Статья на тему «Преимущества "Цифровой лаборатории"»

Универсальные  учебные навыки, формируемые при использовании программы «Цифровая лаборатория»

Цели внедрения  в деятельность учащихся лицея комплекта «Цифровая лаборатория. Базовый уровень» и «Цифровая лаборатория. Профильный уровень»:

1) ознакомление школьников с современными методиками измерения физических величин и обработки результатов экспериментальных естественнонаучных исследований;

2) выполнение требований современного стандарта школьного физического образования, требующего активного освоения современных способов получения, обработки и представления информации, а также методов проведения исследовательских работ.

      Комплект «Цифровая лаборатория» сопровожден методическими рекомендациями по проведению  лабораторных работ и программой «Цифровая лаборатория». Работы проводятся с использованием реального оборудования, состыкованного с цифровыми датчиками, сигнал с которых поступает на компьютер.

      Компьютерная программа только ускоряет выполнение экспериментальных работ за счет автоматизации рутинных процедур  обработки количественных данных: создание и заполнение таблиц, построение графика по табличным данным, подбор теоретической прямой (кривой), проходящей через все экспериментальные точки. При этом ученик для получения количественных данных должен осознать смысл сигнала выводимого на экран (момент времени, в который происходит определенное событие, например, пересечение телом определенного места на скамье, рост температуры, давления, напряжения и т.п. в разные моменты времени).

   Предлагаемое оборудование и программное обеспечение может быть использовано не только в рамках предложенных авторами  сценариев разработанных работ, но и для проведения самостоятельных исследований с использованием  4 датчиков, входящих в комплект, и с использованием других датчиков фирмы «Научные развлечения».

     Учитывая переходный период между использованием в лабораторных работах в рамках традиционной методики эксперимента и в рамках компьютеризированного практикума, в «Цифровую лабораторию» включены работы, которые имеют аналоги работ на традиционном оборудовании (например, сложение напряжений на последовательных участках цепи). Ряд работ может быть выполнен как с оформлением на распечатанных  бланках, так и с оформлением электронного отчета, хотя последней форме  отчета следует отдать преимущество. Такие работы учитывают, что в основной школе целью выполнения лабораторных работ является не только приобретение экспериментальных навыков, но и обучение заполнению таблиц и самостоятельному построению графиков (подбор масштаба, расстановка точек, проведение прямых через точки и т.д.).  В этом случае  компьютер и датчики выполняют роль измерительного средства (цифрового секундомера, вольтметра, осциллографа). Однако ряд работ принципиально выполним только при использовании датчиков и компьютера.

      Важной целью внедрения цифровой лаборатории в практику преподавания физики в основной школе является формирование новой культуры отчетности по экспериментальным исследованиям. Ученики должны научиться формировать электронный отчет в виде rtf-файла, в который войдет:

1)  фото установки вместо традиционной схемы установки;

2)  исходный сигнал с датчика;

3)  таблица, формируемая в ходе обработки этого сигнала (серии сигналов);

4)  график, выстраиваемый на основе полученной таблицы;

5)  кривая, описывающая экспериментальную зависимость и ее уравнение;

6)  выводы, набранные с клавиатуры.

   Конечной целью проведения работ является:

1)  умение поставить работу,

2)  получить данные,

3) сопоставить информацию, представленную в табличном и графическом виде,

4) сделать правильный вывод из наблюдения или измерения.

       Использование цифровой лаборатории дает возможность ученику ознакомиться с гораздо большим числом графиков, чем это позволяет традиционная методика. Здесь они работают  и с графиком параболы, и с графиком гиперболы. Интерпретация сигналов с датчиков в виде непрерывных растущих и убывающих кривых дает дополнительный инструмент к трактовке графической информации и приобщению ребенка к этому умению. Важно, что использование ВЕБ – камеры и составление электронного отчета позволяет провести не только работы, где требуется получить числовые значения величин, но отчитаться о проделанной работе получением качественной зависимости или фотографии, сопроводив их словесным описанием или комментариями.

    Программное обеспечение «Цифровая лаборатория» фирмы «Научные развлечения» предназначено для работы с данными, получаемыми от цифровых датчиков и видеокамеры, подключённых к персональному компьютеру. Программа поставляется на компакт-диске, вкладываемым в каждый лоток с оборудованием. Можно воспользоваться flash-накопителем, ёмкостью не менее 2-х Гб.

    Работа с данными может состоять из одного или нескольких нижеперечисленных пунктов:

1) получение данных и вывод временной зависимости физической величины от времени на экран;

2) заполнение таблицы на основе сигнала, полученного с датчика;

3) составление предварительная обработка полученных данных, например, подсчет суммы двух столбцов или возведение полученной в столбце величины в квадрат и т.д.;

4) построение графика;

5) аппроксимация выбранных точек итоговой зависимости одной или несколькими функциями;

6) набор статистики по нескольким проведённым опытам;

7) составление электронного отчета

8) распечатка и заполнение бланка отчета (в комплекте с программой поставляются файлы для распечатки к работам);

    Каждая предложенная работа содержит свой сценарий, в котором  (в разной степени в разных работах) реализуются следующие методические идеи:

1) возможность внесения данных в таблицы отчета чисел только с экспериментальной установки с фиксированием даты выполнения;

2) разумная автоматизация рутинных процедур (заполнение таблиц, однородные операции с ячейками столбцов в таблицах, построение графика по точкам и т.п.);

3) проведение измерений, после фиксации изображения с помощью веб-камеры;

4) компьютерный подбор «наилучших» кривых для полученных экспериментальных данных (парабола, гипербола, прямая, идущая в ноль, константа, корневая зависимость) вместо традиционной трактовки результатов только на основе прямолинейной зависимости, полученной после преобразования переменных;

5) автоматическая проверка результатов некоторых арифметических действий, входящих в отчет;

6) оформление отчета в виде электронного документа с возможностью внесения в него фото экспериментальной установки с веб-камеры, вида исходных сигналов с датчиков, промежуточных и итоговых таблиц, графиков, дополнения отчета текстом путем ручного набора текста с клавиатуры или копирования из внешних цифровых ресурсов;

7) экспорт полученных данных после первичной обработки сигнала с датчика во внешний редактор таблиц, обработка во внешнем редакторе и включение результатов обработки в электронный отчет.

     Метод работы с данными определяется индивидуально в каждом отдельно взятом сценарии.

     Элементы интерфейса программы, обеспечивающие возможности работ, изложены в методическом описании. Для ознакомления с интерфейсом программы разработаны специальные работы, в которых акцент сделан не на проведение содержательного исследования с целью установления определенных закономерностей, а на ознакомление с определенными возможностями программного обеспечения, необходимыми для выполнения остальных работ. Освоение программы и работы с датчиками позволит затем использовать это оборудование для проведения собственных исследований, спланированных учителем или самим учеником.