Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ВИРТУАЛЬНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Хасанова С.Л. 1 Девяткин Е.М. 1 Чиганова Н.В. 1
1 Стерлитамакский филиал ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет»
Разработка образовательных сред для активного обучения, повышающих мотивацию учащихся, является неотъемлемой частью успеха в стратегии внедрения электронных образовательных ресурсов. Программное обеспечение для таких продуктов основано на моделировании и использовании насыщенного мультимедиа контента. Техническая сложность и значительная стоимость таких проектов является основным препятствием на пути широкого распространения виртуальных обучающих сред. Новизна технологии виртуальных лабораторий аргументируется использованием современных средств компьютерного моделирования и активным внедрением информационных технологий в сферу образования как нового трансдисциплинарного направления. Данная статья является продолжением ряда работ авторов по разработке интерактивных электронных образовательных ресурсов и раскрывает методологию разработки виртуальных лабораторий на примере химической лаборатории. В статье описывается структура виртуальной лабораторий и демонстрируются возможности лабораторных установок.
интерактивность
виртуальная лаборатория
визуализация химических опытов
реакция ионного обмена
электролиз
1. Девяткин Е.М. Использование технологии программируемой flash-анимации для моделирования механических колебаний // Ломоносовские чтения на Алтае: фундаментальные проблемы науки и образования: сборник научных статей международной конференции, Барнаул, 20–24 октября, 2015. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2015. – С. 917–920.
2. Карасева Л.М., Дорофеев А.В. Формирование информационной компетентности студентов технического вуза // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3; http://science-education.ru/ru/article/view id=9334.
3. Трухин А.В. Об использовании виртуальных лабораторий в образовании // Открытое и дистанционное образование. – 2002. – № 4 (8).
4. Хасанова С.Л. Интерактивный модуль «представление типов данных в памяти ЭВМ» (вещественный тип) // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов наука и образование. – 2015. – № 8–9 (75–76). – С. 41.
5. Хасанова С.Л. Интерактивный модуль «представление целых типов данных в памяти ЭВМ» // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов наука и образование. – 2015. – № 8–9 (75–76). – С. 42.
6. Хасанова С.Л. Программная визуализация алгоритмов на графах // NovaInfo.Ru. – 2016. – Т. 3, № 41. – С. 1–4.
7. Хасанова С.Л. Разработка образовательных интерактивных модулей как средство интенсификации учебного процесса // NovaInfo.Ru. – 2016. – Т. 2, № 40. – С. 1–7.
8. Чиганова Н.В. Цифровой образовательный ресурс как средство формирования универсальных учебных действий на уроках информатики // Научно-методический журнал «Школа будущего». – 2013. – № 5. – С. 43–48.

Современный подход к организации образовательного процесса требует от педагога изменения процесса обучения: его структуры, форм организации деятельности, принципов взаимодействия субъектов. Это означает, что приоритет в работе педагога отдается диалогическим методам общения, совместным поискам истины, разнообразной творческой деятельности. Все это реализуется при применении интерактивных методов обучения, использование которых при проведении занятий позволит пробудить у обучающихся интерес; поощрять активное участие каждого в учебном процессе; способствовать эффективному усвоению учебного материала; оказывать многоплановое воздействие на обучающихся; осуществлять обратную связь (ответная реакция аудитории); формировать у обучающихся мнения и отношения; способствовать изменению поведения [8].

Для реализации интерактивных методов обучения необходимы интерактивные средства обучения, ярким примером которых являются интерактивные электронно-образовательные ресурсы.

При использовании электронно-образовательных ресурсов обучающий получает возможность приобретения квалификационных компетенций, направленных на реализацию ФГОС нового поколения, повышение эффективности педагогической деятельности с целью достижения новых образовательных результатов, использование новых видов контроля и коммуникаций в педагогическом процессе, повышение познавательной деятельности обучающихся [2].

Разработчики электронных обучающих ресурсов должны быть специалистами в области информационных технологий и предметной области. Здесь следует отметить три важных аспекта. Во-первых, инструментальные программные продукты для создания интеракивного контента имеют встроенные языки программирования, благодаря которым и реализуются функции интерактивности. Это, как правило, либо скриптовые языки программирования типа Java, либо объектно-ориентированные языки типа C#. Во-вторых, реализация иллюстративного содержимого электронных ресурсов требует знаний в области дизайна и графических программ. И в-третьих, необходимы профессиональные знания предметной области и методики преподавания. Современные обучающие электронные ресурсы должны содержать методический акспект, удовлетворяющий инновационным требованиям, примерами таких интерактивных образовательных приложений являются работы С.Л. Хасановой [4–6].

Представленная виртуальная лаборатория по химии удовлетворяет рассматриваемым аспектам и является интерактивным обучающим ресурсом нового поколения. Следует отметить, что виртуальная лаборатория представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. В первом случае мы имеем дело с так называемой лабораторной установкой с удаленным доступом, в состав которой входит реальная лаборатория, программно-аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства коммуникации. Во втором случае все процессы моделируются при помощи компьютера [3]. В системе среднего образования рекомендуется разрабатывать и использовать виртуальные лаборатории второго типа, примером являются виртуальные лабораторные установки по физике Е.М. Девяткина [1].

Известные существующие виртуальные химические учебные лаборатории работают по принципу реальных учебных лабораторий: пользователь может вручную оперировать химическими приборами, осуществляя операции в реальном времени с использованием мыши. Такой подход имеет как достоинства, так и недостатки.

Основным достоинством подхода является то, что рабочий стол виртуальной лаборатории визуально представляется как полное, пусть и упрощенное, изображение стола реальной лаборатории: химические сосуды и другие приборы изображаются в реальных пропорциях и расположении (используются подставки и держатели), вещества имеют соответствующую действительности окраску и протекание химических реакций можно наблюдать визуально. Таким образом, пользователь получает представление о работе в реальной лаборатории.

Создание эффективного пользовательского интерфейса для виртуальной лаборатории является трудной и ответственной задачей. Важно было предусмотреть возможность управления, обеспечить выполнение основных лабораторных процедур способом, максимальным образом имитирующим реальные операции, а также предусмотреть для учащихся удобные управляющие и навигационные элементы.

В виртуальной лаборатории во время проведения опытов учащимся приходится взаимодействовать с таким большим количеством реактивов, химической стеклянной посуды и оборудования, что добавление сюда же управляющих и навигационных элементов привело бы к переполнению визуального пространства экрана.

Для визуализации многообразных графических элементов экранного пространства был использован многослойный подход, когда различные двумерные объекты размещаются в нескольких разных слоях, расположенных заданным способом. При формировании изображения на экране эти слои объектов с учетом прозрачности накладываются друг на друга, обеспечивая необходимое динамическое представление графической информации (рис. 1).

pic_41.tif

Рис. 1. Главная страница приложения

При разработке виртуальной лаборатории был применен метод скриптов, в последнее время широко распространенный для описания сложного мультимедиа контента с высокой интерактивностью. Этот подход предоставляет широкий набор средств для описания необходимой структуры контента и способов взаимодействия пользователя с объектами в виртуальной среде, а также обеспечивает максимальную гибкость при разработке мультимедиа продуктов. Для формирования скрипта продукта был использован такой язык программирования, как ActionScript, посредством которого во Flash осуществляется отправка команд и запросов о временных зависимостях, видеоклипах, кнопках и других объектах.

Разработанная виртуальная лаборатория по химии состоит из семи проектов, два из которых являются управленческими, а оставшиеся пять содержат виртуальные лабораторные установки: четыре входят в раздел «Реакция ионного обмена», а пятая входит в раздел «Электролиз».

На главной странице приложения (рис. 1) расположены две кнопки перехода к каждому из разделов, которые содержат в себе лабораторные установки.

Раздел «Реакция ионного обмена» содержит в себе следующие демонстрационные опыты:

1. «Реакция ионного обмена с выпадением бесцветного осадка» предназначена для изучения реакции обмена на примере BaCl2 и H2SO4 с выпавшим мутно-белым осадком (BaSO4) и вычисления массы осадка при заданных массах двух химических растворов.

2. «Реакция ионного обмена с выпадением цветного осадка» предназначена для изучения реакции ионного обмена на примере CuSO4 и NaOH с выпавшим сине-голубым осадком (Cu(OH)2) и вычисления массы осадка при заданных массах двух химических растворов.

3. «Реакция ионного обмена с выделением газа» предназначена для изучения реакции ионного обмена на примере Na2CO3 и HCl с выделившимся газом (CO2) и вычисления его объема при заданных массах двух химических растворов.

4. «Реакция ионного обмена с выделением ядовитого газа» предназначена для изучения реакции ионного обмена на примере Cu и HNO3 с выделившимся ядовитым бурым газом (NO2) и вычисления объема выделившегося газа при заданных массах двух химических растворов.

В раздел «Электролиз» входит одна установка, предназначенная для вычисления массы налета и объема выделившегося газа при пропускании тока через электроды. Цель работы: наглядно продемонстрировать данную реакцию на примере NaCl > Na + Cl2, то есть при пропускании тока через электроды, которые находятся в растворе NaCl, на катоде образуется серебристо-белый налет (Na), а на аноде будут видны пузырьки – выделение газа Cl2 (рис. 2).

В качестве примера рассмотрим файл, содержащий лабораторную работу «Реакция ионного обмена с выпадением бесцветного осадка». Он состоит из двух сцен, на первой сцене методом слоев располагается стол с колбой и текст с самой задачей, на заднем плане изображен кабинет химической лабораторной и слой с интерактивными кнопками: кнопка просмотра видеоролика лабораторной работы и кнопки «Назад», при нажатии на которую осуществляется переход к началу раздела (рис. 3).

pic_42.tif

Рис. 2. Окно лабораторной установки «Электролиз»

pic_43.tif

Рис. 3. Окно лабораторной работы

pic_44.tif pic_45.tif

Рис. 4. Вид первой лабораторной (Сцена 2)

На второй сцене данного файла содержится анимация, собственно демонстрация опыта данной лабораторной работы, и математическая модель данной задачи (рис. 4).

После просмотра анимации ученикам предлагается либо просмотр математической модели (Кнопка «Модель»), либо возвращение назад в начало раздела.

В данной виртуальной лаборатории программным способом предусмотрена возможность построения математической модели после просмотра каждого демонстрационного опыта, где ученик сможет выбрать определенные параметры, используя выпадающий список и кнопки для расчетов (рис. 5). Для этого используется интерактивная кнопка «Модель».

pic_46.tif

Рис. 5. Математическая модель

pic_47.tif

Рис. 6. Расчет массы осадка

Расчет массы осадка происходит программным способом и рекомендуется в качестве проверки расчета учащихся. На рис. 6 изображен пример вывода массы осадка на экран.

Отметим, что одним из важнейших звеньев при формировании практических умений и навыков у учащихся на уроках физики, химии и биологии отводится демонстрационному эксперименту и лабораторной работе. Но для проведения полноценного эксперимента, как демонстрационного, так и лабораторного, необходимо в достаточном количестве соответствующее оборудование. В настоящее время школьные лаборатории очень слабо оснащены приборами и учебно-наглядными пособиями для проведения демонстрационных и фронтальных лабораторных работ. Поэтому разработка виртуальных лабораторий является актуальной.


Библиографическая ссылка

Хасанова С.Л., Девяткин Е.М., Чиганова Н.В. КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ВИРТУАЛЬНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 9-2. – С. 360-364;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36234 (дата обращения: 29.11.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074