Создание педагогических кванториумов с новейшим учебным оборудованием дало толчок для разработки методики использования цифровых лабораторий и подготовки будущих учителей к работе с ними в условиях школы. Новое образовательное пространство для студентов открывает возможности в исследовательской и проектной деятельности, активную включенность в учебный процесс, способствует развитию научных интересов и росту профессиональных компетенций. Современный учитель должен быть функционально грамотен и обладать цифровыми навыками.
В исследованиях С.В. Вдовиной, О.С. Григорьевой подтверждено повышение успеваемости студентов, с которыми были применены цифровые датчики на занятиях по химии, доказан ряд преимуществ цифровой лаборатории, повышающих качество химического образования в вузе [1]. К.Н. Хайрутдинов [2] акцентирует внимание на демонстрационной роли цифровых датчиков при выполнении исследовательских и проектных работ студентами.
В трудах О.Н. Филатовой, Т.Д. Феофановой, А.Д. Марковой [3], Т.В. Ледовской, Н.Э. Солынина [4] отмечается важная роль современного материально-технического оснащения педагогических кванториумов и технопарков для повышения уровня подготовки будущих учителей, формирования цифровых компетенций и развития универсальных педагогических компетенций.
И.Р. Новик, А.Ю. Жадаев, Е.Н. Галкина, А.А. Ганькина [5] педагогическим экспериментом подтвердили, что использование цифровых лабораторий по химии способствует поддержанию познавательной активности студентов на высоком уровне, развивает профессиональную мотивацию у будущих учителей.
П.И. Беспалов, М.В. Дорофеев, Д.М. Жилин [6-8], А.К. Зимина [9] и др. описывают организацию химического школьного эксперимента с использованием цифровых датчиков, исследовательских практикумом, внеурочной деятельности, тем временем методика применения цифровых образовательных ресурсов по химии в учебном процессе вуза недостаточно разработана и представлена.
Цель исследования состоит в описании и обобщении опыта использования цифровой лаборатории по химии при изучении дисциплины «Общая химия» в педагогическом университете.
Материалы и методы исследования
Материалы и методы исследования: анализ опыта использования цифровых датчиков по химии в педагогических вузах, педагогическое наблюдение и обобщение собственного педагогического опыта использования цифровых датчиков по химии в рамках учебного процесса, опрос и анкетирование студентов.
Студенты направления подготовки 44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки) (профили «Биология и химия») 1 и 3 курсов в количестве 24 человек приняли участие в исследовании, которое было проведено в 2022-2023 учебном году на базе Педагогического кванториума имени А.П. Рымкевича ФГБОУ ВО «Шадринский государственный педагогический университет».
Практическая значимость исследования состоит в том, что представленный опыт внедрения цифровых датчиков по химии в учебный процесс может быть использован педагогическими вузами.
На первом этапе исследования был проведен анализ работы педагогических кванториумов и технопарков на предмет внедрения в учебный процесс цифровых лабораторий, открытие которых было осуществлено в 2021-2022 гг. Были подготовлены вопросы анкеты и опроса студентов, разработано учебно-методической пособие к курсу «Общая химия» для проведения лабораторных работ, где в каждую тему были включены опыты с применением цифровых датчиков по химии.
Второй этап исследования предполагал внедрение в учебный процесс дисциплин «Общая химия» и «Практикум по химии» цифровых датчиков, анкетирование студентов, анализ полученных данных.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ деятельности педагогических кванториумов и технопарков, действующих в педагогических вузах, на предмет внедрения цифровых лабораторий в учебный процесс и научно-просветительскую деятельность, позволил сделать вывод о том, что цифровые лаборатории по химии используют для обучения студентов, школьников, практикующих учителей химии и педагогов дополнительного образования.
В ходе исследования авторами было проведено анкетирование «Опыт работы с цифровой лабораторией по химии» среди студентов 1 и 3 курсов, обучающихся по профилям «Биология» и «География», «Биология» и «Химия». Всего в опросе приняло участие 24 студента. Опрос включал в себя 16 вопросов.
Анализ анкеты показал, что все опрошенные студенты знают, что такое цифровая лаборатория, а 91,7% опрошенных получили навык работы с ней только в университете.
70,8% респондентов знают, что цифровой датчик – это датчик, измеряющий физическую величину и преобразующий ее в цифровой сигнал, который представляет собой последовательность битов. Остальная часть студентов считает, что цифровой датчик – датчик, который в электронной программе показывает данные.
Все опрошенные студенты не имели опыта работы с цифровыми датчиками, когда они обучались в школе.
На вопрос «Знаете ли вы возможности цифровых датчиков?» респонденты ответили следующим образом: 54,2% студентов знают возможности, но не у всех датчиков; 29,2% могут привести методику использования цифровых датчиков и 16,7% затрудняются в характеристике датчиков и приемах их использования.
В своей практике студенты работали со следующими цифровыми датчиками: температуры, pH, электропотенциала, концентрации ионов, ОВП, электропроводности, оптической плотности (колориметр), кислорода, мутности раствора, углекислого газа. Наиболее используемым датчиком (83,3%) является датчик pH.
Большинство студентов знают следующие марки цифровых лабораторий: «Releon», «Робиклаб», «Polylab», «Relab», «Vernier», «Z.Lab». Наиболее известной маркой среди студентов является «Releon». 29,2% студентов не знают марок цифровых лабораторий по химии.
На вопрос «На каких дисциплинах или мероприятиях вы имели опыт работы с цифровой лабораторией по химии в вузе?» ответы распределились следующим образом: 41,7% респондентов получили опыт работы с цифровой лабораторией по химии на мастер-классах, 16,7% на семинарах, 12,5% на дисциплине «Неорганическая химия», 8,3% на дисциплинах «Органическая химия» и «Общая химия», 4,2% в курсах аналитической химии и биохимии, и 4,2% респондентов не имеют опыта работы с цифровой лабораторией по химии.
Опрос показал, что в своей практической деятельности половина опрошенных студентов проводили мастер-классы и практикумы с использованием цифровой лаборатории для школьников, студентов и учителей школ.
На вопрос «Всегда ли вам понятны цели проведения лабораторных работ с использованием датчиков цифровой лаборатории по химии?» студенты ответили следующим образом: 66,7% всегда понятны, 29,2% имеют затруднения в понимании цели.
Проходя практику в школе, 13,3% студентов использовали цифровую лабораторию в школе в рамках педагогической практики, 86,7% не использовали цифровую лабораторию в своей педагогической деятельности в связи с ее отсутствием в образовательном учреждении.
На вопрос: «Будете ли вы применять цифровые лаборатории в своей будущей педагогической деятельности?» ответы распределились следующим образом: 83,3% опрошенных студентов будут применять цифровые лаборатории в педагогической деятельности, 12,5% затрудняются в ответе, потому что испытывают боязнь поломки дорогостоящего оборудования, а 4,2% не будут использовать цифровые лаборатории в образовательном процессе.
В ходе опроса студенты предложили следующие названия лабораторных работ с использованием цифровой лаборатории по химии: «Измерение pH воды разных водоемов», «Растворение как физико-химический процесс», «Изучение растворов на окислительно-восстановительный потенциал», «Исследование реакций с использованием цифрового датчика температуры», «Исследование мутности раствора воды р. Исеть», «Уровень кислорода в аудиториях с растениями и без них», «Изучение свойств воды городского водопровода», «Определение кислотности почвы с помощью датчика pH», «Исследование рН в популярных напитках у молодежи (газированная вода, энергетический напиток и т.д.)», «Измерение уровня кислорода до и после уроков в кабинете химии».
Анализ анкеты показал, что 83,3% респондентов считают, что в их жизни применимы знания, получаемые во время лабораторных работ с использованием датчиков цифровой лаборатории по химии, 4,2% считают, что эти знания не найдут отражение в их жизни, а у 12,5% респондентов не проводилось лабораторных работ с датчиками цифровой лаборатории.
На вопрос «С каким из утверждений касаемо цифровой лаборатории по химии вы согласны?» студенты ответили следующим образом: 8,3% студентов отмечают необходимость на данном этапе обучения использовать информацию, полученную не только с современных устройств, а также и с традиционных; большая часть респондентов (87,5%) указали на значимость цифровых лабораторий в проектной деятельности; и только 4,2% студентов высказали позицию, что при применении цифровых лабораторий цель занятия не должна сводиться только к работе с цифровыми датчиками.
В рамках следующего этапа исследования было разработано учебно-методическое пособие «Практические работы по общей химии», включающее восемь занятий по общей химии. Каждая практическая работа содержит один или несколько опытов с использованием цифровой лаборатории. Приведем пример: в теме «Основные химические понятия» представлен опыт «Выделение и поглощение тепла – признак химической реакции» с применением датчика температуры. Полученный количественный показатель будет экспериментально демонстрировать выделение или поглощение тепла при химических реакциях. В опыте «Оптические свойства коллоидных растворов» при изучении темы «Растворы и растворимость» используется датчик оптической мутности для исследования светорассеивания коллоидных растворов.
Для пояснения механизма электролитической диссоциации включен опыт «Влияние растворителя на диссоциацию». Он формирует представление о роли растворителя в электролитической диссоциации. Данный опыт предполагает изучение влияния воды на электропроводность раствора хлорида металла в малополярном растворителе. Для проведения этого опыта понадобится датчик электропроводности. В химический стакан насыпают 0,5 г безводного хлорида кобальта или хлорида меди и наливают 25 мл спирта или ацетона и измеряют датчиком электропроводность раствора, обращая внимание на цвет раствора. Затем приливают к раствору 25 мл воды, перемешивают, обращая внимание на изменение окраски, измеряют электропроводность. Делают вывод о принципиальном влиянии природы растворителя на электролитическую диссоциацию [10].
После обсуждения кристаллических решеток и свойств соединений с соответствующими решетками проводят опыт «Распознавание веществ с разной кристаллической решеткой» для формирования у обучающихся ассоциации между свойствами веществ и их кристаллической решеткой. Для данного опыта используются датчики электропроводности и температуры. Сначала визуально оценивают агрегатное состояние вещества, блеск и собственную электропроводность при помощи пробника на электропроводность. Если эти испытания показывают, что решетка металлическая или молекулярная, дальнейшие исследования прекращают. Иначе один шпатель вещества насыпают в стакан и растворяют в дистиллированной воде. При помощи датчика измеряют электропроводность полученного раствора. Если результат указывает на ионную или молекулярную решетку, испытания прекращают. Иначе вещество насыпают в пробирку на 1 см, погружают в него кончик термопары и слегка нагревают до плавления или пока не нагреется до 600 градусов. Если вещество плавится при температуре ниже 200 градусов, то решетка молекулярная, если вещество плавится выше 200 градусов, его перетирают в ступке. Если кристаллы перетираются, то решетка ионная, если нет – атомная [10].
Сравнить характер среды растворов окислителей и восстановителей до и после протекания окислительно-восстановительной реакции (тема «ОВР») можно, применив датчик рН. При обсуждении полных ионных уравнений реакций при изучении темы «Формы записи уравнений реакций ионного обмена» проводят опыт «Кондуктометрическое титрование». Данный опыт демонстрирует процессы, происходящие с ионами при ионообменных реакциях. Эксперимент направлен на формирование представлений о полных ионных уравнениях реакции и о том, что происходит с ионами при реакции ионного обмена.
Экспериментальная часть опытов с использованием цифровых датчиков более подробно описана, так как необходимы рекомендации для работы с программным обеспечением и алгоритм манипуляций с датчиками, а также акцентируется внимание на правилах работы с соблюдением техники безопасности. Учитывая педагогическую направленность вуза, каждый опыт обсуждается с позиции методики проведения его в школе при изучении определенной темы, либо как возможность экспериментального исследования во внеурочной деятельности.
Расширение материально-технической базы за счет появления педагогического кванториума повлияло и на тематику проектных работ студентов. Важно, чтобы будущие учителя могли грамотно составлять инструкции к лабораторным работам, поэтому студенты самостоятельно разрабатывают мероприятия с использованием цифровых лабораторий и мастер-классы для школьников, где реализуют данные занятия в рамках дисциплины «Практикум по химии» и проектно-технологической практики.
На завершающем этапе исследования студентам-первокурсникам, изучающим дисциплину «Общая химия», были предложены подготовка и проведение лабораторной работы по определению общей жесткости воды. Студенты экспериментальной группы выполняли работу, используя цифровой датчик электропроводности, студенты контрольной группы оценку общей жесткости воды проводили комплексонометрическим методом. После изучения темы была проведена проверочная работа, анализ результатов которой показал, что 70% студентов экспериментальной группы имеют положительные оценки, среди контрольной группы положительный результат имели только 40% студентов.
После проведения серии опытов с использованием цифровой лаборатории по химии у третьекурсников состоялся итоговый опрос. Его результаты были следующими: 100% опрошенных студентов понравилось работать с цифровыми датчиками. Называют такие положительные возможности, как интеграция с информационными технологиями, высокая точность количественных параметров, наглядное представление результатов в виде графиков, диаграмм, сокращение времени эксперимента.
Заключение
Описанный и обобщенный опыт использования цифровых лабораторий в педагогическом вузе при изучении вопросов общей химии может быть использован для формирования предметных компетенций студентов первых курсов. Разнообразные приемы работы с цифровыми датчиками развивают профессиональную мотивацию за счет практико-ориентированных опытов, проведение которых целесообразно на старших курсах. Цифровые лаборатории по химии имеют ряд преимуществ, в первую очередь это добавление в химический практикум количественных опытов.