Статья опубликована в №144 (август) 2025
Разделы: Физика, Химия
Размещена 27.08.2025. Последняя правка: 22.08.2025.
Просмотров - 634

МЕЖДИСЦИПЛИНАРНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ ХИМИИ И ФИЗИКИ: ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОЙ ЛАБОРАТОРИИ «RELEON».

Манин Константин Владимирович

к.б.н.

ГАНОУ СО "Губернаторский лицей"

учитель биологии и химии, кафедра естественно-научных дисциплин (КЕНД)

Саранцев А. В., учитель физики, ГАНОУ СО «Губернаторский лицей»

УДК 004.9:535.651+544.354

Введение

В современном образовании, когда объем информации стремительно растет, особенно актуальным становится формирование у учащихся не просто суммы знаний, а целостного представления о мире, понимания взаимосвязи явлений и умения применять полученные знания на практике. Одним из путей достижения этой цели является интеграция различных учебных дисциплин, установление междисциплинарных связей, которые позволяют увидеть изучаемые предметы с разных сторон и глубже понять их суть.

Цифровые лаборатории, как современный инструмент обучения, предоставляют уникальные возможности для реализации междисциплинарного подхода. Они позволяют проводить наглядные эксперименты, собирать данные и анализировать результаты, а также моделировать различные процессы, что делает обучение более интерактивным и увлекательным [1].

Использование цифровых лабораторий особенно эффективно на различных этапах формирования понятий. Опираясь на описание Н.В. Залесовой [2], можно выделить три этапа в формировании и развитии понятий:

I этап – накопление, развитие опорных знаний (фактов соподчиненных понятий) как основных элементов содержания определяемого понятия; II этап – интеграция (синтез) элементов содержания и определение (выведение) на этой основе понятия; III этап – использование сформированного понятия как целостного знания по пути закрепления и дальнейшего развития (углубления, расширения, взаимослияния с другими и т.д.).

Понятия постоянно развиваются, расширяются и углубляются, и цифровые лаборатории могут эффективно применяться на каждом из этих этапов, обеспечивая наглядность и практическую значимость обучения.

В данной статье мы рассмотрим опыт совместного использования цифровой лаборатории Releon учителями химии и физики для изучения оптической плотности и электрической проводимости. Мы покажем, как использование одних и тех же датчиков Releon позволяет продемонстрировать связь между этими, казалось бы, разными понятиями, углубить знания учащихся, развить их исследовательские навыки и, что особенно важно, подчеркнуть единство научного знания.

Иногда доступных датчиков может оказаться недостаточно для проведения всех запланированных экспериментов по конкретному предмету. Это может быть связано со спецификой измерений, техническими особенностями датчиков или другими факторами. В таких случаях появляется возможность использовать датчики из цифровой лаборатории по другому предмету, демонстрируя тем самым универсальность оборудования и укрепляя междисциплинарные связи. Этот подход показывает учащимся, что научные инструменты и методы могут применяться в разных областях знания, и что понимание принципов работы этих инструментов способствует более глубокому пониманию мира вокруг нас.

В качестве примера такой интеграции мы рассмотрим использование датчика проводимости из химической лаборатории Releon для изучения электропроводности растворов на уроках физики, а также демонстрацию измерения оптической плотности на уроках химии, что позволяет учащимся в дальнейшем, при изучении соответствующих тем по физике, увидеть практическое применение изученных концепций.

Оптическая плотность (Химия)

Цифровые лаборатории «Releon» подходят как для базового уровня изучения естественных наук, так и для профильного обучения. Могут применяться для любых типов занятий и возрастных групп: от начальной школы (к примеру, использование датчика расстояния при знакомстве с линейкой) и заканчивая старшей школой (работая с осциллографом из комплекта для регистрации и изучения электрических сигналов).

Датчики из комплектов позволят заменить или не использовать часть устаревшего оборудования. Или, наоборот, задействовать старое для построения новых экспериментов. В нашем случае мы использовали датчик оптической плотности (калориметр) для наших экспериментов.

Перед началом работы необходимо установить програмное обеспечение Releon Lite для своей операционной системы с сайта производителя из раздела «Поддержка» [3]. Методики экспериментов и детальное описание датчиков прилагается к набору цифровой лаборатории.

В данном исследовании применялся датчики оптической плотности (калориметр) для регистрации изменений спектральной проницаемости растворов «Галогеналканов» и «Спиртов» [4;5]. На эту мысль меня натолкнуло детальное изучение методики экспериментов для цифровой лаборатории и желание проверить некоторые гипотезы.

При спектрофотометрическом определении многих биохимических показателей, величина эффекта будет зависеть не только от дозы (длины волны или интенсивности излучения), но также от вида используемого реактива [6; 7; 8; 9; 10]. На примере фотосинтетических пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) показано, что содержание данных компонентов в опытном растворе зависит от вида растворителя, его способности извлекать исследуемые пигменты и длины используемой волны [6; 11]. Полученные с помощью данного реактива молярные коэффициенты экстинции позволяет минимизировать данную разницу значений, которая зависит от вида растворителя, его способности извлекать исследуемые пигменты и длины используемой волны [11].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На данном этапе применения цифровой лаборатории использовался датчик оптической плотности для регистрации изменений спектральной проницаемости растворов «Галогеналканов» и «Спиртов». Полученные результаты были представлены ранее в предыдущей публикации [12].

В данной публикации были изображены пики оптической плотности полученные при измерении следующих растворов: контроль — дистилированная вода (первый пик) и опытные образцы гексан, дихлорметан, трихлорметан и четырёххлористый углерод (последующие пики). Как видно из полученных данных ширина полосы зависела от количества атомов водорода замещённых на галоген. На данных эксперимент натолкнули размышления об осуществлении опыта радикального бромирования алканов (Лабораторная работа №19). Дистилированная вода использовалась в качестве «холостой пробы».

Рисунок 1. Сравнение оптической плотности растворов спиртов (н-бутанол, изобутанол, изопентанол).

На рисунке 1 изображены значения оптической плотности полученные при измерении следующих растворов: контроль — дистилированная вода (красный график) и опытные образцы н-бутанол, изобутанол, изопентанол (синий график). Как видно из полученных данных оптическая плотность всех спиртов была на одном уровне по сравнению с Галогеналканами. Возможно, это связано с тем, что спирты являются хорошими растворителями для органических соединений. Кроме того, как было сказано ранее спирты позволяют полностью извлекать исследуемые соединения из растительного сырья по сравнению с ацетоном [6]. На данных эксперимент натолкнули размышления об осуществлении опыта окисления спиртов (Лабораторная работа №30). Дистилированная вода использовалась в качестве «холостой пробы».

Для уроков физики это заклад знаний дает расширение и углубление практических представлений о оптической плотности в 11 классе при изучении этой темой по физике в расширенном курсе, а так напоминание материала, а также возможности воочию увидеть, что есть устройства способные это измерить. Это особенно важно, так как способствует визуализации абстрактных понятий.

Тема "Электрический ток в различных средах", освещаемая в 8 классе , представляет собой основополагающий раздел физики, имеющий критическое значение для понимания электрических явлений и процессов. Ключевым концептом данной области является электропроводность, что можно определить как способность вещества проводить электрический ток. Для количественной характеристики электропроводности используется параметр, известный как удельная электропроводность, которая показывает, сколько тока может протекать через единичный участок поперечного сечения при установлении единичного градиента электрического потенциала. Разные среды обладают неодинаковой электропроводностью в зависимости от их атомной структуры и наличия свободных носителей заряда.

В рамках нашего исследования особое внимание уделяется жидким средам. Эти среды, отличающиеся от твердых проводников, где основными носителями заряда выступают электроны, основывают свою электропроводимость на движении ионов – положительно и отрицательно заряженных частиц. Существуют разные типы электролитов, такие как кислоты, соли и основания. Они обеспечивают проводимость через свободные ионы, которые образуются в результате их диссоциации в растворе.

Традиционно, для демонстрации особенностей электрической проводимости в различных средах используются демонстрационные эксперименты [13]. Однако, подготовка таких экспериментов сопряжена со значительными временными затратами и техническими сложностями, что ограничивает возможности проведения практических занятий и индивидуальной работы учащихся. В связи с этим, эффективным решением представляется использование цифровых лабораторий, в частности, цифровой лаборатории Releon по химии, предлагающей многофункциональный датчик для измерения электропроводности растворов в микросименсах (мкСм). Использование данного датчика позволяет заменить сложную экспериментальную установку и визуализировать результаты измерений в режиме реального времени, повышая наглядность эксперимента, сокращая время на подготовку, обеспечивая точность измерений и развивая исследовательские навыки учащихся.

Осуществляя эксперимент, мы изучили зависимость удельной электропроводности от времени для водных растворов. В качестве объектов исследования использовались: вода, раствор воды и поваренной соли и раствор воды и сахара.

Рисунок 2. Исследование зависимости удельной электропроводности от времени для водных растворов.

В результате проведенных опытов был составлен график зависимости удельной электроводимости от времени, в который включены три образца: обычная вода, раствор соли и раствор сахара. Значимость этого эксперимента заключается в наглядной демонстрации диапазонов электропроводности. Водопроводная вода показала электропроводность в пределах 480-510 мкСм, что объясняется наличием в ней свободных ионов, способных проводить электрический ток. При добавлении сахара в воду наблюдается незначительное изменение электропроводности, которая остается на уровне 217-228 мкСм. Это связано с тем, что сахар не является электролитом и не диссоциирует на ионы, не увеличивая тем самым количество свободных носителей заряда. В то время как раствор поваренной соли существенно повышает электропроводность до значений 20995-21010 мкСм благодаря диссоциации соли на ионы натрия (Na⁺) и хлора (Cl⁻).

Таким образом, значительное повышение электропроводности растворов в результате увеличения концентрации ионов подтверждает физические принципы, согласно которым чем больше свободных носителей заряда в среде, тем выше её проводимость.

Важно отметить, что знакомство учащихся с современным оборудованием, таким как цифровая лаборатория Releon, и полученные результаты экспериментов закладывают основы их знаний, которые будут полезны в дальнейшем процессе обучения, в том числе на уроках химии в 9 классе. Это предоставит им начальное представление о таких ключевых понятиях, как электрическая диссоциация, что существенно облегчит понимание более сложных тем в дальнейшем [14].

Заключение

Применение цифровой лаборатории Releon в образовательном процессе представляет собой эффективный подход к реализации междисциплинарной интеграции и формированию глубоких, прочных знаний у учащихся. Использование одного и того же оборудования, в частности, датчика проводимости из химической лаборатории Releon, как на уроках физики для демонстрации основ электрической проводимости в различных средах, так и на уроках химии для изучения электролитической диссоциации и влияния природы вещества на электропроводность растворов, позволяет достичь нескольких важных образовательных целей.

Во-первых, это способствует повышению наглядности обучения и развитию исследовательских навыков, позволяя учащимся самостоятельно проводить эксперименты, варьировать параметры и анализировать полученные данные. Визуализация результатов измерений в режиме реального времени облегчает понимание сложных физических и химических процессов, что особенно важно для учащихся, испытывающих трудности с абстрактным мышлением.

Во-вторых, это формирует у учащихся целостное представление о мире и взаимосвязи различных наук. Демонстрация того, что знания и навыки, полученные на уроках химии, могут быть успешно применены для решения задач на уроках физики, и наоборот, убеждает учащихся в единстве научного знания и его практической значимости.

В-третьих, это обеспечивает более глубокое усвоение понятий и способствует формированию прочных знаний. Активное участие в эксперименте позволяет учащимся лучше понять суть явлений, запомнить основные закономерности и научиться применять полученные знания на практике. Это особенно важно в контексте проблемы забывания изученного материала, с которой сталкиваются многие учащиеся.

Наконец, применение междисциплинарного подхода, когда знания и навыки, полученные на одном предмете, применяются на другом, способствует повышению успеваемости учащихся, развитию их познавательного интереса и формированию более целостного представления о мире. Исследования показывают, что подобная интеграция знаний приводит к более успешному освоению материала учащимися, а также развивает их исследовательские навыки и познавательный интерес. Таким образом, внедрение цифровых лабораторий в учебный процесс открывает новые возможности для повышения качества образования и подготовки учащихся к успешной деятельности в современном научно-техническом мире.

1. Маматова Г.Д., Кучкаров Т.С. Актуальные концепции «Цифровой университет»: литературный обзор отечественных и зарубежных исследований. // Информатика. Экономика. Управление, 2024, том 3, №1, с. 0101-0158.
2. Залесова Н.В. Формирование научных понятий //Известия Уральского государственного университета. - 2009, - № 4(68). – С. 126-134.
3. Методические разработки лаборатории «Releon» [Электронный ресурс]. URL: https://rl.ru/support (дата обращения: 11.08.2025).
4. Методические разработки лаборатории «Releon»: Лабораторная работа №21 «Свойства бромной воды» [Электронный ресурс]. URL: https://rl.ru/support (дата обращения: 11.08.2025).
5. Методические разработки лаборатории «Releon»: Лабораторная работа №30 «Окисление спиртов» [Электронный ресурс]. URL: https://rl.ru/ (дата обращения: 11.08.2025).
6. Lichtenthaler H.K., Wellburn A.R. «Determinations of total carotenoids and chlorophylla a and b of leaf extracts in different solvent». Biochemical Society of Transactions, 1983, 11, pages 591-592.
7. Ana-Maria Hossú, Mihaela Scripcariu, Cristina Radulescu, Elena Irina Moater, Ionica Ionita «Determinations chromatographiques, spectrophotometriques et titrimetriques de vitamine C dans pharmaceutiques» // Scientific study and research, 2006, Vol. VII, №1, pp. 233-238;
8. Şükran Dere, Tohit Güneş, Ridvan Sivaci «Spectrophotometric determination of chlorophyll – a, b and total carotenoid contents of some Algae species using different solvents». // Tr. J. of Botany, 1998, Vol. 22, pp. 13-17.
9. Alan R. Wellburn «The Spectral determination of chlorophylls a and b, as well as total carotenoids, using various solvents with spectrophotometers of different resolution». // J. Plant Physiol., 1994, Vol. 144, pp. 307-313.
10. Monge E., J. Val and L. Heras «Quantitative analysis of higher plant pigments by HPLC». // An Aula Dei, 1984, Vol. 17, №1-2, pp. 60-66
11. Sorby H.C. // Proc. Roy. Soc., 1873, Vol. 21, pp. 442-483.
12. Манин К.В. «Применение новых обучающих технологий на предмете химия»// Всероссийский профессиональный конкурс педагогического мастерства «Мастер-класс – традиции и инновации», в рамках федерального проекта «Современная школа», 2024.
13. Кунаш М.А., Телебина О.А. Использование цифровых лабораторий на уроках физики и химии. ГАУДПО МО «ИНСТИТУТ РАЗВИТИЯ ОБРАЗОВАНИЯ», 2023
14. Бабкина Наталья Владимировна. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ КАК СРЕДСТВА ИНТЕГРАЦИИ ХИМИИ И БИОЛОГИИ В ПРОЕКТНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБУЧАЮЩИХСЯ // Бюджетное общеобразовательное учреждение города Омска «Средняя общеобразовательная школа № 77», 2024

Рецензии:

28.08.2025, 9:01 Терентьев Евгений Николаевич
Рецензия: На меня хорошее впечатление произвела эта научная работа двух школьных учителей Манина К.В. и Саранцева А.В. Есть даже подробное Заключение и Библиографический список. Возможно, в следующей статье Манин К.В. с математиком популярно расскажут о самой лаборатории <<Releon>> школьникам для уроков информатики. Рекомендую к публикации. С уважением Терентьев Е.Н.

9.09.2025, 14:56 Балтаева Мухаббат Матназаровна
Рецензия: В статье рассматрены опыты совместного использования цифровой лаборатории Releon на уроках химии и физики с целью формирования междисциплинарных связей и углубления знаний учащихся. Представлен пример использования датчиков Releon для изучения оптической плотности (химия) и электрической проводимости (физика). В данной статье были изображены пики оптической плотности полученные при измерении следующих растворов: гексан, дихлорметан, трихлорметан и четырёххлористый углерод (последующие пики). Мне это очень впечатлило. Как видно из полученных данных ширина полосы зависела от количества атомов водорода замещённых на галоген. Даже на основание данных эксперимента можно и развития размышления об осуществлении опыта радикального бромирования алканов. Одним словом, мне очень понравилась, желаю удачи в дальнейших работах. С уважением доц., к.х.н.Балтаева М.М.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий