Сценарий двухчасового занятия «Выяснение зависимости яркости изображения и глубины резкости объектива фотоаппарата от величины диафрагмы» на кружке цифровой фотографии

Описание методической разработки
Название объединения: творческое объединение «Цифра» (кружок цифровой фотографии)
2.Тема методической разработки: «Выяснение зависимости яркости изображения и глубины резкости объектива фотоаппарата от величины диафрагмы»
3.Краткая аннотация: предлагаемая разработка- это двухчасовая практическая работа для кружка цифровой фотографии, опирающаяся на общие знания и умения учащихся по физике и состоящая из двух частей:
первая часть - это фронтальная лабораторная работа, выполняя которую обучающиеся практически добывают знания и выясняют два важнейших назначения диафрагмы фотоаппарата:
а) регулирование количества светового потока, пропускаемого диафрагмой на матрицу цифровой фотокамеры для осуществления съемок в условиях разной освещенности объектов;
б) изменение глубины резкости фотоаппарата путем изменения величины диафрагмы;
во второй части работы учащиеся осмысливают результаты проведенных лабораторных экспериментов первой части, дают им научное (физическое) объяснение и выясняют возможности их практического применения.
4.Полное описание разработки:
На конкурс предлагается разработка нестандартной двухчасовой практической работы «Выяснение зависимости яркости изображения и глубины резкости объектива фотоаппарата от величины диафрагмы», которую автор использует на занятиях творческого объединения «Цифра» (кружок цифровой фотографии). Работа представлена по шестой номинации.
Разработка является продуктом многолетних творческих дерзаний автора как учителя физики (стаж 35 лет), с одной стороны, и руководителя фотокружка (стаж 8 лет) и фотографа- любителя («стаж» 41 год), с другой:
как учитель физики, автор стремится всесторонне демонстрировать обучающимся широкое практическое применение законов физики в жизни, в технике;
с другой стороны, как фотограф с большим опытом, автор убежден: для достижения своих творческих замыслов фотографу необходимо уметь грамотно манипулировать величиной диафрагмы и выдержки в зависимости от внешних условий съемки. Поэтому на занятиях фотокружка автор приучает своих воспитанников творчески пользоваться ручными настройками диафрагмы и выдержки, а автоматический режим использовать только при экстренной съемке.
Так в результате гармоничной интеграции физики и техники фотографирования «родилась» в дополнительной образовательной программе автора предлагаемая ниже практическая работа, опирающаяся на общие знания и умения учащихся по физике и состоящая из двух частей:
первая часть - это фронтальная лабораторная работа, выполняя которую обучающиеся практически добывают знания и выясняют два важнейших назначения диафрагмы фотоаппарата:
а) регулирование количества светового потока, пропускаемого диафрагмой на матрицу цифровой фотокамеры для осуществления съемок в условиях разной освещенности объектов;
б) изменение глубины резкости фотоаппарата путем изменения величины диафрагмы;
во второй части работы учащиеся, выполняя предложенные педагогом задания и отвечая на контрольные вопросы, осмысливают результаты проведенных лабораторных экспериментов первой части, дают им научное (физическое) объяснение и выясняют возможности их практического применения.
Каждая часть работы рассчитана на 1 час, и таким образом, общий объем работы составляет 2 часа, что гармонично вписывается в проводимые автором двухчасовые занятия кружка (двухчасовые занятия по 1 разу в неделю, итого 68 часов в год). Чтобы занятие не показалось для Читателя «оборванным», автор считает целесообразным представить на конкурс обе части занятия.
Необходимо отметить, что для осознанного выполнения кружковцами данной работы в рабочей программе автора перед этим предусмотрено выполнение лабораторной работы «Получение изображения при помощи собирающей линзы», а также изучение вопросов:
общего устройства цифрового фотоаппарата и принципа его работы; назначения, устройства и принципа работы объектива фотоаппарата, его диафрагмы; глубины резкости объектива. Поэтому учащиеся уже подготовлены к сознательному выполнению предлагаемой работы, даже если некоторые из них еще не успели изучить по физике тему «Линзы» (а такие учащиеся среди кружковцев имеются, потому что дополнительная образовательная программа автора рассчитана на разновозрастную группу учащихся 7-9 классов). Группа разновозрастная, т.к. в условиях нашей школы, когда классы небольшие и без параллелей, нет возможности набрать полную группу одного возраста.
Выполнив данную работу, учащиеся выясняют, что величина диафрагмы существенно влияет на яркость получаемого на матрице фотоаппарата изображения и глубину резкости объектива.
Но автору разработки, как учителю физики, еще более ценно то, что школьники на занятии убеждаются: действие диафрагмы фотоаппарата полностью основано на изучаемых в школе законах физики. В настоящее время, когда из-за сокращения в школе количества часов физики снижается практическая направленность уроков физики, такие занятия особенно актуальны тем, что помогают учащимся лучше понять тесную взаимосвязь физической теории с практикой.
А с «фотографической» точки зрения выполнение данной работы особо актуально для воспитания творческого отношения к фотосъемкам, ибо не секрет, что с появлением современных фотоаппаратов резко возросло количество «фотографов» (заостряю внимание Читателя, фотографов в кавычках!!!), «бессмысленно нажимающих на спусковую кнопку затвора полностью автоматического фотоаппарата и получающих при этом средне-серые сюжеты»*.
Ценны такого рода занятия фотокружка еще и тем, что они учат воспитанников разбираться в огромном море современных фотоаппаратов и подводят к осознанному выбору ими именно «своего» фотоаппарата.
В заключение необходимо отметить, что возможность ручной или автоматической установки величины диафрагмы - не единственная возможность для применения творческих замыслов фотографом и только один из критериев при выборе фотоаппарата. В программе автора предусмотрены и другие практические и лабораторные работы собственной находки, убедительно демонстрирующие роль и значение других устройств фотокамеры, но это уже выходит за рамки данной разработки.
*Голубова Е.А., Тарасенко Н.Н., Тарасенко Ю.С., «Сам себе фотограф», Ростов- на Дону: «Феникс», 2002.
Сценарий проведения занятия по теме
«Выяснение зависимости яркости изображения и глубины резкости объектива фотоаппарата от величины диафрагмы».
Цели занятия: 1) выяснить, как яркость изображения предмета на матрице цифрового фотоаппарата зависит от величины диафрагмы объектива;
2) выяснить зависимость глубины резкости объектива фотоаппарата от величины диафрагмы (от диафрагменного числа);
3)полученным знаниям найти творческое применение в практической фотосъемке.
Оборудование, приборы и материалы к занятию:
1)для учителя: действующий макет диафрагмы фотоаппарата; мультимедийный проектор с экраном; карточки с подсказками к практическим работам;
2)на столах учащихся: собирающая линза на подставке; экран из стандартного набора по геометрической оптике из кабинета физики (назовем его для краткости стандартный экран); лампочка 6,3В на подставке; выпрямитель на 4В; соединительные провода; выключатель; измерительная лента; самодельные экраны на подставке с отверстиями разного диаметра: равным диаметру линзы, 1/2 диаметра и 1/4 диаметра линзы; дидактический материал: инструкция по ОТ и ТБ к лабораторной работе; инструкция в виде книжечки по выполнению лабораторной работы.
Первая часть занятия (45 мин.)
Ход занятия.
1.Организационный момент (3мин): комплектование пар.
Работу учащиеся выполняют парами. Т.к. состав группы разновозрастный (имеются учащиеся 7-9 классов), то разброс в уровне подготовленности учащихся шире, чем в обычном классе, поэтому педагог должен особо тщательно подходить к подбору пар. Автор разработки, кроме кружка, со всеми членами кружка ведет уроки физики, поэтому кружковцев знает хорошо, и проблем с составлением пар не возникает. Пары подбираются по симпатиям, с учетом обучаемости и работоспособности, а также по принципу «теоретик с практиком», «слабый с сильным», что способствует их взаимному обучению.
2.Инструктаж по охране труда и ТБ (2 мин.)
Лабораторные и практические работы начинаются с инструктажа по охране труда и технике безопасности. К каждой такой работе у автора имеются напечатанные на листочках инструкции в расчете на каждую парту (см. приложение №2).
3.Знакомство с инструкцией по выполнению работы и выполнение работы (33 мин).
Для облегчения и ускорения выполнения работы автором подготовлены инструкции в виде книжечек, они лежат на столах обучающихся. Работу школьники выполняют пошагово, согласно инструкции. Благодаря этому освобождается время педагога для индивидуальной работы с отдельными парами - с теми, кто затрудняется в самостоятельном выполнении. Учащиеся записывают в рабочей тетради название работы, цель, оборудование, схему опыта, результаты и выводы по работе.
Инструкция по выполнению лабораторной работы
«Выяснение зависимости яркости изображения и глубины резкости объектива фотоаппарата от величины диафрагмы».
Цели работы: 1) выяснить, как яркость изображения предмета на матрице цифрового фотоаппарата зависит от величины диафрагмы объектива;
2) выяснить зависимость глубины резкости объектива фотоаппарата от величины диафрагмы (от диафрагменного числа);
Оборудование: собирающая линза на подставке; экран из стандартного набора по геометрической оптике из кабинета физики (назовем его для краткости стандартный экран); лампочка 6,3В на подставке; выпрямитель; соединительные провода; выключатель; измерительная лента; самодельные экраны на подставке с отверстиями разного диаметра: равным диаметру линзы, 1/2 диаметра и 1/4 диаметра линзы.
Порядок выполнения работы.
1. Соберите электрическую цепь, последовательно соединив выпрямитель, ключ, лампочку.
2.Расположите приборы на столе вдоль одной прямой в следующем порядке: лампочка на подставке, линза, стандартный экран. Проследите, чтобы нить накала лампочки располагалась на уровне оптического центра линзы.
3.Включите электрическую цепь, и, перемещая друг относительно друга лампочку, линзу и стандартный экран, получите на экране действительное, обратное, уменьшенное изображение лампочки. Добейтесь его резкости.
4.Поочередно помещайте экраны с отверстиями разного размера между линзой и стандартным экраном и наблюдайте, как меняется при этом яркость изображения (рис.1,2,3 в приложении №3).
5.Сделайте вывод, как размер отверстия в экране влияет на яркость изображения.
(Проделав опыты с экранами, имеющими отверстия разного диаметра, обучающиеся приходят к ВЫВОДу 1: чем больше размер отверстия на экране, тем ярче изображение). При правильной постановке опытов это хорошо заметно.

6.Повторите пункт 3,затем поместите экран с самым большим отверстием между линзой и экраном, и, не меняя положения лампочки относительно линзы, плавно приближайте и удаляйте стандартный экран.
7.Наблюдайте, как при этом изменяется резкость изображения лампочки на стандартном экране.
8.Повторите пункты 6 и 7 с экранами, имеющими отверстия других размеров, и тоже наблюдайте изменение резкости изображения лампочки при приближении и удалении стандартного экрана.
Обратите внимание, в каком случае лучше сохраняется резкость изображения лампочки даже при значительных диапазонах изменений расстояния стандартного экрана относительно линзы: при использовании экранов с большим отверстием или маленьким? Сделайте вывод.

(Выполнив пункты 6,7,8, учащиеся приходят к следующему ВЫВОДу 2: чем меньше размер отверстия на экране, тем при больших диапазонах изменений расстояний между экраном и линзой сохраняется резкость изображения лампочки на стандартном экране, т.е. чем меньше размер отверстия на экране, тем больше глубина резкости).
Рекомендация для педагогов: при выполнении работы необходимо обеспечить хорошее затемнение в кабинете!
4.Обобщение полученных результатов опытов,
«перенос» их на цифровой фотоаппарат и поиск возможностей применения вновь полученных знаний
для творческих фотосъемок (7 мин).
На предыдущих занятиях кружковцы уже знакомились с устройством и принципом действия фотоаппарата и его объектива с диафрагмой, изучали действие диафрагмы на макете, поэтому «перенос» вновь полученных знаний к цифровому фотоаппарату для них не представляет большую трудность. Уже в ходе выполнения лабораторной работы большинство из них для себя делают «сенсационное открытие» (для них это действительно радостное открытие!: экраны со щелью в лабораторной работе - это же не что иное, как имитация диафрагмы фотоаппарата!), поэтому с «переводом» ВЫВОДОВ 1 и 2 к цифровому фотоаппарату они справляются:
1)ВЫВОД 1: чем шире открыта диафрагма фотоаппарата (или чем меньше диафрагменное число фотоаппарата), тем ярче будет изображение на матрице цифровой камеры при прочих равных условиях;
2)ВЫВОД 2: чем больше величина диафрагмы фотоаппарата (или чем меньше диафрагменное число), тем меньше будет глубина резкости объектива фотоаппарата.
[Здесь необходимо отметить, что тем обучающимся, которые сами не сумели отождествить «экраны со щелью» с диафрагмой фотоаппарата, педагог, общаясь индивидуально в процессе выполнения учащимися лабораторной работы, помогает им в этом разобраться, используя для этого действующий макет диафрагмы].
В заключение занятия педагог задает 3 вопроса, которые способствуют поиску обучающимися возможностей творческого применения полученных знаний в практической фотосъемке.
Вопрос первый:
- как полученные зависимости применять при съемках объектов разной степени освещенности, чтобы получить кадры с нормальной яркостью?
Как правило, у учащихся ответ уже «созрел»:
- чтобы получить кадры с нормальной яркостью, при съемке слабо освещенных объектов диафрагму фотоаппарата необходимо увеличить, а при съемке ярких объектов, наоборот, уменьшить;
Второй вопрос педагога:
- какую диафрагму необходимо установить, (большую или маленькую), чтобы как ближние, так и дальние объекты съемки в кадре получились четкими и не «размывались»?
Ответ учащихся:
Для этого необходимо увеличить глубину резкости фотоаппарата. Это достигается уменьшением величины диафрагмы.
Третий вопрос:
- какую диафрагму необходимо установить, чтобы передние объекты получить четкими, а фон «расплывчатым»?
Ответ учащихся:
Чтобы передние объекты съемки получить четкими при «расплывчатом» заднем фоне, необходимо диафрагму открыть как можно шире, а объектив «навести» на передние объекты съемки.
Полученным с помощью лабораторной работы знаниям учащиеся далее дают теоретическое обоснование, творчески применив знания по физике. Для этого они выполняют практические задания по построению хода лучей в фотоаппарате и отвечают на контрольные вопросы. Это осуществляется во второй части занятия, после 10-минутного перерыва.
Вторая часть занятия (45мин)
Ход занятия.
1.Осмысление и научное объяснение проведенных экспериментов (40 мин).
Осмыслить обучающимся результаты проведенных экспериментов и дать им научное (физическое) объяснение помогают удачно подобранные педагогом 2 практических задания на построение хода лучей в фотоаппарате.
Задание 1:
Построением хода лучей через объектив фотоаппарата получите на матрице фотоаппарата изображение произвольной точки А объекта съемки и объясните влияние величины диафрагмы на яркость изображения.
Работа обучающихся над заданием 1:
При выполнении данного задания педагог считает наиболее целесообразной фронтальную форму организации учебной деятельности учащихся, потому что из собственного опыта знает: учащиеся 8-9 классов строить изображения в линзах уже научились на уроках физики. Некоторые затруднения у отдельных учащихся (в основном 7класса) возникают, как «увязать» в одно целое величину диафрагмы, ход лучей и яркость изображения.
Таким учащимся педагог оказывает дозированную помощь с учетом их индивидуальных особенностей. В помощь менее подготовленным педагог подключает также и учащихся с более высокими учебными возможностями. Вот подсказки для помощи разного уровня, заранее подготовленные педагогом на карточках:
1)яркость изображения на матрице определяется количеством световых лучей, прошедших через диафрагму и объектив, и попавших на матрицу;
2)чем шире открыта диафрагма, тем больше лучей проходит через объектив и попадает на матрицу;
Одним достаточно первой подсказки, некоторым приходится дать и вторую подсказку. А отдельным обучающимся (к ним, как правило, относятся учащиеся 7 класса, пока не изучавшие на уроках физики световые явления) педагог дает подготовленный заранее на листочках рисунок хода лучей в фотоаппарате, который учащиеся перечерчивают в свою тетрадь и по ней разбираются в прохождении лучей.
В конечном счете, все обучающиеся, но каждый своим путем, получают следующую схему хода лучей в фотоаппарате:

Научное объяснение кружковцев по первому заданию: уменьшение величины диафрагмы приводит к «отсеканию» части световых лучей, участвующих в «создании» на матрице изображения А1 произвольной точки А объекта съемки, что приводит к уменьшению яркости изображения.
Задание 2:
Построением хода лучей через объектив и диафрагму фотоаппарата объясните влияние величины диафрагмы на глубину резкости объектива фотоаппарата.
Для выполнения данного задания педагогом найдено интересное применение групповой формы организации учебной деятельности учащихся: группа кружковцев (а в группе 10-12 чел) разбивается на 3 подгруппы, по 3-4 человека, а само задание 2 «дробится» на 3 части. Каждой подгруппе педагог предлагает по одной такой части задания. Но «изюминка» в том, что «дробление» задания производится не простым делением общего большого задания на более мелкие части, а по иному принципу, именно: каждая подгруппа получает новое задание, являющееся частным случаем общего задания.
Каждая подгруппа выполняет свою часть задания, а учитель наблюдает и корректирует работу подгрупп и отдельных учащихся, после чего подгруппы обмениваются результатами своей работы, педагог эти результаты объединяет в один слайд и мультимедийным проектором «выводит» на экран (для этого у педагога заранее подготовлен нужный слайд). И вот тут-то все проясняется: обобщая частные случаи, учащиеся приходят к решению задания 2.

В первую подгруппу педагог набирает менее подготовленных кружковцев, тех, которые имели затруднения при выполнении задания 1, закрепляя за ними одного сильного консультанта, который в нужный момент оказывает подгруппе необходимую помощь. Этой подгруппе предлагается более легкое задание:
Фотоаппарат сфокусирован на некоторую точку А. Построением хода лучей в фотоаппарате получите изображение этой точки в двух случаях: а) при открытой диафрагме фотоаппарата и б) при частично закрытой диафрагме. Сделайте вывод о резкости изображения точки в этих случаях.

Работа первой подгруппы:
учащиеся при помощи консультанта приходят к выводу, что данное задание аналогично заданию 1, которое они уже выполняли, поэтому ход лучей в фотоаппарате строят довольно быстро:
б)
а)

Им остается сделать вывод о том, что изображение точки А в обоих случаях, т.е. независимо от величины диафрагмы, получается строго на матрице (т. А1), и поэтому оно в обоих случаях четкое.
Вторая и третья подгруппы образуются делением оставшихся кружковцев пополам на две равносильные подгруппы. Для них задания сложнее.
Задание второй подгруппе:
Фотоаппарат сфокусирован на некоторую точку А. Построением хода лучей в фотоаппарате получите изображение точки В, расположенной к объективу фотоаппарата ближе точки А. Построение сделайте для двух случаев: а) для открытой диафрагмы фотоаппарата и б) для частично закрытой диафрагмы. Сделайте вывод о резкости изображения точки в этих случаях.
Работа второй подгруппы над заданием:
Эта подгруппа более подготовлена, большинство из них изучали по физике темы «Линзы», «Построение изображения в линзе», поэтому рассуждениями приходят к выводу, что четкое изображение точки В, расположенной к объективу ближе, чем точка А, получится не на матрице, а дальше ее. А на матрице вместо точки получится небольшое «размытое пятно», причем размер этого пятна можно уменьшить, уменьшив величину диафрагмы.
б)
а)
А
А
В результате таких рассуждений получают следующую схему хода лучей в фотоаппарате:
И научное объяснение: изображение точек, расположенных к объективу ближе, чем сфокусированная точка А, получается в виде «размытого» пятна. Чем меньше величина диафрагмы, тем меньше размер этого пятна. Можно настолько уменьшить величину диафрагмы, что пятно практически превратится в точку, а это означает не что иное, как: изображение точки В при маленькой диафрагме станет четким!!!. Удивительно!!!
[Последний факт для большинства кружковцев является удивительным открытием!].
Задание третьей подгруппе:
Фотоаппарат сфокусирован на некоторую точку А. Построением хода лучей в фотоаппарате получите изображение точки С, расположенной к объективу фотоаппарата дальше точки А. Построение сделайте для двух случаев: а) для открытой диафрагмы фотоаппарата и б) для частично закрытой диафрагмы. Сделайте вывод о резкости изображения точки в этих случаях.
Работа третьей подгруппы над заданием:
Обучающиеся этой подгруппы в ходе совместных рассуждений приходят к выводу, что четкое изображение точки С, расположенной к объективу дальше, чем точка А, получится не на матрице, а перед ней. А на матрице вместо точки получится небольшое «размытое» пятно, причем размер этого пятна можно уменьшить, уменьшив величину диафрагмы.
А
А
В результате таких рассуждений учащиеся строят следующую схему хода лучей в фотоаппарате:
б)
а)

И научное объяснение: изображение точек, расположенных к объективу дальше, чем сфокусированная точка А, получается в виде «размытого» пятна. Чем меньше величина диафрагмы, тем меньше размер этого пятна. Можно настолько уменьшить величину диафрагмы, что пятно практически превратится в точку, а это значит: изображение точки С при маленькой диафрагме тоже станет четким!!! Удивительно!!!
[Последний факт для большинства кружковцев является открытием!].
Когда все подгруппы группы выполнили задание, они обмениваются своими результатами и выводами, а педагог выводит схему хода лучей, выполненных всеми тремя подгруппами, на экран мультимедийного проектора в виде одного слайда (этот слайд педагогом заранее подготовлен):
III подгруппа
II подгруппа
а)
б)

III подгруппа
I подгруппа
II подгруппа

Рассматривая еще раз схему хода лучей в разных случаях, учащиеся делают вывод: уменьшая отверстие диафрагмы, можно добиться того, что изображения точек, находящихся на разных расстояниях от объектива фотоаппарата (как дальше, так и ближе точки фокусировки), будут достаточно четкими и резкими, т.е. увеличится глубина резкости.
Применение групповой формы учебной деятельности на данном этапе позволило педагогу сэкономить время, учащиеся тоже в выигрыше, они «...сплачиваются между собой, приучаются действовать согласованно и слаженно, испытывая чувство коллективной ответственности за результаты совместной деятельности. Групповая форма организации работы, кроме того, делает явными усилия и способности каждого, что является естественным стимулом здорового творческого соревнования» (Урок в восьмилетней школе/Под ред. М.А. Данилова. М., 1966. С. 184).
2. Контроль усвоения материала и закрепление вновь полученных знаний (3 мин).
В конце занятия педагог задает учащимся 2 вопроса для закрепления вновь полученных знаний и проверки умения их использовать в новой ситуации.
Вопрос 1:
1.Имеются 2 фотографии одного и того же объекта, полученные при разных значениях диафрагмы фотоаппарата. В каком из случаев (при прочих равных условиях съемки) диафрагма больше? (примечание: фотографии проецируются на экран мультимедийным проектором):

(Ответ: левая фотография получена при меньшей диафрагме объектива фотоаппарата, поэтому при прочих равных условиях съемки ее яркость меньше).
Вопрос 2:
2. Имеются 2 фотографии, полученные при разных значениях диафрагмы фотоаппарата. В каком из случаев (при прочих равных условиях съемки) диафрагма больше? (примечание: фотографии проецируются на экран мультимедийным проектором):

(Ответ: левая фотография получена при меньшей диафрагме объектива фотоаппарата, поэтому на ней достаточно четкими отпечатались как ближние, так и дальние объекты съемки, т.е. глубина резкости объектива на левой фотографии больше, чем на правой, благодаря съемке с малой диафрагмой).
3.Подведение итогов занятия, рефлексия (2 мин).
Хотя учащимся на занятиях в кружке отметки не ставятся, но оценить работу каждого хотя бы в нескольких словах крайне важно: дети этого ждут. Автор на это всегда находит время и способ, а для рефлексии дети отвечают на вопросы типа:
-Вы устали? -А какая это усталость: приятная или нет?
-Что вам понравилось на занятии особо? -В какой момент вам было труднее?
-Почему?