Формирование исследовательских навыков на уроках биологии с использованием цифровой лаборатории «Архимед»
методическая разработка на тему

Формирование исследовательских навыков на уроках биологии

с использованием цифровой лаборатории «Архимед»

В 2011 году у меня появилась возможность работать с  цифровой лабораторией «Архимед», оборудованием для проведения широкого спектра исследований, демонстраций, лабораторных работ, представляющим новое поколение естественнонаучных лабораторий. «Архимед» позволяет получать данные, недоступные в традиционных учебных экспериментах, отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов, дает возможность производить удобную обработку результатов эксперимента, обеспечивает автоматизированный сбор и обработку данных.

Новое оборудование, основанное на компьютерных технологиях, помогает  мне развивать у моих учеников интерес к самостоятельной исследовательской деятельности. С цифровыми лабораториями можно проводить как входящие в школьную программу исследования, так и совершенно новые. Они вызывают у учеников  чувство удивления,  новизны, необычности, неожиданности, развивают сообразительность, инициативу, создают атмосферу доброжелательности, зажигают огонёк пытливости.         Кроме того, можно вести исследования в полевых условиях. Зарядки лаборатории хватает на 8 часов работы. На практических и лабораторных работах, при проведении опытов у учащихся формируется навык определения основных этапов работы, составлению алгоритма для выполнения практических  работ и умение корректировать или изменять алгоритм в зависимости от условий. При  использовании цифровой лаборатории на уроках происходит переход от репродуктивных форм учебной деятельности к самостоятельным, поисково-исследовательским видам работы. Кроме того, учащиеся получили возможность заниматься исследовательской деятельностью, не  ограниченной темой конкретного урока, и самим анализировать полученные данные. Применение исследовательского подхода к обучению создаёт условия для приобретения учащимися навыков научного анализа явлений природы, осмыслению взаимодействия общества и природы. Подготовка проектов и научных работ формирует умение самостоятельно ставить цели исследования, в соответствии с целью определять задачи и поэтапно двигаться от конкретных задач к воплощению результата. В заключение следует сказать, что анализ формирования исследовательских навыков показал динамику их развития: если первоначально мои начинающие исследователи  в основном только такие методы, как наблюдение и измерение, то в дальнейшем они стали овладевать более сложными методами: конструированием, моделированием, прогнозированием. Систематичное и активное использование цифровых лабораторий и ИКТ на уроках биологии приводит также  к повышению интереса, а значит и влияет на качество обучения. 

Использование лаборатории способствуют освоению понятий и навыков в смежных образовательных областях:

• современные информационные технологии
• современное оборудование исследовательской лаборатории
• математические функции и графики, математическая обработка экспериментальных данных, статистика, приближенные вычисления, интерполяция и аппроксимация
• методика проведения исследований, составление отчетов, презентация проведенной работы

В состав лаборатории входит:

• специализированный портативный компьютер с сенсорным экраном NOVA5000
• набор цифровых датчиков: датчик давления (0-700 кРа), колориметр (датчик цвета), датчик температуры, рН-метр 0-14 рН,  датчик напряжения, датчик проводимости, датчик для газов, датчики позволяют вести длительный эксперимент даже в отсутствие исследователя и с частотами измерений, неподвластными человеческому восприятию
• программное обеспечение для проведения и анализа эксперимента

Конспект урока по биологии в 8 классе на тему:

«Измерение кислотности (рН) различных напитков, используемых школьниками в пищу».

Тип урока: Лабораторная работа

Цель урока: показать различие кислотности (водородного показателя рН) распространенных напитков с помощью датчиков цифровой лаборатории.

Задачи урока:

Образовательные:

1.     Связанные с формированием общенаучных знаний:

•  повторить понятие кислотности в биологии, желудочный сок, строение стенки желудка

2.      Связанные с формированием общепредметных знаний:

•  повторить понятия водородный показатель
•  повторить единицы измерения водородного показателя

3.      Связанные с формированием опыта деятельности:

• дать возможность учащимся использовать знания о работе с приборами для исследования водородного показателя различных напитков;

Развивающие:

• дать возможность детям быть активными участниками целеполагания;
• развивать речь учащихся через организацию диалогического общения на уроке;
• включать детей в разрешение учебных проблемных ситуаций для развития их логического мышления;
• поддерживать внимание учащихся через смену учебной деятельности и рефлексию отдельных этапов урока;
• для развития моторной памяти организовать фиксирование учащимися информации в тетради;
• для развития слуховой памяти проговаривать определения;
• для развития зрительной памяти вести записи на доске;

Воспитательные:

Воспитывать умения:

•  выполнять определенные виды работы сообща;
• выслушивать мнение товарища и отстаивать свою точку зрения;
• эстетически оформлять записи в тетрадях и на доске.

Оборудование урока: проектор; электронный ресурс, цифровая лаборатория «Архимед», датчик рН 0-14.

Ход урока

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

 «Лабораторная работа

«Измерение кислотности (водородного показателя рН)  различных напитков, употребляемых в пищу»

Теоретические основы эксперимента

Водоро́дный показа́тель, "pH ", — это мера активности  ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов, выраженной в молях на литр.

Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов "potentia hydrogeni " — сила водорода, или "pondus hydrogenii " — вес водорода.

Значение pH

В чистой воде при 22 °C концентрации ионов водорода ( [H+] ) и гидроксид-ионов ( [OH-] ) одинаковы и составляют 10-7 моль/л,. Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксид-ионов соответственно уменьшается, при добавлении основания — наоборот, повышается содержание гидроксид-ионов, а концентрация ионов водорода падает. Когда [H+] > [OH-] говорят, что раствор является кислым, а при [OH-] > [H+]  — щелочным.

Для удобства представления, вместо концентраций ионов водорода пользуются их десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком, который собственно и является водородным показателем — pH. 

Значения pH в растворах различной кислотности

Так как в кислых растворах pH кислых растворов pH < 7, аналогично pH щелочных растворов pH > 7, pH нейтральных растворов равен 7.

0             кислая среда                       7              щелочная среда                   14

Методы определения pH

Для определения pH растворов широко используют несколько методик. Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять pH-метром или определять аналитически путём, проведением кислотно-основного титрования.

1. Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются кислотно-основные индикаторы — органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. Изменение цвета каждого индикатора происходит в своём интервале кислотности, обычно составляющем 1—2 единицы. Для расширения рабочего интервала измерения pH используют так называемый универсальный индикатор, представляющий собой смесь из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно меняет цвет с красного через жёлтый, зелёный, синий до фиолетового при переходе из кислой области в щелочную. Определения pH индикаторным методом затруднено для мутных или окрашенных растворов.
2. Использование специального прибора — pH-метра — позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Способ отличается удобством и высокой точностью, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.
3. Аналитический объёмный метод — кислотно-основное титрование — также даёт точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакции. Точка эквивалентности — момент, когда титранта точно хватает, чтобы полностью завершить реакцию, — фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объём добавленного раствора титранта, вычисляется кислотность раствора.
   

Заболевания желудка, вызываемые при повышенной кислотности продуктов

Если раньше хронический гастрит считался в основном "привилегией" людей среднего и пожилого возраста, теперь его диагностируют у школьников. Проблемы с желудком, гастриты - самые распространенные заболевания у школьников. Хронический гастрит развивается постепенно. На ранних этапах может не проявляться никак. И когда у ребенка появляются первые симптомы, заболевание протекает далеко уже не первый день. Лучшая пища для гастрита - это нервные перегрузки, стресс и усталость. Также гастрит обостряется частом и систематическом употреблении острой и соленой пищи, газированных напитков, все это провоцируют обострение сопровождающееся специфической желудочной болью.

Водоро́дный показа́тель, "pH ", — это мера активности  ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов, выраженной в молях на литр.

Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов "potentia hydrogeni " — сила водорода, или "pondus hydrogenii " — вес водорода.

Роль pH в химии и биологии

Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред.

Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систем организма.

Употребление большого количества апельсинов оказывает раздражающее влияние на слизистую оболочку желудка, кишечника и на почки. Следовательно, апельсины не рекомендуются при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, энтеритах, при гастритах с повышенной кислотностью желудочного сока, колитах и обострении воспалительных заболеваний кишечника, при холецистите, гепатите и остром нефрите.

Режим – прежде всего! 

Профилактика гастритов – хорошее питание, гигиена и режим. Чай и кофе надо пить некрепкие, чтобы не раздражали слизистую.

Лучше избегать жирных и жареных блюд, острых приправ – или хотя бы есть их изредка, в меру. Вредны газированные напитки: они приводят к повышению кислотности, забросу кислого содержимого из желудка в пищевод.

Охрана здоровья и рН

Человеку следует следить за тем, какие продукты он употребляет. Злоупотребление продуктами с кислым показателем рН 1.9–6.9 или повышающих кислотность (мясо, рыба, хлеб и макароны, твердые сыры, сладкое, кофе и т.д.) может привести к ломкости костей, язве желудка, хроническим заболеваниям кишечника. Из-за этого у человека нарушается кислотно-щелочное равновесие, развивается либо избыточная, либо повышенная кислотность.

Для восстановления кислотно-щелочного равновесия необходимо употреблять большое количество зелени, овощей и фруктов, выпивать каждый день по стакану натурального фруктового, а лучше овощного сока (они являются природными буферами). Повышенная щелочность у людей встречается крайне редко.

Цель: 

• показать различие кислотности (водородного показателя Ph) распространенных напитков с помощью датчиков цифровой лаборатории.

Задачи:

• сформировать знания о показателе pH и его значение в жизни человека;
• продолжить развитие навыков использования элементов исследовательской работы;
• показать важность знаний химии для заботы о своем здоровье.

Возраст учащихся: 

8 класс,

11 класс.

Межпредметные связи:

• биология (строение организма человека и его функции),
• экология (экологическая грамотность по отношению к здоровью человека)
• информатика (компьютерная грамотность).

Раздел учебной программы:

Необходимые материалы и оборудование

• компьютер Nova 5000SX;
• датчики: Ph-метр;
• исследуемые жидкости: вода, молоко, минеральная вода, сок апельсиновый, сок персиковый, кока-кола, чай.

Порядок проведения лабораторной работы

1. Подключите к датчику Ph электрод для измерения кислотности.
2. Соедините компьютер Nova 5000SX с датчиком соединительными проводами.
3. Включите компьютер Nova 5000SX.
4. Загрузите программу (Пуск/Программы/Наука/MultiLab)
5. В подготовленную емкость налейте жидкость, кислотность которой будете измерять, подпишите маркером емкость.
6. С электрода аккуратно отсоедините защитный колпачок с жидкостью (защитный колпачок отставить в сторону до завершения исследования)
7. В меню программы выберите: Регистратор/Пуск/Настройки
8. В закладке «Частота» выберите частоту замеров: «Каждые 10 секунд»
9. Погрузите электрод в сосуд с исследуемой жидкостью
10. В верхнем меню выберите: Регистратор/Пуск
11. Произведите замеры в каждом исследуемом сосуде, вычислите среднее значение показателя: Исследование/Анализ/Статистика/Среднее.
12. Результаты сохраните в файле.
13. Экспортируйте данные в Электронные таблицы.
14. Отсортируйте полученные данные по возрастанию (или убыванию), постройте гистограмму  по полученным данным.
15. Распечатайте полученную таблицу, выделите красным цветом  напитки, обладающие повышенной кислотностью.
16. Запишите данные в таблицу и постойте график:

Вопросы для обсуждения результатов

1. Как влияет повышенная кислотность напитка на желудок человека?
2. При каких заболеваниях нельзя употреблять напитки с повышенной кислотностью?
3. Какие напитки по показателю рН наиболее вредны человеку?

Предполагаемые результаты

ПРИЛОЖЕНИЯ:

1. Раздаточный материал при проведении лабораторной работы.

2. Пример выполненной лабораторной работы.

3. Презентация (ход работы)

Выводы

Человеку следует следить за тем, какие продукты он употребляет. Злоупотребление продуктами с кислым показателем рН 1.9–6.9 или повышающих кислотность (мясо, рыба, хлеб и макароны, твердые сыры, сладкое, кофе и т.д.) может привести к ломкости костей, язве желудка, хроническим заболеваниям кишечника. Из-за этого у человека нарушается кислотно-щелочное равновесие, развивается либо избыточная, либо повышенная кислотность.

Водородный показатель можно измерить различными способами. В работе приводятся современный  методы измерения рН с помощью датчиков цифровой лаборатории «Архимед». Результаты исследований можно применять на практике для изучения и углубления своих знаний по химии и продуктов в быту.

Приложение 1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«Измерение кислотности различных напитков, употребляемых в пищу»

Цель: показать различие кислотности (показателя Ph) распространенных напитков с помощью датчиков цифровой лаборатории.

Оборудование:

• компьютер Nova 5000SX;
• датчики: Ph-метр;
• исследуемые жидкости: вода, молоко, минеральная вода, сок апельсиновый, сок персиковый, кока-кола, чай.

 Порядок выполнения работы:

1. Подключите к датчику Ph электрод для измерения кислотности.
2. Соедините компьютер Nova 5000SX  с датчиком соединительными проводами.
3. Включите компьютер Nova 5000SX.
4. Загрузите программу (Пуск/Программы/Наука/MultiLab)
5. В подготовленную емкость налейте жидкость, кислотность которой будете измерять, подпишите маркером емкость.
6. С электрода аккуратно отсоедините защитный колпачок с жидкостью (защитный колпачок отставить в сторону до завершения исследования)
7. В меню программы выберите: Регистратор/Пуск/Настройки
8. В закладке «Частота» выберите частоту замеров: «Каждые 10 секунд»
9. Погрузите электрод в сосуд с исследуемой жидкостью
10. В верхнем меню выберите: Регистратор/Пуск
11. Произведите замеры в каждом исследуемом сосуде, вычислите среднее значение показателя: Исследование/Анализ/Статистика/Среднее.
12. Результаты сохраните в файле.
13. Экспортируйте данные в Электронные таблицы.
14. Отсортируйте полученные данные по возрастанию (или убыванию), постройте гистограмму  по полученным данным.
15. Распечатайте полученную таблицу, выделите красным цветом  напитки, обладающие повышенной кислотностью.
16. Составьте таблицу  и внесите данные, постойте график:

Ответьте на вопросы и сделайте вывод:

1. Как влияет повышенная кислотность на желудок человека?
2. При каких заболеваниях нельзя употреблять напитки с повышенной кислотностью?
3. Какой показатель Ph считается нейтральным?
4. Какие напитки по показателю Ph наиболее вредны для человека?
5. Создайте отчет по проделанной лабораторной работе. Отчет должен содержать гистограммы полученных данных, ответы на вопросы и выводы.

Приложение 2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«Измерение кислотности различных напитков, употребляемых в пищу»

Цель: показать различие кислотности (показателя Ph) распространенных напитков с помощью датчиков цифровой лаборатории.

Оборудование:

• компьютер Nova 5000SX;
• датчики: Ph-метр;
• исследуемые жидкости: вода, молоко, минеральная вода, сок апельсиновый, сок персиковый, кока-кола, чай.

Ответьте на вопросы и сделайте вывод:

1. Как влияет повышенная кислотность на желудок человека?

Злоупотребление продуктами с кислым показателем рН 1.9–6.9 может привести к язве желудка, хроническим заболеваниям кишечника. Из-за этого у человека нарушается кислотно-щелочное равновесие, развивается либо избыточная, либо повышенная кислотность.

2. При каких заболеваниях нельзя употреблять напитки с повышенной кислотностью?

При гастрите и язвенной болезни желудка.

3. Какой показатель рН считается нейтральным?

рН=7

4. Какие напитки по показателю Ph наиболее вредны для человека?

Кола, сок апельсиновый

5. Создайте отчет по проделанной лабораторной работе. Отчет должен содержать гистограммы полученных данных, ответы на вопросы и выводы.

Человеку следует следить за тем, какие продукты он употребляет. Злоупотребление продуктами с кислым показателем рН 1.9–6.9 может привести к гастриту, язве желудка, хроническим заболеваниям кишечника. Из-за этого у человека нарушается кислотно-щелочное равновесие, развивается либо избыточная, либо повышенная кислотность.

Употребление большого количества апельсинов оказывает раздражающее влияние на слизистую оболочку желудка, кишечника и на почки. Следовательно, апельсины не рекомендуются при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, энтеритах, при гастритах с повышенной кислотностью желудочного сока, колитах и обострении воспалительных заболеваний кишечника, при холецистите, гепатите и остром нефрите.

Режим – прежде всего! 

Профилактика гастритов – хорошее питание, гигиена и режим. Чай и кофе надо пить некрепкие, чтобы не раздражали слизистую.

Лучше избегать жирных и жареных блюд, острых приправ – или хотя бы есть их изредка, в меру. Вредны газированные напитки: они приводят к повышению кислотности, забросу кислого содержимого из желудка в пищевод.

Охрана здоровья и рН

Человеку следует следить за тем, какие продукты он употребляет. Злоупотребление продуктами с кислым показателем рН 1.9–6.9 или повышающих кислотность (мясо, рыба, хлеб и макароны, твердые сыры, сладкое, кофе и т.д.) может привести к ломкости костей, язве желудка, хроническим заболеваниям кишечника. Из-за этого у человека нарушается кислотно-щелочное равновесие, развивается либо избыточная, либо повышенная кислотность.

Для восстановления кислотно-щелочного равновесия необходимо употреблять большое количество зелени, овощей и фруктов, выпивать каждый день по стакану натурального фруктового, а лучше овощного сока (они являются природными буферами). Повышенная щелочность у людей встречается крайне редко.