Билет 11

1. Цифровые лаборатории и их особенности как средства обучения

В обучении химии большое значение имеет эксперимент. По результатам проведенных опытов учащиеся убеждаются в том, что те или иные теоретические представления соответствуют или противоречат практике, по результатам химического эксперимента можно убедиться в достоверности прогнозов, сделанных на основании теории. В процессе экспериментальной работы учащиеся приобретают опыт познания, являющийся важным этапом формирования у них убеждений, которые, в свою очередь, составляют основу научного мировоззрения. Педагоги нескольких поколений пытались внедрить в обучение химии количественные опыты (В. Н. Верховский, Д. М. Кирюшкин, П. А. Глориозов, В. С. Полосин и др.). Как известно, количественные измерения являются основой любой науки. Однако введение таких опытов в практику работы учителя химии сдерживалось их сложностью, недостаточной наглядностью и зачастую продолжительностью проведения, поэтому долгое время в обучении использовались в основном качественные опыты, что обедняло учебный процесс и ограничивало возможности педагога. Положение стало меняться с внедрением в школу цифровых лабораторий (ЦЛ) (их еще называют компьютерными лабораториями или датчиковыми системами). Они представляют собой набор датчиков, реагирующих на значения различных физических величин, и блок, отображающий и, возможно, обрабатывающий эти значения. В качестве блока может выступать персональный компьютер, специальная станция сбора данных или просто жидкокристаллический индикатор. Кроме того, цифровая лаборатория может включать ряд вспомогательных блоков. Учитель химии, вооруженный датчиками, компьютером и медиапроектором, теперь может быстро, наглядно и в реальном времени провести опыт и сопоставить различные количественные данные, представив их в виде таблицы или графика.

Количественные измерения имеют большое значение в обучении. Они расширяют возможности традиционного, качественного эксперимента, для которого определены частные функции: информативная, эвристическая, критериальная, корректирующая, исследовательская, обобщающая и мировоззренческая. Они позволяют сформировать осознанный подход учащихся к описанию свойств веществ, к пониманию учебного и научного фактов. Позволяют подготовить выпускников к критическому анализу информации, вооружить их инструментами для проверки достоверности приводимых аргументов, сформировать у них умение проводить и интерпретировать количественные измерения, с которыми они могут встретиться в быту, на производстве, в научно-исследовательской деятельности. Количественные параметры — неотъемлемая составляющая характеристики свойств вещества. В самом начале изучения химии школьники учатся описывать свойства веществ. Очень важно на этом этапе сформировать правильное представление о качественной и количественной стороне такого описания. Важно осознать, что характеризуют вещества не только химической формулой, но и целым набором параметров, количественно описывающих их физические и химические свойства. Ученик должен понимать, что агрегатное состояние — качественная характеристика вещества — это условная категория, требующая уточнения конкретных значений температуры и давления.

При изучении химии важно структурировать содержание на основе принципиального положения о том, что та или иная теория должна изучаться тогда, когда у школьников возникли вопросы, на которые она может ответить (т. е., по Выготскому, обучение нужно вести в зоне ближайшего развития). В этом случае знание будет актуально для школьника. Оно свяжется с уже имеющимися у школьника схемами, тем самым оптимально сохраняясь в рабочей памяти.

Цифровые лаборатории позволяют сформировать правильные представления о современном научном исследовании. Систематическое выполнение количественных экспериментальных задач вырабатывает у школьников необходимые умения точной количественной оценки результатов эксперимента и существенно изменяет характер поисковой познавательной деятельности. Решение творческих задач, связанных с количественными измерениями, побуждает учащегося к рефлективному мышлению, к поиску выхода из затруднений, к использованию методов, в том числе инструментальных, характерных для науки. Позволяет развить у школьников представления о научном факте, истинность которого устанавливается опытным, практическим путем. Решая такие задания в рамках урока или специальной проектно- поисковой деятельности, ученик должен понять, что единичное наблюдение, измерение, не является научным фактом. В химии, как и в других естественных науках, имеет место статистическая обработка множества данных, позволяющая снять содержащиеся в них случайные элементы и получить высказывание-резюме об этих данных которое и приобретает статус научного факта*. В связи с этим известный философ Карл Поппер, рассматривая проблему проверяемости научного знания, писал о превосходстве «методов, использующих измерения, над чисто качественными методами»**. Ученик должен понимать, что точные измерительные приборы, в том числе цифровые, периодически требуют настройки с применением эталонов, а в случае необходимости дополнительной калибровки. В информационное пространство современной школы интегрируются новые технологии химического образования, в частности компьютерные, поступает оборудование, расширяющее возможности учителя химии. Внедрение современной измерительной техники — цифровых лабораторий — в учебный процесс влечет за собой совершенствование химического эксперимента. Цифровые лаборатории позволяют организовать учебный эксперимент на принципиально новом уровне, сделать его более наглядным, показать изменение величин во времени, вывести результаты измерений на большой экран, перейти к элементам научного исследования, от исключительно качественной оценки наблюдаемых явлений до анализа количественных характеристик, в полной мере реализовать возможности межпредметных связей с физикой, экологией, биологией, математикой и информатикой. Они позволяют выполнять интегрированные учебные проекты по естественным наукам, применять и осваивать методы научной статистики, прикладной математики, информационных технологий. Цифровые лаборатории используются в учебном процессе для проведения химических демонстраций, организации практических занятий и лабораторных опытов, исследовательских практикумов, учебных проектов как на уроке, так и вне урока, в том числе и в полевых условиях. Они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, результаты экспериментов могут сохраняться в реальном времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью. ЦЛ обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционной формой проведения школьного химического эксперимента: z возможность сосредоточиться на осмыслении полученных экспериментальных данных, не отвлекаясь на рутинную процедуру их сбора; z высокая точность измерения параметров, позволяющая выявлять количественные закономерности на новом уровне; z возможность сбора больших массивов данных за короткое время и, как следствие, сокращение времени многих экспериментов.

В настоящее время в школы поступают следующие цифровые лаборатории:

• «Архимед» производства Fourier Systems, Inc , распространитель – Институт новых технологий

• «L-микро» производства компании «Лаборатория L-микро»

Цифровая (компьютерная) лаборатория – комплект учебного оборудования, включающий измерительный блок, интерфейс которого позволяет обеспечивать связь с персональным компьютером, контейнеры и датчики, регистрирующие значения различных физических величин. Комплект ЦЛ «Архимед» для кабинетов химии и биологии включает набор датчиков, позволяющих измерять:

• концентрацию катионов H+ в водных растворах (комбинированный pH-метр, внутри которого имеются две полуячейки, одна из которых содержит электрод сравнения, а другая – чувствительную стеклянную мембрану);

• концентрацию кислорода (амперометрический датчик, представляющий собой двухэлектродную систему из металлов, обладающих различными потенциалами на границе металл/кислород; интервал измерений в газовых смесях – 0–25% и в водных растворах – 0–12,5 мг/л);

• температуру (термоэлектрические преобразователи, работающие в интервалах от –200 °С до +400 °С и от 0 °С до +1250 °С);

• влажность (в конструкции датчика использованы влагочувствительные компоненты, представляющие собой электрические конденсаторы, емкость которых зависит от влажности газа (воздуха), в который они помещены);

• объемную скорость потока воздуха при вдохе и выдохе (пневмотахометр);

• частоту сердечных сокращений;

• освещенность;

• электрическое напряжение (вольтметр).

В комплект также может входить датчик оптической плотности для проведения калориметрических и турбидиметрических измерений, датчик электрической проводимости для кондуктометрии, ионселективные электроды, позволяющие измерять концентрацию следующих ионов: NO₃^-, F^–, Ca²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺ в интервале от 10^–5 до 10^–1 моль/л, и другие измерители.