«Архимед» прописался в школе

Источником знаний и критерием их истинности в естественных науках (физике, химии, биологии и так далее) выступает естественно-научный эксперимент. Личностно ориентированная образовательная парадигма и неразрывно с ней связанный компетентностный подход к обучению приводят к выводу о том, что в учебном естественно-научном эксперименте ведущая роль должна принадлежать самостоятельному ученическому эксперименту, носящему по возможности исследовательский, а не репродуктивный характер. В какой же степени удается реализовать особую роль учебного эксперимента при обучении предметам образовательной области «Естествознание», определяемую экспериментальным характером естественных наук?

. : : Разложение Н2О2. Дыхательные пробы.

К сожалению, раньше оборудование для лабораторных работ по биологии и химии, как правило, ограничивалось микроскопами и набором готовых препаратов или реактивов. Поэтому большинство работ носило лишь описательный характер. Наличие кино- и видеоматериалов по изучаемым темам также не решало проблемы, поскольку продолжало ту же описательную линию и к тому же не давало возможности детям принимать участие в работе. Лабораторный эксперимент по физике (фронтальные лабораторные работы и опыты, физический практикум) по целому ряду причин к настоящему времени оказался более развитым, оснащенным и в большей степени позволяющим проводить количественное изучение явлений по сравнению с учебным экспериментом по биологии и химии.

Однако не только биологический и химический, но и учебный физический эксперимент, проводимый на традиционном оборудовании, без применения современных цифровых и компьютерных экспериментальных средств, не позволяет в полной мере решать учебные и воспитательные задачи в современной школе. Связано это с целым рядом причин:

1) традиционное учебное оборудование для проведения учебного естественно-научного эксперимента не позволяет проводить количественные исследования по техническим причинам;

2) время проведения естественно-научных экспериментальных исследований далеко не всегда согласуется со временем учебного занятия;

3) требования техники безопасности при проведении учебного эксперимента исключают возможность проведения многих исследований, имеющих принципиальное значение с точки зрения содержания учебного материала;

4) материальные затраты на создание и обслуживание традиционного учебного оборудования не согласуются с материальными возможностями образовательных учреждений и др.

Цифровая же лаборатория полностью меняет методику и содержание экспериментальной деятельности школьника и снимает вышеперечисленные проблемы. Благодаря широкому спектру разнообразных датчиков параметры естественно-научного эксперимента становятся доступными школьнику не на качественном, а на количественном уровне. Имеются в виду новые измерительные приборы, входящие в комплект лаборатории по биологии и химии (датчики освещенности, влажности, дыхания, концентрации кислорода, частоты сердечных сокращений и ЭКГ, температуры, кислотности, электропроводимости, турбидиметры, колориметры) и по физике (датчики силы, расстояния, давления, температуры, тока, напряжения, освещенности, звука, магнитного поля, уровня шума, счетчики Гейгера).

Цифровые лаборатории стали новым, современным оборудованием для проведения самых различных школьных исследований естественно-научного направления. С их помощью можно проводить работы как входящие в школьную программу, так и совершенно новые.

Компетентность учащегося формируется через собственную деятельность. Следовательно, самостоятельный ученический эксперимент принципиально необходим. При изучении основ естественных наук в современной школе огромное значение имеет наглядность учебного материала. Наглядность вносит вклад в формирование мотивационного компонента компетентности и обеспечивает формирование знаний, входящих в состав компетентности, дает возможность быстрее и глубже усваивать изучаемую тему, помогает разобраться в трудных для восприятия вопросах и повышает интерес к предмету. Применение лабораторий значительно повышает наглядность и в ходе самой работы, и при обработке результатов.

Цифровая лаборатория позволяет вести длительный эксперимент даже в отсутствие исследователя и с частотами измерений, неподвластными человеческому восприятию. Например, исследовать биологические процессы, сложные химические реакции или быстропеременные электрические или световые явления.

Оборудование цифровой лаборатории универсально, может быть включено в разнообразные экспериментальные установки. Можно проводить измерения в «полевых условиях», экономить время учеников и учителя и побуждать к творчеству, давая возможность легко менять параметры измерений. Кроме того, программа для видеоанализа, входящая в состав пакета программ для регистрации, анализа и обработки экспериментальных результатов, позволяет получать данные из видеофрагментов. Это дает возможность количественно исследовать реальные жизненные ситуации или ситуации, отснятые на видео самими учащимися, и фрагменты учебных и популярных видеофильмов.

По отзывам учителей, использование Цифровых лабораторий способствует значительному повышению интереса к предмету и позволяет учащимся работать самим, при этом получая не только знания в области естественных наук, но и опыт работы с интересной и современной техникой, компьютерными программами, опыт взаимодействия исследователей, опыт информационного поиска и презентации результатов исследования. Учащиеся получают возможность заниматься исследовательской деятельностью, не ограниченной темой конкретного урока, и самим анализировать полученные данные. Так, например, при изучении кислотности различных веществ учащиеся самостоятельно делают вывод, что многие популярные напитки вредны для пищеварительной системы, а при использовании некоторых моющих средств и тем более химических реактивов необходимо пользоваться перчатками.

Применяя цифровые лаборатории на уроках физики, учащиеся смогут выполнить множество фронтальных лабораторных работ и работ физического практикума.

По программе основной школы

В разделе «Механика» можно выполнить работы:

Исследование зависимости силы тяжести от массы тела.

Исследование силы трения.

Исследование зависимости удлинения пружины от силы ее растяжения.

В разделе «Молекулярная физика и термодинамика»:

Измерение температуры вещества.

Изучение явлений теплообмена.

Измерение удельной теплоемкости вещества.

Измерение влажности воздуха.

Измерение удельной теплоты плавления льда.

В разделе «Электродинамика»:

Сборка электрической цепи и измерение силы тока на ее различных участках.

Измерение напряжения на различных участках электрической цепи.

Исследование зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах.

Измерение работы и мощности электрического тока.

Исследование магнитного поля тока.

Изучение явления электромагнитной индукции

и другие.

По программе средней (полной) школы

В разделе «Механика» – стандартные лабораторные работы:

Измерение ускорения свободного падения.

Проверка закона сохранения энергии при действии сил тяжести и упругости. А также новые работы:

Изучение упругих свойств тела.

Изучение движения тел на машине Атвуда.

Изучение свойств винтовой пружины.

Проверка второго закона Ньютона в терминах импульсов.

Изучение движения связанных тел.

В разделе «Молекулярная физика и термодинамика» выполняются лабораторные работы:

Исследование изотермического и изохорного процессов.

Изучение процессов нагревания и кипения воды.

Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры.

Измерение термического коэффициента давления воздуха.

Проверка уравнения состояния газа.

Оценка средней скорости теплового движения молекул воздуха.

Изучение работы холодильника и определение его характеристик.

Исследование смешанного соединения проводников.

Изучение закона Ома для полной цепи.

Изучение явления электромагнитной индукции.

Определение заряда одновалентного иона.

Определение электроемкости конденсатора методом зарядки и разрядки.

Измерение сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра.

Изучение зависимости сопротивления металлического проводника от температуры.

Исследование зависимости сопротивления проводника от его геометрических размеров.

Снятие вольт-амперной характеристики проволочного сопротивления, лампы накаливания и диода.

Измерение КПД нагревателя.

Изучение электрических процессов в лампе дневного света.

Снятие температурной характеристики термистора.

Наблюдение явления самоиндукции.

Измерение рабочих параметров электромагнитного реле.

Определение числа витков в обмотках трансформатора.

Применяя цифровые лаборатории на уроках биологии, учащиеся смогут выполнить множество лабораторных работ.

По программе основной школы:

Реакция сердечнососудистой системы на дозированную нагрузку.

Действие ферментов на субстрат на примере каталазы.

Изучение кровообращения.

Дыхательные функциональные пробы.

Зависимость между нагрузкой и уровнем энергетического обмена.

По программе средней (полной) школы:

Каталитическая активность ферментов в живых тканях.

Приспособленность организмов к среде обитания.

Целесообразно предложить учащимся и экспериментальные задания разной длительности, в том числе в форме внеурочных исследований. Это:

В разделе «Биология растений»:

Поглощение воды корнями растений. Корневое давление.

Дыхание корней.

Поглощение листьями на свету СО2 и выделение О2.

Дыхание листьев.

Испарение воды растениями.

Дыхание семян.

Условия прорастания семян.

Теплолюбивые и холодостойкие растения.

В разделе «Зоология»:

Водные животные.

Теплокровные и холоднокровные животные.

В разделе «Человек и его здоровье»:

Затруднение кровообращения при перетяжке пальца.

Реакция сердечнососудистой системы на физическую нагрузку.

Газообмен в легких.

Механизм легочного дыхания. Модель Дондерса.

Жизненная емкость легких. Реакция ДС на физическую нагрузку.

Выделительная, дыхательная и терморегуляторная функция кожи.

В разделе «Общая биология»:

Действие ферментов на субстрат на примере каталазы. Разложение Н2О2.

Влияние рН среды на активность ферментов.

Факторы, влияющие на скорость процесса фотосинтеза.

Применяя цифровые лаборатории на уроках химии, учащиеся смогут выполнить множество лабораторных работ, а также внеурочных исследований, например:

Изучение процесса электролиза (датчики тока и напряжения).

Изучение кислотности различных проб водопроводной и бутилированной питьевой и минеральной воды (датчик кислотности).

Проверка газовых законов.

Исследование экзотермических (взаимодействие хлорида меди с алюминием) и эндотермических (взаимодействие пищевой соды с лимонной кислотой) реакций.

Изучение химического катализа (разложение Н2О2 в присутствии MnO2).

Исследование теплового эффекта горения топлива.

При использовании цифровых лабораторий (ЦЛ) в демонстрационном эксперименте опыты становятся настолько эффектными и наглядными, что учащиеся не только быстро понимают и запоминают тему, но и находят множество бытовых примеров, подтверждающих полученные выводы, легко отвечают на вопросы. Например, в результате опыта с перетяжкой пальца учащиеся сразу понимают, почему мерзнут ноги в тесной обуви, что туго затягиваться ремнем вредно и почему кровоостанавливающий жгут зимой нельзя накладывать на то же время, что и летом. В результате опыта с теплокровными и холоднокровными животными учащиеся не только понимают, что мышь потребляет больше кислорода, чем лягушка, но и делают из этого различные заключения о том, почему теплокровные животные могут жить в местах с холодным климатом, а холоднокровные – нет, почему холоднокровные животные могут очень долго обходиться без пищи.

На уроках физики могут быть поставлены следующие демонстрационные эксперименты.

В разделе «Механика»:

Равномерное движение.

Относительность движения.

Запись колебательного движения.

Свободные колебания груза на нити и груза на пружине.

Силы трения покоя, силы трения скольжения.

Переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

Изменение энергии тела при совершении работы.

Сцепление свинцовых цилиндров.

Сравнение теплоемкостей тел одинаковой массы.

Охлаждение жидкостей при испарении.

Изменение внутренней энергии тела при совершении работы и при теплопередаче.

Постоянство температуры кипения жидкости.

Плавление и отвердевание кристаллических тел.

Зависимость силы тока от напряжения на участке цепи и от сопротивления этого участка.

Измерение сопротивлений.

Нагревание проводника током.

Электромагнитная индукция.

Действие магнитного поля на ток.

Зависимость характера движения от выбранной системы отсчета.

Вес тела при ускоренном подъеме и падении.

Движение тела, брошенного горизонтально.

Зависимость ускорения тела от массы и силы, действующей на тело.

Сохранение импульса.

Сохранение энергии.

Зависимость колебаний маятника от времени.

Распространение звука в воздушной среде.

Изменение внутренней энергии тел при совершении работы и при теплопередаче.

Постоянство температуры кипения жидкостей.

Кипение воды при пониженном давлении.

Газовые законы.

Действие магнитного поля на проводник с током.

Магнитное поле прямого тока, проводника с током.

Интерференция света.

Дифракция света.

Поляризация света.

На уроках биологии могут быть поставлены многочисленные демонстрационные эксперименты, в том числе:

Газообмен в легких. Дыхательные пробы.

Изменение кровообращения при перетяжке.

Изменение давления в водной среде.

Функция венозных клапанов.

Выделительная и терморегуляторная функция кожи.

Реакция сердечно-сосудистой системы на дозированную нагрузку.

Также на уроках химии может быть поставлен широкий спектр демонстрационных и лабораторных экспериментов, таких как:

Реакции замещения.

Экзо- и эндотермические реакции.

Закон Гесса: гидроксид натрия с соляной кислотой.

Теплота горения: магний и кислород.

Теплота растворения: прибавление соли к воде.

Измерение рН.

Измерение рН распространенных естественных растворов.

Кислотно-основное титрование с помощью бюретки.

Кислотно-основное титрование: титрование гидроксида натрия соляной кислотой.

Кислотно-основное титрование: титрование карбоната натрия соляной кислотой.

Кислотно-основное титрование: титрование фосфорной кислоты.

Кислотно-основное титрование: определение молярной концентрации фосфорной кислоты в фосфатных буферах.

Кислотно-основное титрование: титрование аланина гидроксидом натрия.

Измерение теплового эффекта при титровании.

Кондуктометрическое титрование: титрование гидроксида натрия соляной кислотой.

Кондуктометрическое титрование: титрование карбоната натрия соляной кислотой.

Кондуктометрическое титрование: титрование гидроксида бария соляной кислотой.

Прохождение света через смесь растворов тиосульфата натрия и соляной кислоты.

Автокаталитическая реакция окисления щавелевой кислоты в присутствии оксида марганца (VII).

Нахождение концентрации раствора с помощью закона Ламберта – Бера.

Химическое равновесие.

Особо следует отметить уникальные возможности ЦЛ в формировании экологических знаний и умений учащихся. Во всех современных учебных программах все большее внимание уделяется проблемам охраны окружающей среды. А для полноценного изучения этой области крайне необходимы практические занятия и экскурсии. Наличие датчиков кислорода, рН и освещенности (в комплексе с датчиками давления, температуры и влажности) делает ЦЛ «Архимед» незаменимой при проведении экологических исследований в 10-11-х классах. Важнейшее значение при этом имеет то, что ЦЛ «Архимед» проста в обращении, компактна и относительно автономна. В последние годы лаборатория неоднократно использовалась учащимися московских школ при проведении экологических исследований как на территории города, так и в других регионах России.

Во внеурочное время можно провести следующие экологические исследования:

Измерение освещенности в помещениях школы.

Измерение кислотности различных напитков.

Измерение физических параметров воздуха в помещениях школы.

Влияние проветривания на микроклимат класса.

Влияние кислотности почвы на видовой состав растений.

Абиотические факторы среды.

Экология урбанизированных территорий.

Определение концентрации кислорода в цветущей воде.

Содержание кислорода в воздухе различных помещений города.

Также следует отметить многофункциональность компьютеров цифровых лабораторий. Благодаря широким возможностям коммуникаций выстраивается современная лаборатория с полноценной сетью, выходом в Интернет и пр. Можно организовывать работу на уроках с учетом уровневой дифференциации, индивидуализировать образовательный процесс, повысить эффективность контроля и самоконтроля.

Таким образом, применение цифровых лабораторий способствует тому, чтобы вывести школьное естественно-научное образование на современный технический и педагогический уровень.

В школах Москвы, Санкт-Петербурга и ряде регионов России уже более семи лет эффективно применяются цифровые лаборатории «Архимед». За эти годы цифровые лаборатории в школах стали привычными и необходимыми.

В основе цифровых лабораторий сегодня – специальный компьютер NOVA5000 или универсальный регистратор данных, подключаемый к обычному компьютеру, USBlink. Данное оборудование российской сборки, что является важным шагом в обеспечении современной школьной естественно-научной лаборатории. NOVA5000 – мобильный (1,1 кг) компьютер с ОС WindowsСЕ 5.0, имеет встроенный измерительный интерфейс для подключения до 4 цифровых датчиков. Ученик создает на нем с помощью стандартных офисных программ (Word, Excel, Power Point) творческие работы и отчеты о своей деятельности, хранит фотографии, данные экспериментов, с помощью мультимедиапроектора представляет свои работы классу, выходит в Интернет, используя беспроводную связь WiFi. В естественно-научной лаборатории это существенно расширяет спектр видов индивидуальной и групповой деятельности учеников. Все программное обеспечение на русском языке. Методические материалы также разработаны российскими методистами и учителями в соответствии с Федеральным компонентом государственных образовательных стандартов по физике, химии и биологии.

Центр информационных технологий и учебного оборудования Департамента образования осуществляет методическую поддержку учителей, имеющих цифровые лаборатории, а на кафедре информационных технологий и образовательной среды МИОО проводятся занятия курсов повышения квалификации и осуществляется индивидуальное консультирование.

Юлия ФЕДОРОВА, заместитель директора Центра информационных технологий и учебного оборудования, зав. кафедрой информационных технологий и образовательной среды МИОО

Наталия ШАРОНОВА, профессор кафедры теории и методики обучения физике, факультета физики и информационных технологий МПГУ