Виртуальные лаборатории для обучения химии

В соответствии с Федеральными государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлениям обучения, реализуемым на факультете химии РГПУ им. А. И. Герцена [1, 2], организация учебного процесса должна предусматривать использование активных и интерактивных форм проведения занятий, в том числе компьютерных симуляций. Занятия, проводимые в указанных формах, должны составлять не менее 30 процентов аудиторного времени.

Трактуя активные и интерактивные формы проведения занятий в терминах включения студентов в интенсивное прямое или опосредованное образовательное взаимодействие, следует признать, что основанные на принципах технологизации, инновации, индивидуализации, дифференциации, интеграции, компьютерные обучающие программы открывают новые возможности в организации взаимодействия субъектов обучения, содержания и характера их деятельности. В частности, в обучении химии подобный подход способствует повышению уровня усвоения химико-информационных знаний и умений их применять, развитию способностей учащихся к интегративному и творческому мышлению, формированию обобщенных умений разрешать проблемные ситуации [3].

Совершенствование электронных средств обучения привело к модернизации образовательного процесса в целом: лекции проводятся в режиме презентаций, для ведения практических и семинарских занятий используются интерактивные способы представления учебного материала, зачеты и экзамены принимаются с использованием машинного контроля [4].

При обучении химии наиболее консервативной частью учебного процесса остается лабораторный практикум, целесообразность полного перевода которого в e-learning режим пока не совсем ясна. Однако особые возможности для реализации интерактивного обучения здесь создает новый вид учебного химического эксперимента — виртуальная лаборатория.

Под виртуальной лабораторией понимается компьютерная программа, позволяющая моделировать на компьютере химический процесс, изменять условия и параметры его проведения [5]. При выполнении виртуальной лабораторной работы студент оперирует образцами веществ и компонентов оборудования, воспроизводящими внешний вид и функции реальных предметов.

С одной стороны, очевидны положительные стороны виртуальной лаборатории — современные компьютерные технологии в ряде случаев позволяют отойти от реального проведения химических процессов без потери качества полученной информации. Особенная 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, отсутствуют ограничения по времени, студент может выполнять работу (или подготовиться к ней) во внеучебное время, повторять ее многократно.

Не смотря на достоинства и очевидную потребность образовательной практики в виртуальных лабораториях, их количество и опыт использования в интерактивном и дистанционном обучении химическим дисциплинам, например, физической химии, в зарубежной и отечественной практике не столь велик. Виртуальные лаборатории по химии, в основном, создаются для среднего общего образования («Виртуальная химическая лаборатория для 8−11 классов ISO»). Что касается высшей школы, имеется ограниченное количество виртуальных химических лабораторий преимущественно по неорганической, общей и органической химии для нехимических направлений/профилей подготовки, практически все на английском языке, в некоторых случаях требуется регистрации и оплата за использование полной версии: Chemlab, Crocodile Chemistry 605, и созданный на его основе адаптированный для российских школ образовательный продукт «Yenka», Virtual Chemistry Laboratory, Dartmouth ChemLab — интерактивное руководство по выполнению лабораторных работ по общей химии, собственно виртуальной лабораторией не является), коллекции визуализаций и компьютерных симуляций Chemistry Experiment Simulations и Virtlab: A Virtual Laboratory и нескольких других.

Специальные виртуальные лаборатории по физической химии на рынке образовательных продуктов не представлены вовсе. Безусловно, вузы по мере возможностей создают виртуальные лабораторные работы по физической химии с учетом своей специфики, чаще всего для работы с собственными студентами. Например, программный продукт «Модуль прикладной химии» (МПХ), разработанный на кафедре ИУ-6 МГТУ им. Н. Э. Баумана. В соответствии с учебным планом дисциплины «Физическая химия» предполагается выполнение ряда лабораторных работ, в том числе по темам «Термохимия», «Фазовые равновесия», «Поверхностные явления».

Благодаря МПХ стало возможным проведение лабораторных работ по этим темам в режиме реального времени (Real Time), реализуя смешанную модель дистанционного обучения. Другой пример — виртуальные лабораторные работы Кемеровского института пищевых технологий.

Уровень таких разработок весьма разнообразен как с технической, так и методической точек зрения, а использование ограничено. Самостоятельное проектирование и реализация узко предметной информационной образовательной среды является очень сложной задачей, требующей специальной операционной базы, команды программистов, педагогов и специалистов-химиков, больших временных и финансовых затрат. Мы полагаем, что более целесообразным представляется адаптация или создание в рамках существующей виртуальной лаборатории собственных виртуальных лабораторных работ, отвечающих особенностям данной ООП и программы дисциплины. В частности, мы использовали для создания собственных виртуальных лабораторных работ по физической химии виртуальную лабораторию проекта The ChemCollective.

IrYdium Chemistry Lab, преимуществами которой стали удовлетворительный набор виртуальных реактивов и физико-химических приборов, частично русифицируемый дружественный интерфейс, встроенная программа разработки заданий, допускаемое разработчиками свободное бесплатное использование.

Созданные нами на базе IrYdium Chemistry Lab и прошедшие апробацию в лабораторном практикуме по физической химии в РГПУ им. А. И. Герцена виртуальные лабораторные работы являются симуляциями экспериментальных работ реального лабораторного практикума по теме «Термохимия»: «Определение теплоты растворения соли», «Определение теплового эффекта образования кристаллогидрата из безводной соли и воды», «Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием», выполнение которых предусмотрено рабочими программами учебной дисциплины «Физическая химия». Каждая работа включает широкое разнообразие заданий (изучаемые вещества, их масса/объем), снабжена методическими указаниями для студентов и преподавателей. Ход виртуальных лабораторных работ максимально приближен к проведению реального химического эксперимента; с помощью компьютерной программы студент совершает продуманные им в соответствие с конкретным заданием определенные действия: выбирает реактивы, взвешивает, отмеряет объемы, фиксирует изменение температуры, проводит наблюдения (в виде виртуальных изображений), обрабатывает, обобщает и анализирует полученные результаты опытов в отчете [6].

Не смотря на описанные достоинства, с развитием компьютерных технологий обучения вопрос о необходимости создания виртуальных лабораторных работ и частичном или полном переводе практикумов из лабораторий в компьютерные классы дискутируется все больше [3, 4, 8].

При этом одни авторы объясняют необходимость такого перехода дороговизной лабораторного оборудования, другие — недостаточностью временных ресурсов или унификацией образовательных программ в соответствии с Болонской декларацией и пр. Однако главным недостатком виртуальной лаборатории является отсутствие непосредственного контакта студента с объектом исследования, приборами и аппаратурой.

Как и большинство наших коллег, мы полагаем, что объектом изучения химии является вещество, обладающее комплексом характеристик и свойств, которые не сможет воспроизвести ни одна самая совершенная компьютерная модель. Подход к проблеме создания виртуальных лабораторных работ и их внедрения в учебный процесс должен учитывать специфику химической дисциплины, чтобы не допустить выпуска армии «виртуальных» специалистов, имеющих опыт работы лишь с идеализированными моделями, а не с реальными объектами и явлениями, в то время как уровень их ответственности при работе на производстве настолько велик, что определяет не только экологическую безопасность, но и само существование окружающего мира.

Опыт использования виртуальных лабораторных работ в практикуме по химии показал, что предпочтительным является сочетание виртуального и реального эксперимента, при котором компьютерная модель изучаемого процесса несет вспомогательную функцию подготовки студента к действиям с реальными объектами. Виртуальная лаборатория позволяет отработать методику исследования реального процесса, предусмотреть возможные ошибки в постановке и проведении опыта, ускорить математическую обработку и интерпретацию полученных данных, составить отчет. У преподавателя появляется реальная возможность постановки перед студентами задачи об определении оптимальных условий опыта. Решение этой задачи может быть реализовано в условиях виртуального химического эксперимента после изучения свойств модели, что позволяет студентам самим обоснованно аргументировать условия проведения реального эксперимента. Это особенно актуально в случае работы с химическими объектами, несущими опасность (например, концентрированными кислотами и щелочами, легковоспламеняющимися или токсичными веществами), тогда следует на первых этапах применять именно виртуальные лаборатории, и только после получения требуемых навыков перейти, при необходимости, к работе с реальными объектами.

Не вызывает сомнений, что предлагаемые нами виртуальные лабораторные работы и другие компьютерные симуляции не могут и не должны заменять настоящего химического эксперимента, однако существует ряд ситуаций, когда использование виртуальной лаборатории оказывается предпочтительным или единственно возможным способом обучения. В первую очередь, это дистанционное обучение, когда студент физически не присутствует в лаборатории, например, при заочном обучении или при очном по болезни или из-за зарубежной стажировки. Кроме того, существует потребность в отработке пропущенных занятий, необходимость подготовки/тренинга перед выполнением реальной лабораторной работы и т. п. При интерактивных формах проведения занятий виртуальные лабораторные работы позволяют провести наглядную и достоверную компьютерную симуляцию физико-химического процесса, вызывать и наблюдать реакцию системы на внешние воздействия, включая максимальное число студентов в аудитории в продуктивное учебное взаимодействие.

Таким образом, с нашей точки зрения, активные и интерактивные формы занятий по химии должны содержать как реальные эксперименты на современном оборудовании, так и виртуальные лабораторные работы по изучению химических процессов в оптимальной, научно-обоснованной пропорции, что позволит динамично развивать структуру и методику обучения химии на основе самых современных достижений науки, техники и методов познания. сотрудничество обучение штурм виртуальный.