Экспериментально доказано. Цифровые лаборатории «Архимед» в школе

В школах Москвы, Санкт-Петербурга и ряде регионов России уже более семи лет эффективно применяются Цифровые лаборатории «Архимед» – оборудование и программное обеспечение для проведения демонстрационного и лабораторного эксперимента на занятиях естественно-научного цикла. За эти годы комплекты стали привычными и необходимыми. Широкий спектр цифровых датчиков используют учителя и ученики при изучении физики, химии, биологии и экологии в урочное и внеурочное время.

В основе Цифровых лабораторий сегодня – специальный компьютер NOVA5000 или универсальный регистратор данных, подключаемый к обычному компьютеру, USBlink (фото 1). Оборудование собрано в России, что можно считать важным шагом в обеспечении современной школьной естественно-научной лаборатории. NOVA5000 – мобильный (1,1 кг) компьютер с установленной 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 города Москвы 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.

При изучении основ естественных наук в современной школе огромное значение имеет наглядность учебного материала. Она дает возможность быстрее и глубже усваивать изучаемую тему, помогает разобраться в трудных для восприятия вопросах и повышает интерес к предмету. Источником знаний и критерием их истинности в естественных науках (физике, химии, биологии и так далее) выступает естественно-научный эксперимент. Экспериментальный характер естественных наук приводит к особой роли учебного эксперимента при обучении предметам образовательной области «Естествознание». Личностно ориентированная образовательная парадигма и 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.

К сожалению, раньше оборудование для лабораторных работ по биологии и химии, как правило, ограничивалось микроскопами и набором готовых препаратов или реактивов. Поэтому большинство заданий носило лишь описательный характер. Наличие кино- и видеоматериалов по изучаемым темам также не решало проблемы, поскольку 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 и учебный физический эксперимент, проводимый на традиционном оборудовании, без применения современных цифровых и компьютерных экспериментальных средств не позволяет в полной мере решать образовательные и воспитательные задачи в современной школе.

Цифровые лаборатории – новое, современное оборудование для проведения самых различных школьных исследований естественно-научного направления. С их помощью можно проводить работы как входящие в школьную программу, так и совершенно новые. Применение лабораторий значительно повышает наглядность и в ходе самой работы, и при обработке результатов благодаря новым измерительным приборам, входящим в комплект лаборатории по биологии, химии (датчики освещенности, влажности, дыхания, концентрации кислорода, частоты сердечных сокращений и ЭКГ, температуры, кислотности, электропроводимости, турбидиметры, колориметры и прочие), по физике (датчики силы, расстояния, давления, температуры, тока, напряжения, освещенности, звука, магнитного поля, уровня шума, счетчики Гейгера и так далее) (фото 2).

Оборудование Цифровой лаборатории универсально и 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 ПО 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 школьниками, и фрагменты учебных и популярных видеофильмов.

По отзывам учителей, использование Цифровых лабораторий способствует значительному повышению интереса к предмету и позволяет ребятам 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. Дети получают возможность заниматься исследовательской деятельностью, не ограниченной темой конкретного урока, и самим анализировать полученные данные. Так, например, при изучении кислотности различных веществ ученики 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, ребята 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» и другие;

в разделе «Молекулярная физика и термодинамика»:

– «Измерение температуры вещества»;

– «Изучение явлений теплообмена»;

– «Измерение удельной теплоемкости вещества»,

– «Измерение влажности воздуха»;

– «Измерение удельной теплоты плавления льда» и другие;

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 и новые лабораторные работы:

– «Измерение ускорения свободного падения»;

– «Проверка закона сохранения энергии при действии сил тяжести и упругости»;

– «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» и другие;

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

– «Исследование изотермического и изохорного процессов»;

– «Измерение удельной теплоемкости вещества»;

– «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» и другие;

– «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» и другие.

Применяя Цифровые лаборатории на уроках биологии, ученики смогут выполнить множество лабораторных работ.

– «Реакция сердечно-сосудистой системы на дозированную нагрузку»;

– «Действие ферментов на субстрат на примере каталазы»;

– «Изучение кровообращения»;

– «Дыхательные функциональные пробы»;

– «Зависимость между нагрузкой и уровнем энергетического обмена».

– «Каталитическая активность ферментов в живых тканях»;

– «Приспособленность организмов к среде обитания».

Целесообразно предложить ребятам и экспериментальные задания разной длительности, в том числе в форме внеурочных исследований:

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 сердечно-сосудистой системы на физическую нагрузку»;

– «Газообмен в легких»;

– «Механизм легочного дыхания. Модель Дондерса»;

– «Жизненная емкость легких. Реакция ДС на физическую нагрузку»;

– «Выделительная, дыхательная и терморегуляторная функции 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» и многие другие.

При использовании Цифровых лабораторий в демонстрационном эксперименте опыты становятся настолько эффектны и наглядны, что дети быстро понимают и запоминают тему, находят множество бытовых примеров, подтверждающих полученные выводы, легко отвечают на вопросы. Например, в результате опыта с перетяжкой пальца они 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 ребятам становится ясно, что мышь потребляет больше кислорода, чем лягушка. Причем из этого дети делают различные заключения: почему теплокровные животные могут жить в местах с холодным климатом, а холоднокровные – нет, почему холоднокровные животные могут очень долго обходиться без пищи и так далее.

На уроках физики могут быть поставлены следующие демонстрационные эксперименты.

– «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» и другие;

– «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» и другие;

– «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» и другие.

в разделе «Механика»:

– «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» и другие;

– «Изменение внутренней энергии тел при совершении работы и при теплопередаче»;

– «Постоянство температуры кипения жидкостей»;

– «Кипение воды при пониженном давлении»;

– «Плавление и отвердевание кристаллических тел»;

– «Газовые законы» и другие;

– «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 функции 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 кока-коле»;

– «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 хотелось бы отметить уникальные возможности Цифровых лабораторий в изучении экологии. 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) делают лабораторию «Архимед» незаменимой при проведении экологических исследований в 10-11-х классах. Важнейшее значение при этом имеет то, что комплекс прост в обращении, компактен и относительно автономен. В последние годы комплексы «Архимед» неоднократно использовались учениками 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 так далее. Можно организовывать разноуровневую работу на уроках, индивидуализировать образовательный процесс, повысить эффективность контроля и самоконтроля.

Юлия ФЕДОРОВА, заместитель директора Центра информационных технологий и учебного оборудования, заведующая кафедрой Информационных технологий и образовательной среды МИОО

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