Разработка по внеурочной деятельности на тему: "Разработка фотометра и применение на уроках биологии."

Разработка по внеурочной деятельности на тему: «Разработка приборно-методического обеспечения на базе платформы Arduino для организации внеурочной деятельности учащихся средней школы»

Суровцовой Ольги Александровны

Введение. 3

Глава 1. Применение платформы Arduino для организации эксперимента по химии. 5

1.1 Платформа Arduino.Общие сведения. 5

1.2 Обзор приборно-методических решений для организации работ учащихся в области физической химии. 7

1.3 Методы использования платформы Arduino для организации внеурочной деятельности учащихся по физической химии. 10

Глава 2. Разработка приборно-методического обеспечения для физико-химических измерений на базе Arduino 15

2.1 Разработка конструкции фотометра 15

2.1.1 Разработка корпуса фотометра 15

2.1.2. Сборка фотометра 17

2.1.3. Программирование фотометра 18

2.2 Разработка экспериментальных работ по физической химии. 23

Глава 3. Разработка и апробация методических рекомендаций 32

3.1 Роль и место экспериментальных работ в области физической химии в курсе химии. 32

3.2 Организации экспериментальных работ в области физхимии. 34

Заключение: 40

Список использованной литературы 41

Актуальность:

Формирование экспериментально-исследовательских умений, обучающихся требует, как изменения подхода в работе с учебным оборудованием, так и расширение его ассортимента. Как показали исследования в школьной практике экспериментально-исследовательские умения успешно формируются при организации проектной деятельности учащихся, которая дает возможность совершенствовать и систематизировать практические умения и навыки в работе с лабораторным оборудованием, в организации и проведении исследования. На данный момент выпускается достаточно много исследовательского оборудования и специализированных учебных приборов, которые предназначены для выполнения исследовательских работ, но большая стоимость делает их малодоступными для большинства школ. Кроме того, достаточно специализированным и не позволяет выполнять большое число экспериментов, и, как правило, является «черным ящиком» - выдающим некие данные измерений по не понятным учащимся принципам.

Как альтернатива использованию готового учебного оборудования для организации проектной деятельности в последние годы в исследованиях зарубежных и отечественных авторов активно развивается подход, базирующийся на конструировании оборудования при активном участии обучающихся.

Цель работы: разработать прибор фотометр на базе платформы Arduino ДЛЯ использования во внеурочной деятельности учащихся средней школы в области физической химии.

Объект исследования: аппаратно-программная платформа Arduino.

Предмет исследования: разработанный фотометр на базе платформы Arduino.

Задачи исследования:

1. Выявить наиболее доступное, недорогое и несложное в программировании аппаратно-программное обеспечение для конструирования фотометра для общеобразовательных школ.

2. Разработать инструкцию по сборке фотометра для использования во внеурочной деятельности учащихся средней школы в области физической химии, позволяющего измерять оптическую плотность, выводить данные на дисплей, а также с возможностью программирования и способного осуществлять вывод данных на персональный компьютер.

3. Разработать методические рекомендации применения фотометра на базе платформы Arduino для использования в организации внеурочной деятельности учащихся по физической химии.

Теоретическая значимость: выражается в получении данных, которые свидетельствуют о возможности использования учащимися фотометра в школьной лаборатории по физической химии.

Практическая значимость: заключается в том, что, разработанные методические рекомендации по конструированию и применению измерительного учебного оборудования на базе Arduino могут быть использованы учителями школы в процессе обучения химии в области физической химии.

База исследования: работа проводилась на базе кафедры теоретической и

прикладной химии Московского государственного областного университета

(МГОУ) – 5 корпус.

Структура выпускной квалификационной работы: работа состоит из

введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы.

Аппаратная платформа «Arduino» открывает огромные возможности по автоматизации приборов для всех тех, кто увлечен робототехникой и электроникой. Для этого при этом не обязательно быть программистом и обладать специальными знаниями, необходимо только желание и творческую идею.

Arduino (рис 1.)–это платформа построена на печатной плате с интегрированной средой для написания программного обеспечения. Платформа принимает цифровые и аналоговые сигналы с разнообразных устройств, а также имеет возможность управления с различных устройств, а также датчиками.

Рис 1. Примеры платформ Arduino.

Плата «Arduino» - это самостоятельный процессор, у которого есть своя память и он снабжен множеством стандартных вводов и выводов. К нему можно легко подключать самые разные устройства и механизмы, сенсоры, датчики, соединительные провода, кнопки и прочее.

Базовый микроконтроллер Arduino (версия «Uno») состоит из микросхемы ATmega и содержит 14 цифровых входов/выходов и 6 аналоговых входов. Питание может осуществляться от аккумулятора, сетевого адаптера или компьютера (через USB-порт). Скрипты (также называемые «эскизами») могут быть написаны на языке, производном от C, с использованием бесплатного программного обеспечения интегрированной среды разработки (IDE) и загружены на печатную плату (PCB) Arduino через порт USB. [11]

Существуют различные виды плат Ардуино:

Arduino UNO- самая распространенная и простая в понимании для начинающих. У платы имеется 14 цифровых входов и выходов, как входы ШИМ могут использоваться 6, а также 6 аналоговых выходов. [26]

Рис 2. Платформа Arduino UNO.

Arduino MEGA- плата более мощная и объемная, чем Arduino UNO, также обладает более большим размером. У данного вида микроконтроллера есть загрузчик, необходимый для установки новых программ, при это не обязательно иметь дополнительных программаторов. Принципиальное отличие от Arduino Uno состоит в том, что платформа имеет большое количество входов/выходов: 54 цифровых входов/выходов, 16 аналоговых. По размеру соответственно плата больше. Данная плата совместима с расширениями и модулями для платформ Duemilanove и Uno. Ее флеш-память составляет 256 КБ. В отношении этой платы действуют те же принципы работы, как и в отношении платы Arduino UNO. [28]

Рис 3. Arduino MEGA.

Arduino Nano- по функциональности плата схожа с платформами Arduino UNO, но отличается меньшими размерами. Данная платформа обладает 14 цифровыми входами/выходами, 6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ, 8 аналоговыми выходами. Флеш-память составляет 32 КБ. [28]

Рис 4. Arduino Nano.

Arduino Pro mini - принципиальное отличие данной платформы от всех других это ее миниатюрность. В связи с этим использование данной платы особенно популярно в работе с небольшими устройствами. Соответственно из-за компактных размеров данной платы к ней не подключить «по принципу бутерброда» расширения более крупных плат, однако их можно подключить с помощью дополнительных коннекторов. Флеш-память для хранения программ составляет 16 КБ. В целом технические характеристики программируемого контролера Arduino Pro mini очень схожи с характеристиками других плат Arduino. Основное отличие – это отсутствие USB-интерфейса. Благодаря этому достигается миниатюрность в размерах, но возникает необходимость в использовании дополнительного модуля, типа мини-USB-коннектора, чтобы подключить плату к компьютеру для загрузки программы. [28]

Рис 5. Плата Arduino Pro mini.

1. Обзор приборно-методических решений для организации работ учащихся в области физической химии.

Для организации работы учащихся есть несколько цифровых лабораторий.

Одна из них — это цифровая лаборатория «Унитех»- Цифровая лаборатория предназначена для проведения лабораторных и практических работ по химии в рамках школьной общеобразовательной программы (8-11 класс), проведения демонстрационных химических опытов, организации элективных курсов, внеурочной, учебно-исследовательской и проектной работы по дисциплинам химии. [26]

Данная цифровая лаборатория имеет удобное рабочее место. В данной лаборатории каждый модуль имеет совокупность исполнительных и измерительных устройств, которые интегрированы в программное обеспечение и в само оборудование. Все вместе объединяется в прибор, который сопровождается методическим обеспечением. В наборе также имеются химические реактивы и химическая посуда.

У данной цифровой лаборатории есть свои преимущества:

✓ многофункциональность, замерные измерители любого модуля обладают многофункционый микроразъем также имеют все шансы применяться с целью деятельность в абсолютно всех модулях.

✓ осуществление учено-экспериментальных трудов, в учебно-лабораторных ансамблях возможно осуществлять никак не только лишь стандартные лабораторную деятельность, однако кроме того регулировать креативные экспериментальные также академические проблемы.

✓ инновационные числовые технологические процессы, функционировать возможно равно как в самый-самом учебно-лабораторном оснащении, таким образом также со поддержкой наружного приборы присутствие подсоединении ко узе WI-Fi.

Из них выделяют:

Цифровая лаборатория Унитех «Химия» базовая

Цифровая лаборатория специализирована с целью выполнения лабораторных также фактических трудов согласно химии во рамках школьной общеобразовательной программы (8-11 классов), выполнения демонстрация химических экспериментов, компании элективных направлений, внешкольной, учебно-экспериментальной также предназначенной деятельность согласно дисциплинам химии на базовом уровне в образовательных учреждениях средней школы, начального и среднего профессионального образования.

Цифровая лаборатория Унитех «Химия» расширенная

Цифровая лаборатория предназначена для проведения лабораторных и практических работ по химии в рамках углубленной программы (8-11 класс), проведения демонстрационных химических опытов, организации элективных курсов, внеурочной, учебно-исследовательской и проектной работы по дисциплинам химии.

Учебно-лабораторный комплекс «Физическая химия».

В данный комплекс входит несколько модулей:

Модуль Электрохимия включает в себя: вольтметр; pH-метр; кондуктометр; набор металлических и ионоселективных электродов; термодатчик; микроамперметр; источник тока со встроенным кулонометром(до 20В, до 400 мА).

Модуль Кинетика: жидкостный термостат (0.5°С); погружные фотоколориметры (470 и 660 нм); кондуктометр; термодатчик; датчик объёма газа; встроенная магнитная; мешалка; нагреватель пробирок.

Модуль Термодинамика: прецизионный Pt термометр (разрешающая способность 0.001°C); pH-метр; калориметр; термопара до 1000°С; датчик давления (от 10Па до 100кПа); компактный вакуумный насос (остаточное давление до 10Па).

Цифровая лаборатория «Архимед» по химии.

Цифровая лаборатория по химии предназначена для проведения экспериментов на уроках химии и проектно-исследовательской деятельности учащихся. [28]

Выдающиеся качества цифровой лаборатории «Архимед»: разрешает выслеживать и показывать все итоги опытов, давать вероятность статистической обработки приобретенных данных, гарантировать приятное представление итогов: возводить линейные графики, гистограммы, таблицы, разрешает предохранять итоги, с вероятностью их выгрузки в формат табличного редактора Excel.

1. Методы использования платформы Arduino для организации внеурочной деятельности учащихся по физической химии.

Одним из ведущих и популярных методов является фотометрия.

Суть фотометрического метода состоит в переводе определяемого компонента в окрашенное соединение, после чего измеряется насыщенность

окраски приобретенного раствора.

С целью замера насыщенности окраски применяют фотометры (рис 6.) – приборы, в которых монохроматический свет пропускают через кювету с исследуемым раствором. Прошедший через раствор световой поток поступает на фотоприёмник, преобразующий энергию световой волны в электрический ток. Полученный электрический сигнал попадает на измерительное устройство. [16]

Рис 6. Электрическая схема фотометра.

Недостатком применения профессиональных фотометров для организации исследовательской деятельности в школе является его сравнительно высокая стоимость для школьного варианта употребления, а также и невозможность текущего ремонта непосредственно потребителем. фотометров имеют стоимость – 40-80 тыс. руб.. Кроме того, профессиональное оборудование, как правило, является «черным ящиком» - выдающим некие данные измерений по непонятным учащимся алгоритмам. Как альтернатива использованию готового учебного оборудования для организации проектной деятельности в последние годы в исследованиях зарубежных авторов активно развивается подход, базирующийся на конструировании оборудования при активном участии обучающихся.

При изготовлении самодельных фотометров в качестве источника излучения используют светодиод, применяют световой диод (техническое средство или вещество, которое указывает на наличие определенного свойства объекта измерения при превышении порогового значения соответствующей величиной.) – фотодиод или фоторезистор. Корпуса приборов изготавливают из подручных материалов с применением простейших операций или методом 3d-печати. Регистрация сигнала осуществляется бытовым цифровым тестером или с применением контроллера Arduino. [16]

В журнале Chemical Education в одной из статей рассказывают о четырехцветном недорогом светодиодном фотометре, который разработали для преодоления роста стоимости лабораторного оборудования, которое используется в лабораториях общей химии. Устройство само по себе, небольшое, компактное и удобное в студенческой и школьной лабораториях.

Такую разработку уже можно использовать в учебном процессе, так как оно доступно по цене и небольшое и удобное размером. [9]

Ещё одним наиболее распространённым методом, является кондуктометрия.

Кондуктометрия – это метод, основанный на измерении электропроводности раствора.

Стоимость кондуктометров тоже относительно недешёвая. Так же существует проблема в том, что прибор выдаёт некие данные и, как правило, обучающийся не понимает и не вникает в их смысл.

В том же журнале Chemical Education есть и другая статья использования платформы Arduino, в которой описывается комбинированный УФ-фотометр и флуориметр, состоящий из 3 светодиодов и нескольких проводов, скрепленных кубиками Lego. Прибор имеет гибкую конструкцию. В самом простом варианте два УФ-светодиода (355 нм) используются в качестве источника света и для обнаружения поглощения, а третий светодиод в видимом спектре (например, 525 нм) используется для обнаружения флуоресценции. Описаны различные эксперименты: флуоресценция в зависимости от концентрации и интенсивности источника света; количественные измерения хинина в тонике с использованием измерений поглощения и флуоресценции с результатами, соответствующими результатам, полученным на научных приборах. [6]

Рис 7. Схема флуориметра.

Изучив публикации зарубежных авторов, видно, что зарубежные исследователи предлагают использовать не готовое оборудование при организации проектной деятельности, а вовлекают обучающихся в его конструирование для дальнейших исследований.

Рядом зарубежных фирм в настоящее время выпускаются коммерчески доступные обучающие наборы, представляющие собой набор деталей, из которых учащийся по приложенной инструкции может изготовить колориметр, флуориметр и другое оборудование и провести с ним ряд экспериментов в области естественных наук.

Выводы по Главе 1.

Для реализации проектных работ по физической химии можно применять различные методы анализа. Такие как: фотометрия, флуориметрия, кондуктометрия. Проблема использования этих методов в школьной лаборатории — это дороговизна оборудования для этих методов.

В связи с этим становится актуальным создание недорогого оборудования с несложным алгоритмом использования. В ряде зарубежных стран активно развивается метод привлечения обучающихся в конструировании подобного оборудования. Наиболее удобной «основой» для конструирования приборов для общеобразовательных школ является платформа Arduino, с помощью которой можно воплотить в реальность практически любую задумку, не затрачивая много сил и денежных средств. Вовлечение обучающихся в проектную деятельность с использованием технологий платформы Arduino поможет развить интерес у учащихся и поможет развить у них метапредметные универсальные учебные действия.

Спектрофотометрия - широко используемый метод при котором на образец излучается свет с определенной длиной волны, а доля света, прошедшая через образец (т. е. коэффициент пропускания), измеряется датчиком. Затем можно рассчитать оставшуюся долю света, которая была рассеяна или поглощена образцом (т. е. поглощение), и использовать ее для измерения множества различных химических и биологических явлений. [7]

Необходимая аппаратура

1. Плата Arduino UNO

2. Кабель USB

3. Кабели регистрации сигнала

4. Компьютер (ноутбук)

5. Светодиод

6. Фотодиод или фоторезистор

7. Корпус прибора, изготовленный своими руками

Корпус фотометра производился с помощью 3-D печати.

На рис.8 и рис.9 представлены схемы корпуса фотометра и кюветы. На рис.10 показана печать деталей прибора-фотометра.

Рис.8 Схема и изображения проточной кюветы, напечатанной на 3D-принтере (слева)и держатель кюветы.

Рис.9 Схемы корпуса фотометра

Рис.10 Печать деталей корпуса фотометра.

Для сборки фотометра необходимо спаять платформу Arduino с корпусом, распечатанным на 3-D принтере. Для этого необходимо знать строение платы и за что отвечает каждый порт платформы.

Конфигурации контактов

Порт B представляет собой 8-битный двунаправленный порт ввода-вывода с внутренними подтягивающими резисторами (выбирается для каждого бита). Выходные буферы порта B имеют симметричные характеристики привода как с высокой приемной, так и с исходной способностью. В качестве входных сигналов контакты порта B, которые внешне тянутся низко, будут подавать ток, если будут активированы подтягивающие резисторы.

Порт C - это 7-битный двунаправленный порт ввода-вывода с внутренними подтягивающими резисторами (выбирается для каждого бита). В качестве входных сигналов контакты порта С, которые внешне тянутся низко, будут подавать ток, если будут активированы подтягивающие резисторы. Контакты порта C трижды заявляются, когда условие сброса становится активным, даже если часы не работают.

Порт D - это 8-битный двунаправленный порт ввода-вывода с внутренними подтягивающими резисторами (выбирается для каждого бита). Выходные буферы порта D имеют симметричные характеристики привода как с высокой приемной, так и с исходной способностью. В качестве входных сигналов контакты порта D, которые внешне тянутся низко, будут подавать ток, если будут активированы подтягивающие резисторы.

Сборка корпуса прибора к плате Arduino. Необходимо подсоединить провода в следующем порядке:

• Красный провод – 5V

• Синий – GND

• Белый – A0

При верном алгоритме действий внутри корпуса прибора должен загореться жёлтый светодиод. Следовательно, подключение платформы к компьютеру прошло успешно.

Рис. 11 Схема платформы Arduino.

После того как прибор собран загружаем приложение Arduino на персональный компьютер и приступаем к подключению платы Arduino непосредственно к персональному компьютеру или ноутбуку при помощи порта USB. На платформе должен загореться индикатор.

Далее открываем приложение Arduino и в окне « Инструменты» нажимаем кнопку «Получить информацию о плате». Должен появиться номер платы.

После того как прибор собран, необходимо приступить к программированию платформы Arduino. Вся информация и структура Arduino находится в открытом и бесплатном доступе в сети интернет в том числе и на официальном сайте Arduino. У Arduino есть своя среда разработки Arduino IDE, где можно найти готовые скетчи для программирования. Там же можно воспользоваться онлайн-компилятором.

Arduino IDE – интегрированная среда для Windows, MacOS и Linux, разработанная на языке С+ и C ++, предназначенная для создания и загрузки программ на Arduino-совместимые платы, а также на платы других производителей.

Для этого на официальном сайте есть специальные программы-скетчи. Примером такого скетча представлен на рис.11.

Скетч - это программа для программирования, написанная для платформы Arduino.

Рис. 12 Скетч-программа.

Следующим шагом является запись скетча на плату Arduino. Для этого в верхнем углу окна приложения Arduino необходимо нажать кнопку «Скетч» - далее «проверить/компилировать» - далее « загрузка». Загрузить уже подготовленный ранее нами скетч, который в процессе можно редактировать. Включаем монитор порта. Там должны пойти цифры.

Обозначения в скетче

• #define analogInPin A0 – Сообщаем скетчу, что мы будем измерять значение сигнала, приходящего на А0 (так как один из проводов идущих от самого прибора непосредственно к плате Arduino соединён именно через клемму А0). Если обучающийся захочет применить другую клемму, соответственно в скетче задаётся нужное название.

• #define k 159.4 – Задаём коэффициент (k) и вводим необходимое для наших исследований значение. (Можно задать любую букву и любое значение коэффициента, в зависимости от поставленных задач).

• u1 = ((float) analogRead(A0)) – Выдаёт значения, приходящие на А0.

• u2 =100 – Число, которое определяется отдельным алгоритмом действий и соответствует значению холостого раствора.

• A = log(u1) – log (u2) – Скетч вычисляет значение оптической плотности по приведённой формуле закона Бугера – Ламберта – Бера.

• Conc = A*k – Вычисляет значение концентрации.

• Serial. print («A= ») – В окне с данными полученные результаты будут обозначаться буквой « А». ( Можно задать любую букву, либо для большего удобства само название изучаемых данных).

• Serial.println (A, 3) – Скетч выдаёт значение концентрации А с 3^мя, знаками после запятой. (Число цифр после запятой можно задать любое).

• delay (2000) - Обновляет полученные значения концентрации А каждые 2000 миллисекунд ( 2000 миллисекунд = 2 секунды). (Количество миллисекунд между измерениями можно редактировать под более удобное).

Для того чтобы выставить значение холостого раствора на 0 необходимо:

Из надписи в строчке Serial.println (A, 3) видно, что скетч выводит нам значения равные оптической плотности А.

• Изменим А на u1и загрузим скетч, предварительно вставив в прибор пробирку с холостым раствором (водой).

• Включаем монитор порта и ожидаем примерно 60 секунд. За этот промежуток времени Arduino выдаст около 30 показаний близких по значению к цифре 257. По выданным значениям видно, что среднее значения получается равным 257.

• В соответствии с полученными данными задаём в скетче значение u2 = 257.

• Меняем обратно u1 на А в строке Serial.println (u1, 3). Загружаем скетч, смотрим монитор порта и видим значения равные 0. (Значения могут быть с небольшой погрешность к примеру 0, 004 – это не является ошибкой).

Полученные значения обрабатывают в программе для работ с электронными таблицами Microsoft Excel. Чтобы выделить все полученные показатели необходимо в окне «монитор порта» нажать одновременно клавиши на клавиатуре ctrl A. Затем ctrl C, чтобы скопировать выделенную область. Далее открыть документ Microsoft Excel и вставить туда скопированные данные.

Рис.13 Таблица для экспорта данных в MS Excel с помощью макроса PLX-DAQ

Для апробации собранного прибора были разработаны методики экспериментальных работ по физической химии.

Первая экспериментальная работа заключалась в определении энергии активации реакции разложения триоксалатоманганата (III) калия.

Для данной лабораторной работы был использован практикум по физической и коллоидной химии Петренко Д.Б. [20]

В работе были использованы следующие оборудование и реактивы: собранный прибор-фотометр, термостат, конические колбы вместимостью 100 см3, пипетки, 0,1 М щавелевая кислота; 0,01 М KMnO4; мерная колба объемом 100 см3 для приготовления раствора MnSO4.

Для приготовления растворов нужно в колбу №1 с помощью мерных пипеток налить 8 см3 0,1 М MnSO4 и 56 см3 0,1 М Н2С2О4. В колбу №2 налить 16 см3 0,01 М KMnO4. Затем слить растворы, отмерить время сливания по секундомеру и перемешайте полученный раствор. При этом практически мгновенно образуется триоксалатоманганат(III)-ион. Заполнить кювету полученным раствором, поместить ее в фотометр и измерить оптическую плотность растворов 10 раз через каждые 30 секунд. По окончании измерений кювету выньте из прибора и промойте водой.

Рис. 14 График полученных результатов по опыту.

Рис.15 График полученных результатов по 2 опыту.

Далее послу получения результатов необходимо рассчитать значения скорости реакции по формуле (1) для каждой температуры и вычислите среднее значение константы. Расхождения в значениях k не должны превышать 20 %.

(формула 1)

Рассчитываем энергию активации реакции по значениям констант скорости для двух температур и описанным выше графическим методом.

Рис.16 Таблица рассчитанных значений скорости реакции.

Используя фотометр, мы рассчитали константу скорости распада комплексного триоксалатоманганат(III)-иона. Это показывает, что с помощью данного прибора мы сможем в дальнейшим проводить измерения по разделу физической химии.

Следующий эксперимент по определению железа с сульфосалициловой кислотой спектофометрическим методом.

Спектрофотометрический метод определения Железа с

сульфосалициловой кислотой

Для данного эксперимента нужны следующее оборудование и реактивы:

1. Сульфосалициловая кислота, 20%-ный раствор. В колбу на 500 см3 вносят 100 г сульфосалициловой кислоты, перемешивают и приводят раствор

вплоть до отметки водою.

2. Стандартный раствор железа. Раствор с концентрацией железа 2 мг/см3 готовят растворением 1,000 г металлического железа (ч.д.а.) в 50 см3 HCl (1:1) в мерной колбе объемом 500 см3 и доводят объем водой до 1 дм3.

3. Рабочий раствор железа. Для приготовления рабочего раствора железа с концентрацией 100 мг/дм3 10 см3 стандартного раствора разбавляют дистиллированной водой в мерной колбе объемом 200 см3.

4. Водный раствор аммиака, 25%-ный (ч.д.а.).

Принцип методики. Методика основана на реакции образования комплексного соединения Fe(III) с сульфосалициловой кислотой, которое в щелочной среде обладает желтой окраской. В условиях определения Fe(II) окисляется до Fe(III).

Выполнение измерения концентрации железа.

В мерную колбу емкостью 50 см³ вносят 25 см³ анализируемого раствора, добавляют 5,0 см³ 20%-ного раствора сульфосалициловой кислоты и затем по каплям 25%-ный аммиак до перехода окраски с фиолетовой в устойчивую желтую, доводят до метки водой и перемешивают. Через 30 мин измеряют оптическую плотность растворов при длине волны 430 нм в кювете с толщиной оптического слоя 1 см относительно раствора сравнения, не содержащего железа.

Рис. 17 График определения железа на собранном фотометре.

Рис.18 График определения железа на профессиональном спектрофотометре.

Из данных графиков (рис.17) и (рис.18) мы можем сделать вывод, что собранный нами фотометр выдает нам значения идентичные значениям, измеренными на профессиональном спектрофотометре. Что дает нам возможность использовать фотометр в школьных и университетских лабораториях. Данные отличаются на минимальные значения.

Спектрофотометрический метод определения

Fe(II) и Fe общего с 2,2'-дипиридилом.

Необходимые реактивы

1. Объединенный раствор для определения железа. В колбу на 1000 см³ вносят 14,6 г ацетата натрия 3-х водного, 6 см³ ледяной уксусной кислоты, 1,9 г винной кислоты, 7,5 см³ 25%-ного раствора аммиака и 0,25 г 2,2'-дипиридила растворенного в 15 см³ этанола, перемешивают раствор и доводят раствор до метки дистиллированной водой.

2. Стандартный раствор железа. Раствор с концентрацией железа 2 мг/см³ готовят растворением 1,000 г металлического железа (ч.д.а.) в 50 см³ HCl (1:1) в мерной колбе объемом 500 см³ и доводят объем водой до 1 дм³.

3. Рабочий раствор железа. Для приготовления рабочего раствора железа с концентрацией 10 мг/ дм³ 1 см³ стандартного раствора разбавляют дистиллированной водой в мерной колбе объемом 200 см³.

Принцип методики. Пробу объемом 5 см³ отбирают в полипропиленовую пробирку емкостью 10 см³, в которую предварительно помещен объединенный раствор для определения железа. При этом образуется окрашенное в красный цвет комплексное соединения Fe(II) с 2,2'-дипиридилом. Ион Fe (III) при этом в реакцию не вступает. Для определения общего железа к раствору, в котором определено Fe(II), добавляют аскорбиновую кислоту, восстанавливающую Fe(III) в Fe(II) и проводят повторное измерение оптической плотности.

Измерение концентрации Fe(II)

Пробу объемом 5 см³ отбирают в полипропиленовую пробирку емкостью 10 см³, в которую предварительно помещено 5 см³ объединенного раствора. При выполнении анализа отбирают две параллельные пробы. При наличии в образце Fe(II) оно вступает в реакцию с 2,2'-дипиридилом и раствор окрашивается в красный цвет. Для полного развития окраски достаточно 20 минут. Ион Fe(III) при этом в реакцию не вступает. Измеряют оптические плотности градуировочных растворов и исследуемых образцов при λ = 525 нм, l = 2 см, относительно объединенного раствора, разбавленного в соотношении 1:1 дистиллированной водой.

Измерение концентрации Fe_общ.

Для определения общего железа к раствору, в котором определено Fe(II), добавляют ≈ 100 мг аскорбиновой кислоты, пробирки с растворами энергично встряхивают и через 20 минут измеряют его оптическую плотность в тех же условиях, что и при определении Fe(II).

Рис. 19 График определения железа с 2,2'-дипиридилом на профессиональном спектрофометре.

Рис.20 График определения железа с 2,2'-дипиридилом на собранном фотометре.

Данные полученные в ходе лабораторной работы были перенесены на графики (рис.19) и (рис 20). Как мы наглядно видим данные полученные в ходе лабораторного эксперимента, измеренные на собранном фотометре и профессиональном спектрофотометре, отличаются на минимальные значения, что дает нам право использовать фотометр в проектной деятельности.

Выводы по главе 2:

Для организации проектной деятельности был разработан фотометр, а также методики применения собранного прибора-фотометра.

В ходе проведения лабораторных экспериментов удалось убедиться в эффективности работы собранного фотометра и его работоспособности. Таким образом, можно сделать вывод, что собранный фотометр пригоден для использования как в школьной лаборатории, так и в университетских лабораториях.

.

Согласно п.13 ФГОС СОО внеурочная деятельность считается обязательной составляющей главной общеобразовательной программы, определяющей цели, задачи, планируемые результаты, содержание и организацию образовательной деятельности при получении среднего общего образования и реализуется организацией, осуществляющей образовательную деятельность с соблюдением требований государственных санитарно-эпидемиологических правил и нормативов. [19]

Согласно п.13 ФГОС СОО внеурочная деятельность организуется на добровольной основе. Добровольность роли во внеурочные работы гарантируется для обучающегося сквозь вероятность выбора членами образовательных отношений программ курсов внеурочной работы (модулей программ, в случае если программка курса внеурочной работы построена по модульному принципу). Для обеспечивания осмысленного выбора в начале учебного года участникам образовательных отношений (обучающимся и их опекунам (законным представителям)) целенаправленно предположить информацию обо всех предлагаемых ведущей общеобразовательной организацией программках курсов внеурочной работы (модулях программ) на уровне среднего совместного образования, размере и сроках их реализации, ведущем содержании, обликах и формах работы.

В согласовании с Методическими советами по внеурочные работы формы внеурочной работы обязаны предугадывать энергичность и самостоятельность обучающихся; соединять персональную и массовую работу; гарантировать гибкий режим занятий (продолжительность, последовательность), переменный состав обучающихся, проектную и исследовательскую работа.

План внеурочной деятельности является частью организационного раздела ООП СОО (п. 14 ФГОС СОО). Он должен отражать систему функционирования общеобразовательной организации в сфере внеурочной деятельности, с учетом аспектов, актуальных для уровня среднего общего образования: профилизации обучения, профессионального самоопределения личности, развития самоорганизации, формирования активной субъектной позиции обучающихся. ПООП СОО, (пункт III.2.Примерный план внеурочной деятельности) фиксирует необходимость включения в план внеурочной деятельности среднего общего образования трех компонентов: компонента, учитывающего образовательные запросы обучающихся, поступившие через систему школьного самоуправления; компонента, обеспечивающего реализацию образовательных событий и ориентированного на решение задач воспитания, социализации, формирования коллектива класса, уклада школьной жизни; компонента, обеспечивающего вариативные образовательные запросы обучающихся в соответствии с выбранными профилями обучения.[19]

Осуществление внеурочной работы в форме проектной работы

• Действенной формой организации внеурочной работы считается

проектная работа (учебный проект).

• План производится обучающимися автономно под управлением

педагогического сотрудника по избранной теме в рамках 1-го или же

нескольких изучаемых учебных предметов, курсов в всяком выбранном

направленности работы (познавательной, практической, учебно-исследовательской, общественной, художественно-творческой, иной).

План производится обучающимися в рамках учебного времени, отведенного\ ведущей образовательной программкой, и видется в облике законченного учебного изучения или же объекта (информационного, креативного, общественного, прикладного, инноваторского, конструкторского, инженерного и пр.

На основе результатов проведенной работы предлагается организовать деятельность учащихся в форме проектной деятельности. Предлагается выполнить проект по сборке прибора-фотометра на базе платформы Arduino и апробировать его эффективность на лабораторных работах по физической химии.

Для организации проектной деятельности используется подход, в котором реализуется 7 этапов: подготовительный, вводный, планирование работы, выполнение проектной работы, подготовка отчета, предварительное обсуждение проекта и итоговая презентация проекта.

Этапы работы над проектом и их содержания.

Проект «Создание фотометра для школьной лаборатории»

Задачей первого (подготовительного) этапа являлось создание условий для работы над проектом. Основным организационным вопросом, который необходимо было решить на данном этапе- это собрать учащихся заинтересованных в проектной деятельности. Такие учащиеся были найденны в «Лицеи №34» г.Мытищи. Несколько учеников, после проведения мероприятия по вовлечению учащихся в проектную деятельность, заинтересовались идеей создания прибора для школьной лаборатории. Выступили с инициативой поучаствовать в проекте.

Далее была определенна тема проекта, ее цель и задачи.

Далее на вводном этапе работы над проектом учащимся было подробно рассказано о том, о сути прибор и самая идея создания фотометра для работы по физической химии. Т.к тема связана с созданием прибора можно рассказать учащимся о перспективах использования прибора, для этого наглядно провели демонстрацию уже ранее сконструированного прибора и рассказать о возможностях его использования. Здесь же учащихся рассказаны былы некоторым терминам «платформа Arduino», «фотометр».

На этапе планирования проекта были определены целями и задачами предстоящей работы. Здесь учащимся было предложено провести мониторинг сети Интернет на наличие иных трудов по заданной тематике, так же было предложено обратиться к библиотекам вуза или онлайн библиотечным ресурсам. Также были порекомендованы обучающимся англоязычные источники (ссылки на статьи) и проведена работа с ними, таким образом будет реализовываться межпредметная связь.

Важной частью данного этапа является обсуждение и освоение методов, которые будут применяться в данной работе, а именно сборка прибора, методики по проверке на работоспособность и эффективность работы прибора, изучение скетч-программ и обработка результатов. Помимо изучения теории учителю, который будет курировать проект, необходимо провести ряд мастер-классов, направленных на освоение необходимых в работе методик. Удобным будет запланировать ряд внеурочных мероприятий, направленных на формирование и развитие необходимых умений. В отношении сборки прибора и вывод данных было предложено домашнее задание по изучению предоставленной литературы и составлению на ее основе краткой памятки последовательности действий. На первом занятии обучающиеся представили получившиеся инструкции другим участникам проекта, было предложенно обсудить их, выбрать наиболее удобную форму. Роль учителя в данном случае сводится к контролю и корректировке полученных знаний.

При осуществлении планирования формы представления результатов необходимо учитывать имеющиеся нормативные требования организаторов мероприятий, на которых предполагается представить результаты проекта. Важно отметить, что на данном этапе существенную роль будут играть и коммуникативные умения участников проектной деятельности.

При реализации этапа выполнения проекта учитель-куратор занимает корректирующее и контролирующее положение. Ведущая роль в выполнении работы отведена школьникам-участникам проектной деятельности.

Этап предварительного обсуждения проекта является подготовкой к его «защите». На данном этапе учащимися была представлена готовая работа, учитель здесь помогает в подготовке к ее презентации. Обучающиеся на данном этапе будут репетировали выступление, учились отвечать на вопросы и отстаивать свое мнение. Была проведена последняя и окончательная доработка итогового представления результатов проекта.

Последний этап – итоговая презентация проекта. Обычно он проходит в форме конференции, «по результатам которой на основе коллективного обсуждения подводятся итоги выполненной работы и намечаются перспективы ее развития».

Роль физической химии.

Физическая химия — наука, которую нередко именуют центральной по причине главных позиций в прогрессивной науке и технике. Основная масса явлений в биологических науках, науках о земле возможно охарактеризовать с точки зрения поведения атомов и молекул, а еще основ, лежащих в базе значимого прогресса в медицине и технике.

Физическая химия – довольно мощный раздел, предвещающий поведение атомов, молекул, химических процессов и систем с поддержкой законов физики.

Она функционирует на стыке физики, биологии, медицины и химии. Это 1 из классических дисциплин химии, которая увлекается использованием концепций и доктрин физики к анализу химических качеств и реактивного поведения вещества.

Современные исследования в области химических наук во все большей степени направлены на изучение явлений на нано уровне в диапазоне размеров между отдельными молекулами и макроскопической материей. Это дает вам основу для понимания химии и химических явлений из первых принципов.

Физическая химия интересна тем, что она помогает нам оценить гайки и болты химии, не рассматривая конкретные реакции, а исследуя и понимая причины химических свойств и реакций, которые происходят из-за них.

Перспективы использования фотометра в области физической химии.

При помощи такого прибора обучающиеся могут, не затрачивая много времени, проводить необходимые измерения.

Плата Arduino можно использовать не только для создания фотометра, но и для создания установки-измерительного прибора для титрования.

В статье на тему «Потенциометрическом анализе» [23] дискуссируются способности платформы Arduino для применения ее в качестве системы сбора опытных данных и сотворения лабораторной установки – измерительного устройства для потенциометрического титрования с обработкой итогов опыта на индивидуальном компьютере.

Также в статье на тему «Создание электронного калориметра» [30] предложено создание недорого электронного устройства на базе платформы Arduino и использования его для разработки различных экспериментов.

Таким образом платформа Arduino по техническому оснащению безупречно подходит для образовательного процесса по проектированию всевозможных механических систем и приоров спасибо собственной понятной среде программирования и способности исследования телесных процессов в реальном времени.

Выводы по главе 3:

1. На основе результатов проведенной работы получилось организовать деятельность учащихся в форме проектной деятельности по физической химии.

2. Получилось провести лабораторные работы с учащимися средней школы по физической химии.

3. А также разобрана перспектива платформы на базе Arduino в других областях химии.

В результате всей проделанной работы были сделаны следующие выводы:

1. Выявлено наиболее доступное, недорогое и несложное в программировании аппаратно-программное обеспечение для конструирования фотометра для школ на базе платформы Arduino.

2. Разработана инструкция по сборке фотометра для использования во внеурочной деятельности учащихся средней школы в области физической химии, позволяющего измерять оптическую плотность, выводить данные на дисплей, а также с возможностью программирования и способного осуществлять вывод данных на персональный компьютер.

3. Разработаны методические рекомендации по применению фотометра на базе платформы Arduino для использования в организации внеурочной деятельности учащихся по физической химии.

Таким образом, использование Arduino в процесс изучения микроконтроллеров позволит:

– сформировать базовые умения разработки и программирования автоматических систем управления на микроконтроллере;

– сократить время изучения процесса программирования микроконтроллеров за счет оптимизированной среды разработки и языка программирования;

– создать материально-техническую базу для проектной деятельности;

- способствовать формированию интереса к проектной деятельности в области физической химии;

– уменьшить затраты образовательной организации на материально-техническое обеспечение и многое другое.

1. An Arduino-Based Talking Calorimeter for Inclusive Lab Activities Journal of Chemical Education ( IF 2.979 ), Pub Date : 2020-05-19 , DOI: 10.1021/acs.jchemed.0c00148 Victor V. Gomes, Sofia C. F. Cavaco, Carmen P. Morgado, João Aires-de-Sousa, Julio C. B. Fernandes.

2. An Inexpensive, Open-Source USB Arduino Data Acquisition Device for Chemical Instrumentation James, Chem Education 2016 Июл 12; 93 (7): 1316-1319. doi: 10.1021/acs.jchemed.6b00262. Epub 2016 Jun 22. P. Grinias, Jason T. Whit eld, fi Erik D. Guetschow, and Robert T. Kennedy.

3. Applying Chemistry Knowledge to Code, Construct, and Demonstrate an Arduino−Carbon Dioxide Fountain, Journal of Chemical Education Published 30 January 2019. Seong-Joo Kang, Hye-Won Yeo, and Jihyun Yoon.

4. ATMEL 8-BIT MICROCONTROLLER WITH 4/8/16/32KBYTES IN-SYSTEM PROGRAMMABLE FLASH. DATASHEET. / Atmel Corporation, – 2015. – 650c.

5. Build Your Own Photometer: A Guided-Inquiry Experiment To Introduce Analytical Instrumentation Jessie J. Wang, Jose ́ R. Rodríguez Nu ́ ̃ez, E. Jane Maxwell, and W. Russ Algar.

6. Demonstrating Basic Properties of Spectroscopy Using a Self- Constructed Combined Fluorimeter and UV-Photometer Eivind V. Kvittingen, Lise Kvittingen, Thor Bernt Melø, Birte Johanne Sjursnes,∥ and Richard Verley.

7. Design and Application of 3D-Printed Photometers Controlled with an Arduino Brianna Conte,1 William Landis,1 Neill Boyce,1 Jeremy Frederick,2 Lauren Frederick,2 and Jacob J. Elmer.-2018.

8. From Voltage to Absorbance and Chemical Kinetics Using a Homemade Colorimeter Jorge Delgado, Iraís A. Quintero-Ortega, and Arturo Vega-Gonzalez.

9. Journal of Chemical Education , v73, n11, p1052-54, ноябрь 1996 г. P. 11.

10. Learning Laboratory Chemistry through Electronic Sensors, a Microprocessor, and Student Enabling Software: A Preliminary Demonstration Qing Zhang, Ly Brode, Tingting Cao, and J. E. Thompson.

11. Microcontrollers in the Analy0cal Chemistry Teaching Lab Gary A. Mabbo Department of Chemistry, University of St. Thomas, St. Paul,.

12. Open-Source Electronics As a Technological Aid in Chemical Education Pawel L. Urban.

13. Rethinking a Timeless Titration Experimental Setup through Automation and Open-Source Robotic Technology: Making Titration Accessible for Students of All Abilities Ronald Soong, Kyle Agmata, Tina Doyle, Amy Jenne, Antonio Adamo, and Andre J. Simpson.

14. Teaching Electronics and Laboratory Automation Using Microcontroller Boards Gary A. Mabbott Department of Chemistry, University of St. Thomas, Saint Paul, Minnesota 55105, United States.

15. The laboratory in science education: The state of the art.- April 2007.

16. Еремина А. В.1, Байкова О. И.2, Петренко Д.Б. , Васильев Н.В. Возможности использования изготовленных учащимися измерительных приборов для организации проектной деятельности по естественнонаучным дисциплинам.

17. Лабораторный практикум «КИНЕТИКА». Методические указания. А.Г. Кагиров. Томск: изд. ХХХ, 2017 42-44 с.

18. Лабораторный практикум «ТЕРМОДИНАМИКА». Методические указания. А.Г. Кагиров. Томск: изд. ХХХ, 2017. – ст.

19. Об утверждении и введении в действие федерального государственного стандарта начального общего образования: приказ Минобрнауки России от 06.10.2009 N 373 (ред. От 18.12.2012) // Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти. – 12. – 22. – 22.03.2010; Российская газета. -2011. -16 фев. – N 5408.

20. Петренко Д.Б. Практические работы по физической и коллоидной химии. Учебное пособие. – М.: Типография «Полиграф», 2021. – 25-32 с.

21. Петренко Д.Б., Еремина А.В., Шитова А.С., Лоскутов П.О., Байкова О.И. –Разработка Arduino фотометра для исследования водных объектов в условиях школьной лаборатории.

22. Пономаренко В.И., Караваев А.С. Использование платформы Arduino в измерениях и физическом эксперименте // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. – 2014.

23. Сальникова Е.В., - Использование возможностей платформы Arduino в потенциометрическом анализе.

24. Серов Л.С., Кудрявцев В.О. Дидактический комплекс для изучения микроконтроллеров с использованием платформы Arduino // Молодые лидеры – 2016: материалы I Международного конкурса выпускных и квалификационных работ. – 2016. – С. 245-249.

25. Халвицкая О.Л., Е.О. Биловол – Проблемы и перспективы школьного эксперемента в профильной школе: из опыта применения платформы Arduino.

26. Journal of Chemical Education , v73, n11, p1052-54, ноябрь 1996 г. P. 11.

27. Constructing an Electronic Calorimeter That Students Can Use to Make Thermochemical and Analytical Determinations during Laboratory Experiments Josu Lopez-Gazpio and Inigo Lopez-Gazpio.

28. https://npounitech.ru/?utm_source=eLama-yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=vuz-msk_s&utm_content=cid%7C56132670%7Cgid%7C4344334960%7Caid%7C9784747309%7Cadp%7Cno%7Cdvc%7Cdesktop%7Cpid%7C23022846441%7Crid%7C%7Cdid%7C23022846441%7Cpos%7Cnone0%7Cadn%7Ccontext%7Ccrid%7C0%7C&utm_term=Оснащение%20учебных%20лабораторий&yclid=2351514015256865523

29. https://www.arduino.cc/en/hardware

30. https://neramsc.ru/catalog/tsifrovye-laboratorii-arkhimed/