Использование компьютерной датчиковой системы L

Березкин Петр Николаевич,
МОУ Красноткацкая СОШ
Ярославского МР Ярославской области
Ярославль, 2011 г.
Использование компьютерной датчиковой системы L-микро
для организации научно-исследовательской деятельности школьников
(из опыта работы).
Научно-исследовательская деятельность школьников по химии имеет свою специфику.
Объектами исследования являются вещества, а предметом исследования - определенные
свойства этих веществ. Часто исследуемые вещества необходимо предварительно
выделить из смеси (например, жиры, витамины, ферменты и т.д.), идентифицировать и
произвести их количественное определение. Постановка химического исследовательского
эксперимента в школьных кабинетах химии подразумевает наличие необходимого
оборудования и приборов. Концепция современного школьного химического образования
основывается в основном на качественной характеристике изучаемых объектов и явлений,
поэтому в школах практически отсутствует оборудование для проведения
количественного анализа. Качественные характеристики веществ и химических процессов
с их участием обучающиеся получают в основном посредством своих органов чувств,
однако многие параметры вещества и среды остаются для человека недоступны:
водородный показатель среды (рН), концентрация отдельных ионов, электрическая
проводимость среды, окислительно-восстановительный потенциал и другие. Ученики
испытывают большие затруднения в проведении количественных исследований и
обработке полученных результатов даже при наличии методики их выполнения.
Следовательно, для устранения этого пробела учебный процесс должен иметь
соответствующее оснащение. В распоряжении учителя и ученика должна быть
современная система оборудования, совместимая с персональным компьютером,
требующая минимального времени на подготовку и проведение эксперимента,
обеспечивающая наглядность эксперимента, его зрелищность, динамичность, доступность
результатов для восприятия школьниками и возможность их обработки. Эти требования
можно осуществить в рамках современных компьютерных технологий.
Персональные компьютеры способны обрабатывать колоссальный объем информации в
единицу времени, однако они сами взять из окружающей среды такую информацию не
могут. Ученые реализовали эти идеи через системы датчиковых цифровых лабораторий. В
России в системе образования наиболее известны лаборатории Philip Harris и Архимед.
Это оборудование импортное, внедрению его
в
общеобразовательные школы
препятствует довольно высокая цена: стоимость лаборатории Архимед по химии и
биологии составляет 500-600 тысяч рублей в зависимости от количества датчиков.
Аналогом этих лабораторий является оборудование отечественного производства
L-микро, разработанная группой энтузиастов в середине 90-х годов (лаборатория по
физике), спустя 10 лет появилась аналогичная лаборатория и по химии. Лаборатория
L-микро позволяет осуществлять количественный контроль за параметрами химической
реакции при помощи датчиков и обрабатывать полученные результаты при помощи
любого персонального компьютера. Это оборудование доступно по цене (стоит в 20-30
раз дешевле аналогичного импортного), компактное, надежное в эксплуатации,
адаптировано к российской системе образования и нашим школьным учебникам и, что
немаловажно, имеет все программно-методическое обеспечение на русском языке. Наша
школа приобрела это оборудование в 2007 году, и я расскажу о своем опыте его
применения на уроках и при организации научно- исследовательской работы учащихся.
Лаборатория состоит из компьютерного блока, который подключается к любому
персональному компьютеру и предназначен для оцифровывания получаемой от датчиков
информации, программно-методического обеспечения и набора датчиков. Все цифровые
датчиковые лаборатории, в том числе и L-микро, имеют аналогичный принцип действия:
информация от датчика в виде электрических сигналов подается на компьютерный
измерительный блок, который переводит ее в цифровые сигналы и отправляет на
персональный компьютер. Компьютер пересчитывает сигнал с измерительного блока в
значение измеряемого параметра, выводит его на экран и сохраняет полученный массив
данных в оперативной памяти. Одновременно в системе можно использовать до четырех
датчиков, но обычно мы используем 1-2. При помощи датчиков можно определять
большое число параметров, которые недоступны нашим органам чувств, кроме того, эти
параметры можно измерить количественно. Еще одно достоинство заключается в
быстродействии компьютера, что позволяет производить сбор информации с большой
частотой. Например, можно установить зависимость концентрации исходных веществ или
продуктов реакции от времени для большого числа быстро протекающих реакций. При
наличии в кабинете мультимедийного проектора вся информация выводится на большой
экран. Информация с каждого датчика может быть представлена в трех режимах:
цифровой индикатор, запись отдельных точек, зависимость от времени. Методическое
обеспечение и соответствующая программа позволяют работать как по предложенному
сценарию, так и создавать собственный вариант эксперимента. Приведу примеры работы с
некоторыми датчиками.
Датчик температуры 0-10000С позволяет за несколько секунд измерить температуру
пламени различных источников (спиртовки, свечи, спички, газовой зажигалки и т.д.), в
том числе в различных его частях. Можно также измерять температуру плавления солей,
металлов, других веществ.
Датчиком температуры 0-1000С можно определять тепловые эффекты, например, при
растворении веществ, даже если они очень малы. Он показывает изменение температуры в
0,10С. Легко и быстро осуществляются эксперименты исследовательского характера.
Пример: измерить изменение температуры при растворении в воде одинаковых количеств
вещества (0,1-0,05 моль) этанола и пропанола-1. Теоретически обосновать, от каких
факторов зависит тепловой эффект растворения спиртов в воде, рассчитать теоретически
∆t0 растворения бутанола-1 и проверить экспериментально. Аналогично можно
экспериментально определить теплоту гидратации соли (сульфата меди, карбоната натрия
и др.) при образовании кристаллогидратов и сравнить полученные данные эксперимента с
табличными значениями.
Датчик рН используется при изучении реакции нейтрализации, свойств растворов слабых
электролитов, гидролиза солей и т.д. Диапазон измерений рН 0-12, чувствительность 0,01.
Задания исследовательского характера могут быть очень разнообразны.
Пример 1. Опытным путем установите, какая из солей - карбонат натрия, сульфит натрия
или ацетат натрия - в большей степени подвержена гидролизу. Для выполнения этого
задания школьники готовят растворы этих солей одинаковой концентрации и исследуйте
рН этих растворов. Полученные данные сравнивают с данными теоретических расчетов и
делают выводы.
Пример 2. Исследование качества молока. Берутся пробы молока натурального цельного
и молока из торговой сети различных производителей объемом 50-100 мл. Их оставляют
на длительное время при одинаковых условиях и измеряют рН каждой пробы молока
через равные промежутки времени (6-8 часов). У свежего молока рН равна 6,4-6,7 и
обусловлена процессами гидролиза входящих в молоко солей (в основном фосфатов), с
течением времени она плавно понижается. Показания значений рН фиксируются на
графике. Через некоторое время (зависит от температуры) наблюдается резкий скачок рН,
что соответствует образованию молочной кислоты. У натурального молока такой скачок
рН только один, у молока недобросовестных производителей их может быть 2-3 или не
быть совсем. В последнем случае можно предположить, что в молоко добавлены
биологически активные вещества, например, антибиотики, препятствующие развитию
молочнокислых бактерий.
Датчик электрической проводимости широко используем для исследования свойств
растворов слабых электролитов. Зная электрическую проводимость и температуру, легко
рассчитать общую концентрацию ионов в растворе (для электролитов первого порядка). В
2009 г ученица 10 класса нашей школы представила на Российскую научную
конференцию школьников «Открытие» исследовательскую работу на тему «Изучение
зависимости силы растворов слабых электролитов от их концентрации». Новизной
работы явилось экспериментальное определение концентраций муравьиной, уксусной и
пропионовой кислот, при которых они максимально распадаются на ионы. Для
выполнения исследования нами были приготовлены 45 образцов рабочих растворов этих
кислот с концентрацией от 10 моль/л до 0,03 моль/л (по 15 образцов каждой кислоты), а
затем исследована электрическая проводимость каждого образца. Результаты
исследования можно отразить при помощи таблиц или графиков. Анализируя полученные
графики, можно сделать выводы: 1) муравьиная кислота по силе занимает промежуточное
положение между сильными и слабыми электролитами; 2) пик электрической
проводимости уксусной кислоты приходится на ее концентрацию в растворе 3 моль/л,
следовательно, для опытов в школьной лаборатории необходимо иметь кислоту именно
такой концентрации. Даже при комнатной температуре при ее взаимодействии с цинком
визуально наблюдается выделение газа, а при других концентрациях кислоты этого не
наблюдается. На областном этапе конференции эта работа заняла 1-е место, на
республиканском отмечена дипломом участника.
Датчик объема газа с контролем температуры применяется для изучения реакций,
сопровождающихся выделением или поглощением газообразных веществ. Датчик
позволяет одновременно контролировать не только объем выделяющегося газа, но и его
температуру, что необходимо для приведения объема газа к нормальным условиям.
Датчик позволяет также исследовать скорость реакции выделения газа и ее зависимость от
разных условий: температуры, концентрации жидких реагентов, степени измельчения
твердых веществ.
В 2010 г ученики 8 класса нашей школы Артемьев Илья и Ульянова Алена представили на
Российскую научную конференцию школьников «Открытие» исследовательскую работу
на тему «Определение массовой доли карбоната кальция в объектах органического
происхождения». Тему работы ребята нашли на страницах школьного учебника: «Эти
красивые раковины состоят преимущественно из карбоната кальция» (Габриелян О.С.
Химия-8, с.111, рис.63). Не найдя в литературных источниках ответа на вопрос о том,
чему же равна массовая доля карбоната кальция в объектах органического
происхождения, они решили восполнить этот пробел. Их объектами исследования стали
раковины морских и пресноводных моллюсков, яичная скорлупа различных птиц и даже
жемчуг. Исследуемый образец измельчали, навеску помещали в колено сосуда
Ландтольда, в другое колено наливали раствор соляной кислоты. Сосуд Ландтольда
подсоединяли к датчику объема газа, приливали кислоту к навеске образца и измеряли
объем выделившегося газа и его температуру. По уравнению объединенного газового
закона приводили полученный объем углекислого газа к нормальным условиям. Зная
массу навески и объем выделившегося углекислого газа, школьники рассчитывали
массовую долю карбоната кальция в каждом образце. По результатам исследования
учащиеся составили таблицу «Содержание карбоната кальция в объектах органического
происхождения». На областном этапе конференции эта работа на секции «Химия» заняла
первое место, на республиканском- IV и отмечена поощрительной грамотой.
В 2011 году эти учащиеся продолжили занятия научно-исследовательской деятельностью,
на этот раз предметом их исследования стала древесная зола. Целью их работы являлась
подготовка научных рекомендаций по использованию золы в садово-огородном
хозяйстве. Используя компьютерную датчиковую систему L-микро, учащиеся выполнили
ряд сложных задач: определили щелочность золы и зольных вытяжек различных пород
древесины; рассчитали массовую долю карбоната и гидроксида калия в зольных вытяжках
при их совместном присутствии; рН зольных вытяжек; произвели анализ образцов золы
на присутствие в них катионов свинца; определили массовую долю карбонат-анионов и
катионов железа (III) в образцах золы; выделили из золы поташ и экспериментально
установили в нем массовую долю свободной щелочи и карбоната калия. Для проведения
исследований использовали не только описанные методики, но и предложили некоторые
свои. Эта большая работа получила большое признание: на XIV Российской конференции
«Открытие» в секции «Химия» работа заняла 1-е место, а ее исполнители получили
Диплом I степени.
Электронные весы, совместимые с персональным компьютером, являются самым
дорогостоящим изделием лаборатории L-микро (они импортного производства, их
стоимость около 15 тысяч рублей). Но они очень удобны в работе и могут использоваться
как с компьютером, так и самостоятельно, заменяя обычные тарелочные механические
весы. Их показания точны, они могут работать, как и все датчики, в трех режимах:
цифровой индикатор, запись отдельных точек, зависимость от времени. На уроке их
используем, когда надо дать количественную характеристику процесса. Многие учителя в
последнее время затрудняются проводить опыты, иллюстрирующие закон сохранения
массы веществ: эти опыты трудоемки в подготовке, к тому же имеющиеся рычажные весы
обладают завидным непостоянством. С помощью электронных весов за 1-2 минуты можно
провести 4-5 опытов с соответствующими комментариями. При выполнении научноисследовательских работ учащимися эти весы необходимы на различных этапах работы.
Редокс-электрод (платиновый) вместе с электродом сравнения и специальной приставкой
используется для определения ОВП растворов. Он позволяет определить практическим
путем возможность протекания окислительно-восстановительных реакций и сделать эти
процессы более понятными для школьников. Например, школьникам можно предложить
измерить ОВП нескольких окислителей и восстановителей и на основании проведенных
измерений сформулировать гипотезу о возможности протекания окислительновосстановительной реакции между различными окислителями и восстановителями. После
этого предлагается провести химические реакции. Объяснить, какие реакции
неосуществимы. Результат эксперимента обсудить, используя теоретические табличные
данные.
Ионоселективные электроды позволяют провести анализ сред на присутствие ионов
Ca2+, Cu2+, Pb2+,F- и некоторых других ионов. Предел чувствительности этих электродов
составляет 10-6 – 10-7 моль/л, что позволяет сделать анализ питьевых или сточных вод с
высокой степенью точности. Подобные работы ежегодно выставляются на научные
конференции школьников разных уровней, однако чаще всего они имеют описательный
характер или подробный анализ воды делается в специальных лабораториях.
Я рассказал об использовании лишь нескольких датчиков, всего же их имеется в
лаборатории около 20 штук. Таким образом, имея в школьном кабинете комплект
оборудования L-микро, каждый учитель может поставить преподавание химии на
качественно новый уровень и организовать многоплановую проектную и научноисследовательскую деятельность учащихся по своему предмету. Использование этого
оборудования позволяет поднять преподавание химии на качественно новую ступень, а
выполнение научно-исследовательских работ становится реально доступным для
учащихся любой, в том числе и сельской. В рамках Российской конференции научноисследовательских работ учащихся «Открытие» в секции «Химия» наши работы на
областном этапе занимали первое место три года подряд, а на Российском этапе также
были призерами и победителями.
Достоинство оборудования:
 Доступная цена
 Компактность
 Возможность приобретения «по частям» (каждый датчик отдельно)
 Простота обращения
 Быстрота смены датчиков
 Возможность работы одновременно с несколькими датчиками (до четырех)
 Высокая степень наглядности
 Скорость выполнения опытов (самый сложный по времени до 5 минут)
 Динамичность эксперимента
 Возможность работы по сценарию
 Возможность создавать свой эксперимент
Заказать это оборудование можно по адресу:
ООО «Школьный мир»,111141, Москва, Зеленый пр-т, д.3А/11,тел. (8-495)-617-03-28(29)
Всем, кто заинтересовался этим оборудованием, с удовольствием окажу любую
консультацию по использованию этого оборудования на уроках и во внеурочной
деятельности. Мой электронный адрес:petrberezkin@yandex.ru