Автоматизированная школьная обсерватория

 

Царьков И.С.

 к.т.н., учитель физики и астрономии школы №29 г.Подольск

 

История вопроса

В настоящее время, несмотря на гигантскую революцию, происходящую  в астрономии, отношение к этой, пожалуй, самой мировозренческой науке стало просто безобразным, и как результат в умах детей свободная ниша занята средневековым мракобесием в виде астрологии, и человек 21 века опять начинает думать, что Вселенная была создана за шесть дней. А мы при этом еще стыдливо отворачиваем в сторону глаза, и боимся чтобы, нас не дай бог, не обвинили в атеизме. А сложилось это несерьезное отношение к школьному курсу астрономии еще в советское время, как со стороны преподавателей, так и со стороны учеников.

Да, есть школы, в которых преподается астрономия, и даже на хорошем уровне. Такая ситуация реально связана с конкретными учителями энтузиастами, работающими как правило при поддержке директора школы, и для нашего образования является не правилом, а исключением, на котором к сожалению астрономическое образованием в масштабах страны построить невозможно. Вот об одном таком исключении я и хочу вам рассказать. Случилось это исключение в 29 общеобразовательной школе славного города Подольска, что расположился в 12 километрах к югу от столицы на берегах реки Пахры.

Школа, о которой идет речь, очень не похожа на большинство убогих типовых проектов, и связано это с тем, что должна она была быть не школой, а дворцом научно-технического творчества молодежи. Но так как строительство его совпало с лихими девяностыми, и простоял дворец в виде долгостроя 10 лет, то в 2000 году он распахнул свои двери уже как средняя школа.  Расположена она в самом живописном микрорайоне города рядом с имением Ивановское и недалеко от знаменитого имения Дубровицы с уникальной церковью Знамения. В 2007 году школе было присвоено имя Петра Ивановича Забродина, почетного гражданина города Подольска, человека, построившего эту школу. Школа прекрасно оснащена технически, за что ее называют школой 21 века.

По проекту вместо зеленого купола башни должен был располагаться 6-метровый раздвижной купол обсерватории Дворца научно-технического творчества молодежи. И, как отголосок этого замысла, в плане развития города на 2000 - 2004 годы появилась строка о строительстве в школе 29, правда почему-то, планетария с финансированием в 4 млн.руб. Этот план развития попался мне в руки, когда я в 2001 году пришел работать в эту школу. Этот официальный документ и был первым толчком к созданию школьной обсерватории. Конечно, городские власти ни рубля не дали, а только крутили пальцем возле виска, когда я им задавал вопросы о выполнении принятого ими же закона. Но это не могло помешать замыслу, так как идея уже овладела массами.

Проект нам бесплатно выполнили в институте «Подольскгражданпроект». Деньги на телескоп собирали всем миром. Купол покупали в США. Для этого пришлось создать общественную организацию «Подольский астрономический клуб» и открыть в ней валютный счет.

 

Цели и задачи обсерватории

В школе в течение семи лет читается мультимедийный экспериментальный курс астрономии. И, конечно, без реальных наблюдений мы очень обедняем и сам курс, и интерес учащихся к предмету. Благодаря современным техническим средствам появилась возможность автоматизировать этап наблюдения и включить его в той или иной степени в учебный процесс. Поэтому  возникла идея создания  астрономического комплекса, оснащенного современными компьютерными средствами для управления астрономическими инструментами и приборами в обсерватории по локальной сети через удаленный доступ, т.е. из любой школьной аудитории.

     Создавая астрономический комплекс, коллектив школы ставил перед собой следующие образовательные и воспитательные цели:

1. В сфере образования - используя последние достижения науки и техники, дать ученикам, представление о современной картине мира, показать, как наука помогает нам познавать этот мир. Повысить престиж фундаментальных наук: математики, физики, химии. Научить использовать достижения научно-технического прогресса – современную технику, не только на кухне, дать первые навыки исследовательской работы.

2. В сфере воспитания – показать, что для научной деятельности необходимы глубокие и всесторонние знания, заразить учеников страстью к познанию нового, дать возможность самим прикоснуться к тайнам мироздания, привить потребность  к интеллектуальному труду, уважение к науке.

 Особенностью школьного комплекса является то, что он является еще и учебной аудиторией. Поэтому наблюдать астрономические явления должны сразу несколько человек. И это необходимо делать в режиме реального времени с комментариями учителя или специалиста. Для этого мы включили в состав оборудования мультимедийные средства и средства отображения информации в реальном времени, такие как фото и видео-цифровые камеры. Наличие в составе комплекса аппаратуры автоматизированного купола,  позволяет использовать оборудование во много раз эффективней, значительно повышает качество наблюдений и дает возможность полноценно вести учебный процесс и заниматься  исследовательской работой в течение всего года.

 

Школьный астрономический комплекс

Астрономический комплекс состоит из трех частей: площадки для наблюдений, лекционной аудитории и обсерватории. Площадка для наблюдений находится на крыше школьного здания, выход на нее расположен рядом с лекционной аудиторией, что позволяет после прослушивания теоретического материала сразу переходить к наблюдению звездного неба. Астрономическая площадка в основном используется для знакомства со звездным небом учащихся младших классов в рамках курса естествознания, а также для обучения школьников пользованию биноклем и наблюдения с его помощью небесных объектов. Кроме того, для наблюдений может использоваться балкон, окружающий лекционную аудиторию. Именно с него производились первые наблюдения, пока не была построена обсерватория.

Лекционная аудитория представляет собой учебную аудиторию, оборудованную мультимедийным проектором и компьютером, позволяющими как проводить занятия в режиме компьютерных презентаций, так и наблюдать небесные объекты на экране в режиме реального времени. Информация на экран может поступать непосредственно с телескопа по локальной школьной компьютерной сети. Управление телескопом при этом может осуществляться как из обсерватории, так и с компьютера лекционной аудитории или с любого школьного компьютера, включенного в локальную школьную сеть.

Сферический потолок лекционной аудитории представляет картину звездного неба над Подольском на 12 часов ночи 25 декабря 2000 г, а пол – поверхность обратной стороны Луны. Звезды изготовлены из флуоресцирующей пленки с учетом звездной величины. Сначала ученики знакомятся с созвездиями в аудитории, а потом поднимаются на наблюдательную площадку.

По ходу работы мы отказались от механического планетария, который был здесь установлен при строительстве школы. В аудитории используется компьютерный планетарий. Современные компьютерные планетарии, такие как Redshift или Sky, позволяют проводить знакомство со звездным небом для учащихся как старших, так и младших классов. Знакомство со звездным небом с помощью компьютерного планетария, которое можно тут же дополнить реальными наблюдениями, открывает огромные возможности для изучения астрономии и понимания процессов, происходящих во Вселенной. Звездные карты, фото и видео галереи, многочисленные анимации, входящие в состав таких программ, превращают этот сложный для изучения предмет в увлекательное и захватывающее занятие. Компьютерные планетарии позволяют совершать виртуальные путешествия к различным объектам нашей солнечной системы, посещать другие планеты, их спутники, и многое другое.

Обсерватория расположена на крыше здания рядом с площадкой для наблюдений, и представляет собой помещение, предназначенное как для проведения учебных наблюдений, так и для исследовательских работ учащихся. Обсерватория перекрыта автоматизированным куполом,  оснащенным пошаговыми двигателями, которые позволяют открывать заслонку и поворачивать купол синхронно с движениями трубы телескопа. Управление телескопом и куполом выполняется с компьютера, установленного в непосредственной близости от них внутри обсерватории.

В составе обсерватории имеются два телескопа – «большой» и «малый».  «Большой» телескоп фирмы Meade, модель LX-90. Телескоп создан по схеме Шмидта-Кассегрена, имеет апертуру 8 дюймов, и может дать 500 кратное увеличение. Телескоп оборудован двумя пошаговыми двигателями, имеет свой внутренний компьютер с базой данных на 30000 объектов, алгоритмами расчета эфемерид планет, Солнца, Луны, астероидов и спутников. Телескоп оборудован электрофокусером, позволяющим через компьютер производить фокусировку изображения.

«Малый» телескоп – солнечный фирмы «Coronado» модель PST. Благодаря узкополосному фильтру 0.5 ангстрема мы можем наблюдать солнечную атмосферу и все явления в ней происходящие. Солнечный телескоп установлен соосно основному, что позволяет управлять сразу двумя телескопами. Для регистрации изображений в обсерватории имеется одна цифровая  фотокамера и одна аналоговая видеокамера, непосредственно соединенные с компьютером обсерватории, и посылающие через него изображение в школьную локальную сеть. Управление аппаратурой осуществляется следующим образом: после включения и настройки телескопа,  происходит передача управления телескопом компьютеру, а именно программе SKY – компьютерный планетарий. Аппаратно телескоп соединен с компьютером через порт USB. Наведение на объект наблюдения выполняется с помощью мыши на экране монитора, либо численным заданием координат объекта.

Изображения объекта на экране монитора или на экране проектора получается от цифровых устройств: фото или видео камеры. Изображение от цифровой фотокамеры обрабатывается пакетом программ Autostar. После того как объект появился на экране монитора, происходит автоматическая настройка параметров камеры, таких как экспозиция, яркость, контрастность и т.д. Программа SKY при этом позволяет произвести фокусировку объекта и корректировку координат для настройки фотокамеры на нужную точку неба. Пакет Autostar позволяет осуществлять автогидирование объекта наблюдения. Получение цифровых фотографий выполняется по различным алгоритмам, которые выбираются в зависимости от наблюдаемого объекта, атмосферных условий и т.д.

Важным свойством всего комплекса является то, что он может управляться от внешнего компьютера. Один такой управляющий компьютер расположен рядом с телескопом и используется в основном для проведения исследовательских работ. Кроме того, управление телескопом и куполом может осуществляться в режиме удаленного доступа с любого компьютера, включенного в локальную школьную сеть. В частности, и с компьютера, установленного в кабинете физики. При этом на экране проектора кабинета физики могут наблюдаться небесные объекты в режиме реального времени. В качестве такого примера дана фотография Солнца. На ней вы видите  протуберанец на нашем светиле. Это явление наблюдали в актовом зале на большом экране 200 человек, которые приехали в нашу школу на конференцию. Изображение передавалось в режиме реального времени по школьной беспроводной локальной сети непосредственно с цифровой камеры расположенной на окуляре солнечного телескопа, а управление всем астрономическим комплексом велось  с компьютера, установленного в актовом зале.

Конечно, мы в своей учебной работе не отказываемся от визуальных наблюдений в телескоп. Ни одна картинка не сможет заменить реального изображения небесного объекта в окуляре телескопа. Но при этом понимаем, что только цифровые средства регистрации изображения позволяют зафиксировать слабые объекты глубокого космоса, такие как галактики или туманности, недоступные наблюдению глазом. И даже такой скромный инструмент, как восьмидюймовый телескоп, при соответствующих средствах регистрации способен открыть многие тайны Вселенной. Пока результаты наших наблюдений более чем скромные. Основная беда – это нехватка времени, но в планов у нас громадье.

 

Программа работ обсерватории.

Программа работы обсерватории представляет собой пять самостоятельных разделов:

1. Учебная работа с учениками, как в рамках учебного плана для 5 и 11 классов, так  и в рамках факультативов с наблюдениями постоянных объектов и текущих интересных астрономических явлений.

2. Учебная работа с учащимися других школ города по заранее согласованной программе.

3. Научно-исследовательская работа учащихся школы по проектам SETI (поиски внеземного разума) и Эйнштейн-home (обнаружение гравитационных волн) с использованием астрономических компьютеров. Изучение динамики солнечных пятен. Измерение характеристик переменных звезд с передачей данных в официальные научные каталоги и др.

4. Участие в астрономических форумах, конференциях, коллективных наблюдениях редких явлений и т.д.

5. Работа «Подольского астрономического клуба» под эгидой школьной обсерватории. Субботний астролекторий для всех желающих, проведение регулярных наблюдений.

 

Познавательно-игровая программа

«Колонизация Солнечной системы»

Надо признать, что пока в школе не сложилось астрономическое сообщество. Конечно, в каждой параллели есть несколько человек, которые интересуются астрономией, но они заканчивают школу, и традиции обрываются. Чтобы это не происходило, мы планируем с этого года ввести новую познавательно-игровую программу «Колонизация Солнечной системы» для учащихся 7-8 классов. Целью этой программы является игровая подготовка землян для жизни на Луне и Марсе. Подготовка проводится по целому ряду дисциплин: астрономия, физика, математика, геология, психология, медицина, физическая подготовка, управление космическими аппаратами, ракетомоделирование. В основу положена уфимская программа «Большое космическое путешествие» Творческого Объединения "Росстань". Мы надеемся, что такой подход позволит нам на основе создания своеобразной клубной системы заложить в школе астрономические традиции для будущих поколений учащихся.