ЦИФРОВЫЕ ЛАБОРАТОРИИ В ПЕДАГОГИЧЕСКОМ ОБРАЗОВАНИИ

DIGITAL LABORATORIES IN TEACHER EDUCATION

Sergey Pogozhikh

Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of General and Theoretical Physics, Novosibirsk State Pedagogical University,

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается общие вопросы использования цифровых технологий в учебном физическом эксперименте различных уровней обучения. В соответствии с приказом Минобрнауки цифровые лаборатории должны быть в каждой школе. В связи с этим обсуждается практическое использование указанных лабораторий (комплексов) в школах и педагогических вузах.

ABSTRACT

The article discusses the general issues of the use of digital technologies in the educational physical experiment of various levels of training. In accordance with the order of the Ministry of Education and Science, digital laboratories should be in every school. In this regard, the practical use of these laboratories (complexes) in schools and pedagogical universities is discussed.

Ключевые слова: цифровой измерительный комплекс Casio, цифровая лаборатория, датчик, физический эксперимент, учебная экспериментальная задача.

Keywords: digital measuring complex, digital laboratory, sensor, physical experiment, experimental task for training.

21 век внес в образование процессы, получившие впоследствии название цифровизации. Автоматизация измерительных процессов, в первую очередь измерение физических величин, управление приборами с помощью компьютеров шагнуло из сугубо научной среды в учебный физический эксперимент, вузы и школы. Сама идея оказалась плодотворной и привлекла множество производителей к выпуску цифровых лабораторий различной конфигурации.

Приказ №336 2016 года Минобрнауки, закрепляя сложившуюся ситуацию, утвердил в качестве необходимого оборудования школьного кабинета физики цифровые лаборатории для учителя и ученика.  Новый приказ №590 2021 года уже Министерства просвещения продолжил практику цифровизации учебного физического эксперимента. Таким образом, будущий учитель физики при профессиональном обучении должен осваивать работу с цифровыми измерительными комплексами, изучать методику их применения в школе.  Проблему использования цифровых лабораторий  в вузе и школе неоднократно поднимали ряд авторов [1-3]. Относительно использования цифровых лабораторий в педагогическом университете можно сказать, что проблема имеет две стороны – освоение лабораторий в дисциплинах методического цикла и использование цифровых лабораторий студентами при изучении курса общей физики. Автора, как преподавателя дисциплин физического цикла, интересует применение цифровых инструментов студентами при выполнении работ физического практикума, курсовых и выпускных квалификационных работ, использование их в качестве демонстраций на лекциях [4, 5].

После почти десятилетия применения различных цифровых измерительных комплексов (ЦИК) в Новосибирском государственном педагогическом университете есть смысл уточнить возможность и цели их применения. Наши студенты имеют дело с ЦИК, построенных  на двух принципиально разных платформах. На занятиях по методике физики в настоящий момент используется комплект «НауРа» (первый опыт работы с цифровыми лабораториями преподаватели и студенты получали с L-micro), в курсовых работах по общей физике и в ВКР широко используется ЦИК Casio на основе графических калькуляторов, которые могут работать автономно. В этом году в лабораторию методики поступили цифровые лаборатории «Релеон», широко поставляемые в школы.

Сравнительный анализ работ, выполненных студентами, показывает, что в целом логика работы с ЦИК различных производителей примерно одинакова. И, поработав на одном комплексе, студент достаточно легко осваивает другой. К тому же используемые датчики различных цифровых лабораторий часто выглядят почти одинаково, их параметры близки.

Помимо явных достоинств выявлены и скрытые недостатки ЦИК. Недостатки скорее обусловлены непроработанностью конкретных реализаций и низким качеством исполнения датчиков. Точность же и стабильность показаний часто оставляет желать лучшего. Отдельный вопрос – калибровка датчиков. Часто одни и те же устройства имеют различную калибровку (коэффициенты) в зависимости от конкретного экземпляра.  При этом не у всех ЦИК датчики можно калибровать. В этом смысле в лучшую сторону отличается ЦИК Casio на основе графического калькулятора [4]. В этом автономном устройстве предусмотрена процедура калибровки почти для всех датчиков.

Достоинства же очевидны и несомненны – ЦИК предоставляют возможность исследования: быстропротекающих процессов; процессов, растянутых во времени; измерения величин, трудно достигаемые обычным оборудованием.

При этом массив данных сохраняется автоматически и его можно исследовать, делать различные выборки в любой момент после проведения измерений. Накопилось значительное количество работ, иллюстрирующих как возможности ЦИК, так и возможности самих студентов, использующих ЦИК. Идеи этих работ, в основном, подсказаны, в первую очередь, возможностями цифровых лабораторий.

Другое направление, развивающее цифровые платформы – самостоятельная разработка ЦИК на основе Arduino. Такие предложения (в качестве тематики ВКР) стали поступать от продвинутых студентов и несколько ВКР на эту тему уже защищено, а сами измерительные системы уже готовы к практическому использованию. Здесь следует отделить работы студентов, использующие готовые наборы с Arduino для организации учебной деятельности по физике (такое направление популярно в последнее время) от создания нового продукта (программного и аппаратного) как измерительного инструмента.

Это направление двояко – студенты, работающие в школе, привлекают своих продвинутых учеников к разработке проблемы, то есть решается сразу несколько задач. Огромное преимущество платформы Arduino – наличие датчиков, которых нет в серийно выпускаемых ЦИК. Другой очевидный плюс – дешевизна компонентов, огромное количество элементов, хотя не все датчики подходят для физических измерений. Немаловажно, что сообщество любителей Arduino широко обмениваются информацией по настройке основной платы и  датчиков. Начать измерять с Arduino можно, не обладая на первых порах глубокими познаниями программирования системы, постепенно усложняя задачи.

По итогам нашей деятельности можно сказать, что ЦИК – не панацея. Овладение идеологией ЦИК требует времени. С другой стороны ЦИК – это черный ящик и изучение физического принципа действия датчиков часто сложно и на это нет ученого времени. Поэтому использование ЦИК в стандартном вузовском лабораторном практикуме по общей физике нецелесообразно. Другое дело – курсовые работы и ВКР. Тут широкий простор. Решаются цифровыми устройствами как стандартные задачи, так и придумываются новые. Другое направление – специализированный курс для магистерской программы «Физическое образование и информационные технологии». Курс называется «Автоматизация физических измерений». В его основе – ЦИК Casio. Выработан гибкий комплект заданий для студентов по проведению физических измерений, призванный уяснить магистрантами идеологию работы с ЦИК.

На основе нашего опыта можно заключить, что ЦИК стали реальностью в физическом образовании, хотя еще и не всеобщей. И работа студента над учебной физической проблемой с использованием ЦИК приближает внедрение цифровых лабораторий в практику школьной физики.

Список литературы

1. Паутова, А. А. Подготовка будущих учителей физики к применению современного цифрового оборудования в школьном физическом эксперименте / А. А. Паутова // ФССО-15: материалы XIII Международной конференции, СПб., 01–04 июня 2015. – СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2015. – С. 454-456.
2. Дедюха, Л. А. Использование измерительного комплекса CASIO в школьном физическом практикуме при изучении изопроцессов / Л. А. Дедюха // ФССО-2019 : Сборник научных трудов ХV Международной конференции, СПб., 03–06 июня 2019. – С. 337-341.
3. Вострокнутов И.Е. Лабораторный практикум по физике на основе цифрового измерительного комплекса ЕА-200 – fx9860GII. Выпуск 1/ И.Е. Вострокнутов, Г.Г. Никифоров, Н.С. Никитина и др// Троицк: Тровант, 2012. – 96 с.
4. Погожих С.А. Цифровой измерительный комплекс Casio на основе графического калькулятора / С.А. Погожих // Физическое образование в вузах. т. 23, №4, 2017. – с. 165-174.
5. Погожих С.А. Лабораторный эксперимент по электромагнетизму с использованием цифрового измерительного комплекса Casio/ С.А. Погожих // Физическое образование в ВУЗах, т.27, №2, 2021. – С.147-156.