Increasing efficiency of physics education through elective courses of “Physics Fundamentals of Information Security”

Nikitin Petr Vladimirovich ORCID: 0000-0001-8866-5610 PhD in Pedagogy Associate Professor, Department of Data Analysis and Machine Learning 125993, Russia, Moscow, 4th veshnyakovsky str., 4, office building 2 pvnikitin@fa.ru Other publications by this author

Все большее количество направлений развития современного общества в своей основе имеют физические законы и процессы, среди них постоянно развивающиеся радиотехнические специальности, информационные технологии, инфокоммуникационные системы и технологии, информационная безопасность, биотехнические системы и другие ^[1].

Подготовка данных направлений предъявляет все большие требования к знаниям курса физики у выпускников школ. Результаты государственной итоговой аттестации показывают невысокие баллы, которые получают обучающиеся. Это не случайно, поскольку физика была и остается одним из самых сложных предметов школьного образования. Отношение к физике в школе формируется с первых лет начала изучения и, к сожалению, с каждым годом отмечается понижение интереса и мотивации к ее изучению^[2].

В связи с этим можно отметить противоречие между возрастающими требованиями к знаниям выпускников по физике и отсутствием мотивации к более глубокому ее изучению.

Решение данной проблемы должно быть разноплановым – это могут быть мероприятия по профориентации, кружки и факультативы, занятия с привлечением преподавателей вузов, проектная деятельность, конкурсы и олимпиады и т.д. Рассмотрим возможность межпредметного факультатива для повышения мотивации изучения курса физики в школе. За основу факультатива были взяты вопросы прикладной значимости физики в жизни, вопросы информационной безопасности с точки зрения физики, как физика и физические явления объясняют современные достижения нашей действительности, например, принцип действия блокиратора сотовой связи.

В соответствии с этим был разработан факультативный курс «Физические основы информационной безопасности» для обучающихся 10-11 классов. В данном курсе рассматриваются физические основы каналов утечки информации, рассмотрены методы, средства защиты и похищения информации с точки зрения физики ^{[3, 4]}.

Программа факультативного курса рассчитана на 36 часов. Предусматривается проведение лекционных занятий - 8 часов и практических занятий – 28 часов.

Целью данного факультативного курса «Физические основы информационной безопасности» является рассмотрение и объяснение физических основы информационной безопасности на доступном языке обучающимся старших классов средней школы. Изучение курса предполагает решение следующих задач:

− Рассмотреть классификацию и физические основы каналов утечки информации;

− Выяснить какие средства похищения и защиты информации существуют на каждый канал утечки информации;

− Рассмотреть принцип действия средств похищения и защиты информации с точки зрения физики;

− Прорешать задачи на каждый канал утечки информации.

Факультативный курс направлен на формирование у обучающихся следующих конкретных умений:

− классифицировать каналы утечки информации;

− сопоставлять средства похищения и защиты информации на каждый канал утечки информации;

− описывать физические основы каналов утечки информации;

− описывать результаты наблюдений;

− выдвигать гипотезы и делать выводы.

Одной из важных задач является задача формирования интереса и повышение мотивации к изучению физики, подготовка обучающихся к государственной итоговой аттестации по физике и к выбору специальностей, связанных с физическими основами.

Особое внимание уделяется содержание факультативного курса «Физические основы информационной безопасности». Факультатив является межпредметным и аккумулирует в себе вопросы из разделов курса физики и информатики и информационно-коммуникационные технологии, связанных с направлением информационной безопасности, которое в современном технологическом обществе является очень актуальным и важным, и требует постоянного развития и совершенствования ^[5]. В рамках курса рассматриваются вопросы, имеющие в своей основе теоретические и технологические основы из курса физики и информатики. Содержание курса состоит из следующих теоретических вопросов информационной безопасности ^[6]:

Тема 1. Классификация технических каналов утечки информации ^[7].

Тема 2. Физические основы акустического канала утечки информации.

− Прямой акустический канал;

− Акустовибрационный канал;

− Акусторадиоэлектронный канал;

Тема 3. Физические основы электрического канала утечки информации.

− Утечка из электрических цепей;

− Утечка по цепям электропитания;

− Утечка по цепям заземления.

Тема 4. Физические основы оптического канала утечки информации.

− Визуально – оптический канал;

− Фототелеканал;

− Волоконно – оптический канал.

Тема 5. Физические основы радиоканалов утечки информации.

− Перехват сигналов связанных радиостанций;

− Перехват радиосигналов;

− Радиомаяки.

Тема 6. Физические основы каналов утечки информации за счет побочных электро-магнитных излучений и наводок (ПЭМИН).

Тема 7. Средства похищения и защиты информации.

− Многофункциональный поисковый прибор;

− Обнаружитель скрытых видеокамер по оптическому признаку c лазерной подсветкой;

− Нелинейный локатор ^{[8, 9, 10]}.

Особое место отводится лабораторным работам, на которых рассматриваются практические основы информационной безопасности. Темы семи лабораторных работ приведены ниже ^{[11, 12]}.

Лабораторная работа №1. «Поиск каналов утечки речевой информации».

Лабораторная работа №2. «Технические средства обнаружения, локализации и нейтрализации радиоизлучающих специальных технических средств негласного получения информации».

Лабораторная работа №3. «Технические средства обнаружения, локализации и нейтрализации специальных технических средств негласного получения информации, использующих силовые линии сети переменного тока и линии систем охранной (пожарной) сигнализации».

Лабораторная работа №4. «Поиск каналов утечки информации c помощью нелинейного локатора. Поиск и обнаружение радиозакладок в помещении».

Лабораторная работа №5. «Обнаружение приборов наблюдения и оптических приборов».

Лабораторная работа №6. «Поиск каналов утечки информации c помощью индикатора поля. Поиск и обнаружение радиозакладок в помещении».

Лабораторная работа №7. «Исследование виброакустического канала утечки информации».

Содержание факультатива основывается на темах, которые изучаются на уроках физики ^{[13, 14, 15, 16]}. При рассмотрении физических основ акустического канала утечки информации, можно выделить следующие темы, которые изучаются в старшей школе: «Волны», «Звук». В разделе молекулярная физика «Механические волны. Звук» выделяются следующие темы: «Волновые явления», «Длина волны. Скорость распространения волны», «Звуковые волны», «Скорость звука». «Механические волны.

При изучении физических основ электрического канала утечки информации, можно выделить раздел физики «Электромагнитные волны», который изучается в старшей школе, включающий следующие темы: «Электромагнитная волна», «Излучение электромагнитных волн», «Свойства электромагнитных волн». Понятие электромагнитной волны начинают с того, что рассматривают связь переменного электрического и переменного магнитного полей. Также рассматривают вибратор Герца, который использовался для получения электромагнитных волн.

Изучаемые в старшей школе темы «Отражение света», «Преломление света», «Дисперсия света», «Дифракция света» необходимы для рассмотрения на факультативе оптического канала утечки информации.

В старшей школе на занятиях по физике изучаются темы: «Принципы радиосвязи», «Распространение радиоволн», «Радиолокация», именно эти вопросы необходимы для рассмотрения физических основ радиоканалов утечки информации. Изучение принципов радиосвязи начинается с введения понятия радиосвязь, что значит «передача и прием информации посредством электромагнитных волн в широком диапазоне – от 3∙〖10〗4 до 3∙〖10〗11 Гц» ^[21]. Далее рассматривается схема радиосвязи и объясняется как происходит передача и прием информации.

Факультативный курс основывается на разделах курса физики, изучаемые в старшей школе, это и показал выполненный анализ, и, следовательно, имеет уже подготовленную теоретическую базу.

Опытно-экспериментальная апробация факультативного курса «Физические основы информационной безопасности» проводилась у обучающихся 10-11 классов школ Республики Марий Эл.

Занятия направлены на формирование у обучающихся углубленных знаний по рассматриваемым разделам физики и информатики и информационно-коммуникационные технологии, в частности вопросов информационной безопасности и их физических основ. Методически целесообразно проводить факультативный курс «Физические основы информационной безопасности» с применением метода проблемного обучения, который позволит познакомиться с различными каналами утечки информации, критически их осмыслить и объяснить с точки зрения физики ^[17].

Физический материал позволяет вызвать много проблемных ситуаций, контролировать познавательную деятельность учеников, учить их учиться. Известный психолог Л. С. Выготский доказал «обучение лишь тогда будет успешным, когда оно будет не только ориентироваться на уже достигнутый уровень развития, но и немного «забегать вперед», предъявляя к логическому мышлению несколько завышенные требования» ^[18]. Необходимо добиться того, чтобы ученики не получали знания в готовом виде, а пытались приобрести их самостоятельно.

Проблемное обучение отличается тем, что учитель создает определенную познавательную ситуацию, помогает ученикам выделить учебную проблему, понять ее и «принять»; организует учеников для самостоятельного овладения новым объемом знаний, необходимых для решения проблемы; предлагает широкий спектр способов использования полученных знаний на практике ^{[19, 20]}.

Применение метода проблемного обучения, таким образом, позволяет обеспечить надежность усвоения знаний, сделать процесс обучения более значимым и увлекательным, научить использованию знаний в практической деятельности, развивать аналитическое, логическое мышление учеников, способствовать креативному росту учителя, формировать ученика как активного субъекта познания ^[21].

При проведении одного из занятий «Блокираторы связи» по данному факультативу с применением метода проблемного обучения. Учащимся предлагается назвать, например, формулу Лапласа для нахождения скорости звука. Причем кто сделает это быстрее, тот получит оценку «отлично». Так как у всех ребят на сегодняшний день есть телефоны с выходом в сеть, то скорее всего они захотят найти информацию в интернете. Тем временем в аудитории включаем блокиратор сотовой связи ^{[22, 23]}.

Главной функцией стационарных подавителей связи стала защита от самых изощрённых устройств прослушивания (начиная с сотовых телефонов и заканчивая беспроводными микрофонами и видеокамерами) ^[24]. Ещё одной, не менее важной задачей данного устройства, является формирование рабочей атмосферы в офисах компаний, предотвращение появления отвлекающих факторов во время проведения совещаний, переговоров, бизнес - встреч (прибор блокирует входящие/исходящие звонки, а также смс - сообщения). Стационарные подавители связи, зачастую используется в кинозалах, при показах представлений в театрах, в церквях, мечетях, храмах и во многих образовательных и исправительных учреждениях, то есть в местах, где использование мобильных телефонов не желательно или же вообще запрещено ^[24].

Таким образом, у обучающихся не получится посмотреть формулу в интернете. Дальше, в соответствии с технологией проблемного обучения, ставим перед ними вопрос: «Почему не работают телефоны и не грузит интернет?» Учащиеся выдвигают свои идеи и пытаются объяснить данный факт: «Может быть нет связи? Установлен блокиратор сотовой связи? и т.п.». Данные вопросы подводят к необходимости получения знаний по физическим основам, применяемым в таких устройствах как подавитель связи. После этого изучаются основные функции одного из данных устройств «Monster» и рассматриваем принцип его работы с точки зрения физики.

Основные функции «Monster» ^[24]:

1. Четырнадцати канальное устройство обеспечивает надежную защиту от мобильных сигналов, стандартов и радиочастот;

2. Устройство защищает только от сигналов мобильных телефонов и не мешает работе других электронных устройств;

3. Устройство может стабильно работать, долго оставаясь включенным.

Общий уровень выходной мощности подавителя связи составляет 35 Вт. Прибор, во время своего действия, создаёт помехи, так называемый «белый шум» и, благодаря этому, глушит работу сотовых телефонов и других устройств, которые работают по частотам, заявленным в характеристиках подавителя. Устройство данного типа обеспечивают пропадание мобильного сигнала, попадающего в радиус его действия. Радиус действия подавителя связи составляет до 40 метров.

В конце занятия ученики выполняют задание: «Найти подавляемые частоты устройством «Monster».

Таким образом, проведя анализ метода проблемного обучения можно сделать следующие выводы:

1. Метод проблемного обучения играет важную роль в обучении, так как формирует процесс мышления, способствует активации самостоятельной деятельности учащихся.

2. Применение метода проблемного обучения при изучении проблем информационной безопасности с точки зрения физики, позволяет учащимся получать практические знания и умения в области физики, информатики, информационной безопасности.

Лабораторные работы направлены на формирование умений и навыков применения оборудования для физического обеспечения информационной безопасности. При проведении лабораторных работ можно использовать различное специальное лабораторное оборудование.

На занятии рассматривается оборудование, позволяющее обнаруживать скрытые микровидеокамеры по оптическому признаку c лазерной подсветкой, эти приборы работают в оптическом диапазоне и никакие радиоэлектронные помехи или экранирование не могут воспрепятствовать обнаружить ему все типы скрытых камер: видеокамер; видеокамер с объективом pin-hole; цифровых фото- и видеокамер; камер с автоматической фокусировкой. Это оборудование необходимо включить в рассмотрение, поскольку в настоящее время их использование является актуальным, так как позволяют обнаруживать скрытые видеокамеры в различных состояниях: в стенах, потолках, сумках, в различных упаковках, внутри электромагнитного экрана ^[25].

Оборудование, используемое при проведении оперативно-поисковых работ на местности, в помещениях, в транспорте, и предназначенное для обнаружения специальных технических средств и других устройств, имеющих в своём составе полупроводниковые компоненты.

При изучении данного оборудования рассматриваются вопросы диапазонов радиочастот в различных диапазонах, различных помех, различные типы излучения сигналов: непрерывного и импульсного зондирующего сигнала, мощность излучения сигналов (1 Вт в непрерывном, и 15 Вт в импульсном режиме).

В лабораторных работах рассматривается еще один прибор, предназначенный для проведения оперативных мероприятий по обнаружению и локализации технических средств негласного получения информации, а также для выявления и контроля естественных и искусственно-созданных каналов утечки информации. Данные приборы позволяют выполнять различные контрольно-поисковые задачи, такие как выявление факта работы (обнаружение) и локализация местоположения радиоизлучающих специальных технических средств, создающих потенциально опасные, с точки зрения утечки информации, радиоизлучения; обнаружение и локализация местоположения специальных технических средств, работающих с излучением в инфракрасном диапазоне; выявление наиболее уязвимых мест, с точки зрения возникновения виброакустических каналов утечки информации, а также оценка эффективности указанных систем защиты помещений; выявление наиболее уязвимых мест, с точки зрения возникновения каналов утечки акустической информации, а также оценка эффективности звукоизоляции помещений ^[26].

Следует отметить, что рассматриваемые на занятиях вопросы являются важными для получения знаний по разделам современного курса физики, повышения мотивации изучения физики и конечно знакомства с различными направлениями профессионального применения знаний, полученных на уроках физики. Опытная-экспериментальное внедрение полученных разработок и результатов было направлено на проверку гипотезы об изменении мотивации к изучению физики у обучающихся.

Под мотивацией будем понимать «побуждение к активной деятельности личностей, коллективов, групп, связанное со стремлением удовлетворить определенные потребности». Выделяется несколько видов мотивации ^[27]:

1. Внешняя мотивация (экстринсивная) — мотивация, не связанная с содержанием определённой деятельности, но обусловленная внешними по отношению к субъекту обстоятельствами.

2. Внутренняя мотивация (интринсивная) — мотивация, связанная не с внешними обстоятельствами, а с самим содержанием деятельности.

3. Положительная и отрицательная мотивация. Мотивация, основанная на положительных стимулах, называется положительной. Мотивация, основанная на отрицательных стимулах, называется отрицательной.

4. Устойчивая и неустойчивая мотивация. Устойчивой считается мотивация, которая основана на нуждах человека, так как она не требует дополнительного подкрепления.

Наибольший интерес с точки зрения обучения представляет устойчивая положительная мотивация, именно развитие этой мотивации является наиболее важной составляющей.

Проводился педагогический эксперимент по внедрению факультативного курса «Физические основы информационной безопасности» в старших классах средней школы. В результате эксперимента проводилось измерение мотивации к обучению физике. Эксперимент состоял из констатирующего, обучающего и контрольного этапов, на каждом из которых проводился анализ мотивации изучения физики у обучающихся.

Первоначально было выделено две группы для организации исследования: экспериментальная и контрольная. В экспериментальной группе из 21 обучаемого, которые сами изъявили желание и записались на факультатив, одновременно с уроками физики проводился факультативный курс в течение первого полугодия учебного года. В контрольной группе из 32 человек факультативный курс не проводился.

На констатирующем этапе педагогического эксперимента проводилось анкетирование для определения уровня мотивации к изучению физики у обучающихся контрольной и экспериментальной групп.

Предлагалось ответить на 10 вопросов:

1. Нравиться ли Вам изучение физики?

2. Физика интересная или скучная наука?

3. Как Вы считаете, пригодиться ли Вам физика в будущей жизни?

4. Понятен ли Вам учебный материал по физике?

5. Вы активны на уроке физики?

6. Какая форма урока Вам больше нравится?

7. Ваша цель на уроке физики?

8. Хотели бы Вы, чтобы физику убрали из списка предметов?

9. Вам нравиться делать домашнее задание по физике?

10. Хотели бы Вы изучать физические основы информационной безопасности?

По результатам анкетирования был определен уровень мотивации обучающихся – низкий, средний, высокий. Анализ полученных результатов анкетирования, показал, что у большинства обучающихся (85%) уровень мотивации к изучению физики – средний и низкий и всего 15% обучающихся из контрольной и экспериментально группы готовы изучать физику и видят ее значимость в своей будущей жизни, в подготовке к профессии.

Исходя из анализа последнего вопроса анкетирования видно, что большинство хотели бы изучать физические основы информационной безопасности, а школьный курс рассмотрение вопросов в таком контексте не предусматривает. В курсе информатики и информационно-коммуникационные технологии в основном рассматриваются вопросы криптографической защиты информации.

На обучающем этапе эксперимента с испытуемыми экспериментальной группы проводились занятия факультатива «Физические основы информационной безопасности». Занятия разработанного факультативного курса проводились в 10 классе в течение учебного года. В процессе обучения применялись различные методы, но особое место занимал метод проблемного обучения. Обучающимися выдвигались идеи, гипотезы, предположения по изучаемым вопросам, как из раздела физики, так и из раздела информатики и информационно-коммуникационные технологии и информационной безопасности.

На контрольном этапе эксперимента после проведения занятий факультативного курса определялся уровень мотивации в экспериментальной и контрольной группах. Результаты анкетирования в виде процентного соотношения уровней мотивации учащихся до и после проведения занятий следующий: низкий уровень (до – 45%, после – 16%); средний уровень (до – 38%, после – 31%); высокий уровень (до – 15%, после – 54%).

Гипотеза об отсутствии изменения уровня мотивации к изучению курса физики у обучающихся проверялась с помощью непараметрического W-критерия Вилкоксона. Расчетное значение критерия в экспериментальной группе и найденное по таблице критическое значение равны между собой, таким образом нулевая гипотеза отклоняется и принимается альтернативная. Изменение результатов уровня мотивации в экспериментальной группе и наблюдаемое различие связных выборок оказалось статистически значимо. Следовательно, было подтверждено, что проведение занятий факультативного курса способствует повышению мотивации обучающихся экспериментальной группы к изучению физики. Изменения произошли и в контрольной группе, однако проверка W-критерием Вилкоксона статистически значимого различия не подтвердила.

Факультативный курс «Физические основы информационной безопасности» проводился в течение учебного года и проходил одновременно с изучением основного курса физики. Вопрос, который является также важным и существенным - получение знаний обучающихся. Проверка изменения уровня знаний обучаемых проводилась по всем изучаемым вопросам. Проверялась гипотеза - изучение вопросов факультативного курса «Физические основы информационной безопасности» и изменение уровня мотивации к обучению физики не оказывает влияния на изменение уровня знаний обучаемых. Проверка знаний данной гипотезы охватывала в первую очередь вопросы, связанные с темами, изучаемые на факультативе. За основу были взяты задания единого государственного экзамена по физике, представленные в спецификации контрольно-измерительный материалов (КИМ), вопросы и задания изученных разделов курса физики, которые прямо или косвенно пересекаются с вопросами факультатива. Среди вопросов можно выделить, например, принцип суперпозиции электрических полей, магнитное поле проводника с током, сила Ампера, сила Лоренца, правило Ленца (определение направления) и другие ^{[13, 15]}.

Обучающиеся выполняли контрольные задания по физике в конце учебного года. Оценивание выполнялось в 30-балльной шкале и результаты сгруппировывались. Контроль знаний проводился по всей выборке, а затем уровень знаний сравнивался в контрольной и экспериментальной группах.

Медианное значение в контрольной группе составило 13,5 баллов, а среднее значение 15,4 балла, что свидетельствует о смещении показателей выборки влево. В экспериментальной группе медианное значение и среднее значения оказалось равным 22 и 21,2 соответственно, что показывает нормальность распределения выборки.

Для полученных данных проверялась гипотеза: результаты контрольного задания по физике в контрольной и экспериментальной группах отличаются статистически незначимо. Для проверки гипотезы воспользовались параметрическим t-критерием Стьюдента, который позволяет проводить сравнение средних значений в независимых выборках, соответствующих нормальному распределению.

Расчет показателей проводился с применением инструмента Двухвыборочный t-тест с различными дисперсиями из надстройки Анализ данных Microsoft Excel.

Результаты показывают, что расчетное значение статистики критерия равно 3,4, а критическое значение составляет 2,009, то есть t > t0.05, следовательно, позволяют сделать вывод о том, что нулевая гипотеза отклоняется и принимается альтернативная: результаты контрольного задания по физике в контрольной и экспериментальной группах отличаются статистически значимо. Данный вывод подтверждает, что в экспериментальной группе и контрольной группах с контрольным заданием обучающиеся справились не одинаково. Показатели среднего значения и медианы показывают, что результат в экспериментальной группе выше, чем в контрольной. Таким образом, уровень знаний обучающихся, занимавшихся на факультативном курсе оказался выше, чем в группе не проходивших данный курс.

Полученные в ходе исследования результаты и гипотезы позволяют сделать вывод о том, что изучение вопросов факультативного курса «Физические основы информационной безопасности» и изменение уровня мотивации к обучению физики оказывает положительное влияния на изменение уровня знаний обучаемых.

Отметим, что проблемой повышения мотивации обучению физике школьников занимались ряд исследователей. В частности, Зоненко А.В. ^[29] в своей статье отмечет, что ухудшение мотивации обучения физике, обусловлено «ориентацией учебного процесса на успешную сдачу единого государственного экзамена в ущерб исследовательской деятельности, даже несмотря на государственный заказ, выраженный в требованиях ФГОС». Автор повышает мотивацию к изучению физике средствами исследовательских задач. Ряд авторов повышают мотивацию к изучению средствами информационно-коммуникационных технологий ^{[30 -32]}, средствами профильной подготовки ^[33], построением индивидуальных траекторий ^[34], межпредметных связей ^[35]и др. Изучая труды данных авторов, можно заключить, что мотивацию учащихся обучению физике можно повысить, используя данные методы и средства. Но в отличии от указанных исследований, данное исследование имеет одно важное преимущество – учащиеся знакомятся с физическими законами в ходе их выполнения, то есть вначале видят, как "это работает", а после делают выводы в виде формул, после чего решают теоретические задачи по данным темам, понимая вся глубину.

В заключении отметим, что описанный выше факультатив зарегистрирован в Роспатенте как объект интеллектуальной собственности ^[36] и может быть полезным учителям физики и информатики, студентам, аспирантам, молодым ученым и всем, кого интересуют вопросы методики обучения физики, информационной безопасности, информатики.