ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ИНТЕРАКТИВНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В ТРЕХМЕРНОЙ ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ

УДК 53 (07): 004

М.Д. Бузмаков, И.В. Ильин, Е.В. Оспенникова

ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ИНТЕРАКТИВНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В ТРЕХМЕРНОЙ ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЕ

Рассматриваются вопросы создания виртуальных лабораторных работ по ряду школьных предметов (физика, химия, информатика) для средней общеобразовательной школы. Виртуальные учебные модели выполнены в среде Unity с помощью объектно-ориентированного языка C# и среде JUniverse с применением языка Java. Обеспечены высокий уровень интерактивности моделей и квазиреалистичность действий пользователя с объектами учебной сцены. Для самостоятельной работы учащихся в виртуальной среде подготовлены специальные модули, включающие интерактивные дидактические материалы (теоретические сведения, инструктивные указания, задания для проверки знаний и умений). Созданные виртуальные лабораторные работы являются полезным дополнением к традиционным лабораторным занятиям по школьным предметам.

Ключевые слова: цифровые образовательные ресурсы, виртуальные лабораторные работы.

Введение. Всего лишь поколение назад к электронным вычислительным машинам относились как к особому высокотехнологичному инструменту, предназначенному только для узкого круга специалистов. В настоящее время компьютерная техника стала неотъемлемой частью жизни современного общества. Она широко используется как для работы, так и для организации досуга пользователей. Уже на ранних этапах жизни ребенок вполне успешно овладевает основными принципами взаимодействия с интерфейсом различных программ и приложений, установленных на его компьютере или мобильном устройстве. Благодаря этому учителя начальной школы без особых проблем могут использовать приобретенные детьми еще в дошкольном возрасте умения и навыки работы с компьютерной техникой и ее программным обеспечением.

С развитием компьютерных технологий открываются новые возможности в разработке и применении в обучении цифровых образовательных ресурсов и средств дистанционной коммуникации. Реализация этих возможностей заложена в федеральных проектах «Современная школа» и «Цифровая образовательная среда», которые входят в национальный проект «Образование». Данные проекты направлены на масштабную модернизацию образовательного процесса, в том числе с помощью современных компьютерных технологий [4].

В рамках проекта «Цифровая школа» (2018-2025 гг.) поставлена цель создания цифровой образовательной инфраструктуры для сопровождения различных видов учебной работы школьников. Планируется разработка цифровой платформы и информационного ресурса

© Бузмаков М.Д., Ильин И.В., Оспенникова Е.В., 2020

«Цифровая школа», которые обеспечат возможность интеграции и использования уже представленных на информационном рынке электронных журналов и дневников. Ставится задача создания специального программного обеспечения с открытыми исходными кодами, гарантирующего необходимое качество онлайн-обучения, достоверную оценку его результатов, включая контроль прохождения процедуры оценки, а также передачу достоверных результатов обучения в электронные информационно-образовательные среды вузов. На базе данной программной среды будут реализованы системы тестирования, созданы симуляторы, тренажеры, виртуальные лаборатории и интерактивные игровые ресурсы, станут возможными организация проектной работы и «посещение» виртуальных экскурсий, различные виды коммуникации между обучающимися, а также онлайн-трансляции образовательных мероприятий (турниров, состязаний, олимпиад и т.п.). Будет выполнен перевод содержания учебников и дополнительных материалов для школьных занятий в электронную форму, созданы онлайн-курсы по различным предметам, в том числе для дополнительного образования. Школьникам будет обеспечен свободный доступ к контенту цифровой образовательной среды, в том числе через мобильные устройства, для активной самостоятельной работы над содержанием учебного материала [1]. Решение этих задач обеспечит возможность построения для учащихся в цифровой образовательной среде индивидуальных траекторий обучения. Согласно проекту, средствами данной среды будет реализован учет индивидуально-психологических особенностей учащихся и их готовность к обучению.

Большую ценность для сферы образования представляют интерактивные цифровые образовательные ресурсы (ЦОР), среди которых особое место занимают виртуальные лабораторные работы. В таких работах моделируются различные виды учебной деятельности, раскрывается ее содержание, отрабатываются умения и навыки выполнения входящих в нее действий и операций.

Понятие «виртуальная лабораторная работа». Методологическими вопросами внедрения средств ИКТ в образовательную практику занимаются многие известные педагоги и методисты: С.А. Бешенков, М.П. Лапчик, Н.В. Макарова, Е.В. Оспенникова, Ю.А. Первин, И.В. Роберт, И.Г. Семакин, Д.Ш. Матрос, Н.И. Пак и др. Авторы подчеркивают важность применения в виртуальной среде интерактивных методов обучения, обращают внимание в этой связи на дидактическую ценность работы с компьютерными моделями, подчеркивают необходимость наращивания их функционала, активизирующего деятельность обучающихся.

Компьютерные модели учебных объектов составляют основу организации виртуальных лабораторных работ. Ряд авторов исследуют суть, назначение, а также методику применения данного средства, относительно нового для современного образовательного процесса.

В трактовке Д.И. Троицкого и Е.Е. Диковой, содержание понятия виртуальная лабораторная работа связывается с «...интерактивными компьютерными программными средствами, созданными на основе лабораторных работ и имитирующими всю работу с реальными установками и физическими приборами» [9, с. 122]. По мнению Ю.Ю. Гавронской и В.В. Алексеева, под данным понятием подразумевается «.комплексный ресурс, который включает: 1) собственно виртуальную лабораторию как компьютерную программу, моделирующую основные этапы выполнения лабораторной работы; 2) набор виртуальных

реактивов и оборудования; 3) методические указания, содержащие теоретические сведения, конкретные задания, порядок выполнения работы, требования к отчету» [3, с. 80].

Е.М. Князева выделяет учебные ситуации, при которых возникает необходимость применения виртуальных лабораторных работ. Такие работы могут использоваться: 1) в качестве замены реального эксперимента при дистанционном обучении; 2) как альтернатива слишком дорогим, опасным, требующим много места, а также слишком продолжительным или скоротечным опытам; 3) в качестве тренажера перед проведением реального эксперимента, что позволит учащимся познакомиться с основными принципами работы лабораторной установки, типичными ошибками, которые могут быть допущены в ходе эксперимента, а также приобрести необходимые навыки работы с комплексным оборудованием [5]. Однако при всех достоинствах виртуальных лабораторных работ, используемых в учебном процессе, как справедливо отмечает большинство авторов (И.К. Азизов, Д.А. Антонова, И.Ж. Гергова, М.А. Коцева, Е.В. Оспенникова, Е.Ф. Фалина, А.Х. Ципинова, Э.Х. Шериева и др.), нельзя полностью отказываться от натурного эксперимента и практики работы обучающихся с реальным оборудованием [1, 2, 7, 8, 10].

Инструменты разработки виртуальных лабораторных работ. На сегодняшний день выделяют множество сред для создания виртуальных миров. Для этого используются «игровые движки» Unity, Unreal Engine, CryEngine, Godot, Blitz3D и др. Программная реализация моделей лабораторных работ может быть выполнена на различных языках программирования, таких как C/C++, C#, Java и др. До недавнего времени активно использовалась среда разработки Adobe Flash c языком программирования ActionScript 2.0/3.0, позволяющая создавать весьма качественные двухмерные компьютерные модели. Но на сегодняшний день с приходом инструментов спецификации HTML5 эта технология уходит в прошлое.

В рамках настоящей статьи рассматривается программная реализация виртуальных лабораторных работ в среде Unity. Данная среда благодаря широким возможностям визуального редактирования учебных сцен и их наполнения различными объектами позволяет разработчикам эффективно работать с графикой, звуком, анимацией, а также со сценариями различной сложности. В Unity можно создавать как 2D-, так и 3D-приложения учебного назначения.

В настоящее время особый интерес представляет применение в обучении трехмерных лабораторных работ. Из преимуществ учебных 3D-приложений можно выделить возможность свободного обзора объектов в рамках сцены, перемещение персонажа по сцене, в том числе приближение к объекту для его более детального изучения. Трехмерные модели объектов сцены могут быть включены в отдельный каталог и использованы впоследствии при создании виртуальных моделей новых лабораторных экспериментов.

Среда Unity позволяет создавать приложения, работающие под разными операционными системами и на различных типах устройств (компьютеры, игровые консоли, смартфоны и т.д.). Программная реализация, как правило, выполняется на C#. Редактор данной среды включает эффективные инструменты для создания анимации. Реализована в некоторой мере поддержка физики твердых тел. Однако как среда разработки компьютерных игр Unity имеет недостатки, которые проявляют себя при проектировании интерактивных моделей физических экспериментов.

Еще одним инструментом разработки компьютерных моделей является среда Juniverse (продукт Лаборатории ЦОР и педагогического проектирования ПГГПУ). Среда обеспечивает визуализацию 3D-моделей учебных объектов и реализацию их интерактивного функционала. Программные модули среды предназначены для создания трехмерных интерактивных учебных объектов по физике. Разработка собственно трехмерных объектов к функционалу среды не относится и реализуется в специальных 3D-редакторах [1, 8].

Примеры виртуальных демонстрационных экспериментов и лабораторных экспериментов для средней школы. На образовательных сайтах сети Интернет представлены виртуальные лабораторные работы по физике, химии, информатике и другим учебным предметам. Наибольшее их количество разработано для учебного процесса по физике. Виртуальных лабораторных экспериментов по химии значительно меньше. Весьма ограничены по количеству в виртуальной среде лабораторные работы по информатике.

Пока еще недостаточным является уровень интерактивности заданий, которые учащиеся могут выполнять на виртуальных лабораторных установках. Преимущественно реализован кнопочно-анимационный подход к проектированию учебного интерфейса (при нажатии на соответствующую кнопку рабочего окна модели воспроизводится исследуемый в виртуальной среде анимационный эффект). Однако в последние годы при создании виртуальных моделей разработчики стали достаточно активно использовать технологию drag&drop, позволяющую пользователю чувствовать себя более свободно в пространстве учебной сцены и совершать некоторые произвольные (квазиреалистичные) действия с учебными объектами [1, 8].

Химия. Виртуальные лабораторные и демонстрационные эксперименты по химии относятся к тем экспериментам, необходимость разработки и проведения которых не требует особого доказательства.

Рассмотрим примеры отдельных виртуальных лабораторных работ по химии, представленных на открытых образовательных ресурсах Интернета.

Представляет интерес виртуальный эксперимент в составе ресурса VirtuLab по теме «Химические индикаторы» (8-й класс). Это лабораторная работа «Определение характера среды раствора с помощью универсального индикатора» (рис. 1). Процесс проведения эксперимента по данной теме сводится к выбору и нажатию на стеклянные палочки, помещенные в пробирки с разными растворами. После такого нажатия раствор с помощью палочки наносится на полоски индикаторной бумаги (в виде анимации). По изменению цвета индикатора определяется вид среды (раствора).

Как тренажер данная модель весьма полезна. Однако если рассматривать эту модель как средство для проведения виртуальной лабораторной работы, то следует отметить некоторые ее недостатки. Во-первых, при проведении опыта используется только один универсальный индикатор. Количество индикаторов может быть увеличено. Как известно, помимо этого индикатора в школьных химических лабораториях широко распространен раствор порошка метилоранжа. Во-вторых, положение пробирок на столе с исследуемыми растворами при перезапуске виртуального эксперимента всегда остается одним и тем же, как и положение строк в таблице, в которой пользователь выбирает вариант ответа на задание к лабораторной работе (рис. 2). После нескольких попыток такого выбора учащийся путем

простого перебора вариантов может легко найти все верные решения, а сам лабораторный эксперимент осваивать для этого необязательно. В-третьих, заполнение таблицы результатов по эксперименту не поддерживается системой подсказок о совершении пользователем неверных действий, а также разъяснениями допущенных ошибок. Это приводит к тому, что учащийся в итоге далеко не всегда однозначно уяснит содержание опыта и суть допущенных ошибок при его выполнении.

Рис. 1. Модель «Определение характера среды раствора с помощью универсального индикатора».

Виртуальная лаборатория Уп!иЬаЬ [6]

Рис. 2. Определение вида раствора. Виртуальная лаборатория У1гШЬаЪ [6]

Еще одним примером разработки виртуальных экспериментов по химии являются решения компании LabInApp. В перечень доступных для использования предложений этой компании входят интерактивные задачи по химии. В ресурсе по отдельным учебным темам представлены демонстрационные видеоролики и виртуальные эксперименты. Эксперименты выполнены в 3Б-версии. Рассмотрим некоторые общие особенности реализации этих экспериментов в виртуальной среде (рис. 3).

После нажатия на кнопку Experiment на экране в центре виртуальной учебной аудитории появляется трехмерная сцена с лабораторным столом. На столе располагаются приборы и реактивы для изучения конкретных химических реакций. Для некоторых опытов реализовано управление скоростью воспроизведения химической реакции. Это сделано для наблюдения за ходом эксперимента в удобном для пользователя темпе. Условия проведения опыта и визуальные подсказки настраиваются на панели в правом верхнем углу рабочего окна. Кнопка Experiment Details открывает локальную html-страницу с тремя вкладками (рис. 3). Во вкладке Procedure содержится видеодемонстрация хода опыта и пошаговая инструкция к его проведению. Вкладка Observation предназначена для выполнения пользователем заметок по ходу опыта. На основе анализа этих заметок формулируются выводы по результатам опыта. Вкладка Viva включает тест по содержанию выполненного эксперимента. После прохождения теста на экране отображается количество правильных ответов пользователя. Показывается, на какие вопросы теста был дан верный ответ.

Change of pH During Titration РГОС6С1иГ£ ^ДДДД^^^Д

To study the change in pH during the titration of a strong acid with a strong base by using universal indicator.

Solution in Burette = NaOH

Universal indicator

^ Conical flask

и (J

PROCEDURE

1 The apparatus required for this experiment are burette, pipette, conical flask, universal indicator, HCI and NaOH solution.

2 Take 25 mL hydrochloric acid solution in a pipette and add ft to conical flask.

3 Add few drops of universal indicator solution to conical flask.

4 Add sodium hydroxide solution in small amounts from the burette.

5 Add sodium hydroxide solution from the burette as given in observation table.

Note the color of solution in conical flask after each addition of sodium hydroxide solutio and find out the pH by comparing its color

Рис. 3. Методические указания для опыта «Изменение pH в процессе титрования кислоты и основания».

LabInApp Technology Pvt Ltd [12]

Для анализа особенностей проведения конкретного эксперимента по химии, представленного в рассматриваемом продукте компании LabInApp, в настоящей статье выбрана учебная тема «Температура плавления органических соединений» (11-й класс). Модель этого эксперимента представлена на рис. 4. На виртуальном демонстрационном столе расположены трубка Тиле, термометр, горелка, парафиновая жидкость и твердое органическое соединение. Чтобы поместить термометр и органическое соединение в трубку Тиле, необходимо нажать кнопку Place, размещенную рядом с этими объектами. Горелка начнет работать после нажатия на кнопку Start. После этого появится всплывающее окно, в котором на протяжении всего опыта будет указываться температура вещества в сосуде. Чтобы внимательно рассмотреть вещество,

находящееся в трубке, и собственно процесс его плавления, необходимо нажать на иконку «Лупа».

Демоверсии трехмерных моделей от компании LabInApp демонстрируют весьма высокий уровень их интерактивности. Даже в сугубо демонстрационных опытах присутствует тонкая настройка параметров их проведения. Помимо этого, опции управления камерой и уникальные для некоторых опытов элементы интерфейса позволяют пользователю в деталях изучить демонстрируемые на экране монитора химические реакции. Однако все действия с учебными объектами выполняются только при помощи кнопок, размещенных на экране. При нажатии на кнопку реализуется анимация, соответствующая конкретному этапу эксперимента.

Рис. 4. Опыт «Температура плавления органических соединений». LabInApp Technology Pvt Ltd [12]

Отметим, что при некоторой доработке моделей виртуальных экспериментов компании LabInApp может быть обеспечен более высокий уровень их интерактивности. Это будет способствовать росту результативности обучения как с точки зрения его качества, так и с точки зрения влияния таких моделей на развитие мотивации познавательной деятельности учащихся.

Попытка обеспечить повышенный уровень интерактивности виртуального эксперимента по химии была предпринята в одном из наших проектов. В Лаборатории ЦОР и педагогического проектирования ПГГПУ в среде разработки Unity (версии 2019.1.6f1) были созданы три виртуальные лабораторные работы по следующим учебным темам: «Химические индикаторы» (8-й класс), «Разложение дихромата аммония» (8-й класс), «Электролитическая диссоциация» (9-й класс). Объекты лабораторных экспериментов разработаны в виртуальной среде с применением трехмерной графики, а сценарии экспериментов написаны на языке программирования C#. Все опыты реализованы в рамках одного приложения. Экспериментальные установки расположены в одной сцене, а переходы между опытами осуществляются посредством перемещения камеры.

Рассмотрим содержание работы пользователя в виртуальной химической лаборатории. После запуска обучающей программы обучаемый видит перед собой титульный экран, на котором изображена входная дверь в кабинет химии (рис. 5).

Рис. 5. Титульный экран

Нажатием на ручку пользователь открывает дверь и попадает в кабинет. Перед ним располагается панель для выбора темы лабораторной работы (рис. 6).

Выбор лабораторной работы

Рис. 6. Меню выбора лабораторной работы

После выбора учебной темы пользователь перемещается к лабораторному столу с соответствующим оборудованием. На столе для проведения лабораторной работы «Химические индикаторы» расположены три колбы с жидкостями. Расположение колб относительно друг друга меняется случайным образом как при запуске программы, так и после каждого перезапуска хода опыта (рис. 7).

Рис. 7. Опыт «Химические индикаторы»

На полке лабораторного стола расположены три полоски лакмусовой бумаги и пипетка с раствором метилоранжа. В качестве первого варианта выполнения лабораторного задания требуется поместить полоски бумаги в колбы с жидкостями, чтобы по их изменившемуся цвету определить раствор, находящийся в каждой колбе. Перемещение полосок реализовано с применением технологии drag&drop.

Часть программной реализации, отвечающая за «окраску» лакмусовой бумаги, приведена

ниже:

// ...

if

{ gameObject.GetComponentInChildren<Image>().fillAmount =

Mathf.Lerp(gameObject.GetComponentInChildren<Image>().fillAmount, 0.5f, t / 4);

gameObject.GetComponent<Renderer>().material.color = Col-

or.Lerp(gameObject.GetComponent<Renderer>().material.color, acColor, t); }

// .

Помимо универсального индикатора для выполнения задания в этом эксперименте можно использовать кислотно-щелочной индикатор метилоранж. Для работы с этим индикатором применяется пипетка. Пользователь с помощью технологии drag&drop перемещает пипетку последовательно к каждой колбе. Нажатие правой кнопки мыши (ПКМ) позволяет добавить в каждую исследуемую среду несколько капель индикатора. По изменению цвета среды определяется ее вид.

В данной лабораторной работе необязательно использовать оба индикатора, для выполнения задания достаточно лишь выбрать предпочтительный.

Ниже приведена часть программной реализации, отвечающая за распознавание раствора, в который попала капля индикатора, а также за реализацию звуковых эффектов в зависимости от вида взаимодействия пользователя с объектами сцены:

// ...

if

{

dropGetAl = true; Drip.Play();

}

else {

}

Drip on table.Play();

// .

В данном лабораторном эксперименте осуществляется дидактическая поддержка познавательной деятельности учащихся. При нажатии кнопки с изображением знака вопроса появляется панель с информацией об интерактивных элементах учебной сцены, а также об особенностях проведения каждого опыта. Кнопка с изображением символа 1 обеспечивает переход к теоретическому материалу по теме лабораторного эксперимента. Кнопка с изображением документа предназначена для вывода на экран описания сути опыта и инструктивных указаний по его выполнению.

В ресурсе предусмотрена проверка правильности выводов, сделанных учащимися по результатам опыта (рис. 8).

0 ш

рН Универсальный индикатор 0 1 ш 4 5 6 -  Ш ВВ

Метиловый оранжевый :

Колба 1 Колба 2 Колба 3 Соляная кислота О [Н Е?

Вода -7 Гидроксид натрия

Сброс Проверка

Рис. 8. Панель с вводом ответа в опыте «Химические индикаторы»

Следующий демонстрационный опыт в рамках рассматриваемого проекта разработан по теме «Разложение дихромата аммония». Рассмотрим учебную сцену данного опыта. На столе лежит металлический лист, на который насыпаны кристаллы дихромата аммония (рис. 9). Для проведения опыта пользователю необходимо взять спичку из коробка и поднести ее к исследуемому веществу (ЛКМ, технология drag&drop). Чтобы зажечь спичку, достаточно нажать правую кнопку мыши (ПКМ). Как только зажженная спичка будет находиться достаточно близко к дихромату аммония, начнется реакция его разложения. Оранжевые кристаллы будут превращаться в серовато-зеленый пепел (оксид аммония) и разлетаться в разные стороны. Реакция будет проходить до тех пор, пока все вещество полностью не разложится.

Рис. 9. Опыт «Разложение дихромата аммония»

Третья работа проекта - это виртуальный эксперимент по теме «Электролитическая диссоциация». Для проведения опыта на лабораторном столе размещаются: штатив с угольными электродами, которые соединены проводами с источником тока и электролампой, и три химических стакана с различными растворами (рис. 10). В основании штатива расположен подъемник, позволяющий перемещать стаканы по вертикали так, чтобы электроды оказались погруженными в раствор. В начале опыта пользователь перемещает стакан с одним из растворов на платформу подъемника. Для перемещения платформы подъемника вверх необходимо расположить курсор на подъемнике и начать прокручивать колесо мыши. Платформа при этом начнет медленно подниматься. После того как электроды погрузятся в раствор, учащемуся следует обратить внимание на яркость свечения лампы. Опыт повторяется с разными растворами. В результате исследования можно убедиться, что в зависимости от вида раствора лампа будет гореть либо со вполне определенным накалом (ярко, слабо), либо вовсе не загорится. По результатам опыта учащиеся должны сделать соответствующие выводы.

Рис. 10. Опыт «Электролитическая диссоциация»

В данном виртуальном эксперименте, как и в предыдущем, реализована проверка правильности сформулированных учащимися выводов (рис. 11).

Рис. 11. Панель с вводом ответа в опыте «Электролитическая диссоциация»

Рис. 12. Модель «Импульс тела. Закон сохранения импульса» (Единая коллекция ЦОР:

http://files.school-collection.edu.ru/)

Виртуальные эксперименты рассмотренного проекта отличаются высоким качеством визуализации лабораторного оборудования и достаточно высоким уровнем интерактивности. Реализована технология drag&drop в работе пользователя с объектами виртуальной среды. Повышен уровень вариативности виртуальных экспериментов, а также представлены виртуальные опыты, которые ранее не были разработаны для учебного процесса по химии.

Физика. Для учебного процесса по физике различными IT-компаниями и авторскими коллективами к настоящему времени подготовлен целый ряд цифровых ресурсов, включающих различные виртуальные лабораторные работы, в частности: «Лабораторные работы по физике. 7-11 классы» (ООО «Дрофа», ООО «Квазар», М., 2006); «Активная физика» (программно-методический комплекс для обучения школьников 7-10-х классов, компания Pi-LogicResearchGroup); «Виртуальные лабораторные работы по физике. 7-9 классы» («Новый диск», М., 2007); «Интерактивные лабораторные работы. 7-11 классы» (ООО «Физикон», М., 2008) (рис. 12) и др.

Абсолютное большинство моделей лабораторных экспериментов по физике выполнены преимущественно в 2D-графике. В настоящее время в современном образовательном пространстве идет активная разработка 3D-версий лабораторных экспериментов [1].

Интерфейсные решения и методическое обеспечение таких экспериментов разрабатываются разными творческими коллективами, в том числе преподавателями и студентами высших учебных заведений. Ниже приведены трехмерные модели виртуальных учебных экспериментов по физике, созданные студентами ПГГПУ с применением редактора Blender, кросс-платформенной среды разработки компьютерных игр Unity (рис. 13), а также среды проектирования интерактивных трехмерных сцен Universe (рис. 14).

Рис. 13. Интерфейс модели лабораторного эксперимента по теме «Закон сохранения импульса» (проект

магистранта Е. Спирина, выпуск 2016 г.) [1]

Рис. 14. Модель демонстрационного эксперимента по теме «Измерение атмосферного давления. Барометр-анероид»

Особенностями этих моделей являются квазиреалистичный интерфейс и квазиреалистичные действия обучающегося в виртуальной лаборатории. Учащийся свободно перемещается в учебном кабинете, манипулирует учебным оборудованием, совершая действия, схожие с реальными, активно работает с интерактивной рабочей тетрадью, фиксирует данные

эксперимента, проводит расчеты. Система осуществляет контроль полученных учащимся результатов. При необходимости можно провести эксперимент заново и исправить записи в рабочей тетради. Если учащийся удовлетворен результатом, то он может включить полученные данные в итоговый ответ по лабораторной работе, который формируется автоматически. Подробнее с вопросами технологии и методики разработки ЗБ-моделей виртуальных лабораторных работ по физике с применением технологии квазиреалистичного интерфейса можно познакомиться в нашей работе [8].

Информатика. Разработка виртуальных лабораторных работ по информатике целесообразна для тех учебных тем, где изучаются различные технические объекты, например: «Логические элементы компьютера», «Устройство компьютера», «Компьютерные сети». Актуальность данного направления определяется тем, что ФГОС общего среднего образования устанавливает требования к результатам освоения обучающимися основной образовательной программы в области политехнической направленности обучения. В частности, к метапредметным результатам относят, кроме прочих, умение использовать средства ИКТ в решении «...задач с соблюдением требований эргономики, техники безопасности, гигиены, ресурсосбережения, правовых и этических норм, норм информационной безопасности.» [11, с. 5-7].

На рис. 15-17 представлены примеры моделей оснащения и оборудования виртуальных лабораторных работ по информатике (модель кабинета информатики, модель «Маршрутизатор», модель «Устройство и принцип действия сенсорного экрана»).

Рис. 15. Модель кабинета информатики

Рис. 16. Модель «Маршрутизатор»

Рис. 17. Фрагмент интерактивной модели «Устройство и принцип действия сенсорного экрана»

Разработка комплекса виртуальных лабораторных работ по различным учебным предметам требует значительных временных затрат и творческих усилий авторов. Тем не менее создание таких ресурсов дидактически целесообразно, поскольку виртуальная среда является одним из важных дополнительных средств обучения, обеспечивающих расширение и обогащение практики подготовки учащихся в области методологии экспериментального исследования. Сегодня накоплен весьма ценный опыт сценарных и интерфейсных решений в разработке ЦОР данного назначения. Этот опыт должен быть непременно востребован

и обогащен за счет применения новых технологий моделирования цифровых учебных объектов и обеспечения высокого уровня их интерактивности.

Список цитируемых источников

1. Антонова Д.А., Оспенникова Е.В., Спирин Е.В. Цифровая трансформация системы образования. Проектирование ресурсов для современной цифровой учебной среды как одно из ее основных направлений // Вестник Перм. гос. гуманит.-пед. ун-та. Сер.: Информационные компьютерные технологии в образовании. - 2018. - № 14. - С. 5-37.

2. Виртуальные лабораторные работы как форма самостоятельной работы студентов / И.Ж. Гергова, М.А. Коцева, А.Х. Ципинова и др. // Современные наукоемкие технологии. -2017. - № 1. - С. 94-98.

3. Гавронская Ю.Ю., Алексеев В.В. Виртуальные лабораторные работы в интерактивном обучении физической химии // Известия Рос. гос. пед. ун-та им. А.И. Герцена. - 2014. - Вып. № 168. - С. 79-84.

4. Информационные материалы о национальном проекте «Образование» [Электронный ресурс]. - URL: http://static.government.ru/media/files/YumshgCpXWEMsqRmMTxDs0wjiGzY30hs. pdf (дата обращения: 16.06.2019).

5. Князева Е.М. Лабораторные работы нового поколения // Фундаментальные исследования. - 2012. - Ч. 3, № 6. - С. 587-590.

6. Определение характера среды раствора с помощью универсального индикатора [Электронный ресурс] // Виртуальная лаборатория ВиртуЛаб. - URL: http://www.virtulab.net/index.php?option=com_content&view=article&id=278:2009-11-14-22-37-18 (дата обращения: 6.04.2019).

7. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Виды компьютерных моделей и направления использования в обучении физике / Е.В. Оспенникова, Н.А. Оспенников // Вестник Томского государственного педагогического университета. - 2010. - № 4. - с. 118-124.

8. Оспенникова Е.В., Антонова Д.А. Цифровая трансформация предметной среды обучения: исторический экскурс и современный этап реализации // Проблемы современного естественно-научного и математического образования: коллектив. моногр. / Урал. гос. пед. ун-т. - Екатеринбург, 2019. - С. 28-65.

9. Троицкий Д.И., Дикова Е.Е. Виртуальные лабораторные работы в естественнонаучном образовании // XVIII Объединенная конференция «Интернет и современное общество» IMS-2015. - СПб., 2015. - С. 121-129.

10. Фалина Е.Ф. Влияние виртуальных лабораторных работ на качество учебного процесса // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2008. - 2-е изд. - С. 297-302.

11. Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования (от 17 мая 2012 г. № 413). - М., 2012. - 45 с.

12. Homepage [Электронный ресурс]. - URL: http://labinapp.com/index.html (дата обращения: 20.03.2019).