«Архимед» в средней школе. Новое оборудование для экспериментов по физике

Внедряемая в учебный процесс Центром образования «Технологии обучения» цифровая лаборатория «Архимед» (ЦЛ) представляет собой логическое продолжение наметившегося интереса наших методистов к компьютеризированному физическому эксперименту с применением датчиков физических величин. Лаборатория дает возможность снимать данные, используя целый ряд датчиков – силы, напряжения, освещенности, температуры и так далее. Результаты эксперимента демонстрируются на экране карманного персонального компьютера «Palm» в виде графика зависимости измеряемой физической величины от времени. Данные могут представляться также в виде таблицы или гистограммы. Результаты экспортируются на персональный компьютер (ПК). Их дальнейшая обработка производится с использованием специальной программы «Multilab» на ПК.

Оборудование ЦЛ «Архимед» разработано и произведено в США и Израиле. В 2001 году Валерией Грауфорд и Филом Вей по заказу Palm Corporation был подготовлен оценочный доклад по использованию ЦЛ в системе образования. Доклад базируется на данных, которые собирались от 102 преподавателей, работающих в течение всего 2000-2001 учебного года. К этому времени 15 лучших преподавателей использовали наладонные компьютеры Palm два семестра и 87 преподавателей – один семестр. Оценка учителей однозначно позитивна: карманные персональные компьютеры (КПК) оказывают положительный эффект на методы обучения и на качество изучаемых предметов.

В России активное внедрение КПК лаборатории «Архимед» для проведения физического, биологического и экологического эксперимента в школе началось с 2003 года. Надо сказать, что подобных по функциональным возможностям лабораторий существует немало. В Санкт-Петербурге на базе школы №550 наряду с датчиками ЦЛ «Архимед» интенсивно применяют изделия компании Phillip Harris. При этом в процессе своей работы преподаватели используют не КПК, а ноутбуки Macintosh.

В ряде образовательных учреждений Латвии проводятся лабораторные практикумы и исследовательские работы учеников с использованием датчиков английской компании Data Harvest.

Сейчас в школы поступает уже оборудование третьего поколения, в состав которого входит портативный компьютер Nova 5000 и совмещенные с ним датчики физических величин компании Fourier Systems.

Сейчас можно с уверенностью сказать: применение ЦЛ в школьном образовании пошло двумя путями:

создание новых лабораторных практикумов для 8-11-х классов;

применение ЦЛ в учебно-исследовательской работе учеников.

Зачем надо создавать новые лабораторные практикумы? Почему нельзя ограничиться тем материалом, что за долгие годы был наработан физиками-методистами?

Дело в том, что выполнение даже стандартной лабораторной работы на подобном оборудовании, с применением датчиков ЦЛ, несет ряд методических, технологических и программных особенностей.

К примеру, лабораторная работа для 8-го класса «Тепловые явления» должна производиться с применением двух датчиков температуры, которые первоначально находились в сосуде с горячей и в сосуде с холодной водой соответственно. Опыт нельзя останавливать и после смешивания воды разной температуры, так как только подобная методика эксперимента позволяет увидеть процесс установления равной температуры при теплообмене и даже установить точное время установления теплового баланса в сосуде.

Создание лабораторных практикумов до сих пор наталкивалось на ряд чисто методических сложностей, связанных с невозможностью провести синхронизацию и обработку данных эксперимента на ПК всеми учениками, выполняющими работу.

Полученные данные на КПК необходимо было экспортировать на компьютер, где в специальной программе MultiLab производить их обработку. Поскольку до сих пор сделать это 15 учениками в течение лабораторной работы не представлялось возможным, методические материалы для лабораторного практикума, например, в 8-м классе были написаны таким образом, чтобы не производить компьютерной обработки полученных данных, а просто использовать полученные наборы данных в виде таблицы на КПК.

Наш опыт показал, что такая организация занятий для этого класса оправданна и является оптимальной. По итогам эксперимента написан и апробирован сборник лабораторных работ для 8-го класса. Его особенность заключается в применении оборудования ЦЛ «Архимед» для проведения стандартного набора лабораторных работ из учебника А.В.Перышкина «Физика. 8 класс». В сборнике семь работ, соответствующих всему диапазону изучаемых тем.

ЦЛ применяютcя не только в Москве и не только с учениками, нацеленными на углубленное изучение предметов физико-математического цикла в дальнейшем. Так, в 2007 году в Луговской сельской малокомплектной школе Кинешемского района Ивановской области состоялся семинар по внедрению методики проведения лабораторного практикума в 8-м классе. Участники семинара присутствовали на уроке-исследовании для младших школьников с применением датчиков температуры ЦЛ. Занятие проводил учитель Луговской школы Юрий Беликов. Для 30 детей урок-исследование оставил неизгладимые впечатления. Возможность поработать с КПК (который лишь немного сложнее мобильного телефона) и специальной программой, позволяющей определить температуру в классе, – все это приводило в восторг учеников обычной сельской школы.

Удивительно, как легко наши дети осваивают новые информационные технологии в естествознании. Главная цель этого урока – заинтересовать учеников окружающим миром, показать, что существуют различные способы его исследования, пробудить детей к наблюдениям и обобщениям – безусловно, была достигнута.

Проведение работ лабораторного практикума в 9-м классе натолкнулось на необходимость использования КПК и высокоскоростного интерфейса нового поколения TriLink, который может производить до 20000 измерений в секунду. Конечно, в школьном эксперименте такая точность избыточна, но наиболее востребованным оказалось свойство беспроводного соединения интерфейса и ПК. Применение датчика расстояния в лабораторной работе «Определение ускорения свободного падения» с точки зрения визуализации изменения координаты тела при свободном падении было весьма целесообразно. Ведь никаких других возможностей увидеть параболу при свободном падении нет ни в арсенале физиков-демонстраторов, ни в лабораторном практикуме.

Снятые с датчика расстояния данные интерфейс TriLink передавал на ПК в режиме реального времени с любой установки в классе. А функция учителя сводилась к экспорту их в программу Excel. При этом график мы не распечатывали, так как считали необходимым вырабатывать у ребят навыки самостоятельного построения графиков зависимости физических величин от времени. Ученики 9-х классов сами выбирали данные из распечатки, содержащей результаты измерения расстояния и время, выбирали оптимальный масштаб и производили построение одной ветви параболы.

Применение нового интерфейса избавило ведущего занятия преподавателя от очереди из детей, желающих синхронизировать и обработать данные эксперимента с помощью компьютера. Стало возможным произвести съем данных организованно, в течение 30 минут после начала занятия. Такая постановка эксперимента позволяет больше внимания уделить его физическому смыслу и процессу обработки результатов, выводя из регламента учебных действий рутинную и однообразную работу по измерению одной и той же физической величины несколько раз.

Сейчас можно констатировать, что активное развитие методики применения ЦЛ в обучении ведут целый ряд школ Москвы и Санкт-Петербурга. В лицее №1502 при МЭИ учебно-методическая работа по внедрению ЦЛ «Архимед» в лабораторный практикум 8-11-х классов идет весьма успешно. Написаны и апробированы 4 лабораторных сборника для этих классов.

С 2005 года под руководством преподавателей лицея ученики 9-11-х классов выполнили 22 проектно-исследовательские работы по физике. Многие из них стали лауреатами Международного конкурса естественно-научных проектов, конкурса «Открытие» в Ярославле, а также лицейских конференций.

Одно из перспективных направлений работы с ЦЛ «Архимед» заключается в объединении школ, обладающих этим оборудованием, для работы с ним в режиме удаленного доступа. Подобный эксперимент начат под руководством нашего лицея осенью 2007 года. Выполнение проектных работ по одной и той же теме происходит одновременно в Москве, Калуге и Кинешме. Исследование физических явлений ученики ведут параллельно, обмениваясь результатами и мнениями на лицейском сайте www.lyceum1502.ru в специально открытой теме «Сообщество сетевых экспериментаторов».

Мария ПЕТРОВА, учитель физики лицея №1502 при МЭИ, аспирантка кафедры теории и методики обучения физике МПГУ, старший преподаватель МЭИ