Рейтинг@Mail.ru

ДАТЧИКОВЫЕ СИСТЕМЫ L-МИКРО В ИЗУЧЕНИИ ХИМИИ

Жилин Денис Михайлович, Батаева Елена Викторовна

ПФ РНПО «Росучприбор», г. Москва

Компьютерная датчиковая система L-Микро:Химия позволяет собирать значительные объемы информации о химических параметрах систем. Она, с минимальными различиями (в основном в методическом обеспечении), используется в демонстрационных экспериментах и практических работах как в школах, так и в ВУЗах. Система открывает студентам аспекты, недоступные для непосредственного наблюдения и освобождает его от рутинной работы, но не от необходимости думать.

обсудить на форуме задать вопрос автору

В использовании компьютеров для изучения естественной окружающей среды есть слабое место. А именно, компьютеры, способные перерабатывать гигабиты информации в секунду не могут самостоятельно взять из реальной среды ни одного бита. Эту проблему решают датчики и датчиковые системы. Они уже довольно давно используются в различных автоматизированных технических системах и постепенно, по мере снижения их стоимости, проникают в систему образования.

В частности, в ПФ РНПО «Росучприбор» разработана датчиковая система L-Микро:Химия, которая активно используется как в ВУЗовских практикумах, так и в школах для проведения демонстрационных экспериментов. Как и любая датчиковая система, она состоит из набора датчиков, систем согласования сигнала для каждого датчика, аналого-цифрового преобразователя, компьютера и компьютерной программы. Система позволяет фиксировать значения различных (до четырех одновременно) химических и физических параметров (температура, электропроводность растворов, рН, давление, объем газа, оптическая плотность, концентрация различных ионов) как в зависимости от времени, так и по запросу пользователя. В последнем случае пользователь может также вводить дополнительные параметры с клавиатуры.

Чем же интересна система L-Микро в преподавании химии? Многие параметры, измеряемые датчиками (рН, концентрация отдельных ионов и т.д.), недоступны или почти недоступны нашим органам чувств. Тем самым, и это первое достоинство системы L-Микро, абстракция превращается в нечто осязаемое. Это осязаемое можно не только померить, но и посмотреть, как оно зависит от разных условий и на основе полученных зависимостей увидеть или вывести различные закономерности. Второе достоинство – сбор информации с большой частотой. Это позволяет фиксировать быстрые временные зависимости, которые человек самостоятельно зафиксирвоать не успел бы. Так, с использованием L-Микро можно в реальном времени записывать кинетические кривые (зависимость концентрации реагентов или продуктов реакции от времени) множества быстро протекающих реакций. На основе этих кривых студент познает закономерности скорости химических реакций.

Система L-Микро позволяют отслеживать одновременно несколько параметров, что используется как в демонстрационных экспериментах, так и в исследовательских задачах, особенно в ВУЗовских курсах химии. Например, к системе можно одновременно подключить датчики рН, оптической плотности, концентрации ионов меди и объема жидкого реагента, что используется для исследования гидролиза иона Cu2+. При этом получаемая информация демонстрирует различные существенные, но неочевидные стороны процесса гидролиза. Обрабатывая ее, студенты понимают, что реальный гидролиз отнюдь не ограничивается образованием иона CuOH+ и осадка Cu(OH)2, как это написано в большинстве учебников.

На уровне «железа» одна и та же система используется на всех уровнях преподавания химии – от начального школьного до специализированного ВУЗовского, причем как для демонстрационных экспериментов, так и для практических работ. Различаются только интерфейс и методическое обеспечение. Например, при помощи датчика электропроводности и датчика объема жидкого реагента можно получить зависимость электропроводности от концентрации вещества. На школьном уровне такую зависимость можно использовать для демонстрирования различия сильных и слабых электролитов, на ВУЗовском – для определения константы диссоциации электролита средней силы и его эквивалентной электропроводности при бесконечном разбавлении.

Основной сложностью при разработке интерфейса и методического обеспечения к химическому практикуму было избежать соблазна излишней автоматизации, превращающей студента в аппарат для тыкания в клавиатуру. «Человек должен думать, машина должна работать». Таким образом, в практикуме система L-Микро берет на себя рутинную работу по сбору информации, а человек задает объект, датчики, условия в среде и режим сбора. Он же задает алгоритм переработки полученной информации, базируясь на теоретических сведениях, приведенных в методическом руководстве. В идеале студент должен, получив формулировку задачи (или, еще лучше, сформулировав задачу), настраивать систему самостоятельно, но реально это требует довольно глубокого понимания как химии, так и возможностей датчиковых систем, что возможно только у студентов старших курсов профильных ВУЗов. Совершенно наоборот устроен интерфейс для демонстрационных экспериментов – здесь система берет на себя максимум функций, оставляя лектору время и силы для комментариев по сути наблюдаемых зависимостей. Однако в любом случае переход с одного интерфейса на другой не вызывает каких-то трудностей.