Учитель
физики Ж. В. Клюшина,
МБОУ
СОШ №37,
г.
Шахты Ростовской области
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЦИФРОВОЙ ЛАБОРАТОРИИ «АРХИМЕД»
НА
УРОКАХ ФИЗИКИ
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:
ü регистратор
данных, позволяющий записывать и анализировать экспериментальные данные;
ü компьютер с
программным обеспечением для управления регистратором;
ü 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):
№ п/п
|
Тема
работы
|
Класс
|
1
|
Исследование зависимости силы тяжести от
массы тела
|
7
|
2
|
Исследование силы трения
|
7
|
3
|
Исследование
зависимости удлинения пружины от силы ее растяжения
|
7
|
4
|
Проверка
закона сохранения энергии при действии сил тяжести и упругости
|
10
|
5
|
Измерение температуры вещества
|
8
|
6
|
Изучение явлений теплообмена
|
8
|
7
|
Сравнение количеств теплоты при
смешивании воды разной температуры
|
8
|
8
|
Измерение удельной теплоемкости вещества
|
8
|
9
|
Измерение влажности воздуха
|
8
|
10
|
Проверка уравнения состояния газа
|
10
|
11
|
Исследование изотермического и
изохорного процессов
|
10
|
12
|
Сборка электрической цепи и измерение
силы тока на ее различных участках
|
8
|
13
|
Измерение напряжения на различных
участках электрической цепи
|
8
|
14
|
Исследование зависимости силы тока в
проводнике от напряжения на его концах
|
8
|
15
|
Измерение работы и мощности
электрического тока
|
8,
10
|
16
|
Исследование магнитного поля тока
|
8,
10
|
17
|
Изучение
явления электромагнитной индукции
|
9,
11
|
18
|
Изучение зависимости сопротивления
металлического проводника от температуры
|
11
|
19
|
Исследование зависимости сопротивления
проводника от его геометрических размеров
|
11
|
20
|
Снятие температурной характеристики
термистора
|
11
|
21
|
Наблюдение явления самоиндукции
|
11
|
Перечень
датчиков цифровой лаборатории по физике
|
Назначение
|
Принцип
действия
|
Датчик
микрофонный
|
Регистрация
звуковых колебаний
|
Изменение
емкости конденсатора под действием давления звуковой волны
|
Датчик
индукции магнитного поля
|
Измерение
магнитной индукции
|
Эффект
Холла
|
Датчик
освещенности
|
Измерение
интенсивности света
|
Каждый
фотон выбивает электрон.
|
Датчики
для измерения электродинамических величин
|
Датчик
напряжения
|
Измерение
постоянного и переменного напряжения
|
Падение
напряжения на сопротивлении более 1 Мом
|
Датчик
тока
|
Измерение
постоянного и переменного тока
|
Падение
напряжения на сопротивлении 1 Ом
|
Датчики
для измерения термодинамических величин
|
Датчик
температуры
|
Измерение
температуры
|
Термопара
|
Датчик
влажности
|
Измерение
влажности
|
Электронный
генератор зависит от величины диэлектрической проницаемости конденсатора
|
Датчик
давления
|
Измерение
давления газа или жидкости
|
Изменение
сопротивления мембраны при ее деформации
|
Датчики
для измерения механических величин
|
Датчик
силы
|
Измерение
сил
|
На
концах бруска, который деформируется, установлены тензорные датчики
|
Датчик
расстояния
|
Измерение
расстояния
|
Звуковой
локатор
|
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.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.