XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация: В данной статье рассматриваются понятие «цифровая лаборатория», его преимущества и недостатки, а так же производители и дистрибьюторы цифровых лабораторий, представленные на российском рынке.

Ключевые слова: цифровые лаборатории, количественный эксперимент, ИКТ.

Двадцать первый век – век, когда технологии практически полностью интегрированы в повседневную жизнь общества. Их используют везде, и не малую роль они занимают в образовании. В школах и детских садах устанавливают интерактивные доски, школьникам на время занятий выдают ноутбуки, в художественных школах – планшеты. Если задействовать современные технологии на занятии, то это значительно упростит понимание и изучение материала, как для самого педагога, так и для учащегося. Их использование значительно сокращает время, затраченное на подготовку для демонстрации и исследования материала.

Мы все глубже вторгаемся в виртуальное пространство, а виртуальное пространство все глубже вторгается в нашу повседневную жизнь. Двадцать первый век – век, когда технологии значительно упрощают процесс воспитания, познания и изучения. Именно поэтому они становятся обыденностью, важной и неотъемлемой частью в процессе образования.

Во время исследовательских практикумов, учебных исследовательских проектов, лабораторных работ учащемуся, как правило, не достаточно одних лишь теоретических знаний, однако учебное заведение не всегда может предоставить все нужное оборудование. Поэтому ИКТ удобно ещё и тем, что помимо теоретического познания, предоставляет пользователю и эмпирическое. Конструирование и печать на 3D принтере, проектирование домов в таких программах как SketchUp, VisiCon, SweetHome 3D, проведение химических экспериментов, в специально оборудованной виртуальной лаборатории и т.д.

В настоящее время учитель химии имеет возможность использовать в своей практике цифровые лаборатории (ЦЛ), позволяющие организовать химический эксперимент на новом уровне, перейти от исключительно качественной оценки наблюдаемых явлений к анализу их количественных характеристик, по-новому изучать явления и свойства веществ. Интерпретация результатов количественных экспериментов играет важную роль в развитии критического анализа информации, позволяет научить школьников сравнивать и обобщать, выявлять главное и устанавливать закономерности, самостоятельно формулировать проблему, выдвигать и экспериментально проверять гипотезу, формулировать выводы; позволяет обучать методам познания. Такой подход определяется целевыми требованиями федерального государственного образовательного стандарта нового поколения.

Эффективным инструментом в реализации данного подхода представляется организация учебного исследования с использованием проблемного подхода в обучении (A.M. Матюшкин, Т.В. Кудрявцев, В.П. Гаркунов). Количественный эксперимент в этом случае служит исходным моментом, побуждающим школьников к самостоятельной поисковой деятельности, в ходе которой они приобретают новые знания и умения. Вместе с тем, идеология школьного химического образования такова, что нельзя сразу и непосредственно перейти к внедрению новых экспериментальных методов исследования, здесь существуют два барьера: психологический и методический. Для преодоления психологического барьера необходимо снизить уровень сложности восприятия новых методов исследования в науке, а для преодоления методического – найти доступное для школьников объяснение сущности и возможностей этих методов исследования (А.И. Маркушевич).

Важно учитывать и организационные трудности, ограничивающие внедрение новых средств обучения, в данном случае ЦЛ. Часто учителя не могут оценить дидактические возможности данных средств обучения, не владеют методикой их использования. Практически ни в одной из действующих школьных программ по химии количественному эксперименту не уделяется должного внимания. На практике лишь отдельные учителя химии используют ЦЛ, причём акцент, как правило, переносится на внеурочную деятельность школьников, в частности, на организацию проектных работ, полевых исследований, элективных курсов и кружков.

Цифровая (компьютерная) лаборатория, датчиковые системы – комплект учебного оборудования, включающий измерительный блок, интерфейс которого позволяет обеспечивать связь с персональным компьютером, и датчики, регистрирующие значения различных физических величин: температуры, рН водного раствора, электропроводности, оптической плотности, давления, влажности, объёма газа, объёма жидкого реагента, силу тока (амперметр), электрического напряжения (вольтметр).

ЦЛ обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными средствами проведения школьного химического эксперимента: наглядное представление результатов эксперимента в виде графиков, диаграмм и таблиц; ЦЛ преобразует огромный поток информации в легко воспринимаемую визуальную форму; хранение и компьютерная обработка результатов эксперимента, данных измерений; сопоставление данных, полученных в ходе различных экспериментов; возможность многократного повторения эксперимента; наблюдение за динамикой исследуемого явления; доступность изучения быстро протекающих процессов; сокращение времени эксперимента; быстрота получения результата; индивидуализация обучения, учёт психолого-педагогических особенностей каждого школьника; организация сотворчества учащихся и реализация идей конструктивизма; возрастание познавательного интереса учащихся.

Появились ЦЛ (например, Архимед 4.0), в состав которых входят компьютеры, поддерживающие сеть (в том числе WiFi). Они позволяют школьникам активно взаимодействовать между собой, обмениваться данными, использовать ресурсы глобальной сети Internet, учитель имеет возможность видеть на своём экране экраны всех ученических компьютеров и управлять ими. Разрабатываются беспроводные универсальные компактные регистраторы данных (например, LabDisc), которые обеспечивают автономный сбор данных (например, во время полевых экспериментов) или работают просто как интерфейс датчиков, передавая измерения на компьютер в режиме реального времени.

ЦЛ применяются в школах России более двадцати лет. В настоящее время на российском рынке представлены ЦЛ нескольких производителей (см. табл.).

Таблица

Производители и дистрибьюторы цифровых лабораторий,

представленные на российском рынке

Торговая марка	Разработчик и производитель	Дистрибьютор в России
L-Микро	Лаборатория L-Микро, Россия	ТД «Школьный мир»,
Нау-ра	ООО «Научные развлечения», Россия	ТД «Школьный мир»,
Архимед	Fourier systems, Израиль	ИНТ
AFS	Vernier, США,	Всё для школы
Cobra 4	PHY WE, Германия,	ООО «Резонанс»,
Science Cube	Science Cube, Корея	Московский учколлектор

Вместе с обоснованной позитивной оценкой использования ЦЛ выявлены проблемы:

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.

Подготовка учителей к использованию ЦЛ проводится на курсах дистанционной подготовки [3].

ЦЛ «L-Микро» внедряется в учебно-воспитательный процесс высшей школы. В практикуме Д.М. Жилина и Катаевой Е.В. [2] и Сушковой Т.П., Бондарева Ю.М.[5] представлены интересные и подробные разработки практических занятий с использованием ЦЛ, методические подходы к которым могут быть с успехом реализованы и в средней школе.

ЦЛ «Архимед» включает сборник методических материалов с подробным описанием различных экспериментов, в том числе и по химии [6].

Для каждой практической работы представлена общая информация, где кратко изложены теоретические представления об изучаемых явлениях. Перечислено необходимое оборудование и реактивы, подробно описан монтаж экспериментальной установки, причем описание, как правило, сопровождается иллюстрациями. Даны советы, как настраивать параметры регистратора и датчиков, как проводить эксперимент, как анализировать экспериментальные данные. В заключение приведены вопросы, позволяющие оценить степень усвоения полученных знаний, и представлены дополнительные задания различного уровня сложности для закрепления и обобщения материала.

В России развитие отечественных ЦЛ началось с применения в ВУЗах для организации практикумов по физике в 1988 году. Ю.А. Воронин разработал и внедрил измерительно-вычислительный комплекс (ИВК-Зэ, выполненный на базе персонального компьютера IBM и ИВК-Зк в комплекте с калькулятором МК-61). В 1992 году в лаборатории «Новые технологии обучения» на базе ВТУЗа при ЗИЛе была разработана первая версия измерительной системы L-micro (лабораторный многоцелевой измерительный комплекс для развития и обучения учащихся). Методику использования ЦЛ в учебном физическом эксперименте разрабатывали Клевицкий В.В., Чудинский P.M., Старовиков М.И., Ханнанов Н.К., Жилин Д.М. Хоменко C.B., Рожков И., Филиппова И.Я. и др.

М.А. Петрова рассмотрела применение ЦЛ в учебном физическом эксперименте в общеобразовательной школе при проведении лабораторных работ, физического практикума и организации проектно-исследовательской деятельности учащихся. Изданы сборники «Лабораторный практикум по физике с применением цифровых лабораторий».

Назарова А.Г. предложила методику демонстрационного эксперимента с датчиками ЦЛ и сформировала шесть экспериментальных модулей (по группам датчиков)[4].

П.И. Беспалов рассматривает вопросы использования ЦЛ при решении экспериментальных задач на распознавание веществ с помощью датчиков ЦЛ, на определение количественных характеристик конкретных веществ (распознавание кислот с помощью датчиков рН-метра); на объяснение наблюдаемых явлений; на определение количественного состава (раствора, сплава, смеси). Автор отмечает, что решение таких задач позволяет закреплять свойства веществ, сочетать химические и физико-химические методы исследования. Он формулирует вывод, что применение ЦЛ позволяет осуществлять принципиально новые подходы к процессу обучения химии и формировать широкий спектр интеллектуальных умений учащихся.

Рассматривая использование ЦЛ при изучении вопросов органической химии, П.И. Беспалов отмечает, что применение на уроке количественного эксперимента приводит ученика к открытию закономерностей в изменении свойств веществ и протекании химических реакций. Он предлагает ряд лабораторных опытов и демонстрационных экспериментов для изучения свойств различных классов органических соединений с целью понимания основных положений теории химического строения органических веществ, систематизации знаний учащихся и осуществления системного подхода к изучению органической химии [1].

Таким образом, использование компьютерных технологий даёт ряд преимуществ по сравнению с традиционными средствами проведения школьного химического эксперимента, однако, использование новых средств обучения, цифровых лабораторий, вызывает определенные трудности у педагогов, учителя часто не могут оценить дидактические возможности данных средств обучения, не владеют методикой их использования.

Список литературы

Беспалов П.И. Применение цифровых лабораторий при изучении теоретических вопросов органической химии [Текст] / П.И. Беспалов // Актуальные проблемы химического образования: II Всероссийская научно-методическая конференция. Сборник материалов. - М.: МАКС Пресс, 2011. - С. 24 - 27.

Жилин Д.М. Практикум L-Микро. Руководство для студентов. - М.: МГИУ, 2006. - 322 с.

Земерова З.П., Симонова М.Ж. Дистанционная подготовка учителей химии к работе с цифровой лабораторией «Архимед» [Текст]/ З.П. Земерова // Актуальные проблемы химического образования: III Всероссийская научно-методическая конференция. Сборник материалов. - М.: МАКС Пресс, 2012. - С. 82 - 84.

Назарова А.Г. Компьютерные технологии в школьном химическом эксперименте [Текст]/ А.Г. Назарова // Химия: Методика преподавания в школе: науч.-метод, журн. - М: Школ. Пресса. - 2003. - №8. - С. 41 - 46.

СушковаТ.П., Бондарев Ю.М. Практикум по общей химии на базе компьютерной лаборатории «L-микро» [Текст]/Т.П. Сушкова//Учебно-методическое пособие. - Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2007. - 26 с.

Цифровая лаборатория Архимед 4.0. Лабораторные работы по химии. Перевод и издание на русском языке. - М.: Институт новых технологий, 2010. 64 с.

Код для цитирования: Скопировать