CC BY
7МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИФРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА УРОКЕ И ВО ВНЕУРОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Е. А. ЕНЮШКИНА,
учитель физики МБОУ Лицей № 8 Н. Новгорода, аспирант ННГУ им. Н. И. Лобачевского lite.step @mail.ru
В статье рассматриваются новые образовательные стандарты по физике и современная концепция изучения предмета, которые предполагают создание такой системы организации образовательного процесса, которая позволит не только отвечать современным требованиям к обучению, но и станет основой развития в будущем. В связи с этим на первый план выступает применение цифровых технологий в экспериментальной и исследовательской деятельности учителя и учащихся.
The author of the article describes the new educational standards on physics and the modern concept of studying a subject which will allow not only to meet modern requirements to teaching, but also will become a development basis in the future. In this regard digital technologies play a very important role in the experimental and research activity of a teacher and pupils.
Ключевые слова: цифровая лаборатория «Архимед», цифровые исследования, проектно-исследовательская деятельность, естественные науки, «Ветлуг@.ру»
Key words: digital laboratory «Archimedes», digital researches, design and research activity, natural sciences,
Информационные технологии становятся сегодня неотъемлемой составляющей деятельности человека и проникают во все сферы жизни современного общества. На протяжении последних лет активно осуществляется информатизация образования. Происходит формирование новых моделей образования, предполагающих активное использование средств ИКТ.
Быстрое развитие вычислительной техники и расширение ее функциональных возможностей позволяют широко использовать информационные технологии на всех
этапах учебного процесса: во время лекций, практических и лабораторных занятий, при самоподготовке и для контроля и самоконтроля степени усвоения учебного материала, во внеклассной работе. Преподавание естественных наук в силу их особенностей представляет собой благоприятную сферу для применения современных информационных технологий.
Для выполнения требований федерального государственного образовательного стандарта выпускник школы должен овладеть основами научного метода познания и экспериментальными умениями и на-
выками, иметь представление о научном подходе к исследованию явлений природы с использованием новых информационно-коммуникационных технологий. Следуя современным требованиям, преподаватели лицея № 8 Нижнего Новгорода вот уже несколько лет используют в своей практике цифровые лаборатории «Архимед» производства Fourier System, Inc (Израиль). Цифровая лаборатория предназначена для проведения демонстраций и лабораторных работ по физике, биологии и химии, проектной и исследовательской деятельности учащихся. В состав лаборатории входят: мобильный компьютер NOVA5000, комплект цифровых датчиков для измерения различных величин, программа для персонального компьютера, комплект дополнен цифровым микроскопом QX5.
Опыт работы с использованием цифровой лаборатории показал, что ее применение может быть полезно как в практике обычного урока на различных его этапах, так и во внеурочной деятельности. Данное оборудование не исключает реальный эксперимент, в отличие от большого числа появившихся в последнее время виртуальных лабораторий, предлагающих компьютерные модели реальных опытов. Такие модели, бесспорно, нужны и важны, но не как замена реального опыта, а как его дополнение, так как работа проводится с идеальными моделями, и, конечно, для моделирования тех процессов, которые не могут быть реализованы в условиях школьного кабинета.
Программа MultiLab цифровой лаборатории «Архимед» позволяет:
3 собирать данные и отображать их в ходе эксперимента, проводимого на реальном оборудовании;
3 выбирать различные способы отображения данных — в виде графиков, таблиц, табло измерительных приборов;
3 проводить математическую обработку полученных данных (сглаживание, дифференцирование, аппроксимацию и т.д.);
3 импортировать / экспортировать данные текстового формата;
3 вести журнал экспериментов;
3 просматривать видеозаписи проведенных экспериментов;
3 проводить видеоанализ движения на плоскости произвольного объекта, зафиксированного в процессе видеосъемки (оцифровка траектории).
Использование цифровых лабораторий на уроках позволило расширить диапазон опытов и исследований, работать с быстропротекающими процессами, повысить научный уровень исследований.
Цели использования лаборатории «Архимед», которые мы ставим перед собой, согласуются с национальной образовательной инициативой «Наша новая школа» [3] и могут быть определены следующим образом:
3 реализовывать новые подходы в обучении;
3 способствовать формированию у учащихся навыков исследовательской деятельности;
3 раскрывать творческий потенциал учащихся;
3 осуществлять возможность поиска, обработки и анализа информации на современном оборудовании, не исключая при этом традиционного.
Демонстрационный эксперимент с цифровыми лабораториями «Архимед» становится более наглядным, ведь явление, воспроизводимое на демонстрационном столе, сопровождается одновременным построением графика зависимости измеряемой датчиком величины от времени.
Например, на момент введения понятия графика движения в 7-м классе учащиеся имеют лишь начальные знания о системе координат и не имеют представления о математическом понятии «график зависимости одной величины от другой».
Цифровые лаборатории «Архимед» предназначены для проведения демонстраций и лабораторных работ по физике, биологии и химии, проектной и исследовательской деятельности учащихся.
Эффективно применение цифровой лаборатории при проведении фронтальных лабораторных работ и в работах по исследованию зависимости одной физической величины от другой.
А нам необходимо, чтобы ученики овладели культурой графического представления физических величин, умением их анализировать. И демонстрируемые в реальном времени изменения координаты движущегося тела со временем, спроецированные в виде графика на доску, воспринимаются очень хорошо, и усвоение этой темы идет быстрее и качественнее.
При изучении темы «Тепловые явления» демонстрационный опыт по построению графика плавления и кристаллизации твердого тела приобретает новый вид. Используя датчик температуры, получаем реальный график изменения температуры со временем [7]. Это очень удобно, так как если мы используем обычный термометр, его показания видят только несколько учеников, а при использовании цифровой лаборатории и проектора показания датчика выводятся на экран в режиме реального времени и их видят все. И горизонтальность участка, отражающего плавление (кристаллизацию), воспринимается как реальный экспериментальный факт и после объяснения становится понятной. Как показывает практика, момент постоянства температуры при фазовых переходах ученики воспринимают только на уровне запоминания, а не понимания.
Нельзя не отметить эффективность применения цифровой лаборатории при проведении фронтальных лабораторных работ. С цифровыми датчиками стандартные работы можно автоматизировать, освободить время для проведения обработки и анализа экспериментальных данных. Конечно, не во всех работах это полезно. Лабораторные работы, имеющие целью знакомство с лабораторным оборудованием, и прямые измерения лучше проводить на традиционном оборудовании. Например, измерение размеров малых тел методом рядов, измерение силы тока амперметром, сборка электромагнита и испытание его действия.
На первом этапе изучения физики цифровое оборудование следует применять осторожно и дозированно, чтобы не вызвать эффект «черного ящика». Например, лабораторные работы по проведению косвенных измерений, определение ускорения тела при равноускоренном движении по наклонной плоскости, измерение ускорения свободного падения. Так, традиционная лабораторная работа по определению коэффициента трения скольжения может быть расширена определением и коэффициента трения покоя. Вместо динамометра используется датчик силы и ЦЛ. Двигая брусок с помощью датчика силы, получаем график зависимости изменения приложенной силы от времени. И определяем не только силу трения скольжения, но и максимальную силу трения покоя, и, зная вес бруска и грузов, можем определить не только коэффициент трения скольжения, но и максимальный коэффициент трения покоя и сравнить их.
И, конечно, наиболее выигрышно лабораторию можно использовать в работах по исследованию зависимости одной физической величины от другой. Например, лабораторная работа «Изучение зависимости периода свободных колебаний пружинного маятника от массы груза». В данном эксперименте исследуется движение груза на пружине, колеблющейся в вертикальном направлении с грузами разной массы. Графики зависимости координаты от времени, полученные с использованием датчика расстояния, во-первых, показывают гармоничность малых колебаний, во-вторых, позволяют быстро определить период свободных колебаний пружины с разными грузами и выявить искомую зависимость. Можно провести работу по исследованию движения груза на пружине и экспериментально доказать, что свободные механические колебания с течением времени ослабевают (затухают). В ходе эксперимента одновременно можно измерять и силу, действующую на пружину, и положение груза при помощи датчиков силы и расстояния, при достаточно
большом времени измерения (от 2 до 4 минут) можно увидеть изменение амплитуды колебаний — затухающие колебания.
Получение графика гармонических колебаний занимает несколько минут с учетом сбора экспериментальной установки, и поэтому данный опыт можно использовать для постановки экспериментальной задачи, в которой даются различные задания: определить период, частоту и амплитуду колебания, написать уравнение колебания, найти жесткость пружины (если вместо груза на пружине взять математический маятник, то — ускорение свободного падения), определить максимальную силу и максимальное ускорение и т. д.
Выгодно использовать ЦП и в работах физического практикума, традиционно проводимых в конце учебного года. Здесь особенно важна автоматизация сбора данных, так как работы более сложные и комплексные, данных собирать нужно много, много проводить расчетов. Кроме того, что стратегически более важно, работы практикума можно организовывать не только как проверку закономерностей, но и как исследование, самостоятельное «открытие» связей величин и пр.
Большинство учителей, имеющих в своем арсенале цифровую лабораторию, отмечают, что основное направление ее использования — проектно-исследователь-ская деятельность учащихся в рамках элективных курсов и факультативов [4]. Исследовательская деятельность связана с открытием новых для учащегося явлений, связей, закономерностей. ЦП позволяет выполнять естественнонаучные исследования на современном уровне, исследовать действительно интересующие учащихся объекты и явления, находить свои варианты решения.
Например, проектная работа для учащихся 10-го класса, которую можно провести параллельно с изучением законов механики [6]. Для этого необходимо организовать группы из нескольких учеников. Каждая группа получает индивидуальное задание, включающее в себя несколько
этапов. Первый этап — съемка короткого видеофильма, демонстрирующего плоское движение (движение тела по наклонной плоскости, свободно падающего, брошенного горизонтально или под углом к горизонту и т. д.). Второй этап — результат видеозаписи представить в формате Ои1окТ1тэ (*.тоу, *.ау|). Третий этап — обработка полученных видеофильмов в программе МиШЬаЬ: получение графиков движения х(^ и у^) и их математическая обработка для получения информации о скорости и ускорении, получение траектории движения. Завершающий этап — подготовка доклада об особенностях изученного движения, о выполнении законов сохранения, о проявлении сил сопротивления среды (каждой группе задачу можно конкретизировать).
Но в исследовательских проектах факультативных и элективных курсов в большинстве своем принимает участие только часть учащихся, наиболее мотивированная и способная к такой деятельности. А внеурочная деятельность учеников хороша тем, что исследования, проводимые ими, не ограничены по времени, поэтому применение цифровой лаборатории предоставляет большие возможности.
Компактность и мобильность лаборатории позволяет применять ее в исследовательских проектах и в походных условиях. На протяжении двух лет нижегородский лицей № 8 организует экологический передвижной лагерь-экспедицию по цифровому исследованию реки «Ветлуг@.ру». В экспедиции принимают участие преподаватели, учащиеся лицея и других школ города и области.
В ходе работы этого лагеря цифровое оборудование использовалось для организации различных эколого-биологичеких, гидрохимических и физических исследований реки Ветлуги и ее прибрежных территорий. По результатам исследований бы-
ЦЛ позволяет выполнять естественнонаучные исследования на современном уровне, исследовать действительно интересующие учащихся объекты и явления, находить свои варианты решения.
ли написаны научные работы, сделавшие авторов победителями районных и городских НОУ. Проект «Ветлуг@.ру» направлен на решение проблем экологического воспитания; занятости школьников в летний период; на приобретение навыков проектной деятельности; на освоение и использование современного электронно-цифрового оборудования для инновационных исследовательских методов.
В процессе экспедиции проводились различные исследования:
3 определение индекса чистоты реки и ее притоков в разных местах по маршруту следования и физико-химические свойства водоема методом Вудивиса;
3 изучение микроклимата реки, включающее в себя определение изменения температурного режима речной воды в зависимости от времени суток, от глубины реки, от скорости течения, от структуры дна, определение скорости течения реки на разных участках, расчет расхода воды, определение изменения температуры, влажности, давления, освещенности в течение дня, определение радиационного фона по маршруту экспедиции;
ЛИТЕРАТУРА _
3 сравнительные исследования походного оборудования (палаток, дождевиков, курток).
Данный вид деятельности вызывает большой интерес у школьников, расширяет круг общих учебных умений, навыков и способов деятельности школьников, необходимых в XXI веке, способствует социальной адаптации подростков в природе и обществе.
В поисках эффективных методов работы каждый учитель выбирает путь, который позволил бы повысить интерес к предмету, получить высокий результат обучения.
Использование ЦЛ «Архимед» позволяет «оживить» само содержание предмета, усилить экспериментальную составляющую естественных наук, показать изучаемое явление в педагогически трансформированном виде и тем самым создать необходимую экспериментальную базу для его изучения, проиллюстрировать проявление установленных в науке законов и закономерностей в доступном для учащихся виде, повысить интерес учащихся к изучаемому предмету.
1. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе / под ред. А. А. Покровского. — Ч. 2. — М. : Просвещение, 1979. — 432 с.
2. Леонтович, И. В. Об основных понятиях концепции развития исследовательской и проектной деятельности учащихся / И. В. Леонтович / / Исследовательская работа школьников. — 2003. — № 4. — С. 12—17.
3. Национальная образовательная инициатива «Наша новая школа» // URL: http:// news. kremlin. ru / news/6683.
4. Полуяхтов, А. В. Применение цифровой лаборатории в исследовательской деятельности школьников / А. В. Полуяхтов // Цифровые образовательные ресурсы в учебном процессе педагогического вуза и школы : тезисы докладов II региональной научно-практической конференции. — Воронеж : ВГПУ, 2008. — С. 33—36.
5. Сборник нормативных документов. Физика / сост. : Э. Д. Днепров, А. Г. Аркадьев. — М. : Дрофа, 2007. — 107 с.
6. Филиппова, И. Я. Информационные технологии в преподавании физики / И. Я. Филиппова // URL: http://ifilip.narod.ru.
7. Цифровая лаборатория по физике : метод. пособие. — М. : ИНТ, 2008. — 375 с.
