Совершенствование системы самостоятельного
эксперимента в старшей школе
на основе применения цифровой лаборатории
– учитель физики,
МОУ Удельнинская гимназия.
Цифровая лаборатория представляет собой набор всевозможных цифровых датчиков (давления, температуры и др.), ноутбук со специализированным программным обеспечением (мы используем программные комплексы развлечения» и фирмы Учтехприбор «Радуга») и необходимое оборудование для проведения экспериментов по всем разделам физики школьного курса.
В старшей школе самостоятельный эксперимент представлен в двух формах: фронтальная лабораторная работа и физический практикум. В нашей гимназии 20 часов практикума, предусмотренные программой в конце 11 класса всегда были разделены пополам: 10 часов после 10 класса и 10 часов после 11 класса. Таким образом, все эксперименты, обязательные к выполнению в 10 классе, имели статус либо фронталки, либо работы практикума.
И вот тут как нельзя кстати подоспела идея интегрированного эксперимента. Эта идея была разработана и , и ее суть заключается в объединении двух форм самостоятельного эксперимента (фронтального и практикума) в одну новую форму – интегральную.
Я скажу лишь об одном необходимом условии интегрального эксперимента. Таким обязательным условием является перенос экспериментальных работ с конца года в то место, где изучается соответствующая тема. Нам это очень пришлось по душе. Ведь конец года всегда скомканный: в 10 классе дети уже расслаблены, в 11-ом, наоборот, напряжены, но совершенно другими проблемами. В любом случае им не до сложных долгих работ по давно забытым темам. А экспериментальное исследование, проведенное сразу после изучения темы, будет очень кстати.
Но прежде осуществить такой перенос было невозможно. Во-первых, установки для подобных работ в школе имелись в одном-двух экземплярах. Во-вторых, и об этом речь пойдет ниже, работы практикума требовали для своего выполнения длительного времени, что не позволяло вклинить их в рабочую программу. Сейчас же цифровые технологии позволяют разделить всю работу на два этапа: наблюдение явления и снятие показаний датчиков – первый, и обработка результатов, которую можно выполнять и дома, – второй. Итак, взяв интегрированную систему на вооружение, мы попытались кое-что сделать в этом направлении. А именно: исследование адиабатного процесса очень органично удалось вписать в учебный процесс, перенеся его из конца года в середину и проведя фронтально. Возможностью проводить работы практикума фронтально после прохождения соответствующей темы плюсы и достоинства цифровой лаборатории не исчерпываются. Например, некоторые лабораторные работы, проводимые ранее на традиционном оборудовании, мы проводим с помощью цифровой лаборатории. Это изохора [1 клик], я на нее заменяю изобару, и изотерма [2 клика]. А в этом году к ним присоединится «Изучение закона сохранения энергии» [2 клика].
Стоит ли это делать? Работы на традиционном оборудовании проводить в цифровом виде? Какие это дает преимущества? Судите сами. Здесь я сфотографировала экран(смотри презентацию), на котором находится электронный отчет ученика. Вот в таком виде ребята сдают лабораторные работы. Здесь фото установки, временная развертка показаний датчика, таблица значений и график, построенный по таблице. А в конце выводы. Вот отчет другого ученика. Никаких тетрадей – только файл Word. Такой отчет, несомненно, экономит время. Автоматически строящиеся таблицы и графики позволяют сразу же получать результаты, анализировать их и при необходимости что-то корректировать и повторять эксперимент. Эксперимент получается быстрый и наглядный.
О том, хороша или плоха такая автоматизация и имеет ли она место быть, мы поговорим чуть позже. Сейчас я говорю лишь о том, что цифровая лаборатория предоставляет такие возможности.
Итак, я рассказала о втором плюсе цифровой лаборатории – возможности перевести традиционные фронтальные работы в цифровой режим. Следующим плюсом я считаю то, что цифровой лаборатории позволяет делать полноценные, но в то же время кратковременные эксперименты. В нашей таблице это «Измерение мгновенной скорости» и «Измерение ускорения», выделенные голубым. И хотя этих экспериментов нет в программе 10 класса (они представлены как лабораторные работы на весь урок в 9 классе), мы их ввели как кратковременные и убили тем самым двух зайцев. Первое – повторили методику измерения мгновенной скорости (причем, на мой взгляд, это ключевой эксперимент, так как он раскрывает суть определения мгновенной скорости), и второе: на простых известных экспериментах ученики знакомятся с цифровой лаборатории, интерфейсом программного обеспечения, учатся оформлять отчеты. Я уверена, что такие кратковременные фронтальные работы можно проводить и при изучении других разделов физики.
Итак, взглянув на таблицу, мы видим, сколько экспериментов можно проводить с помощью цифровой лаборатории. Я уверена, что все их можно проводить в цифровой форме. Это лишь вопрос времени. И последнее, о чем я хочу сказать, это о различных сценариях, которые цифровая лаборатория позволяет осуществлять в зависимости от тех или иных предпочтений учителя. Я обещала вернуться к этому вопросу.
Как я уже рассказывала, цифровая лаборатория позволяет сделать школьный самостоятельный эксперимент полностью автоматизированным:
- камера фотографирует экспериментальную установку;
- программа делает временную развертку показаний датчиков;
- автоматически заносит значения в выбранных точках в таблицу;
- автоматически строит по таблице график.
Ученику лишь остается выбрать в предложенном списке вид аппроксимирующей кривой, проанализировать рассчитанные программой коэффициенты и в лучшем случае по полученным коэффициентам рассчитать какую-нибудь величину.
Многие восторгаются такими возможностями. И действительно, это быстро, красиво, наглядно. Это перспективно, в конце концов, ведь дает представление о современном научном эксперименте.
Но некоторые учителя опасаются такого автоматизированного эксперимента, полагая, что при этом суть изучаемого физического процесса ускользает от учеников. И, так как ученик не участвует непосредственно в обработке результатов эксперимента, у него может не сформироваться понимание процесса эксперимента и его этапов. И эти опасения небезосновательны.
Мне кажется самым разумным придерживаться золотой середины, а именно: проводить работы как полностью автоматизированные с отказом от бумажного отчета, так и работы с традиционным заполнением таблиц вручную и построением графиков на миллиметровке. В этом случае цифровой лаборатории используется просто в качестве цифровых датчиков.
И третий вариант – это всевозможные комбинации этих крайних форм. И цифровая лаборатория позволяет осуществлять все эти сценарии и открывает пространство для индивидуального творчества каждого учителя в зависимости от его предпочтений. Например, самые первые ознакомительные работы мы проводим с миллиметровками, с самостоятельным высчитыванием тангенса угла наклона. И когда все этапы эксперимента ребятами пройдены вручную и прочувствованы, тогда на более сложных работах их можно освободить от рутины и позволить компьютеру построить график в считанные секунды. Но самыми удачными во всех отношениях я считаю такие сценарии, в которых цифровой лаборатории предоставляет лишь временную развертку показаний цифровых датчиков. Ученик выбирает нужные точки и соответствующие значения вручную заносит в таблицу Exel. На этом работа с цифровой лаборатории заканчивается, а затем обработка результатов делается учеником самостоятельно, но не вручную, а с помощью компьютера, например, с помощью Exel. Такой сценарий позволяет сам эксперимент провести в классе, а обработку результатов задать на дом. В таком случае явно прослеживаются тесные межпредметные связи с информатикой.
Вот здесь для примера показаны домашние задания ребят после наблюдения адиабатного процесса в классе. Ребятам было задано дома построить на одном графике адиабату и изотерму. Как показывает опыт, ребята прекрасно с этим справляются дома. Тем самым освобождается время на уроке.
