Использование цифровых лабораторий при обучении химии в средней школе

Обновлено: 05.07.2024

В книге раскрыты основные методические принципы использования цифровых лабораторий при обучении химии, а также представлено описание их основных компонентов, уделено внимание технике и методике проведения более 70 опытов с использованием различных датчиков и компьютера. Тематика таких современных количественных опытов соответствует структуре примерной программы по химии Федерального образовательного стандарта второго поколения. Пособие дополняет УМК по химии.
Для методистов, учителей химии и студентов вузов химических специальностей.

Новое поколение естественно-научных цифровых лабораторий (ЦЛ), поступающих в школы, позволяет организовать химический эксперимент на принципиально новом уровне, перейти к элементам научного исследования, от исключительно качественной оценки наблюдаемых явлений к системному анализу количественных характеристик, в полной мере реализовать возможности межпредметных связей с физикой, экологией, биологией, математикой и информатикой [1]. Они позволяют выполнять интегрированные учебные проекты по естественным наукам, применять и осваивать методы научной статистики, прикладной математики, информационных технологий.

ЦЛ используются в учебном процессе для практических занятий и лабораторных опытов на уроках химии, организации исследовательских практикумов, учебных исследовательских проектов как в классе, так и в походных условиях. Они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов. Результаты экспериментов могут сохраняться в реальном масштабе времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью.

В настоящее время в школы поступают следующие цифровые лаборатории:

• 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;

• 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: , F – , Ca 2+ , Cu 2+ , Pb 2+ в интервале от 10 –5 до 10 –1 моль/л, и другие измерители.

Для каждой практической работы представлена общая информация, где кратко изложены теоретические представления об изучаемых явлениях. Перечислено необходимое оборудование и реактивы, подробно описан монтаж экспериментальной установки, причем описание, как правило, сопровождается иллюстрациями. Даны советы, как настраивать параметры регистратора и датчиков, как проводить эксперимент, как анализировать экспериментальные данные. В заключение приведены вопросы, позволяющие оценить степень усвоения полученных знаний, и представлены дополнительные задания различного уровня сложности для закрепления и обобщения материала.

В настоящее время учителя активно используют ЦЛ, как правило, только для внеурочной деятельности школьников, в частности, для организации проектной формы работы. Ограничение применения ЦЛ на уроках, по нашему мнению, обусловлено следующими причинами:

• жесткие временны'е рамки урока;

• практически полное отсутствие количественного химического эксперимента в базовых учебных программах;

• превалирование иллюстрирующего химического эксперимента, недостаточное внимание к проблемному, поисковому и исследовательскому эксперименту на уроках;

• недостаточная оснащенность кабинетов химии (так, для проведения 9 работ из 15 предложенных требуется магнитная мешалка, которая не поставляется вместе с основным оборудованием лаборатории; для организации работ по химическому катализу и газовым законам требуется датчик давления, который входит в комплект ЦЛ только для кабинета физики;

Наши наблюдения, анализ работы и отзывов учителей позволили выявить ряд преимуществ применения ЦЛ в школьном химическом образовании по сравнению с традиционной формой проведения школьного химического эксперимента:

• наглядное представление результатов эксперимента в виде графиков, диаграмм и таблиц;

• возможность хранения и компьютерной обработки результатов эксперимента, измерений;

• возможность сопоставления данных, полученных в ходе различных экспериментов;

• сокращение времени эксперимента;

• возможности для индивидуализации обучения, учета психолого-педагогических особенностей каждого школьника при организации проектной деятельности.

Вместе с тем в ходе исследования были выявлены существенные проблемы:

• появляется опасность переключения внимания школьников с изучаемого явления на взаимодействие с измерительными приборами;

• происходит подмена учебных целей: вместо изучения явления – регистрация данных;

Мы попытались выявить условия эффективности применения ЦЛ на уроке. Ключевым элементом химического образования является химический процесс, при его экспериментальном изучении может возникнуть проблема, для решения которой потребуется применение инструментальных методов анализа, в том числе датчиков ЦЛ. Необходимо понимание того, что ЦЛ – современное и эффективное средство обучения, но не его цель.

Цель урока. Формировать умения школьников определять кислоты и основания в растворах с помощью индикаторов и pH-метра; обобщить их знания о кислотах и щелочах.

Э т а п ы у р о к а

I. Организационный момент (1 мин.).

II. Получение новых знаний (9 мин.).

III. Химический эксперимент с различными индикаторами, закрепление знаний (12 мин.).

IV. Проблемная ситуация (1 мин.).

V. Эксперимент с ЦЛ (12 мин.).

VI. Подведение итогов, закрепление нового материала, рефлексия (10 мин.).

Х о д у р о к а

На первом этапе определяются цели и задачи урока, в ходе краткой эвристической беседы актуализируются знания школьников о кислотах и основаниях.

Третий этап урока включает проведение лабораторных опытов, в ходе которых школьники определяют среду в чистой воде, растворах кислот (HCl, H2SO4), щелочей (NaOH, KOH) и солей (NaCl, Na2SO4). В первом опыте используются растворы индикаторов, выданные учителем: лакмус, метилоранж, фенолфталеин. Во втором – растворы индикаторов, которые восьмиклассники выделили дома самостоятельно из различных объектов (черники, краснокочанной капусты, черной смородины, лепестков фиалки) при подготовке к уроку.

На этом же этапе урока предлагается решить экспериментальную задачу – определить, в какой из выданных пробирок находятся растворы кислоты и щелочи. Для решения данной задачи ученики могут использовать любые индикаторы, в том числе и те, которые они принесли из дома.

На четвертом этапе учитель предлагает определить среду в смесях, имеющих интенсивную окраску: раствор кофе, крепко заваренный чай, томатный сок, вишневый компот, клюквенный морс. Как определить среду в растворе хлорного отбеливателя, разрушающего индикатор? Школьники приходят к выводу, что применение индикаторов не всегда эффективно, поэтому возникает необходимость искать новые возможности для определения среды в растворе. Учитель показывает, что можно использовать датчик кислотности – рН-метр – из набора ЦЛ.

Пятый этап – лабораторные опыты с применением ЦЛ. Восьмиклассники определяют среду, т.е. значение водородного показателя (pH) в чистой воде, растворах кислот, щелочей и солей с помощью стеклянного электрода. В ходе исследования учащиеся устанавливают, что нейтральные растворы имеют значение рН, близкое к 7, в кислых растворах рН меньше 7, а в щелочных – больше 7. Используя рН-метр, восьмиклассники определяют среду в тех растворах, для которых применение индикаторов было неэффективно.

На заключительном этапе ученикам предлагаются задания, нацеленные на прочное усвоение полученных сведений, включающие задания на воспроизведение и применение знаний в измененной ситуации.

П р и м е р ы з а д а н и й

1) Метеослужба города зафиксировала выпадение дождевых осадков с pH = 2,5. Какую окраску примут известные вам индикаторы в такой дождевой воде?

2) Ученик решил исследовать раствор стирального порошка с помощью лакмуса. Однако выбранный индикатор незначительно изменил свою окраску. Как по-другому проверить, какая среда в исследуемом растворе?

3) Какой индикатор следует выбрать, чтобы обнаружить небольшую концентрацию щелочи в исследуемом растворе?

4) Окраска цветов гортензии в зависимости от кислотности почвы может изменяться: если pH почвы ниже 5,5, то цвет – голубой; если более 5,5 – розово-малиновый. Как это можно объяснить?

5) Как будет изменяться значение рН насыщенного водного раствора углекислого газа при нагревании?

Результаты письменного выполнения заданий, как правило, свидетельствуют о высокой степени усвоения знаний: 94% восьмиклассников успешно справляются с вопросами на воспроизведение изученного материала, а 85% – с вопросами, требующими применения знаний в измененной ситуации.

По окончании урока ученикам предлагается ответить на вопрос, какой из проведенных опытов понравился им больше всего. Можно выбрать только один вариант ответа:

• не понравился ни один из перечисленных опытов.

Результаты подобного опроса на одном из уроков с использованием ЦЛ представлены на диаграмме (рис.).

Рис. Результаты опроса учащихся
о понравившихся опытах на уроке с использованием ЦЛ

П р и м е ч а н и е. Для чтения статей [см. 4, 5] в формате djvu необходимо установить специальную программу. Можно воспользоваться бесплатной услугой компании Celartem Technology, которая свободно распространяет DjVu Browser Plug-in (LizardTech).

Для этого нужно:

5) если вы пользуетесь разными браузерами, то для вас – второй вариант (Download Option 2), который включает скачивание программного файла и его последующую установку.

Л и т е р а т у р а

Дорофеев М.В.,Зимина А.И.,СтунееваЮ.Б. Принципы эффективного применения цифровыхлабораторий // Химия в школе. – 2010, №2. – С. 55-63.

Уменьшения расхода веществ на проведение опыта. Применение цифровой лаборатории позволяет в ряде случаев сократить время на протекание химического опыта, что приводит к экономии и повышению безопасности при работе химическими реактивами, например, при изучении реакции нейтрализации, когда возможна минимизация веществ в опыте, поскольку даже незначительный тепловой эффект регистрируется компьютерной программой.

Изменение содержания опыта. Цифровая лаборатория способствует реализации принципа безопасности при одновременном соблюдении принципа наглядности, поскольку возможна замена веществ на более безопасные, внешний эффект взаимодействия которых автоматически регистрируется цифровой лабораторией. Примером такой равноценной замены служит демонстрация химического эксперимента по растворению солей вместо концентрированной серной кислоты и нитрата аммония с целью демонстрации теплового эффекта растворения.

Обновление содержания обучения химии. Возможно проведение опытов с объектами, изменениесостояниякоторых невооружённым глазом не выявляется и без применения цифровой лаборатории в обучении химии не представляют методического интереса. Например, сравнениекислотных свойств различныхкарбоновых кислот подтверждают результаты измерения, т.е. усиливаютсясвязитеории с практикой.

Количественное измерение исследуемых свойств веществ, например рН. Применение датчика рН позволяет сравнивать проявление свойства у разных веществ. Так, с целью стимулирования познавательных мотивов учения школьников исследование рН тех же моющих средств позволяет более обоснованно, чем при применении, например, универсальной индикаторной бумаги, сделать вывод об их качестве и, соответственно, рекомендации для выбора продукции при использовании в быту. Распознавание растворов кислот одинаковой концентрации, например, серной и фосфорной также возможно однозначно осуществить при помощи данного датчика.

Решение расчётно-экспериментальныхзадач. Практические работы, предусмотренные в конце тем и разделов, изучаемых по химии, или отдельные лабораторные опыты при помощи цифровой лаборатории возможно проводить на количественном уровне. При формировании умений получать и исследовать свойства веществ в процессе решения экспериментальной задачи по изучению свойств кислорода измеряем его объём при помощи датчика кислорода.

Создание проблемной ситуации. Обновлениесодержанияитехникипроведения опыта изменяют и расширяют подходы в применении проблемного подхода в обучении – при создании проблемной ситуации и решении учебной проблемы.

Другие потенциальные возможности применение цифровой лаборатории AFS. Не меньшее значение в проведении опыта имеют эстетичность его проведения, повышение научности обучения вследствие возможностей моделирования изучаемых процессов на компьютере и количественного измерения свойств, сокращение времени на подготовку учителя к проведению опыта в случае разработки чёткого алгоритма применение оборудования и методики химического эксперимента ит.д.

Как мы видим, применение цифровой лаборатории расширяет возможности учителя как в выборе объекта исследования и техники проведения опыта, так и в отношении методики химического эксперимента, позволяя перевести их на более высокий уровень в соответствии с принципом научности обучения. Однако практика обучения химии показывает, что использованиецифровой обучения встречает значительное число трудностей. Согласно данным интервьюирования, учителя химии г. Калугии Калужской области практически не применяют их по ряду причин. Среди них следующие, определяющие отказ учителя от применения данного вида учебного оборудования:

1) недостаток знаний, необходимых для установки программного обеспечения и подключения датчиков черезсистемусбора данных к компьютеру уучителя химии,

2) высокая учебная нагрузка учителя ограничивает время, отводимое им на изучение возможностей оборудования;

3) практически отсутствие методики химического эксперимента с применениемдатчиков, имеютсялишьединичные публикации по данному вопросу.

По просьбе учителей химии школ г. Калуги нами была проведена работа по изучению особенностей работы с цифровой лабораториейAFS. В результате было выявлено следующее.

Существенным фактором, влияющим на применение оборудования учителем химии средней школы, является техническая причина – установка программного обеспечения и сборка оборудования, т.е. работа с цифровой лабораторией предполагает предварительную установку программного обеспечения на компьютер. При этом у пользователя ПК, владеющего основными приёмами работы на компьютере, проблем не возникнет. Однакоприэтомследуетобратитьвнимание учителя химии на то, что программа, необходимая для выполнения эксперимента, состоит из двухчастей – натурный и виртуальный эксперимент, которые устанавливаются по очереди: сначала одна, затем другая, причём выбор очерёдности не имеет значения для дальнейшей работы с данной цифровой лабораторией.

Таким образом, систематическое использование на уроках химии данной цифровой лаборатории ограничено техническими её техническими возможностями и особенностями.

Таким образом, использование цифровой лаборатории учителем химии предполагает совершенствование химического эксперимента. Однако на практике широкое его применение затруднено по техническим причинам и связано с отсутствием соответствующего методического обеспечения химического эксперимента подобного характера.



Достоинства цифровой лаборатории SenseDisc [3,6].

  1. Пять готовых комплектаций по основным предметам естественнонаучного цикла:
  • SenseDisc®Basic - цифровая лаборатория базовая
  • SenseDisc®Advan - цифровая лаборатория расширенная
  • SenseDisc®Phys - цифровая лаборатория по физике
  • SenseDisc®Bioch - цифровая лаборатория по биологии и химии
  • SenseDisc®Environ - цифровая лаборатория по окружающему миру (природоведению)
  1. Портативность.
  2. Высокая точность измерения данных.
  3. Тонкая настройка частоты снятия показаний.
  4. Мультирегистратор данных: одно устройство снимает измерения одновременно с 11 датчиков, что позволяет экономить средства и время.
  5. Многообразие датчиков (более 50 датчиков). Все датчики универсальные и могут дополнять друг друга в разных комплектациях. Плюс есть возможность заказа дополнительных датчиков, не входящих в комплект. Например, комплект ЦЛ SenseDisс Biochemistry для кабинетов химии и биологии включает набор датчиков (комбинированный pH-метр (0~14pH); концентрации растворенного кислорода (0 – 20 мг/л); температуры (диапазон: 200°~+1200°); температуры (‒40°~+135°); влажности (0~100%); частоты сердечных сокращений (0~200 у/м); освещенности (0~55000 люкс); проводимости для кондуктометрии ( 0~20000μs/cm), давления ( 0~400kPa).
  6. Многоуровневое использование от начальной школы до высшего образования.
  7. Мультиплатформенность (Windows, MacOs, iOs, Android).
  8. Готовые сценарии лабораторных работ на русском языке.
  9. Методические рекомендации для педагога-тьютора, руководящего проектно-исследовательской деятельностью.
  10. Широкий выбор графических интерфейсов.
  11. Встроен инструментарий математических методов анализа.
  12. Единый интерфейс и формат данных для всех устройств, возможность делиться материалами с помощью облачных сервисов, отправлять по электронной почте, публиковать в online библиотеках.
  13. Возможность создания шаблона работ — пошаговая инструкция для ученика.

Следует отметить, что готовый комплект лаборатории включает регистратор данных, датчики, ПО и методические пособия.

  • по химии (11 лабораторных работ);
  • биологии (10 лабораторных работ);
  • физике (13 лабораторных работ);
  • окружающему миру (32 проектно-исследовательские работы).



Практические работы по химии от цифровой лаборатории SenseDisc

  • Экзотермические реакции.
  • Эндотермические реакции.
  • Эндотермические реакции. Понижение температуры раствора при растворении различных солей в воде.
  • Закон Гесса.
  • Тепловой эффект сгорания топлива.
  • Растворение гидроксида натрия в воде.
  • Реакция нейтрализации.
  • Изменение температуры при окислительно-восстановительных реакциях.
  • Влияние температуры на процесс гидролиза ацетата натрия.
  • Тепловой эффект кристаллизации вещества.
  • Изменение электрической проводимости раствора в ходе химической реакции.


Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что процесс обучения естественным наукам претерпевает большие изменения. Сегодня от педагога требуется широкое использование интерактивных обучающих инструментов и оборудования, в том числе цифровых лабораторий, изучение их возможностей. В данном документе я постаралась выделить основные факторы, которые необходимо учесть при сравнении предложений различных поставщиков.

Надеюсь, что, учтя все рекомендации из данной статьи, вы сможете сделать правильный выбор, и тогда цифровая лаборатория не только поможет сделать учебный процесс наиболее качественным и эффективным, но и станет проводником молодого поколения в мир науки, опытов и экспериментов.

Надеюсь, что описанный опыт работы с лабораторными комплексами SenseDisc поможет увидеть преимущества и простоту использования современных технологий в образовании, а также снимет большинство вопросов, связанных с применением цифровых лабораторий в практической деятельности.

Кратко об авторе:

Список литературы

Спасибо за Вашу оценку. Если хотите, чтобы Ваше имя
стало известно автору, войдите на сайт как пользователь
и нажмите Спасибо еще раз. Ваше имя появится на этой стрнице.

Читайте также: