Сетевой журнал "Интернет и образование"

О применении цифровых лаборатории «АРХИМЕД»  в школе

В школах Москвы, Санкт-Петербурга и некоторых регионах России уже более семи лет эффективно применяются Цифровые лаборатории - оборудование и программное обеспечение для проведения демонстрационного и лабораторного эксперимента на занятиях естественнонаучного цикла. За эти годы Цифровые лаборатории в школах стали привычными и необходимыми. Это комплекты оборудования и программного обеспечения для сбора и анализа данных естественнонаучных экспериментов. Широкий спектр цифровых датчиков используют учителя и ученики на уроках физики, химии и биологии.

Цифровые лаборатории базируются на NOVA5000 или USB-link – это качественный скачок в становлении современной естественнонаучной лаборатории. Встроенный измерительный интерфейс служит для подключения до 4 цифровых датчиков. В естественнонаучной лаборатории это существенно расширяет спектр видов индивидуальной и групповой деятельности учеников. Все программное обеспечение на русском языке. Методические материалы разработаны российскими методистами и учителями в соответствии с Федеральным компонентом государственного образовательного Стандарта по физике, химии и биологии. Также осуществляется методическая поддержка учителей, имеющих цифровые лаборатории: курсы повышения квалификации и индивидуальное консультирование.

При изучении естественных наук в современной школе огромное значение имеет наглядность учебного материала. Наглядность дает возможность быстрее и глубже усваивать изучаемую тему, помогает разобраться в трудных для восприятия вопросах, и повышает интерес к предмету. 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 не давало возможности детям принимать участие в работе. Цифровые лаборатории являются новым, современным оборудованием для проведения самых различных школьных исследований естественнонаучного направления. С их помощью можно проводить работы, как входящие в школьную программу, так и совершенно новые исследования. Применение лабораторий значительно повышает наглядность как в ходе самой работы, так и при обработке результатов благодаря новым измерительным приборам, входящим в комплект лаборатории как биологии-химии, (датчики освещенности, влажности, дыхания, концентрации кислорода, частоты сердечных сокращений, температуры, кислотности и пр.), так и лаборатории физики (датчики силы, расстояния, давления, температуры, тока, напряжения, освещенности, звука, магнитного поля и пр.). Оборудование цифровой лаборатории универсально, может быть включено в разнообразные экспериментальные установки, проводить измерения в «полевых условиях», экономить время учеников и учителя, побуждает учеников к творчеству, давая возможность легко менять параметры измерений. Кроме того, программа для видеоанализа позволяет получать данные из видеофрагментов, что позволяет использовать в качестве примеров и количественно исследовать реальные жизненные ситуации, отснятые на видео самими учащимися и фрагменты учебных и популярных видеофильмов.

По отзывам учителей, использование Цифровых лабораторий способствует значительному поднятию 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 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 полной (средней 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»
      и другие.
  • В разделе «Молекулярная физика и термодинамика» выполняются лабораторные работы:
    • «Исследование изотермического и изохорного процессов»,
    • «Измерение удельной теплоемкости вещества», а также
    • «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.
  • в разделе «Электродинамика»
    • Исследование смешанного соединения проводников»,
    • «Изучение закона Ома для полной цепи» и
    • «Изучение явления электромагнитной индукции», а также
    • «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 ВАХ 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, учащиеся смогут выполнить множество лабораторных работ

• по программе основной школы
  • Реакция ССС на дозированную нагрузку
  • Действие ферментов на субстрат на примере каталазы…
  • Изучение кровообращения
  • Дыхательные  функциональные пробы
  • Зависимость между нагрузкой и уровнем энергетического обмена
• по программе полной (средней школы)
  • Каталитическая активность ферментов в живых тканях
  • Приспособленность организмов к среде обитания

и экспериментальных заданий разной длительности, в том числе внеурочных исследований

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

и многие другие

При использовании ЦЛ в демонстрационном эксперименте, опыты становятся настолько эффектны и наглядны, 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: почему теплокровные животные могут жить в местах с холодным климатом, а холоднокровные – нет, почему холоднокровные животные могут очень долго обходиться без пищи и т.д.
На уроках физики могут быть поставлены следующие демонстрационные эксперименты:

• по программе основной школы
  • в разделе «Механика» можно выполнить работы:
    • «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.
  • в разделе «Молекулярная физика и термодинамика» -
    • «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.

• • в разделе «Электродинамика» -
    • «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.
• по программе полной (средней школы)
  • в разделе «Механика» – стандартные лабораторные работы
    • «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.
  • В разделе «Молекулярная физика и термодинамика» выполняются лабораторные работы:
    • «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.
  • в разделе «Электродинамика»
    • «Действие магнитного поля на проводник с током»,
    •  «Магнитное поле прямого тока, проводника с током»
    • «Электромагнитная индукция»
    • «Интерференция света»
    • «Дифракция света»
    • «Поляризация света»

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

Также на уроках химии может быть поставлен широкий спектр демонстрационных экспериментов.

Особо хотелось бы отметить уникальные возможности ЦЛ 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 ЦЛ «Архимед» незаменимой при проведении экологических исследований в 10 – 11 классах. Важнейшее значение при этом имеет то, что ЦЛ «Архимед» проста в обращении, компактна и относительно автономна. В ходе последних лет ЦЛ «Архимед» неоднократно использовались 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:

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

Таким образом, цифровые лаборатории позволят даже в малочисленных школах поставить естественнонаучное образование на современном техническом и педагогическом уровне.

Презентации автора:

• Цифровая коллекция лабораторных работ по физике
• Конкурс естественнонаучных проектов 2004-2009

Сайт

Лаборатория дистанционного повышения квалификации педагогов