Статья "Цифровая лаборатория - новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий"
статья по физике на тему

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

В чём состоят преимущества виртуальной лаборатории перед реальной ?

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Безопасность. Безопасность является немаловажным плюсом использования виртуальных лабораторий в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями.
5. 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.
6. 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.
7. 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):

Перечень датчиков цифровой лаборатории по физике

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:

1. изучить возможности использования цифровой лаборатории для проведения наблюдений за изменением физиологических параметров с помощью датчика тока и датчика пульса;  
2. создать модель полиграфа (детектора лжи);
3. проверить справедливость гипотезы о возможном создании полиграфа на основе датчиков цифровой лаборатории;
4. разработать установку для определения импульсов тока при изменении сопротивления кожи и измерения частоты пульса;
5. познакомиться с существующими видами полиграфов, со сферой их применения;
6. изучить технические особенности цифровой лаборатории;
7. 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.