Использование лаборатории Архимед на уроках химии

Использование цифровой лаборатории «Архимед» на уроках химии в условиях внедрения ФГОС

Современные проблемы образования требуют решений, которые возможны только при системных изменениях в самой педагогической науке и практике. Федеральный Государственный образовательный стандарт основного общего образования в одном из пунктов, касающихся результатов освоения основной образовательной программы предметов естественно-научного цикла предполагает приобретение опыта применения научных методов познания, наблюдения природных явлений, проведения опытов, простых экспериментальных исследований, прямых и косвенных измерений с использованием аналоговых и цифровых измерительных приборов.

ФГОС выдвигает требования к формированию у школьников метапредметные результатов - универсальных учебных действий (личностных, познавательных, регулятивных и коммуникативных), которые должны стать базой для овладения ключевыми компетенциями, «составляющими основу умения учиться».

При изучении естественных наук в современной школе огромное значение имеет наглядность учебного материала. Наглядность дает возможность быстрее и глубже усваивать изучаемую тему, помогает разобраться в трудных для восприятия вопросах, и повышает интерес к изучаемому предмету.

Сегодня учебные занятия проходят с применением ИКТ. Такие науки как физика, биология и химия не могут изучаться только теоретически, им обязательно нужна практическая деятельность. Цифровые лаборатории "Архимед" - это новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий.

Цели использования лаборатории «Архимед»:

• осуществлять новые подходы в обучении;

• способствовать формированию у учеников навыка самостоятельного поиска;

• раскрывать творческий потенциал учеников;

• осуществлять поиск, обработку и анализ информации на современном оборудовании (не исключаяпри этом традиционный подход)

• создание электронного ресурса.

Важнейшими педагогическими задачами, которые решаются при выполнении учебного практикума или демонстрационного эксперимента с использованием ЦЛ «Архимед» являются:

• 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, химия-биология.

Цифровые лаборатории «Архимед» - это оборудование для проведения широкого спектра исследований, демонстраций, лабораторных работ по физике, биологии и химии, проектной и исследовательской деятельности учащихся.

В современном комплекте цифровой лаборатории Архимед 4.0:

• Регистратор данных USBLink

• Набор датчиков

• Программное обеспечение MultiLab для настольного компьютера

• Справочное пособие и лабораторный практикум с описанием учебных экспериментов

В самой последней версии цифровой лаборатории Архимед 4.0 - принципиально новый регистратор данных USBLink. В USBLink оптимально сочетаются цена, качество и функциональные возможности - за сравнительно небольшие деньги пользователь получает устройство, которое способно автоматически определять датчики и производить замеры. Подсоединив USBLink к своему компьютеру в классе или дома - можно получить полноценную цифровую естественнонаучную

лабораторию.

Основные достоинства регистратора USBLink:

• Подключение «plug-n-play»

• Высокая скорость регистрации данных - до 10 000 замеров в секунду

• Возможность одновременной регистрации данных от 8 датчиков

• Автоматическое определение датчиков

• Питание от любого USB порта компьютера

• Совместимость с программным обеспечением MultiLab

Регистратор USBLink предназначен для работы с программным обеспечением MultiLab. Программное обеспечение MultiLab - идеальный инструмент для практического обучения.

• Отображение данных в виде графиков, таблиц или показаний шкалы прибора.

• Получение данных от устройства USBLink в режиме реального времени (онлайн).

• Журналы экспериментов, включающее в себя одновременно инструкции по проведению эксперимента, его настройки и отчет.

• Мультимедийные возможности, позволяющие сопровождать полученные данные синхронизированными видео- и аудиоматериалами.

• Интуитивно понятное и простое управление регистрацией данных.

• Полная совместимость с такими программными приложениями, как WORD и EXCEL.

Лабораторные датчики по химии Архимед различаются по своим функциональным возможностям, они необходимы для проведения экспериментов при помощи школьной цифровой лаборатории, являются важной его частью. Датчики призваны различные виды физических величин, в том числе звук, свет, силу, давление и другие, перевести в электрические сигналы. Полученные электрические сигналы подаются через регистратор, на компьютер, где программным образом обрабатываются и могут быть представлены нам в виде графиков, которые имеют большую наглядность при изучении происходящих процессов и избавляют исследователей от рутинной работы по снятию показаний и заполнения таблиц. Тем более, что в ходе измерений данные в таблицу вносятся автоматически.

Лабораторные датчики по химии Архимед отличаются своей надежностью, качеством и точностью.

Архимед DT095A

Датчик турбидиметр или датчик мутности используется для измерения непрозрачности воды, что является важным показателем качества воды: чем больше непрозрачность, тем больше мутность.

Набор для турбидиметрического анализа включает в себя: датчик, 15 кювет с крышками и склянку с Формазиновым Стандартом 100 NTU (нефелометрическая единица измерения мутности). Имеется разъем для подключения к регистратору данных.

Архимед DT035

Датчик электропроводимости предназначен для измерения проводимости жидкостей и растворов. Этот датчик может быть использован в экспериментах по химии, биологии и науке об окружающей среде

Диапазон измерений 0-20 мСм

Архимед AC017A

Датчик нитрат-ионов (солей азотной кислоты) - это тщательно изготовленная мембрана из ПВХ, ионоселективный электрод. Он измеряет нитратные ионы в водных растворах просто, быстро, экономично и точно. Его используют для проведения изучения качества воды. Датчик измеряет концентрацию ионов в пределах от 1 М до 7х10−7 М или от 0,1 до 14 000 промилле. Минимальное количество образца для снятия пробы: 3 мл в 50 мл емкости. Имеется разъем для подключения к регистратору данных.

Архимед DT015-1

Датчик давления предназначен для измерения абсолютного давления газов. Датчик обычно используется в качестве датчика давления, например, в экспериментах по изучению газовых законов. Имеется регулировочный винт.

Архимед DT016A

Датчик рН-метр. Прибор находится в яйцеобразном пластиковом корпусе и снабжен электродом для измерения концентрации ионов Н+, а также системой температурной компенсации. Для осуществления температурной компенсации к регистратору следует подключить вместе с рН-метром датчик температуры. Имеется регулировочный винт.

Архимед DT222A

Датчик кислорода состоит из гальванического электрода, чувствительного к кислороду, и блока преобразования - адаптера с калибровочным винтом. Датчик может измерять процентное содержание O2 в воздухе и концентрацию кислорода в водных растворах. Диапазон измерений выбирается непосредственно в программе MultiLab. Калибровку датчика следует производить перед каждым измерением. Электрод поставляется с заглушкой, предназначенной для предохранения от повреждений. Хранение электрода без заглушки не допускается.

Архимед DT029

Датчик предназначен для измерения температуры в водных и других химических растворах. Чувствительный элемент имеет стальной чехол, устойчивый к действию химических растворов. Диапазон измерения -25 - +110 ºС

Архимед DT025

Датчик температуры это датчик, в котором в качестве чувствительного сенсора применяется термопара типа K с диапазоном измерения от 0 °C до 1200 °C. Это чрезвычайно чувствительный датчик, имеющий погрешность не более 2 % на всем диапазоне измерения. Датчик применяется главным образом при измерении высоких температур, контроля химических процессов при высоких температурах, простого мониторинга сушильных шкафов и т. п. Высокая точность и надежность этого датчика позволяет использовать его как для целей промышленного производства, так и в сфере образования.Имеется разъем для подключения к регистратору данных.

Архимед DT185

Колориметр.

Этот датчик обычно используется для определения концентрации растворов путём анализа интенсивности их окраски. Он измеряет интенсивность монохроматического света, прошедшего сквозь раствор. Это удобный инструмент для проведения многих экспериментов по биологии и химии. В комплект поставки каждого колориметра входит набор из трёх светофильтров и пятнадцать кювет для оптических измерений.

Лаборатории обладают целым рядом неоспоримых достоинств: позволяют получать данные, недоступные в традиционных учебных экспериментах, дают возможность производить удобную обработку результатов.

Таким образом, цифровая лаборатория «Архимед» позволяет проводить эксперимент с высокой точностью и наглядностью, отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц и показаний приборов, а также представляет большие возможности по обработке и анализу полученных данных.

Однако следует отметить, что проведение практических работ с цифровыми датчиками увеличивает время эксперимента. На приобретение навыка работы с этим оборудованием также требуется дополнительное время. Но эти недостатки можно «простить» данной технике, так как с помощью неё можно провести такие эксперименты, которые не удается сделать традиционными методами.

Цифровые лаборатории явились новым, современным оборудованием для проведения самых различных школьных исследований естественнонаучного направления.

Место цифровой лаборатории «Архимед» в учебном процессе

• Демонстрационные опыты

• Лабораторные работы

• Фронтальный эксперимент

• Практическая работа

• Исследовательская работа

• Лабораторный практикум

Использование цифровой лаборатории «Архимед» на уроках химии.

Тема «Растворение как физико-химический процесс. Растворимость. Типы растворов».

Опыт № 1. Экзотермические реакции. Растворение гидроксида натрия и безводного сульфата меди в воде.

Опыт № 2. Эндотермические реакции. Растворение нитрата аммония в воде.

Тема «Тепловой эффект химической реакции»

Опыт № 1. Эндотермические реакции. Понижение температуры раствора при растворении некоторых солей в воде.

Опыт № 2. Аддитивность теплоты реакции. Закон Гесса.

Опыт № 3. Теплота сгорания.

Опыт № 4. Тепловой эффект сгорания топлива.

Тема «Среда водных растворов. Водородный показатель».

Опыт № 1. Растворение гидроксида натрия в воде.

Тема «Реакции ионного обмена».

Опыт № 1. Реакции нейтрализации. Взаимодействие гидроксида натрия с соляной кислотой.

Тема «Окислительно-восстановительные реакции».

Опыт №1. Изменение температуры при окислительно-восстановительных реакциях. Взаимодействие хлорида меди с алюминием.

Тема «Гидролиз. Гидролиз неорганических веществ».

Опыт № 1. Влияние температуры на степень гидролиза ацетата натрия.

Элективный курс «Химия и медицина»

Анализ качества пищевых продуктов.

Опыт №1. Процесс скисания молока.

Опыт № 2. Определение кислотности молока.

Опыт № 3. Определение кислотности хлеба.

Опыт №4. Определение кислотности муки.

Опыт №5. Определение свежести творога.

Анализ качества фармацевтических препаратов

Опыт №1. Анализ кислоты борной.

Опыт №2. Анализ кислоты ацетилсалициловой.

Элективный курс «Химия и экология».

Опыт № 1. Анализ почвы.

Опыт 2. Коррозия металлов

Цифровые лаборатории «Архимед» - это новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий. Они предоставляют возможность:

• сократить время, которое затрачивается на подготовку и проведение фронтального или демонстрационного эксперимента;

• повысить наглядность эксперимента и визуализацию его результатов, расширить список экспериментов;

• проводить измерения в полевых условиях;

• модернизировать уже привычные эксперименты.

В поисках эффективных методов работы каждый учитель выбирает путь, который позволил бы повысить интерес к предмету, получить высокий результат обучения. Использование ЦЛ «Архимед» позволяет «оживить» само содержание предмета, усилить экспериментальную составляющую химии; позволяет показать изучаемое явление в педагогически трансформированном виде и тем самым создать необходимую экспериментальную базу для его изучения, проиллюстрировать проявление установленных в науке законов и закономерностей в доступном для учащихся виде, повысить интерес учащихся к изучаемому явлению.

Опыт № 1. Влияние температуры на степень гидролиза ацетата натрия [26]

Цель работы: Проследить за изменением степени гидролиза ацетата натрия и реакции среды в зависимости от изменения температуры, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, ёмкость для стакана из пенопласта (без дна), крышка к стакану из пенопласта, раствор фенолфталеина, 0,1 н. раствор ацетата натрия, электроплитка, датчик температуры, датчик рН, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

частота измерений - каждую секунду;

число замеров - 1500

Ход опыта: В химический стакан налейте 25 мл 0,1 М раствора ацетата натрия и добавьте несколько капель раствора фенолфталеина (из расчёта, что на 1-2 мл раствора ацетата натрия необходимо 1-2 капли фенолфталеина). Закройте химический стакан крышкой с вставленными датчиками температуры и рН. Поставьте химический стакан на электроплитку. Начинайте регистрацию данных и наблюдайте за изменением окраски раствора. Раствор будет становиться малиновым (рН будет расти) по мере повышения температуры, так как при нагревании гидролиз усиливается. Опыт повторяется 3 раза.

Результаты измерений: построить график зависимости рН и температуры от времени при прохождении реакции гидролиза. Сделать вывод об изменении степени гидролиза ацетата натрия в зависимости от температуры.

Опыт 3/2: Определение показателя величины рН осадков.

Цель работы: Определить показатель рН в дождевых осадках.

Теоретические основы работы

Для того чтобы определить рН снега необходимо, чтобы он растаял, а затем определить показатель рН. Если среда не загрязнена, то показатель рН должен быть не менее 5,5. Забор пробы снега производят, при мощном покрове (более 10 см), при помощи стеклянной банки, которую погружают вверх дном вертикально вниз до земли, а затем вытаскивают пробу. Банка должна быть стерильной. Если же покров не мощный, необходимо иметь два чистых полиэтиленовых пакета, которые одевают на руки и таким образом делают забор снега, помещая его в чистую ёмкость. Забор снега предлагаем провести на базе отдыха «Елочки», в районе (пивзавод), вдоль дорожного полотна по улице Советская, внутри микрорайона .

Оборудование:

· стеклянная банка (около 0,5 - 1 литра)

· полиэтиленовые перчатки или два чистых полиэтиленовых пакета

· Карманный Компьютер (КПК) и/или ПК

· Измерительный Интерфейс

_ Датчики рН

Вопросы для предварительного опроса

1.Какие эксперименты позволяют оценить качество атмосферы?

2.Чем определяется экологическое состояние атмосферы?

3.О чем может свидетельствовать уровень pH осадков?

Цифровые лаборатории - это новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий. Они предоставляют возможность:

сократить время, которое затрачивается на подготовку и проведение фронтального или демонстрационного эксперимента;

повысить наглядность эксперимента и визуализацию его результатов, расширить список экспериментов;

проводить измерения в полевых условиях;

модернизировать уже привычные эксперименты.

Опыт применения цифровых лабораторий Архимед в образовательных учреждениях Москвы и других регионах России за последние годы показывает особую эффективность следующих видов деятельности с лабораторией:

фронтальные лабораторные работы

Лабораторные работы традиционно проводятся на уроках физики в общеобразовательных или профильных классах, на них запланировано время, имеется стандартный список работ. С цифровыми датчиками многие (не все!) стандартные работы можно автоматизировать, высвободить время для проведения обработки и анализа экспериментальных данных, есть возможность самому ученику перенастраивать экспериментальную установку и выбирать параметры эксперимента, быть активным исследователем (некоторые другие ЦЛ этого не позволяют).

работы физического практикума

Традиционно выполняются в конце учебного года или в выделенное время. Здесь особенно важна автоматизация сбора данных, так как работы более сложные и комплексные, данных собирать нужно много, много проводить расчетов. Кроме того, что стратегически более важно, работы практикума можно организовывать не только как проверку закономерностей, но и как исследование, самостоятельное «открытие» связей величин, и пр.

демонстрационный эксперимент

Демонстрационный эксперимент с цифровыми лабораториями Архимед теперь стал нагляднее, ведь явление, воспроизводимое на демонстрационном столе сопровождается одновременным построением графика, а быстрые процессы становятся видимы, и «мгновение останавливается» с помощью графиков высокочастотных измерений. Учитель может расширить диапазон демонстрационного оборудования более мелкими приборами, подключив видеокамеру и демонстрируя экспериментальную установку на экране. При этом ученики видят, что опыт происходит именно сейчас, и компьютерное оборудование становится инструментом исследования, помогая познавать реальность, а не уводя от нее.

демонстрационный эксперимент с видеосопровождением

Особый вид экспериментов с ЦЛ Архимед - эксперименты с видеосопровождением, отснятые заранее и показанные на уроке. Они очень напоминают «виртуальную реальность», то есть все происходит в компьютере… с той только разницей, что знакомые руки учителя держат знакомые или находящиеся на демонстрационном столе приборы, а процесс заснят до урока, в спокойной для учителя обстановке, капризный эксперимент проведен много раз и выбран тот вариант, который наиболее эффектен, редкая или сложная экспериментальная ситуация создана в специальных условиях институтской лаборатории и др. Обработка же происходит прямо на уроке, в любой момент ее выполняет учитель или ученики, по необходимости.

видеоанализ

Механические явления в школе являются простыми и сложными в изучении. Простыми потому что можно ощутить на себе, увидеть, потрогать, помогает жизненный опыт собственного движения. Сложность и ответственность состоит в выделении значимых свойств из всего их многообразия, переход от явления или объекта к модели, описание модели. ЦЛ помогает постигать не только прямолинейное движение, но и гораздо более распространенное криволинейное. При этом необходимо только заснять движущийся объект на видео или вырезать интересующий фрагмент из готового фильма, а затем обработать в программе видеоанализа. И вот уже можно определить скорость движения мяча в ворота, высоту прыжка антилопы в фильме о животных или частоту вращения колеса папиной машины или даже скорость движения Гарри Поттера на метле! И опять же здесь ученика подстерегают неожиданные новые знания, которые он добывает сам, а обсуждать можно вместе… с одноклассниками, родителями, учителем.

исследовательские проекты, в том числе полевые исследования

Проектная деятельность заняла свое достойное место в учебном процессе, ЦЛ позволяет выполнять естественнонаучные исследования на современном уровне, исследовать действительно интересующие учащихся объекты и явления, находить свои варианты решения. Подтверждением тому множество и рост количества ученических проектов с использованием ЦЛ на различных конференциях и пр.

Мини - проект

Исследование кислотности питьевых жидкостей.

Цель: сравнить кислотность питьевых жидкостей.

Оборудование:

Цифровая лаборатория ;

Датчики: кислотности;

Набор напитков для исследования: вода, сок, газированные напитки;

Простой карандаш, цветные карандаши.

Ход работы:

Познакомьтесь с «Правилами работы с лабораторией»;

Присоедините датчик кислотности, ОСТОРОЖНО сняв защитную пробирку, каждый раз промывая датчик;

Проведите измерения кислотности жидкостей;

Сравните полученные результаты с данными кислотности для питьевой воды.

Оформить инструкционную карту мини - проекта.

Напиток

Показатель кислотности

Цвет напитка

Примечание (трудности измерения, другое)

рН по ГОСТу

для питьевой воды

6-9

Кислотность

Аква-минерале

Кислотность

Пепси-Кола

Кислотность

Фанта

Вывод:

12