Использование цифровой лаборатории «Архимед» в исследовательской деятельности учащихся
Использование цифровой лаборатории «Архимед» в исследовательской деятельности учащихся
Перспективы развития учебного оборудования новейшего поколения отечественных и зарубежных производителей связаны с развитием компьютеризированного эксперимента, с привлечением учащихся к предметной учебно-исследовательской работе на уровне современных физических исследований, с развитием электронных средств коммуникации. Задача современных учителей физики не «опоздать на уходящий поезд», включиться в методическую работу по осваиванию новых информационных средств обучения – средств реализации компьютеризированного эксперимента по физике, химии и экологии.
Оборудование ЦЛ «Архимед» разработано и произведено в США и Израиле. В 2001 году Валерией Грауфорд и Филом Вей по заказу Palm Corporation был подготовлен оценочный доклад по использованию ЦЛ в системе образования. Доклад базируется на данных, которые собирались от 102 преподавателей, работающих в течение всего 2000-2001 учебного года. Оценка учителей однозначно позитивна: карманные персональные компьютеры (КПК) оказывают положительный эффект на методы обучения и на качество изучаемых предметов.
В России активное внедрение КПК лаборатории «Архимед» для проведения физического, биологического и экологического эксперимента в школе началось с 2003 года.
Сейчас в школы поступает уже оборудование третьего поколения, в состав которого входит портативный компьютер Nova 5000 и совмещенные с ним датчики физических величин компании Fourier Systems.
Самые важные педагогические задачи, которые решаются при выполнении учебного физического практикума или демонстрационного эксперимента с подобным оборудованием это: • повышение мотивации к обучению; • максимальное использование наглядности в эксперименте; • обучение учащихся новейшим средствам реализации учебного эксперимента; • усиление поддерживающей функции компьютера при проведении натурного эксперимента; • возможность дистанционного обмена информацией и проведения эксперимента в сетевом контакте с помощью новейших средств коммуникации • работа учащихся на стыке нескольких учебных дисциплин: физика-химия, физика-биология, физика-информатика и проч.
Современные технологии меняют культуру работы с научными данными. Исследователь может быть вооружен простыми средствами, позволяющими ему зафиксировать изучаемый объект и процесс исследования на фотографии, сделать видео или аудио запись, указать точное координатное положение объекта. Это необходимо для того,чтобы исследования были более объективными и, следовательно, доказательными. Материалы фото, видео и аудио- документализации исследования определяют его содержательную часть наряду с текстовым описанием и составляют так называемый предмет изучения.
Применение цифровых устройств внесли революционные коррективы в научную исследовательскую практику. Качественно процесс информатизации науки можно сравнить с историческим этапом появления эксперимента в науке. Современные исследования, в особенности в областях нано- и космо- физики вообще не представляются без использования высокотехнологичных цифровых систем. При всей своей внутренней конструктивной сложности цифровые научные измерительные комплексы адаптируются для использования на бытовом практическом уровне и становится доступными в управлении и понимании их принципиального устройства студентам и школьникам. Происходит стандартизация подходов к конструированию измерительных приборов. Разработаны универсальные протоколы и аппаратные интерфейсы позволяющие использовать персональные компьютеры в качестве исследовательских лабораторий.
На аналоговом приборе снимая показание мы самостоятельно округляем значение измеряемого параметра до ближайшей риски шкалы прибора или до половины цены деления, а в некоторых случаях для снятия показаний требуется считывать параметры с нескольких шкал, как например в микрометре, где используется дополнительная шкала нониуса. Процесс снятия показаний с аналогового прибора занимает большее время требует соответствующего навыка и квалификации от наблюдателя.
Отображение результатов мгновенных измерений на цифровом измерительном приборе может производиться в стиле имитации стрелочного прибора, диаграммой или каким либо другим графическим методом. Если данные измерений коммутируются на компьютер, то интерфейсная программа как правило позволяет пользователю выбрать наиболее удобный или привычный способ отображения мгновенных измерений.
Измерения в зависимости от целей могут производиться в разных режимах и это накладывает определенные требования к измерительной аппаратуре. Например, для измерения быстро изменяющегося параметра используются приборы осциллографы, а если необходимо отслеживать поведение параметра долгое время, то применяются графопостроители (пример барограф). В случае использования цифрового регистратора процесс сбора научной информации автоматизируется. Экспериментатор может самостоятельно задать частоту регистрации параметра, количество регистраций или промежуток времени пределах которого происходит регистрация. В некоторых случаях частота регистрации может достигать значений порядка 20 000 замеров в секунду, что необходимо для исследования быстро-изменяющихся процессов, и в других случаях замеры могут производиться один раз в час на протяжении недель или в режиме мониторинга всегда!
Школьная цифровая лаборатория представляет собой обыкновенный персональный компьютер имеющий встроенную или подключаемую интерфейсную плату для подсоединения к компьютеру измерительных датчиков. Компьютер выполняет роль регистратора. Во многих случаях проведения измерений удобно использовать ноутбук, потому что его проще поднести к объекту исследования и органично расположить рядом с экспериментально установкой. Сенсоры-датчики могут передавать значение измеряемого параметра по радиочастоте и быть не связанными физически с регистратором. Возможности цифровой лаборатории фантастичны. Данные непосредственных измерений могут поступать на компьютер через компьютерную сеть
Цифровая лаборатория универсальна. Всякий физический параметр значение которого можно передать числом может быть измерен соответствующим датчиком. Датчики (или сенсоры) изготавливаются по стандарту и, поэтому, достаточно иметь один цифровой регистратор (ноутбук или школьную цифровую лабораторию) и докупать для него стандартные датчики чтобы исследовать большое количество разных физических, химических и биологических процессов. Следует иметь ввиду, что цифровые показания с разных типов датчиков отображаются одинаково и специфика измеряемого параметра на его изображение на компьютере не влияет. Цифровой регистратор на базе персонального компьютера часто позволяет подключать сразу же несколько датчиков и вести одновременные наблюдения для разных параметров. Следует помнить, что по крайне мере один датчик, а именно микрофон всегда встроен в современный компьютер и для исследования звука нужно установить соответствующую программу.
Цифровая лаборатория организованная на базе персонального компьютера предоставляет возможности по оперативному анализу и математической обработке полученных данных. В частности это такие возможности как усреднение наблюдаемого параметра, аппроксимация всего ряда наблюдений или какого-то конкретного участка прямой, квадратичной функцией, экспоненциальной зависимостью и прочие другие аналитические возможности.
Несомненно, цифровые исследования это технологический прорыв в области современной экспериментальной науки, но следует предвидеть риски, которые могут возникнуть при переходе от аналогового эксперимента к цифровому в образовательной практике. В основе всякого цифрового прибора лежит некий старый физически принцип измерения и аналоговый прототип. Аналоговые приборы в методическом плане ближе для понимания сути самого процесса измерения. Цифровая лаборатория - черный ящик и не соответствует требованиям применяемым к демонстрационным приборам. При всем своем универсализме цифровая лаборатория способна измерять только в тех режимах и те параметры которые предусмотрены ее разработчиками. В природе мы можем столкнуться такими процессами, для которых мы не найдем цифрового прототипа и нужно будет использовать аналоговый прибор, или потребуется конструировать принципиально новый прибор.
Школьная лаборатория продаваемая в нашей стране под торговой маркой Архимед представляет из себя мини-компьютер Nova 5000 разработанный в соответствии с концепцией 1:1 как персональный компьютер ученика и набор подключаемых к нему датчиков по предметам физика, химия и биология. Обладая относительно небольшой производительностью миниатюрный компьютер Nova позволяет реализовать достаточный набор программных приложений для творческой деятельности ученика в том числе и в области естественно-научного образования.
Образовательная модель 1:1 это педагогическая ситуация, когда образовательная деятельность происходит в условиях того, что у каждого ребенка есть свой личный (миниатюрный ) компьютер, с которым ученик может приходить на уроки, работать дома и заниматься исследованиями на улице, в парке и других местах. Персонализация компьютера для школьника назрела в связи расширяющимся спектром форм творческой деятельности охватывающем все предметные области учебного процесса.
Цифровая лаборатория по физике позволяет выполнить разнообразные лабораторные работы, в том числе - посвященные изучению движения по наклонной плоскости; простых колебательных движений; вольтамперных характеристик проволочного сопротивления, лампы накаливания и диода; магнитных полей; скорости звука; дифракции и интерференции света.
По сравнению с традиционными лабораториями "Архимед" позволяет существенно сократить время на организацию и проведение работ, повышает точность и наглядность экспериментов, предоставляет практически неограниченные возможности по обработке и анализу полученных данных.
Использование Архимеда способствуют освоению понятий и навыков в смежных образовательных областях: • современные информационные технологии • современное оборудование исследовательской лаборатории • математические функции и графики, математическая обработка экспериментальных данных, статистика, приближенные вычисления, интерполяция и аппроксимация • методика проведения исследований, составление отчетов, презентация проведенной работы
Архимед версия 3 (NOVA)
Новая версия лаборатории на базе специализированного портативного компьютера NOVA5000 производства фирмы Fourier Systems.
Компьютер NOVA5000 работает на платформе Windows CE 5.0, имеет встроенный регистратор данных, к которому можно подключать до 8 датчиков, сенсорный экран, поддерживает современные технологии коммуникации и связи с внешними устройствами. Поставляется с набором офисных приложений, совместимых с аналогами на Windows 2000/XP, а также со специализированными программами для организации учебного процесса и поддержки учебной исследовательской и проектной деятельности.
В состав лаборатории входит: • специализированный портативный компьютер NOVA5000; • набор цифровых датчиков; • программное обеспечение для проведения и анализа эксперимента; • cправочное пособие; • примеры экспериментов по физике.
Программа Multilab PC
Приложение Windows 2000XP, предназначенное для настройки, проведения и обработки эксперимента на настольном компьютере.
С помощью программного обеспечения лаборатории Архимед вы можете: • В режиме реального времени обеспечивать прием данных от цифровых датчиков, получение синхронного видеоизображение хода эксперимента и запись звука (голосового комментария). • Отображать данные от цифровых датчиков и видеоизображение хода эксперимента в едином окне, и представлять данные от цифровых датчиков в графическом и табличном видах. • Производить автоматизированный анализ видеоизображения, то есть получать для каждого момента времени величину перемещения объекта, скорость перемещения, расстояние между объектами. • Производить калибровку датчиков, настройку параметров эксперимента (частота замеров, количество замеров и длительность эксперимента, условия начала и прекращения эксперимента). • Сохранять в едином комплекте данные эксперимента, видеозапись и звук, а также редактировать их. • С помощью встроенного современного функционала программы обрабатывать и анализировать данные эксперимента, сравнивать данные различных экспериментов, расчетные и экспериментальные данные. • Создавать пользовательский отчет по эксперименту, включающий текст, графику, видео и звук, а также данные о параметрах эксперимента. • Автоматически устанавливать все ранее произведенные настройки эксперимента при открытии соответствующего отчета эксперимента, что позволяет пользователю повторить или продолжить этот эксперимент, не настраивая его заново. • Импортировать данные из файлов форматов: СSV, html, txt и экспортировать данные в файл формата xls. • Отображать информацию с датчиков на настольном компьютере и ноутбуке.
Программа MultiLab CE
Приложение Windows СЕ, предназначенное для настройки, проведения и обработки эксперимента на компьютере Nova5000.
С помощью MultiLab CE можно: • собирать данные и отображать их в ходе эксперимента • выбирать различные способы отображения данных – в виде графиков, таблиц, табло измерительных приборов • обрабатывать и анализировать данные с помощью Мастера анализа • импортировать/экспортировать данные текстового формата • вести Журнал экспериментов • просматривать видеозаписи предварительно записанных экспериментов и многое другое.
