. Fale mechaniczne.

36

6.1.1. Fala poprzeczna i podłu Ŝna

Ze względu na kierunek drgań fragmentów ośrodka względem kierunku

propagacji fali, fale dzielimy na poprzeczne i podłuŜne [18]. Jeśli kierunek drgań jest

równoległy do kierunku rozchodzenia się fali (kierunku transportu energii), to falę

nazywamy podłuŜną. Przykładami fal podłuŜnych są fale dźwiękowe, fale

w naprzemiennie ściskanej i rozciąganej spręŜynie. Jeśli natomiast kierunek drgań jest

równoległy do kierunku propagacji, mówimy o fali poprzecznej. Falę poprzeczną

obserwujemy poruszając cyklicznie końcem napręŜonego sznura.

Ruch fali poprzecznej i podłuŜnej został zilustrowany stosownymi animacjami

[20]. PoniŜej zrzut z ekranu animacji porównującej falę poprzeczną i podłuŜną.

Rysunek 13. Wygląd animacji fal podłuŜnej i poprzecznej [20]

6.1.2. Impuls falowy i fala harmoniczna

O impulsie falowym mówimy, gdy źródłem fali jest jednorazowe zaburzenie

ośrodka [18], takie jak wrzucenie kamienia do wody, czy jednorazowe wychylenie

37

w bok końca napiętej liny – kaŜda cząstka liny pozostaje w spoczynku, dopóki nie

dobiegnie do niej impuls, kiedy to zaczyna się poruszać przez krótki okres czasu, po

czym ostatecznie znów spoczywa w bezruchu w swoim połoŜeniu równowagi [17].

Jeśli natomiast źródło wykonuje ruchy periodyczne, w ośrodku powstaje

periodyczny ciąg falowy. Wracając do przykładu fali rozchodzącej się wzdłuŜ liny, ciąg

falowy powstanie przy okresowym wychylaniu końca liny na przemian w obie strony.

KaŜda cząsteczka liny będzie poruszać się okresowo.

Najprostszym szczególnym przypadkiem fali periodycznej jest fala

harmoniczna, pobudzająca cząstki ośrodka do drgań harmonicznych (gdy źródło

wykonuje drgania harmoniczne proste).

Propagacja impulsu falowego, oraz fali harmonicznej, na przykładzie fali w

sznurze, zosta zilustrowana animacjami [18].

6.1.3. Fale płaskie i kuliste

Gdy w przestrzeni rozchodzi się impuls falowy, to moŜemy w kaŜdej chwili

utworzyć powierzchnię łączącą wszystkie punkty, do których właśnie dotarła fala. Ruch

fali moŜna więc zobrazować przez przesuwanie się tej powierzchni. Powierzchnię taką

nazywamy czołem fali lub powierzchnią falową, natomiast kaŜdą linię prostą

prostopadłą do tej powierzchni, wskazującą kierunek propagacji fali, nazywamy

promieniem fali.

Fala płaska, to fala propagująca się w jednym kierunku. Jej powierzchnie

falowe są płaszczyznami prostopadłymi do kierunku propagacji (rys.12.) [18].

Rysunek 14. Fala płaska [18]

38

Falą kulistą nazywamy zaburzenie rozchodzące się we wszystkich kierunkach.

Powierzchnie falowe są więc sferami, a promienie fali wychodzą radialnie ze źródła

(rys.13. i 14.).

Rysunek 15. Fala kulista [18]

Rysunek 16. Fala dźwiękowa jest falą kulistą [25]

6.2. Rozchodzenie si ę fal w przestrzeni

RozwaŜmy rozchodzenie się impulsu falowego w ośrodku, takim jak

napręŜona lina. Przyjmijmy, Ŝe w chwili t = 0 kształt sznura jest opisany funkcją

y = f(x),

gdzie y jest przemieszczeniem poprzecznym sznura w punkcie x.

Fala porusza się z prędkością v, nie zmieniając swojego kształtu, toteŜ dla fali

poruszającej się w dodatnim kierunku osi x, po czasie t równanie kształtu sznura

przyjmuje postać

y = f(x - vt).

Mamy więc równanie f(x) opisujące kształt sznura w danej chwili t, oraz f(t), opisujące

drganie danego punktu x sznura.

39

RozwaŜmy teraz przypadek fali o szczególnym kształcie, a mianowicie falę

harmoniczną. Równanie fali harmonicznej

y = A sin [(x - vt) 2π/λ].

Stała A opisuje maksymalne wychylenie, jest nazywana amplitudą, natomiast

czynnik (x – vt) 2π/λ nazywamy fazą. ZauwaŜmy, Ŝe wartość wychylenia poprzecznego

y jest w danej chwili taka sama w punktach o współrzędnych x, x+λ, x+2λ, x+3λ, itd.

Wielkość λ nazywamy długością fali. Długość fali jest więc odległością między dwoma

kolejnymi punktami, które w danej chwili mają taką samą fazę.

Czas T, w jakim fala przemierza odległość równą długości fali λ, nazywamy

okresem fali

T = λ / v,

stąd

y = A sin 2π(x/λ - t/T).

ZauwaŜmy, Ŝe w danym punkcie x faza powtarza się w chwilach t, t+T, t+2T, t+3T, itd.

Oznaczmy teraz wielkości

k = 2π/λ, oraz ω = 2π/T = 2πf.

MoŜemy teraz zapisać równanie rozpatrywanej fali harmonicznej w postaci

y = A sin (kx - ωt).

Wielkość k nazywamy liczbą falową, natomiast ω częstością kołową. Dzięki

wprowadzeniu tych wielkości, prędkość fali moŜemy zapisać w postaci

v = λ / T = λ f = ω / k.

ZałoŜyliśmy na początku, Ŝe wychylenie y jest równe zeru w punkcie x = 0

i chwili t = 0. Nie jest to oczywiście konieczne. Jeśli to początkowe wychylenie jest

róŜne od zera, to równanie wychylenia od czasu i połoŜenia naleŜy uzupełnić

y = A sin (kx - ωt - ϕ).

W równaniu tym ϕ nazywamy fazą początkową lub stałą fazową. Jest to najogólniejsze

równanie dla fali sinusoidalnej przemieszczającej się w dodatnim kierunku osi x.

Dla podsumowania i utrwalenia zdobytych właśnie informacji, uŜytkownikowi zaproponowane zostaje zadanie, polegające na określeniu podstawowych parametrów fali, opisanej w sposób następujący:

NapręŜną linę przyczepiliśmy do masy, drgającej w górę i w dół co 0,5 sekundy. Na linie powstała fala. ZauwaŜyliśmy, Ŝe gdy w jednym punkcie obserwujemy maksymalne wychylenie liny w górę to takie samo wychylenie obserwujemy w odległości 1,25 m.

40

W kolejnych pytaniach testowych, uŜytkownik określa długoś, częstotliwość i prędkość

rozchodzenia się fali. Po udzieleniu odpowiedzi, wyświetlany jest komentarz do

zadania.

6.2.1. Prędko ści fali i równanie falowe

Aby wyznaczyć prędkość fali, śledzimy jak przemieszcza się w czasie

wybrana faza. Dla wybranej fazy stałość y = f(x - vt) sprowadza się to do warunku

(x - vt) = const.

RóŜniczkując to wyraŜenie obustronnie względem czasu otrzymujemy

dx / dt – v = 0, czyli dx / dt = v.

Tak zdefiniowaną prędkość nazywamy prędkością fazową.

Gdy fala nie jest prostą falą sinusoidalną, a złoŜeniem takich fal o róŜnej

częstości, to prędkość z jaką przenoszona jest energia (prędkość fali modulowanej [18])

fali moŜe być inna od prędkości fazowej zdefiniowanej powyŜej. Prędkość taką

nazywamy prędkością grupową.

Równanie ruchu falowego, zwane teŜ równaniem falowym wyprowadzamy

wychodząc z ogólnego równania fali

y = f(x - vt).

Obliczmy teraz przyspieszenie poprzecznych drgań punktu x ośrodka. W tym celu

obliczamy drugą pochodną wychylenia y po czasie

∂2y / ∂t2 = f ||(x - vt)v2,

gdzie v2 jest pochodną funkcji wewnętrznej. Równoczesne róŜniczkowanie względem x

prowadzi do wzoru

∂2y / ∂x2 = f ||(x - vt).

Łącząc powyŜsze równania otrzymujemy ogólne równanie ruchu falowego

w przypadku jednowymiarowym

∂2y / ∂x2 = 1/v2 * ∂2y/∂t2.

Równanie ruchu falowego moŜna takŜe wyprowadzić bezpośrednio z II zasady

dynamiki Newtona [19]; poniŜszy fragment e-lekcji jest opracowany z wykorzystaniem

elementów rachunku róŜniczkowo-całkowego. Z tych powodów moŜe być pomionięty

przez osoby nie mające stosownej wiedzy i umiejętności.

41

RozwaŜmy zatem falę rozchodzącą się w strunie napręŜonej siłą N. Niech ∆m

będzie masą odcinka struny o długości ∆x i gęstości liniowej ρL

∆m = ρL ∆x.

Z II zasady dynamiki Newtona wiemy, Ŝe

∆m * ∂2y(xt) / ∂t2 = F2y – F1y,

gdzie

F1y = N ∂y/∂x|x+∆x , F2y = N ∂y/∂x|x+∆x

F1y i F2y są więc poprzecznymi składowymi siły N, które działają na punkty x i x+∆x.

ρL ∆x ∂2y/∂t2 = N (∂y/∂x|x+∆x - ∂y/∂x|x)

Przekształcając powyŜsze równanie, otrzymujemy:

(∂y/∂x|x+∆x - ∂y/∂x|x) / ∆x = [1/(N/ρL)1/2] ∂2y/∂t2.

Dla ∆x dąŜącego w granicy do zera:

∂2y/∂x2 = [1/(N/ρL)1/2] ∂2y/∂t2

Prędkość fali w strunie zaleŜy więc od siły napręŜenia i gęstości liniowej struny, jak

v = ω / k = (N/ρL)1/2.

6.2.2. Energia kinetyczna ruchu falowego

Niech ∆Ek(x,t) będzie energią kinetyczną fragmentu struny <x, x+∆x> o

gęstości liniowej ρL. Masa odcinka struny ∆m wynosi

∆m = ρL ∆x = (m / L) ∆x.

Z definicji energii kinetycznej otrzymujemy:

∆Ek(x,t) = ½ ∆m [∂y(x,t) / ∂t]2 = ½ ∆m [vc(x,t)]2,

gdzie vc(x,t) jest prędkoącią poprzeczną, która dla fali postaci

y(x,t) = A sin (kx - ωt)

wynosi

vc(x,t) = -A ω cos (kx - ωt).

Szukana przez nas energia kinetyczna wyraŜa się więc wzorem

∆Ek(x,t) = ½ ρL ∆x (A ω)2 cos2 (kx - ωt) =

= ½ ρL ∆x Vc2 cos2 (kx - ωt).

Vc jest maksymalną wartością prędkości vc(x,t).

Wartość średnia energii kinetycznej z definicji równa jest

42

< ∆Ek(x,t) > = 1/T 0∫T ∆Ek(x,t)dt = ¼ ρL ∆x Vc

2

NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe < ∆Ek(x,t) > nie zaleŜy od x, jeśli ∆x << λ.

6.2.3. Energia potencjalna ruchu falowego

Rozpatrzmy energią potencjalną spręŜystości fragmentu struny[19]. Niech

odcinek struny o długości ∆x naciąga siła N. Pod wpływem poprzecznej siły Ny(∆y) struna odkształca się o ∆yI. Otrzymujemy zatem równość:

-Ny(∆yI) / N = ∆yI / ∆x, czyli

Ny(∆yI) = (-N / ∆x) ∆yI = K ∆yI.

Aby wyznaczyć energię potencjalną spręŜystości ∆Ep(x,t), wyznaczmy

najpierw wywołaną falą pracę W siły Ny nad odkształceniem poprzecznym od I0 = ∆yI =

0 do Y = ∆y. Praca ta wynosi:

W = 0∫∆y Ny(Y) dY = 0∫

∆y - N /∆x Y dY = - ½ N /∆x Y2 |0∆y = - ½ N /∆x [∆y(x,t)]2.

gdzie ∆y(x,t) ≈ ∂y(x,t)/∂x ∆x.

Praca siły spręŜystości wynosi więc ostatecznie

W (x,t) = - ½ N /∆x (∆x)2 [∂y(x,t)/∂x]2.

Energia potencjalna spręŜystości równa jest zatem

∆Ep (∆y) - ∆Ep (0) = - W (x,t), czyli

∆Ep (x,t) = ½ N ∆x [∂y(x,t)/∂x]2.

PoniewaŜ y(x,t) = A sin (kx - ωt),

∂y(x,t)/∂x |x = k A cos (kx - ωt),

zatem

∆Ep (x,t) = ½ N ∆x k2A2 cos2(kx - ωt).

Jest to chwilowa wartość energii potencjalnej spręŜystości w odcinku ∆x struny. Nie

trudno zauwaŜyć, Ŝe wartość chwilowej energii potencjalnej jest taka sama, jak wartość

energii kinetycznej. RównieŜ wartość średnia energii potencjalnej spręŜystości jest taka

sama i wynosi:

< ∆Ep(x,t) > = ¼ ρL ∆x Vc2.

Średnia energia mechaniczna <Em> fragmentu struny wynosi:

<Em> = <Ek> + <Ep> = 2 <Ek> = ½ ρL ∆x Vc2.

43

Przypomnijmy, Ŝe Vc = ω A, średnia energia mechaniczna fragmentu ośrodka jest więc

proporcjonalna do kwadratu częstości i kwadratu amplitudy.

6.3. Zasada superpozycji

Dowiedziono doświadczalnie, Ŝe dwie lub więcej fal mogą przebiegać ten sam

obszar przestrzeni niezaleŜnie od siebie. Oznacza to, Ŝe przemieszczenie dowolnej

cząstki ośrodka w danej chwili, jest sumą przemieszczeń, które wywołałyby

poszczególne fale. Proces wektorowego dodawania przemieszczeń nazywamy

superpozycją [17].

Przedstawiona powyŜej zasada obowiązuje tylko wtedy, gdy równania

rządzące ruchem falowym są liniowe. W przypadku fali w ośrodku spręŜystym oznacza

to, Ŝe moŜemy stosować zasadę superpozycji, tylko jeśli zaleŜność siły spręŜystej od

wychylenia jest liniowa, to znaczy, jeśli ośrodek spręŜysty spełnia prawo Hooke’a.

Konsekwencją zasady superpozycji jest moŜliwość rozłoŜenia

skomplikowanych ruchów falowych na składowe fale sinusoidalne. Francuski

matematyk J. Fourier (1768-1830) wykazał, Ŝe kaŜdy, nawet najbardziej ogólny ruch

okresowy cząstki moŜna opisać jako liniową kombinację ruchów harmonicznych

(sinusoidalnych).

Rysunek 17. Joseph Foureier (1768-1830) [26]

44

6.3.1. Interferencja

Interferencją nazywamy nakładanie się fal [17].

RozwaŜmy teraz dwie fale o tej samej częstotliwości i amplitudzie, lecz

róŜniące się fazą ϕ. Równania takich fal moŜna zapisać jako

y1 = A sin (kx - ωt),

y2 = A sin (kx - ωt + ϕ).

Zgodnie z zasadą superpozycji znajdujemy wypadkową falę, będącą sumą dwóch

powyŜszych

y = 2 A cos (ϕ/2) sin (kx - ωt + ϕ/2).

Jest to ponownie równanie fali sinusoidalnej, jednak o amplitudzie AI = 2 A cos (ϕ/2).

Jak widzimy wynik takiego nakładania się fal zaleŜy tylko od róŜnicy faz ϕ. Dla ϕ = 0,

czyli gdy fale są zgodne w fazie, fale wzmacniają się maksymalnie (AI = 2 A). Jeśli

róŜnica faz wynosi ϕ = 180o, to fale są w przeciwfazie i wygaszają się całkowicie

(AI = 0).

6.3.2. Fala stoj ąca

Ponownie rozwaŜmy dwie fale o tej samej częstotliwości i amplitudzie, ale

poruszające się w przeciwnych kierunkach [18]

y1 = A sin (kx - ωt),

y2 = A sin (kx + ωt).

Z sytuacją taką mamy do czynienia, gdy fala rozchodząca się w danym ośrodku (ciele)

odbija się od granicy ośrodka (ciała). Fala odbita nakłada się wówczas z falą padającą.

Zgodnie z zasadą superpozycji otrzymujemy falę wypadkową opisaną

równaniem

y = 2 A sin (kx) cos (ωt).

ZauwaŜmy, Ŝe jest to równanie fali postaci y = AI cos (ωt), oraz Ŝe amplituda AI zaleŜy

od połoŜenia x.

Punkty, dla których kx = π/2, kx = 3π/2, kx = 5π/2..., czyli punkty

o połoŜeniach x = λ/4, x = 3λ/4, x = 5λ/4... mają maksymalną amplitudę. Nazywamy je

strzałkami.

45

W punktach x = λ/2, x = λ, x = 3λ/2, x = 5λ/2... amplituda równa jest zeru.

Punkty te nazywamy węzłami.

Opisaną powyŜej falę nazywamy falą stojącą.

Istnieje bardzo waŜna róŜnica, między falą bieŜącą, a stojącą. W fali stojącej

energia nie jest przenoszona wzdłuŜ kierunku propagacji fal składowych. Energia fali

jest jak juŜ mówiłem energią kinetyczną i potencjalną cząstek ośrodka. Węzły mają

energię kinetyczną i potencjalną równą zeru, bo węzły nie drgają, energia fali nie moŜe

więc przepłynąć przez węzły. Energia fali stojącej jest na stałe zmagazynowana

w elementach ośrodka [18]. W sensie wprowadzonej na wstępie definicji fali, fale

stojące nie są ruchem falowym, poniewaŜ nie przenoszą energii.

6.3.3. Dudnienia

Ponownie rozpatrzmy interferencję dwóch fal. Opis powstawania fali stojącej

był przykładem tak zwanej interferencji w przestrzeni, poniewaŜ dodanie zaburzeń dało

nam wypadkową falę o amplitudzie zaleŜnej od połoŜenia. Teraz zajmiemy się

przypadkiem interferencji w czasie [18].

Wyznaczmy więc superpozycję dwóch fal biegnących w tym samym kierunku,

o tej samej amplitudzie, jednak róŜniących się nieznacznie częstotliwością

y1 = A sin (ω1 t) = A sin (2π f1 t),

y2 = A sin (ω2 t) = A sin (2π f2 t).

Szukana wypadkowa fala ma postać

y = A [sin (2π f1 t) + sin (2π f2 t)].

Przekształcamy powyŜsze równanie, korzystające ze wzoru na sumę sinusów

y = [2A cos (2π (f1−f2)/2 t))] * sin (2π (f1+f2)/2 t)).

Mamy więc do czynienia z drganiami y = AI sin (2π f t), o częstotliwości

f = (f1+f2)/2,

i amplitudzie

AI = 2A cos (2π (f1−f2)/2 t)).

ZauwaŜmy, Ŝe częstotliwość fali wypadkowej jest średnią arytmetyczną częstotliwości

fali składowych, natomiast amplituda zmienia się okresowo z częstotliwością

f amp= (f1−f2)/2.

46

Jeśli częstotliwość amplitudy jest mała, to znaczy częstotliwości fali składowych róŜnią

się nieznacznie, mówimy o modulacji amplitudowej (AM). W przypadku fali

dźwiękowej to zjawisko nazywamy dudnieniem.

Rysunek 18. Modulacja amplitudowa jest skutkiem interferencji fal o róŜnych częstotliwościach [18]

6.4. Efekt Dopplera

Gdy obserwator porusza się w kierunku nieruchomego źródła dźwięku, słyszy

dźwięk o wyŜszej częstotliwości, niŜ wtedy, gdy jest w spoczynku. Analogicznie

oddalając się od źródła, słyszy dźwięk o częstotliwości niŜszej. Podobnie, gdy to źródło

jest w ruchu, a obserwator pozostaje nieruchomy. Zjawisko to dotyczy wszystkich

rodzajów fal, nie tylko dźwięku, ale i światła, czy fal radiowych [17].

RozwaŜmy teraz zjawisko Dopplera dla fal w ośrodku spręŜystym – dźwięku.

Jeśli źródło dźwięku i obserwator pozostają w spoczynku względem ośrodka,

to w czasie t do obserwatora dociera vt / λ fal o długości λ i prędkości v.

JeŜeli dodatkowo obserwator będzie poruszał się względem ośrodka

w kierunku nieruchomego źródła z prędkością vo, to dotrze do niego dodatkowe

vot / λ fal. Częstotliwość fal słyszanych przez obserwatora wyniesie więc

47

f I= [(vt / λ) + ( vot / λ)] / t = (v + vo) / λ = f (v + vo) / v.

Częstotliwość słyszana przez obserwatora będzie więc wyŜsza. Gdy obserwator oddala

się od źródła, w powyŜszej zaleŜności naleŜy zmienić znak prze vo na przeciwny.

W analogiczny sposób moŜemy przeanalizować sytuację, w której to źródło

porusza się względem ośrodka i obserwatora. Otrzymamy wówczas zaleŜność

f II = f v / (v - vz).

Ostatecznie, jeŜeli zarówno obserwator, jak i źródło poruszają się względem ośrodka,

zaleŜność przyjmie postać

f III = f (v + vo) / (v + vz).

Rysunek 19. Powierzchnie falowe dźwięku. Widać zmianę długości fali, pod wpływem ruchu źródła względem ośrodka [27]

48

7. Wnioski

Lekcja została przygotowana w formie witryny internetowej za

pomocąprogramu Adobe Macromedia Authorware 7.0. Do skorzystania z niej

potrzebny jest komputer z dostępem do Internetu, oraz przeglądarką Explorer lub

Netscape. Przy pierwszym uruchomieniu aplikacji na danym komputerze następuje

automatyczna instalacja wtyczek do obsługi zawartości aktywnej witryny. Do pracy

dyplomowej dołączone jest CD, na którym znajduje się treść pracy oraz witryna

zawierająca e-lekcję.

Lekcję starałem się przygotować tak, by w jak największym stopniu

wykorzystać moŜliwości multimedialne komputera, a zarazem zapewnić czytelny

odbiór treści.

Moje oczekiwania co do formy przedstawienia treści opierały się o zasadnicze

kryteria, obowiązujące w standardzie ECC (E-learning Coursware Certification) [2],

takie jak:

• precyzowanie celów,

• przykłady i demonstracje,

• ilustrowanie i wyjaśnianie treści edukacyjnych,

• integrowanie i syntezowanie wiedzy,

• praktyczne przykłady,

• pomoc instruktaŜowa,

• wykorzystanie mediów,

• unikanie obciąŜenia poznawczego.

Zakres treści merytorycznych, to zagadnienia ruchu falowego, na poziomie

nowej matury z fizyki na poziomie rozszerzonym [16].

Myślę, Ŝe udało mi się spełnić te załoŜenia i lekcja przeze mnie przygotowana

moŜe stać się częścią kursu dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych i kandydatów na

kierunki techniczne.

Lekcja ta z pewnością moŜe być alternatywą dla podręczników czy

tradycyjnych wykładów, zwłaszcza, jeśli zwrócimy uwagę na poprawę szybkości

i skuteczności uczenia się, na skutek zastosowania multimediów [2].

49

Bibliografia

[1] http://www.adobe.com/products/authorware/

[2] J. Bednarek, Multimedia w kształceniu, Wydawnictwo Naukowe PWN SA,

Warszawa 2006.

[3] http://pl.wikipedia.org/wiki/World_Wide_Web

[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/HTML

[5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Tim_Berners-Lee

[6] E-learning w kształceniu akademickim (red. Marcin Dąbrowski i Maria Zając),

Fundacja Promocji i Akredytacji Kierunków Ekonomicznych, Warszawa 2006

http://www.e-edukacja.net/druga/e-edukacja_2.pdf#page=65

[7] Tomasz Walkowiak, Internetowy kurs multimedialny – Sieci neuronowe, Wrocław

2005, http://www.dbc.wroc.pl/Content/964/027.pdf

[8] http://internet.prezentacja.org/internet/poczatki-internetu---rozwoj.html

[9] http://www.learning.pl/elearning/index.html

[10] http://www.learning.pl/elearning/standardy.html

[11] http://pl.wikipedia.org/wiki/Authorware

[12] Using Authorware 7, Macromedia, Inc., San Francisco 2003 (Help programu

Macromedia Authorware 7.0)

[13] Brian Underdhal, Flash MX od podstaw, Wydawnictwo Helion, Gliwice 2002

[14] Help programu Macromedia Flash MX

[15] http://www.mathworks.com/support/product/product.html?product=ML

[16] Informator o egzaminie maturalnym od 2008 r. Fizyka, CKE, Warszawa 2007

http://www.cke.edu.pl/images/stories/Inf_mat_od2008/fizyka_a.pdf

[17] David Holliday, Robert Resnick, Fizyka. Tom 1, PWN, Wrszawa 1983

[18] Zbigniew Kąkol, Jan śukrowski, E-Fizyka. Podstawy fizyki, materiały

dydaktyczne AGH, Kraków 2002-2005,

http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/a_e_fizyka/index0.htm

50

[19] Notatki do wykładów prof. W. Salejdy dla uczniów X LO we Wrocławiu

przeprowadzonych w ramach programu edukacyjnego pt. MFI Plus w X LO –

nauczanie matematyki, fizyki i informatyki w Liceum Ogólnokształcącym we

Wrocławiu w ramach zajęć dodatkowych pod patronatem Politechniki

Wrocławskiej.

[20] http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/Flash/#sound_waves

[21] Raymond A. Serway, John W. Jewett, Principles of Physics: A Calculus-Based

Text, Thomson Brooks/Cole, 2005,

[22] Douglas C. Giancoli, Physics for Scientists And Engineers With Modern Physics,

Pearson Prentice Hall, 2007,

[23] Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych. Część 2, (red. Jadwiga Salach), ZamKor,

Kraków 2007,

[24] Maria Fiałkowska, Krzysztof Fiałkowski, Barbara Saganowska, Fizyka dla szkół

ponadgimnazjalnych, ZakKor, Kraków 2004,

[25] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/wavplt.html

[26] http://simple.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier

[27] http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_Dopplera

51

Spis rysunków Rysunek 1. Główne okno programu Authorware ……………………………………...21

Rysunek 2. Panel wyboru Knowledge Objects ............................................................... 23

Rysunek 3. Kod oscylatora w języku ActionScript ........................................................ 25

Rysunek 4. Dudnienia w Matlabie .................................................................................. 26

Rysunek 5. Struktura lekcji oparta o obiekty Framework .............................................. 28

Rysunek 6. Menu główne - struktura nawigacji ............................................................. 29

Rysunek 7. Widok menu głównego ................................................................................ 30

Rysunek 8. Przykładowa scena z lekcji .......................................................................... 30

Rysunek 9. Struktura przycisku nawigującego ............................................................... 31

Rysunek 10. Widok okna Setup obiektu typu Knowledge ............................................ 32

Rysunek 11. Pytanie stworzone za pomocą obiektu Knowledge ................................... 33

Rysunek 12. Pytanie kontrolne. Fale mechaniczne. ....................................................... 35

Rysunek 13. Wygląd animacji fal podłuŜnej i poprzecznej [20] .................................... 36

Rysunek 14. Fala płaska [18] .......................................................................................... 37

Rysunek 15. Fala kulista [18] ......................................................................................... 38

Rysunek 16. Fala dźwiękowa jest falą kulistą [25] ........................................................ 38

Rysunek 17. Joseph Foureier [26] ................................................................................. 43

Rysunek 18. Modulacja amplitudowa jest skutkiem interferencji fal o róŜnych

częstotliwościach [18] ............................................................................................. 46

Rysunek 19. Powierzchnie falowe dźwięku. Widać zmianę długości fali, pod wpływem

ruchu źródła względem ośrodka [27] ...................................................................... 47