Личный опыт
Использование современных технических средств обучения и цифровых лабораторий в образовательной среде при организации допрофильной подготовки и профильного обучения по предметам естественно-математического цикла

Использование современных технических средств обучения и цифровых лабораторий в образовательной среде при организации допрофильной подготовки и профильного обучения по предметам естественно-математического цикла

Современное образование довольно сложно представить без использования информационных технологий. Интенсивный переход к информатизации общества обуславливает все более глубокое внедрение информационных технологий в различные области человеческой деятельности.

Современная школа ставит задачу формирования новой системы универсальных знаний, умений и навыков, а также опыта самостоятельной деятельности и личной ответственности обучающихся, т.е. современных ключевых компетенций, которые и определяют новое содержание образования. Школа должна содействовать успешной социализации молодежи в обществе, ее активной адаптации на рынке труда, освоению базовых социальных способностей и умений, приобщению учащихся к творческой и исследовательской деятельности. Особенно это актуально в учреждениях образования, в которых открыты или открываются профильные классы естественно-математического цикла. Необходимо поставить ученика в условия исследователя, на место учёного или первооткрывателя. Во многом такую возможность дает использование в образовательном процессе новых технических средств обучения, цифровых лабораторий и робототехнических комплексов, получивших широкое применение в последнее время. Комплекты современного оборудования, оснащенные компьютером, набором всевозможных датчиков и регистраторов данных позволяют проводить широкий спектр исследований, демонстраций, лабораторных работ по физике, биологии и химии, способствуют организации проектной и исследовательской деятельности учащихся. Особенное значение приобретает этот процесс при организации предпрофильной подготовки и профильного обучения.

Однако довольно сложной остается задача подготовки высоко-квалицированных педагогических кадров, учителей, которые должны сами выражать готовность к работе с новым оборудованием, освоению новых технологий, применению современных цифровых лабораторий. Зачастую, получив новое оборудование, педагоги либо в силу своей загруженности, либо в силу инертности не желают осваивать его на достаточном уровне. Не секрет, что многие учителя просто оставляют без внимания полученное оборудование и не применяют его для организации учебного процесса ни на уроке, ни во внеурочной деятельности.

В рамках реализации международного проекта INOVEST на базе Минского городского института развития образования создана Лаборатория Интеллектуальных Систем и Технологий «ЛИСТ», оснащенная современными техническими средствами: компьютерный класс, интерактивный проектор, мобильные планшеты, мультиборд, цифровые лаборатории нескольких поколений и многое другое. Основная цель лаборатории – создание условий для непрерывного повышения квалификации педагогических работников г. Минска в сфере использования современных технических средств обучения, освоения оборудования новых цифровых лабораторий и знакомство с основами образовательной робототехники.

С этой целью лаборатория дополнительно оснащена учебно-демонстрационными комплексами, разработанными отечественными производителями лабораторного и демонстрационного оборудования. Осуществляется тесное сотрудничаем с ведущими университетами страны (БГУ, БНТУ, БГПУ и другие), а также с унитарными производственными предприятиями («Актив БГУ», «Технолаб», «Профкон», МНИПИ) – разработчиками современных цифровых лабораторий и школьного оборудования.

На сегодняшний день в лаборатории представлен весь набор оборудования, поставляемого в кабинеты физики учреждений образования города Минска, предназначенного для проведения демонстрационного и лабораторного эксперимента по физике.

Основные задачи деятельности лаборатории «ЛИСТ»:
• научная, техническая и методическая помощь педагогам, осваивающим и применяющим в своей деятельности оборудование цифровых лабораторий «Архимед», «Fourier», «Relab» и др.;
• освоение педагогическими работниками передовых методик и технологий обучения с использованием современных технических средств и цифровых лабораторий;
• разработка методических рекомендаций по выбору оптимальных вариантов организации деятельности обучающихся, форм и приемов работы с роботизированными комплексами;
• приобщение учащихся к научно-техническому творчеству, организация работы с высокомотивированными и одаренными детьми на базе лаборатории.

Сотрудниками отдела естественно-математических и технических дисциплин Минского городского института развития образования проведена серия методических семинаров для педагогов естественно-научных дисциплин, учебных занятий и курсов, посвященных решению поставленных задач. Содержание курсов включает общие сведения о цифровых лабораториях, а также возможности и опыт их использования в образовательном процессе. Особое внимание уделяется постановке экспериментов по физике, химии, биологии с использованием оборудования лабораторий и работе с учащимися в профильных классах.

В соответствии с графиком работы лаборатории, проведены:
установочный семинар «Эффективное применение современного оборудования и технологий обучения для организации интерактивного образовательного процесса» с участием заинтересованных организаций и компаний-партнёров;
постоянно действующий семинар-практикум «Освоение современных технических средств обучения и цифровых лабораторий в условиях высокотехнологичной образовательной среды»;
семинары для педагогических работников Минского государственного дворца детей и молодежи и Национального оздоровительно-образовательного центра «Зубрёнок»;
лекционные и практические занятия в рамках повышения квалификации педагогов.

В ходе перечисленных методических мероприятий обучение прошли более двухсот педагогических работников (учителей естественно-математических и технических дисциплин, руководителей учреждений образования) из 98 учреждений образования г. Минска.

Представим краткий обзор цифровых лабораторий отечественных и зарубежных производителей, которыми оснащена лаборатория «ЛИСТ», перечислив их содержание, технические характеристики и основные возможности по применению в организации учебного процесса.

Цифровая лаборатория Fourier (Архимед)

Лаборатория Fourier (Архимед) позволяют расширить исследовательскую составляющую в изучении естественных наук. Быстрая настройка эксперимента и наглядное отображение получаемых в процессе эксперимента данных, удобные инструменты анализа, позволяют проводить больше экспериментов и проверять больше гипотез, что способствует более быстрому и прочному освоению учебного материала.

Основой лаборатории Fourier (Архимед) являются портативный специализированный регистратор данных NOVA LINK, работающий с программным обеспечением MultiLab, и набор датчиков. Управление экспериментом осуществляется с настольного компьютера. Подсоединив NOVA LINK к персональному компьютеру или ноутбуку в классе мы получаем полноценную цифровую естественно-научную лабораторию.

Регистратор данных NOVA LINK
• Простое многофункциональное устройство типа «plug&play».
• 4 порта, к которым можно подключать до 8 датчиков одновременно.
• USB порт для подключения к компьютеру.
• Высокая скорость регистрации данных – до 10 000 замеров в секунду
Программное обеспечение MultiLab
• Отображение данных в виде графиков, таблиц или показаний шкалы прибора.
• Получение данных от NOVA LINK в режиме реального времени (онлайн).
• Журналы экспериментов с инструкцией по проведению эксперимента и отчетом.
• Сопровождение данных синхронизированными видео- и аудиоматериалами.
• Полная совместимость с WORD и EXCEL.
• Преобразование видеозаписи любого движения в набор данных.
Датчики цифровой лаборатории Fourier (Архимед)
• Модели мобильных лабораторий, разрабатываемые для отдельных предметов естественно-научного цикла основной и старшей школы (Физика, Биология, Химия, География), комплектуются наборами датчиков, исходя из конкретных предметных требований (до 64 штук).
Справочно-методические материалы
• В состав лаборатории входит пособие для учителя с описанием лабораторных и практических работ.

Естественнонаучная цифровая лаборатория einstein™

Регистраторы данных еinstein™ Tablet и еinstein™ Tablet+, входящие в комплект лаборатории представляют собой модифицированные планшетные компьютеры на платформе ОС Android, позволяющие проводить увлекательные естественнонаучные эксперименты как в помещении школы, так и за ее пределами. Они могут производить до 100 000 замеров в секунду и передавать полученные данные на другие устройства и компьютеры посредством беспроводных соединений Wi-Fi и Bluetooth. Регистраторы данных еinstein™ Tablet и еinstein™ Tablet+ поставляются с предустановленным программным обеспечением MiLAB. Подключив такой регистратор к мультимедийному проектору, учитель может демонстрировать эксперимент всему классу.
еinstein™Tablet+ /einstein™Tablet

Планшетный компьютер на ОС ANDROID со встроенным
регистратором данных einstein™LabMate+ /einstein™LabMate

Регистратор данных,
который при помощи USB
или Bluetooth может передавать данные на компьютеры с ANDROID,
iOS, WINDOWS, OS X и LINUX

Технические характеристики цифровой лаборатории einstein™
• Двухядерный процессор ROCKCHIP с частотой 1.2 ГГц
• 7-дюймовый сенсорный экран с соотношением сторон 16:9
• Встроенная флэш-память 4 ГБ
• Внешняя память Micro SD до 32 ГБ
• Wi-Fi 802.11 b/g/n, Bluetooth
• Выход видео: HDMI 1080Р
• Порт micro USB
• Две встроенные веб-камеры
• Аккумуляторная батарея 5000 мАч
• Поддержка форматов: MP3, OGG, AAC, FLAC, MP2, WAV, M4A, WMA, BMP, PNG, JPG, RM, RMVB, AVI

Датчики цифровой лаборатории einstein™

Цифровая лаборатория einstein™ может быть оснащена любым из 65 датчиков, в том числе:
• Датчик температуры (–40 . +140 °С)
• Датчик температуры –200 – 400 °С
• Датчик температуры поверхности
• Датчик температуры 0–1200 °C
• Датчик давления 15–115 кПа
• Датчик давления 20–400 кПа
• Датчик расстояния
• Датчик силы
• Датчик ускорения
• Датчик угла поворота
• Шкив счетный
• Датчик ворота с фотоэлементом
• Колориметр
• Счетчик капель
• Скорость потока (расходомер)
• Датчик артериального давления
• Датчик ЭКГ
• Датчик ЧСС (при физических нагрузках)
• Датчик ЧСС
• Датчик дыхания
• Датчик влажности
• Датчик влажности почвы
• Датчик освещенности
• Датчик освещенности трехдиапазонный
• Датчик УФ-излучения
• Датчик микрофонный
• Датчик уровня шума (звука)
• Датчик электрического заряда
• Амперметр
• Миллиамперметр
• Датчик напряжения +/– 2,5 В
• Датчик напряжения +/– 25 В
• Датчик напряжения 5 В
• Датчик напряжения трехдиапазонный
• Датчик электропроводимости
• Датчик магнитного поля двухосный
• Датчик магнитного поля
• Датчик турбидиметр 0–200
• Датчик аммония с электродом
• Датчик кальция с электродом
• Датчик хлорида с электродом
• Датчик углекислого газа
• Датчик нитрат-ионов 0,02–40.000 ppm
• Датчик содержания кислорода
• Датчик рН
• Датчик калия с электродом
• Счетчик Гейгера-Мюллера

Программное обеспечение
• MiLAB – для ANDROID и iOS
• MultiLAB – для Windows, Mac OS, Linux

Комплект цифровой лаборатории Relab

Компания Relab – это российский производитель цифровых лабораторий, программного обеспечения и обучающего оборудования. Линейка продуктов компании охватывает дошкольное, школьное, профессиональное и высшее образование.

Наиболее широко представлена линейка продуктов для школ – это стандартные цифровые лаборатории, мобильные цифровые лаборатории со встроенными датчиками и мультидатчиками. Цифровые лаборатории Relab помогают формировать творческий и научный подход учащихся к реализации исследовательских проектов, а так же являются гибким образовательным решением при подготовке к проведению учебных занятий в профильных классах, факультативных занятий, индивидуальной работы с одаренными детьми в рамках выполнения научно-исследовательской работы или подготовки к участию в научно-практической конференции.

Технические характеристики и возможности лаборатории Relab

• Датчики подключаются к мобильным планшетам или компьютерам напрямую через USB порт, без использования дополнительных устройств (регистраторов данных)
• Возможность использования мультидатчиков
• Возможность использования мобильных лабораторий со встроенными датчиками
• Цифровые датчики оснащены встроенной памятью, в которой можно хранить данные до 10-ти экспериментов
• Управление выбором диапазона измерения датчиков производится непосредственно из программного обеспечения (а в некоторых датчиках диапазон выбирается автоматически)
• Программное обеспечение кроссплатформенно - доступно в вариантах для Windows, OS X, Android и iOS. На всех платформах имеет идентичный интерфейс
• Поддерживает подключение и отключение датчиков непосредственно во время сбора данных - «на горячую», без прерывания хода выполнения эксперимента и потери результатов
• Возможность установки программного обеспечения на личные устройства учеников и преподавателей
• Программное обеспечение Relab Lite является бесплатным и свободным для скачивания

Основные возможности программного обеспечения Relab Lite:

• работа в операционных системах Windows, OS X, Android, iOS
• использование уникальных возможностей каждой операционной системы, в среде которой работает Relab Lite, сохраняя при этом идентичный интерфейс на всех платформах
• максимально быстрый запуск измерений
• отображение цифровой, табличной и графической информации в режиме реального времени
• получение экспериментальных данных с нескольких устройств одновременно
• отсутствие ограничений на количество подключаемых датчиков
• звуковые оповещения о приближении к максимально допустимым диапазонам измерений датчиков
• выгрузка данных в табличный редактор (формат xls) и личный кабинет (облачное решение Relab Cloud) для последующей обработки
Датчики цифровой лаборатории «Relab»
• датчик света (диапазон длин волн: от 350 до 750 нм),
• датчик тока (диапазоны измерений: ±250 мА, ±1 А, ±5 А),
• датчик напряжения (диапазоны измерений: ±10 В),
• датчик магнитного поля (± 10 мТл, ±2мТл),
• датчик давления (от 0 до 700 кПа)
• датчик температуры (параметры от - 40 до 165 °С),
• датчик движения (от 0.16 до 10 м),
• датчик влажности (0–100 %),
• датчик звука (50 Гц – 15 кГц).

Комплекс программно-аппаратный с комплектом датчиков для кабинетов физики (ОАО «МНИПИ»)

Комплекс программно-аппаратный с комплектом датчиков для кабинетов физики предназначен для измерения физических величин при проведении демонстрационных работ по различным разделам физики, а также для выполнения экспериментальных работ по физике. Лаборатория является продукцией собственного производства ОАО «Минский научно-исследовательский приборостроительный институт».

В состав комплекса входит комплект цифровых датчиков (контрольно-измерительные блоки с датчиками физических величин), подключаемых к персональному компьютеру (ПЭВМ) и специальное программное обеспечение (СПО).

 Комплект датчиков включает:

- датчик температуры (- 40 – + 180 град/С);
- датчик влажности воздуха (10 – 100%);
- датчик давления (0 – 100 кПа);
- датчик ускорения (- 4 – + 4 g);
- датчик индукции постоянного магнитного поля (- 4 – + 4 Гс);
- датчик освещенности (0 – 65535 лк);
- датчик расстояния (0,04 – 4,0 м);
- датчик угловой скорости (0 – 2000 град/с) ;
- датчик угла поворота (0 – 360 град);
- датчик температуры пламени (+ 300 + 1100 град/С).

Перечислим лишь некоторые темы экспериментальных заданий и лабораторных работ по биологии, химии, физике, которые можно выполнить с применением вышеперечисленных цифровых комплексов и лабораторий и положить в основу научно-исследовательской работы.

ПО БИОЛОГИИ
• Потеря воды наземными растениями. Испарение
• Ток воды в побегах и листьях наземных растений. Определение
• скорости подъема воды по ксилеме листа растения
• Ток воды в побегах и листьях наземных растений. Определение
• скорости всасывания растениями воды из колбы
• Измерение скорости фотосинтеза с помощью датчиков давления
• Измерение скорости фотосинтеза с помощью датчика кислорода
• Влияние интенсивности света на скорость фотосинтеза
• Исследование влияния освещенности на скорость фотосинтеза
• с помощью датчиков кислорода
• Влияние концентрации СО2 на скорость фотосинтеза
• Интенсивность дыхания прорастающих семян
• Биологический катализ. Разложение Н2О2 в присутствии энзима каталазы
• Воздействие энзимов на пищу: разложение яичного белка в присутствии фермента пепсина
• Спиртовое брожение в дрожжах
• Нарушение кровообращения при наложении жгута
• Выделительная и терморегуляторная функция кожи
• ЭКГ и дыхание в спокойном состоянии и после физических упражнений
• Исследование влияния городских зеленых зон на температуру и относительную влажность окружающей среды
• Влияние естественной вентиляции (аэрации) на климат внутри помещения
• Определение абиотических условий под камнями с помощью датчиков
• температуры и освещенности
• Определение абиотических условий под камнями с помощью датчиков температуры и влажности

ПО ХИМИИ

• Кислотно-основное титрование. Реакция NАОН с НСl
• Экзотермические реакции. Растворение NАОН в воде
• Окислительно-восстановительные реакции. Реакция хлорида алюминия с медью
• Эндотермические реакции. Растворение нитрата аммония в воде
• Эндотермические реакции. Реакция между кристаллическими гидроксидом бария и роданидом аммония
• Эндотермические реакции. Реакция взаимодействия лимонной кислоты с пищевой содой
• Каталитические реакции. Разложение Н2O2 в присутствии МnO2
• Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа
• Закон Гесса. Аддитивность теплоты реакций
• Теплота сгорания
• Проводимость раствора соли
• Закон Бугера-Ламберта-Бера
• Исследование пламени свечи
• Свойства растворов. Изменение температуры замерзания/плавления
• в присутствии примесей
• Калорийность пищи
• Химическое равновесие. Нахождение константы КС
• Сравнение теплотворной способности двух видов топлива

ПО ФИЗИКЕ

• Проверка второго закона Ньютона в терминах импульсов
• Вольтамперные характеристики проволочного сопротивления, лампы накаливания и диода
• Магнитное поле Земли
• Изучение затухающих колебаний
• Определение электрической емкости конденсатора методом суммирования элементарных зарядов, стекающих с его обкладок.
• Измерения электрического тока и разности потенциалов. Закон Ома для однородного участка цепи.
• Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.
• Измерение удельного сопротивления проводника.
• Определение вольтамперных характеристик полупроводникового диода.
• Колебательный контур в цепи переменного тока.
• Изучение работы трансформатора.
• Изучение закона Кулона.
• Исследование зависимости удельного сопротивления различных материалов от температуры.
• Определение КПД нагревательного прибора.
• Магнитное поле одиночного проводника и рамки с током и изучение явления электромагнитной индукции.
• Изучение газовых законов.
• Молекулярно-кинетическая теория. Уравнение состояния идеальных газов.
• Определение удельной теплоемкости различных тел калориметрическим методом.
• Изучение процесса кипения воды.
• Определение удельной теплоты плавления льда.
• Изучение кинематики равномерного и равноускоренного прямолинейного движения.
• Изучение кинематики вращательного движения.
• Исследование силы трения. Определение коэффициента трения скольжения и силы трения покоя.
• Закон сохранения импульса. Упругое и неупругое соударение тел.
• Определение сил упругости и жесткости пружины.
• Определение параметров свободных колебаний нитяного маятника и ускорения свободного падения.
• Исследование фазовых переходов " жидкость - пар".
• Определение теплопроводности различных тел.
• Изучение скорости звука и процессов отражения звука.
• Изучение отражения света, интерференции и дифракции.

Тематика указанных работ и экспериментов связана с изучением предметов естественно-математического цикла на повышенном уровне. Использование возможностей цифровых лабораторий на наш взгляд будет представлять особый интерес при организации учебных занятий именно в профильных классах.

Значительное внимание уделено работе с одаренными детьми на базе лаборатории «ЛИСТ» МГИРО. Высокомотивированные школьники получили возможность подготовки к участию в республиканской олимпиаде по учебным предметам естественно-математического цикла, научно-практических конференциях и интеллектуальных конкурсах. С этой целью на базе лабораторий института организуется работа учебных студий и учебно-тренировочных сборов по подготовке к участию в олимпиадах.

В перспективе запланировано создание новой лаборатории на базе 3-го корпуса Минского городского института развития образования, оснащенной современными техническими средствами и оборудованием по химии и биологии. С августа 2016 года создан филиал лаборатории по учебному предмету «География» на базе ресурсного центра естественно-математической направленности ГУО «Гимназия №31 г. Минска».

На базе этих лабораторий можно не только знакомить педагогических работников с новинками школьного оборудования, но и осваивать передовые методики и технологии обучения с использованием современных технических средств и цифровых лабораторий. Результаты обучения на базе лабораторий Минского городского института развития образования могут быть использованы педагогами в своей профессиональной деятельности:

1. Использование методик и технологий реализации основных образовательных программ в учебном процессе и дополнительном образовании в соответствии с динамикой развития системы образования.
2. Планирование и организация учебной, внеурочной, проектно-исследовательской деятельности обучающихся с использованием современных технических средств, оборудования цифровых лабораторий и робототехнических комплексов.
3. Участие обучающихся в интеллектуальных конкурсах, научно-практических конференциях, выставках и фестивалях, конкурсах технического творчества молодежи, соревнованиях по робототехнике.
4. Подготовка к печати научных и научно-методических публикаций. Участие педагогов в научных конференциях и семинарах.
Отдельный интерес в техническом и методическом обеспечении лаборатории «ЛИСТ» представляют комплексы биологической обратной связи (БОС), датчики частоты сердечных сокращений и стрессосниматели. Специальное программное обеспечение позволяет специалистам проводить индивидуальную и групповую работу как для педагогов, так и для учащихся по преодолению стресса, развитию психологической устойчивости, тренинги по управлению психическим состоянием, коррекции основных психофизических процессов (особенно для детей с особыми потребностями). Освоение указанного цифрового оборудования школьными психологами, логопедами, дефектологами – ещё одно направление в работе лаборатории «ЛИСТ».

Деятельность лаборатории «ЛИСТ» привлекает значительный интерес со стороны педагогических работников, руководителей учреждений образования столицы, а результаты обучения, несомненно, способствуют росту профессионализма педагогов, грамотной организации учебной, проектно-исследовательской и внеурочной деятельности, допрофильной подготовки и профильного обучения школьников в соответствии с динамикой развития системы образования.

Список литературы:
1. Захарова, И. Г. Информационные технологии в образовании. Учебник М.: «Академия». 2010. 192 с.
2. Минаков, Д. В. Использование цифровой лаборатории «Архимед» в образовательном процессе школы [Электронный ресурс] / Д.В. Минаков. – Режим доступа: http://www.festival.1september.ru/articles/534732/ (дата обращения 24.05.2016)
3. Дунин, С. М. Федорова Ю.В. «Живая физика» плюс цифровая лаборатория «Архимед» (материалы Педагогического марафона – 2005) // Физика. Приложение к газете «Первое сентября». – 2005. – № 11.
4. Осин, А. В. Электронные образовательные ресурсы нового поколения: открытые образовательные модульные мультимедиа системы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://window.edu.ru/resource/271/45271/files/12-29.pdf (дата обращения 24.05.2016)
5. Эйнштейн ™ Tablet +[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://einsteinworld.com/product/einstein-tablet/ (дата обращения 24.05.2016)
6. Комплекс программно-аппаратный с комплектом датчиков для кабинетов физики [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mnipi.by/ru/produkt/uchebnoe-oborudovanie/kontrolno-izmeritelnyie-bloki-s-czifrovyimi-datchik... (дата обращения 24.05.2016)
7. Цифровые лаборатории FourierEdu. Лабораторный практикум : учеб. пособие / сост.: С. М. Кайсын [и др.] ; науч. ред.: С. М. Кайсын, Т. И. Мороз, Е. П. Седов. – Минск : МГИРО, 2014. – 192 с.
Количество показов: 14
Дата создания: 18.09.2020 11:21:28