В составе школьного кабинета химии в средние школы поступают цифровые лаборатории «Архимед», «L-микро», «AFS» и другие. Их грамотное применение учителем химии способствует повышению качества обучения химии в связи с возможностью совершенствования химического эксперимента. Среди них отметим следующие, на наш взгляд, наиболее существенные и перспективные направления [1, 2].
Уменьшения расхода веществ на проведение опыта. Применение цифровой лаборатории позволяет в ряде случаев сократить время на протекание химического опыта, что приводит к экономии и повышению безопасности при работе химическими реактивами, например, при изучении реакции нейтрализации, когда возможна минимизация веществ в опыте, поскольку даже незначительный тепловой эффект регистрируется компьютерной программой.
Изменение содержания опыта. Цифровая лаборатория способствует реализации принципа безопасности при одновременном соблюдении принципа наглядности, поскольку возможна замена веществ на более безопасные, внешний эффект взаимодействия которых автоматически регистрируется цифровой лабораторией. Примером такой равноценной замены служит демонстрация химического эксперимента по растворению солей вместо концентрированной серной кислоты и нитрата аммония с целью демонстрации теплового эффекта растворения.
Обновление содержания обучения химии. Возможно проведение опытов с объектами, изменениесостояниякоторых невооружённым глазом не выявляется и без применения цифровой лаборатории в обучении химии не представляют методического интереса. Например, сравнениекислотных свойств различныхкарбоновых кислот подтверждают результаты измерения, т.е. усиливаютсясвязитеории с практикой.
Количественное измерение исследуемых свойств веществ, например рН. Применение датчика рН позволяет сравнивать проявление свойства у разных веществ. Так, с целью стимулирования познавательных мотивов учения школьников исследование рН тех же моющих средств позволяет более обоснованно, чем при применении, например, универсальной индикаторной бумаги, сделать вывод об их качестве и, соответственно, рекомендации для выбора продукции при использовании в быту. Распознавание растворов кислот одинаковой концентрации, например, серной и фосфорной также возможно однозначно осуществить при помощи данного датчика.
Решение расчётно-экспериментальныхзадач. Практические работы, предусмотренные в конце тем и разделов, изучаемых по химии, или отдельные лабораторные опыты при помощи цифровой лаборатории возможно проводить на количественном уровне. При формировании умений получать и исследовать свойства веществ в процессе решения экспериментальной задачи по изучению свойств кислорода измеряем его объём при помощи датчика кислорода.
Создание проблемной ситуации. Обновлениесодержанияитехникипроведения опыта изменяют и расширяют подходы в применении проблемного подхода в обучении – при создании проблемной ситуации и решении учебной проблемы.
Другие потенциальные возможности применение цифровой лаборатории AFS. Не меньшее значение в проведении опыта имеют эстетичность его проведения, повышение научности обучения вследствие возможностей моделирования изучаемых процессов на компьютере и количественного измерения свойств, сокращение времени на подготовку учителя к проведению опыта в случае разработки чёткого алгоритма применение оборудования и методики химического эксперимента ит.д.
Как мы видим, применение цифровой лаборатории расширяет возможности учителя как в выборе объекта исследования и техники проведения опыта, так и в отношении методики химического эксперимента, позволяя перевести их на более высокий уровень в соответствии с принципом научности обучения. Однако практика обучения химии показывает, что использованиецифровой обучения встречает значительное число трудностей. Согласно данным интервьюирования, учителя химии г. Калугии Калужской области практически не применяют их по ряду причин. Среди них следующие, определяющие отказ учителя от применения данного вида учебного оборудования:
1) недостаток знаний, необходимых для установки программного обеспечения и подключения датчиков черезсистемусбора данных к компьютеру уучителя химии,
2) высокая учебная нагрузка учителя ограничивает время, отводимое им на изучение возможностей оборудования;
3) практически отсутствие методики химического эксперимента с применениемдатчиков, имеютсялишьединичные публикации по данному вопросу.
В школы г. Калуги и Калужской области поступает цифровая лаборатория AllForSchool (AFS) с соответствующим информационным обеспечением («Инновационный школьный практикум»). Администрация школ настаивает на применении учителями данного вида дорогого современного учебного оборудования в образовательном процессе. Однако учителя химии испытывают затруднения в его использовании. Отдельные учителя химии г. Калуги обращаются к преподавателям кафедры химии КГУ им. К.Э. Циолковскогос просьбой продемонстрировать возможности и научить применять цифровую лабораторию AFS, полученную школами в составе предметного кабинета, поскольку данное оборудование не представляет для них методической ценности из-за неумения установить и применить его на уроке. Поэтому недостатки в техническом и методическом оформлении цифровой лаборатории рассмотрим на примере лаборатории AFS.
По просьбе учителей химии школ г. Калуги нами была проведена работа по изучению особенностей работы с цифровой лабораториейAFS. В результате было выявлено следующее.
В виртуальном режиме цифровая лаборатория работает без технических проблем и позволяет моделироватьпротекание различных процессов, связанных с изучением свойств и превращений вещества. В использовании же натурного эксперимента нами был выявлен ряд недостатков. Так, в режиме натурного (реального) химического эксперимента возможно выполнение без всяких проблем трёх опытов: «Изучение зависимости степени диссоциации от концентрации», «Изучение строения пламени», «Изучение электрической проводимости различных веществ». Проведение остальных опытов затруднено по причине того, что программно-методическое обеспечение не обнаруживает датчики при открытии соответствующих файлов. Датчик электрической проводимости имеет несколько режимов работы, но нет указания на то, как же их выбирать. Непонятно, для чего нужен датчик рН, если программное обеспечение не включает опытов на определение рН растворов. В представленном наборе имеется пробка датчика объёма и пластмассовый сосуд для определения состава воздуха – непонятно, как это всё используется – по отдельности или вместе, учитывая, что пробка не подходит для данногососуда. Программно-методическое обеспечение цифровой лаборатории предусматривает выполнение большого числа опытов по шести разделам химии, состоящим из 5 опытов каждый. При попытке их открытьработаюттолькодвараздела.
Существенным фактором, влияющим на применение оборудования учителем химии средней школы, является техническая причина – установка программного обеспечения и сборка оборудования, т.е. работа с цифровой лабораторией предполагает предварительную установку программного обеспечения на компьютер. При этом у пользователя ПК, владеющего основными приёмами работы на компьютере, проблем не возникнет. Однакоприэтомследуетобратитьвнимание учителя химии на то, что программа, необходимая для выполнения эксперимента, состоит из двухчастей – натурный и виртуальный эксперимент, которые устанавливаются по очереди: сначала одна, затем другая, причём выбор очерёдности не имеет значения для дальнейшей работы с данной цифровой лабораторией.
Следующим этапом подготовки цифровой лаборатории AFS к работе является выбор и присоединение к компьютеру датчиков, при помощи которых непосредственно осуществляется количественное измерение различных свойств изучаемых систем (температуры, рН раствора, электропроводности и др.). Некоторую помощь в решении данного вопроса оказывает брошюра, представленная в комплекте цифровой лаборатории, в которой описаны её возможности и функциональные блоки (компьютер, системасбораданных, датчики). Выбор разъёма для подключения датчика приведено в разделе «Инструкции» соответствующего опыта.
Таким образом, систематическое использование на уроках химии данной цифровой лаборатории ограничено техническими её техническими возможностями и особенностями.
В то же время, несмотря на данные ограничения в применении цифровой лабораторииAFS, методический интерес представляют виртуальная лаборатория и отдельные реальные опыты, представленные в цифровой лаборатории. Например, применение опыта «Изучение строения пламени», представленного в цифровой лаборатории, позволяетколичественноизмерить температуру пламени вразных его зонах. Поэтому дальнейшее совершенствование химического эксперимента связано не только с техническими причинами, но также отсутствием его методики.
Таким образом, использование цифровой лаборатории учителем химии предполагает совершенствование химического эксперимента. Однако на практике широкое его применение затруднено по техническим причинам и связано с отсутствием соответствующего методического обеспечения химического эксперимента подобного характера.