Как известно, школьные предметы довольно сильно разграничены друг от друга. Часто учителя не знают, что изучается на уроках других предметов. К сожалению, учебные программы до введения ФГОС нового поколения составлялись преимущественно как независимые друг от друга. Однако ряд тем требуют использования знаний из других предметных областей. И если соответствующие разделы не были изучены в другой дисциплине, то учитель на своих уроках вынужден их объяснять, сетуя на то, что "вы ещё это изучите в курсе такого-то предмета".
Одна из таких тем по предмету "Информатика и ИКТ" для 10 класса (учебник Н.Д. Угриновича) – "Кодирование изображений в компьютере". Учитывая пройденное ими в 9-м классе, вряд ли следует повторять всё изученное. Достаточно, на наш взгляд, сосредоточиться на идее преобразования физических сущностей "свет" и "цвет", лежащих в основе зрительного восприятия человеком, из физического мира в цифровой. Для этого нужны знания из физики.
Разработка межпредметного урока создана не только для того, чтобы учащиеся лучше усвоили тему и не только для того, чтобы они лучше поняли, что разграничения между науками условны и что открытия преимущественно делаются на стыке наук. Разработка показывает пример предметного сотрудничества учителей, взаимного обогащения их знаний в процессе подготовки таких совместных уроков. Более того, мы сочли полезным провести сам урок по модели “два учителя в классе”.
Урок начался, цель поставлена. Начинаем с физики? Выход учителя физики! Учитель информатики говорит ученикам: “А что, вы не изучали, что такое свет и цвет?” Выясняется, что в 8 классе изучали свет как излучение и рассматривали его с точки зрения геометрической оптики. А в 9-м классе ученики узнали, что свет – это электромагнитное излучение. Дисперсию света, спектр они должны изучать в 11-м классе.
Со словом “свет” мы знакомы с детства. Известны фразы и поговорки “Ученье – свет, а неученье – тьма”, “Свет мой, солнышко, скажи…”, “светлая голова”. На этом уроке мы лишь даём понять, что свет на самом деле – это сложная структура, что ещё И.Ньютон изучил разложение белого света призмой на спектр, состоящий из семи основных цветов. Цвет же — качественная субъективная характеристика света, которая определяется на основании физиологического зрительного ощущения. Характеристика цвета с точки зрения физики – это частота электромагнитной волны. Здесь мы делаем акцент на то, что каждому цвету радуги соответствует своё значение, т.е. каждый из них “индивидуален и неповторим”.
Как посмотреть спектр, если в школе нет спектроскопа? Подобные уроки также дают возможность похвастаться результатами творений наших очень умелых ручек :–). Подумаем, где в жизни, кроме радуги, мы видим спектр? Конечно, в отражённых от CD и DVD-дисков лучах! Несколько минут поиска в Google, и вот находка: видеоролик, объясняющий, как сделать спектроскоп из такого диска, веб-камеры и пластмассовой коробки из под видеокассеты http://habrahabr.ru/post/150818/. Час работы и готово! Самое интересное, что такой “прибор” можно легко разобрать и объяснить принцип действия. Попутно ученикам следует напомнить, как делаются диски DVD и что пластиковая плёнка с дорожками для записи информации – ни что иное, как дифракционная решётка, в данном случае заменяющая призму.
Рисунок 1. Самодельный спектроскоп из веб-камеры.
Демонстрируем спектр от различных источников света. Непрерывный спектр получается от лампы накаливания и от Солнца, спектр излучения – от ламп дневного света.
Рисунок 2. Спектр Солнца.
Рисунок 3. Спектр лампы накаливания.
Рисунок 4. Спектр лампы дневного света.
Вернёмся к информатике. Для того, чтобы представить что-то непрерывное в цифрах, нужно это разбить на мелкие фрагменты, т.е. применить дискретизацию. Десятиклассники хорошо знают про пространственную дискретизацию, позволяющую составлять изображения из пикселей. Остаётся понять, как применить дискретизацию для цвета. И тут на помощь приходит биология, раздел о строении человеческого глаза, и, конкретно, о его сетчатке. Важно знать, что именно наличие трёх видов клеток-колбочек – чувствительных к красным (red), к зелёным (green) и синим (blue) лучам позволяет светящимся источникам изображения подделывать цвет, манипулируя оттенками этих базовых цветов.
Но часто лучше один раз показать, чем сто раз рассказать. Увы, сетчатку глаза мы не можем посмотреть под микроскопом :–). А вот показать, что монитор подделывает цвет для человеческого глаза, вполне можно. Прикладываем спектроскоп к той части монитора, которая светится белым (можно запустить в окне какую-либо программу наподобие Блокнота) – и красная, зелёная, синяя полосы в спектре выдают всю лживую сущность монитора! :–) С точки зрения физики монитор не может воспроизвести радугу. Но при демонстрации непрерывного спектра глазу кажется, что вот она, на экране!
Рисунок 5. Процесс демонстрации спектра монитора.
Рисунок 6. Спектр монитора.
Давайте поймём, что для нас важнее, свет или цвет. Проведём эксперимент над изображением. Лучше взять изображение, где есть лица, цветная одежда или цветы. Используется редактор Photoshop, однако то же самое можно повторить в бесплатных редакторах GIMP или Artweaver Free.
Лишим изображение цвета. Т.е. сделаем его чёрно-белым. Операция Desatutate (Обесцвечивание). Учащиеся удостоверяются, что фото вполне нормально смотрится, в этом есть даже некоторый стиль, который иногда используют фотографы.
Рисунок 7. Исходное фото. Учащиеся нашей школы 1 сентября 2013 г.
Рисунок 8. Фотография лишена цвета. Получилась чёрно-белая фотография.
Лишим изображение яркостных оттенков, оставив цвет. Последовательность действий следующая:
1) дублируем нижний слой изображения (Duplicate Layer в
панели слоёв),
2) обесцвечиваем (Desaturate) верхний слой,
3) обращаем его в негатив (Invert)
4) и устанавливаем прозрачность в 50% (в панели
слоёв движок Opacity).
Рисунок 9. Вид окна редактора Photoshop после эксперимента.
О ужас! Перед нами серый прямоугольник изображения (поскольку яркость выровнена) с отдельными цветовыми всполохами. Цветы ещё различимы, а, например, лицо превращается в единую желтоватую “блямбу” с сероватыми впадинами глаз и розовыми губами.
Рисунок 10. Фото, лишённое яркостных оттенков.
Вывод: цвет вторичен по сравнению с яркостными
оттенками. Но не означает, что цветовое зрение –
прихоть Природы. Например, зелёный помидор
ядовит, тогда как красный – съедобен. Без
восприятия цвета мы бы не смогли увидеть разницу.
Небольшая практическая работа. Учащиеся должны
открыть в Photoshop (или аналоге) цветную фотографию и
промерить различные участки на цифровые
значения красного, зелёного, синего каналов.
Сделать вывод не только об их соотношении, но и о
профессиональной пригодности фотографии по
наличии участков, где хоть один канал выходит в
предельное (255) или нулевое значение. Как
известно, таких участков не должно быть, иначе
эта фотография рассчитана на эффектное
восприятие с экрана и не может ни для чего
другого быть полноценно использована (например,
как на рисунке 11).
Рисунок 11. “Пересвеченная” фотография. Хорошо видно, что вместо фактуры бантов отображаются белые площадки.
Дети легко справились с заданием, ответили на контрольные вопросы и высказывали свой интерес не только к изучаемой теме и экспериментам, но и необычному способу проведения урока. Такие уроки позволяют развить межпредметные связи и повысить мотивацию к учёбе.
P.S. Сотрудничество учителей, которые подготовили и провели данный урок, выражается также в написании статьи и создании презентации. Текстовый редактор и приложение создания презентаций, встроенное в сервис Google Диск, позволило авторам параллельно работать над материалами со своих компьютеров. Презентация была показана на уроке прямо из онлайна. Авторы обнаружили, что только при наличии скоростного соединения презентация показывается безупречно, так и произошло. Ещё один плюс такого подхода – для публикации данной статьи не нужно прилагать файл презентации, достаточно ссылки на предоставленную в общее использование презентацию. Вот она: https://docs.google.com/presentation/d/1oDaA7gFBQ4dGS9sJ3v-dMgGKVPc8pnUpILxysLRI0HY/edit?usp=sharing