Статья Цифровая лаборатория — новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий

Учитель физики Ж. В. Клюшина,
МБОУ СОШ №37,
г. Шахты Ростовской области
Цифровая лаборатория - новое поколение
школьных естественнонаучных лабораторий
Цифровые технологии все больше входят в нашу жизнь. На современном этапе учебные занятия проходят с применением ИКТ. Школьные кабинеты оснащаются компьютерной техникой.
Характерным для настоящего времени становиться появление в образовании принципиально новых информационных средств, которые могут повлиять на цели, содержание, методы и организационные формы обучения в учебном заведении любого уровня и профиля.
В соответствии с той ролью, которую выполняет компьютер, выделяют два вида физического эксперимента: компьютерный и компьютеризированный. Для первого случая характерен эксперимент с моделями объектов, явлений и процессов, для второго - натурный эксперимент, где компьютер используется как элемент экспериментальной установки. Для проведения компьютеризированных экспериментов используют цифровые лаборатории.
Необходимая и весьма важная часть изучения естественных наук – экспериментирование.
Эксперимент является неотъемлемой частью познания природы, изучение ее законов. Такие науки как физика, химия, биология не могут изучаться только теоретически, им обязательно нужна практическая подоплека. Эксперимент позволяет учащимся самим убедиться в справедливости существующих законов природы, а также в верности выдвинутой научной гипотезы или, наоборот, в ее ошибочности.
Чтобы повысить эффективность эксперимента, необходимо использовать современные приборы, ведь именно они регистрируют данные, которые и являются основой вычислений. К таким современным приборам относятся всевозможные датчики, призванные различные виды физических величин, в том числе звук, свет, силу, давление и другие, перевести в электрические сигналы. Полученные электрические сигналы подаются через специальное устройство, называемое регистратором, на компьютер, где программным образом обрабатываются и могут быть представлены нам в самой разнообразной форме, как в виде стилизованных аналоговых или цифровых приборов, так и в виде графиков. Последние имеют большую наглядность при изучении происходящих процессов и избавляют исследователей от рутинной работы по снятию показаний и заполнения таблиц. Тем более, что в ходе измерений данные в таблицу вносятся автоматически, и экспериментаторам остается только обработать полученные результаты. Вот к таким современным средствам измерения и относятся цифровые лаборатории.
Цифровая лаборатория - новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий предназначенных для проведения фронтальных и демонстрационных опытов, для организации учебных исследований и исследовательских практик. Использование цифровых лабораторий позволяет получить представление о смежных образовательных областях: информационные технологии; современное оборудование исследовательской лаборатории; математические функции и графики, математическая обработка экспериментальных данных, статистика, приближенные вычисления; методика проведения исследований, составление отчетов, презентация проделанной работы.
По сравнению с традиционным оборудованием, цифровые лаборатории позволяют существенно сократить время на организацию и проведение работ, повышают точность и наглядность экспериментов, предоставляют большие возможности по обработке и анализу полученных данных.
В состав цифровой лаборатории входят следующие компоненты:
регистратор данных, позволяющий записывать и анализировать экспериментальные данные;
компьютер с программным обеспечением для управления регистратором;
датчики для измерения физических величин сопряженные с компьютером.
Взаимосвязи между компонентами цифровой лаборатории
75628520701000
В чём состоят преимущества виртуальной лаборатории перед реальной ?
Отсутствие необходимости приобретения дорогостоящего оборудования. Из-за недостаточного финансирования во многих лабораториях установлено старое оборудование, которое может искажать результаты опытов и служить потенциальным источником опасности для обучающихся.
Возможность моделирования процессов, протекание которых принципиально невозможно в лабораторных условиях. Наглядная визуализация на экране компьютера. Современные компьютерные технологии позволят пронаблюдать процессы, трудноразличимые в реальных условиях без применения дополнительной техники, например, из-за малых размеров наблюдаемых частиц.
Возможность проникновения в тонкости процессов и наблюдения происходящего в другом масштабе времени, что актуально для процессов, протекающих за доли секунды или, напротив, длящихся в течение нескольких лет.
Безопасность. Безопасность является немаловажным плюсом использования виртуальных лабораторий в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями.
В связи с тем, что управлением виртуального процесса занимается компьютер, появляется возможность быстрого проведения серии опытов с различными значениями входных параметров, что часто необходимо для определения зависимостей выходных параметров от входных.
Экономия времени и ресурсов для ввода результатов в электронный формат. Некоторые работы требуют последующей обработки достаточно больших массивов полученных цифровых данных, которые выполняются на компьютере после проведения серии экспериментов. Слабым местом в этой последовательности действий при использовании реальной лаборатории является ввод полученной информации в компьютер. В виртуальной лаборатории этот шаг отсутствует, так как данные могут заноситься в электронную таблицу результатов непосредственно при выполнении опытов экспериментатором или автоматически. Таким образом, экономится время и значительно уменьшается процент возможных ошибок.
И, наконец, отдельное и важное преимущество заключается в возможности использования виртуальной лаборатории в дистанционном обучении, когда в принципе отсутствует возможность посещения занятий в массовой школе.
Использование цифровых лабораторий способствует получению новых образовательных результатов - это формирование навыков работы на современном оборудовании исследовательской лаборатории; формирование и развитие исследовательских умений; формирование компьютерной грамотности.
Возможности цифровой лаборатории позволяют вывести работу с учениками на качественно новый уровень, подготовить учащихся к самостоятельной творческой работе в области физики, осуществить приоритет деятельностного подхода к процессу обучения, формировать у них познавательную, информационную, коммуникативную компетенции. Все это лежит в основе федеральных государственных стандартов второго поколения.
Цифровая лаборатория по физике позволяет выполнить разнообразные лабораторные работы, в том числе - посвященные изучению движения тела по наклонной плоскости; простых колебательных движений; вольтамперных характеристик проволочного сопротивления, лампы накаливания и диода; магнитных полей; скорости звука; дифракции и интерференции света.
Основу ЦЛ составляет USB Link – особый регистратор, который с помощью USB кабеля может быть присоединен к любому компьютеру. К этому регистратору может быть одновременно подключено до восьми датчиков, что, более чем достаточно для проведения даже самых сложных экспериментов. Подключив веб-камеру, можно будет не только проводить сложные эксперименты, но и создавать высокоинформативные мультимедийные презентации, которые будут содержать в себе звук, текст, видеоматериалы и экспериментальные данные.
Перечень лабораторных работ по школьному курсу
физики (с использованием ЦЛ):
№ п/п Тема работы Класс
1 Исследование зависимости силы тяжести от массы тела 7
2 Исследование силы трения 7
3 Исследование зависимости удлинения пружины от силы ее растяжения 7
4 Проверка закона сохранения энергии при действии сил тяжести и упругости 10
5 Измерение температуры вещества 8
6 Изучение явлений теплообмена 8
7 Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры 8
8 Измерение удельной теплоемкости вещества 8
9 Измерение влажности воздуха 8
10 Проверка уравнения состояния газа 10
11 Исследование изотермического и изохорного процессов 10
12 Сборка электрической цепи и измерение силы тока на ее различных участках 8
13 Измерение напряжения на различных участках электрической цепи 8
14 Исследование зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах 8
15 Измерение работы и мощности электрического тока 8, 10
16 Исследование магнитного поля тока 8, 10
17 Изучение явления электромагнитной индукции 9, 11
18 Изучение зависимости сопротивления металлического проводника от температуры 11
19 Исследование зависимости сопротивления проводника от его геометрических размеров 11
20 Снятие температурной характеристики термистора 11
21 Наблюдение явления самоиндукции 11
Перечень датчиков цифровой лаборатории по физике
Название
Назначение Принцип действия
Датчик микрофонный Регистрация звуковых колебаний Изменение емкости конденсатора под действием давления звуковой волны
Датчик индукции магнитного поля Измерение магнитной индукции Эффект Холла
Датчик освещенности Измерение интенсивности света Каждый фотон выбивает электрон.
Датчики для измерения электродинамических величин
Датчик напряжения Измерение постоянного и переменного напряжения Падение напряжения на сопротивлении более 1 Мом
Датчик тока Измерение постоянного и переменного тока Падение напряжения на сопротивлении 1 Ом
Датчики для измерения термодинамических величин
Датчик температуры Измерение температуры Термопара
Датчик влажности Измерение влажности Электронный генератор зависит от величины диэлектрической проницаемости конденсатора
Датчик давления Измерение давления газа или жидкости Изменение сопротивления мембраны при ее деформации
Датчики для измерения механических величин
Датчик силы Измерение сил На концах бруска, который деформируется, установлены тензорные датчики
Датчик расстояния Измерение расстояния Звуковой локатор
Применение цифровой лаборатории не ограничивается только уроками физики. Использование цифровой лаборатории во внеурочной деятельности (при изучении элективных курсов и на факультативных занятиях). Данные виды занятий, в отличие от урока, более свободны в отношении временных рамок и мест проведения.
Вопросы, решаемые на этих занятиях, призваны углубить и расширить материал, изучаемый в рамках урока.
Проект «Где можно применять в жизненной ситуации данное оборудование?» Здесь включилась в действие творческая фантазия обучающихся. Появилась идея о применении датчиков измерения микротока и датчика измерения пульса для создания модели полиграфа.
План реализации проекта:
изучить возможности использования цифровой лаборатории для проведения наблюдений за изменением физиологических параметров с помощью датчика тока и датчика пульса;
создать модель полиграфа (детектора лжи);
проверить справедливость гипотезы о возможном создании полиграфа на основе датчиков цифровой лаборатории;
разработать установку для определения импульсов тока при изменении сопротивления кожи и измерения частоты пульса;
познакомиться с существующими видами полиграфов, со сферой их применения;
изучить технические особенности цифровой лаборатории;
апробировать метод измерения физиологических характеристик человека (импульсы микротоков и частоту пульса) при проверке на ложь с использованием датчиков тока и пульса.
Необходимо отметить, что у обучающихся повысился интерес к данной работе. Каждый день они (в помощники подключились желающие проверить себя на детекторе, это была контрольная группа) самостоятельно проводили исследования по данной теме. Мне приходилось только консультировать и контролировать ход работы.
В заключение хочется подчеркнуть, что применение цифровых лабораторий в учебной и исследовательской деятельности позволяет привнести в него не только индивидуализацию и дифференциацию образования, но и стать средством определения индивидуального образовательного маршрута с учетом способностей и интересов ученика, что является условием развития личности ученика и его способностей.
Список литературы
1. Сборник нормативных документов. Физика / Сост. Э.Д. Днепров, А.Г. Аркадьев. М.: Дрофа, 2007. 107 с.
2. Национальная образовательная инициатива «Наша новая школа» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://news.kremlin.ru/news/6683
3. Леонтович И.В. Об основных понятиях концепции развития исследовательской и проектной деятельности учащихся // Исследовательская работа школьников. 2003. № 4. С. 12–17.
4. Филиппова И.Я. Информационные технологии в преподавании физики [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ifilip.narod.ru
6. Цифровая лаборатория по физике. Методическое пособие. М.: ИНТ, 2008. 375 с.