Педагогический лабораторный компьютер как цифровая лаборатория по физике

Обновлено: 04.07.2024

Эта статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с условиями Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported, которые разрешают неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Аннотация

В настоящее время программное обеспечение для сбора данных и датчики широко используются во вводных физических лабораториях. Это позволяет учащемуся уделять больше времени изучению данных, собранных компьютером, и, таким образом, больше внимания уделять физической концепции. Очень часто преподаватели сталкиваются с проблемой обновления или внедрения микрокомпьютерной лаборатории (MBL) в своем учебном заведении. В этой статье будет представлен список экспериментов и оборудования, необходимого для преобразования примерно половины традиционных лабораторий в течение 1 года вводной физической лаборатории в MBL.

ВВЕДЕНИЕ

Часто перед новым преподавателем физического факультета стоит задача отремонтировать вводные кабинеты физики. Эта задача особенно сложна, когда преподаватель находится на одиночной позиции. Мы хотели бы поделиться нашим опытом в решении этой задачи. Мы предоставим список экспериментов и оборудования, необходимых для преобразования примерно половины традиционных лабораторий на вводном курсе физики, рассчитанном на 1 год, в лаборатории на базе микрокомпьютеров (MBL).

Наш контингент студентов состоит в основном из студентов, изучающих естественные науки, изучающих курс алгебры. Но описанная здесь реконструкция лаборатории может быть использована и для группы, основанной на исчислении. Мы рекомендуем внести поправки в лабораторные руководства.

В настоящее время при планировании ремонта чаще всего выбирают MBL. На протяжении многих лет они эффективно демонстрировали преимущество в процессе обучения. MBL могут быть настроены для улучшения этого компонента обучения.[5] Очень часто можно услышать во время лабораторных занятий, как студенты комментируют свое понимание концепции, изученной в классе, благодаря проводимому эксперименту. MBL казались подходящим выбором.

Мы решили использовать систему PASCO.[6] Следующим шагом был просмотр их экспериментальной библиотеки. Было принято решение обновить примерно половину всех лабораторий до MBL. Другая половина была сохранена как традиционные лаборатории. Общий 1-летний опыт работы в лаборатории соответствует рекомендациям Американской ассоциации учителей физики.[7]

НАСТРОЙКА ЛАБОРАТОРИИ

Каждая станция MBL состоит из трех студентов. Предполагается, что чем меньше размер группы, тем лучше.[8] Им разрешено выбирать себе партнеров. Лабораторное руководство предоставляется за 1 неделю до эксперимента. Он содержит краткое теоретическое описание и процедуры, которым необходимо следовать в день лабораторной работы. В лабораторный день студенты должны прийти подготовленными и готовыми приступить к работе без дополнительных инструкций. Инструктор кружит вокруг станций, чтобы направлять и при необходимости отвечать на соответствующие вопросы.

В день лабораторной работы учащимся выдается лабораторный отчет. Он содержит часть анализа данных, некоторые исследовательские вопросы и заканчивается сводной и заключительной частями. Отчет заполняется студентом во время сессии. Группа работает и завершает большую часть лабораторного отчета вместе. Резюме и заключительная часть пишется каждым студентом индивидуально. В настоящее время разговор запрещен. Таким образом, оценка получается более индивидуальной для лаборатории.

Эксперименты

Около половины экспериментов были компьютеризированы. Мы не нашли подходящей версии для другой половины, которая соответствовала бы нашей общей цели.[7] Поэтому мы сохранили несколько традиционных лабораторий.

Список экспериментов выбирается исходя из лекционного материала. Одна из проблем заключалась в том, чтобы всегда иметь возможность охватить теорию до того, как студент выполнит лабораторную работу. Это ограничило доступный выбор тем.

Список вводных лабораторных экспериментов на микрокомпьютерах сроком на один год

Понимание движения, свободного падения, движения снаряда, машины Этвуда, закона Бойля, электрического эквивалента тепла, теплопередачи, электростатического заряда, закона Ома, RC-цепи и магнитной индукции.

Лабораторные руководства предоставляются компанией PASCO.[6] Мы настроили свои собственные, чтобы они соответствовали нашим студентам и стилю преподавания.[9]

Начинающим рекомендуется провести все эксперименты заранее, пока вы не освоитесь с датчиками и программным обеспечением, а также с тем, как они работают. Этому совету должен следовать любой инструктор, нанятый для проведения лабораторных работ. Это может быть неприятно, если измерения не могут быть сделаны. В большинстве случаев это отсутствие понимания использования устройства, если, конечно, оно не неисправно.

ОБОРУДОВАНИЕ

Здесь мы перечислим общее количество оборудования, необходимого на каждую станцию для проведения лабораторной работы продолжительностью 1 год, описанной выше. Ожидается, что в лаборатории будет принтер, которым смогут пользоваться все группы.В компьютеризированных экспериментах использовалось аппаратное и программное обеспечение PASCO. Номера моделей указаны в скобках.

Каждая станция состоит из ноутбука и интерфейса Science Workshop 750 (CI-7650) с программным обеспечением Datastudio (CI-6870G). На рис. 1 показана типичная лабораторная станция.

Лабораторная станция: интерфейс Science Workshop, ноутбук и датчик движения

Датчики, которые будут использоваться с интерфейсом для измерения данных: датчик движения (CI-6742A), фотозатвор и система шкивов (ME-6838), дополнительный фотозатвор (ME-9204B), времяпролетный аксессуар (ME-6810). ), датчик давления (CI-6532A), датчик температуры (CI6605A), усилитель мощности (CI-6552A), датчик заряда (CI-6555), датчик напряжения (CI-6503), головка фотозатвора (ME-9498A). На рис. 2 показаны несколько датчиков.

Слева направо: датчик давления, датчик заряда и головка фотозатвора

Программное обеспечение Datastudio собирает и анализирует данные. Он имеет простой в использовании интерфейс, позволяющий учащимся изучать данные. Например, на левом снимке экрана в ure 3 показан график зависимости напряжения от времени. Данные собираются с помощью датчика напряжения, когда магнит проходит через катушку. Учащиеся могут выбрать область на графике, и программа рассчитает площадь под кривой. На снимке экрана справа на рис. 3 показана функция подбора кривой в Datastudio.

Снимок экрана слева: Индукционная лаборатория с использованием графика и расчета площади под кривой. Снимок экрана справа: лаборатория Этвуда с использованием графика и подбора линейной кривой.

Данные также могут отображаться в виде таблицы. На рис. 4 показана таблица эксперимента по закону Бойля. Колонка давления будет заполнена по мере проведения измерений с помощью датчика давления.

Юридическая лаборатория Бойля с использованием настольного дисплея

Общие лабораторные принадлежности включают в себя ножницы и защитные очки, одни цифровые весы – Ohaus (SP-601), один измерительный стержень, один термометр, щипцы (для работы с горячими бутылками), перчатки (для работы с горячими контейнерами), плетеный шнур для физики ( SE-8050), стеклянный контейнер 500 мл (вода 90°C), штепсельная вилка типа «банан», красный и черный (5 шт. в комплекте) (SE-9750) или (SE-975), набор грузов и подвески (ME-8979), универсальный настольный зажим (ME-9376B), калориметрические чашки (TD-8825A) и нагревательные пластины (SE-8830).

Общая стоимость одной станции составляет примерно 3000 долларов США.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Реконструкция вводной физической лаборатории требует тщательного изучения и консультаций. Часто эту задачу трудно выполнить преподавателю-одиночке в небольшом учебном заведении. Мы предоставили здесь список экспериментов и оборудования, необходимого для модернизации примерно половины экспериментов до MBL в вводной физической лаборатории сроком на 1 год.

Мы хотели бы добавить, что хотя мы использовали PASCO, на рынке есть и другие сопоставимые системы. Цель этой статьи — помочь другим в ремонте их собственной лаборатории. Чтобы лучше выполнить эту задачу, были предоставлены номера деталей.

Сноски

Источник поддержки: нет.

Конфликт интересов: не объявлено.

ССЫЛКИ

<р>1. Торнтон РК. «Инструменты научного мышления на базе микрокомпьютерных лабораторий для обучения физике», Phys Educ. 1987 год; 22:230–8. [Академия Google]

<р>2. Торнтон Р.К., Соколофф Д.Р. «Изучение концепций движения с использованием лабораторных инструментов на базе микрокомпьютеров в реальном времени», Am J Phys. 1990 г.; 58: 858–67. [Академия Google]

<р>3. Торнтон Р.К., Соколофф Д.Р. «Оценка усвоения учащимися законов Ньютона: концептуальная оценка силы и движения и оценка лабораторных и учебных программ активного обучения American Journal of Physics», Am J Phys. 1998 год; 66: 338–52. [Академия Google]

<р>4. Трампер Р., Гелбман М. «Для чего нужны микрокомпьютерные лаборатории (MBL)? Пример из вводной кинематики», J Comput Math Sci Technol. 2002 г.; 21: 207–27. [Академия Google]

<р>5. Куеч Р.К., Лунетта В.Н. «Использование цифровых технологий в классе естественных наук для содействия концептуальному пониманию», J Comput Math Sci Technol. 2002 г.; 21: 103–26. [Академия Google]

<р>8. Джонсон Д.В., Джонсон Р.Т., Голубец Э.Дж. «Сотрудничество на уроке». 6-е изд.Эдина, Миннесота: Interaction Book Company; 1993. [Google Академия]

Статьи из Journal of Natural Science, Biology, and Medicine предоставлены здесь с разрешения Wolters Kluwer -- Medknow Publications

Гарнаева, Гузель ; Шигапова, Эльвера Д. ; Низамова Эльмира Ивановна

В процессе изучения физики для решения задач формирования основ научного мировоззрения, развития интеллектуальных способностей и познавательных интересов учащихся основное внимание следует уделять не передаче объема готовых знаний, а знакомство с методами научного познания окружающего мира, постановка задач, требующих от учащихся самостоятельной работы по их разрешению. Актуальность изучения данной проблемы обусловлена тем, что одним из сложных разделов для обучения физике является раздел «Квантовая физика». Для достижения наилучших результатов обучения по данному разделу целесообразно дополнить существующий физический лабораторный практикум виртуальными интерактивными компьютерными лабораторными работами, моделирующими те физические процессы, изучение которых затруднено или невозможно на имеющемся лабораторном оборудовании, что позволяет лучше понять суть таких процессов. Цель работы – разработать и апробировать цифровую лабораторию-практикум «Квантовая физика», которая позволяет повысить уровень понимания сущности физических процессов, рассматриваемых в квантовой физике, и дает шанс на развитие профессиональных компетенций будущего учитель физики. Для достижения поставленной цели авторы использовали следующие методы исследования: теоретический анализ состояния проблемы на основе изучения методической, дидактической, психологической и специальной литературы, диссертационное исследование по данной проблеме; материалы конференций по использованию цифровых технологий в физическом воспитании, нормативные документы, определяющие структуру и содержание профессиональной подготовки учителя физики, изучение и обобщение педагогического опыта; компьютерное моделирование физических процессов, наблюдение, беседа, анкетирование, интервьюирование, проведение педагогического эксперимента. Цифровая лаборатория-практикум «Квантовая физика» направлена на создание связи между математическим формализмом квантовой физики и его конкретными практическими проявлениями. В центре внимания цифровой лаборатории-практикума «Квантовая физика» находится физическая сторона решаемых вопросов. Результаты тестирования, наблюдения и беседы при сдаче отчета о выполнении лабораторной работы показали, что внедрение в учебный процесс цифрового лабораторного практикума «Квантовая физика» позволяет повысить уровень понимания сущности физические процессы, рассматриваемые в квантовой физике.

Мы живем в эпоху стремительного развития технологий. Информатика вторглась в образовательный процесс и предоставляет нам множество возможностей для использования. Дополнительной проблемой, с которой столкнулись преподаватели STEM, была интеграция научного обучения на основе запросов (IBSL) в преподавание. Хотя использование ИКТ уже проникло в преподавание, основанное на запросах, нам еще предстоит создать и внедрить планы уроков STEM, которые способствуют развитию методологических навыков и компетенций, исследованиям посредством экспериментов, командной работе и общению между учащимися посредством совместной деятельности.

В последние годы научно-исследовательское образование (IBSE) доказало свою эффективность в образовании, расширив «традиционные» уроки и мотивировав учащихся к активному участию в науке [6]. Методы IBSE и цифровые технологии поддерживают необходимые образовательные инновации и могут стать катализатором изменения образовательных моделей (в отношении его формы, пространства, функций, услуг, инструментов, ролей, процедур) [7]. Виртуальные лаборатории являются важным цифровым инструментом. На самом деле, многие европейские школы оснащены компьютерными классами, планшетами и высокоскоростным подключением к Интернету, а также используют огромное количество веб-приложений для обучения, моделирования и визуализации. [1]

Описание сред виртуальных лабораторий

Виртуальные лабораторные среды можно разделить на следующие категории [4]:

Симуляторы — это имитации операционных систем во времени с помощью компьютеров. Они представляют процесс на основе модели, которая дешевле, быстрее, менее рискованна и доступнее, чем реальный процесс.

Апплеты представляют собой экспериментальные устройства в небольших виртуальных лабораториях и довольно популярны в научных дисциплинах. Они небольшие по размеру, легко транспортируются и могут использоваться независимо от типа операционной системы.

Виртуальные лаборатории (виртуальные лаборатории) имитируют виртуальную операционную систему, экран компьютера, научные лаборатории, используя потенциал, предлагаемый современными мультимедийными технологиями, ключевой особенностью технического взаимодействия и прямого и правдоподобного манипулирования объектами и параметрами.

Лаборатории виртуальной реальности (VRL)

Семинары VRL основаны на компьютерах и очень интерактивны. Пользователь становится участником «виртуально реального» мира, в искусственной трехмерной оптической среде. Эти семинары, по сути, представляют собой интерфейс высокого уровня, включающий трехмерное моделирование в реальном времени через различные сенсорные каналы.

Лаборатории, контролируемые на расстоянии (удаленные лаборатории)

Семинары, управляемые удаленно (удаленные лаборатории, также известные как онлайн-лаборатории или рабочие места), включают в себя реальные эксперименты, проводимые на расстоянии с использованием телекоммуникаций, в то время как пользователь использует эту технологию из другого места.

Большая часть программного обеспечения виртуальной лаборатории состоит из вычислительных приложений, работающих на компьютере локального пользователя, из соображений скорости и безопасности. Им можно управлять дистанционно. Примером могут служить те, которые основаны на апплетах или роботизированных мастерских (удаленных лабораториях), которые могут принимать команды через Интернет [5]

Преимущества использования виртуальных лабораторий в преподавании и изучении естественных наук

Экспериментальные действия должны выполняться быстро и не позволяют легко проводить наблюдения и безопасные измерения,
экспериментальный процесс очень медленный и/или сложный и несовместим с имеющимся учебным временем,
Эксперименты сопряжены с риском для здоровья и физической неприкосновенности учащихся и/или
учебная деятельность требует моделирования.

Виртуальные лаборатории поддерживают IBSL в изучении естественных наук:

Законы в науке возникают в результате детального наблюдения за процессами, и при детальном рассмотрении у них явно больше шансов на прояснение, понимание и принятие.
Он поощряет сотрудничество и общение между учителями и учениками. Преподаватели STEM активно участвуют в процессе обучения: задают вопросы, пытаются найти ответы, организуют процедуры и комментируют их, помогают формулировать выводы, понимают свои ошибки и подчеркивают любые неправильные представления.

Но каковы различия между реальным жизненным опытом и тем, что формируется на экране компьютера?

Благодаря виртуальным лабораториям учащиеся получают инструмент, с которым можно экспериментировать без ограничений по пространству и времени. Они доступны круглый год, в отличие от школьных лабораторий, ограничены определенным местом и в течение ограниченного времени. [2].
Использование виртуальных сред позволяет учащимся приобретать более совершенные навыки работы с компьютером, которые можно считать навыками для обучения на протяжении всей жизни. Использование этих технологий также объединяет различные предметы STEM и предоставляет большие ресурсы для более инклюзивных семинаров [8].

Примеры сред виртуальных лабораторий в репозитории Scientix

Проекты:

Проект Go-Lab предлагает набор удаленных лабораторий, виртуальных экспериментов и наборов данных (вместе именуемых «онлайн-лабораториями») и позволяет учителям встраивать эти онлайн-лаборатории в педагогически структурированные учебные пространства. Go-Lab предоставляет учителям педагогические и технические средства для подключения (простота интеграции), игры (простота использования) и совместного использования (простота консолидации) методологий и инфраструктур. Среда Go-Lab будет:

Разрешить учителям создавать специальные учебные пространства;
Предоставьте доступ к ресурсам, поддерживающим разработку реалистичных и увлекательных занятий в классе;
Содействовать установлению контактов и обмену информацией об этих действиях через интернет-сообщество.

Ресурсы Go-Lab поступают от крупных научных организаций, университетов и исследовательских институтов, а также от специализированных компаний. Go-Lab предлагает этим владельцам лабораторий легко подключать свои реальные эксперименты к сети и создавать их виртуальные дидактические аналоги.

Проект UniSchooLabS предоставляет школам набор онлайн-инструментов для удаленного доступа к высококачественным университетским научным лабораториям и предлагает учащимся учебные занятия на основе запросов. Проект направлен на повышение качества естественнонаучного образования в Европе.

UniSchooLabS способствует сотрудничеству между университетами и школами с помощью онлайн-платформы, которая позволяет учителям легко получать доступ к удаленным университетским лабораториям через обычный веб-браузер. Учитель и ученики смогут проводить эксперименты, собирать данные и анализировать результаты. Благодаря этим новым технологиям школы, даже расположенные в сельской местности, могут получить доступ к настоящим научным экспериментам и лабораториям, до которых обычно трудно добраться из-за их местоположения, устаревшего оборудования и ограниченного диапазона возможных экспериментов.

UniSchooLabS стремится продвигать использование новых технологий и услуг на основе ИКТ, чтобы:

(1) способствовать развитию компетенций и навыков учителей и учащихся, необходимых для жизни и работы в современном обществе знаний и глобализированном мире; и

(2) повысить привлекательность научных исследований и карьеры для студентов.

Учебные ресурсы

Обзор существующих репозиториев виртуальных и удаленных лабораторий [1]

Chemistry Labs – включает общую химию и органическую химию

Physics Labs — включает физику конденсированных сред и элементарных частиц

Биологические лаборатории — микроскопия, генетика и биологические науки.

Лаборатории анатомии — физиология и диссекция

Лаборатории геологии – включает геолого-геофизические науки и науки о Земле

Астрономические лаборатории – включает космические исследования

Лаборатории дизайна – включает 3D-моделирование и 2D-графику

Math Labs – включает анализ данных и построение графиков

Библиография

[1] Дикке Д., Цурлидаки Э/, Зервас П., Цао Ю., Фалтин Н., Сотириу С., Сэмпсон Д., Голабз: На пути к федерации онлайн-лабораторий для научного образования на основе запросов в школе.

[2] Doukeli M. (2012).Виртуальные лаборатории в обучении физике в средней школе. Исследовательская работа для получения степени магистра. Пирейский университет на факультете цифровых систем.

[3] Фишер, Дж., Митчелл, Р. и дель Аламо, Дж. (2007). Обучение по запросам с помощью WebLab: Отношение и опыт студентов. Journal of Science Education and Technology, 16 (4), 337–348.

[4] Хармс, У. (2000). Виртуальные и удаленные лаборатории в физическом образовании. Материалы Второй европейской конференции по преподаванию физики в инженерном образовании, Будапешт, Румыния (стр. 1–6).

[5] Niederrer et al. (2003). Исследования по использованию информационных технологий в научном образовании. Образовательные исследования в обществе, основанном на знаниях. Издатели Kluwer Academic.

[6] Рокар, М. (2007). Научное образование СЕЙЧАС: обновленная педагогика для будущего Европы. Люксембург: Офис официальных публикаций Европейской комиссии. Доступно по адресу:

[7] Сэмпсон, Д. (2010). Учебный дизайн. Курсовые лекции. Пирейский университет, 2010 г.

[8] Целфес, Б. (2002). Метод проб и ошибок: Семинар по преподаванию естественных наук. Афины: Остров. Сектор образования и обучения (TEK). Учебный материал для подготовки учителей – Выпуск 5: Сектор PE04. CTI. Доступно по адресу электроники:

Статья написана Аргири Панайота, заместителем представителя Scientix

2 ответа на вопрос «Виртуальные лаборатории в преподавании и изучении науки»

Хороший список! Моделирование меняет способ преподавания и изучения науки. Когда у вас будет свободная минутка, загляните в SimPop. Это коллекция бесплатных интерактивных научных симуляторов для средних и старших классов.

Посмотрите на виртуальные образовательные лаборатории с доступом через веб-браузер в 3D в реальном времени

Оставить ответ

Добро пожаловать в блог Scientix

В этом блоге люди, связанные с Scientix (коллеги по European Schoolnet, представители Scientix и друзья Scientix), могут публиковать личные истории о научном образовании в Европе.

Мнения в статьях являются исключительной ответственностью соответствующих авторов, и они не отражают мнение Европейской комиссии, European Schoolnet (EUN) или Scientix, и ни Комиссия, ни EUN, ни Scientix не несут ответственности за любое использование, которое может быть сделана из информации, содержащейся здесь.

Последние публикации

Последние комментарии

Мариапия Боргесан о цифровом путешествии «Давайте сориентируемся»
IgniteSchool on Получите окно в космос из своего класса
Cricktutors на NeoTrie VR: новая геометрия в виртуальной реальности
Домашнее задание: Как стать туристическим гидом по Солнечной системе
IgniteSchool, посвященный Европейскому союзу наук о Земле, 2019 г. — мастер-класс ПОДАРОК

Архивы

О нас

авторское право

Контент блога публикуется в соответствии с положениями и условиями Attribution-Non-commercial 3.0 Unported, если не указано иное.

Работа, представленная на этом веб-сайте, финансировалась в рамках исследовательской и инновационной программы Европейского Союза H2020 — проекта Scientix 3 (соглашение о гранте № 730009), координируемого European Schoolnet (EUN). За содержание веб-сайта несет исключительную ответственность организатор, и оно не отражает мнение Европейской комиссии (ЕК), а ЕК не несет ответственности за любое использование содержащейся информации.

Читайте также: