Animációs szemléltetés és az elektrokémiában is tárgyalt témák a fizika tanításában Emlékeztetı a 2008. évi makói pedagógia konferencián elhangzott elıadásra © Pál László, MOK, 2008. augusztus 27.
1. Szemléltetés, animáció, animációs szemléltetés Pedagógiai közhely, hogy a szemléltetés az eredményes oktatás egyik alapvetı feltétele. Elvben a valódi tárgyak bemutatása és a velük végzett kísérletek tőnnek a leghasznosabbnak, viszont a lényeg a valódi objektumok bemutatásánál esetenként rejtve marad, pl. egy motor mőködése megtekintés alapján nehezen érthetı meg, mivel a belsı szerkezet és az ott lezajló folyamatok rejtve maradnak. További probléma, hogy a közvetlen szemléltetés sok esetben az objektumok nagy mérete vagy elérhetetlensége miatt osztályteremben kivitelezhetetlen, pl. atomreaktor, elektronmikroszkóp esetében. Ilyen esetekben a modellekkel való szemléltetés lehetne jó megoldás, ezek beszerzési ára viszont napjainkra irreálisan magassá vált. Reális lehetıségként a legtöbb esetben a számítógéppel megoldható animációs szemléltetést célszerő választanunk, amely dinamikus volta miatt hatásában gyakorlatilag azonos a mőködı modellekével, azzal a hatalmas elınnyel, hogy ezeket a médiumokat némi kitartással általában költség nélkül megszerezhetjük az Internetrıl, ill. magunk készíthetünk olyanokat, amelyek a legjobban megfelelnek igényeinknek. Ezekkel az animációkkal a lényeg kiemelhetı, a jelenségek és a struktúrák szemléletessé és könnyebben megérthetıvé válnak. Az animusz latin szó, egyik jelentése lélek. Ebbıl képezhetı az animáció. Az itt használt értelmezés a filmgyártásból származik: egy filmkészítési technikát jelent, amely során „lelket lehelnek” az élettelen objektumokba, oly módon, hogy a róluk készített, egymástól kis mértékben eltérı tartalmú fázisképek sorozatának gyors egymás utáni megjelenítésével a mozgás illúzióját keltik a nézıben. Tehát az animációnál nem természetes folyamatot látunk, hanem egy elıre tervezett módon generált mozgásról van szó. (Rajzfilm, bábfilm, számítógéppel generált VR; mozgásképes, de éppen mozdulatlan tárgy is animálható megfelelıen elkészített képsorozat gyors „vetítésével”. (Az animáció egyéb jelentései: ösztönzés, lelkesítés, pl. üdülıhelyi animátor.) Az elıadás fı vonulata az animációs szemléltetés elmélete és gyakorlata a fizika oktatásában, az abba szıtt illusztráció-mozaikok témái fıleg az elektrolízis és a galvánelemek témakörökbıl valók.
1
2. A számítógépes animációs szemléltetés alapvetı lehetıségei: • • • • • •
PowerPoint – tal készített bemutatók animált GIF Flash (swf) fájlok Videoformátumok; hagyományos és streaming; különös tekintettel a Flash Video –ra (flv) QTVR Animációt produkáló egyedi felhasználói programok
3. PowerPoint1 – tal készíthetı animációk Elıny: az animációk elkészítése viszonylag gyors és egyszerő, a prezentációba más típusú animációk is beilleszthetık pl. animált GIF, wmv, swf kiterjesztéső fájlok. Hátrány: a lehetıségek korlátozottak, az összetettebb animációk elıállítása hosszadalmas lehet, az animáció korábbi fázisára nehézkes a visszatérés. Hordozhatósági probléma is fellép: a számítógépen telepítve kell lennie a PowerPoint rendszernek vagy a PPviewer programnak. Szemléltetés: Volta oszlop egy eleme: Volta-fémpár – galvánelem fogalma : két elsıfajú és egy másodfajú vezetı kombinációja; pénzérmékkel és fémlemezpárokkal is szemléltethetı. Ezek a Volta-féle oszlop (1800) egy elemének tekinthetık. A bemutatás azért fontos, mert a környezetünk tele van hasonló típusú galvánelemekkel, az elektrokémiai korrózió ezeken keresztül valósul meg – táblai vázlat a rézlemezt nedves környezetben rögzítı vasszögszög korróziójáról. Az anódon (negatív pólus!) oxidáció, a katódon (pozitív pólus!) redukció játszódik le. Az egynemőnek tőnı fémek is tartalmaznak szennyezıdéseket, ezeknél helyi elemek alakulnak ki – lyukkorrózió lép fel. Szemléltetés: Áramforrások helyettesítı kapcsolása Áramforrások belsı ellenállásának szemléltetése generátorral (szétbontott kerékpárgenerátor bemutatása) – minél kisebb, annál nagyobb teljesítményt képes leadni az áramforrás – mérés ohmmérıvel – egy adott fordulatszámon háznyi gızturbinával hajtva is 3W-ot adna a 3 W-os kerékpárizzóra! – az áram Lenz-törvénye által belátható módon fékez ( B=µ*I*N/l „erısségő” mágnes fékezi a mozgást, a fordulatszám-csökkenést kellı nagyságú mechanikai munka befektetésével akadályozzuk meg – így alakul át a mechanikai munka elektromos energiává.). A generátor belsı ellenállása a tekercset alkotó huzal méretei, anyaga és hımérséklete alapján pontosan kiszámítható és ohmmérıvel megmérhetı a generátor nyugalmi állapotában. A vizsgált kerékpárgenerátor tekercsének ellenállását meghatározzuk digitális ohmmérıvel: 3,3 ohm – ez a generátor belsı ellenállása. A galvánelemnél a helyzet bonyolultabb a belsı ellenállás nem „kézzelfogható”, sok összetevı eredményeként jelenik meg, meghatározása méréstechnikailag
2
nem evidens: annak az esetnek felel meg, mintha egy mőködı generátor kivezetéseire kapcsolt ohmmérıvel kívánnánk a mérést elvégezni. A galvánelem helyettesítı kapcsolásának áramkörbe iktatása PP animációval – látható a belsı ellenállás áramerısség-csökkentı hatása -> Ohm törvénye teljes áramkörre levezethetı. Szemléltetés: a belsı ellenállás meghatározása az elektromotoros erı és a rövidzárási áramerısség mérése alapján az Rb=U0/I képletbıl – a kimerülı elemeknél a belsı ellenállás egyre nagyobbá válik <- anyagfogyás, polarizáció A nagy mérető cellák belsı ellenállása kisebb, teljesítményük nagyobb! A belsı ellenállást növeli az elektródfolyamatok lelassulása is, pl. elektródfogyás és/vagy az elektrolit vezetıképességének csökkenése miatt (<- az elem lehőlése exponenciálisan csökkenti a reakciósebességet, az ionszám csökkenése nem oldható végtermékő kémiai reakció miatt szintén rontja a vezetıképességet).
4. Animált GIF A GIF (Graphical Interchange Format) a CompuServe által 1987-ben bevezetett veszteségmentesen tömörített képformátum (részletesebb jelöléssel: GIF87a). A web kezdeti kétfajta képformátuma közül már csak ez van használatban (A JPEG késıbbi fejlesztés.). Továbbfejlesztett változata (GIF89a) lehetıvé teszi az animációt: az ilyen fájlban egy képsorozat van elrejtve, amelyet az arra felkészített programok animáltan jelenítenek meg. Elınyei: web-lapba és PowerPoint prezentációba ugyanolyan egyszerően beilleszthetı, mint egy állókép. A Windows kép és faxmegjelenítıben (társítani kell hozzá!) is bemutatható – elıny, hogy azzal nagyítani is lehet, egyébként az Internetböngészık megjelenítik a weblapon kívüli animált GIF fájlokat is. Bemutatás: a fizika munkaközösség eml.htm és akt.htm állományai (p-n átmenet, Molnár Miklós kísérlete, a Hold fényváltozásai) segítségével. Egy GIF animáció letöltése weblapról az állóképekkel azonos módon történhet: jobb egérgomb, a megjelenı menübıl a „Mentés más néven”-re kattintást követıen menthetjük az állományt. Ha egy honlapon animált képre kattintunk a bal egérgombbal, és a felpattanó menübıl a letöltési lehetıséget felajánló sor hiányzik, viszont látható egy „ About Flash Player…” tartalmú menüsor, akkor nem GIF animációt, hanem Flash állományt ültettek a kérdéses weblapba. Ennek jellemzıirıl és kimentési lehetıségeirıl a késıbbiekben. Bemutatás: PP dokumentumbaba illesztett GIF animációk: félvezetı animációk, elektródpotenciál, mérımőszer, Led- színkeverés, Molnár Miklós kísérlete Hátrányai: a GIF-kép rasztergrafika - ha erısen nagyítjuk, akkor „szétesik”, max. 256 színt tartalmazhat, nem állítható meg az animáció, - kivéve a RealPlayert, ahol a beállítócsúszka segítségéve nehézkesen, de megállíthatjuk az animációs folyamatot; interaktív elemeket és hangot – a Flash-el ellentétben - nem
3
tartalmazhat, így az animációt a weblapokon vagy PowerPoint állományok bemutatásánál nem befolyásolhatjuk. Fı elınye, hogy egyszerően és legális szoftverekkel (pl. Paint, BenetonMovieGIF) elıállítható - a készítés gyakorlati bemutatása. AnimGIF a Flash fejlesztırendszerrel is készíthetı, oly módon, hogy az swf helyett a gif formátumot választjuk az exportálásnál. A GIF utódjának tekintett PNG-nek (Portable Netwok Grahics) is van már olyan továbbfejlesztése, amely lehetıvé teszi az animációt (APNG) – készítéséhez használható szerkesztıprogrammal még nem találkoztam.
5. Flash A Flash ipari szabvány – vektorgrafika -, minıségromlás nélkül nagyítható. Az swf kiterjesztéső fájlok a FlashPlayer.exe (a Flash fejlesztırendszer része), az fmp.exe vagy a RealPlayer (a kevésbé ismert SWFOpener a www.BrowserTools.net honlapról tölthetı le) programmal megjeleníthetık, a Flash fejlesztırendszerrel önállóan lejátszható exe kiterjesztéső fájlok is elıállíthatók, ezek tökéletes hordozhatóságot valósítanak meg az összes Windows-os számítógépnél, mivel nem igényelnek a számítógépre telepített lejátszóprogramot. Scriptnyelve (ActionScript) révén az animációk programozhatóak, interaktívvá tehetık pl. számológép, tüzelıanyagelem Egyszerőbb esetekben a Flashprogrammal automatikusan is elıállítjhatjuk az animáció fázisképeit, elızıleg megadva a grafikus objektum kezdı és végállapotát - a rendszer a közbülsı fázisképeket automatikusan elkészíti (Tweening animation). Hátrányok: A Flash szerkesztıszoftver drága, (legújabb változata, a Flash CS3 Professional ára 699 dollár2), az igényesebb, az ActionScript használatát is lehetıvé tevı utánzatok is tipikusan fizetısek, az swf fájlok csak bonyolultabb eljárással ágyazhatók be a PowerPoint prezentációkba, és az is könnyen elıfordulhat, hogy egy másik gépen nem mőködnek megfelelıen. A Flash animációk a PPViwer programmal nem tekinthetık meg, ha ActionScript összetevıket is tartalmaznak. .(A beágyazás folyamata: a beágyazni kívánt Flash animációt - pl. galvanelem.swf - abba a mappába másoljuk, ahol az alap ppt állomány, amelybe beágyazni kívánunk, található; kijelöljük azt a „diát”, ahova be kívánjuk helyezni a Flash animációt; Nézet/Eszköztárak/Vezérlık eszközkészlete menüpontok alkalmazása -> megjelenik egy apró ábrákat tartalmazó ablak; rákattintunk a jobb alsó sarokban elhelyezkedı „További vezérlık”-re; a bal egérgombot lenyomva a kurzorral egy téglalapot rajzolunk; ezzel határozzuk meg a Flash animáció helyét és méretét -> egy átlóval ellátott téglalap jelenik meg; a jobb egérgombbal rákattintunk; a felpattanó menüben a Tulajdonságok sorra kattintunk -> megjelenik egy ablak, annak Movie sorában a jobb oldali oszlopba beírjuk a Flash állomány teljes nevét, pl. galvanelem.swf.)
4
Szemléltetés : tüzelıanyagelem, motorok (a Stirlingnél a mőködés elemzése is), a Föld megvilágítása, esetleg Váza Flash-futtató segédprogramok bemutatása, használata. Flash animációk megszerzési lehetıségei a web-rıl – pl. a böngészıprogramokba épülı programmal, ilyen a FlashSavingPlugin (freeware), vele együtt gépünkre települ az SWF Cache Viewer is, amelynek ikonja megjelenik az asztalon. Ha a FlashSavingPlugin-nel nem boldogulunk, akkor ezzel is elvégezhetjük a mentést. Ha a cache (itt: az swf állományok átmeneti tára) zavaróan sok állomány tartalmaz, akkor bevezetésként törölhetjük az összeset. ( A lista legfelsı elemét kijelöljük, majd a SHIFT lenyomott helyzetben tartása mellett a lefele nyíl gombot addig tartjuk lenyomva, amíg a lista utolsó eleme is kijelöltté válik. Ekkor az említett billentyők felengedése után a DEL billentyőt lenyomva megtörténik a cache tartalmának törlése. Ha ezt követıen egy weboldalt tekintünk meg, akkor a Cache Viewer következı futtatásánál látjuk azoknak a flash állományoknak a neveit a listában, amelyek a látott oldalhoz tartoznak. Utána az SWF Cache Viewer-rel egyenként megtekinthetjük az animációkat, majd bármelyiket kimenthetjük a Save gombra kattintást követıen. Ha a gépre telepítették a RealPlayer programot, akkor általában az is felkínálja a böngészıvel megjelenített swf állományok letöltését.(Ha éppen nem, akkor: jobb egérgomb, majd a listából kiválasztható a letölttetés lehetısége.)
6. QTVR tárgypanorámák, panorámaképek Az Apple által kifejlesztett és szabadon letölthetı QTplayer a mov kiterjesztéső mozgóképfájlok lejátszására alkalmas. Ugyanezzel a kiterjesztéssel rendelkeznek a QuickTime panorámaképek és a forgatható tárgymegjelenítések is, ezekre az Apple a QTVR rövidítéssel jelölt fogalmat vezette be (QTVR = Qick Time Virtual Reality). A számítógépünkre telepített QT plugin birtokában ezeket weblapokba ágyazott formában is megtekinthetjük. Szemléltetés : Ipod mini, Hold felszíne, esetleg Milói vénusz, Sidney E fájlok a RealPlayer-el is megtekinthetık, de csak akkor, ha a QTPlayer is telepítve van a számítógépen. A QTVR fájlokhoz jutás lehetıségei: az interenet-böngészık átmeneti tárából a legtöbb kép kimásolható, vagy a Quick Time 7 Pro („fizetıs program”, ára 29,99 dollár2) segítségével egyszerően kimenthetı. QTVR panorámaképek házilag is összerakhatók .mov formátumra pl. a Canon digitális fényképezıgépekhez adott Photostich nevő programmal. Forgatható tárgyábrázolások elkészítéséhez (mint az Ipod mini – ezeket tárgypanorámának (object panorama) nevezik - ingyenes programmal eddig még nem találkoztam. (A panorámakészítés és a tárgyforgatás FLASH-el is megoldható, sıt a panorámaképek jpg kiterjesztéssel is elıállíthatók, erre a freeware AutoStich program is alkalmas. A jpg kiterjesztéső panorámaképeket pl. weblapba ágyazott Java applettel lehet megjeleníteni. – szemléltetés: Pál László
5
honlapja/utazások/Szıreg (Panorámaképek programmal is összeállíthatóak.)
részképekbıl
a
Photoshop
A QT fájlok elvben beágyazhatók a PowerPoint prezentációkba, a hordozhatósággal viszont probléma lehet, egy másik gépen elıfordulhat, hogy a kép nem jelenik meg. A saját rendszeremen sem nem tartalmazza regisztrálva a beágyazáshoz szükséges dinamikus eljáráskönyvtárat (dll-t), ezért a PowePointból úgy lehet elindítani egy mov állomány QTPlayerrel történı lejátszását, hogy hiperhivatkozást állítunk be a kívánt állományra (A PowePoint szövegdobozában kijelöljük a szöveget, majd Beszúrás/Hiperhivatkozás menük választása után megkeressük a kívánt mov kiterjesztéső fájlt, majd az OK gombra kattintunk.) Ha ezt követıen vetítjük a prezentációt, és a hiperhívatkozásként elkészített szövegrészre kattintunk, akkor a PowePoint dia felett megjelenik a QTPlayer a kívánt mozgóképállománnyal. A lejátszót a szokott módon mőködtethetjük, majd a megtekintés után bezárjuk. Ekkor ismét teljes terjedelmében láthatjuk azt az oldalt, amelyrıl a lejátszó behívását kezdeményeztük. A fenti módszer zavartalan mőködésének feltételei: • legyen telepítve a számítógépen mov fájlok lejátszására alkalmas program • a mov fájok a fenti programmal legyenek társítva – ennek beállítása: a Sajátgéppel megjelenített állományikonra kattintunk a jobb egérgombbal; a felpattanó menüben a bal egérgombbal a „Tulajdonságok” sorra kattintunk; a megjelenı ablakban megnézzük a társítást – ha ott nem a megfelelı program nevét látjuk, akkor a „Módosítás” gombra kattintunk, majd a megjelenı listában a kívánt program nevére.
7. Mozgóképformátumok Mozgóképformátumokban is készíthetı animáció - pl. Sulinet-rıl fıleg wmv formátumban tölthetık le mozgóképek, azok zöme viszont nem animáció, hanem közönséges filmfelvétel. Hagyományos változataik csak az állomány teljes letöltése után jeleníthetık meg. A fenti elv ellenpontjaként napjainkban a streaming média válik egyre elterjedtebbé az Interneten. Ezen alapul az internetes rádió és TV mősorszolgáltatók mőködése. Lényege, hogy a kép és/vagy hanginformációk reprodukálását a lejátszóprogramok az állományok teljes letöltése elıtt megkezdik, az információk egy adatcsomagfolyamot (streaming) képezve áramlanak a streamingszervertıl a felhasználói számítógépeken elhelyezett kliensprogramokig, amelyek az adatcsomagokat fogadják, rendezik, átmenetileg tárolják, majd megjelenítik. Napjainkban a hanggal ellátott mozgóképek továbbításához alábbi streamingmédia változatok a leggyakoribbak: QuickTime RealMedia Windows Media Flash Video
(az Apple fejlesztése) (a Real Networks fejlesztése) ( a Microsoft fejlesztése) ( az Adobe fejlesztése)
6
Adatvédelmi okok miatt a mőszaki megoldások tipikusan olyanok, hogy az ily módon továbbított információ rögzítésében akadályozzák a felhasználót, ezért az „egyszerő felhasználók” nem tudják az adatfolyamokat gépükre menteni. A felsoroltak közül egyre nagyobb jelentıségre tesznek szert a Flash alapú adatfolyamok, amelyek alapját az jelenti, hogy Flash fejlesztırendszer újabb változataival a weben ily módon továbbítható állományok is készíthetık., Ezek kiterjesztése flv. A szervereken elhelyezett fájlok megfelelı program birtokában teljes, bármikor lejátszható állományként is letölthetık. Erre alkalmasak pl. az Orbit Downloader és a Tubemaster.exe (freeware programok). A fájlok más videoformátumokba is konvertálhatók, de a legegyszerőbb az a megoldás, ha az flv állományok lejátszására alkalmas programot választunk (pl. FLVPlayer, FLVplayr ) a megjelenítéshez .A RealPlayer is ”ismeri” az flv formátumot, hátránya, hogy nagy mérető és telepítést igénylı, ellentétben az elızı programokkal, amelyek anélkül futtathatók. (A RealPlayer az animált GIF állományokat, az összes flash-el elıállított programot és a QTVR-t is képes lejátszani, az utolsót csak akkor, ha a QTPlayer is telepítve van a gépen. A RealPlayer legújabb változata (V11) a streaming médiumok egy részének letöltését is lehetıvé teszi – az állományt észlelve egy felpattanó ablakkal felkínálja a letöltést. (Meg kell jegyezni hogy a RealPlayer 11 az ActionScriptet tartalmazó állományok egy részét nem tudja megfelelıen megjeleníteni, pl. elakad a lejátszás közben.) Hátányok: a mozgóképek minısége nagymértékő tömörítés mellett gyenge lehet, PowerPoint prezentációba nem illeszthetık be. Az utóbbi probléma a QTVR állományok megjelenítésénél leírtakkal analóg módon hidalható át, azzal az eltéréssel, a hiperhivatkozásnak egy flv állományra kell mutatnia. (Természetesen a gépre telepítve kell lennie egy, az állományok lejátszására alkalmas programnak, pl. RealPlayer, amelyhez társítani kell az flv kiterjesztéső fájlokat. Szemléltetés :Stirling-motor, Absolute zero
8. Animációt produkáló egyedi felhasználói programok Animáció speciálisan animációs célra írt programokkal (a Windows nomenklatúra szerint alkalmazásokkal) is megvalósítható. Szemlétetés: Galvani program bemutatása: a gázelektródok, a mőszermutatók és a méréshatár túllépését jelzı „LED” animáltak. A Volta-féle elem problémája a gyors polarizáció volt. A programmal megjelenített típusba tartozó galvánelemek a polarizációt úgy elızik meg, hogy az elektródfém saját sójának oldatába merül. (A polarizáció elkerülésének másik megoldása a mőködés közben a katódot bevonó hidrogén vízzé oxidálása, pl. a Leclanchèelemnél.)
7
9. Integráció A terjedelmesebb animációs szemléltetı anyagok kezelhetıségét lényegesen javítja, ha az összes szemléltetés egy alapfájlból érhetı el. A jelenlegi lehetıségeket figyelembe véve a választás alapvetıen kétféle lehet: • •
PPT fájl HTML fájl
szemléltetés: PPalap.ppt szemléltetés: HTMLalap.htm
10. Szerzıi jogok A fentiek szerint készített szemléltetı anyagok a szerzıi jogok problémáját is felvetik. A jogszerőség két sarokpontja: • •
a fejlesztéshez használt programok legálisan legyenek tulajdonunkban a szövegek, ábrák, mozgóképek szerzıi mi legyünk, ill. mások produktumait csak a szerzık egyértelmő engedélyének birtokában szerepeltethetjük saját munkánkban.
Részletesebben a szerzıi jogra vonatkozó 1999. évi LXXVI. törvénybıl lehet tájékozódni.
11. Praktikus tanácsok az elektrolízisre vonatkozóan Az elektrolízis bemutatásra kiindulásként a Cink-jodid az ideális, (Elkészítés: néhány gramm cinkport jódporral elıre kiszámított mennyiségekben, a 65 g / 254 g aránynak megfelelıen összekeverve lombikba helyezzük egy elszívófülke alatt, majd kb. a keverék tömegével megegyezı mennyiségő vizet adunk hozzá, összerázzuk és enyhén melegítjük, amíg a reakció meg nem indul, ezt az ibolyaszínő jódgız felszabadulása jelzi (mérgezı, ezért kell az elszívófülke!) Ezt követıen a reagáló anyagokat magukra hagyjuk a jód elszíntelenedéséig, majd ugyanakkora mennyiségő vízzel hígítjuk, mint amennyit a reakció megindításakor is felhasználtunk. Az oldat szőrés után azonnal alkalmas a kísérletezésre.), egyébként a „nem várt ionok” lépnek reakcióba, pl. nátrium-szulfát elektrolízise - magyarázat a PowePoint-al készített szemléltetıanyag segítségével. Az elektródfolyamatok bemutatása az írásvetítı munkafelületére helyezhetı átlátszó lapos edénnyel célszerő – a látottak értelmezésénél figyelembe kell venni, hogy mindig a legkisebb leválasztási potenciálú (a legkisebb energiát igénylı) anion és kation válik le! (Szemléltetés: a tengervíz elektrolízisét szemléltetı flv bemutatása.)
8
Hivatkozások 1. A leírás a napjainkban még a legelterjedtebben használt Microsoft Office 2003 csomagban található PowerPoint alkalmazására vonatkozik 2. 2008. június végi árak
9
