Согласно ФГОС ООО [1] и СОО [2] в перечень того, чем должен овладеть выпускник основной и старшей школы при обучении физике, входят следующие компоненты: самостоятельно задумывать, планировать, выполнять учебное исследование, обсуждать экспериментальные научные факты, сопоставлять и совмещать их с известными фактами, развивать коммуникативные умения. Кроме того, ученик должен научиться приемам поиска и формулировки выдвинутых гипотез и теоретических фактов, находить адекватную предложенной задаче физическую модель, оценивать границы погрешности измеренной величины, применять для расчетов математический аппарат. В выпускных классах школьник должен уметь применить все эти умения для выполнения проектной или исследовательской работы [3-5].
Последовательное сравнение двух методических моделей формирования проектно-исследовательских умений учащихся, реализуемых на уроках физики в двух вологодских школах – МОУ «СОШ № 5» и МОУ «СОШ № 13» [6-8], показало их схожесть. В указанных моделях методической работы описаны системы методических приемов, направленные на работу с информацией; сформулированы принципы организации пропедевтической работы в 5-6 классах; показана важность граф-схем для формирования навыка системного мышления в 7-8 классе и потребность в организации серьезной исследовательской работы со старшеклассниками. Доля самостоятельности учащихся при выполнении учебных заданий должна расти. Для этого используется ряд педагогических приемов. Один из них – «физический пазл», который организуется на уроках решения задач при подготовке к контрольной работе. Также уделено внимание особенностям применения известных киноэпизодов на разных этапах урока с последующим анализом ответов учащихся на узнаваемость киноэпизодов и понимание физической сути проиллюстрированных примеров. Немаловажным аспектом представленных моделей является использование разработанных задач с историческим краеведческим содержанием благодаря тому, что наш город является одним из старейших, богат историческим событиями и памятниками культуры [9].
В старшей школе в настоящее время обучение физике организовано на базовом и профильном уровнях. Исследовательская деятельность учащихся, наряду с работой на уроке, дополнительно организуется в виде самостоятельных исследований [10]. Особенно важным представляется то, что старшеклассники, изучающие физику на профильном уровне, должны владеть физическим экспериментальным методом исследования [11].
Для постановки физического эксперимента требуется соответствующая материально-техническая база кабинета физики. Одной из проблем современного российского образования является недостаточное централизованное финансирование школ. Это сказывается на состоянии и количестве оборудования и, как следствие, на качестве преподавания таких профильных предметов, как информатика и физика. Кроме того, налицо отставание школьных предметов от быстро развивающейся области информационных технологий.
Цель исследования. При реализации дополнительных программ и в рамках профильных классов (физико-математический и инженерно-технический) возможным выходом видится использование в образовательном процессе такого элемента, который обладает одновременно низкой стоимостью, простой реализацией, вызывает у учащихся интерес, при этом его применение соответствует ФГОС СОО и может дополнять образовательный процесс в любых направлениях. Сегодня одним из таких элементов выступает платформа Arduino и её аналоги, которые используются на курсах робототехники [12] и в образовательном процессе [13]. Плата Arduino подключается к компьютеру или ноутбуку, но также может быть соединена с мобильным телефоном посредством технологии OTG через USB-кабель передачи данных. Подобная технология доступна в новых моделях телефонов и в скором времени будет распространена, что дает возможность создания мобильной лаборатории.
Материал и методы исследования. В нашем городе курсы с использованием платформы Arduino реализуются в основном центрами дополнительного образования. Общеобразовательные учреждения не закупают подобное оборудование. Такое положение вызвано рядом причин, основной из которых является отсутствие методики применения платформы и сопутствующих датчиков на уроках физики.
Полное освоение платформы Arduino требует от учащихся постановки конкретной цели и задач на уроке физики, написание программы в бесплатной среде Arduino IDE – одним из актуальных языков программирования на основе C/C++. Освоение программирования в среде Arduino IDE и последующее совместное применение программы и датчиков для измерения физических величин в лабораторном практикуме позволяет формировать у школьников умения, необходимые для инженерных профессий. Полученные с помощью датчиков данные можно анализировать традиционным для физического практикума способом, формируя навык проведения физического эксперимента. Сигнал от датчиков можно направлять в другие схемы и конструкции, что позволяет говорить о возможности развития проектов школьников в области технического конструирования и автоматики.
Программирование платы для работы датчиков возможно организовать на уроках информатики; снятие данных – на уроках физики. Однако более целесообразно проведение интегрированного урока, как рекомендуется ФГОС.
В качестве вводной лабораторной работы для 10 класса предлагается исследовать вращательные характеристики спиннера. Описание плана занятия представлено в следующей таблице. В зависимости от уровня подготовки обучающихся количество шагов может быть выборочным.
Практическая работа «Определение вращательных характеристик спиннера»
|
Цели работы |
1) научиться измерять частоту вращательного движения спиннера с помощью тахометра, собранного на платформе Arduino; 2) рассчитать угловую скорость и угловое ускорение спиннера; 3) установить зависимость кинетической энергии вращающегося тела от времени W(t) |
|
|
Оборудование |
Arduino UNO, ноутбук, соединительные провода, датчик Холла, неодимовый магнит, спиннер |
|
|
ПО |
Установленная программа Arduino IDE для загрузки кода программы |
|
|
Программа |
Код программы пишется на уроке информатики до проведения лабораторной работы или используется сразу, если он уже интегрирован в платформу учителем |
|
|
Ход работы |
1. Изучите характеристики вращательного движения. 2. Выберите объект для изучения (спиннер). 3. Определите измеряемые физические величины. 4. Определите способ считывания оборотов вращающегося тела. 5. Перенесите таблицу в тетрадь. 6. Соберите экспериментальную установку по схеме, соблюдая технику безопасности. 7. Загрузите программу через порт USB в Ардуино. 8. Проделайте необходимое число измерений, вкладывая максимально одинаковую силу во вращение спиннера. 9. Рассчитайте угловую скорость. 10. Рассчитайте угловое ускорение для промежутка времени 10 секунд. 11. Для среднестатистического спиннера момент инерции |
|
|
Таблица измерений |
Содержит такие графы, как время (с), частота вращения (об/мин), частота (Гц), угловая скорость (рад/с), угловое ускорение (рад/ с2) |
|
|
Снятие данных |
При среденестатистическом вращении спиннера измерение частоты необходимо выполнять ежесекундно, но не более 30 с. Для быстрой фиксации используется монитор порта в программе Arduino IDE |
|
|
Расчет погрешности |
Экспериментальным путем определена точность данного метода – 96%. Рассчитайте погрешности для полученных резуьтатов |
|
|
Схема подключения и эксперимента |
На рисунке цифрами отмечены подключаемые цифровые пины, согласно программной части.
|
|
|
Построение экспериментальной зависимости |
Выполните расчет кинетической энергии вращения и постройте график зависимости W(t). Проанализируйте полученную зависимость.
|
|
|
Контрольные вопросы |
Возможные вопросы: - поставьте в соответствие линейным характеристикам движения вращательные и оформите в виде таблицы; - покажите взаимосвязь линейной и угловой скоростей; - установите связь нормального и тангенциального ускорений с угловой скоростью и угловым ускорением; - опишите физический принцип работы датчика Холла для данной работы; - опишите способ определения частоты вращения с помощью датчика линии, отметив возможные преимущества и недостатки данного способа и т.д. |
|
, постройте график зависимости W(t). Проанализируйте полученную зависимость
Последующие темы могут быть связаны с выявлением зависимости атмосферного давления от высоты, практическим решением задач на потери энергии, построением карты магнитного поля кабинета и т.д.
Результаты и их обсуждение. По итогам городского конкурса социальных проектов (организатор – «ГОР.СОМ35») первое место получил проект ученика 8 класса МОУ «СОШ № 5» г. Вологды Сесюгина Захара - «Будущий инженер» [14]. Этот проект направлен на реализацию программы использования аналогичных платформ Arduino на уроках физики в старшей профильной школе [15].
На выделенные средства закуплены: датчик Холла (поиск магнитных полей), датчик температуры и влажности, датчик линий, датчик атмосферного давления, ультразвуковой датчик расстояния, макетная плата, дисплей для вывода данных, соединительные провода и кейс для организованного хранения.
В качестве аналога Arduino выбрана плата RobotDyn UNO от российского производителя. Она конструктивно идентична оригинальной плате и имеет более распространенный разъем micro USB, кроме того, на плату дополнительно установлено два аналоговых входных канала A6 и A7. В основе RobotDyn UNO микроконтроллер ATmega328p.
Площадкой для реализации проекта выбрана МОУ «СОШ № 13» г. Вологды, на базе которой в январе-марте 2018 года состоялся ряд занятий с группами физико-математического профиля обучения 10 и 11 классов. По итогам лабораторных занятий сделан последующий анализ применения данной платформы в рамках среднего общего образования. На основе анкетирования обучающихся выявлены следующие результаты, представленные ниже. Значение шкалы менялось от «0» - отрицательный результат, до «10» - максимально положительный ответ. К затруднениям в работе учащиеся отнесли сложность программной части.
|
Вопрос / значение шкалы |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Практичность подобных занятий |
10% |
0% |
20% |
10% |
60% |
|
Умение использовать Arduino как лабораторное оборудование |
0% |
0% |
40% |
40% |
20% |
|
Удовлетворенность выполненной работой |
0% |
0% |
30% |
20% |
50% |
Отмечен высокий интерес старшеклассников к данному виду работ, несколько учащихся выбрали для исследования создание датчиков для лабораторных работ, проводимых в основной школе. Их работы высоко оценили члены жюри секций «физика» и «техническое творчество» на Всероссийской научно-практической конференции «С наукой в будущее», проводимой в г. Великий Устюг. Один из проектов показывает взаимосвязь инженерной мысли с технологией «Ардуино» для организации эффективного роста растений в умной модульной экокамере. Такие устройства в рамках образовательного учреждения могут служить инструментом исследования влияния физических явлений на рост и развитие растений. В камеру встраиваются датчики, оценивающие такие физические параметры, как влажность почвы и воздуха, температура внутри камера, включение системы обогрева и вентиляции через реле посредством Arduino, интерфейс в виде дисплея с указанными выше параметрами.
Заключение. Таким образом, в общеобразовательном учреждении имеется возможность применять платформу Arduino в образовательном процессе для реализации различных дополнительных профессиональных программ и для обеспечения работ лабораторного физического практикума, для повышения мотивации учащихся и направления организации исследовательской деятельности старшеклассников профильной школы. Мы видим актуальность применения данной платформы в старшей школе, так как обучающиеся уже имеют базовые знания в области математики, физики и информатики, и могут самостоятельно вести интеллектуальную деятельность по освоению платформы и программы Arduino в рамках образовательного процесса. Однако это не исключает появление элективных курсов и дополнительных профессиональных программ на территории школы, которые будут использовать приобретенный опыт для таких актуальных курсов, как робототехника и интернет вещей. Итогом нашей последующей работы предполагается создание методического пособия с подробным описанием апробированных лабораторных работ, адаптированного для учителей, желающих применять данную платформу, в том числе и на других учебных предметах.
Библиографическая ссылка
Биловол Е.О., Халвицкая О.Л. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОФИЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ КЛАССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАТФОРМЫ ARDUINO // Современные проблемы науки и образования. – 2018. – № 2. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=27494 (дата обращения: 19.04.2024).