Проблемы разработки и использования виртуальных лабораторных работ по химии в вузах

УДК 004.4+004.94

Е.М. Князева, А.В. Коршунов,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Проблемы разработки и использования виртуальных лабораторных работ по химии в вузах

Одной из важнейших составных частей образовательного процесса при изучении дисциплин естественнонаучного цикла, и в частности химии, в технических вузах является лабораторный практикум, в задачи которого входит формирование у студентов практических навыков работы с материалами и оборудованием, получение и обработка экспериментальных данных, умение планировать эксперимент, анализировать и сопоставлять полученные результаты с литературными данными.

Модернизация учебного процесса в вузах сопряжена с увеличением доли самостоятельной работы студентов. С этим связано внедрение современных форм обучения с использованием возможностей мультимедиа и компьютерных технологий. При этом особенностью естественнонаучных и технических дисциплин (в отличие от предметов гуманитарного цикла) является возможность реализации обязательного практического блока учебной программы в форме виртуальных лабораторных работ. Это позволяет расширить круг изучаемых дисциплин, повысить их доступность для обучающихся, в особенности для студентов дистанционной формы обучения [1, 6, 7].

Целесообразность широкого внедрения в учебный процесс виртуальных лабораторных практикумов по естественнонаучным и техническим дисциплинам, как правило, обосновывают снижением

© Князева Е.М., Коршунов А.В., 2014

затрат на проведение экспериментальных работ (дорогостоящие материалы и оборудование, обслуживающий персонал), сокращением времени выполнения работы («виртуальное» время несопоставимо с реальным), отсутствием необходимости соблюдения техники безопасности и др. [6, 7].

Вместе с тем отмеченные преимущества виртуальных лабораторных работ применительно к техническим дисциплинам встречают определенные возражения как с точки зрения их содержания и формы проведения, так и методических принципов организации процесса обучения [5]. Действительно, проведение виртуальных лабораторных работ зачастую приводит к неизбежной отсрочке обратной связи, что понижает методическую ценность такой формы проведения экспериментальных работ. Также происходит размывание принципа коллективизма в обучении, что негативно сказывается на формировании способности будущего специалиста продуктивно работать в команде. Выполнение виртуальной лабораторной работы предъявляет повышенные требования к уровню мотивации обучающегося, что на практике не всегда срабатывает и может способствовать снижению роли систематичности в обучении и, как следствие, к понижению качества технического образования.

Отдельной проблемой при использовании информационных технологий в обучении является трудоемкость организации это-

го процесса и контроля результатов обучения. Принято считать, что сокращение классических аудиторных занятий ведет к существенному высвобождению нагрузки преподавателей. Вместе с тем наш опыт создания виртуальных лабораторных работ по химии показал, что для разработки одной работы (2 академических часа), ее апробации, внесения корректировок требуется 100-150 часов. Продолжительность проверки результатов выполнения такой работы студентами, обучающимися дистанционно, также значительно возрастает за счет выполнения работы в свободном режиме без отрыва от основной работы или по индивидуальной программе. Помимо преподавателей-разработчиков содержательной части программного обеспечения интенсивное использование информационных технологий в обучении потребует привлечения большого числа специалистов в области программирования, технических работников, тьюторов, менеджеров и др., которые должны обеспечивать функционирование таких систем и консультировать как преподавателей, так и обучающихся.

Следует отметить, что большинство публикаций, посвященных использованию компьютерных технологий в обучении, обращают внимание лишь на информационную составляющую процесса получения знаний и не затрагивают вопрос формирования практических навыков рабо-

ЕЛЕНА

МИХАЙЛОВНА КНЯЗЕВА

кандидат химических наук, доцент, кафедра общей и неорганической химии Института физики высоких технологий Национального исследовательского Томского политехнического университета. Сфера научных интересов: научно-методические основы преподавания общей и неорганической химии в технических вузах, инновационные подходы в повышении эффективности преподавания, компьютерные технологии и современные технические средства обучения

ты с реальными объектами, оборудованием, согласованной работы в исследовательской группе. Доступные в сети Интернет виртуальные лабораторные комплексы по химии, как правило, характеризуются существенными упрощениями и схематичностью представления веществ, процессов и проведения измерений при выполнении экспериментальных работ [2, 4]. С другой стороны, чрезмерное усложнение программных продуктов (интерактивных обучающих программ, виртуальных практикумов, гипертекстов) приводит к обратному эффекту: освоение «недружественного» интерфейса программ требует больших временных затрат и снижает мотивацию обучающегося, отвле-

АНДРЕЙ

ВЛАДИМИРОВИЧ

КОРШУНОВ

доктор химических наук, доцент, кафедра общей и неорганической химии Института физики высоких технологий Национального исследовательского Томского политехнического университета. Сфера научных интересов: научно-методические основы преподавания общей и неорганической химии в технических вузах, инновационные подходы в повышении эффективности преподавания, компьютерные технологии и современные технические средства обучения

кает внимание от основных задач при выполнении конкретной работы. В связи с этим время выполнения виртуальных работ может возрастать за счет изучения устройства и функционирования самого программного продукта.

К спорным моментам перевода практической части учебной программы по техническим дисциплинам в виртуальную форму можно отнести повышение роли стандартизации и шаблонов, что ограничивает возможности творческого роста студентов, сужает их кругозор до определенных рамок, предусмотренных программным продуктом. Контроль уровня сформированности практических навыков и умений в виде тестовых заданий способствует шаблонно-

сти мышления обучающихся, что также снижает качество подготовки технических специалистов, не способных на практике принимать ответственные решения в нестандартных ситуациях.

Подход к проблеме создания виртуальных лабораторных работ и их внедрения в учебный процесс должен быть дифференцированным и учитывать специфику той или иной дисциплины. В Национальном исследовательском Томском политехническом университете разработан и внедрен в образовательный процесс виртуальный лабораторный практикум по общей и неорганической химии [3]. При создании комплекса виртуальных лабораторных работ нами были сформулированы следующие задачи:

- максимально приблизить форму, содержание и аппаратурное оформление работ к условиям реальной лаборатории;

- модифицировать теоретическое описание работ и порядок их выполнения для сокращения объема и увеличения информативности;

- использовать методические приемы и подходы для повышения доли активной и творческой составляющих обучения;

- предусмотреть контроль усвоения базовых знаний по теме, формирования умений и навыков практической работы, обработки экспериментальных результатов;

- организовать эффективную обратную связь с преподавателем.

Предложенный практикум включает в себя семь лабораторных работ по общей химии и шесть - по неорганической. Создание практикума предусматривало несколько этапов: 1) составление описания теоретической и практической частей лабораторной работы; 2) реальное выполнение работы разработчиками с видеофиксацией проводящегося эксперимента; 3) получение экспе-

Рассмотрены проблемы, возникающие при разработке и использовании виртуальных лабораторных работ при изучении химии в вузах. Отмечены особенности виртуального лабораторного практикума по естественнонаучным и техническим дисциплинам. Обоснована необходимость сочетания компьютерных технологий с реальными экспериментальными работами в лаборатории. Предложена концепция виртуального лабораторного практикума, определяющая содержание, структуру и форму представления виртуальной лабораторной работы по химии для студентов технических вузов. Разработан и внедрен в учебный процесс комплекс виртуальных лабораторных работ по общей и неорганической химии.

Ключевые слова: высшее техническое образование, химия, виртуальные лабораторные работы, компьютерные технологии в обучении, мультимедийные средства обучения.

The complex of problems which appear at development and application of the virtual laboratory works on chemistry in technical universities is discussed. Some features of the virtual laboratory practicum on natural sciences and technology are outlined. It is shown that in the learning process the virtual works must be accompanied with the real experimental works to form the adequate representation of the physicochemical processes. A concept of the virtual laboratory practicum on chemistry is suggested, which can be useful to determine the content, structure and representation of the virtual laboratory work on chemistry. A virtual laboratory practicum on general and inorganic chemistry has been developed and introduced into the learning process in Tomsk Polytechnic University.

Key words: higher technical education, chemistry, virtual laboratory works, computer technologies in education, multimedia in education.

О

4*

риментальных данных, их анализ с применением компьютерных технологий; 4) перевод информации в виртуальную форму. Для максимального приближения интерактивного практикума к реальному использованы фотографии объектов изучения (вещества, химическая посуда, приборы), видеоматериалы.

В качестве преимуществ виртуальных лабораторных работ, разработанных авторами настоящей статьи, можно отметить реалистичность проводимых экспериментальных исследований и измерений (по возможности использованы натурно-виртуальные установки, а не их условные схемы), высокий уровень научности при выполнении эксперимента и обработке результатов, реализация творческого подхода при планировании эксперимента и выполнении работы студентами, возможность использования работ для очной и дистанционной форм обучения. Достаточно высокий уровень интерактивности виртуальных лабораторных работ по общей и неорганической химии позволяет максимально реализовать экспериментальную составляющую процесса обучения и приблизиться к условиям реальности [3].

Рассмотрим особенности содержания и формы виртуальных лабораторных работ по общей химии на примере работы «Скорость химических реакций». Эта работа основана на измерении оптической плотности рас-твора,полученного при сливании растворов тиосульфата натрия и серной кислоты в определенных соотношениях. В ходе реакции образуются частицы серы, число и скорость роста которых определяется начальными условиями (концентрация растворов, температура). Скорость химической реакции может быть определена по изменению оптической плотности реакционной смеси во времени.

Виртуальный лабораторный комплекс выполнен с использованием технологии Flash. Программа включает следующие блоки: теоретический; аппаратурное оформление экспериментальной части и порядок выполнения работы; составление отчета, выводов и контроль полученных знаний, умений и навыков. Теоретический блок представляет собой краткое изложение основных сведений по теме работы, включающее текстовый материал, графики, таблицы, иллюстрации. В данном разделе работы реализованы

Рис. 1. Интерфейс виртуальной лабораторной работы: теоретический блок и меню выбора и конструирования экспериментальной установки

возможности гипертекста, позволяющие в ходе выполнения работы уточнять значение основных терминов, физических величин. Аналогичная возможность предусмотрена и в экспериментальной части работы: на каждом элементе оборудования имеется символ, при указывании на который появляется всплывающая справка с кратким описанием и назначением данного элемента оборудования (рис. 1). Большинство элементов лабораторного оборудования представлено в виде фотографий реальных объектов.

В отличие от реальной в виртуальной лабораторной работе необходимо более тщательно подходить к описанию порядка ее выполнения. Целесообразной формой представления хода работы является алгоритм ее выполнения (рис. 1). Это связано прежде всего с тем, что в любой виртуальной работе присутствует определенная доля схематизации и упрощения в представлении явлений и процессов, что требует введения четких ограничений, выход за пределы которых приведет к сбою программы или получению неверного результата [5].

Приближение к реальным лабораторным работам в предлагаемом практикуме достигается путем введения большей вариативности при выборе условий и порядка проведения эксперимента [3] (рис. 2). В рассматриваемой лабораторной работе предусмотрена возможность выбора объема используемых в эксперименте растворов, произвольная последовательность их смешения, произвольная последовательность установки кювет в кюветодержа-тель фотоколориметра и ряд других приемов (рис. 2).

Такая форма представления экспериментальной части позволяет не только имитировать реальные условия эксперимента, но и учесть возможность получения ошибочных результатов. При разработке практикума автора-

Рис. 2. Пример варьирования условий проведения эксперимента при выполнении виртуальной лабораторной работы

Рис. 3. Интерфейс раздела виртуальной лабораторной работы по получению и обработке экспериментальных данных

ми настоящей статьи была проведена большая серия экспериментов, результаты которых внесены в программу. Вследствие этого даже ошибочные результаты, которые студент может получить при отклонении от алгоритма выполнения виртуальной лабораторной работы, являются возможными в реальности.

Неотъемлемой частью экспериментальных работ является обработка результатов измерений. В разработанном виртуальном лабораторном комплексе с большой степенью детализации воспроизводятся все этапы получения и обработки экспериментальных данных: измерение оптической плот-

ности реакционного раствора во времени, построение графической зависимости А = ОД, аппроксимация и оптимизация результатов измерений, определение физико-химических параметров процесса графическими и аналитическими методами (рис. 3). Результаты наблюдений и расчетов оформляются в виде отчета, который может быть проверен преподавателем как в виде отдельного файла, отправленного по электронной почте, так и в он-лайн-режиме.

Таким образом, использование компьютерных технологий и средств мультимедиа позволяет реализовать разнообразные

формы экспериментальной деятельности, открывает широкие перспективы в разработке оригинальных, а порой и принципиально новых работ химического практикума. Из опыта их внедрения в учебный процесс следует, что такую форму целесообразно сочетать с реальными экспериментальными работами в лаборатории. Виртуальные работы по естественнонаучным и техническим дисциплинам могут быть использованы для предварительного ознакомления студентов при подготовке к работе в лаборатории, при необходимости многократного повторения работы для лучшего усвоения материала, при отработке пропущенных занятий.

Литература

1. Безляк В.В., Белоусова Н.И., Земляков И.Ю., Килин А.А. Виртуальный лабораторный практикум в курсе общей и неорганической химии // Открытое и дистанционное образование. 2005. № 2.

2. Виртуальная образовательная лаборатория. URL: http://www.virtulab. net/ (загл. с экрана).

3. Виртуальный лабораторный комплекс «Общая и неорганическая химия» / Томск, Нац. исслед. Том. по-литехн. ун-т. URL: http://lms.tpu.ru/ course/view.php?id=8743 (загл. с экрана).

4. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов URL: http:// school-collection.edu.ru/catalog/ (загл. с экрана).

5. Князева Е.М., Коршунов А.В. Виртуальные лабораторные работы по химии // Высшее образование сегодня. 2012. № 7.

6. Теория и практика дистанционного обучения: учеб. пособие для студентов высш. пед. учеб. заведений / под ред. Е.С. Полат. М., 2004. С. 416.

7. Трухин А.В. Об использовании виртуальных лабораторий в образовании // Открытое и дистанционное образование. 2002. № 4.