Параметр, который измеряют инструментально и по которому в дальнейшем проводят анализ, называется аналитическим сигналом; это качественная характеристика метода. Количественной характеристикой является интенсивность аналитического сигнала [27]
Применение физико-химических методов способствует формированию у школьников навыков экспериментальной работы, учит использовать различные методы подготовки сырья для проведения опытов (экстракция, фильтрование, измельчение, сублимация и т.д.), развивает познавательный интерес к предмету, формирует устойчивое стремление к здоровому образу жизни, помогает интегрировать знания учащихся по химии с биологией, экологией, физикой, способствует формированию метапредметных результатов освоения основной образовательной программы основного общего образования, помогает овладеть умением сопоставлять экспериментальные и теоретические знания с объективными реалиями жизни, способствует профориентации учащихся.
3. Цифровые лаборатории в школе
Школьное образование должно соответствовать целям опережающего развития. Для этого в школе должно быть обеспечено изучение не только достижений прошлого, но и технологий, которые пригодятся в будущем. Работа с компьютерами и цифровым оборудованием усиливает познавательный интерес учащихся, стимулирует их к творчеству, позволяет повышать [30].
3.1 Применение цифровых лабораторий в проектной деятельности
Школьная цифровая лаборатория представляет собой обычный персональный компьютер, имеющий встроенную или же подключаемую интерфейсную плату для соединения с компьютером измерительных датчиков. Компьютер выполняет роль регистратора [31]. В большинстве случаях для проведения измерений лучше использовать ноутбук, потому что его проще поднести к объекту изучения и органично разместить рядом с экспериментальной аппаратурой. Сенсоры-датчики могут транслировать значение измеряемого параметра по радиочастоте и быть не связанными физически с регистратором. Данные конкретных измерений могут попадать на компьютер через компьютерную сеть. Цифровая лаборатория универсальна. Значение любого физического параметра можно передать числом по результатам измерения соответствующего датчика. Датчики (или сенсоры) изготавливаются по стандарту и, поэтому достаточно иметь один цифровой регистратор (ноутбук или персональный компьютер) и добирать для него другие необходимые датчики, чтобы исследовать большое количество разных физических, химических и биологических процессов. Но, необходимо помнить, что цифровые показания с разных типов датчиков отображаются одинаково и специфика измеряемого параметра на его изображение на компьютере не влияет. Цифровой регистратор на основе персонального компьютера часто разрешает включать сразу же несколько датчиков и вести одновременные наблюдения для разных параметров [32].
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 взаимодействия исследователей, опыт информационного поиска и презентации результатов исследования [33].
3.2 Цифровая лаборатория Lab Quest
LabQuest (минилаборатория) -- это одновременно программное и аппаратное обеспечение. Комплекс позволяет производить сбор данных измерений лабораторных работ по химии, биологии, физике и обеспечивает их аналитическую и графическую обработку.
Внеурочная работа по предмету является неотъемлемой частью учебно-воспитательного процесса и представляет собой обязательный элемент оптимально организованного учебного процесса. Это дополнительное средство формирования у школьников интереса к предмету, расширения и углубления знаний, приобретаемых школьниками на уроках [36].
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 [31]
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:
регистратор данных, позволяющий записывать и анализировать экспериментальные данные;
компьютер с программным обеспечением для управления регистратором;
датчики для измерения физических величин сопряженные с компьютером.
В лабораторный комплект Lab Quest включены более 100 датчиков для регистрации различных физических величин (температура, концентрация, оптическая плотность и т.д.) Все датчики разделены на комплекты по разным дисциплинам. В комплект по химии входят следующие датчики: датчик электрической проводимости, датчик температуры, датчик оптической плотности (колориметр), датчик рН [37].
Лабораторный комплект (LabQuest) позволяет проводить учебные эксперименты не только в лаборатории, но и на природе, что особенно актуально для исследований по предметам естественнонаучного цикла. При этом результаты измерений могут быть обработаны и проанализированы непосредственно во время проведения работы без подключения к ПК или сохранены в памяти устройства проведения дальнейшей аналитической и графической обработки и изучения на стационарном компьютерном оборудовании. Например, при изучении экосистем в ходе экскурсии LabQuest позволил (с помощью датчика температуры) выяснить, как биоразнообразие влияет на температуру окружающей среды. При определении качества воды в водоёме учащиеся провели анализ проб воды, используя датчики растворённого кислорода, температуры, pH и проводимости. Использование комплекта стимулирует интерес и способствует повышению активности учащихся при проведении лабораторных практикумов [35].
Достоинства применения цифровых лабораторий в проектной деятельности по химии:
1) отображение данных в виде таблиц, графиков, диаграмм или показаний шкалы прибора;
2) получение данных в режиме реального времени;
3) интуитивно понятное и простое управление регистрацией данных;
4) возможность хранения и компьютерной обработки результатов эксперимента, измерений;
5) возможность сопоставления данных, полученных в ходе различных экспериментов;
6) сокращение времени эксперимента;
7) возможности для индивидуализации обучения, учета психолого-педагогических особенностей каждого школьника при организации проектной деятельности.
Но наряду с достоинствами есть и недостатки:
1) жесткие временные рамки урока;
2) практически полное отсутствие количественного эксперимента в базовых учебных программах;
3) превалирование иллюстрирующего химического эксперимента;
4) использование понятий, содержание которых существенно выходит за рамки Государственного образовательного стандарта (базовый уровень);
5) появляется опасность переключения внимания школьников с изучаемого явления на взаимодействие с измерительными приборами;
6) возможно снижение эффективности самостоятельной работы школьник, поскольку все вычисления и построения, во время которых происходит очень важное осмысление и переосмысление полученной информации, проводит компьютер.
IV. По результатам НИР была написана статья «Применение программно-аппаратного комплекса LabQuest в проектной деятельности школьников по химии», которая будет направлена на научно-практическую конференцию.
В XXI веке современную жизнь трудно представить без использования информационных технологий. Интенсивный переход к информатизации общества обуславливает все более глубокое внедрение информационных технологий в различные области для учебного процесса, где без компьютера не обойтись.
Современная школа ставит задачу формирования новой системы универсальных знаний, умений и навыков, а так же опыта самостоятельной деятельности и личной ответственности обучающихся, т.е. современных ключевых компетенций, которые и определяют новое содержание образования. Школа должна способствовать успешной социализации молодежи в обществе, ее активной адаптации на рынке труда, освоению базовых социальных способностей и умений, приобщению учащихся к творческой и исследовательской деятельности [4]. Поэтому целью является возможность применения программно-аппаратного комплекса (ПАК) LabQuest в проектной деятельности школьников по химии.
ПАК LabQuest представляет собой портативное электронно-вычислительное устройство, предназначенное для обработки сигналов в режиме реального времени. Он может использоваться автономно или как интерфейс для ПК. В лабораторный экспериментальный комплекс по химии входят следующие датчики: датчик электрической проводимости, датчик температуры, датчик оптической плотности (колориметр) датчик рН [2].
Цифровые лаборатории являются одними из самых современных источников, способных обеспечить достижение учащимися высоких результатов при обучении химии.
Любая лабораторная работа с применением лабораторного экспериментального комплекса позволяет учащемуся на занятии конструировать, развивает у него навыки самостоятельной исследовательской работы.
Применение цифровой лаборатории в лабораторных работах по химии, в том числе и на проектно-исследовательском уровне, способствует более ранней профессиональной ориентации учащихся, развивает логику, позволяет устанавливать причинно-следственные связи, тренирует навыки учащихся по выполнению инструкций, описывающих реальные экспериментальные действия.
Использование программно-аппаратного комплекса LabQuest позволяет моделировать действия химиков, работающих в химических лабораториях и на производстве. Развивает интерес учащихся к проектной деятельности и самостоятельной работе. Лабораторный экспериментальный комплект LabQuest на основе цифровых средств обработки данных позволяет:
Для учителя:
улучшить качество организационных форм обучения;
внедрить современные достижения теории и методики обучения;
уменьшить время, необходимое на организацию и проведение учебных экспериментов, повысить их точность и наглядность;
индивидуализировать процесс обучения;
разработать новые педагогические технологии, основанные на применении современных средств ИКТ;
комплекс дает возможность внедрить в практику преподавания новые демонстрационные и лабораторные работы, вести учащегося по пути субъективного открытия, управлять проблемно-поисковой и исследовательской деятельностью учащегося [3].
Для ученика:
знакомит с современными методами научных исследования;
получают представление о системах автоматизированного сбора данных;
развивает познавательный интерес;
формирует разносторонние умения и практические навыки;
представляет широкие возможности для проектной деятельности учащихся;
развивает творческие способности [3].
Фрагмент работы над проектом с использованием ПАК LabQuest.
Проект на тему: «Содержание железа в водах рек города Пензы». Для выполнения анализа были взяты воды в реках Сура и Пенза. Данные воды исследовались на содержание железа (III). Определение основано на получении окрашенного комплексного соединения тиоционата железа (III), интенсивность окраски которого находится в прямой зависимости от концентрации ионов железа (III) Определение основано на получении окрашенного комплексного соединения тиоцианата железа (III), интенсивность окраски которого находится в прямой зависимости от концентрации ионов железа (III). Образование комплексов железа (III) с тиоцианат-ионами протекает по следующим схемам в зависимости от концентрации тиоцианат-ионов:
Fe3+ + SCN- > [FeSCN]2+
[FeSCN]2+ + SCN- >[Fe(SCN)2 ]1+
..........................
[ Fe(SCN)5]2- + SCN- > [Fe(SCN)6]3- [1]
Определение осуществляется методом градуировочного графика. Реактивы. Стандартный раствор NH4Fe(SO4)2·12H2O c концентрацией по Fe (III) 0,0400 мг/мл; 10%-ный раствор NH4SCN или KSCN; раствор HNO3 (1 : 1). Посуда и оборудование. Мерные колбы вместимостью 50,0 мл; пипетки градуированные вместимостью 5,0 мл; мерные цилиндры вместимостью 5 мл; ПАК LabQuest (датчик оптической плотности); 2 кюветы стеклянные длиной 1,0 см.
Выполнение работы. В мерную колбу вместимостью 50,0 мл внесли 5,0 мл исходного стандартного раствора Fe (III), добавили 1 мл раствора HNO3 и 5 мл раствора тиоцианата. Раствор довели до метки дистиллированной водой и тщательно перемешали. Раствор сравнения приготовить в такой же мерной колбе, вводя реактивы в той же последовательности, за исключением исходного стандартного раствора железа (III). Заполнили одну кювету раствором сравнения, а другую - раствором железа (III). Поместили кюветы в ячейки кюветного отделения колориметра. Выбрали минимальную длину волны. Измерили оптическую плотность стандартного раствора железа (III).