Розвиток навчально-пізнавальної компетентності учнів у процесі виконання практико-орієнтованих завдань з фізики в цифровій лабораторії Vernier

The article is devoted to the educational and cognitive competence of students of general secondary education institutions in Ukraine, in the process of performing practice-oriented tasks in physics. The methodical work of the authors is presented regarding the organization and implementation of a cycle of research activities and the development of students' general education skills in the process of setting experimental tasks in physics: research on the process offreezing water; study of the ice thawing process.

Key words: educational and cognitive competence of students, educational physical experiment, practical-oriented tasks in physics, Vernier Digital Laboratory.

З-поміж актуальних проблем організації практико орієнтованої експериментаторської діяльності учнів в навчанні фізики провідне місце посідає розвиток навчально-пізнавальної компетентності тих, хто навчається через залучення учнів до навчально-пізнавальної діяльності, зокрема дослідницької, та керування нею; розвиток в учнів мотивів навчально-пізнавальної діяльності; розвиток в учнів загальнонавчальних умінь; розвиток в учнів загальнонавчальних умінь тощо. Разом з тим, на сучасному етапі розвитку природничої освіти є нагальна потреба врахування умов цифрової трансформації освіти, прищеплення навичок самостійної роботи учнів та їхнє прагнення здобувати нові знання. Розвиток особистості учня, його мислення та інтелектуальних здібностей розглядається як передумова для творчої практико орієнтованої експериментаторської діяльності, що дозволяє забезпечити міцні й усвідомлені знання; підготувати учнів до активної участі у пізнавальній діяльності; сформувати вміння самостійно поповнювати знання; втілювати в життя науково-технічні рішення тощо.

Проблема розвитку навчально-пізнавальної компетентності учнів у процесі виконання практико- орієнтованих завдань на засадах цифровізації навчального фізичного експерименту перебуває на етапі свого розв'язання. Різні її аспекти висвітлювалися в працях українських та зарубіжних учених, зокрема: теоретико-методичні засади розвитку навчально-пізнавальних компетенцій учнів основної школи в навчанні фізики (І.В. Бургун, О.І. Ляшенко, В.Д. Шарко та ін.); організації пізнавальної діяльності учнів на засадах методів наукового пізнання (М.Т. Мартинюк, В.Г. Разумовський, Н.В. Подопригора, Б.А. Сусь та ін.); залучення учнів до навчально-пізнавальної діяльності в умовах цифровізації освіти (П.С. Атаманчук, П.С. Атаманчук, І.Т Богданов, С.П. Величко, В.П. Вовкотруб, О.І. Іваницький, В.Д. Сиротюк, О.М. Трифонова, М.І. Шут та ін.). Аналіз наукових праць із досліджуваної проблеми дали можливість виявити суперечність в розвиткові навчально-пізнавальної компетентності учнів на практико-методичному рівні - між потребою в організації процесу розвитку навчально-пізнавальної компетентності учнів в навчанні фізики та недостатньою розробленістю методичного забезпечення цього процесу в умовах цифрового супроводу навчального фізичного експерименту в закладах освіти.

Необхідність розв'язання вищезазначеної суперечності виявляє проблему недостатньої розробленість навчально-методичного забезпечення розвитку навчально-пізнавальної компетентності учнів в процесі цифрового супроводу експериментальної діяльності учнів з фізики в цілісний розвиток цієї інтегрованої якості учнів.

Метою статті є презентація методичної розробки, що сприяє розвиткові навчально-пізнавальної компетентності учнів в умовах організації цілеспрямованої експериментаторської діяльності учнів на перетворення знання у вміння й одночасно спрямовані на розвиток творчої активної діяльності учнів засобами цифрової лабораторії Vernier LabQuest. Реалізацію такого підходу забезпечують практико-орієнтовані завдання з дослідження процесів заморожування води та розморожування льоду, які потребують формулювання теоретичних висновків та міркувань, збільшення самостійної діяльності учнів, використання сучасних інформаційних технологій. Разом з тим варто відмітити, що використані методів наукового пізнання дозволяють учневі з'ясувати сутність вивчення оточуючого світу, сприяючи та забезпечуючи розвиток їхньої пізнавальної діяльності в навчанні фізики.

Нині кабінети фізики закладів загальної середньої освіти поповнюються сучасними цифровими вимірювальними комплексами Vernier LabQuest. Цей комплекс є продуктом американського виробника, який дозволяє проводити експерименти з природничих наук (хімія, біологія, фізика), що дозволяє реалізувати лабораторні дослідження, практичні експериментальні завдання та здійснювати демонстрацію природничих явищ засобами цифрової ідентифікації експериментальних даних. Прилад володіє вбудованою пам'яттю та може працювати під різними операційними системами. Це можливість не лише збирати інформацію, а й швидко її обробляти з відтворенням на вбудований дисплей чи екран проекту [3, с. 258]. Виробники цифрової лабораторії розробили інструкції з використання кожного датчика, а також приклади завдань для навчальних проектів [4]. Однак для використання лабораторії Vernier LabQuest потрібне розроблення методичного забезпечення для його упровадження в освітній процес, ураховуючи можливості цифрової візуалізації перебігу та обробки результатів навчального фізичного експерименту.

Пропонована нами експериментальна установка збирається на базі цифрових вимірювальних приладів: аналого-цифровий перетворювач із екраном для обробки даних Vernier LabQuest, датчика температури Vernier та типового обладнання фізичного кабінету. Наведемо приклад використання цифрової лабораторії під час виконання учнями практико-орієнтованого завдання “Заморожування води та розморожування льоду”. Це завдання може бути частиною декілька експериментальних робіт пропонованих Навчальною програмою з фізики для 8-9 класів із окремих предметів за новим Державним стандартом базової і повної загальної середньої освіти. Фізика [1], представлених у відповідному підручнику з фізики для 8 класу [2]. Під час вивчення розділу “Теплові явища” в темі “Плавлення і кристалізація твердих тіл. Питома теплота плавлення речовини” передбачено виконання лабораторної роботи “Визначення питомої теплоти плавлення льоду” та демонстраційного експерименту “Плавлення і кристалізація твердих тіл”.

Обладнання: аналого-цифровий перетворювач із екраном для обробки даних Vernier LabQuest, датчик температури з нержавіючої сталі Vernier, пробірка ПХ - 16х150 мм, мірний циліндр на 10 мл, хлорид натрію (NaCl), у побуті відомий як сіль, лабораторний штатив із тримачем, або лапкою ( у лапці нерухомо закріплюють пробірку), лід, водопровідна вода, мірна склянка на 400 мл, фарфорова ложка (для насипання сипучої речовини), паличка скляна на 15х4 мм (застосовується в процесі проведення досліду).

Мета роботи: ознайомитись з використанням аналого-цифрового перетворювача із екраном для обробки даних Vernier LabQuest, дослідити процесі заморожування води та розморожування льоду, визначення температури замерзання та розмерзання льоду.

Короткі теоретичні відомості:

Температура замерзання - це температура, за якої речовина перетворюється з рідкого стану в твердий, а температура розмерзання - це температура, за якої речовина перетворюється із твердого стану в рідину. У цьому експерименті буде досліджено процеси заморожування води та розморожування льоду. Аналізуючи експериментальні дані, здійснюється порівняльний аналіз температур - замерзання води і розмерзання льоду.

Хід роботи

Завдання № 1. Дослідження процесу заморожування води

1. Зібрати експериментальну установку для дослідження процесів заморожування та розморожування води в лабораторії Vernier LabQuest (рис. 1)

Рис. 1. Загальний вигляд установки дослідження процесів заморожування та розморожування води в лабораторії Vernier LabQuest

2. Помістити 100 мл води і 6 кубиків льоду в хімічну склянку на 400 мл.

3. Помістити 5 мл води в пробірку і за допомогою затискача закріпіть пробірку на круглому штативі. Помістіть температурний датчик у воду всередині пробірки (рис. 2).

4. Підключити датчик температури до LabQuest і виберіть команду “Створити” з меню “Файл”.

5. На екрані лічильника натиснути Rate. Зміна швидкості збору даних до 0,2 вибірок/сек (з інтервалом у 5 секунд/зразок), а тривалість збору даних - до 900 секунд. Обрати OK. Коли все буде готово, розпочати збір даних. Опустити пробірку в стакан із водою та льодом (рис. 3).

6. Після занурення пробірки додати 5 ложок солі в склянку і перемішати скляною паличкою. Не припиняти розмішування суміші з водою і льодом. Злегка, але безперервно, переміщуйте датчик температури протягом перших 10 хвилин. Стежити, щоб датчик був усередині, а не вище кришталиків льоду під час їхнього утворення. Через 10 хвилин припинити перемішування крижаної суміші. Додавати по мірі необхідності більше кубиків льоду у склянку, якщо попередні кубики льоду ставатимуть все меншими.

7. Припинити збір даних через 15 хвилин. Тримати пробірку зануреною у водяну баню з льодом до кроку 10.

Рис. 2. Фіксація початкової температури дослідження процесу заморожування води

Рис. 3. Фіксація початку замерзання води в пробірці

8. Проаналізувати лінійну частину графіка для визначення температури замерзання води (рис. 4).

Рис. 4. Лінійної частина графіка процесу замерзання води

a. Визначити лінійну частину графіка, який фіксує процес замерзання. Натиснути і перетягнути стилус уздовж лінійної частині графіка, щоб вибрати ділянку, яка відповідає заморожуванню води (рис. 5).

Рис. 5. Графічна візуалізація процесу заморожування води

b. У меню “Аналіз” обрати позиці “Статистичні дані”.

c. Записати середнє значення температури, яке відповідатиме температурі замерзання води. Порівняйте отримане значення з показниками на екрані вимірювального приладу Vernier LabQuest (рис. 6).

Рис. 6. Фіксація температури замерзання води Vernier LabQuest

9. Збережіть отримані дані, натискаючи на значок картотеки.

10. Утилізуйте крижану воду відповідно до інструкцій.

Завдання № 2. Дослідження процесу розморожування льоду

11. Налити 250 мл водопровідної води кімнатної температури в склянку з льодом. Через 12 хвилин опустіть пробірку і її вміст (з досліду № 1) у склянку з водопровідною водою кімнатної температури (рис. 7).

Рис. 7. Фіксація температури води напочатку експерименту

12. Розпочати збирання температурних даних перетворювачем Lab Quest за допомогою датчика температури упродовж 15 хвилин. Зафіксувати температуру розморожування води наприкінці експерименту (рис. 8).

Рис. 8. Температура розморожування води наприкінці експерименту

13. Проаналізувати лінійну частину графіка зафіксовану перетворювачем Lab Quest (рис. 9) та визначити температуру плавлення води.

Рис. 9. Візуалізація процесу розморожування льоду в пробірці

a. Стилусом зафіксуйте лінійну частину графіка, який зображує процес плавлення.

b. У меню “Аналіз” обрати “Статистичні дані”.

c. Записати середнє значення температури, яке і буде відповідати температурі плавлення води.

14. Здійснити порівняльний аналіз кривих замерзання і плавлення, використовуючи обидва набори даних, суміщаючи їх на одному графіку. Для цього на перетворювачі Lab Quest потрібно натиснути Run 2 і обрати All Runs. Обидва графіки, замерзання та плавлення льоду, будуть суміщені в одній системі координат (рис. 10).

Рис. 10. Суміщення кривих замерзання води і розморожування льоду

15. Середні значення результатів експерименту занести в таблицю:

16. Сформулювати висновки за результатами виконаних завдань 1 і 2.

Отже, коли температура повітря може бути 0°C тане сніг і лід, але замерзає водночас вода. За температури 0°C лід тане (плавиться), а вода - замерзає (твердне). Під час заморожування теплота виділяється, а під час плавлення - поглинається. З даних дослідів бачимо, що процес переходу речовини з рідкого стану в твердий називають кристалізацією, а процес переходу речовини з твердого стану в рідкий - плавлення.

З графіків видно, що процес кристалізації крива замерзання спадає (температура поступово зменшується на ї_зм 0,0°C), а процес плавлення крива зростає (температура зростає до t^°C 23,2°C).

Висновки та перспективи подальшого дослідження. Цифровий супровід навчального фізичного експерименту, зокрема із використанням цифрової лабораторії Vernier, сприяє розвиткові навчально-пізнавальної компетентності учнів, здатних здійснювати навчально-пізнавальну діяльність, спрямовану на здобуття знань, способів діяльності, потрібних для вирішення практичних проблем в умовах цифрової трансформації суспільства, що водночас розширює коло можливостей організації пізнавальної діяльності учнів та встановлення міжпредметних зв'язків природничих дисциплін з використанням сучасних цифрових технологій навчання. Використання цифрових вимірювальних приладів та обробка результатів вимірювань за допомогою програмних засобів в режимі реального часу дозволяє здійснювати заняття експериментальних даних та їхню обробку досить швидко та з великою точністю, експеримент стає захоплюючим для учнів, активізуючи їхню пізнавальну діяльність. Упровадження під час організації експериментаторської діяльності учні сучасних цифрових комплексів є нагальною потребою модернізації навчального фізичного експерименту і розроблення практико-орієнтованих завдань інтегрованого природничого змісту з використанням можливостей цифрової лабораторії Vernier є перспективою наших подальших досліджень.

Використана література

навчально-пізнавальна компетентність учень фізика

1. Міністерство освіти і науки України. Навчальні програми для 8-9 класів з поглибленим вивченням окремих предметів за новим Державним стандартом базової і повної загальної середньої освіти. Фізика. URL : https://mon.gov.ua/storage/app/ media/zagalna%20serednya/programy-5-9-klas/fizika1.pdf

2. Сиротюк В. Д. Фізика: підруч. для 8-го кл. закл. заг. серед. освіти / 2-ге вид., переробл. Київ : Генеза, 2021. 192 с.

3. Чередник Д. С. Методика проведення експерименту з використанням цифрової лабораторії при навчанні інтегрованого курсу “Природничих наук”. Наукові записки. Центральноукраїнського державного педагогічного університету імені В. Винниченка. Серія : “Педагогічні науки”, 2021. (198). C. 257-262.

References