Исследовательская деятельность учащихся на базе цифровой лаборатории
Исследовательская деятельность учащихся на базе цифровой лаборатории Родионова Марина Александровна, учитель географии Шпичко Владимир Николаевич, учитель физики ________________________________________ Статья содержит информацию для учителя об особенностях проведения учебного исследования на базе цифровой лаборатории, его содержании, цели и задачах. Исследовательская деятельность учащихся на базе цифровой лаборатории позволяет расширить круг экспериментальной деятельности учителя и ученика в общеобразовательной и профильной школе. Цель: Сформировать представление научного подхода к исследованию объектов и явлений природы с использованием новых информационно-коммуникационных технологий. Задачи: 1. Повысить мотивацию учащихся к исследовательской деятельности. 2. Сформировать у учащихся универсальные умения и навыки проведения исследования, которые обеспечивают формирование способностей к самостоятельному усвоению новых знаний. 3. Реализовать индивидуальную образовательную траекторию учащегося при поведении исследовательской работы. 4. Воспитывать позитивное отношение к живой природе, собственному здоровью и здоровью других людей; культуре поведения в природе; 5. Сформировать у учащихся готовность самостоятельно, творчески осваивать и апробировать новые способы деятельности в любой области культуры. Актуальность: Сегодня необходима система обучения, гарантирующая формирование у учащихся приемов учебной деятельности (ОУУН) на основе системной организации исследовательской деятельности. В основе методических разработок уроков заложена концепция развивающего обучения В.В.Давыдова. Исследовательская деятельность позволяет формировать у учащихся новые мотивы на основе уже существующих потребностей и интересов. Учащиеся, в процессе исследовательской деятельности, усваивают принципы и способы учебной деятельности, решают учебные задачи сами ищут подходы к их решению, при этом происходит формирование личностных качеств, общечеловеческих ценностей и отношения к окружающему миру. Сегодня очень важно вооружить учащегося не столько знаниями, сколько способами овладения ими. При проведении предлагаемых работ формируются универсальные умения и навыки, которые позволяют учащимся применять свои знания в нестандартных ситуациях. Ожидаемыми результатами обучения являются: повышение эффективности учебного процесса, формирование элементов экологической культуры, ИКТ - грамотности, универсальных умений и навыков, а также развитие творческой личности учащегося. Новизна: Формируется понятие научного способа познания при проведении исследовательской деятельности с помощью информационно-коммуникационных технологий. Используемое оборудование: Рулетка, весы, персональный компьютер (для обработки и оформления результатов), автоматический тонометр, цифровой микроскоп, цифровой фотоаппарат, бинокуляр, ноутбук, атласы-определители (диски), цифровая лаборатория: портативный компьютер Nova с набором датчиков. В комплекте физических датчиков: датчик напряжения 25 В, датчик тока 2,5А, датчик тока 250мА, микрофонный датчик 2В, датчик освещенности 0 300лк, датчик давления 0 700кПа, датчик силы 50Н, датчик индукции магнитного поля, датчик расстояния с блоком питания 0-6м, датчик температуры –10+110. В комплекте биохимических датчиков: датчик освещенности 0 300лк, датчик влажности 0-100% , рН-метр 0-14рН, датчик дыхания 315л/мин, датчик кислорода, датчик частоты сердечных сокращений, колориметр (датчик цвета), датчик температуры -10-110. Рекомендации по организации исследовательской деятельности учащихся: Работы можно проводить как в ходе урока, так и в работе объединений дополнительного образования. Цифровая лаборатория - это оборудование и программное обеспечение для сбора и анализа данных естественнонаучных экспериментов. Широкий спектр цифровых датчиков используют учителя и ученики на уроках физики, химии и биологии, географии. На уроке, как правило, демонстрируются работы с помощью цифровой лаборатории, которые могут вызвать интерес у всех учащихся. К компьютеру Nova подключаются датчики, необходимые для проведения эксперимента и проводится работа в демонстрационном режиме, выводя результаты исследований на экран через мультимедийный проектор в виде графиков и таблиц. Можно использовать цифровую лабораторию в работе отдельной группы учащихся, а также с целым классом при проведении фронтальной лабораторной работы, при этом рекомендуем обучить консультантов из учеников, которые в ходе урока будут помогать учителю. Результаты общих работ на уроке оформляются в виде таблицы и вывешиваются в классе. Во внеурочной деятельности исследования проводятся с учащимися, которые приходят на объединение дополнительного образования. Продумывается ход эксперимента, готовится необходимое оборудование (в том числе компьютер Nova c необходимыми датчиками), проводятся неоднократные замеры, сохраняются результаты, анализируются, оформляются работы на Nova, или на ноутбуке, или настольном ПК в программах Word, Excel, Power Point. Исследования проводятся на качественно новом уровне: регистрируется не только конечный результат, но и весь процесс изменения параметров. Информация сохраняется в виде графика и при необходимости ее можно продемонстрировать еще раз. Режим измерений может быть и очень кратким (сотые доли секунды), и долгосрочным (несколько дней). Лаборатория мобильна и невелика по размерам, легка в эксплуатации и заменяет ряд сложных измерительных приборов, поэтому удобно ее использовать при проведении экскурсий в парк или во время походов. Экскурсия проводится после уроков (иногда во время сдвоенных уроков географии) или в выходной день с группой учащихся по предварительной с ними договоренности. Заранее намечается план работы на этот выход, подбирается необходимое оборудование (датчики, карманный компьютер, емкости для проб воды или снега, фотоаппарат, компасы, рулетка) и обговаривается время выхода и работа каждого участника в группе. В парке по ходу маршрута может измеряться и записываться, например, с помощью компьютера Nova и датчиков температура воздуха, температура воды в естественных водоемах, температура снега. Можно взять пробы воды и почвы в разных точках маршрута, собрать образцы растений и минералов, сфотографировать интересные на ваш взгляд места и самих участников за работой. Если для работы необходимо, можно с собой взять ноутбук, диски- определители, цифровой микроскоп и проводить изучение природы в полевых условиях. Данная система работы объединения позволяет охватить большое количество учащихся в школе и привить им вкус к исследовательскому подходу изучения окружающей среды. Дети, которые участвуют во всех направлениях работы, становятся маленькими исследователями и выступают потом на различных конференциях, семинарах и выставках. Цифровые лаборатории помогают работать с информацией на качественно новом уровне, позволяют измерить, увидеть, записать особенности процессов, протекающих в природе и попробовать понять окружающий нас мир. Комплексный подход к решению задачи учащимся помогает увидеть природу, как единое целое, не ограниченное рамками школьных предметов. В результате экспериментальной работы повышается уровень знаний за счет активной деятельности учащихся, в исследовательских проектах раскрывается их творческий потенциал. Навыки, приобретенные в работе, помогают в стремлении к знаниям в школе, и мы надеемся, что и не только в школе. Основные методы и формы работы Для изучения предметов естественно - научного цикла очень важен исследовательский метод. Основная задача учителя - научить ученика самостоятельно проводить исследование, применять знания в новых нестандартных ситуациях, находить причины и следствия процессов, происходящих в городской среде, уметь прогнозировать, а для этого надо сформировать исследовательские умения учащегося. Применяются общенаучные методы – опыт, эксперимент, наблюдение, моделирование, анализ, обобщение, классификация. Основными формами обучения является фронтальная лабораторная работа, работа в группе, работа в паре, беседа и игра (теоретические занятия), экскурсионная и самостоятельная исследовательская работа (экспедиции в парк, лес, многодневные экспедиции)
Некоторые темы исследовательских работ: Пример исследовательской работы: Модель возникновения холодного Лабрадорского течения на модели конвекции Цель работы: Смоделировать процесс возникновения холодного течения с помощью физического оборудования с использованием цифровой лаборатории. Теоретические основы: Морские течения различаются по происхождению, расположению, физико-химическим свойствам и устойчивости. По происхождению течения бывают ветровыми и градиентными, в том числе плотностными. Ветровые течения образуются под действием ветров, в результате сил трения воды и воздуха, турбулентной вязкости, градиента давления, отклоняющей силы вращения Земли и некоторых других факторов. Ветровые течения всегда поверхностные. Теория ветровых течений была разработана учеными В. Экманом, В. Б. Штокманом, Н. С. Линейкиным, Г. Стоммелом. Плотностные течения – это градиентные течения, которые образуются в морях и океанах в результате разницы давлений, которые обусловлены неравномерным распределением плотности морской воды. Плотностные течения образуются в глубинных слоях морей и океанов. Теория плотностных течений была разработана учеными Б. Гелланд-Хансеном, И. В. Сандстрёмом, Н. Н. Зубовым. Ярким примером плотностных течений является теплое течение Гольфстрим. Гольфстрим вытекает из Флоридского течения, которое, в свою очередь, движется от экватора и впадает в Мексиканский залив, пройдя по часовой стрелке, вытекает в Атлантический океан через пролив между Кубой и Флоридой, сливается с Антильским течением и превращается в Гольфстрим. Тепло, приносимое течением в Европу, существенно влияет на ее климат. Благодаря Гольфстриму, в Европе наблюдается более теплый и мягкий климат, чем на аналогичных широтах в Северной Америке и Азии. Изменение курса течения, в свою очередь, может привести к катастрофическому похолоданию в Европе. Из Северного Ледовитого в Атлантический океан поступают двумя мощными потоками холодные и опресненные воды. Один из них следует вдоль восточного берега Гренландии как Восточно-Гренландское течение, которое южнее Датского пролива сталкивается и перемешивается с теплыми водами течения Ирмингера. Другой направляется через Баффинов залив вдоль берегов Северной Америки, у которого он известен как холодное Лабрадорское течение, и южнее Ньюфаундленда сталкивается с Гольфстримом, частично отклоняясь к востоку, следует до мыса Хаттерас, образуя холодную стену между теплыми водами и берегом. Таким образом, умеренный климат Европы во многом “заслуга” Лабрадорского течения.[2] Оборудование: Монтаж экспериментальной установки Подключить датчики температуры к компьютеру. Установка параметров измерения • частота – 1 раз в секунду • длительность – 1000 замеров (эксперимент можно остановить ранее, чем через 1000 замеров) Порядок проведения эксперимента 1. Расположить стеклянную емкость для моделирования конвекции на штативе и налить в нее горячую воду. 2. Поместить 2 датчика температуры в 2 трубки на концах емкости. 3. Запустить опыт. 4. Медленно в одну из трубок добавлять снег или лед. Производить измерения до тех пор, пока температура в другой трубке не начнет изменяться. Зафиксировать изменения. 5. Сохранить результат эксперимента. Обработка и анализ результатов 1. Открыть файл опыта на КПК или ПК. 2. Проанализируйте полученные графики температуры. Определите скорости изменения температуры в различных пробирках (производную). 3. Сделать выводы. Вопросы для предварительного опроса и защиты работы: 1. Какие причины возникновения течений Мирового океана вы знаете? 2. Каково происхождение Лабрадорского течения? 3. Какие последствия может иметь процесс ослабления Лабрадорского течения? Комментарии к проведению учебного исследования: Модель возникновения холодного Лабрадорского течения на модели конвекции Цель: смоделировать процесс возникновения холодного течения с помощью физического оборудования с использованием цифровой лаборатории. График №1 Графики изменения температуры в двух трубках для демонстрации конвекции Вывод: в результате добавления снега в одну из трубок, вода в ней наверху охладилась. Ее плотность увеличилась, и она опускается вниз, выдавливая теплую воду вверх другой трубки, за счет чего во второй трубке к датчику(2) подходит холодная вода и он показывает уменьшение температуры, а к датчику(1) подходит выдавленная теплая вода, и он показывает увеличение температуры. Это явление - обратная конвекция, в процессе которой участвует холодное течение такое, как Лабрадорское.
