Тема: Использование «Цифровой лаборатории» по физике

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Тема:  Использование «Цифровой лаборатории» по физике 

НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ

 на уроках и во внеурочной деятельности



ВВЕДЕНИЕ

Очевидно, что информационные технологии имеют самое широкое распространение в современном обществе. Окружающий школьника быт также все больше и больше связан с информационными технологиями (мобильная связь, цифровое телевидение, измерительные и диагностические приборы, обработка изображений и т.д. и т.п.). Поиск информации в современном мире также немыслим без использования компьютера. Представление своей работы во время публичного выступления без использования компьютерной презентации также уже кажется анахронизмом. Привлечение информационных технологий на всех этапах проведения исследования школьниками является естественным процессом их приобщения к деятельности в окружающей реальности. 

Направления использования компьютера в современной методике преподавания физики в настоящее время весьма разнообразны.  От использования фрагментов электронных изданий (ЭИ) на уроке при введении новой информации (вкрапление анимаций, видео, рисунков, интерактивных заданий из ЭИ в собственные презентации) до  проведения лабораторных работ и демонстраций с использованием цифровых датчиков, использование цифровых инструментов для съемки и обработки фотографий видеофрагментов,  использование программ для обработки эксперимента.

Ясно, что учитель на разных этапах обучения выбирает различные формы использования цифровых ресурсов в зависимости от количества отведенного учебного времени, возраста учащихся, содержания изучаемого материала, качества и доступности этих ресурсов и собственных пристрастий.

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 обучающихся к творческой и исследовательской деятельности. Для обучения учащихся   в соответствии с ФГОС необходима реализация системно-деятельностного подхода.    Для этого нужно постановить   ученика  в условия исследователя,  на место учёного   или первооткрывателя.      

Ведь недаром  в древней  китайской мудрости говорится:

Расскажи мне, и я забуду. 

Покажи мне, и я запомню. 

Дай мне попробовать, и я научусь.  

 Огромную роль в решении этих задач сегодня играет реализация возможности использования «Цифровой лаборатории» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ в образовательном процессе по физике  .

«Цифровая лаборатория» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ – это оборудование для проведения широкого спектра исследований, демонстраций, 30  лабораторных  с использованием реального оборудования, состыкованного с цифровыми датчиками сигнал с которых поступает на компьютер и обрабатывается соответствующей программой.  Ученик для получения количественных данных должен осознать смысл сигнала выводимого на экран. Компьютерная программа только ускоряет рутинные процедуры регистрации количественных данных: создание и заполнение таблиц, построение графика по табличным данным, подбор теоретической прямой (кривой), проходящей через все экспериментальные точки.

Конечной целью внедрения цифровой лаборатории в практику преподавания физики является формирование новой культуры отчетности по экспериментальным исследованиям.

Учитывая переходный период между использованием традиционного и компьютеризированного практикума, в «Цифровую лабораторию» включены работы, которые имеют аналоги работ на традиционном оборудовании, что позволяет их использовать во время проведения лабораторных работ на уроке. Однако, имеется ряд работ расширяющих границы изучения физики в школе, что позволяет проводить занятия во внеурочное время. Например, кружок по физике.

Лаборатория состоит из:

4 цифровых датчиков с 2 соединительными кабелями;

Нетбук «Аквариус», поскольку многие работы предпологают использование встроенной ВЕБ-камеры;

Комплект оборудования, используемого в работах по основным темам курса физики. Комплект упакован в латок из пластика, к который также вкладываются методические указания и диск с программным обеспечением.

Каждая работа содержит свой сценарий, в котором реализуются следующие методические идеи:

Возможность внесения данных в таблицы отчета чисел только с экспериментальной установки с фиксированием.

Разумная автоматизация рутинных процедур.

Проведение измерений, после фиксации изображения с помощью ВЕБ-камеры.

Компьютерный подбор наилучших кривых для получения экспериментальных данных (парабола, гипербола, прямая идущая в 0, const, корневая зависимость) вместо трактовки результатов только на основе прямых, полученных после преобразования переменных.

Автоматическая проверка результатов некоторых арифметических действий, входящих в отчет.

Получение качественно новых результатов, которые нельзя получить без использования компьютера.

Оформление отчета в электронной форме, содержащего: фото экспериментальной установки, таблицы итоговых и промежуточных данных, графики, описание установки, данные об обучающихся, выводы.

Возможность проведения одной и той же работы с формированием либо электронного отчета, либо с подготовкой отчета путем заполнения расчетного бланка, где требуется заполнение шаблонов таблиц, графиков, выводов.

Освоение программы и работы с датчиками может позволить использовать это оборудование для проведения собственных исследований.

В 2011 – 2012 учебном году наша школа получила «Цифровую лабораторию» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ.

Цель данной разработки:  показать возможности применения «Цифровой лаборатории» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ в учебном процессе.





Использование «Цифровой лаборатории»  НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ при проведении лабораторных работ в 9 -11 классах

Изучение физики  в средней школе направлено на достижение следующих целей:

освоение знаний о механических, тепловых, электромагнитных и квантовых явлениях; физических величинах, характеризующих эти явления; законах, которым они подчиняются; методах научного познания природы и формирование на этой основе представлений о физической картине мира;

овладение умениями проводить наблюдения природных явлений, описывать и обобщать результаты наблюдений, использовать простые измерительные приборы для изучения физических явлений; представлять результаты наблюдений или измерений с помощью таблиц, графиков и выявлять на этой основе эмпирические зависимости; применять полученные знания для объяснения разнообразных природных явлений и процессов, принципов действия важнейших технических устройств, а также для решения физических задач;

развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей, самостоятельности в приобретении новых знаний при решении физических задач и выполнении экспериментальных исследований с использованием информационных технологий;

 воспитание убежденности в возможности познания природы, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважения к творцам науки и техники; отношения к физике как к элементу общечеловеческой культуры;

применение полученных знаний и умений для решения практических задач повседневной жизни, для обеспечения безопасности  своей жизни, рационального природопользования и охраны окружающей среды.



В ходе изучения курса физики приоритетами являются:

Познавательная деятельность:

	использование для познания окружающего мира различных естественнонаучных методов: наблюдение, измерение, эксперимент, моделирование;

	формирование умений различать факты, гипотезы, причины, следствия, доказательства, законы, теории;

	приобретение опыта выдвижения гипотез для объяснения известных фактов и экспериментальной проверки выдвигаемых гипотез.

Информационно-коммуникативная деятельность:

	владение монологической и диалогической речью, развитие способности понимать точку зрения собеседника и признавать право на иное мнение;

	использование для решения познавательных и коммуникативных задач различных источников информации.

Рефлексивная деятельность:

	владение навыками контроля и оценки своей деятельности, умением предвидеть возможные результаты своих действий:

	организация учебной деятельности: постановка цели, планирование, определение оптимального соотношения цели и средств.

Важное место в формировании практических умений и навыков у учащихся на уроках физики отводится демонстрационному эксперименту и фронтальной лабораторной работе. Физический эксперимент на уроках физики формирует у учащихся накопленные ранее представления о физических явлениях и процессах, пополняет и расширяет кругозор учащихся. В ходе эксперимента, проводимого учащимися самостоятельно во время лабораторных работ, они познают закономерности физических явлений, знакомятся с методами их исследования, учатся работать с физическими приборами и установками, то есть учатся самостоятельно добывать знания на практике.



Учебно-методический комплекс 9 класс

№

п\п

Авторы,составители

Название учебного издания

Годы издания

Издательство

1.

А.В. Перышкин, Е.М. Гутник

Физика-9кл

2011

М. Дрофа

2.

В.И. Лукашик

Сборник задач по физике7-9кл.

2005

М.Просвещение

3.

Л.А.Кирик

Самостоятельные и контрольные работы-9 класс

2005

М. Илекса

4.

Е. М Гутник  Э. И. Доронина Е.В. Шаронина

Примерное поурочное планирование к учебнику «Физика-9» А.В. Перышкина и Е.М. Гутник

2010

М. Дрофа

5.

А.В. Перышкин

Сборник задач по физике

2008

М. Экзамен

Данный учебно-методический комплекс реализует задачу концентрического принципа построения учебного материала, который отражает идею формирования целостного представления о физической картине мира.

Лабораторные работы  - 9 класс

Тема: Законы движения и взаимодействия тел

л/р №1 Исследование равноускоренного движения без начальной скорости

л/р №2  Измерение ускорения свободного падения

Тема: Механические колебания и волны. Звук.

л/р№3 Исследование зависимости частоты и периода свободных колебаний нитяного маятника от его длины

 Тема: Электромагнитное поле 

л/р №4  Изучение явления электромагнитной индукции

 Тема: Строение атома и атомного ядра

л/р №5 Изучение деления ядра атома урана по фотографии треков

л/р №6 Изучение треков заряженных частиц по фотографиям

Из 6 лабораторных работ в 9 классе с помощью «Цифровой лаборатории» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ можно выполнить 4:  «Исследование равноускоренного движения без начальной скорости», «Измерение ускорения свободного падения», «Исследование зависимости частоты и периода свободных колебаний нитяного маятника от его длины», «Изучение явления электромагнитной индукции». Последние две работы не предполагают использование лабораторного оборудования. Таким образом,  «Цифровая лаборатория» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ позволяет провести лабораторные работы по физике в 9 классе в полном объеме.

   

Учебно-методический комплекс 10 - 11 классы

№

п\п

Авторы, составители

Название учебного издания

Годы издания

Издательство

1.

Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский

Физика-10кл

Физика 11 кл.

2008

2009

М. Просвещение

2.

А.П. Рымкевич

Сборник задач по физике 10 - 11кл.

2012

М.Просвещение

3.

Н.И. Гольдфарб

Сборник задач по физике 10 – 11 классы

2011

М. Дрофа

Учебно-тематический план  по курсу физики 10 класса. (4 ч в неделю). 

Раздел

Тема раздела

Количество часов

Лабораторная работа

1O класс



132



Правила ТБ в кабинете физики. Введение



1



Механика



54







Кинематика

16







Динамика

16

№ 1. Изучение движения тела по окружности       под действием          сил упругости и тяжести



Законы сохранения в механике

16

№ 2.  Изучение закона сохранения механической энергии





Статика

6



Молекулярная физика. Тепловые явления



36





Основы молекулярно-кинетической теории. Температура. Энергия теплового движения молекул. Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы

18

№  3.  Опытная проверка       закона Гей-Люссака





Взаимные превращения жидкостей и газов. Твердые тела

5







Основы термодинамики

13



Основы электродинамики



36





Электростатика

17







Законы постоянного электрического тока

11

№  4.  Изучение последовательного и параллельного соединений     проводников. №   5.   Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока





Электрический ток в различных средах

8



Повторение



5



Из 5лабораторных работ в 10 классе с помощью «Цифровой лаборатории» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ можно выполнить  только 2: № 2.  Изучение закона сохранения механической энергии и №  4.  Изучение последовательного и параллельного соединений     проводников. Лабораторную работу №  3.  «Опытная проверка       закона Гей-Люссака» можно заменить двумя работами по выбору: 2.5 Изучение зависимости давления газа от температуры в сосуде постоянного объема и 2.6 Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре. Аналога работе №   5.   Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока в «Цифровой лаборатории» нет.





Учебно-тематический план  по курсу физики 11 класса. (4 ч в неделю). 

Раздел

Тема раздела

Количество часов

Лабораторная работа



11   класс



133



Основы электродинамики (продолжение)



17





Магнитное поле

7

№    1.    Наблюдение         действия магнитного поля на ток





Электромагнитная индукция

10

№ 2.  Изучение явления     электромагнитной    индукции

Колебания и волны



36







Механические колебания 

11

№    3.    Определение      ускорения свободного      падения    при    помощи маятника



Электромагнитные колебания. Производство, передача и использование электрической энергии

17





Механические волны

3





Электромагнитные волны

5



Оптики



29





Световые волны

19

№     4.     Измерение     показателя преломления  стекла. №    5.    Определение    оптической силы   и   фокусного расстояния собирающей линзы. №   6.   Измерение   длины   световой волны



Элементы теории относительности

4







Излучение и спектры

6

№ 7. Наблюдение сплошного и      линейчатого спектров

Квантовая физика



29





Световые кванты

8







Атомная физика Физика атомного ядра. Элементарные частицы

21



Обобщающее повторение



20





Из 7 лабораторных работ в 11 классе с помощью «Цифровой лаборатории» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ можно выполнить  только 2: № 2.  «Изучение явления     электромагнитной    индукции»,(работа выполнялась в 9 классе)  и №    5.    «Определение    оптической силы   и   фокусного расстояния собирающей линзы». В цифровой лаборатории есть работа для рассеивающей линзы.

Выводы:

С помощью «Цифровой лаборатории» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ можно в полном объеме провести лабораторные работы предусмотренные программой только в 9 классе.

Для проведения работ в 10 и 11 классах понадобится дополнительное оборудование.





 II. Рабочая программа кружка по физике

в 10 классе

«Цифровая лаборатория по физике»

МКОУ «Воротынская СОШ»

2012 – 2013 учебный год



ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Развитие современной техники и практика всех естественнонаучных исследований в мире показывает, что измерение физических величин все шире использует принципы оцифровывания аналоговых сигналов, внедрение датчиков физических величин и компьютерную обработку информации полученной с таких датчиков. Современный стандарт физического образования для средней школы требует активного освоения современных способов получения, обработки и представления информации, а также методов проведения исследовательских работ по физике. Поэтому актуальной задачей развития лабораторного практикума является внедрение компьютерной техники в подготовку, проведение экспериментальных работ и в обработку полученных экспериментальных данных. 

В методической литературе термин «компьютерный эксперимент» приобрел столь широкое распространение и толкование, что многие учителя начали понимать под ним компьютерную симуляцию такого эксперимента. Несмотря на возражения о том, что при таком подходе размывается само понятия «эксперимент» в преподавании физики, идея «симуляции эксперимента» была доведена до абсурда: прикрываясь идеей сложности технической реализации экспериментальных установок для классических фундаментальных экспериментов (опыты Франка-Герца, Резерфорда, Мессбауэра), некоторые авторы предлагают создать муляж экспериментальной установки с муляжами вольтметров и других измерительных приборов, управлять рукоятками муляжей приборов компьютерной программой, которая и будет выдавать «экспериментальные» (а в действительности рассчитанные компьютером в соответствии с положением рукояток муляжей) зависимости.

Толкование «компьютерной симуляции» как «компьютерного эксперимента» крайне опасно, поскольку уводит от восприятия физики как науки о моделировании реальных явлений. В рамках живого эксперимента реализуется ситуация преодоления учеником трудностей при наблюдении реальных явлений, развивается навык выделения основных черт явления на фоне множества мелких второстепенных факторов, установления причинно-следственных связей, количественных закономерностей.

Только в реальном эксперименте становится понятна необходимость измерений с определенной точностью и проведение таких операций как округление.

Именно в экспериментальных исследованиях становятся востребованными навыки учеников, склонных не только к абстрактному мышлению, но и к конструированию, тонким мышечным действиям, которые все реже можно проявить в пространстве современной школы.

Для развития творческих способностей недостаточно дать обучающимся сумму знаний. Главное условие развития творчества – организация деятельности обучающихся, особенно в области физического эксперимента. Повысить уровень экспериментальной подготовки можно, используя цифровую лабораторию (ЦЛ) «Научные развлечения», что мы и делаем на занятиях кружка. 

ЦЛ «Научные развлечения»– новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий для проведения широкого спектра исследований, демонстраций, лабораторных работ. 

Программа кружка «Цифровая лаборатория по физике»  разработана для обучающихся 10 класса при наличии у каждого из них персонального компьютера, измерительного интерфейса и комплекта датчиков. Занятия продолжительностью 45 мин.,  проводятся один раз в неделю. 

Срок реализации предлагаемой образовательной программы 1 год.

Цели программы: воспитание творческой личности, способной овладеть профессиональными навыками в постановке физических экспериментов; развитие стремления к познанию окружающего мира через постановку физического эксперимента; вовлечение учеников в раздумья через интерес к происходящим явлениям и реализацию своих замыслов по изучению явлений; проведение физического эксперимента с использованием не только традиционного школьного оборудования кабинета физики, но и комплекта оборудования «Цифровая лаборатория».

Задачи программы: 

– научить детей анализировать возможные варианты экспериментального решения задачи и выбирать оптимальный вариант; планировать эксперимент; производить рациональный отбор приборов и материалов; оценивать погрешности эксперимента; делать выводы;

– изучить описание программного обеспечения для сбора и первичной обработки экспериментальных данных на ПК;

– получить представление о программе для обработки опытных данных;

– изучить область применения и технические характеристики датчиков, входящих в комплект ЦЛ «Научные развлечения»;

– для поддержания интереса учащихся к физике и приобретения навыков в постановке экспериментов использовать разнообразные виды работ: занимательные опыты, демонстрационные опыты, лабораторные работы, экспериментальные задачи.



Темы проектов по физике для 10 классов 

Зарождение и развитие научного взгляда на мир.
2. Силы в механике. Сила всемирного тяготения. Сила тяжести
3. Силы в механике. Деформация и сила упругости.
4. Силы в механике. Сила трения.
6.Законы сохранения в механике. Закон сохранения импульса.
7.Законы сохранения в механике. Закон сохранения энергии.
8.Абсолютно твердое тело и виды его движения.
9.Равновесие твердых тел. Виды равновесия.
10.Механика деформируемых тел. Механические свойства твердых тел.
11.Гидродинамика. Уравнение Бернулли.
12.Основы молекулярно-кинетической теории.
13.Газовые законы.
14.Внутреняя энергия. Способы изменения внутренней энергии.
15.Тепловые двигатели.
16.Автомобиь и экология.
17.Электрическое поле. Проводники в электрическом поле.
18.Потенциал. Разность потенциалов. Эквипотенциальные поверхности.
19.Электроемкость. Конденсаторы. Применение конденсаторов.

20. Влияние сотового телефона на здоровье человека.



УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

35 часов  (1 ч/нед.)

№

Раздел, тема





I. Знакомство с ЦЛ «Научные развлечения» 2 часа

1/1

Ознакомление с интерфейсом программы 

2/2 

Ознакомление с программой обработки видео

II. Выполнение экспериментов с использованием ЦЛ «Научные развлечения»

Механика  10 часов

3/1

Исследование зависимости скорости от времени при равноускоренном движении

4/2

Исследование зависимости пути от времени при равноускоренном движении

5/3

Измерение ускорения свободного падения

6/4

Проверка второго закона Ньютона при движении тела по наклонной плоскости

7/5

Измерение коэффициента трения

8/6

Проверка теоремы об изменении механической энергии

9/7

Закон сохранения энергии при колебании груза на нити

10/8

Определение периода колебаний нитяного маятника

11/9 

Определение периода колебаний маятника на пружине

12/10

Преобразование энергии в пружинном маятнике

Молекулярная физика 6 часов

13/1

Проверка закона сохранения энергии для тепловых процессов

 14/2

Определение удельной теплоемкости твердого тела

15/3 

Определение удельной теплоемкости плавления льда

16/4

Изучение закономерности испарения жидкости

17/5

Изучение зависимости давления газа от температуры в сосуде постоянного объема

18/6

Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре

Электричество 10 часов

19/1 

Знакомство с интерфейсом цифрового осциллографа

20/2

Измерение силы тока с помощью осциллографа

21/3

Изучение зависимости сопротивления провода от длины и площади поперечного сечения

22/4

Изучение распределения напряжений в цепи с последовательным соединением, состоящих из разных элементов

23/5

Изучение распределения напряжений в цепи с параллельным соединением, состоящих из разных элементов

24/6

Изучение распределения токов в цепи с последовательным соединением, состоящих из разных элементов

25/7

Изучение распределения токов в цепи с параллельным соединением, состоящих из разных элементов

26/8

Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока

27/9

Изучение свойств полупроводникового диода

28/10

Изучение протекания тока в цепи, содержащей конденсатор

III. Подведение итогов 7 часов

29/1–33/5

Выполнение проекта по физике 

34/6–35 /7

Показ приобретённых знаний, умений и навыков учащимся своего класса, выступление на школьной конференции

Прогнозируемые результаты

В конце обучения дети должны: 

знать:

– программное обеспечение ЦЛ «Научные развлечения»;

– назначение датчиков, входящих в комплект ЦЛ «Научные развлечения»;

– возможности программы для обработки экспериментальных данных на ПК;

уметь:

– подготавливать ПК для эксперимента;

– пользоваться ПК, измерительным интерфейсом и датчиками сбора и первичной обработки экспериментальных данных;

– грамотно использовать датчики в экспериментальной установке;

– формулировать цель и составлять план эксперимента;

– проводить эксперимент;

– обрабатывать экспериментальные данные;

– делать выводы;

– видеть практическую направленность своей деятельности;

– разнообразно представлять результаты своей деятельности.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Информационные технологии наступают на все отрасли знаний и стороны деятельности человека. При трактовке преподавания физики как приобщения к современным методам познания мы обязаны показать способы фиксирования и обработки информации, используемые  в современной физике, как отрасли науки. В этом «Цифровая лаборатория» незаменима. Цифровые датчики почти всех физических величин, видеокамера, покадровая обработка видео, обработка таблиц на компьютере после проведения эксперимента – это рутинные средства из арсенала современной науки, а познакомиться с ними можно работая с «Цифровой лабораторией».

Использование «Цифровой лаборатории» усиливает мотивацию обучающихся и кардинально меняет их отношение к физике как учебному предмету.

ЛИТЕРАТУРА:

А.Н. Болгар и др. «Цифровая лаборатория» Методическое руководство по работе с комплектом оборудования и программным обеспечением фирмы 2НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ» м.,2011,89с.

Примерная программа основного общего образования по физике 7 – 9 классы. М., Просвещение, 2008

Примерная программа среднего (полного)  общего образования по физике 10 - 11 классы. М., Просвещение, 2009

Учебники: А.В. Перышкин, Е.М.Гутник Физика 9 класс, Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский  Физика 10 класс, Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский  Физика 11 класс

Губанов В.В. Физика  9 класс. Лабораторные работы. Контрольные задания.  – Саратов: Лицей, 2011.

Губанов В.В. Физика 10 класс. Лабораторные работы. Контрольные задания.  – Саратов: Лицей, 2011.





2