Аннотация
Цифровая лаборатория «Архимед» (ЦЛ), внедряемая в учебный процесс Центром образования «Технологии обучения», дает возможность учащимся 11 классов не только выполнять обязательный лабораторный практикум по физике, но и принимать участие в создании собственных исследовательских проектов, защищать эти проекты на различных конференциях и на выпускных экзаменах 11 класса. Для создания таких проектов учащиеся исследуют различные физические явления, осваивают компьютерную обработку результатов физического эксперимента, демонстрируют навыки работы с прикладными программами для создания презентаций, а также создают HTML-версию своего проекта на лицейском сайте www.lyceum1502.ru.
В Лицее №1502 при МЭИ вот уже два года создана и функционирует НИТИ -лаборатория «Архимед». Что такое НИТИ – лаборатория? Специализированная аудитория оснащена ЦЛ «Архимед», прямым доступом в ИНТЕРНЕТ и несколькими компьютерами для его использования. Это - целый комплекс, включающий в себя новые информационные технологии и Интернет, где учащиеся 8, 10, 11 классов работают с оборудованием (ЦЛ) при выполнении лабораторного практикума и элективных курсов. Цифровая лаборатория дает возможность снимать данные, используя целый ряд датчиков: датчики силы, датчики тока и напряжения, датчики освещенности, датчики температуры и т.д. Результаты эксперимента демонстрируются на экране карманного персонального компьютера «PALM» в виде графика зависимости измеряемой физической величины от времени. Данные могут представляться также в виде таблицы или гистограммы. Результаты экспортируются на персональный компьютер (ПК). Дальнейшая обработка полученных данных производится с использованием специальной программы обработки данных «MULTILAB» на ПК. Учащиеся 11 класса в течение первого семестра 2005-2006 года выполняли учебно-исследовательский курс «Архимед. Продвинутый уровень». В рамках этого элективного курса лицеисты создавали проектные работы ученика, с использованием возможностей ЦЛ. Темы этих проектов предлагали либо сами учащиеся, либо их руководитель. О диапазоне тем может дать представление их краткий перечень:
— Движение связанных тел;
— Моделирование задачи на тему «Колебательный процесс» и исследование затухающих колебаний в двух средах;
— Точное измерение сопротивления двумя способами;
— «Лимонная батарейка» или новый источник питания мобильного телефона;.
— Токи в электролитах;
— Исследование вольтамперной характеристики лампы накаливания.
— Исследование магнитных полей различной конфигурации.
Видно, что изучались темы, затронутые в школьной программе лишь вскользь, и тем ценней большая самостоятельная работа лицеистов с источниками. Почти все работы показали желание учащихся уйти за рамки школьной программы и изучать явление всесторонне и углубленно, используя возможности различной физической литературы и ИНТЕРНЕТ.
Так работа «Токи в электролитах» (руководитель Петрова М. А.) включает в себя фактически три большие темы:
— Исследование процесса электролиза и опытная проверка закона Фарадея;
— Исследование процесса коррозии;
— Исследование зависимости ионной проводимости от температуры.
Проведенные эксперименты находятся на грани двух фундаментальных наук: физики и химии. Фарбер Алексеем, Тищенко Дмитрием и Рыбчинским Сергеем проведен и рассчитан процесс электролиза на примере рафинирования меди, исследован процесс электрохимической коррозии железа в контакте с углеродом, при этом создан микрогальванический элемент, исследована ионная проводимость электролита как функция температуры.
В ходе работы проведена теоретическая подготовка к трем экспериментам, проведены опыты с использованием ЦЛ «Архимед», собраны данные и рассчитаны равновесные потенциалы при рафинировании, масса меди, опытным путем доказана справедливость закона Фарадея для электролиза. В ходе второго эксперимента подсчитана скорость электрохимической коррозии и величина заряда, прошедшего через электролит за время коррозии. В ходе третьего эксперимента проанализирована полученная зависимость тока в электролите как функция температуры.
Традиционные задачи динамики связанного движения – это предмет исследования проекта, который представили Гришина Кристина и Смирнова Наталья (руководитель Зуковская Ю. Э.). В ходе эксперимента с использованием датчика силы, исследовалось движение грузов после пережигания нитей и изменение веса груза при движении с ускорением.
Проектная работа по точному измерению сопротивления двумя способами ученика 11 класса Балашова Никиты (руководитель Петрова М.А.) преследовала следующие цели: заменить имеющуюся в лицее лабораторную установку по измерению сопротивления проволоки двумя способами, с помощью точного измерения тока и точного измерения напряжения, на простейшую конфигурацию этой же установки, но с помощью датчиков ЦЛ «Архимед» и набора L-Микро. При этом было сделано следующее:
1. Определение отношения сопротивлений датчика напряжения к датчику тока;
2. Моделирование альтернативной лабораторной работы по определению сопротивления реостата двумя способами: с помощью схемы с точным измерением напряжения и схемы с точным измерением тока.
В ходе работы «Лимонная батарейка» Воронцовым Кириллом (руководитель Петрова М. А.) был проведен физический эксперимент с применением Цифровой лаборатории «Архимед», обработаны данные эксперимента с помощью программы MULTILAB, посчитана разрядная емкость одного элемента и сделан вывод при подсчете количества элементов, необходимых для работы мобильного телефона.
На втором этапе работы создан датчик тока новой конструкции для работы с ЦЛ, основанный на эффекте Холла. Датчик апробирован и откалиброван по эталону.
В силу своей специфики (получение зависимостей физических параметров как функции времени) ЦЛ активно используется учащимися для исследования колебательного движения.
Таковым является еще один проект лицеистов. В ходе работы проведены физические эксперименты с применением Цифровой лаборатории « Архимед», обработаны проведенные эксперименты с применением возможностей программы MULTILAB, рассчитана скорость колеблющегося тела тремя различными способами и установлен коэффициент затухания двух различных жидкостей. При проведении работы Колгушкина Светлана и Приходько Евгения обнаружили несомненную способность к постановке и проведению физического эксперимента и грамотно смоделировали физическую задачу. Далее они сумели правильно интерпретировать полученные значения и привести эти результаты в строгое соответствие с теорией колебаний, которая достаточно полно отражена в теоретическом введении к работе.
В наборе датчиков ЦЛ содержится датчик магнитного поля, основанный на эффекте Холла. Чувствительность датчика такова, что позволяет исследовать магнитное поле Земли. Исследованию магнитного поля соленоида и короткой катушки посвящена работа учащихся Шашина Александра и Тимохина Александра, выполненная под руководством преподавателя лицея
Щеглова С. А. Этим лицеистам удалось автоматизировать эксперимент с помощью внедрения потенциометрического метода измерения координаты датчика магнитного поля.
Для создания следующего проекта учениками 11 класса Чурилиным Александром и Власовым Андреем (руководитель Петрова М. А.), выбрана тема исследования вольтамперной характеристики лампы накаливания, рассчитано сопротивление нелинейного элемента цепи и предпринята попытка исследовать зависимость температурного сопротивления вольфрама, как функцию температуры. При эксперименте полученные данные были обработаны с помощью программы MULTILAB, рассчитаны температурные коэффициенты вольфрама и сопротивление вольфрамовой лампы накаливания. При расчете сопротивлений использовалась пирометрическая зависимость силы тока от температуры, так как измерить температуру лампы накаливания непосредственно не представлялось возможным.
Ряд исследовательских работ учащихся лицея были доложены на Третьем
Международном конкурсе естественно-научных проектов, проходившем в апреле 2006 года в г. Москве. Эти работы получили хорошие отзывы и отмечены дипломами конкурса . Доработанные Проекты ученика представлены на выпускной экзамен за 11 класс. Освоенные учащимися возможности цифровой обработки большого массива данных в программе MULTILAB (редактирование, интегрирование, дифференцирование графиков полученных зависимостей) безусловно будут востребованы в технических ВУЗах, в которых учащиеся планируют свое дальнейшее обучение. Интересно также, что при оформлении результатов проектной деятельности, учащиеся уверено применяли прикладные программы, такие как POWER POINT, EXCEL и проч. Все учащиеся имели возможность, в рамках проектной деятельности, разместить свои результаты на лицейский сайт на тематическую страничку «Архимед». Сейчас на страничке можно увидеть результаты нескольких проектов. Открытая презентация работ и их обсуждение очень важны в процессе обучения и стимулирования исследовательских навыков.
Представляется вполне вероятным, что у НИТИ-лаборатории – большое будущее. Совмещение исследовательских проектов с широкими коммуникативными возможностями сети ИНТЕРНЕТ раскрывает интересные перспективы перед учителями–предметниками и может использоваться в преподавании предметов естественнонаучного цикла.
— Петрова Мария Арсеньевна (mars1502@mail.ru),
— Чудов Владимир Львович (lyceum1502@inbox.ru).
ГОУ Лицей №1502 при МЭИ, г. Москва, 2007 год.