для чего в эксперименте необходимы технические средства
Наблюдение и эксперимент. Технические средства эксперимента
2. Наблюдение и эксперимент. Технические средства эксперимента
2.1 Наблюдение и эксперимент
Важнейшими методами естественнонаучного исследования являются наблюдение и эксперимент.
2.2 Технические средства эксперимента
Благодаря микроскопу, телескопу, рентгеновским аппаратам, радио, телевизору, сейсмографу и т.п. человек значительно расширил свои возможности восприятия.
Огромную роль в развитии биологии сыграл микроскоп. Открывшие человеку многие тайны живого мира. Сегодняшние технические средства дают возможность осуществить эксперимент на молекулярном, атомном и ядерных уровнях. Техника современного эксперимента состоит не только из высокочувствительных приборов, но и из специальных сложных экспериментальных установок. Например, для проникновения вглубь атомного ядра строятся громадные экспериментальные сооружения – синхрофазотроны.
Наукой сегодня активно используются для проведения экспериментов космические корабли, подводные лодки, различного рода научные станции, специальные заповедники. Успехи естествознания тесно связаны с усовершенствованием методов и средств измерения, с усовершенствованием приборов и установок, которые позволяют с всевозрастающей гибкостью и утонченностью изменять условия наблюдения и эксперимента. За последние десятилетия создана мощная вычислительная техника, которая не только составляет неотъемлемую часть современного экспериментального оборудования, но и включена теснейшим образом в сам процесс мышления.
3. Описание, объяснение и предвидения
Эмпирическое познание имеет дело с фактами и их описанием. При теоретическом анализе эмпирического материала логической обработке подвергается вся совокупность эмпирических данных, полученных различными путями и зафиксированных в различных источниках информации. В процессе теоретического мышления познание идет от фактов и их описания к интерпретации, объяснению их. Первым и необходимым условием объяснения фактов является их пониманием. т. е. осмыслением фактов в системе понятий данной науки.
Понятие явление – значит, выяснить те особенности, благодаря которым оно играет определенную роль в составе целого, раскрыть способ его возникновения.
Эмпирическое познание констатирует, как проистекает событие. Теоретическое познание отвечает на вопрос, почему оно проистекает именно таким образом. Эмпирическое познание ограничивается описанием, фиксацией результатов наблюдения и эксперимента с помощью соответствующих данной науке средств записи информации, таблиц, схем, графиков, и. т. п. Описание фиксирует и организует факты, дает их качественное и количественное характеристику, вводит факты, в систему выработанных в данной науке понятий, категорий, подготавливает фактический материал для объяснения.
Современные методы и технические средства эксперимента
Экспериментальные методы и технические средства современных естественно-научных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие технические устройства эксперимента основаны на физических принципах. Но их практическое применение выходит далеко за рамки физики – одной из отраслей естествознания. Они широко применяются в химии, биологии и других смежных естественных науках. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров и другой совершенной техники стали доступны для экспериментального исследования неизвестные ранее явления природы и свойства материальных объектов, стал возможен анализ быстропротекающих физических и химических процессов.
Лазерная техника. Для экспериментальных исследований многих физических, химических и биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:
· разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;
· создание ультрафиолетовых лазеров;
Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может перестраиваться, тем ценнее такой лазер для исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применяются лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазеров охватывает спектр от ближней ультрафиолетовой области до ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разработаны лазеры, длина волны которых составляет менее 300 нм, т. е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам относится, например, криптон-фторидный лазер.
Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых приближается к 1 ас. Такие лазеры, несомненно, позволят определить механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Возможности естественно-научных исследований расширяются с применением лазеров на свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Эксперимент показывает, что лазеры на свободных электронах отличаются высокой эффективностью перестройки длины волны при большой мощности излучения в широком диапазоне – от микроволнового излучения до вакуумного ультрафиолета.
Синхротронные источники излучения. Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых тел, определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений – успешному решению этих и других задач способствует синхротронное излучение.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из важнейших методов в разных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т. п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, химическое окружение атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнитного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем. Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.
Комбинированные приборы – хромато-масс-спектрометры – позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации одного из самых ядовитых веществ – изомеров диоксина.
Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящие внутри клетки.
Для определения строения молекул необходимо знать пространственное расположение атомов. Зная молекулярную структуру, легче понять физические и химические свойства соединения, механизмы химических реакций и идентифицировать новые соединения. Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур – рентгено-структурный анализ, основанный на явлении дифракции, – позволяет изучать все те соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии. Современные компьютеры расшифровывают рентгенограмму довольно сложной молекулярной структуры. Рентгеноструктурный анализ способствовал получению феромонов насекомых, применяемых для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для увеличения производства пищи и биомассы.
Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография, основанная на дифракции нейтронов. Для нейтронографии необходимы потоки нейтронов, которые получаются в ядерных реакторах, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения расстояния между атомами. Нейтронография успешно применяется при определении структур сверхпроводников, рибосом и других сложных молекулярных образований, а также расположения протонов, участвующих в образовании водородных связей, определяющих строение белков.
МЕТОДИКА
ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
Продолжение. См. № 27–28, 30, 31, 36, 38, 39, 40, 43, 45/2003;
5, 8/2004
§ 3.7. Химический эксперимент
и технические средства обучения
Химический эксперимент – важный источник знаний. В сочетании с техническими средствами обучения он способствует более эффективному овладению знаниями, умениями и навыками. Удельный вес технических средств обучения, используемых в средней школе, возрастает с каждым годом, т. к. они не только экономят учебное время, но и положительно влияют на качество обучения. Однако дидактические возможности многих из них до конца не раскрыты.
В комплексе с химическим экспериментом технические средства обучения могут служить:
своеобразной инструкцией (показ этапов выполнения лабораторных опытов, решения экспериментальных задач, различных действий, приемов, операций и др.);
источником новых знаний;
иллюстрацией при изучении нового материала;
средством закрепления и контроля полученных знаний (способствовать пониманию сущности происходящих явлений и процессов).
В связи с этим в химическом кабинете рекомендуется иметь кино-, эпидиа-, графопроектор, телевизор, микрокалькулятор, компьютер и другие устройства вместе с самими средствами обучения (кинофильмы, диафильмы, диапозитивы, видеозаписи и др.). К аппаратам необходимо иметь дополнительные приспособления для их использования: экран, подставки под аппаратуру и т.д. Кроме того, для кодо- и эпидиапроектора изготовляют специальные карточки на бумаге, пленке или стекле, а также необходима фильмотека, включающая кинофрагменты, кинокольцовки, звуко- и видеозаписи и др.
Особое внимание нужно уделять сохранности аудиовизуальных средств и аппаратуры. До урока преподаватель проверяет исправность аппаратуры, просматривает пленки, кинофрагменты и другие дидактические средства. Подготовленный к уроку демонстрационный материал преподаватель хранит в шкафу возле своего рабочего места, в ящиках и нишах демонстрационного стола. На демонстрационном столе устанавливают пульт управления освещением, затемнением, техническими средствами (если есть автоматическое дистанционное управление).
Широко используют в обучении химии кинофильмы, кинофрагменты и кинокольцовки. Это динамические наглядные пособия, в которых содержится информация о видимых и невидимых явлениях и процессах. С их помощью учащиеся могут изучить сущность химических явлений и процессов, рассмотреть принцип действия и функционирования установок на производстве, ознакомиться с технологией получения веществ. Наряду с этим они документально иллюстрируют технические и производственные достижения и тем самым способствуют формированию научного мировоззрения учащихся.
Из технических средств обучения наибольший интерес для проведения химического эксперимента представляют эпидиа- и кодопроектор. Ими, как правило, обеспечены химические кабинеты почти всех школ, они просты и безопасны в эксплуатации, позволяют проецировать на экран прозрачные и непрозрачные объекты и материалы. А несложные приспособления к ним дают возможность показа химических опытов на экране неограниченное время. С кодопроектором можно работать без затемнения.
Использование технических средств обучения делает химический эксперимент более управляемым и активизирует мыслительную деятельность учащихся.
Перед показом демонстраций, выполнением лабораторных опытов и по ходу их целесообразно ставить вопросы или показывать рисунки, которые позволяли бы ребятам правильно воспринимать новые явления и процессы, осмысливать и лучше их запоминать.
Следует учесть, что в большинстве случаев ученики обращают внимание лишь на внешние признаки объектов и явления, а главного, наиболее существенного могут не заметить или уделить ему недостаточное внимание. По этой причине процессом восприятия учащихся необходимо управлять. Например, для подготовки к восприятию отдельных стадий производства азотной кислоты перед демонстрацией процесса каталитического окисления аммиака целесообразно показать через кодопроектор cхему (рисунок) установки. Первая часть схемы установки соответствует стадии окисления аммиака, вторая – окислению оксида азота(II) в оксид азота(IV), третья – гидратации оксида азота(IV). Показ каждой части схемы сопровождается составлением на карточках уравнений реакций без коэффициентов. При последовательном наложении карточек с рисунками друг на друга учащиеся получают полное представление о трех стадиях производства азотной кислоты и химических реакциях, лежащих в их основе. В ходе описания установки преподаватель обращает внимание на оптимальные условия протекания реакций, на определение конечных продуктов. Сочетание рисунка и демонстрационного опыта улучшает понимание сущности отдельных стадий производства азотной кислоты в заводских условиях.
В тех случаях, когда опыты хорошо видны только с небольшого расстояния, эпидиа- и кодопроектор дает возможность спроецировать их на экран, улучшая таким образом их наглядность. Например, используя для проведения опытов чашку Петри, стеклянные пластинки или кюветы, изготовленные из прозрачной пластмассы (полистирол, оргстекло), можно демонстрировать через эпидиа- или кодопроектор движение ионов, поглощение древесным углем растворенных веществ, газов, взаимодействие щелочных и щелочно-земельных металлов с водой, электролиз растворов солей и др.
Наблюдение сущности изучаемого явления имеет осмысленный характер, если ребята имеют перед собой конкретный план. Например, перед демонстрацией электролиза раствора хлорида меди(II) через эпидиа- или кодопроектор проецируется карточка следующего содержания: «При наблюдении электролиза раствора хлорида меди(II) определите: какую окраску имеет электролит; по какому признаку можно судить, что на катоде образуется новый продукт; какой продукт образуется на катоде и почему; по какому признаку можно узнать, что на аноде происходит образование нового продукта; какой продукт выделяется на аноде и почему; изменяется ли окраска раствора электролита в ходе опыта и почему?»
После окончания работы учащиеся обсуждают результаты, изучают сущность электролиза данной соли и составляют его схему.
Учащимся одновременно с письменной инструкцией по выполнению лабораторного опыта или его демонстрации рекомендуется показывать рисунки или схемы используемых приборов или установок. Так, в описании практической работы «Получение аммиака и опыты с ним» приведен рисунок прибора, но учащиеся все равно собирают его с трудом и тратят на это немало времени. Сократить время на его сборку можно за счет расчленения ее на несколько этапов, показанных через эпидиапроектор.
По-другому можно поступить при демонстрации получения ацетилена карбидным способом и изучении его свойств. Учащимся показывают на экране рисунки четырех приборов для получения водорода, кислорода, аммиака и оксида углерода(IV). Перед учениками ставится задача: опираясь на имеющиеся знания о конструкции этих приборов и их назначении, выбрать один из них, с помощью которого можно получить ацетилен. Учащиеся по аналогии с этиленом предполагают, что нужно собрать прибор такой же, как для получения аммиака. Таким образом, они применяют приобретенные ранее знания, умения и навыки и накопленный практический опыт при работе в новых условиях.
Выполнение практических заданий требует иногда использования справочных таблиц, которых нет в учебнике. Обеспечить каждого ученика таблицами очень трудно, да и нет необходимости в этом. Достаточно показать через эпидиапроектор одну таблицу для всех. Например, при распознавании ионных неорганических веществ (катионы и анионы в растворах кислот и солей, а также анионы в растворах солей) и органических веществ демонстрируют справочные таблицы. В них приведены сведения о реактивах, необходимых для распознавания веществ и продуктов реакций в виде газов или твердых веществ с характерной окраской.
На заключительных уроках при систематизации и обобщении знаний и усовершенствовании умений и навыков за весь курс химии с помощью эпидиа- или кодопроектора можно проецировать на экран содержание лабораторных опытов и экспериментальных задач, которые составляет преподаватель.
Большую помощь оказывают преподавателю эпидиа- и кодопроектор в организации обучающего контроля и учета знаний, умений и навыков. Несмотря на то, что учащиеся выполняют одну и ту же практическую работу, качество ее оформления бывает различным. Показывая тетради для практических работ на экране, преподаватель сосредоточивает внимание учеников на встречающихся недостатках и таким образом предупреждает их повторение в дальнейшем.
Проверку тетрадей с помощью эпидиапроектора можно организовать следующим образом. По окончании практической работы преподаватель показывает на экране несколько тетрадей: а) с плохо выполненным заданием, но с хорошими и правильными рисунками, схемами; б) с хорошо выполненным заданием, но плохо оформленным графически; в) с правильно выполненным и хорошо оформленным графически заданием.
Учащимся, владельцам первых двух видов тетрадей (а и б), предлагается дать необходимые объяснения только по правильно оформленной части работы. К обсуждению той части работы, где допущены ошибки, привлекаются все ученики: они отмечают недостатки в работе и указывают, как нужно было ее выполнить. Показ в качестве образца хорошо оформленной тетради сопровождается иногда комментарием ученика. Использование эпидиапроектора дает возможность добиться аккуратного ведения тетрадей, более внимательного отношения к выполнению опытов, объяснению их сущности и т.д.
С помощью эпидиапроектора также проверяются результаты выполнения лабораторных опытов и решения экспериментальных задач.
Роль приборов в эксперименте
Когда речь идет о натуральных экспериментах следует помнить о специфической роли приборов в экспериментах.
Приборы делятся на:
Взаимодействие прибора и объекта должно приводить к такому состоянию регистрирующего устройства, которое может быть зафиксировано непосредственно органами чувств человека в виде макрообраза,поскольку сам человек представляет собой макроскопический прибор.
Прибор-усилитель (микроскоп, телескоп) применяется в том случае, когда сигналы остаются в обычных условиях за порогом ощущений или когда особенности среды затрудняют их непосредственное восприятие. Приборы-усилители сохраняют информацию инвариантной, т.е. они доставляют сигнал к органам чувств, не меняя при этом качественную определенность выходного сигнала и сигнала на входе.
Приборы-анализаторы (спектроскоп, хроматографическая бумага) путем непосредственного воздействия на предмет (физического, механического, химического разложения) позволяют преобразовать объект в такую форму, что появляется возможность получить с помощью органов чувств новую информацию об объекте. Расшифровка полученного сигнала осуществляется с помощью сравнения полученных данных с некоторым имеющимся эталоном.
Приборы-преобразователи используются тогда, когда информация об объекте в принципе не может быть получена органами чувств человека. В этом случае наблюдается качественное преобразование сигнала в носителе информации. Например, при исследовании электромагнитного поля, инфракрасного излучения, ультразвука, радиации создаются такие приборы, в которых протекают процессы, меняющиеся характерным образом под влиянием изучаемого явления. Например, приборы-индикаторы фиксируют наличие или отсутствие изучаемого явления. Очевидно, что между исследуемым явлением и прибором должна существовать причинно-следственная связь, имеющая однозначный характер.
Информация, полученная с помощью приборов-преобразователей, связана с «умозаключениями» от следствия к причине и носит условный характер. Она предполагает принятие двух предпосылок:
1)достоверность физических гипотез, лежащих в основании конструкции приборов;
3)порог чувствительности прибора.
В большинстве случаев при использовании приборов-преобразователей исследователь сталкивается с ситуацией, когда нельзя описать сущность изучаемого явления, не упоминая о приборе. Например, в понятие электрического поля входит упоминание о пробном заряде: напряженность электрического поля есть сила, действующая на единицу пробного заряда.
Приборы-регистраторы хранят полученную информацию в форме, допускающей ее последующее воспроизведение. Приборы-регистраторы имеют показания приборов в виде документа (фотопленка, магнитофонная лента, перфокарта). Существует два способа хранения информации – аналоговый и цифровой. При аналоговом способе регистрации информации рычаг-регистратор непрерывно царапает закопченную ленту цилиндра и воспроизводит в виде кривой эволюцию во времени изучаемого параметра.
Существует четвертый класс приборов – измерительно-информационные системы (НИС).НИС используются для исследования объектов в недоступной для человека среде – глубинах океана, в космосе. К НИС относится, например, ракетный спектрограф для фотографирования коротковолновой области спектра солнца.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Для чего в эксперименте необходимы технические средства?
Ответы 2
Эксперимент – это важнейшая составная часть научных
исследований. Его основой является научно поставленный опыт с
точно учитываемыми и управляемыми условиями.
Основной целью эксперимента являются выявление свойств
исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой
основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.
Они различаются [14]:
– по формирования условий (естественный и
– по целям исследования (преобразующие, констатирующие,
контролирующие, поисковые, решающие);
– по организации проведения (лабораторные, натурные и т.д.);
– по структуре изучаемых объектов и явлений сложные) и т.д.
Естественный эксперимент предполагает проведение опытов в
естественных условиях существования объекта исследования.
Искусственный эксперимент предполагает формирование
Преобразующий эксперимент включает активное изменение
структуры и функций объекта исследования в соответствии с
выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений
между компонентами объекта или между исследуемым объектом и
другими объектами. Исследователь преднамеренно создает условия,
которые должны формированию новых свойств и
Констатирующий эксперимент используется для проверки
Контролирующий эксперимент сводится к контролю за
результатами внешних воздействий над объектом исследования с
учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта.
Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена
классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие
отсутствия достаточных предварительных данных. По результатам
поискового эксперимента устанавливаются значимость факторов,
осуществляется отсеивание незначимых.
3.Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях
с применением типовых приборов, специальных моделирующих
установок, стендов и т.д. Чтобы не пораниться и не нанести себе вреда
4.Недостатком такой формы эксперимента является значительно большее число опытов для получения более точной картины физического процесса.