Учебный эксперимент при дистанционной форме обучения



          Дистанционная форма обучения является одним из приоритетных направлений развития системы образования.  Вопросам теории дистанционного обучения  физике и разработки информационно – образовательной среды уделяется большое внимание. Развитие современных методов и средств обучения базируется на достижениях науки и техники.  На основе компьютерных технологий создаются электронные дидактические ресурсы, телекоммуникационные системы дают возможность проводить обучение на расстоянии. В связи с этим, важной проблемой становится создание средств обучения, удовлетворяющих требованиям педагогической науки и практики.
          В процессе обучении физике, учащиеся овладевают экспериментальным методом познания, который  является главным источником научных фактов в естествознании. По причине недоступности физических приборов и экспериментальных установок, при дистанционном обучении возникает проблема замещения натурного учебного эксперимента[1;2]. Основными средствами замещения в дистанционном обучении являются видеоролики с записями опытов, симуляторы физических явлений и процессов, физические эксперименты удаленного доступа с помощью специальных программно-аппаратных комплексов [3].  Видеоролик - прекрасное средство наглядности и может дать представление о реальном экспериментальном оборудовании, а компьютерная модель – показать схематично сущность явления в динамике. Демонстрация видеоролика на экране иногда позволяет обеспечить лучшую видимость объекта исследования, чем натурная демонстрация. Профессионально выполненный ролик, с применением качественного оборудования, может быть хорошей альтернативой  «живому» эксперименту. На основе видеозаписей экспериментов формируют условия видеозадач. Круг таких задач ограничен, поскольку данные измерений нужно считывать с изображений приборов на экране, записывать и обрабатывать вручную.  В основе виртуальной модели лежат математические формулы. Данные о параметрах в ходе эксперимента выводятся в удобном виде и доступны для считывания. Изменяя настройки, можно управлять процессом. Виртуальная модель облегчает понимание связей параметров и сущности явления, но является лишь его моделью и отражает только основные свойства объекта исследования, заложенные разработчиком модели. Дистанционный доступ к автоматизированной лаборатории позволяет получить данные измерений реального эксперимента и проследить за объектом исследования. При этом эксперимент происходит в автоматическом режиме, что сводит к минимуму практическую деятельность ученика.
          Естественно, использование указанных средств не может заменить натурный эксперимент в полной мере. Грамотное сочетание средств наглядности (видеоролики, фотографии, рисунки, схемы, таблицы, компьютерные и физические модели и т. п. ) позволит в какой – то мере повысить эффективность учебного процесса. Однако, остаются открытыми вопросы практической деятельности ученика по подготовке и проведению натурного эксперимента выработке навыков работы с реальными приборами. Поэтому, одной из задач, является поиск новых подходов к созданию средств проведения учебного эксперимента при дистанционном обучении физике.
          Статья посвящена вопросам создания средств обучения и методики  проведения физического учебного эксперимента с применением компьютерного измерительного комплекса «Учебная лаборатория «ИТМ».
          В комплект изделия входит электронный блок, подключаемый к компьютеру, набор датчиков измерения физических величин и программное обеспечение.
          Наряду с традиционными функциями, присущими компьютерным измерительным системам, «Учебная лаборатория «ИТМ» имеет функцию синхронной или одновременной  записи данных измерений, видеоизображений и звука в ходе эксперимента. На основе этих записей, а также текстового файла, автоматически формируется мультимедийный проект, и сохраняется в каталог «Библиотека экспериментов». Записанный эксперимент может быть использован в целях создания;
- средства замещения натурного эксперимента (когда проведение или подготовка демонстрации требует больших затрат времени, дорогостоящих, вредных, опасных материалов и т.п.);
- методического пособия для учителя по проведению демонстрации;
- инструкции для ученика при подготовке к проведению лабораторной работы;
- учебного пособия для самостоятельной учебной деятельности ученика;
- библиотек электронных дидактических материалов (в том числе и для использования при дистанционном методе обучения).
          Рассмотрим компоненты, из которых состоит записанный эксперимент:
          1. Текстовый файл создается в редакторе Microsoft Word. Файл «привязан» к конкретному проекту и открывается только с ним. Это позволяет редактировать содержимое текста описания или перезаписывать опыт в любой период времени работы над проектом. Обычно файл содержит следующую информацию:
- инструкцию по работе с записанным экспериментом;
- теоретические сведения, на которые нужно опираться при проведении опыта и обработке его результатов;
- описание опыта;
- описание экспериментальной установки;
- важную информацию об условиях его проведения;
- некоторые пояснения;
- задания, вопросы, условия экспериментальных задач;
- ссылки на электронные ресурсы и др.
          2. Файлы данных измерений. К измерительному блоку одновременно может быть подключено до пяти датчиков (четыре аналоговых и один цифровой). Результаты измерений отображаются в реальном времени в отдельных окнах в виде чисел или графиков и записываются в соответствующие файлы. Данные измерений можно экспортировать в электронные таблицы Excel.
          3. Видеофайл. Программа захватывает изображение с любого источника видеосигнала, подключенного к компьютеру. Настройки создаваемого файла задаются пользователем в каждом конкретном случае. При просмотре записанного опыта, скорость воспроизведения может изменяться в широких пределах относительно нормальной. При этом указатель, в виде красного прямоугольника, перемещается по графику. Положение указателя на графике соответствует текущему кадру видео. Для просмотра важного фрагмента опыта, его можно выделить на участке графика при помощи мыши. При этом, выделенный участок растянется на всю величину окна, а видеоряд будет соответствовать только выделенному фрагменту графика.
          4. Запись звука. При нормальной скорости записи и воспроизведения видеоизображения, записывается и воспроизводится звуковое сопровождение. Если скорость записи или воспроизведения видео изменяют, программа автоматически блокирует воспроизведение звука.
          Созданные с помощью указанного средства мультимедийные проекты объединяют в себе ряд положительных свойств, присущих традиционным средствам, описанных ранее. Видеофайл дает возможность составить зрительный образ исследуемого объекта, но, в отличии от видеоролика, данные измерений эксперимента, сохраняются в полном объеме и могут использоваться при исследовании его количественных характеристик. Автором также исследовалась возможность дистанционного проведения эксперимента. Несмотря на возможность технической реализации, дистанционный доступ к лабораторной установке, имеет сомнительный дидактический эффект.
          Рассмотрим пример использования записанного опыта. На рисунке 1 представлено изображение экрана компьютера во время демонстрации эксперимента, в котором изучается зависимость температуры кипения водного раствора поваренной соли от концентрации. В пояснении к опыту указана следующая информация: на лабораторной электропечи установлен стакан с водой. Вода нагревалась и закипала. Затем, в воду, порциями по 50 грамм, добавляли поваренную соль. В ходе эксперимента измерялась температура воды в стакане. Давление считалось нормальным.

Рисунок 1. Изучение зависимости температуры кипения водного раствора соли (NaCl) от концентрации.
          Просмотр опыта производят при нормальной скорости. Запись длится около 15 минут. Однако, учитель (или ученик) может пропускать фрагменты опыта и переходить на следующие, приводя время и темп демонстрации в соответствие со словесными пояснениями. Значение температуры воды, соответствующее кадру видео, определяют по положению указателя на графике.
          Задание 1. Рассмотрите процессы, происходящие при нагревании и кипении воды. При просмотре видео, ученики должны заметить конвекционные потоки во время нагревания воды. Следующее явление состоит в том, что по достижении температуры воды в стакане значения  85 - 90 ̊ С, у его дна образуются пузырьки парогазовой смеси. Пузырьки увеличиваются и отрываются от дна. Поднимаясь, пузырек попадает в более холодный слой воды и захлопывается. При захлопывании пузырьков слышен шум. По ходу демонстрации ученики должны ответить на вопросы:
- Почему потоки теплой воды поднимаются вверх ?
- Почему они становятся видимы?
- Как распределяются теплые и холодные участки воды в стакане в процессе нагрева?
- Почему пузырьки образуются у дна стакана?
- Как зависит температура, при которой начинают образовываться пузырьки от высоты столба воды в стакане?
- Зависит ли уровень шума захлопывающихся пузырьков от высоты столба воды?
- При какой температуре пузырьки пара образуются во всем объеме воды? (наблюдение за образованием пузырьков пара проводят в замедленном темпе)
- Что происходит при добавлении соли?
          Задание 2. По данным измерений построить график зависимости температуры кипения водного раствора от концентрации соли. Построение графика можно проделать вручную поскольку он будет строиться всего по 5 точкам.
          Задание 3. Вычислите, сколько времени уйдет на испарение воды из стакана, если в нее не добавлять соль? Как наличие соли в растворе влияет на скорость испарения воды?
Чтобы выполнить задание, необходимо воспользоваться результатами эксперимента. Количество воды в стакане известно (300 мл). На изображении стакана видны мерные деления и уровень воды. Удельная теплота парообразования тоже известна. По этим данным находим количество теплоты, необходимое для испарения 0,3 кг воды.




          Далее определяем количество теплоты, передаваемого воде от электроплиты в единицу времени. По форме участка графика соответствующего процессу нагревания, видно, что скорость нагрева постоянна. Определим ее величину. Зная скорость нагрева известной массы воды, а также ее теплоемкость , определяем количество теплоты передаваемое воде в единицу времени. Для этого выберем по оси «У», произвольный участок, соответствующий процессу нагревания воды от температуры t1 до t2  и разделим на время, в течение которого произошел нагрев.   

Тогда, время, необходимое для испарения всей воды в стакане:

          Задание 4. Следующим заданием будет проведение самостоятельного эксперимента по изучению указанных процессов и их количественных характеристик в домашних условиях. Для проведения эксперимента необходимы следующие приборы и оборудование: мерный стакан (бытовой на 0,2 литра); металлическая турка для заваривания кофе; секундомер (опция мобильного телефона).
          Проведение опыта:
- налейте в турку 200 мл воды комнатной температуры. Если отсутствует термометр для измерения комнатной температуры, ее можно принять за 20 ̊С̊;
- включите среднюю по размеру газовую горелку, предварительно установив рассекатель пламени и дайте ей прогреться в течение нескольких минут;
- поставьте турку на горелку и включите отсчет времени по секундомеру;
- запишите время закипания воды, не останавливая секундомер;
- продолжайте греть кипящую воду в течение времени, равного времени закипания;
- снимите турку с огня и остудите ее до комнатной температуры;
- измерьте объем оставшейся воды;
- сравните результат с данными вычислений
- проделайте эксперимент с насыщенным раствором соли.
          При проведении эксперимента не учитывается теплоемкость турки. Для уменьшения ее влияния на результат эксперимента, следует выбрать турку из нержавеющей стали или меди. Теплопроводность материала турки влияет на время нагревания, однако не влияет на  результат эксперимента.
          После выполнения задания ученик составляет отчет о проделанной работе.
          Таким образом, использование компьютерного измерительного комплекса «Учебная лаборатория «ИТМ» в дистанционном обучении, дает возможность расширить круг учебных физических демонстраций за счет создания на его основе дидактических ресурсов, включающих наиболее полную информацию об объекте исследования. Наличие видеозаписи эксперимента и реальных количественных характеристик явления в сумме с дополнительным теоретическим материалом в виде текстового файла, позволяет получить всесторонние знания, достаточные для выполнения самостоятельных экспериментов.

1. В. А. Трайнев, В. Ф. Гуркин, О. В. Трайнев. Дистанционное обучение и его развитие// Дашков и Ко, 2006.- 296 стр.
2. Ибрагимов И. М. Информационные технологии и средства дистанционного обучения// Академия, 2007. - 336 стр. (Основные типы организационных структур дистанционного образования по физике )
3. Беспалько В.П. Педагогика и прогрессивные технологии обучения. /В.П. Беспалько - М., 1995. 4.
4. Агапонов С.В. , Джалиашвили З.О., Кречман Д.Л.,и др. под редакцией Зураба Джалиашвили Средства дистанционного обучения. Методика, технология, инструментарий// БХВ- Петербург, 2003.- 336 стр. .