Abstract
The article summarizes the results of Russian scientific research devoted to the use of digital technologies in physics teaching experiments. It identifies key trends, examines related challenges, and explores ways to overcome them — including issues associated with applying statistical methods for processing physics experiment results in the context of digitalization. In conclusion, the paper justifies the need to establish interdisciplinary connections between physics, computer science, and mathematics.

Key words: digital technologies, digital physics laboratories, digitalization of school physics experiments, statistical methods, interdisciplinary connections.

----------------

Особенностью современного этапа развития системы образования является масштабная цифровая трансформация и связанная с ней цифровизация, под которой понимается процесс перехода к системному использованию цифровых технологий и оцифрованных данных. Одним из решений, отвечающим вызовам эпохи цифровой трансформации и цифровизации, является применение цифровых технологий для сбора, анализа и обработки результатов учебной экспериментальной деятельности по физике. Это не противоречит основным тенденциям применения цифровых технологий в научных исследованиях по физике, в том числе и экспериментальной. Переход от аналоговых к цифровым измерительным приборам и формирование у учащихся основной и старшей школы умений их использования для проведения прямых и косвенных измерений физических величин зафиксировано в качестве одного из предметных результатов по физике в Федеральном государственном образовательном стандарте основного и среднего общего образования, что подчеркивает важность и значимость применения цифровых технологий в обучении физике, в частности для организации и проведения учебной экспериментальной деятельности по физике. В научных исследованиях по теории и методике обучения физике выделены следующие основные направления применения цифровых технологий [1, 2, 3]: сбор данных с использованием цифровых датчиков для измерения физических величин, таких как температура, напряжение, сила тока и другие, что позволяет получать точные и актуализированные данные; сбор данных с использованием мобильных устройств - планшетов и смартфонов, оснащенных акселерометрами, гироскопами, датчиками освещения и датчиками приближения (звуковые датчики для распознавания речи или звуков окружающей среды, присутствуют в разных формах, например, микрофоны), что позволяет учащимся дома самостоятельно выполнять учебные исследования и проекты по физике; обработка данных с использованием электронных таблиц (MSExcel, Р7-Офис.Таблицы, МойОфис Таблица, Calc из свободного офисного LibreOffice или OpenOffice) или специального программного обеспечения, что позволяет не только проводить вычисления, например, вычислять средние значения и отклонения, но и строить графики и диаграммы т.е. визуализировать исследуемые физические процессы с помощью графического представления данных. Современное программное обеспечение позволяет создавать трехмерные модели объектов исследования, анимации движения частиц, симуляции взаимодействия сил и полей и т.д., что облегчает понимание сложных физических процессов. Велико значение компьютерного моделирования для исследования физических процессов и явлений. Рассмотрим более подробно каждое из выделенных направлений.

Цифровые датчики для измерения физических величин являются одним из основных компонентов цифровых физических лабораторий, которые к настоящему времени получили наибольшее распространение в общем образовании [2, 4]. Цифровые физические лаборатории используются для проведения лабораторных работ и практикумов, организации проектно-исследовательской урочной и внеурочной работы по физике. Одним из достоинств таких лабораторий является [5] сохранение натурного эксперимента, данные которого обрабатываются и выводятся на экран в реальном времени и в различном формате (в виде численных значений, диаграмм, графиков и таблиц), но при этом фокус внимания обучающихся смещен с технической стороны эксперимента (сборка и настройка экспериментальной установки) на его содержательную часть - планирование различных вариантов проведения эксперимента, сбор данных, их анализ, визуализация и интерпретация, формулировка выводов [5].

Выделяя преимущества применения цифровых лабораторий в школьном физическом эксперименте (быстродействие, чувствительность, практически безинерционность; непрерывность измерений как в течение малых, так и больших промежутков времени; возможности сохранения данных в различном формате (цифровой, табличный, графический), их масштабирование; возможность внешнего управления, автоматизации и программирования процесса измерения), авторы [6] также обращают внимание на особенности данных, получаемых с цифровых датчиков, которые изменяют сам процесс измерений физических величин, который становится непрерывным и поэтому более информативным для понимания физических закономерностей и их экспериментального подтверждения.

В тоже время использование только цифровых датчиков значительно снижает эмоциональное восприятие физического эксперимента обучающимися [6], поэтому полезно проводить учителем традиционный демонстрационный эксперимент, а также учащимся выполнять лабораторные работы по сравнению измерений, полученных с помощью цифровых датчиков и обычных физических приборов [5]. Такой подход позволит сохранить наглядность и эмоциональную составляющую физического эксперимента при одновременном применении современных цифровых технологий. Важным аспектом применения цифровых лабораторий является также обсуждение и интерпретация полученных результатов, что может быть организовано после проведения серии лабораторных работ или практикума.

Применение мобильных устройств. Оснащенные различными датчиками, мобильные устройства могут эффективно использоваться для проведения физических экспериментов, связанных, например, с измерением мгновенной скорости и ускорения при различных видах движения; с исследованием свободного падения тел и движения по окружности; с определением координат и коэффициента трения; с анализом звуковых волн и освещенности; с фиксацией звуковых сигналов и т.д. [5]. Преимуществами их применения являются: доступность оборудования (большинство обучающихся имеют смартфоны), возможность проведения физических экспериментов в домашних условиях, простота использования встроенных приложений, возможность записи и анализа данных в реальном времени, визуализация результатов с помощью графиков и диаграмм. Эффективность применения смартфонов для проведения физических экспериментов обеспечивается, в частности, специальным приложением Phyphox (от англ. physical phone experiments), превращающее современный смартфон в полноценную мобильную физическую лабораторию (phyphox.org) [7]. Мобильные устройства, оснащенные цифровыми датчиками, методически целесообразно использовать для организации домашней проектной и исследовательской работы и не только индивидуальной, но и групповой (в малых группах, не более 2-3 человек) с совместной подготовкой отчета в Яндекс Документа. В целом встраивание цифровых лабораторий и мобильных устройств в учебный процесс по физике будет способствовать развитию не только цифровых компетенций обучающихся, но и элементов компьютерного мышления.

Обработка данных с использованием электронных таблиц. Электронные таблицы (MSExcel, Р7-Офис.Таблицы, МойОфис Таблица, Calc из свободного офисного LibreOffice или OpenOffice) могут использоваться для обработки результатов любого физического эксперимента, но наибольший интерес представляет интеграция электронных таблиц и цифровых датчиков, что позволяет автоматизировать сбор и обработку данных, повысить точность результатов; обеспечит возможность записи больших массивов данных и мгновенную визуализацию результатов. Основы работы с электронными таблицами формируются на уроках информатики, а закрепляются на уроках физики. Выделим особенности работы с данными: синхронизация измерений, обязательный учет погрешностей датчиков, корректировка систематических ошибок, интерполяция пропущенных значений, фильтрация шумов.

В основной и старшей школе из известных статистических методов обработки данных преимущественно используется вычисление средних значений, расчет стандартных отклонений, оценка погрешностей и анализ трендов. В работах [8, 9] выделен набор математических формул для обработки результатов эксперимента: среднее арифметическое , абсолютная погрешность измерений , средняя квадратичная погрешность отдельных измерения , средняя квадратическая погрешность среднего значения , величина случайной погрешности (где t_α,n – критерий Стьюдента при α=0,95), погрешность прибора (где k – класс точности прибора, x_max – максимальное значение шкалы прибора), полная погрешность , относительная погрешность . Заметим, что основы грамотного использования статистических методов для обработки результатов эксперимента по физике закладываются при изучении курса «Вероятность и статистика», а применение для этого электронных таблиц открывает новые возможности познакомить учащихся с современными приемами обработки данных. В то время как математика в целом занимает важное место в естественно-научном, в частности, физическом, образовании, «она является незаменимым инструментом для понимания природных явлений, от классической механики до квантовой физики» [10, 11], дополнительно подтверждается значимость информатики и цифровых технологий в современной физике и физическом образовании.

Очевидно, что применение цифровых технологий в обучении физике в школе предполагает выстраивание межпредметных связей физики, информатики и математики, что соответствует современным требованиям к образовательному процессу и способствует подготовке обучающихся к работе с современными цифровыми технологиями.

Авторы заявляют об отсутствии потенциального или явного конфликта интересов.
Аuthors declare that there is no conflict of interest, either existing or potential.

Aвторы заявляют о равном вкладе в подготовку статьи
Authors declare equal contribution to the preparation of the article.

Данные доступны по запросу, адресованному авторам.
Data are available upon request submitted to the corresponding author.

Исследование выполняется в 2025 г. в рамках государственного задания Министерства просвещения Российской Федерации № 073-00029-25-04 по теме "Научно-методические основания реализации исследовательских методов преподавания физики на уровне основного общего образования"
The study is being carried out in 2025 within the framework of the state assignment of the Ministry of Education of the Russian Federation No. 073-00029-25-04 on the topic "Scientific and methodological foundations for the implementation of research methods for teaching physics at the level of basic general education.""

Литература