Использование цифровых лабораторий на уроках химии и во внеурочное время

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛАБОРАТОРИЙ НА УРОКАХ ХИМИИ И ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ

Автор: С.В. Выскребенцева - учитель химии и биологии

МБОУ СОШ №1, ст. Крыловская, МО Крыловский район, Краснодарский край

Краткая аннотация статьи:

Цифровые лаборатории по химии – новое поколение школьных естественно-научных лабораторий. Они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов. Проведенные эксперименты могут сохраняться в реальном масштабе времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью. Лаборатории позволяют проводить опыты и учебные исследования как в классе, так и в полевых условиях. Использование цифровых лабораторий способствует значительному поднятию интереса к предмету и позволяет учащимся работать самостоятельно, при этом получая не только знания в области естественных наук, но и опыт работы с интересной и современной техникой, компьютерными программами, опыт информационного поиска и презентации результатов исследования.

Широкое внедрение информационных технологий в процесс преподавания в школе является одним из проявлений масштабной информатизации всего общества. При этом требования федерального стандарта основного общего образования предполагают интеграцию обеспечения всеобщей компьютерной грамотности и деятельностного характера процесса обучения. Согласно ФГОС второго поколения, результатом освоения основной образовательной программы основного общего образования при изучении естественных наук является обеспечение формирования умений проведения простых экспериментальных исследований, прямых и косвенных измерений с использованием аналоговых и цифровых измерительных приборов и навыков адекватной оценки полученных результатов, приобретение опыта применения научных методов познания, наблюдения явлений. [1]

Два года назад наша школа получила в рамках краевой программы «Современная школа» кабинет химии, в числе которого среди прочего разнообразного лабораторного оборудования были цифровые лаборатории Эйнштейн. Эти лаборатории позволяют проводить демонстрационные и лабораторные эксперименты с использованием цифровых компьютерных измерителей – датчиков, тем самым в полной мере соответствуют требованиям образовательного стандарта и тенденциям современного мира, т.к. позволяют сочетать полноценный эксперимент с возможностями современных компьютерных инструментов.

Преимущества использования педагогом цифровых лабораторий в ходе урочной и внеурочной деятельности очевидны: эксперимент становится информационно более насыщенным, наглядным и понятным ученикам, т.к. получаемые в процессе проведения эксперимента результаты измерений в виде графиков и таблиц отображаются на экране; выполнение фронтальных лабораторных работ с использованием цифровых лабораторий расширяет круг возможных измерений; возрастает интерес к изучению химии; способствует формированию навыков исследовательской деятельности.

Использование цифровых лабораторий в образовательном процессе нацелено на:

• повышение уровня мотивации и познавательной активности учащихся;

• формирование готовности учащихся использовать свои знания в ре-альных жизненных ситуациях (изучать реальный мир, моделируя различные процессы);

• реализацию задач интеллектуально-направленной педагогики как средства развития и саморазвития одаренных детей в ИКТ-насыщенной среде;

• изменение способов взаимодействия между школьниками и педагогами в ходе совместной урочной и внеурочной деятельности.

Экспериментирование – необходимая и весьма важная часть изучения естественных наук. Цифровые лаборатории по химии – новое поколение школьных естественно-научных лабораторий. Они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов. Проведенные эксперименты могут сохраняться в реальном масштабе времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью. Лаборатории позволяют проводить опыты и учебные исследования как в классе, так и в полевых условиях. [2]

Итак, что же собой представляет цифровая лаборатория Эйнштейн?

Полноценная цифровая лаборатория состоит из: ряда специализированных датчиков, регистратора данных, программного обеспечения, которое позволяет управлять сбором данных и проведением эксперимента, справочных и методических материалов.

Основу цифровой лаборатории составляет регистратор данных - устройство, которое фиксирует показания датчиков. Регистраторы бывают разных моделей. Наиболее популярные регистраторы серии Einstein: еinstein™LabMate+ и планшетный регистратор данных еinstein™Tablet+. Символ «+» означает наличие встроенных в регистратор датчиков. Сначала в школу поступили обычные планшеты и регистраторы еinstein™LabMate+. И первые эксперименты мы выполняли именно на них. Особенностью является то, что необходимо небольшое время для соединения по Bluetooth регистратора данных и программного обеспечения MiLAB. Но через полгода нам заменили обычные планшеты на планшетный регистратор еinstein™Tablet+, который представляет собой самостоятельное устройство на платформе Android и позволяет анализировать данные с датчиков непосредственно на 7’’ экране. Его можно назвать полноценной цифровой лабораторией, поскольку всё программное обеспечение уже установлено в планшет. Устройство может быть подключено к проектору для демонстрации эксперимента всему классу и не требует больших дополнительных усилий по настройке. [3]

В планшетный регистратор еinstein™Tablet+ встроены 10 различных датчиков – влажности, температуры окружающей среды, давления, освещенности, звука, ультрафиолетового излучения, сердцебиения, камера, микрофон, а также датчик движения акселерометр. Но в наборе цифровой лаборатории были еще и внешние датчики:

1) Датчик температуры (от - 40˚С до 140˚С). Этот датчик выполнен из прочной нержавеющей стали и покрыт защитным материалом, что делает его более долговечным, чем традиционный стеклянный термометр. Благодаря широкому диапазону измерений датчика его можно использовать для проведения большого количества экспериментов не только в области химии, но и биологии , физики и экологии. Предназначен для измерения температуры воды и растворов.

2) Датчик температуры – термопара (от 0 до 1200˚С). Используется для различных высокотемпературных измерений, мониторинга химических процессов, которые происходят при высоких температурах, в том числе в лабораторных печах. Высокая точность и надежность датчика делает его отличным инструментом для проведения сложных химических экспериментов.

3) Датчик давления газа. Может быть использован для проведения большого количества экспериментов в области биологии, химии и физики. По химии используют для изучения каталитических реакций, разложения перекиси водорода в присутствии оксида марганца, а также объединенного газового закона.

4) Датчик рН. Этот датчик является альтернативой традиционному рН-метру, так как позволяет реализовать ряд дополнительных возможностей, к примеру таких, как замер значений рН и отображение результатов на интерактивном графике. Датчик способен измерять весь диапазон значений рН (0-14). По химии может быть использован при проведении кислотно-основного титрования, растворения щелочи в воде, изучении реакции взаимодействия кислоты с щелочью и некоторых экзотермических реакций.

5) Датчик электропроводности. Предназначен для проведения опытов по определению электрической проводимости различных растворов электролитов. Благодаря датчику можно наглядно по графику сравнивать электропроводимость раствором кислот, щелочей и солей.

6) Датчик углекислого газа. Этот датчик можно использовать для проведения большого количества экспериментов не только в области химии, но и биологии, физики и экологии. Например, для фиксации изменений концентрации СО₂ в парнике в результате фотосинтеза растений; или изменение уровня углекислого газа в классе; или определение скорости образования углекислого газа в ходе химической реакции соляной кислоты и бикарбоната натрия.

7) Датчик кислорода. Датчик состоит из гальванического электрода, способного измерять кислород как в воздухе, так и в растворах. Поэтому этот датчик можно использовать, например, для измерения кислорода в аквариуме или изучении фотосинтеза. В химии с помощью данного датчика можно исследовать изменение уровня кислорода в процессе горения или его выделение в ходе реакции разложения кислородсодержащих веществ.

8) Датчик колориметр трехцветный. Предназначен для определения концентрации некоторых растворенных веществ (ионов) в зависимости от оптической плотности раствора. В химии с помощью данного датчика можно изучать закон Бюгера-Ламберта-Бера, химическое равновесие и определять константу равновесия. [4]

Отдельно рассмотрим работу с графиками в программеMiLAB. В целом графики представляют собой набор данных от одного или нескольких датчиков, где по оси Y (вертикальной оси) отложены показания датчика в зависимости от времени по оси Х (горизонтальной оси). По умолчанию графики в MiLAB автоматически масштабируются, что означает, что можно видеть весь построенный график. Причем для увеличения определенного участки гарфика достаточно прикоснуться к экрану и развести двумя пальцами, а для уменьшения масштаба, наоборот, свести два пальца друг к другу. Также можно растягивать и сжимать ось Х и Y для увеличения или уменьшения масштаба этих осей.

Анализ информации, содержащейся в графике, - одна из самых важных и мощных функцийMiLAB. Чтобы использовать функции анализа, необходимо выбрать хотя бы одно точку на графике и поставить на точку курсор.MiLAB сразу же отобразит значения координат этой точки под осью Х. Можно использовать до двух курсоров на одном графике одновременно. При выборе двух курсоров разница между значениями в этих точках также будет отображаться в нижней части поля графика. [5]

После замены обычных планшетов на планшетные регистраторы с прошлого учебного года я стала использовать цифровые лаборатории почти на всех практических работах в 8-9-х классах. Так на практической работе по изучению строения пламени и знакомству с устройством спиртовки очень удачно вписался датчик термопары. Опыт с ним провожу демонстрационно, так как он один в наличии. Но график вывожу на интерактивную плазменную панель, у нее есть возможность соединиться через Bluetooth с регистратором данных (они остались в наличии). Поэтому получается очень наглядно. Изменение температуры в зависимости от зоны пламени четко фиксируется на графике. И в эту же практическую работу я добавила опыт с нагреванием для учащихся. После того, как ребята узнали, как работать со спиртовкой, в какой части пламени лучше проводить нагревание, предлагаю им самим провести опыт с нагреванием, соблюдая все правила техники безопасности, и главное – с использованием цифровой лаборатории, конкретно с датчиком температуры. Ребята нагревают просто воду в пробирке, куда опускают щуп датчика температуры, делают замеры в течение 50 с., а затем анализируют по графику, до какой температуры удалось нагреть воду. Тоже очень наглядно получается. Учащиеся закрепляют таким образом навык работы как с лабораторным оборудованием и спиртовкой, так и сразу же учатся работать с цифровой лабораторией.

Еще одна практическая работа теперь не обходится без использования датчика температуры – 8 класс «Признаки химических реакций». Традиционно в этой практической работе с учащимися проделывали опыты на такие признаки химических реакций, как изменение цвета, выпадение осадка, выделение газа и, если хватает времени, появление запаха. А вот пятый признак – выделение или поглощение тепла – раньше было как-то проблематично выполнить, так как многие реакции сопровождаются незначительным изменением тепла, и зафиксировать это было нечем. Теперь же с помощью датчика температуры даже незначительное выделение тепла можно наглядно увидеть на графике по изменению температуры. В этом опыте даю реакцию нейтрализации, при этом щелочь сначала подкрашиваем фенолфталеином, опускаем щуп датчика температуры, запускаем на планшете программу и понемногу приливаем кислоту. Получаем два признака в одном опыте – и изменение цвета, и выделение тепла.

В 9-м классе практические работы по получению газов водорода, кислорода, аммиака и углекислого газа теперь провожу с использованием датчиков давления. А для кислорода и углекислого газа – с датчиками кислорода и углекислого газа соответственно. Раньше мы доказывали выделение того или иного газа с помощью качественных реакций. Безусловно, это наглядно и доказательно. Но с помощью этих датчиков можно количественно определить концентрацию данных газообразных веществ, что не менее интересно и наглядно для учащихся. Датчик давления очень чувствительный, и фиксирует малейшие изменения, которые на графике сразу же отображаются скачками кривой. А на практической работе по качественному определению ионов в растворе очень удачно вписался датчик колориметр трехцветный. Правда, опыт с ним провожу демонстрационно, так как этот датчик в единственном экземпляре. Но тоже подключаюсь по Bluetooth с интерактивной плазменной панелью, и график вывожу на нее. В основном работаем по качественной реакции на катионы железа(3+) с роданид-анионами. Здесь продукт этой реакции поглощает синий свет (и, следовательно, в растворе отображается красным цветом). Поэтому для проведения измерения используем синий фильтр. С помощью колориметра трехцветного определяем концентрацию продукта описанной реакции. Получается, что одновременно учащиеся видят проявление признака химической реакции, и еще определяют количественно содержание продукта реакции. Ребятам очень нравятся эти практические работы! Всегда с нетерпением ждут их.

Не только практические работы, но и лабораторные опыты с использованием цифровых лабораторий стали более наглядными. В 8-м классе в теме «Электролитическая диссоциация» уже не представляю опыт без датчика электропроводности. Загорающаяся лампочка, конечно, хорошо и тоже наглядно, но когда опыт проводит каждый ученик и воочию видит изменение графика в растворах электролитов, эффект совсем другой, восприятие темы намного лучше происходит. В темах «Кислоты» и «Основания» даю ребятам провести лабораторный опыт по определению среды раствора сначала с помощью индикаторов, а потом с использованием датчика рН. Сразу же здесь их кратко знакомлю с этим понятием рН, и тогда анализ графика происходит без проблем. Аналогично проводим опыты и в 9-м классе при изучении серной и азотной кислот.

В этом году стала проводить практические работы и лабораторные опыты и в старших классах. В органической химии, конечно, более проблематично использовать датчики, но вполне возможно. В основном использую датчик температуры, чтобы нагляднее учащимся показать, что реакции с участием органических веществ тоже могут сопровождаться как выделением, так и поглощением тепла. А в работах по получению этилена и ацетилены, конечно же, использовали датчик давления. А вот в 11-м классе особенно в профильной группе уже несколько практических работ подряд ребята выполняют с использованием цифровых лабораторий. Так, получение газообразных веществ проделали также с помощью датчика давления. А в работе по окислительно-восстановительным реакциям мы использовали сразу два датчика – температуры и рН среды, чтобы четко видеть и фиксировать, как меняется среда раствора в ходе протекания некоторых ОВР.

Ну и, конечно же, цифровую лабораторию использую в проектно-исследовательской деятельности во внеурочное время. Весной прошлого года делала с учениками 10-го класса два экологических проекта – один по влажности и факторам, влияющих на нее. Все опыты были проделаны с использованием датчиков влажности, давления и температуры. А второй проект – по влиянию автомобильных выбросов на экологическое состояние атмосферного воздуха. В работе замеряли датчиком углекислого газа его содержание вдали от дороги, вблизи ее, рядом с работающими автомобилями разных марок и года выпуска. Также в прошлом году и с учащимися 11-го класса выполнили исследовательские проекты. С мальчиком изучали с помощью датчика электропроводности сопротивляемость тела человека. В этой работе мы имитировали различные части тела и среды организма и проверяли, что лучше проводит электрический ток. А с девочкой сделали исследование по теме «Обнаружение глутамата натрия в различных продуктах питания». В работе использовали индикатор нингидрин, который в определенном диапазоне дает фиолетовое окрашивание с аминокислотами. С помощью колориметра трехцветного, мы определили не только качественно присутствие глутамата натрия в продуктах, но и количественно. Больше всего его оказалось в корейской моркови. Проектно-исследовательской деятельностью занимаюсь не только со старшеклассниками. В этом году веду внеурочные занятия с 7-ми классами. Также для проведения экологического мониторинга почвы на пришкольном участке с ребятами использовали цифровые лаборатории. А с помощью датчиков рН среды, мутности (он тоже есть в комплекте) и электропроводности определяли качество питьевой воды не только в школе, но по всей станице Крыловской.

Цифровая лаборатория Еinstein позволяет сформировать лаборатории, удовлетворяющие самым разнообразным педагогическим задачам. Используя цифровые датчики, можно проводить широкий спектр исследований, демонстрационные и лабораторные работы, а также осуществлять научно-исследовательские проекты, способствующие решению и освоению межпредметных задач. А еще использование цифровых лабораторий способствует значительному поднятию интереса к предмету и позволяет учащимся работать самостоятельно, при этом получая не только знания в области естественных наук, но и опыт работы с интересной и современной техникой, компьютерными программами, опыт информационного поиска и презентации результатов исследования.

Список использованной литературы и интернет-источников

1. Методическое руководство для учащихся при использовании цифровой лаборатории / https://infourok.ru/metodicheskoe-rukovodstvo-dlya-uchashihsya-pri-rabote-s-cifrovoj-laboratoriej-4454791.html

2. Использование цифровых лабораторий на уроках физики и химии // Учебно-методическое пособие / Авторы: Кунаш М.А., Телебина О.А. – Мурманск: ГАУДПО МО «Институт развития образования», 2015. - 66 с.

3.Цифровые лаборатории «EINSTEIN». Быстрый старт /http://spzn.ru/helpped/1042/

4. Внешние датчики einstein^TM/ пер. с англ. А.В. Пирназарова. – М.:ЦИТО, 2019. – 94 с.

5. Эксперименты по химии для MiLAB^TM/ пер. с англ. А.В. Пирназарова. – М.:ЦИТО, 2019. – 81 с.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/488676-ispolzovanie-cifrovyh-laboratorij-na-urokah-h