Організаційно-методичні умови використання цифрових лабораторій на уроках хімії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Організаційно-методичні умови використання цифрових лабораторій на уроках хімії

Кочубей Олена Василівна -

Постановка та обґрунтування актуальності проблеми

використання цифрових лабораторій навчання хімії

В сучасних умовах учитель хімії має можливість використовувати у своїй практиці цифрові лабораторії, що дозволяють організувати хімічний експеримент на новому рівні, перейти від якісної оцінки явищ до аналізу їх кількісних характеристик, по-новому вивчати явища і властивості речовин.

Цифрова лабораторія (ЦЛ), датчикові системи - комплект навчального обладнання, що включає вимірювальний блок, інтерфейс якого дозволяє забезпечувати зв'язок з персональним комп'ютером, та датчики, що реєструють значення різних фізичних величин: температури, pH водного розчину, електропровідності, оптичної щільності, тиску, вологості, об'єму газу, об'єму рідкого реагенту, силу струму (амперметр), електричної напруги (вольтметр), різниці потенціалів (хлорсрібний електрод порівняння та іонселекти- вні електроди, що дозволяють вимірювати концентрації NO3^-, F^-, Са²⁺, Си²⁺, РЬ²⁺ у широкому інтервалі концентру), концентрації О2 та СО2, маси (ваги).

ЦЛ можуть використовуватися у навчальному процесі для практичних занять та лабораторних дослідів на уроках хімії, організації дослідницьких практикумів, навчальних дослідницьких проєктів як у класі, так і в похідних умовах. Вони забезпечують автоматизований збір та обробку даних, дозволяють відображати хід експерименту у вигляді графіків, таблиць, показань приладів, здатні вимірювати швидкозмінні величини з частотою до 100 Гц. Результати експериментів можуть зберігатися в реальному масштабі часу і відтворюватися синхронно з відеоза- писом.

Важливо враховувати організаційні проблеми, що обмежують використання нових засобів навчання, зокрема ЦЛ. Нерідко вчителі неспроможні оцінити дидактичні можливості цих засобів навчання, не володіють методикою їх використання. Лише окремі вчителі хімії використовують ЦЛ, акцент, зазвичай, переноситься на по- заурочну діяльність школярів, зокрема, на організацію проєктних робіт, польових досліджень, елективних курсів і гуртків.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У відкритому інформаційному суспільстві виникає необхідність пошуку нових методів та форм підготовки майбутніх учителів хімії до використання інформаційних технологій, формування культури взаємодії з інформаційними об'єктами, поведінки у віртуальному інформаційному середовищі, спілкування з віртуальними суб'єктами. Цим питання присвячені праці науковців (Т. Близнюк [1], В. Гапонова [2], Л. Коростіль [5] та ін.). Вченими створено значний теоретичний фундамент, що дозволяє у досить широкому контексті розглядати проблему інформатизації освітнього процесу, підготовку майбутніх учителів хімії до використання цифрових технологій.

Дослідниками Т. Грановською [3] Т. Коваль [4] та ін. розкрито доцільність та варіативність застосування ЦЛ. Проте науковцями поза увагою залишилися питання проведення кількісного експерименту із застосуванням ЦЛ та пошук умов використання цифрових лабораторій на уроках хімії.

Метою статті є розкриття організаційно-методичних умов використання цифрових лабораторій на уроках хімії.

Виклад основного матеріалу дослідження

На основі аналізу публікацій науковців (Т. Близнюк [1], В. Гапонова [2], Т. Грановська [3], Т. Коваль [4], Л. Коростіль [5], О. Нетрибійчук [6] та ін.) виявлено причини, що обмежують застосування ЦЛ на уроках хімії: нестача методичної літератури; обладнання; тимчасові обмеження на уроці; відсутність кількісного експерименту у базовій навчальній програмі; превалювання хімічного експерименту, недостатню увагу проблемному, пошуковому та дослідному; використання понять, зміст яких виходить за межі освітніх навчальних програм. Виявлено основні проблеми застосування ЦЛ: небезпека перенесення уваги школярів з явища, що вивчається, на взаємодію з вимірювальними приладами; підміна навчальних цілей; замість вивчення явища - реєстрація даних; зниження ефективності самостійної роботи школяра; складність встановлення причинно- наслідкових зв'язків між явищем, що спостерігається, і графіками на екрані («ефект чорної скриньки»); згасання «ефекту новизни», поступове зниження початково високого пізнавального інтересу до роботи з ЦЛ.

Виявлені причини та проблеми покладено в основу обгрунтування організаційно-методичних умов використання ЦЛ. Для їх визначення розкрито ієрархію принципів здійснення освітнього процесу в ЗЗСО, що включає три рівні: перший - принципові положення загальної теорії пізнання: методологічні або метапринципи; другий - дидактичні принципи; третій - принципи методики навчання або умови, що враховують особливості, зокрема використання ЦЛ під час навчання хімії.

Аналіз трактування принципів організації хімічного експерименту та вимог до системи навчального обладнання, матеріально-технічних умов забезпечення експерименту представлений у табл. 1.

Таблиця 1. Система принципів на прикладі комплексного використання цифрових засобів навчання

На основі аналізу методологічних, загально- дидактичних, психолого-педагогічних принципів, виявлених проблем та вимогами до системи навчального обладнання, матеріально-технічних умов забезпечення експерименту, були сформульовані організаційно-методичні умови використання ЦЛ, які враховують особливості конкретного навчального предмета; особливості методів дослідження, його закономірностей; можливості реалізації сучасних методів отримання та обробки інформації. До таких умов віднесено:

1. Домінування дидактичної мети. На уроці в цілому, і під час проведення експерименту увагу всіх суб'єктів освітнього процесу має бути приділено хімічному феномену, що вивчається. ЦЛ - це лише засіб навчання. Визначаючи дидактичні цілі та завдання уроку, акценти переносяться на формування ключових, надпредметних та предметних компетентностей учнів. Завдання розвитку умінь поводження з персональним комп'ютером, датчиковими системами, що входять до складу ЦЛ виявляються другорядними. Навчання цифрових технологій реєстрації експериментальних даних має відігравати допоміжну роль.

2. Доцільність застосування ЦЛ. Різноманітні та невичерпні можливості ЦЛ можуть сприяти захопленню ними, а сучасні засоби навчання перетворяться на самоціль. Систематичне використання ЦЛ на уроках хімії не може бути самоціллю хімічної освіти, воно ефективне лише за об'єктивної необхідності, коли досягнення поставленого педагогічного завдання неможливе іншими засобами. Необхідність застосування ЦЛ на уроці пов'язана з кількісним аспектом навчального хімічного експерименту, динамікою зміни параметра, що досліджується.

Наприклад, при вивченні теплових ефектів, які спостерігаються у розчиненні речовин, доцільно використовувати традиційне обладнання: демонстраційні термометри. Учителями-практиками проведено наочні досліди та доведено їх, наприклад примерзання дерев'яної дощечки до дна склянки, де розчиняється нітрат амонію. Для кількісної оцінки теплового ефекту розчинення речовини пропонується за допомогою ЦЛ зняти температурну криву розчинення, аналіз якої спрощує пошук максимуму і мінімуму температури досліджуваної суміші в порівнянні з використанням звичайного лабораторного термометра.

3. Проблемність навчання. Значної педагогічної ефективності застосування ЦЛ можна досягти, якщо учні самостійно дійдуть висновку про необхідність застосування ЦЛ щодо експерименту. Для реалізації такого підходу необхідне виконання двох умов: наявність проблемної ситуації, вирішити яку зможуть школярі та знання учнів про можливості ЦЛ під час проведення фізико-хімічних досліджень.

Так, на перших уроках хімії у 7-му класі йдеться про фізичні властивості речовин, зокрема про температуру плавлення та кипіння. До уроку можна включити обговорення методів вимірювання температури. Учитель демонструє вимірювання температури плавлення речовин за допомогою термометра та термопари - датчика з комплекту ЦЛ. На одному з наступних уроків, практичному занятті, учням пропонується експериментально досліджувати будову полум'я спиртівки. Після проведення традиційного тесту з виділення трьох зон полум'я учні отримують нове завдання - визначити кількісні характеристики температури кожної зони. Аналізуючи межі вимірювання шкільного лабораторного термометра, учні швидко приходять до висновку, що цей прилад не підходить для вирішення поставленого завдання, виникає проблемна ситуація. Згадуючи відомі методи вимірювання високих температур, учні приходять до висновку, що завдання можна вирішити, використовуючи термопару, з'єднану з портативним комп'ютером-реєстрато- ром.

Інший приклад пов'язаний із застосуванням датчика pH щодо теми «Основні класи неорганічних сполук». Так, на уроках з вивчення властивостей кислот та лугів, школярі дізнаються, що про реакцію середовища в розчині можна дізнатися як за допомогою індикаторів, так і за допомогою рН-метра. Далі, на етапі узагальнення знань при проведенні практичної роботи пропонується експериментальне завдання визначити, в якій пробірці знаходиться вода, а в якій - розчин кислоти або лугу. Школярі легко виконують поставлене завдання, використовуючи розчини індикаторів або індикаторний папір. Проте умова ускладнюється, учням пропонується визначити, де знаходиться кислота чи луг, але видані розчини не безбарвні, а забарвлені. Вирішення проблеми знаходиться у застосуванні датчика pH, що входить до комплекту ЦЛ.

4. Усвідомленість виконання дій і знань. Для виконання самостійної експериментальної роботи із застосуванням ЦЛ учні повинні усвідомити її мету, розуміти взаємозв'язок між діями та навчальними завданнями, розрізняти їх суттєві та несуттєві аспекти, вміти пояснювати зміст експерименту, отримані результати, критично оцінювати їх.

Найбільш поширений варіант організації індивідуальної чи групової пізнавальної діяльності школярів з використанням ЦЛ - практична робота, що виконується за інструкцією. Разом з тим, чітко виконуючи кожен пункт докладної інструкції, учень може втратити логіку вирішення навчального завдання, переключити увагу з явища, що вивчається, на взаємодію з вимірювальними приладами. Цифрові технології можуть привернути його увагу більшою мірою, ніж досліджуваний хімічний феномен. Він зареєструє всі необхідні результати, правильно їх опрацює, оформить звіт. Але, виконавши завдання лише формально, учень розраховуватиме на високу оцінку своєї праці.

Отже, вчитель, складаючи інструкцію для школяра, повинен постійно пам'ятати про дидактичну мету практичної роботи. Інструкція повинна спонукати учня до осмислення та переосмислення, повинна ставити питання, що вимагають від нього критичного та системного аналізу, встановлення логічних зв'язків, формулювання висновків. В іншому випадку навчання буде спрямоване на формування фахівця, який чітко і неухильно виконує інструкції.

З іншого боку, необхідно враховувати, що школярі на певному етапі навчання не знають принципів роботи датчиків, не розуміють, які перетворення відбуваються в комп'ютері - реєстраторі експериментальних даних, який фізичний і хімічний зміст понять, що використовуються (наприклад, водневий показник pH). Виникає суперечність у тому чи дотримується принцип усвідом- леності, якщо учень вимірює pH розчину, не знаючи положень теорії електролітичної дисоціації, будови датчика, принципів його роботи, не володіючи необхідним математичним апаратом, зокрема, не вміючи логарифмувати та потенціювати.

На наш погляд, суттєве спрощення теоретичних уявлень про будову та принципи роботи датчиків знижує очікуваний педагогічний ефект застосування ЦЛ, не спонукає школяра до осо- бистісного розвитку. Вирішення цієї проблеми вбачаємо в поетапному формуванні знань про сутність роботи приладів, коли учень під керівництвом вчителя поступово виходить на рівень наукового розуміння та осмислення сутнісних характеристик датчикових систем.

5. Короткочасність експерименту. Одна з найважливіших вимог до будь-якого навчального хімічного експерименту - невелика тривалість. Він, на відміну від наукового експерименту, повинен тривати кілька хвилин, оскільки обмежений межами уроку і відіграє другорядну роль у змісті уроку. При використанні ЦЛ необхідно також враховувати час на монтаж експериментальної установки, підготовку комп'ютера та датчиків до реєстрації даних, у ряді випадків перед дослідом потрібне додаткове калібрування вимірювального обладнання.

Водночас економити час на обробці та інтерпретації даних неприпустимо. Прагнення вчителя виграти навчальний час для вирішення інших завдань на уроці за рахунок згортання етапу обробки отриманих результатів, його автоматизації, перенесення основного навантаження на обчислювальну машину істотно знижує ефективність застосування ЦЛ. Комп'ютер повинен вирішувати лише одноманітні рутинні завдання. Осмислення і переосмислення мети роботи, хімічної сутності явища, що спостерігається відбувається в той момент, коли учень самостійно працює з даними, отриманими в ході дослідження, обмірковує їх, інтерпретує.

На цьому етапі доцільно запропонувати школярам заповнення таблиць, складання схем, побудову графіків вручну, наприклад, на відповідному полі заздалегідь приготовленої інструктивної картки. Такий вид навчальної діяльності особливо важливий у початковий період формування умінь роботи із ЦЛ. Наприклад, вивчаючи будову полум'я з допомогою термопари, на одному з перших практичних занять учні мали обмежитися простим спогляданням побудованого на екрані комп'ютера графіка залежності температури від часу. Необхідно замалювати схему будови полум'я та зробити до неї відповідні підписи із зазначенням виміряних величин температури. Поступово, з набуттям дослідницького досвіду, школярі самі почнуть пропонувати і використовувати можливості комп'ютерної обробки експериментальних даних.

6. Варіативність застосування ЦЛ. З одного боку, застосування невеликої кількості датчиків (найчастіше застосовуються датчики температури і рН-метр) на вирішення одноманітних дослідницьких завдань поступово знижує інтерес школярів до експериментальної роботи, які передбачають використання ЦЛ, згасає «ефект новизни». Тому вчителю необхідно планувати навчальні експерименти, різноманітні за змістом та формами застосування ЦЛ, розширювати спектр використання датчиків, реалізовувати міжпред- метні зв'язки, апробувати різні варіанти включення ЦЛ до організації пізнавальної діяльності школярів під час уроків хімії.

З іншого боку, застосування ЦЛ з урахуванням реалізації умови варіативності створює сприятливі умови у розвиток творчих умінь учнів. Так, після того, як вчитель переконається, що школярі оволоділи прийомами роботи з ЦЛ, набули необхідного дослідницького досвіду, перед ними можна ставити варіативні експериментальні завдання, що містять невизначеність і потребують усвідомленого вибору. Наприклад, школярам можна запропонувати кількісно визначити тепловий ефект розчинення деякої речовини (CuSO₄, СиЗО.гбНзО). Роботу організувати у групах. Як засіб вимірювання температури запропонувати на вибір лабораторний термометр і відповідний датчик з комплекту ЦЛ.

Зі сказаного вище випливають такі вимоги, що висуваються до організації дослідження з ЦЛ.

1. Засоби мають розташовуватися на столі в певному порядку, доступно, щоб учень міг швидко розпочати роботу.

2. «Глобальних» досліджень, які займають багато часу, слід уникати. Навчальне завдання має бути конкретним, доступним і зрозумілим учням. На його виконання відводиться певний етап уроку.

3. Інструкції вчителя, як словесні, і написані на картках, повинні відповідати поставленій меті. При їх складанні слід звернути увагу на запобігання поширеним помилкам, які часто допускають школярі при виконанні того чи іншого досліду.

4. Підготовка та калібрування датчиків має проводитися завчасно.

Встановлено, що організація самостійної пізнавальної діяльності учнів із застосуванням ЦЛ можлива, якщо учні зрозуміють особливості використовувати ЦЛ для дослідження речовин та явищ. Педагогічний ефект досягається, коли навчальне дослідження проводиться у малих групах та завершується рефлексією.

Висновки та перспективи подальших розвідок напряму

Визначення основних організаційно-методичних умов використання цифрових лабораторій здійснено у системі (ієрархії) принципів, основних вимог до діяльності, поведінки тощо.

Виявлено причини, що обмежують застосування цифрових лабораторій на уроках хімії та основні проблеми їх застосування.

Сформульовано організаційно-методичні умови використання цифрових лабораторій: домінування дидактичної мети, доцільність застосування ЦЛ, проблемність навчання, усвідомленість виконання дій і знань, короткочасність експерименту, варіативність застосування цифрових лабораторій. Визначено вимоги, що висуваються до організації дослідження з допомогою цифрових лабораторій. Розроблено методику ефективного застосування ЦЛ на уроках хімії, що включає зміст нових кількісних дослідів для створення проблемних ситуацій з використанням ЦЛ, методичні рекомендації для вчителів та інструктивні карти для учнів до лабораторних дослідів.

Перспективи подальших досліджень вбачаємо у розкритті сутності цифрових технологій у навчання учнів хімії.

Список джерел

1. Близнюк Т. Цифрові інструменти для онлайн і офлайн навчання: навч.-метод. посіб. Івано- Франківськ: Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, 2021. 64 с.

2. Гапонова В. М. Інноваційні технології модернізації освітнього середовища сучасного закладу вищої освіти. Формування сучасного освітнього середовища: теорія і практика: матеріали Міжвуз. наук.-практ. конф. Ірпінь, 2020. С. 79-81.

3. Грановська Т. Я., Сидоренко О. В., Лукшин

І. В. Проведення хімічного експерименту з елементами STEM-освіти при підготовці учителів хімії. Інноваційна педагогіка. 2022. Вип. 43, т. 1. С. 43-51.

4. Коваль Т. В. Використання віртуальних лабораторій при вивченні курсу біохімії. Modern research in world science: the 1 st International scientific and practical conference (April 17-19, 2022). Lviv, Ukraine, 2022. Рр. 645-648.

5. Коростіль Л. А. Цифрові вимірювальні комплекси в роботі вчителя хімії. Особистісно- професійна компетентність педагога: теорія і практика: зб. наук. ст. / за заг. ред. Л. В. Сє- рих. Суми: НІКО, 2022. С. 50-55.

6. Нетрибійчук О. Використання інформаційно - комунікаційних технологій у навчанні хімії. Біологія і хімія в рідній школі. 2018. № 3. С. 3038.

REFERENCES