Виртуальные лабораторные работы в среднем образовании

В работе представлено описание и доводы использования виртуальных лабораторных работ в среднем образовании. Проведен анализ использования виртуальных лабораторных и приведены недостатки и преимущества.

Авторы: Калдыгарина Миргуль Санатовна, Айтказиева Гульшат Сагиндиковна

Современные инновации в образовании

Неотъемлемой составной частью учебного процесса при изучении естественнонаучных и технических дисциплин является лабораторный практикум, задачей которого является формирование у студентов практических навыков работы с оборудованием, получения и обработки экспериментальных данных, умений планировать эксперимент, анализировать и сопоставлять полученные результаты с литературными данными. Одним из главных направлений информатизации в учебном заведении является распространение различных электронных видов и форм обучения. Все более востребованным способом получения новых знаний в мире становится e-learning (сокращение от electronic learning) - система электронного обучения, главной чертой которой является максимальная ориентация на учет потребностей пользователей. С развитием компьютерных технологий обучения все больше дискутируется вопрос о необходимости создания виртуальных лабораторных работ и частичном или полном переводе практикумов из лабораторий в компьютерные классы. Подход к проблеме создания виртуальных лабораторных работ и их внедрения в учебный процесс должен быть дифференцированным и учитывать специфику той или иной дисциплины, чтобы не допустить выпуска армии «виртуальных» специалистов, имеющих опыт работы лишь с идеализированными моделями, а не с реальными объектами и явлениями. По сравнению с традиционными лабораторными работами виртуальные лабораторные работы имеют ряд преимуществ: Во-первых, нет необходимости покупать дорогостоящее оборудование и опасные радиоактивные материалы. Например, для лабораторных работ по квантовой, атомной или ядерной физике требуются специально оборудованные лаборатории. Виртуальные же лабораторные работы позволяют изучать такие явления как фотоэффект, опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, определение периода кристаллической решетки методом дифракции электронов, изучение газовых законов, ядерные реакторы и др. Во-вторых, появляется возможность моделирования процессов, протекание которых недоступно в лабораторных условиях. В частности, большинство классических лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике представляют собой закрытые системы, на выходе которых измеряется некоторый набор электрических величин, из которых затем с помощью уравнений электродинамики и термодинамики рассчитываются искомые величины. Все молекулярно-кинетические и термодинамические процессы, происходящие в опыте, при этом остаются недоступными для наблюдения. В ходе выполнения виртуальных лабораторных работ по этим разделам физики студенты могут с помощью анимированных моделей наблюдать динамические иллюстрации изучаемых физических и химических явлений и процессов, недоступных для наблюдения в реальном эксперименте, при этом одновременно с ходом эксперимента наблюдать графическое построение соответствующих зависимостей физических величин. В-третьих, виртуальные лабораторные работы обладают более наглядной визуализацией физических или химических процессов по сравнению с традиционными лабораторными работами. Например, появляется возможность более подробно и наглядно изучать такие физические процессы, как движение заряженных частиц, создающих электрический ток или принцип работы р-п- перехода. Также можно проникнуть в процессы, происходящие за доли секунды или длящихся в течение нескольких лет, например, изучение движения планет в поле тяготения центрального тела. Еще одно преимущество виртуальных лабораторных работ по сравнению с традиционными заключается в безопасности. В частности, использование виртуальных лабораторных работ в случаях, где идет работа с высоким напряжением или опасными химическими реактивами. Однако виртуальные лабораторные работы обладают и недостатками. Основным из них является отсутствие непосредственно контакта с объектом исследования, приборами, оборудованием. Совершенно невозможно подготовить специалиста, который видел технический объект только на экране компьютера. Или вероятно ли найдутся желающие пойти к хирургу, который ранее практиковался только на компьютере. Поэтому самым разумным решением является сочетание внедрения традиционных и виртуальных лабораторных работ в образовательном процессе с учетом их достоинств и недостатков. Применение виртуальной лабораторной работы в школе способствует: – повышению интереса у школьников не только к изучаемому предмету, но и к обучению в целом; – максимальному использованию наглядности в виртуальной лабораторной работе; – сокращению затрат времени на подготовку оборудования и приборов; – демонстрации работы, которую в обычной лаборатории не проведешь; – разнообразию формы преподавания и расширить объем изучаемой информации. Из вышесказанного можно выделить значительное количество положительных моментов применения виртуальных лабораторных работ в учебном процессе: – экономия времени на расчетах; – развитие логического мышления учащихся; – умение правильно рассматривать зависимость одной величины от другой; – малая вероятность в погрешности оборудования. Такое оборудование может использоваться как универсальная экспериментальная среда для общеобразовательных школ любого уровня: городских, сельских, поселковых школ. Новые технологии в данной сфере развиваются стремительными шагами, одной из такой новой технологии набирающая популярность в применении среди них является виртуальная реальность. Что такое виртуальная реальность? Это некий цифровой мир, которым мы можем окружить пользователя (ученика, школьника, студента), погрузить его туда благодаря специальным устройствам, таким как Очки виртуальной реальности, которые уже несколько лет находятся на рынке и пользуются большой популярностью и спросом. С помощью этих устройств мы можем воздействовать на органы чувств пользователя, тем самым усиливая эффект погружения в виртуальный эксперимент. Таким образом, пользователь чувствует, что находится между реальным миром и виртуальным. Виртуальная реальность – идеальная обучающая среда. Восприятие виртуальной модели с высокой степенью достоверности позволяет качественно и быстро обучать. Здесь следует уделять особое внимание качеству системы визуализации, т. к. картинка должна быть абсолютно достоверной. Виртуальная реальность в образовании открывает нам спектр безграничных возможностей. При изучении химии современные технологии в ряде случаев позволяют отойти от реального проведения химических процессов без потери качества полученной информации. Необходимость проведения виртуальных лабораторных работ возникает, прежде всего, при заочном и дистанционном обучении, а также при отработке студентами пропущенных занятий, отсутствии сложного оборудования и дорогостоящих или малодоступных реактивов. Кроме того, для некоторых работ возможности компьютеризированного лабораторного практикума более широки по сравнению с традиционным. Так, у студентов появляется возможность изучения реакций с веществами, запрещенными для использования в учебном процессе, например, соединениями ртути, мышьяка. Кроме того, при такой постановке практикума отсутствуют ограничения по времени, студент может выполнять работу (или подготовиться к ней) во внеучебное время, повторять ее многократно. Задачи использования виртуальных лабораторных работ диктуют определенные требования к алгоритму их построения: логичность компоновки материала, методически грамотное его изложение, разумное использование анимационных средств, доступность справочных данных, позволяющих расширить возможности студента при объяснении результатов и ответах на поставленные вопросы. Таким образом, каждая лабораторная работа должна иметь свои особенности, но цикл работ, сгруппированных по определенным разделам, должен быть представлен как единое целое в соответствии с вышеперечисленными требованиями. Логика представления материала в виртуальной лабораторной работе отличается от реальной работы более детальным описанием процесса исследования, обилием подсказок и ссылок, а также наличием анимации. Виртуальная работа требует большей четкости в описании последовательности действий, поэтому методически обоснованным является представление такого рода работ в виде определенного числа разделов - вкладок, каждый из которых несет свою смысловую нагрузку: 1. Теоретический материал. 2. Описание работы. 3. Порядок выполнения работы. 4. Лабораторная установка. 5. Отчет. Для успешного выполнения любой лабораторной работы студент должен тщательно проработать теоретический материал по теме исследования, поэтому в виртуальной лабораторной работе раздел с аналогичным названием должен быть представлен более подробно, чем в классическом практикуме. Таким образом, современные мультимедийные технологии позволяют реализовывать любые формы экспериментальной деятельности, открывают широкие перспективы в создании оригинальных, а порой и принципиально новых работ химического практикума. Полагаем, что разработанный нами цикл лабораторных работ по химии для студентов высших учебных заведений, является современным инновационным воплощением компьютеризированных пособий нового поколения.