Мастер -класс "Использование цифровых лабораторий для проведения исследовательских работ"

Второе десятилетие ХХI в. проходит под знаком модернизации образования. Появляются новые педагогические технологии, методики, пособия. Всё шире в учебный процесс внедряются информационные технологии. Сейчас компьютеры с проекционными устройствами, интерактивные доски появились во всех кабинетах.

Цифровые лаборатории являются одними из современных систем, способных обеспечить достижение учащимися результатов. Новейшее оборудование позволяет проводить эксперименты, которые без него выполнить было невозможно. Учащиеся активно включаются в исследовательскую деятельность, самостоятельно решая поставленную задачу. Это способствует формированию познавательного интереса, логического мышления, творческой самостоятельности, более ранней профессиональной ориентации учащихся, позволяет устанавливать причинно-следственные связи, тренирует навыки учащихся по выполнению инструкций, описывающих реальные экспериментальные действия. Интеграция предметов (физика, химия, биология) способствует целостному восприятию проблемы с точки зрения естественных наук.

В последнее время большое внимание уделяется естественно-научной грамотности, формирование которой идет через развитие способностей учащихся;

анализировать разнообразную естественно-научную информацию и  на умении использовать полученные знания для объяснения явлений и процессов окружающего мира;

понимать особенности использования методов естествознания для получения научных данных;

проявлять самостоятельность суждений и понимать роль науки и технологических инноваций в развитии общества;

осознавать важность научных исследований и их связь с нашим материальным окружением и состоянием окружающей среды.

Ориентация на естественно-научную грамотность предполагает акцент на методологию науки и напрямую связано как с общим числом ученических опытов в курсах естественных наук, так и направленностью их на формирование самостоятельности действий при проведении наблюдений, измерений и исследований.

Принцип сочетания классических и современных средств измерений и способов экспериментального исследования явлений объясняется тем, что в состав оборудования входят классические средства измерения: цифровые приборы (например, цифровые весы, секундомер) и датчики. Соблюдение этого принципа имеет особое значение, поскольку здесь происходит знакомство со способами измерения физических величин, формируется понимание принципов действия аналоговых измерительных приборов и обеспечивается переход к использованию инструментов цифровой лаборатории.

Цифровая лаборатория, представлена набором датчиков, которые позволяют использовать эту лабораторию при выполнении исследовательских работ. Введение в исследовательскую деятельность цифровых датчиков для регистрации различных величин и возможности использовать компьютер (смартфон или планшет) для расчетов и оформления результатов опытов, позволяет перейти на новый качественный уровень проведения измерений, упростив процесс измерений и повысив их точность. Появление цифровых технологий в исследовательских работах повышает их актуальность и привлекательность в сознании современного школьника, усиливает наглядность, как в ходе опытов, так и при обработке результатов с использованием программных средств. Для экспериментов это является значимым переходом от качественных наблюдений и опытов к количественным экспериментам.

Для работы с цифровыми датчиками используется специальное программное обеспечение, установленное на компьютер. Для коммуникации цифровых датчиков, записи и хранения информации, полученной с их помощью, цифровая лаборатория используется в комплекте с ноутбуком с необходимым установленным программным обеспечением.

Использование компьютерной формы регистрации полученных значений и построения графиков изменяет подходы к оформлению исследовательских работ обучающимися. Данные, полученные при помощи цифровых датчиков, вносятся в электронные таблицы, что позволяет строить графики зависимостей исследуемых величин на экране компьютера. На основании этих графиков делать выводы о характере зависимости величин от времени или других параметров. Эти новые возможности позволяют автоматизировать рутинные процедуры заполнения таблиц, выполнение однотипных расчетов, построения графиков. Цифровая фотокамера позволяет сфотографировать собранную экспериментальную установку и прикрепить фотографию в электронный отчет. Таким образом, осуществляется переход к оформлению электронного отчета о проделанной исследовательской работе.

Электронный отчет о проделанной работе может сопровождаться прикрепленной фотографией, которая позволяет оценивать правильность собранной экспериментальной установки, более объёмно определять полноту и правильность проделанного исследования, анализировать достоверность представленных экспериментальных данных. Использование цифровых лабораторий существенно расширяет спектр возможных опытов и исследований.

Цифровая лаборатория позволяет организовать проектную и учебно-исследовательскую деятельность обучающихся как в рамках внеурочной деятельности, так и в дополнительном образовании. Наличие различных цифровых датчиков дает возможность проводить самые разнообразные исследования, опираясь на интересы обучающихся. Выполнение таких проектов является основанием для оценки не только уровня сформированности предметных результатов, но итоговой оценки достижения метапредметных результатов обучения: коммуникативных (которые оцениваются как в процессе проведения работы, так и в процессе защиты проекта или исследования) и регулятивных (которые оцениваются в процессе выполнения проекта).

Сегодня предлагаю вашему вниманию мастер-класс по использованию оборудования, полученного в рамках проекта «Успех каждого ребенка» национального проекта «Образование» для реализации программы «Наука в опытах и экспериментах», в ходе, которого каждый педагог получит возможность попробовать себя в роли исследователя.

На начальном этапе участники мастер-класса указывают на листе рефлексии уровень своей компетентности по данной теме.

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Тема нашего занятия «Анализ почвы».

В нашу лабораторию пришло письмо следующего содержания: «Добрый день, дорогие работники лаборатории! К вам обращаются две женщины – соседки, жители п. Сахаровка. Весной пришло время посадки овощей. Всё лето мы обе ухаживали за своим огородом: рыхлили почву, пропалывали сорняки, поливали. Наступило время уборки урожая. Мы сравнили урожай: у одной он – хороший, а у другой - плохой. Помогите найти ответ на вопрос: «Почему у одной в огороде все уродилось, а у другой - нет?»

-Что же может стать причиной такого разного урожая ? (высказывают предположение о разности в составе почвы.)

-Что такое почва? (Почва — это особое природное тело, образующееся на поверхности Земли, в результате взаимодействия живой (органической) и мертвой (неорганической) природы.)

- Что является важнейшим свойством почвы, отличающим ее от горных пород? (Важнейшим свойством почвы, отличающим её от горных пород, является плодородие)

-Чем обусловлено плодородие почвы? (Плодородие обусловлено наличием в почвах органического вещества гумуса, или перегноя)

-Какие типы почв характерны для Курского района, чем они отличаются?

(Для Курского района характерны 2 вида почв:

Серые лесные почвы представлены двумя подтипами: серыми и темно-серыми, приурочены они к плато и слабо­пологим склонам различных экспозиций. Развились на лессовидных суглинках, иногда песках. Механический состав различный: от супесчаного до тяжелосуглинистого. Серые лесные почвы распространены отдельными массивами и пятнами среди других почв. 

Черноземы распространены в значительной части территории района. Представлены они 6-ю подтипами с большим количеством разновидностей. Наибольшее распространение получили черноземы оподзоленные, выщелоченные и типичные, реже встре­чаются карбонатные солонцеватые и черноземовидные почвы.)

- Можем ли мы, в условиях нашей лаборатории, оказать помощь обратившимся огородницам? (Да, можем помочь, проведя анализ образцов почвы с участков огородниц)

Инструктаж о предстоящей работе:

Сегодня мы определим всего 3 параметра (механический состав, рН почвенной вытяжки и наличие железа) для 4 образцов почвы.

При выполнении необходимо четко соблюдать правила техники безопасности: ничего не пробовать на вкус, все вещества брать в минимальных количествах, указанных в инструктивных картах. Полученные данные необходимо заносить на виртуальную доску Padlet.

1. Определение механического состава почвы.

Рассмотрите с помощью цифрового микроскопа выданные вам образцы почвы.

Откройте на рабочем столе вашего ноутбука программу на рабочем столе. Внесите исследуемый образец в поле зрения камеры и рассмотрите его. Сделайте фото образца.

Сделайте вывод: почва является индивидуальным веществом или смесью веществ? Если вы решили, что почва – это смесь веществ, определите, к какому типу смесей относится почва гомогенным или гетерогенным (выводы и фото разместите на доске Padlet под номером вашего образца).

1. Определение РН образца

Взвесьте 10 г почвы и поместите в стакан, залейте 50 мл дистиллированной воды. Смесь перемешайте и отфильтруйте.

Запустите приложение на своем смартфоне: в адресную строку введите app.relab.pro, перейдите по ссылке.

Включите на смартфоне Bluetooth и местоположение. Включите мультидатчик и подключите его к смартфону.

Выберите на смартфоне операцию «Сбор данных», выберите датчик рН. Нажмите «запись».

По очереди опускайте датчик в почвенные вытяжки.

При проведении данного эксперимента необходимо после каждой пробы промывать датчик в дистиллированной воде.

Полученные данные поместите на доску Padlet

1. Определение содержания железа.

Заполните емкость для фотоколориметра (0290) почвенным экстрактом до белой отметки. Добавьте 1 каплю 15% гидроксида натрия (7886) и определите среду, используя тестовую бумагу (2931). Если цвет бумаги не изменился с желтого на синий, то продолжайте добавлять гидроксид натрия, проверяя после каждой капли.

В фотоколориметре в тестовом меню выберите измерение 055. Вставьте пробирку в фотоколориметр и нажмите Scan Blank. Достаньте пробирку из фотоколориметра. Используя пипетку, добавьте 1 мерку V-4450 и энергично встряхивайте 30 с. Затем используя ложку (0699) добавьте V-4451 и энергично встряхивайте 30 с до появления максимального цвета. Через 3 мин вставьте пробирку в камеру фотоколориметра, закройте крышку и сканируйте образец.

Повторите процедуру для 2 образца.

Интерпретируйте полученные результаты в соответствии с таблицей:

Зачем растению железо:

В то время когда общее количество железа в почве может быть в избытке, растению доступна лишь небольшая часть. Как растворимость, так и подвижность являются ключевыми факторами дефицита железа в растении. Железо легко образует нерастворимые комплексы с карбонатами, фосфатами и гидроксиды в почвенном растворе, которые недоступны для поглощения растениями. Применение растворимых солей железа, таких как сульфат железа (железный купорос) и хелаты железа, может скорректировать низкий уровень железа в почве; однако реакция сельскохозяйственных культур, как правило, медленное и существует вероятность того, что соли железа могут образовывать другие комплексы и делать его недоступными для растений. Быстродействующие внекорневые опрыскивания, по-видимому, являются более прямым подходом к устранению дефицита железа. Иногда изменение рН почвы до слабокислого состояния могут привести к переводу части нерастворимого железа в форму, в которой оно может быть легко усвоено растением.

После поглощения железо действует как катализатор в образовании хлорофилла и требуется во многих окислительно-восстановительных реакциях, происходящих в растении.

Обратимся к результатам работы групп. (работа с доской )

В ходе сегодняшнего занятия мы не можем дать полноценный ответ на поставленный вначале занятия вопрос, т.к. мы провели только 3 измерения, поэтому предлагаю продолжить исследование почвы на следующих занятиях…

После выполнения практической части и обсуждения вновь возвращаются к листам рефлексии и отмечают свое перемещение по «лестнице компетентности».

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Практическая работа «Анализ почвы»

Опыт 1. Определение механического состава почвы.

Рассмотрите с помощью цифрового микроскопа выданные вам образцы почвы.

Откройте на рабочем столе вашего ноутбука программу Micro Capture Plus. Внесите исследуемый образец в поле зрения камеры и рассмотрите его. Сделайте фото образца.

Сделайте вывод: почва является индивидуальным веществом или смесью веществ? Если вы решили, что почва – это смесь веществ, определите, к какому типу смесей относится почва гомогенным или гетерогенным (выводы и фото разместите на доске Padlet под номером вашего образца).

Опыт 2. Определение РН образца

Взвесьте 10 г почвы и поместите в стакан, залейте 50 мл дистиллированной воды. Смесь перемешайте и отфильтруйте.

Запустите приложение на своем смартфоне: в адресную строку введите app.relab.pro, перейдите по ссылке.

Включите на смартфоне Bluetooth и местоположение. Включите мультидатчик и подключите его к смартфону.

Выберите на смартфоне операцию «Сбор данных», выберите датчик рН. Нажмите «запись».

По очереди опускайте датчик в почвенные вытяжки.

При проведении данного эксперимента необходимо после каждой пробы промывать датчик в дистиллированной воде.

Полученные данные поместите на доску Padlet

Опыт 3. Определение содержания железа.

Заполните емкость для фотоколориметра (0290) почвенным экстрактом до белой отметки. Добавьте 1 каплю 15% гидроксида натрия (7886) и определите среду, используя тестовую бумагу (2931). Если цвет бумаги не изменился с желтого на синий, то продолжайте добавлять гидроксид натрия, проверяя после каждой капли.

В фотоколориметре в тестовом меню выберите измерение 055. Вставьте пробирку в фотоколориметр и нажмите Scan Blank. Достаньте пробирку из фотоколориметра. Используя пипетку, добавьте 1 мерку V-4450 и энергично встряхивайте 30 с. Затем используя ложку (0699) добавьте V-4451 и энергично встряхивайте 30 с до появления максимального цвета. Через 3 мин вставьте пробирку в камеру фотоколориметра, закройте крышку и сканируйте образец.

Повторите процедуру для 2 образца.

Интерпретируйте полученные результаты в соответствии с таблицей:

Зачем растению железо:

В то время когда общее количество железа в почве может быть в избытке, растению доступна лишь небольшая часть. Как растворимость, так и подвижность являются ключевыми факторами дефицита железа в растении. Железо легко образует нерастворимые комплексы с карбонатами, фосфатами и гидроксиды в почвенном растворе, которые недоступны для поглощения растениями. Применение растворимых солей железа, таких как сульфат железа (железный купорос) и хелаты железа, может скорректировать низкий уровень железа в почве; однако реакция сельскохозяйственных культур, как правило, медленное и существует вероятность того, что соли железа могут образовывать другие комплексы и делать его недоступными для растений. Быстродействующие внекорневые опрыскивания, по-видимому, являются более прямым подходом к устранению дефицита железа. Иногда изменение рН почвы до слабокислого состояния могут привести к переводу части нерастворимого железа в форму, в которой оно может быть легко усвоено растением.

После поглощения железо действует как катализатор в образовании хлорофилла и требуется во многих окислительно-восстановительных реакциях, происходящих в растении.

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1