Использование цифровой лаборатории при изучении химии
Боровикова А.Ю. (Лицей 12)
Согласно новому ФГОС личностные образовательные результаты включают ценность научного познания, что включает совокупность «мировоззренческих представлений о веществе и химической реакции, соответствующих современному уровню развития науки и составляющих основу для понимания сущности научной картины мира», «познавательных мотивов, направленных на получение новых знаний по химии, необходимых для объяснения наблюдаемых процессов и явлений».
Метапредметные результаты «отражают овладение … работой с информацией (умением выбирать, анализировать и интерпретировать информацию различных видов и форм представления, получаемую из разных источников; критически оценивать противоречивую и недостоверную информацию;
приобретение опыта в области использования информационно-коммуникативных технологий, овладение культурой активного использования различных поисковых систем; самостоятельно выбирать оптимальную форму представления информации и иллюстрировать решаемые задачи несложными схемами, диаграммами, другими формами графики и их комбинациями)
базовыми исследовательскими действиями (умением использовать поставленные вопросы в качестве инструмента познания, а также в качестве основы для формирования гипотезы по проверке правильности высказываемых суждений; приобретение опыта по планированию, организации и проведению ученических экспериментов: умение наблюдать за ходом процесса, самостоятельно прогнозировать его результат, формулировать обобщения и выводы по результатам проведённого опыта, исследования, составлять отчёт о проделанной работе)»
Предметные результаты «отражают сформированность умений … применять основные операции мыслительной деятельности — анализ и синтез, сравнение, обобщение, … выявление причинно-следственных связей — для изучения свойств веществ и химических реакций; естественно-научные методы познания — наблюдение, измерение, моделирование, эксперимент (реальный и мысленный)»
Используя ЦЛ на уроках химии, учащимся приходится теоретически объяснять получаемые результаты. А это активизирует их мыслительную деятельность и заставляет сравнивать факты, их анализировать и формулировать выводы.
Количественный эксперимент позволяет создавать проблемные ситуации, при которых учащиеся сталкиваются с явлениями и фактами, результатами измерений, требующими теоретического осмысления. Это побуждает их к самостоятельному приобретению новых знаний. (Из диссертации Зиминой Аллы Ивановны)
Преимущества цифровой лаборатории
- наглядное представление результатов эксперимента в виде графиков, диаграмм и таблиц;
- хранение и компьютерная обработка результатов эксперимента, данных измерений;
- сопоставление данных, полученных в ходе различных экспериментов;
- наблюдение за динамикой исследуемого явления; доступность изучения быстро протекающих процессов;
- переход от качественного к количественному эксперименту
- сокращение времени эксперимента; быстрота получения результата;
- возрастание познавательного интереса учащихся.
Цифровые лаборатории в учебном процессе могут использоваться при проведении: демонстрационных опытов, лабораторных работ, фронтальных экспериментов, практических работ, исследовательских работ. Как на уроках, так и на внеурочной деятельности (кружки, полевые исследования, элективные курсы, внеурочки).
Цифровая лаборатория — это оборудование и программное обеспечение для сбора и анализа данных естественнонаучных экспериментов. Комплект включает различные датчики, регистрирующие значения физических величин (температуры, pH водного раствора, электропроводности, концентрации и т.д.) и подключающиеся к компьютеру/планшету проводным или беспроводным способом (по блютузу). В набор часто входят методички с описанием практических работ при помощи конкретной лаборатории. Также может включаться обычное химическое оборудование и посуда (весы электронные, мешалка электрическая, химические стаканы, фарфоровая чашка, щипцы и т.д.)
Датчик содержит сенсор, который меняет свои параметры (напряжение, сопротивление, индуктивность и т.д.) в зависимости от окружающей среды. Потом сигнал преобразуется в цифровой и анализируется своим собственным процессором. Уже эти данные попадают в ПК и выводятся в окне программы в виде графика. Графики представляют собой набор данных от одного или нескольких датчиков, где по оси Y (вертикальной оси) отложены показания датчика в зависимости от времени по оси Х (горизонтальной оси). В процессе эксперимента наглядно видно, как меняется параметр за определенное время.
В нашей школе 3 цифровых лаборатории: профильная ЦЛ по химии от компании Научные развлечения, базовые наборы по химии для ученика Releon Air, и портативная лаборатория от SenseDisc.
Профильная самая оснащенная, но датчики с проводным подключением:
- Цифровой датчик электрохимического потенциала 1шт.
- Цифровой датчик объема жидкого реагента 1шт.
- Цифровой датчик оптической плотности 525 нм 1шт.
- Цифровой датчик оптической плотности 590 нм 1шт.
- Цифровой датчик рН 1шт.
- Цифровой датчик температуры химический (-40+180С) платиновый 1шт.
- Цифровой датчик температуры термопарный 1шт.
- Цифровой датчик электропроводности 1шт.
- Цифровой датчик объема газа 1шт.
- Весы электронные учебные 200 гр 1шт.
- Магнитная мешалка 1шт.
- Редокс-электрод комбинированный 1шт.
- Контейнер с крышкой 3шт.
- Методическое пособие 1шт.
Есть видеоролики по работе с этой лабораторией. Методичка с хорошими советами.
SenseDisc по биологии и химии позволяет работать в полевых условиях без компьютера и содержит достаточно много датчиков.
- Датчик атмосферного давления
- Датчик электропроводимости
- Датчик света
- Датчик термоэлемента
- Датчик относительной влажности
- Датчик уровня pH
- Датчик температуры
- Датчик растворённого кислорода
- Барометр
Releon Air базовый для ученика совсем скромный, однако подключение к ПК через блютуз-адаптер:
мультидатчик, который включает:
- датчик температуры платиновый (от -40 до +180 градусов Цельсия)
- датчик высокой температуры (термопара) от -200 до +1300 градусов Цельсия
- датчик электропроводности растворов
- датчик рН
датчик оптической плотности.
С помощью ЦЛ можно измерить температуру пламени (свечи или спиртовки) и увидеть, что она отличается в разных зонах.
Увидеть изменение температуры в процессе реакции.
Доказать наличие ионов в растворе или отличить дистиллированную воду от обычной.
Отличить кислоту от щелочи и воды и сравнить их силу. Определить кислотность/ щелочность напитков, почвы и т.д.
Однако есть и недостатки ЦЛ:
- быстрое получение данных вводит некоторых учеников в заблуждение, они не понимают, что действительно происходило в процессе эксперимента;
- ЦЛ может отвлечь школьников от урока, они не знают, чем заняться в то время, пока идет регистрация измеряемых параметров;
- большинство учащихся не понимает способ преобразования данных в компьютере, не может объяснить несоответствие между ожидаемыми результатами и данными на экране;
- часть учащихся испытывает затруднение в восприятии графиков, неверно интерпретирует полученные данные и недопонимает исследуемое понятие
- дополнительная подготовка учителя, недостаток методических материалов
- необходимость калибровки при помощи стандартных растворов и промывка дистиллированной водой для некоторых датчиков
- ложные данные или поломка сенсоров при нарушении правил работы (платиновый датчик температуры сломается в пламени; термопара пострадает в кислых растворах; датчик pH нельзя прислонять к стенке сосуда, ещё он очень хрупкий и не терпит силикатных растворов и сильных щелочей)
- качество датчиков и ПО при высокой цене наборов.
