Организация научно-исследовательской деятельности учащихся в процессе астрономических наблюдений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Физико-математический факультет

Кафедра физического и математического образования

Организация научно-исследовательской деятельности учащихся в процессе астрономических наблюдений



РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная бакалаврская работа, 50 с., 2 ч., 1 табл., 1 иллюстр., 23 источников, 1 прил.

ОРГАНИЗАЦИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ В ПРОЦЕССЕ АСТРОНОМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ, АСТРОНОМИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ, ПЗС, АСТРОФОТОГРАФИЯ, КАЛИБРОВКА, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Объектом исследования является психолого-педагогический процесс изучения основ астрономии в школьном курсе.

Предметом исследования является организация астрономических наблюдений с использованием школьного физического оборудования.

Цель работы - теоретическое обоснование и анализ возможностей применения физического эксперимента при изучении астрономии и подбор системы учебного эксперимента, помогающего в изучении астрофизики, а также разработка двух лабораторных работ на темы «ПЗС» и «Астрофотография».

В процессе работы проведен анализ учебной и методической литературы по теме исследования, изучены методики проведения астрофизических экспериментов. Разработаны лабораторные работы на темы «ПЗС» и «Астрофотография».

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АСТРОНОМИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА У ШКОЛЬНИКОВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

1.1 Исследовательская деятельность

1.2 Астрономические наблюдения

1.3 Цели и задачи занятий по астрономии в школе

1.4 Комплектование системы занятий по астрономии

1.5 Анализ лабораторных работ

2. ОСНОВЫ АСТРОФОТОГРАФИИ

2.1 ПЗС

2.2 ПЗС в астрономии

2.3 Астрофотография

2.4 Основные настройки фотокамеры

2.5 Оборудование

2.6 Калибровка снимков

2.7 Дополнительные сведения

2.8 Калибровка экваториальной монтировки

2.9 Описание аппаратной и программных баз

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Умение определять расстояние - одна из основ нашей жизни. Наши предки бороздили океаны, снаряжали экспедиции на материки для того что бы определить очертания береговой линии, размеры земного шара. В наше время расстояние на Земле определяется очень точно, но человечество не стоит на месте, а развивается. После освоения поверхности своей планеты возникает вопрос, а как же определить расстояние до небесных тел в космическом пространстве? Освоение ближнего космического пространства в наше время не встречает на своём пути проблем. Мы можем довольно точно определить расстояние до объектов в нашей солнечной системе методом радиолокации, посылая сигнал и принимая отраженный. Время запаздывания дает нам представление о расстоянии. Но расстояние до звезд очень велико и что бы его определить нужны другие методы. Ниже мы рассмотрим основные методы и наиболее распространённые среди астрономов-любителей аппаратные базы, которые позволяют исследовать объекты, находящиеся в космическом пространстве.

Актуальность выбранной темы дипломной работы обусловлена тем, что элементарные астрономические знания являются важнейшей компонентой естественно-научного мировоззрения и человеческой культуры, а в последнее время наблюдается недостаток преподавания астрономии в Российских школах. Знание определяет развитие некоторых передовых областей физики, так как наблюдение объектов вселенной дает нам понятие об условиях и состояниях вещества, которые немыслимы на Земле: огромные давления и плотности, сверхвысокие и сверхнизкие температуры и так далее. Многие науки, такие как биология, геология, география, химия, история, используют достижения и методы астрономии. Появилась серия смежных с астрономией наук: астрогеология, астроэкология, астробиология и другие. Кроме того, существование современной цивилизации невозможно представить без космонавтики, тесно связанной с астрономией.

Таким образом, основной целью астрономического образования является не только формирование у учащихся комплексного представления о строении и эволюции Вселенной, но также и стремление к более высоким уровням образования.

Объект исследования - процесс изучения основ астрономии в школьном курсе.

Предмет исследования - организация астрономических наблюдений с использованием школьного физического оборудования.

Цель данной работы - теоретическое обоснование и анализ возможностей применения физического эксперимента при изучении астрономии и подбор системы учебного эксперимента, помогающего в изучении астрофизики, а также разработка двух лабораторных работ на темы «ПЗС» и «Астрофотография».

В дипломной работе используются такие методы исследования, как:

- анализ литературы;

- классификация;

- систематизация;

- моделирование работ.

На пути к достижению поставленной цели представляется целесообразным решить следующие задачи:

- изучение нескольких аппаратных систем для астрономических наблюдений, а также экспериментальное определение оптимальной для исследований базы.

- выявить сущность понятия "физический эксперимент";

- проанализировать требования, предъявляемые к учебному эксперименту, и методику его постановки;

- проанализировать теоретическую основу изучения астрономии;

- проанализировать представление данной темы в наиболее широко распространенных школьных учебниках, рекомендованных для использования министерством образования;

- проанализировать представление школьного физического эксперимента в этих учебниках;

- проанализировать демонстрационный и лабораторный физический эксперимент, помогающий изучению астрономии (в частности астрофотометрии).

Методы исследования:

- анализ литературных данных;

- систематизация, классификация;

- эксперимент.

Структура дипломной работы обусловлена предметом, целью и задачами исследования. Работа состоит из введения, двух глав, заключения и приложения.

Введение раскрывает актуальность, определяет степень научной разработки темы, цель исследования, раскрывает теоретическую и практическую значимость работы.

В первой главе уделяется внимание дидактической составляющей. Во второй главе нами рассматривается теоретическая часть исследования, в которую входит обзор литературы, технических характеристик аппаратной и программной составляющей, выбранной для проведения эксперимента, а также описание алгоритма проведения наблюдения.

В заключении подводятся итоги исследования, формируются окончательные выводы по рассматриваемой теме, выносятся предположения по изменению и дополнению школьного образования посредством введения астрономии.

В приложении описаны, разработанные в ходе исследований, лабораторные работы.

1. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АСТРОНОМИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА У ШКОЛЬНИКОВ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ

1.1 Исследовательская деятельность

«Послушайте - и вы забудете, посмотрите - и вы запомните, сделайте - и вы поймете» [18].

Выпускники российских школ имеют глубокие и разносторонние знания, но при этом мало кто умеет реализовывать теоретические знания на практике. Современное общество требует от школы пересмотра прежних ценностных приоритетов, педагогических средств и целевых установок, а также некоторой корректировки таких аспектов образования как: методические, технологические и содержательные. Внедрение в образовательный процесс альтернативных форм и способов ведения образовательной деятельности способствует формированию у детей способности самостоятельно мыслить, добывать и, что важно, применять знания, тщательно обдумывать принимаемые решения и выгодно планировать свои действия. Воспитание подлинно свободной личности является одной из первостепенных целей образовательного процесса. Одной из форм ведения образовательного процесса, которая активно применяется для достижения данной цели, является учебная исследовательская деятельность.

Исследовательская деятельность развивает у учеников логику, мышление, учит поиску целей и задач, а также их постановке и поиску способов их разрешения.

Учебная исследовательская деятельность - это специально организованная познавательная деятельность учащихся, по своей структуре соответствующая научной деятельности, характеризующаяся целенаправленностью, активностью, предметностью, мотивированностью и сознательностью, результатом которой является формирование познавательных мотивов, исследовательских умений, субъективно новых для учащихся знаний и способов деятельности.

Образовательный процесс в школе - это постоянное взаимодействие учащихся с учителем. В процессе передачи информации ученикам, учитель предстает всезнающим, излагающим истины, но процесс открытия и познания этих истин очень часто остается за рамками учения. Здесь и возникает проблема необходимости творческого мышления учащихся. Именно доминирующая роль педагога в образовательном процессе и является препятствием для разрешения этой проблемы. Введение в педагогические технологии элементов исследовательской деятельности учащихся устраняет это препятствие и позволяет педагогу не только учить, но и помогать школьнику учиться, посредством направления его познавательной деятельности в сторону саморазвития. Целью становится научить ребенка учиться и саморазвиваться, что имеет огромнейшую роль не только в учебе, но и в повседневной жизни [13].

Астрономия - экспериментальная наука, основанная на наблюдениях и опытах. Поэтому она обладает объективными возможности для развития исследовательских умений учащихся. Изучение астрономии подразумевает наличие навыков, приобретенных на многих дисциплинах школьного курса: физики, математики, информатики, химии, географии и их дальнейшее развитие. Что характеризует астрономию как метапредметную науку. Организация исследовательской деятельности учащихся при изучении астрономии позволяет повысить интерес не только к изучаемому предмету, но и к остальным предметам школьного курса, делает образовательный процесс более увлекательным, полезным и понятным.

Основными видами учебно-исследовательской деятельности являются:

- экспериментально-исследовательская деятельность

- проектно-исследовательская деятельность

- исследовательские задания

Немаловажную роль в организации исследовательской работы имеет отбор учебного материала, который должен строго соответствовать основным дидактическим принципам: последовательность, научность, систематичность, доступность, наглядность, индивидуальный подход к учащимся в условиях коллективного выполнения работы, возможность практической реализации полученных теоретических знаний, развивающее обучение.

Выпускник школы, который будет вооружен научными методами познания и умением не только обнаружить проблему, но и самостоятельно решить ее, сегодня востребован обществом и именно он становится конкурентоспособным. Для достижения такого результата работа учителя должна сводиться к организации строгой системы занятий, организующей исследовательскую деятельность.

Основными целями организации научно-исследовательской деятельности школьников по астрономии являются:

- развитие интеллектуальных и творческих способностей детей

- поддержка научно-исследовательских интересов школьников

- выявление одаренных учащихся

- педагогическая поддержка одаренных учащихся

Задачами организации научно-исследовательской деятельности школьников по астрономии являются:

- формирование навыков проведения исследовательской работы

- создание научных работ и проектов

- расширение среды общения и получения информации

- реализация творческих идей учащихся в научных исследованиях

- приобщение учеников к творческой деятельности.

- участие в научно-практических конференциях

- развитие коммуникативных, творческих и интеллектуальных способностей.

Исследовательская деятельность может быть организованна как на уроке, так и во внеурочное время. При выполнении исследовательской работы можно показать роль ученика и учителя в этом процессе, а также выделить несколько этапов, которые приведены ниже в таблице 1.

Таблица 1 - Роль ученика и учителя на этапах исследовательской деятельности

Деятельность учителя	Деятельность ученика
1	2
	Продумывание проблемных ситуаций.
Помощь в самоопределении в отношении объекта исследования. Поощрение поиска.	Желание понять изучаемый процесс (явление). Проявление заинтересованности в изучении.
Помощь в определении темы	Определение с темой исследовательской работы
Помощь в формулировке задач и целей	Определение целей и задач работы
Предлагает учащимся найти объяснение гипотезе	Выдвижение гипотезы
Предложение различных методов для исследования	Разработка методики проведения работы
Оказание помощи в регистрации результатов	Систематизация полученной информации
Оглашение различных точек зрения на исследование, закрепленных опубликованной литературой. Помощь в анализе экспериментальных данных. Предложение различных подходов к обобщению информации. Помощь в формулировке собственного взгляда на проблему	Объяснение, обобщение и анализ полученной в ходе выполнения работы информации
Консультирование по публичной защите отчета	Подготовка отчета
Помощь и поддержка	Презентация результатов
Организация рефлексии	Обсуждение полученных результатов и хода работы

Проанализировав этапы исследовательской деятельности в рамках школьного образовательного процесса, можно увидеть, что педагог предстает уже в роли наставника готового помочь ученику в познании окружающего мира [10].

На современном этапе развития образования общество требует от школы формирование у ребенка осознанных и оперативно используемых знаний, потребность в саморазвитии, владение методами научного познания и изучение астрономии посредством организации исследовательской деятельности помогает ученикам получить эти навыки и бесценный опыт.

1.2 Астрономические наблюдения

Луна, Солнце, планеты, кометы, звезды, туманности, галактики, отдельные тела и разнообразные системы таких тел изучаются в астрономии, а, следовательно, и задачи, стоящие перед астрономами, разнообразны, как и методы астрономических наблюдений.

Наблюдения с целью определения положений светил на небесной сфере начались еще в глубокой древности. На данном этапе времени этим занимается астрометрия. Результатом подобных наблюдений служат небесные координаты звезд, звездных скоплений, галактик. Затем эти данные сводят в каталоги, а по ним, в свою очередь, составляются звездные карты. Тригонометрические параллаксы, собственные движения звезд и другие данные получают при более длительном наблюдении одних и тех же небесных светил. Эти данные так же публикуются в каталогах.

Составленные таким образом звездные каталоги используются на практике при астрономических наблюдениях движущихся небесных тел, в геодезии, навигации, службах движения полюсов, службах времени, а также в научно-исследовательских работах.

Астрометрические наблюдения небесных объектов дают нам представление о законах их движения. С помощью астрометрических данных составляются эфемериды и решаются разнообразные задачи небесной механики, астродинамики, гравиметрии и геодезии.

Методами радиолокационной астрономии можно определять расстояние до небесных объектов, их скорости движения, размеры, элементы вращения и свойства поверхности. При пассивных астрономических наблюдениях анализируется собственное или рассеянное излучение, а при радиолокации сравнивается зондирующий сигнал, параметры которого известны, с эхосигналом. Таким образом достигается очень высокая точность.

Существуют фотографические методы, которые имеют неоспоримое преимущество перед визуальными. Фотографическая пластинка, в отличие от глаза, накапливает фотоны, приходящие от источника света, что дает возможность зарегистрировать объекты малой светимости. Фотографию можно детально изучить и при необходимости повторить или же обработать. А также фотография является объективным документом, в отличие от данных измеренных человеческим глазом, который вносит много субъективного в исследование [7].

На рубеже девятнадцатого и двадцатого века зародились астрофизические методы, в основу которых лег анализ электромагнитного излучения небесного светила.

Обнаружение переменных, двойных и новых звезд производятся астрофотометрами, которые регистрируют изменения блеска небесных светил. С учетом результатов других методов наблюдения делаются заключения о процессах, происходящих в звездах, галактиках и туманностях.

Важным методом наблюдения в астрономии является спектрофотометрия. По распределению энергии в непрерывном спектре и его характеристикам получают данные о температуре, химическом составе, движении вещества, наличии магнитных полей, лучевых скоростях небесных тел, а также о стадии эволюционного развития.

Широко в астрономии применяется радиометрия. С помощью радиотелескопов осуществляются наблюдения в радиодиапазоне, что позволяет регистрировать инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Полученные данные применяются в рентгеновской астрономии и гамма-астрономии.

Конечно же большинство описанных выше методов осуществимы только на астрономических обсерваториях, но отдельные виды наблюдений вполне доступны астрономам-любителям [2].

Школьным астрономическим кружкам доступны следующие астрономические наблюдения:

- исследования солнечной активности с помощью школьного телескопа-рефрактора.

- наблюдение Юпитера и его спутников.

- поиски комет с помощью светосильных оптических инструментов с большим полем зрения.

- наблюдения серебристых облаков.

- регистрация метеоров.

- исследования переменных звезд.

- наблюдение солнечных и лунных затмений.

- наблюдение искусственных спутников Земли.

1.3 Цели и задачи занятий по астрономии в школе

Основное место в школьный период времени у ребенка занимают уроки и подготовка к ним. Однако развитие ребенка не ограничивается одними лишь занятиями в школе - они ищут поле деятельности за пределами уроков. Астрономия может быть не только уроком или элективным курсом в школе - это дисциплина, которая может стать хобби для ученика.

В последнее время наблюдался резкий спад востребованности астрономии в школьном куре обучения. Но с первого сентября 2017 года вновь планируется введение астрономии в школьный курс некоторых российских школ, как пилотный проект. Если проект будет успешным, то астрономия возможно вернется в российские школы как обязательный предмет. Астрономические кружки и уроки, при правильной организации могут стать важным средством комплексного воспитания учащихся. Мировоззренческое значение астрономии как науки о Вселенной общеизвестно, и своевременное привлечение учащихся к систематическим занятиям астрономией моет помочь формированию у школьников научно-материалистического миропонимания. На сегодняшний день, астрономия - одна из немногих наук, где сохранились задачи, решению которых могут поспособствовать школьники, внося свой посильный вклад в исследования. Следовательно, учеников можно привлекать к выполнению плановых работ по заданию научно-исследовательских организаций. В таком случае работа школьников наполняется значением и смыслом.

Занятия астрономией формируют у школьников качества и навыки, необходимые будущим исследователям:

- стремление к приобретению новых умений и знаний

- творческое развитие личности

- диалектический характер мышления

- самостоятельность

- умение вести наблюдения

Качества, развитию которых учитель должен уделять особое внимание:

- умение поставить и сформулировать цели и задачи исследования

- умение представить в целом картину научного исследования в выбранной области

- увлеченность работой

- целеустремленность

- организованность и практичность в работе

- ответственность

- умение анализировать материалы, полученные в ходе экспериментов и наблюдений

- умение работать в коллективе

- умение выступать с защитой своего исследования, высказывать и аргументированно отстаивать свое мнение

Кроме того, занятия астрономией, которая тесно связанна с множеством областей науки и техники, способствуют ознакомлению школьников с спецификой, содержанием и методами физики, информатики, радиоэлектроники. Отсюда следует, что в более широком смысле задачей астрономии является профессиональная ориентация учеников [7].

По сравнению с другими школьными дисциплинами астрономия имеет еще одно очень важное преимущество. В ее практике традиционно есть такие формы работы, как ночные наблюдения, лагеря и экспедиции. Здесь, когда учитель проводит с школьниками не только дни, но и ночи, создаются особые условия доверительного общения, что способствует большей продуктивности освоения науки.

1.4 Комплектование системы занятий по астрономии

Правильная организация системы занятий по астрономии является одним из важнейших условий ее будущей нормальной деятельности.

Если это факультативные занятия, то прежде всего необходимо строго соблюдать принцип добровольности и индивидуальный характер записи на занятия.

Следующей предпосылкой качественного и объективного набора учеников является его своевременное проведение. Комплектование занятий лучше всего проводить в начале учебного года, так как параллельно идет запись на факультативные занятия другого профиля. При этом у детей появляется возможность выбора, что уменьшит приток в астрономический коллектив случайных людей.

Непременным условием хорошего проведения набора на занятие следует считать организацию достаточно полной информации о специфике занятий.

С учетом этих требований, запись на факультативный курс будет организовать наиболее просто. Руководителю кружка можно вывесить лаконичное объявление и провести беседы с классами, сопровождать которые желательно используя мультимедиа технологии. Так дети более точно смогут понять суть будущих занятий. Первое занятие лучше не откладывать, а назначить его прямо в день беседы, либо на следующий день. Расписание занятий факультативного курса целесообразно разработать в соответствии с пожеланием большинства записавшихся.

Что важно - руководитель кружка должен иметь ввиду, что в ряде случаев новички, которые по некоторым причинам пропустили несколько занятий в начале учебного года, затем стесняются появиться вновь. Руководителю следует выяснить причину отсутствия учеников и постараться возобновить посещение занятий детьми. Так же стабилизации состава кружка будет способствовать проведение в начале учебного года родительского собрания, на котором следует рассказать о содержании и формах занятий, а также о больших воспитательных возможностях астрономических занятий. В таком случае родители будут заинтересованы в поддержании у ребят желания заниматься и с пониманием отнесутся к вечерним и ночным наблюдениям.

Так же существует опыт формирования астрономического кружка в конце учебного года, а не в начале. Набор происходит в апреле - мае. В таком случае весной проводится несколько вводных астрономических наблюдений и занятий, задача которых заинтересовать ребят. В задачи этого периода так же входит ознакомление учащихся с спецификой работы астрономического факультативного курса. А на летний период руководитель должен дать рекомендации относительно проведения астрономических наблюдений и чтения литературы по астрономии. По возможности, желательно возобновить занятия в конце лета, когда складываются относительно благоприятные условия для наблюдений: теплая погода, наличие свободного времени у детей, наступление темных вечеров. В частности, весенняя организация занятий имеет то преимущество, что за лето произойдет «отсев» случайно записавшихся. Поэтому, при возобновлении занятий в новом учебном году, руководителю необходимо произвести доукомплектование формирующегося коллектива.

Интересен опыт комплектования стабильного состава кружка в средней школе поселка Новая Прага Кировоградской области. Ю. Е. Мигач формирование списочного состава кружка предварил трехмесячной подготовительной работой. Для всех желающих, с шестых по десятые классы, в вечернее время было прочитано пять лекций: «Что такое астрономия», «Строение Солнечной системы», «Необыкновенные небесные явления», «Строение Вселенной», «Что можно увидеть на небе». Последняя лекция завершилась знакомством с очертанием видимых в тот вечер созвездий и рассматриванием в бинокль некоторых интересных объектов звездного неба.

После каждой беседы педагог рекомендовал прочитать соответствующую популярную литературу, организовал коллективное чтение научной фантастики космического содержания.

В процессе подготовительного периода выделились ребята, более других заинтересовавшиеся астрономией.

Уже на первых встречах созданного таким образом кружка была поставлена перспективная задача - создать собственную астрономическую обсерваторию [7].

1.5 Анализ лабораторных работ

Прежде чем приступать к непосредственному внедрению аппаратной и программной базы, при помощи которой возможен поиск космических объектов, а также их съемка и калибровка результирующей фотографии, в лабораторные работы, нам необходимо разобрать что такое лабораторные работы в целом и какие задачи они выполняют в образовательном процессе. Изучить школьную программу по физике и выделить работы, в которых возможно и имеет смысл применять подобные вспомогательные средства.

Как известно, процесс обучения содержит теоретическую и практическую часть, где теория - это лекционный материал, а практика - лабораторные и самостоятельные работы согласно пройденному материалу.

Если лекции - это устное систематическое и последовательно изложение материала по какой-либо проблеме, методу, теме вопроса и так далее. И деятельность учащегося на лекции в основном заключается в конспектировании излагаемого преподавателем материала. В ходе самостоятельной работы, учащийся в основном руководствуется только лекционным материалом для разрешения поставленных перед ним задач. А лабораторная работа - это более увлекательный вид организации учебной деятельности, который сочетает в себе проверку знаний, но что особенно важно, это получение колоссального опыта по изучаемой теме. И если, в частности, опираться на лабораторные работы по астрофотографии, то это еще огромнейшее поле для реализации своих творческих идей в данном направлении исследований, а также приобщение учащихся к такому виду искусства, как фотография.

В ходе лабораторной работы у ученика больше возможностей проявить себя с разных сторон и положительно подняться в глазах учителя. В следствии этого дети активнее работают на таких уроках.

Суть лабораторной работы описана уже в ее названии, не зря первая строка в оформлении имеет соответствующее название «Тема». А вот целью проведения такого занятия является изучение и осознание определенных физических процессов, законов и закономерностей.

Выполнение работы и получение достоверных результатов осуществляется опытным путем в специально отведенном и оборудованном месте.

Глубокое понимание изучаемого материала, на что направлена лабораторная работа, очень важно во время учебного процесса, иначе нельзя судить об успешно выполненной работе.

Лабораторная работа подразумевает:

- изучение определенного физического процесса на практике, используя при этом методы, предварительно изученные на лекциях

- выбор наиболее оптимального приема выполнения замеров и исследования, которые обеспечивает наиболее точный результат

- определение фактического результата и его сравнение с теоретическими данными, описанными в учебнике согласно выбранной тематике

- обнаружение причин полученного несоответствия и грамотное изложение их в отчете лабораторной работы

- грамотное оформление выводов согласно требованиям методической книги

Со стороны ученика, лабораторным работам, в учебном процессе, уделяется большее время. В виду того, что пропущенное практическое занятие необходимо будет выполнить позднее и уже в индивидуальном порядке, а в противном случае итоговая оценка не будет выставлена, либо будет не соответствовать желанной. И именно поэтому большая часть учеников предпочитают во что бы то ни стало посетить такое занятие, ведь делать лабораторные работы всей группой и с помощью преподавателя всегда проще, особенно если в знаниях имеется пробел.

Порядок выполнения лабораторной работы:

1. Ознакомление с приборами и программным обеспечением, если таковое требуется для выполнения работы.

2. Выполнить все этапы хода работы.

3. Определить погрешность измерений.

4. Провести пробное испытание, которое позволит судить о правильности подготовки рабочего места.

5. Подготовить черновик для записи и провести все требуемые в задании эксперименты и записать в черновик результаты.

6. Оформить отчет о проделанной работе согласно требованиям, предъявляемым к оформлению лабораторных. Не забывать о необходимости составления выводов.

7. Сдать на проверку и подготовиться к защите.

Для сбора и анализа данных по лабораторным работам были рассмотрены разработанные работы по астрофизике под авторством: В.Е. Лысенко, А.Л. Ивавнова [21], Л. Н. Пичугина [22].

Так же были рассмотрены учебное пособие Р.Я. Жучкова и Е.Н. Типикина - «Астрофотография в задачах» [23] и лабораторный практикум по курсу общей астрономии М.М. Дагаева.

Вывод по главе 1

Изучив возможности и разнообразие постановки астрономического эксперимента и проанализировав теоретические основы школьной программы по астрономии можем сказать, что роль научно-исследовательской астрономической деятельности, в рамках школьного образования, очень важна для формирования у школьников научно-материалистического миропонимания и ознакомления школьников с спецификой, содержанием и методами физики, информатики, радиоэлектроники. Откуда следует, что в более широком смысле задачей астрономии является профессиональная ориентация учеников, и значит, что в школьной программе она необходима.



2. ОСНОВЫ АСТРОФОТОГРАФИИ

2.1 ПЗС

Бурное развитие электроники, телевизионной техники, информатики и компьютерных технологий, произошедшее в конце второго тысячелетия, не могло не коснуться такой важной области естествознания, как экспериментальная физика. Был разработан, создан и успешно применен в технике физического эксперимента целый ряд диагностических приборов, представляющих собой симбиоз современного персонального компьютера (ПК), программного обеспечения прикладного характера и полупроводниковых телевизионных камер на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Такие приборы значительно упростили настройку диагностической аппаратуры, уменьшили время обработки экспериментальных данных и тем самым расширили возможности эксперимента.

Действительно, пусть, например, мы исследуем спектр, используя фотопленку в одном случае, и ПЗС-камеру - в другом. Понятно, что в части спектральной аппаратуры всё будет одинаково или практически одинаково. Что же касается регистрации и обработки спектрограмм, то здесь различия существенны. При старых, традиционных способах регистрации на фотопленку, которые были рассмотрены выше, необходимо:

- плёнку проявить (чтобы избежать ошибок, связанных с температурой проявителя, его свежестью, погрешностями во временах экспонирования и проявления, на плёнку необходимо заблаговременно впечатать 9-ступенчатый ослабитель или «клин»);

- получить, используя микрофотометр, денситограммы исследуемого спектра, спектра сравнения, девяти ступенчатого ослабителя и обработать их с тем чтобы перейти от почернений пленки к исходному распределению интенсивностей (данная процедура весьма трудоёмка и при самых благоприятных условиях занимает примерно 3 - 4 часа);

- отсканировать негатив на слайд-сканере и завести в ПК для дальнейшей обработки (необходимо отметить, что в большинстве сканеров есть регулируемые параметры, которые необходимо подбирать перед сканированием, добиваясь соответствия снятого девяти ступенчатого ослабителя или «клина» их паспортным данным), процедура долгая (примерно 1 час), но вполне выполнимая.

Необходимо отметить также, что чаще всего при экспериментальных исследованиях производят съёмку не единичных кадров, а целых серий. Поэтому любые изменения в исследуемом процессе (интенсивность, расходимость сигнала, угол рефракции и т.д.), погрешности в настройке нашего диагностического тракта (задели зеркало, не убрали диафрагму и т.д.) или в проявлении могут привести к тому, что негодной окажется вся фотоплёнка, а не ее единичный кадр.

ПЗС-камера в отличие от фотопленки регистрирует распределение не почернений, а интенсивностей. Поэтому при регистрации с помощью ПЗС-камеры сопряженной с ПК исследуемый спектр можно наблюдать на дисплее ПК в режиме реального времени, проводить его обработку и, при необходимости, оперативно вносить изменения в условия съемки или схему эксперимента. Понятно, что такой прибор можно использовать как самостоятельный фоторегистратор, так и в комбинации с ЭОПом, осциллографом и другой диагностической аппаратурой. В более сложных устройствах существует возможность синхронизации фотосъёмки с исследуемым явлением, что позволяет производить регистрацию быстропротекающих процессов во времени.

В последние два десятилетия благодаря новым современным приемникам ПЗС возможности фотометрии сильно увеличились. Даже на небольших телескопах можно достичь предельной величины и более.

В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Сам прибор - довольно сложная микросхема с линейкой или двумерной матрицей, состоящей из прямоугольных светочувствительных элементов, называемых пикселами. Такая матрица способна накапливать, хранить и передавать для считывания фотоэлектроны, рожденные под действием света во время экспозиции. Каждый пиксел заполняется электронами пропорционально количеству попавшего на него света, то есть ПЗС является линейным приемником для большого диапазона световых потоков [8].

2.2 ПЗС в астрономии

ПЗС-матрицы, применяемые в астрономии, имеют высокую интегральную чувствительность, а спектральный диапазон чувствительности простирается от голубой (примерно 0.4 микрон) до ближней инфракрасной (0.9 микрон) области. Чувствительность ПЗС-матрицы зависит от размеров площади светочувствительной области, т.е. от размера пикселов, и от квантовой эффективности. Для характеристики ПЗС используется именно квантовая эффективность, которая в отличие от квантового выхода отображает не полное количество электронов, высвобождаемое при поглощении одного фотона, а то их количество, которое попало в потенциальную яму. Квантовая эффективность зависит от длины волны и в отдельных участках спектра может превосходить 80 %. В среднем по всей спектральной области чувствительности квантовая эффективность ПЗС-матриц составляет 50-60 %, что почти на порядок выше, чем у лучших фотоэлектрических приемников. В дорогих ПЗС профессионального уровня для повышения чувствительности используется метод обратной засветки, когда световой сигнал падает со стороны сошлифованной кремниевой подложки. Это позволяет существенно увеличить квантовый выход, но в результате появляется паразитный сигнал, вызванный интерференцией света в слое кремния. Этот эффект - «fringes» («рябь») сильнее всего проявляется в длинноволновых фильтрах, R и I. Важной характеристикой является размер пикселов. В настоящее время выпускаются ПЗС матрицы с размерами пикселов от 7х7 мкм до 27х27 мкм. Чем больше размеры пиксела, тем больше электронов он может накопить до насыщения, и тем больший диапазон яркостей (динамический диапазон ПЗС) можно получить. Пикселы малых размеров обеспечивают высокую разрешающую способность, при этом чувствительность существенно понижается. Поскольку основным фактором, лимитирующим разрешение, является качество неба, во многих ПЗС камерах предусмотрена возможность менять разрешение матрицы: 1 пиксел (HIGH), 2х2 (MEDIUM) и 3х3 пиксела (LOW). Это удобно и с точки зрения фотометрии, поскольку позволяет добиться разумного компромисса между стремлением к высокому разрешению и большему отношению сигнал/шум. В процессе считывания накопленных в пикселах фотоэлектронов образуется последовательность электрических сигналов, которые преобразуются в цифровую форму и записываются в компьютер. Положение пиксела в матрице (номер строки и номер столбца) остается фиксированным. В результате на дисплее компьютера мы видим подобное фотографическому изображение регистрируемой области неба - ПЗС матрица является панорамным приемником. Поле зрения, получаемое с ПЗС матрицей, сравнительно невелико. Типичные матрицы имеют размеры от 512х512 до 2048х2048 пикселов. В зависимости от размера матрицы и от фокусного расстояния телескопа поле составляет от нескольких угловых минут до половины градуса. В таком поле всегда можно найти звезды сравнения для фотометрии. Таким образом, ПЗС матрица совмещает в себе преимущества фотографии (панорамность) и фотоэлектрической фотометрии (линейность). Рассмотрим теперь недостатки, или, скорее, ограничения, присущие ПЗС-приемникам. Некоторые из них связаны с проблемами технологии изготовления матриц и астрономы перед ними бессильны. С другими недостатками можно бороться, улучшая методику наблюдений и их обработки. Предельная обнаружимая звездная величина при наблюдениях с ПЗС матрицей, как и для всех приемников, зависит от отношения сигнал/шум [9].

При малых световых потоках важным параметром ПЗС-матрицы становится порог чувствительности, характеризующий минимальный световой поток, который может быть зарегистрирован. Главным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является темновой сигнал - электроны, производимые самой матрицей вследствие термоэлектронной эмиссии и попавшие в потенциальную яму при полном отсутствии светового потока. Величина темнового сигнала зависит от температуры матрицы и времени экспозиции. Эффективным способом уменьшить темновой сигнал является охлаждение матрицы - при уменьшении температуры на 9 градусов темновой сигнал уменьшается вдвое. Все современные ПЗС-матрицы, используемые в астрономии, снабжены либо миниатюрными холодильниками, позволяющими охлаждать матрицу до низких температур и поддерживающими температуру охлаждения с точностью до одной десятой градуса, либо же охлаждаются жидким азотом. Темновой сигнал вносит в полезный сигнал искажение, особенно существенное для малых световых потоков, и если его не компенсировать, это существенно увеличит шумы. Чтобы исключить темновой сигнал, в течение наблюдательной ночи получают темновые кадры dark - в тех же условиях, что и рабочие кадры, но при закрытом затворе. Далее кадры dark, предварительно масштабированные на время экспозиции рабочего кадра, вычитаются из рабочих. Потери электронов происходят не только в процессе накопления заряда в потенциальной яме, но и в процессе передачи заряда во время считывания, и они могут быть значительными. В первых матрицах при коэффициенте передачи заряда от пиксела к пикселу 0.999 по пути к последнему пикселу терялось до 65 % фотоэлектронов. В современных матрицах коэффициент передачи заряда от пиксела к пикселу составляет уже 0.9999 - 0.99999, то есть потери составляют не более 5 %. Далее, несмотря на небольшие линейные размеры, невозможно сделать поверхность матрицы идеальной, пикселы могут отличаться друг от друга и по размерам, и по квантовой эффективности, и по коэффициенту передачи заряда, все это создает неравномерность чувствительности матрицы по полю. Однако если получить снимки равномерного серого поля, так называемого «плоского поля», неравномерности яркости по поверхности рабочего кадра можно будет скорректировать при обработке. «Плоские поля» обычно снимают на закате или на рассвете, выбирая область неба без звезд. Можно использовать и равномерно освещенный экран. Поскольку параметры матрицы достаточно стабильны, «плоские поля» не обязательно снимать каждую ночь [4].

Отметим теперь основные типы шумов, влияющих на отношение сигнал/шум. Во-первых, это фотонный шум - шум светового потока. Во-вторых, шум темнового сигнала. Эти шумы подчиняются статистике Пуассона. Следующим по значимости источником шумов является выходное устройство, его искажения сигнала - шум, возникающий при передаче заряда от пиксела к пикселу, шум считывания и шум сброса, когда из детектора выводится ранее накопленный заряд.

2.3 Астрофотография

Испокон веков человечество привлекало загадочное и бесконечное звездное небо. С целью его исследования создавались все более совершенные оптические инструменты для проведения наблюдений. Следовательно, астрономия - это одна из движущих развитие оптики наук. Мощный импульс развития астрономии дало изобретение фотографии. Фотоэлементы накапливают свет, что приоткрывает темную занавесу космического пространства и дает возможность увидеть то, что человеческий глаз увидеть не в силах. Астрофотография долгое время оставалась уделом профессионалов, владеющих необходимыми практическими навыками, теоретической основой знаний и необходимой технической базой. Но астрофотография, как инструмент исследования, несет в себе не только прагматическую функцию. Звездное небо и объекты космоса сами по себе безгранично красивы и загадочны, чем привлекают человечество. Кадры, на которых получены объекты, расстояние до которых многие и многие миллиарды километров, не могут не завораживать.

Появление фотографических матриц дало широчайшие возможности для фотографов в постобработке и непосредственно получении изображений, а дальнейший, бурно-развивающийся технический прогресс позволил цифровым фотоаппаратам становиться все более совершенными и общедоступными. В итоге, результаты исследований двадцатого века, которые могли быть достигнуты только профессионалами в области астрофотографии, в двадцать первом веке оказались возможны для обычных астрономов-любителей.

Но тем не менее, любое направление фотографии требует наличия определенных навыков и знаний, и, чтобы достичь результатов, полученных профессиональными фотографами прошлого века, необходимо не только оборудование, но и определенный опыт в этой сфере деятельности. На получение хорошей астрофотографии влияет множество факторов, и практически на первом месте стоит понимание процесса фотосъемки, а также необходимые знания об объекте исследования. Поэтому подготовку необходимо начинать с азов, в частности с изучения звездного неба. В интернете есть масса программ-планетариев, например: Stellarium, RedShift, StarCalc и другие, из которых многие предоставляются разработчиками бесплатно. С помощью этого программного обеспечения можно посмотреть звездное небо, планеты, созвездия, в нужный момент времени и с выбранного места. Навыки ориентирование на звездном небе дают понимание, какой объект все-таки интереснее для исследования, в какое время лучше производить съемку, ну и непосредственно в какую область звездного неба нужно направлять фотоустановку.

Что бы сфотографировать объекты далекого космоса, такие как: звездные скопления, туманности и галактики, необходим некоторый опыт и определенная подготовка. Поэтому начать лучше с самого простого, например, с фотографирования звездных полей на широкоугольный объектив, который подходит для обычной уличной съемки и съемки пейзажей.

2.4 Основные настройки фотокамеры

Прежде чем перейти к выбору необходимого оборудования, которое необходимо для того, чтобы сделать астрофотографию, нужно разобраться с используемыми параметрами съемки.

Выдержка. Как было выше сказано, фотопленка или матрица способны накапливать свет, который на них падает. Следовательно, с большим таймингом выдержки мы с можем увидеть звезд больше, чем их видно невооруженным глазом. Относительно этого параметра фотосъемки есть несколько важных моментов. Во-первых, это ограничение максимальной выдержки зеркальной фотокамеры на аппаратном уровне. Для большинства зеркальных фотоаппаратов максимальная выдержка не более тридцати секунд. Чтобы увеличить время выдержки, что иногда необходимо, используют пульт дистанционного управления. Пульт так же исключает вибрации камеры и смаз в первые секунды экспозиции, которые возникают при касании в момент спуска затвора. Во-вторых, время выдержки ограничено вращением Земли. В течении суток звезды восходят и заходят и следует принять за правило, что чем больше фокусное расстояние, тем меньшую выдержку нужно ставить. Например, через восемнадцатимиллиметровый объектив выдержку можно ставить около тридцати секунд, а через пятидесятимиллиметровый уже не более двадцати секунд.

Чувствительность. Задача астронома при фотографировании небесных объектов - собрать как можно больше света. При высоком уровне чувствительности возникает большой уровень цифрового шума и уменьшается динамический диапазон результирующего изображения. Для исследования тусклых звезд нужны высокие параметры чувствительности, но в этом случае яркие звезды попросту начнут выгорать и исследовать их уже не получится. Поэтому в отстройке данного параметра необходим баланс и изначально поставленная цель изучения тех или иных объектов. Современные фотокамеры дают возможность изменять чувствительность от 25 до 25600 ISO. Необходимо помнить, что увеличение параметра чувствительности равнозначно по яркости увеличению в два раза выдержки съемки. Так же нужно отключить шумоподавитель, поскольку некоторые звезды он может воспринять как шум, а также использование шумоподавления необходимо отключать при создании калибровочных кадров, которые служат для постобработки фотографии.

Диафрагма. Чем больше отношение диаметра входного отверстия к фокусному расстоянию, тем больше звезд сможет уловить объектив фотокамеры. Астрофотография предполагает работу с точечными источниками света - звездами, и они должны оставаться таковыми на снимке. Наиболее качественную фотографию объективы дают на диафрагмах, выставленных в диапазон от f-stop 5,6 до 11. Если в фотографию планируется включить элементы пейзажа, то это даст необходимую глубину резкости. Однако для большинства целей достаточно прижать диафрагму на чуть-чуть по сравнению с полностью открытой. Необходимо помнить, что каждая ступень диафрагмы равнозначна увеличению или уменьшению выдержки в два раза по количеству накопленного света.

RAW формат. RAW файл обладает относительно большим динамическим диапазоном, и работая с таким файлом в графическом редакторе, при отстройке уровней кривых и инструментами регулировки света, можно достаточно кардинальным образом получить больше звезд на снимке и заглушить светимость неба. То есть использование RAW формата позволяет извлечь больше полезной информации из фотографии. Так же RAW формат съемки лучше использовать для создания калибровочных кадров, чтобы учесть, как можно больше информации о шумах и искажениях [12].

2.5 Оборудование

В предыдущем пункте мы разобрали основные параметры, которые применяются во время астрофотосъемки. Эти параметры, в свою очередь, предъявляют определенные требования к оборудованию, и прежде всего к фотокамере.

Камера. Если сравнивать компакт-фотокамеры и зеркальные, то предпочтение стоит отдать зеркальной технике и тому есть несколько причин. Во-первых, фотокамера должна быть с возможностью самостоятельной регулировки чувствительности, выдержки и диафрагмы. Во-вторых, у зеркальных фотокамер низкие значения шумов на высокой чувствительности сьемки. В-третьих, полупрофессиональные и профессиональные фотокамеры могут делать снимки в широкодиапазонном RAW формате. В-четвертых, зеркальная техника дает возможность к использованию разных объективов. В-пятых, у такого типа камер есть возможность дистанционного управления.

Всем этим требованиям, в большей мере, удовлетворяет зеркальная фотокамера. Для интересующих нас целей подойдет практически весь современный модельный ряд камер Nikon и Canon. Старшие камеры естественно имеют больше возможностей по дистанционному управлению, младшие камеры имеют меньший вес и так же они более комфортны для выездных фотосессий. Постоянное включение и отключение дисплея сбивает адаптацию глаз к ночному темному небу и поэтому стоит обратить внимание на возможности изменения настроек непосредственно с внешнего интерфейса.

Объективы. Для съемки звездных полей и для пейзажной астрофотографии вполне подойдет объектив с небольшим фокусным расстоянием. В комплекте со многими зеркальными фотоаппаратами идет объектив с фокусным расстоянием 18-105 или 18-55 мм. При фотографировании звездных пейзажей хорошо зарекомендовали себя объективы AF-S DX Nikkor 16-85 и AF-s Nikkor 14-24, объективы Nikkor 16-35 для полноразмерной матрицы и Nikkor 12-24 для DX-матрицы. Для съемки других космических объектов хороши длиннофокусные объективы Nikkor 180/2.8, макрообъектив Nikkor 105 и современные телеобъективы Nikkor AF-S 200/2 и Nikkor AF-S 300/2.8.

Так же есть более экономный способ - это использование специальных переходников, которые позволяют установить камеру непосредственно на телескоп. В этом случае астрофотосъемка на длинном фокусе потребует наличие не просто неподвижного штатива, а уже специальной монтировки для астрофотографии. Это уже штатив, оснащенный часовым приводом, который перемещает камеру вслед за вращением звездного неба. Но чтобы сделать первые шаги в астрофотографии вполне достаточно короткого фокуса и обычного неподвижного штатива. Устойчивость - это основное требование к фотоштативу. Чем тяжелее - тем лучше, но выбирать фотоштатив нужно такой, чтобы его было так же удобно переносить с собой.

Спусковые устройства. Для зеркальных фотокамер Nikon и Canon существует довольно большой выбор дистанционных спусковых устройств. Это и пульты дистанционного управления, и спусковые тросики, обычные и программируемые. Для длительных выдержек на камерах старшего модельного ряда лучше использовать программируемый тросик, ввиду того, что его можно настроить на определенное количество снимков с заданными параметрами. Аналогичные операции можно производить и на компьютере с помощью специального программного обеспечения. К примеру, у зеркальных камер Nikon есть собственное программное обеспечение, которое идет в комплекте - Camera Control Pro.

Так же необходимо учитывать, что на длинном фокусе на процесс съемки влияет не только вибрация, возникающая в момент нажатия на спуск, но и вибрация самой работы затвора. Во многих полупрофессиональных камерах есть пункт «задержка срабатывания». В этом случае камера сначала поднимает зеркало, и только через одну или две секунды делает снимок. Этого вполне достаточно, чтобы вибрация, возникшая из-за работы затвора, прекратилась.

2.6 Калибровка снимков

Как мы уже выше выяснили, больше света накапливается на матрице при более длительной экспозиции, что позволяет зарегистрировать больше светил. Однако экспозицию ограничивает не только вращение звездного неба, но и цифровой шум. При длительных экспозициях сильно падает соотношение сигнал/шум. Решением данной проблемы является объединение некоторого количества снимков, с меньшим значением экспозиции, в один. К примеру, двадцать снимков с экспозицией одна минута вполне соответствуют одному снимку с экспозицией в двадцать минут. Следовательно, снимки с меньшей выдержкой при помощи специального программного обеспечения можно объединять в один, с суммарной экспозицией до нескольких часов и без значительных потерь в качестве. В этом случае ограничением выступают технические характеристики компьютера и длительный процесс сложения снимков. Так же не стоит забывать и о том, что при наложении слоев суммируется не только полезный сигнал, но и шум, и поэтому финальный снимок не будет отличаться качеством от одиночного кадра. Что бы добиться оптимального результата необходима калибровка снимка.

...