1. Особенности виртуального эксперимента
1.1. Виртуальный химический эксперимент
Для уточнения понятийного и терминологического аппарата в качестве исходного используем термин «химический эксперимент», применяемый в научной области теории и методики обучения. Химический эксперимент является специфическим средством обучения химии, выполняя функции источника и важнейшего метода познания, он знакомит учеников не только с объектами и явлениями, но и методами химической науки [5]. В процессе химического эксперимента обучающиеся приобретают умение наблюдать, анализировать, делать выводы, обращаться с оборудованием и реактивами. Различают: демонстрационный и ученический эксперимент; опыты (помогают изучить отдельные стороны химического объекта), лабораторные работы (совокупность лабораторных опытов позволяет изучить многие стороны химических объектов и процессов), практические занятия, лабораторный практикум; домашний эксперимент, исследовательский эксперимент и т. д. Химический эксперимент может быть натурным, мысленным и виртуальным. «Виртуальный» означает «возможный, не имеющий физического воплощения»; виртуальная реальность – имитация реальной обстановки с помощью компьютерных устройств; используется главным образом в учебных целях; в связи с этим виртуальный эксперимент иногда называют имитационным или компьютерным. Согласно действующему ГОСТ [3], «виртуальный» – определение, характеризующее процесс или устройство в системе обработки информации, кажущиеся реально существующими, поскольку все их функции реализуются какими-либо другими средствами; широко применяется в связи с использованием средств телекоммуникаций.
Таким образом, виртуальный химический эксперимент – вид учебного эксперимента по химии; его основным отличием от натурного является тот факт, что средством демонстрации или моделирования химических процессов и явлений служит компьютерная техника [1], при его выполнении учащийся оперирует образами веществ и компонентов оборудования, воспроизводящими внешний вид и функции реальных предметов, то есть использует виртуальную лабораторию. Виртуальную лабораторию в обучении химии мы понимаем, как компьютерную имитацию учебной химической лаборатории, реализующую ее основную функцию – проведение химического эксперимента в образовательных целях. Технически функционирование виртуальной лаборатории обеспечивается программно-аппаратными средствами компьютерной техники, дидактически – содержательно и методически обоснованной системой предположений о течении изучаемого химического процесса или проявлений свойств химического объекта, на основе которой разрабатывается один из возможных вариантов реакции виртуальной лаборатории на действия пользователя.
Виртуальная лаборатория выступает в роли элемента высокотехнологичной информационной образовательной среды, являясь средством создания и выполнения виртуального эксперимента. Виртуальная лабораторная работа по химии –виртуальный химический эксперимент в виде совокупности опытов, объединенных общей целью изучения химического объекта или процесса. Важное значение в изучении химии представляет химический эксперимент. Преподавание основ химии в школе невозможно без правильной организации и представления химического эксперимента. Химический эксперимент источник знаний о веществе и химической реакции является важным условием улучшения познавательной активности школьников, пробуждает постоянный интерес к предмету, формирует диалектическое мировоззрение, а также идеи о практическом применении химических знаний. Химический эксперимент позволяет школьникам развить самостоятельность и повысить интерес к предмету, потому что при проведении эксперимента они убеждены в практическом применении знаний в области химии и имеют возможность реализовать и раскрыть таким образом свой творческий потенциал [28]. Химический эксперимент развивает мышление, умственную активность учащихся, его можно считать критерием правильности полученных результатов и сделанных выводов. Довольно часто химический эксперимент становится источником сформулированных идей, без которых нельзя продолжать продуктивную умственную деятельность [31].
Реализация экспериментальной части программы требует высокого уровня и всесторонней подготовки учителя химии, глубокого понимания роли химического эксперимента в образовательном процессе, творческой активности в применении эффективных методов обучения [10].
Опыт позволяет выбирать и изучать наиболее значимые аспекты объекта или явления с использованием различных инструментов, инструментов, технических средств в заданных условиях [29]. В школьном курсе химии эксперимент является своеобразным объектом изучения, методом исследова-ния, источником и средством новых знаний.
Он характеризуется тремя основными функциями:
• познавательный - изучить основы химии, сформулировать и решить практические задачи, определить значение химии в современной жизни;
• образовательные - для формирования материалистического взгляда на мир, убежденности, идеологической потребности в работе, ориентации школьников на рабочие профессии;
• развитие - для приобретения и совершенствования научных навыков и общей практики.
Химический эксперимент можно разделить на несколько этапов:
• Первое - это обоснование настройки опыта;
• Второе - планирование и проведение опыта;
• Третье - оценка результатов.
Школьник должен провести эксперимент на основе полученных ранее знаний. Теоретическая часть опыта способствует его восприятию, которое, следовательно, становится более значимым, целенаправленным и активным.
Эксперимент обычно включает в себя гипотезу. Привлечение школьников к такой работе способствует развитию их мышления, заставляя их применять теоретические знания к гипотезам, в результате чего дети приобретают новые знания [30]. Химический эксперимент открывает большие возможности для решения проблемных ситуаций и проверки правильности гипотез. Знание химического эксперимента как метода научного исследования, овладение навыками химических экспериментов с целью получения новых знаний и их практического применения играет важную роль в формировании материалистического мировоззрения школьников. Один и тот же эксперимент на разных уровнях обучения школьников используется по-разному [24]. Отсюда следует, что необходимо повторить химические эксперименты, уделяя особое внимание тем частям, которые являются предметом исследований в данной образовательной ситуации. В некоторых экспериментах это явление доступно для непосредственного восприятия. В других изученные объекты и явления непосредственно не воспринимаются органами чувств и могут быть обнаружены только с помощью специальных инструментов или инструментов.
Чтобы понять суть изучаемого предмета или явления, химический эксперимент часто дополняется другими наглядными пособиями - таблицами, моделями, экранами [7].
Таким образом, химический эксперимент пронизывает все темы школьного курса химии, способствуя раскрытию его содержания и является своеобразным методом обучения. Для успешного проявления познавательной, образовательной и развивающей функций химического эксперимента важную роль играет его техническое оснащение, рациональная организация экспериментов и их включение в образовательный процесс. Очевидно, что эффективность эксперимента зависит от: постановки конкретной цели и задачи, которая должна решаться с помощью опыта; построение рационального плана наблюдения; умение анализировать и обобщать данные; выбор инструментов и средств, с помощью которых учитель стимулирует наблюдение за учениками и управляет им [1]. Поэтому организация целенаправленного наблюдения, умение фиксировать результаты наблюдений и хранить обработанную информацию в памяти является одной из важнейших задач химического эксперимента.
Понимание учебного материала включает в себя не только накопление данных наблюдений и экспериментов, но и их правильную интерпретацию, установление причинно-следственных связей, закономерностей, сущности исследуемых объектов и явлений. Успех работы во многом зависит от того, насколько правильно определены вид деятельности учителя и ученика, место химического эксперимента, наиболее подходящие формы и методы его проведения в классе.
Многие исследования обращают внимание на важность виртуальных экспериментов для химического образования и подчеркивают преимущества их использования. Виртуальные эксперименты могут использоваться для ознакомления школьников с экспериментальными методами и оборудованием перед началом работы непосредственно в лаборатории. Это позволяет школьникам лучше подготовиться к этим или подобным экспериментам в реальной химической лаборатории. Следует отметить, что виртуальные химические эксперименты безопасны даже для неподготовленных пользователей. Школьники также могут проводить эксперименты, которые могут быть опасными или дорогостоящими в реальной лаборатории. Было отмечено, что проведение виртуальных экспериментов может помочь школьникам овладеть навыками записи наблюдений, разработки отчетов и интерпретации данных в лабораторном журнале. Было отмечено, что компьютерные модели химической лаборатории побуждают учащихся экспериментировать и получать удовлетворение от собственных открытий.
Различные подходы могут быть использованы для создания виртуальных лабораторий. Используя метод визуализации, есть лаборатории, которые используют двухмерную и трехмерную графику и анимацию. Кроме того, [8] виртуальные лаборатории делятся на две категории, в зависимости от того, как знания представлены по этой теме. Указано, что виртуальные лаборатории, в которых знания об области исследований основаны на отдельных фактах, ограничены набором заранее запрограммированных экспериментов. Этот подход используется при разработке большинства современных виртуальных лабораторий. Другой подход позволяет школьникам проводить любые эксперименты, не ограничиваясь предварительно подготовленным набором результатов. Это делается с использованием математических моделей для определения результата любого эксперимента и соответствующего визуального представления.
Эти подходы к созданию виртуальных лабораторий используются в той или иной степени в известных зарубежных проектах. Например, образовательная среда Виртуальной лаборатории химии, разработанная в Университете Карнеги-Меллона (США), доступна через Интернет, но также может распространяться на компакт-дисках. Он визуализируется в виде двумерных графических сцен, а ход химических экспериментов основан на математической модели [10].
Виртуальная химическая лаборатория Университета Бригама Янга (США) поставляется на компакт-диске, использует трехмерную графику, а ход экспериментов основан на серии заранее запрограммированных фактов [2]. Лаборатория интернет-химии в Оксфордском университете (Великобритания) использует большое количество видеоклипов для демонстрации экспериментов [9].
Следует отметить, что возможности моделирования образовательных мультимедийных продуктов в значительной степени зависят от того, как предоставляется образовательный контент. Очевидно, что для доставки через Интернет с его узкими информационными каналами лучше подходит двухмерная графика. В то же время электронные публикации, поставляемые на CD-ROM, не должны экономить трафик и ресурсы, поэтому возможно использовать трехмерную графику и анимацию. Важно понимать, что именно объемные ресурсы - трехмерная анимация и видео - обеспечивают высочайшее качество и реалистичную визуальную информацию. Однако объем трехмерной анимации может быть настолько большим, что даже емкости компакт-диска будет недостаточно для их хранения. Альтернативой трехмерной анимации и видеофайлам, использующим готовую последовательность изображений, является более компактное представление трехмерных объектов. Анимации, синтезированные с помощью этих моделей в режиме реального времени, также предлагают отличные возможности для создания трехмерной среды обучения, которая имитирует настоящую лабораторию. Благодаря разумному сочетанию подготовленной анимации и анимации трехмерных моделей, которые были синтезированы в реальном времени, вы можете реалистично представить, как визуальную среду, так и действия ученика во время экспериментов с точки зрения сохранения ресурсов. Этот подход был выбран при разработке виртуальной химической лаборатории, описанной в этой работе. Химическое оборудование, экспериментальные установки и визуализация сложных химических процессов представлены подготовленными анимациями. В то же время трехмерные модели, синтезированные в режиме реального времени, используются для моделирования химикатов стекла, жидких и твердых реагентов, действий, учащихся в реальной лаборатории (школьники могут переносить из одной колбы в другую, помещать реагенты в пробирках) и брать бутылки с растворами с полки).
1.2. Методические аспекты применения виртуальной химической лаборатории при изучении химии в 8 классах
Электронное издание Виртуальной химической лаборатории для 8 классов, разработанное в Лаборатории мультимедийных систем, содержит более 150 химических экспериментов из курса химии в средней школе. Особое внимание уделяется соблюдению правил техники безопасности. Химические эксперименты проводятся в лаборатории, которая оснащена на экране монитора всем необходимым оборудованием и химической посудой (пробирки, стаканы, колбы, раствор, стойки и т. д.) и химическими реагентами. Во избежание переполнения визуального пространства на экране компьютера учащиеся могут получить доступ только к лабораторному оборудованию и реагентам, необходимым для конкретного эксперимента. В некоторых экспериментах это контейнеры с растворами, а в других сложные химические конструкции (рис. 1).
Рисунок 1. Виртуальная химическая лаборатория
Химические эксперименты проводились с использованием синтезированной трехмерной анимации в реальном времени, чтобы учащиеся, взаимодействующие с виртуальным оборудованием, могли проводить эксперименты так же, как в реальной лаборатории. У школьников есть возможность собирать химические растения из компонентов и шаг за шагом проводить виртуальные эксперименты. Во время эксперимента учащиеся могут размещать свои наблюдения в лабораторном дневнике в виде «сфотографированных» изображений на экране с помощью виртуальной камеры, делать необходимые заметки и интерпретировать данные, полученные в ходе эксперимента. Специальный инструмент «Окно увеличения» используется для более детального мониторинга химических реакций. Программа контролирует действия каждого ученика, проходя все этапы, необходимые для успешного завершения эксперимента. Для этого используется учитель, анимационный персонаж «Химик», который делает необходимые комментарии и дает соответствующие инструкции в виде голоса и текста. Для удобства написания химических формул и уравнений реакций в лабораторном журнале был разработан специальный инструмент «Редактор химических уравнений» с использованием технологии Macromedia Flash.
В серии практических работ школьники используют видео, которые позволяют им увидеть эксперимент, который они проводят в реальной лаборатории. В результате применения данного эксперимента был замечен рост познавательного интереса школьников к реальному эксперименту после работы в «виртуальной лаборатории», развитие их навыков исследования: соблюдение общих и подробных правил безопасности, подбор оптимальных алгоритмов для эксперимента, умение наблюдать, выделить самые важные, сосредоточиться на самых важных изменениях
В состав «Виртуальной химической лаборатории» входит «Конструктор молекул», предназначенный для построения трехмерных моделей молекул органических и неорганических соединений (рис. 2). Использование трехмерных моделей молекул и атомов для иллюстрации химических явлений обеспечивает понимание всех трех уровней представления химических знаний: микро, макро и символическое [5]. Понимание поведения веществ и природы химических реакций становится более осознанным, когда можно увидеть процессы на молекулярном уровне.
Рисунок 2. Конструктор молекул
«Конструктор молекул» позволяет получать контролируемые динамические трехмерные цветные изображения точечных, сферических и масштабных моделей молекул. «Конструктор молекул» позволяет визуализировать атомные орбитали и электронные эффекты, что значительно расширяет возможности использования молекулярных моделей в преподавании химии.
С помощью «Строителя молекул» можно объяснить новый материал, когда учитель должен продемонстрировать модели молекул изучаемых соединений, привлечь внимание учеников к структуре электронных орбиталей, их гибридизации и их перекрываются при образовании химических связей. Особый интерес представляют творческие задачи исследовательского характера. Долгосрочное устойчивое внимание к изучаемым объектам наблюдалось при выполнении заданий, включающих самостоятельную разработку моделей молекул соединений с заданными свойствами или, наоборот, прогнозирование свойств соединения, модель молекулы которого была создана самим школьником.
2. Виртуальная лаборатория
2.1. Интерфейс «Виртуальной химической лаборатории»
Создание эффективного пользовательского интерфейса для виртуальной лаборатории - сложная и ответственная задача. Было важно обеспечить контроль большого количества компонентов химической установки, обеспечить выполнение базовых лабораторных процедур таким образом, чтобы имитировать реальные процессы, и предоставить учащимся удобные элементы управления и навигации. Было бы занимательно создать пользовательский интерфейс на основе одной и поместить все элементы управления и навигацию в одном трехмерном пространстве. Однако в виртуальной лаборатории учащиеся должны взаимодействовать с большим количеством реагентов, стеклянных сосудов, с химикатами и устройствами во время экспериментов, что добавление элементов управления затопит визуальное пространство экрана. В соответствии с этим ограничением при разработке пользовательского интерфейса виртуальной лаборатории в трехмерном пространстве оставались только элементы управления, необходимые для эксперимента (например, виртуальная видеокамера для сбора наблюдений). Однако оставшиеся элементы навигации и управления были перемещены в двумерное пространство и расположены по краям экрана. Это позволило увеличить эффект присутствия школьников, работающих с виртуальной лабораторией.
Есть веские основания утверждать, что анимационные персонажи, очень важны для образовательных программ нового поколения [7]. Виртуальные учителя помогают школьникам сконцентрироваться, провести их через мультимедийную презентацию, обеспечить дополнительную невербальную коммуникацию посредством эмоций, жестов, движений тела. Таким образом, это делает взаимодействие пользователя с компьютером более «человеческим», более социальным.
Рисунок 3. Виртуальный учитель
Согласно приведенным выше аргументам, к интерфейсу виртуальной лаборатории был добавлен виртуальный учитель «Химический» (рис. 3). Этот персонаж реализован с использованием трехмерной анимации, синтезированной в реальном времени. «Химик» осуществляет контроль над всеми действиями школьника, направляет его в случае ошибочных действий, помогает в случае возникновения проблем. Иногда сам виртуальный учитель участвует в проведении экспериментов, что делает выполняемые процедуры более увлекательными.
