Цифровая образовательная лаборатория в деятельности учителя химии. Точка роста. Статья.
статья по химии

Л.Н. Кузнецова, учитель химии  МБОУ СШ №8 г Выкса, Нижегородской области.

Цифровая образовательная лаборатория в деятельности учителя химии.

        Одним из направлений цифровизации школьного образования является использование цифровой лаборатории, в частности при изучении химии и биологии.  

        Нашей школе это позволяет делать цифровая лаборатория Центра "Точка роста", перечень датчиков которой позволяет использовать эту лабораторию при изучении физики, химии и биологии.

        Для работы с цифровыми датчиками использую специальное программное обеспечение, установленное на компьютер. Для коммуникации цифровых датчиков, записи и хранения информации, полученной с их помощью, цифровая лаборатория используется в комплекте с ноутбуком с необходимым установленным программным обеспечением.

        Использование компьютерной формы регистрации полученных значений и построения графиков изменяет подходы к оформлению лабораторных и практических работ обучающимися.

Данные, полученные при помощи цифровых датчиков, вносятся в электронные таблицы, что позволяет строить графики зависимостей исследуемых величин на экране компьютера. На основании этих графиков делать выводы о характере зависимости величин от времени или других параметров.

Эти новые возможности позволяют автоматизировать рутинные процедуры заполнения таблиц, выполнение однотипных расчетов, построения графиков. Таким образом, осуществляется переход к оформлению электронного отчета о проделанном эксперименте, проектной или исследовательской работе.

Использование цифровых лабораторий существенно расширяет спектр возможных опытов и исследований, особенно это касается изучения биологии и химии.

 При работе с датчиками цифровой лаборатории обеспечивается автоматизированный сбор и обработка данных, ход эксперимента может отображаться в виде графиков или показаний приборов, а результаты экспериментов могут сохраняться длительное время. Наиболее актуальным для химии является переход к количественным характеристикам, который можно проиллюстрировать следующими примерами: определение pH в разных средах, определение скорости реакции, изучение влияния концентрации и температуры на скорость реакции.

Цифровая лаборатория позволяет реализовать межпредметные связи с другими предметами естественно-научного цикла, поскольку дает возможность выполнять интегрированные учебные исследования по естественным наукам, применять и осваивать элементы статистики и информационные технологии.

Преимущества цифровой лаборатории:

• наглядное представление результатов эксперимента в виде графиков, диаграмм и таблиц;
• 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;
• возрастание познавательного интереса учащихся.

Основные направления использования цифровых лабораторий:

проектная деятельность, полевые исследования, факультативные занятия, регулярные уроки.

Принципы организации эксперимента: наглядность, простота, доступность для понимания, конкретность, целостность, кратковременность, безопасность, воспроизводимость.

Датчики нашей школьной цифровой лаборатории:

Датчик температуры платиновый - простой и надежный датчик, предназначен для измерения температуры в водных растворах и в газовых средах. Имеет различный диапазон измерений от -40 до +165 °C . Разрешение: 0,1 °C.

Датчик измеряет температуру различных растворов и твердых материалов.

Датчик оснащен выносным и герметичным температурным зондом, устойчивым к лабораторным реагентам.

Применяю:

8-9 классы:

Лабораторный опыт № 2. «Измерение температуры кипения воды с помощью лабораторного термометра и датчика температуры»

Лабораторный опыт № 8. «Разложение кристаллогидрата»

Демонстрационный эксперимент № 5. «Основания. Тепловой эффект реакции гидроксида натрия с углекислым газом»

Лабораторный опыт № 10. «Основания. Реакция нейтрализации»

Демонстрационный эксперимент № 6. «Температура плавления веществ с разными типами кристаллических решеток»

Пример. Демонстрационный эксперимент № 1. «Тепловой эффект растворения веществ в воде»

Демонстрационный эксперимент № 1.

«Тепловой эффект растворения веществ в воде»

Исследуемая система        Дистиллированная вода        Вода + H2SO4         Вода + NaOH        Вода + NH4NO3

Температура, °С                                

Инструкция к выполнению:

В стакан налейте 50 мл воды.

С помощью датчика определите ее температуру.

Отмерьте 10 мл концентрированной серной кислоты и медленно при перемешивании раствора стеклянной палочкой вливайте серную кислоту. Обратите внимание на порядок смешивания воды и серной кислоты! Следите за изменением температуры при растворении кислоты. Наиболее высокое показание температуры занесите в таблицу. Датчик тщательно промойте водой.

Во второй стакан поместите около 8 г твердого порошка гидроксида натрия и влейте 50 мл воды. Опустите датчик температуры и перемешайте раствор. Отметьте самое высокое значение температуры. Тщательно промойте датчик водой.

В третий стакан насыпьте 15 г мелкокристаллического нитрата аммония и прилейте 50 мл воды. Опустите датчик температуры и быстро перемешайте раствор. Наиболее низкое значение температуры занесите в таблицу.

Датчик измеряет водородный показатель pH в исследуемых растворах.

Диапазон измерений рН от 0 до 14. Используется для измерения водородного показателя водных растворов, в различных исследованиях объектов окружающей среды.

Датчик имеет возможность калибровки.

Перечень работ, где использую данный датчик:

8 класс

Практическая работа № 4.        «Определение рН растворов кислот        и щелочей»

Лабораторный        опыт        №        9. «Определение рН в разных средах»

Лабораторный        опыт        №        10.        «Основания. Реакция нейтрализации»

Лабораторный        опыт        №        11.        «Определение кислотности почвы»

9 класс

Лабораторный        опыт        № 6. «Окислительно-восстановительные реакции. Изучение реакции взаимодействия сульфита натрия с пероксидом водорода»

Лабораторный        опыт        № 7. «Изменение рН в ходе окислительно-восстановительных реакций»

Лабораторный        опыт        № 9. «Основные свойства аммиака».

Пример. Лабораторный опыт № 11. «Определение кислотности почвы»

Цель работы - изменение рН почвы.

Перечень датчиков цифровой лаборатории: датчик рН.

Дополнительное оборудование: мерная колба - 250 мл; цилиндр мерный - 100 мл

Материалы и реактивы: раствор хлорида калия - 1 М.

Инструкция: Образец почвы в воздушно-сухом состоянии измельчают (при необходимости просеивают через сито). Взвешивают пробу почвы массой 30 г и помещают в коническую колбу. С помощью мерного цилиндра отмеряют 75 мл 1 М раствора хлорида калия и приливают в колбу. Почву с раствором перемешивают в течение 1 минуты. В полученную суспензию опускают датчик рН и через минуту записывают значение рН. Полученные данные заносят в таблицу и определяют тип почвы.

Датчик электропроводности предназначен для измерения удельной электропроводности жидкостей, в том числе и водных растворов веществ. Применяется при изучении теории электролитической диссоциации.

Диапазон измерения 1: от 0 до 200 мкСм/см Диапазон измерения 2: от Одо 2000 мкСм/см Диапазон измерения 3: от Одо 20000 мкСм/см Разрешение 1 (для диапазона 1): 0,5 мкСм/см Разрешение 2 (для диапазона 2): 5 мкСм/см Разрешение 3 (для диапазона 3): 20 мкСм/см Длина измерительного щупа: 155 мм Разъем для подключения щупа: BNC.

Использую следующий перечень работ:

8 класс

Лабораторный опыт № 4. «Определение водопроводной и дистиллированной воды»

9 класс

Практическая работа № 1. «Электролиты и неэлектролиты»

Лабораторный опыт № 1. «Влияние растворителя на диссоциацию»

Лабораторный опыт № 2. «Сильные и слабые электролиты»

Лабораторный опыт № 3. «Зависимости электропроводности        растворов        сильных        электролитов        от концентрации ионов»

Практическая работа № 2. «Определение концентрации соли        по электропроводности        раствора»

Лабораторный        опыт        №        4.        «Реакции ионного обмена. Взаимодействие        гидроксида бария с серной кислотой»

Лабораторный        опыт        №        5.        «Образование солей аммония»

Лабораторный        опыт        №        9.        «Основные свойства аммиака»

Лабораторный        опыт        №10. «Определение аммиачной селитры        и        мочевины»

Пример Лабораторный опыт № 1.

«Влияние растворителя на диссоциацию»

Цель работы - сформировать представление о роли растворителя в электролитической диссоциации.

Перечень датчиков цифровой лаборатории: датчик электропроводности.

Дополнительное оборудование: два высоких химических стакана (50 мл); стеклянная палочка.

Материалы и реактивы: CuSO4 безводный (имеет сероватый цвет. Получают, нагревая кристаллогидрат в чашке для выпаривания. Хранят в плотно закрытом сосуде); ацетон или спирт.

Инструкция к выполнению:

«В химический стакан насыпьте ~0,5 г безводного сульфата меди (II) CuSO4 и налейте ~25 мл спирта или ацетона.

Растворите вещество, перемешивая содержимое стакана стеклянной палочкой. Если растворить соль полностью не удается, аккуратно слейте полученный раствор в другой стакан.

Погрузите в раствор щуп датчика электропроводности и измерьте электропроводность.

Обратите внимание на цвет раствора. Прилейте к раствору 25 мл воды. Перемешайте, обратите внимание на изменение окраски.

Измерьте электропроводность полученного раствора».

        Надо сказать, что учащиеся с интересом работают с лабораторией, хотя, конечно, ее исследовательский вариант был бы куда интересней и применимей.

Следует отметить, что цифровую лабораторию активно использую, как правило, только для внеурочной деятельности школьников, в частности, для организации проектной формы работы. 

Причины ограниченного применения цифровой лаборатории на уроках;

• жесткие временные рамки урока;

• практически полное отсутствие количественного химического эксперимента в базовых учебных программах;

• превалирование иллюстрирующего химического эксперимента, недостаточное внимание к проблемному и исследовательскому эксперименту на уроках;

• недостаточная оснащенность кабинетов химии (так, для проведения 9 работ из 15 предложенных требуется магнитная мешалка, которая не поставляется вместе с основным оборудованием лаборатории. Датчиков базового варианта всего три);

• использование понятий, содержание которых существенно выходит за рамки ФГОС (базовый уровень), например: «водородный показатель, pH», «понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой кристаллизации чистого растворителя, криоскопия», «эфиры ароматических гидроксикислот, фенилсалицилат».

Несмотря на все ограничения, установка в школе оборудования цифровой лаборатории позволила:

перевести школьный практикум по химии и биологии на качественно новый уровень;

·           подготовить учащихся к самостоятельной творческой работе по химии и биологии;

·           осуществить приоритет деятельностного подхода к процессу обучения;

·           развить у учащихся широкий комплекс общих учебных и предметных умений;

·          овладеть способами деятельности, формирующими познавательную, информационную, коммуникативную компетенции.

         Полноценное и разнообразное применение цифровой лаборатории возможно и нужно в исследовательской и проектной деятельности.