Предназначение
Цифровая лаборатория предназначена для получения основных функциональных зависимостей, изучаемых в курсе математики, посредством измерения характеристик физических процессов.
Области знаний и применение
Введенные в состав лаборатории исследования обеспечены помимо датчиков минимальным набором оснастки для реализации экспериментов.
Разные работы могут быть привязаны как к курсу математики разных классов при изучении графиков соответствующих функций (линейная, гиперболическая, параболическая, синусоидальная, показательная), так и к курсу физики при изучении разделов, связанных с механикой, тепловыми и электрическими явлениями, ядерной физикой.
Чему научится ребенок
Цифровая лаборатория предоставляет возможности для проведения исследовательских и проектных работ школьников.
Цифровая лаборатория позволит продемонстрировать то, что изучаемые в курсе школьной математики функции не являются абсолютно абстрактными, а возникают (и возникали в истории математики и физики) для описания реальных процессов. Не случайно фундаментальный труд гениального физика И. Ньютона, одного из отцов дифференциального и интегрального исчисления в математике назывался «Математические начала натуральной философии». Как только физика и астрономия стали количественными науками, использующими аналитическую (формульную) форму представления информации, физика превратилась из философской науки в науку математическую. В настоящее время благодаря этому невозможно считать, что познание природных явлений может быть проведено только на основании экспериментальной физики. Успехи физики, оперирующей математическими формулами для предсказания хода явлений и достигшей в этом больших успехов, постепенно «вдохновили» на использование математики в естественнонаучных, а затем и в гуманитарных науках.
Учащиеся, работая с данной цифровой лабораторией, будут интегрировать знания, получаемые на уроках математики при анализе графиков функций, на уроках физики по изучению закономерностей реальных явлений и по выбору математических моделей для их описания, на уроках информатики по использованию редакторов таблиц.
Способ работы
Цифровая лаборатория имеет возможность применения для изучения математики в условиях типового кабинета математики основной и полной средней школы.
Позволяет обучать основным этапам проведения экспериментального исследования, а также позволяет проводить с учениками совместные исследования.
Измерение физических величин осуществляется с помощью цифровых датчиков, которые подключаются к USB-порту компьютера.
Состав:
— Цифровой датчик абсолютного давления (диапазон измерений от 0 до 200 КПа)
— Цифровой датчик расстояния ультразвуковой (диапазон измерений от 0,2 до 4 метров)
— Цифровой датчик освещенности (диапазон измерений от 0 до 1000 лк, от 0 до 20000 лк, от 0 до 188000 лк)
— Цифровой осциллографический датчик напряжения (диапазон измерений от -100 до +100 Вольт, 2 канала)
— Цифровой датчик оптоэлектрический
— Цифровой датчик тока (диапазон измерений от -250 мА до +250 мА)
— Цифровой датчик звука двухканальный
— Цифровой датчик силы (диапазон измерений от -20 до +20 Н)
— Цифровой датчик температуры (диапазон измерений от -20 до +110 градусов Цельсия)
— Цифровой датчик ионизирующего излучения (диапазон измерений от 0 до 1000 мкР/ч)
— Набор лабораторной оснастки
— Стержень для закрепления датчика в штативе (2 штуки)
— Кабель соединительный USB (2 штуки)
— Методическое обеспечение
— Программное обеспечение для проведения экспериментов
— Система хранения
Все оборудование цифровой лаборатории укомплектовано в пластиковую систему хранения, которая закрывается прозрачной пластиковой крышкой на защелках для обеспечения наблюдения за содержимым. Комплект оборудования и датчики в системе хранения располагаются на ложементах в индивидуальных ячейках.
Возможности и преимущества цифровых датчиков
Все датчики, входящие в цифровую лабораторию, имеют разъемы USB.
Корпуса датчиков изготовлены из ударопрочного пластика.
Цифровой датчик работает как с устройствами под управлением ОС семейства Windows, Linux, так и на устройствах под управлением ОС семейства Android.
Методическое обеспечение
Цифровая лаборатория содержит методическое руководство на русском языке, которое содержит описание:
— Интерфейса программного обеспечения и порядка ее установки
— Инструментария по обработке данных (изменения масштабов демонстрации сигнала с датчика, перенесения данных в таблицы и дальнейшей работы с ними, составление электронного отчета)
— Использования редакторов таблиц для графической обработки полученных результатов
— Методики проведения 15 лабораторных работ с пошаговыми инструкциями проведения
Программное обеспечение для проведения экспериментов
Программное обеспечение позволяет получать сигнал с датчиков при использовании оборудования, описанного в методическом руководстве к цифровой лаборатории.
Программное обеспечение постоянно обновляется и находится в свободном доступе.
Примеры работ, проводимых с помощью профильной цифровой лаборатории по математике
1) Прямо пропорциональная зависимость:
— Зависимость силы тока через резистор от напряжения на нем
2) Обратно пропорциональная зависимость (гипербола):
— Зависимость силы тока от сопротивления цепи
— Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре
3) Параболическая зависимость. Многочлен второй степени:
— Зависимость пройденного телом пути от времени при свободном падении
4) Корневая зависимость:
— Зависимость периода колебаний нитяного маятника от длины подвеса
5) Сложная гиперболическая зависимость (y=A/x2):
— Зависимость освещенности от расстояния до точечного источника света
6) Синусоидальная зависимость:
— Зависимость координаты груза от времени при его гармонических колебаниях на пружине
7) Прямо пропорциональная зависимость:
— Зависимость расстояния, пройденного звуком от времени
8) Линейная зависимость:
— Зависимость силы упругости от длины пружины
9) Прямо пропорциональная зависимость:
— Зависимость расстояния, пройденного звуком от времени
10) Линейная зависимость:
— Зависимость силы упругости от длины пружины
11) Линейная зависимость с отрицательным угловым коэффициентом:
— Зависимость силы давления рычага на опору от расстояния между опорой и грузом на рычаге
12) Синусоидальная зависимость:
— Зависимость силы натяжения пружины от времени при колебании на ней груза
— Зависимость давления воздуха вблизи микрофона от времени при прохождении звуковой волны
Деление цифровой лаборатории по математике на базовый и профильный уровень достаточно условно и связано, в основном, с составом датчиков, поставляемых в рамках лабораторий одного и другого уровня. Цифровая лаборатория профильного уровня включает в себя все датчики Цифровой лаборатории базового уровня.