Григорьева Лариса Станиславовна
кандидат химических наук, профессор, Московский государственный строительный университет, г. Москва
pehe@list.ru

Григорьев Владимир Александрович
студент, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва
kamerrer@yandex.ru

Использование виртуальной химической лаборатории при дистанционном обучении

Одной из задач высшего образования на современном этапе развития общества является подготовка специалистов, способных к проективной детерминации будущего, ответственных за него. Специалист с высшим образованием – это творческий человек, с активной жизненной позицией, который уверен в своих профессиональных качествах и способен самостоятельно добывать и применять знания на практике. Для решения этой задачи необходимо разрабатывать новые методологические подходы к образовательному процессу.

Классическое образование остается одной из основных форм подготовки специалиста. Наряду с традиционными технологиями обучения широко используются  и новые, например дистанционные технологии – инновационные технологии, основанные на применении средств мультимедиа [1]. Более 13 лет дистанционная форма обучения (ДО) является официально признанной в России и рассматривается в качестве одного из компонентов   системы непрерывного образования. В последние годы, в связи с широким распространением электронной образовательной среды, эта форма становится все более популярной и востребованной в высшей школе.

Благодаря созданию электронных образовательных ресурсов  возможен активный обмен информацией между студентами и преподавателем, а также между самими студентами, с использованием в максимальной степени современных средств новых информационных технологий (аудиовизуальные средства, персональные компьютеры, средства телекоммуникаций)[2]. Асинхронное или индивидуальное обучение позволяет студентам заниматься независимо от преподавателя в удобное  для них время и в удобном месте. Синхронное обучение предполагает интерактивное взаимодействие с участием преподавателя (тьютера). Наиболее востребованы программные продукты, позволяющие использовать обе модели дистанционного обучения (смешанное обучение).

Полноценный проект ДО включает:

• инструктивный блок,

• информационный блок (системы информационного наполнения ресурса),

• контрольный блок (механизм тестирования и оценки),

• коммуникативный блок (системы интерактивного преподавания) и управляющую систему, которая объединяет всё это воедино.

Основная проблема, возникающая при создании такого проекта, состоит в организации проведения лабораторных работ и прежде всего, это относится к химическим дисциплинам. Для решения этого вопроса используются электронные интерактивные ресурсы,  например, виртуальные химические лаборатории. Виртуальные лаборатории, не только химические, позволяют  моделировать объекты и процессы окружающего мира, а также организовывать компьютерный доступ к реальному лабораторному оборудованию [3]. В настоящее время выбор виртуальных химических лабораторий ограничен. В основном это зарубежные программные продукты:

• Модель Chemlab (разработчик: McMaster University) первые версии этой модели появились в 1997г. [4]. Новые версии постоянно модернизируются. Эта модель рекомендуется для средней школы и колледжей. В ней представлены пошаговые текстовые инструкции, поле для регистрации наблюдений и поле для выполнения эксперимента. В основном выполняются работы иллюстративного характера.

• Модель Crocodile Chemistry 605 (разработчик: Crocodile Clips в 2006г.) [5]., На его основе позднее появился новый образовательный продукт «Yenka», который адаптирован институтом новых технологий для учебных программ российских школ[6]. Данные лаборатории позволяют выполнять достаточно большое количество экспериментальных работ по неорганической химии.

• Программный продукт Virtual Chemistry Laboratory разработан в Carnegie Mellon University (США) (руководитель проекта D.Yaron) аналогичен модели Chemlab [7].

В России интересное электронное издание «Виртуальная химическая лаборатория для 8–11 классов» разработано в Лаборатории систем мультимедиа Марийского государственного технологического университета. Содержание данного ресурса охватывает весь школьный курс [8].

Все представленные программные продукты объединяет то, что в основном эксперименты носят иллюстративный характер, обучающийся при этом, выполняет лишь пассивную роль наблюдателя. В базе представлены эксперименты в основном по школьному курсу

Виртуальные химические лаборатории, позволяющие выполнять лабораторные работы по специальным химическим дисциплинам, при реализации дистанционного обучения в ВУЗах фактически отсутствуют.

Требования к таким программным продуктам следующие: вариативность выполнения эксперимента, возможность выполнять количественные расчеты на основании данных, полученных в ходе эксперимента, наличие краткой, пошаговой инструкции, простой интерфейс и графика, позволяющая размещать программный продукт в Интернете. При использовании виртуальной лаборатории не должно возникать трудностей с установкой программы, а оформление не должны отвлекать от собственно эксперимента.

На кафедре Прикладной химии МГСУ используется 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.

Программный продукт (МПХ) – сложная система искусственного интеллекта, состоящая не только из баз данных (реакций, свойств элементов, возможных условий и приборов), но и базы знаний. Благодаря этому МПХ не устаревает, пополняет свои БД, а главное самостоятельно может генерировать новые химические процессы, проходящие при введении дополнительных данных. Данная виртуальная лаборатория создана с использованием математических моделей, которые позволяют определить результат любого эксперимента и соответствующее визуальное представление.

В МПХ интерфейс с пользователем разработан таким образом, что он может либо сам пополнять любую БД, либо непосредственно пользоваться химической лабораторией. Так же предусмотрен режим проверки знаний “на месте”, т.е. преподаватель в режиме администратора имеет возможность посмотреть результаты. При использовании лаборатории пользователь задает необходимые реактивы, условия проведения реакции, порядок добавления реактивов, химические приборы и оборудование. Механизм обработки процесса строится на фреймовой модели. Существует главный фрейм «Реакция» состоящий из множества слотов, вот три главных. Первый слот «Реактивы», второй – «Условия», третий – «Оборудование и реактивы». Только когда эти слоты определены, то определен весь фрейм, а, значит, процесс прошел успешно и, благодаря механизму логического вывода, пользователь может увидеть результат, который при необходимости отсылается. Для того чтобы слот «Реактивы» был определен, необходимо означить фрейм второго уровня «Реактивы», который в свою очередь состоит из слотов реактивов вступающих в реакцию и, если необходимо, то и количественных характеристики этих веществ. Для каждого слота вызывается свой «демон», который обращается в соответствующую БД, и если нет необходимых знаний, спрашивает об этом пользователя или добавляет сам, если это возможно, благодаря этому реализован один из алгоритмов пополнения базы знаний. Аналогичный алгоритм определения слотов характерен для «Условия» и «Оборудование и реактивы».

При разработке программного продукта “МПХ” была создана сложная структура баз данных и баз знаний со связями многие ко многим и один ко многим. Для определения количественных параметров применены методы численной оптимизации.

 

Рассмотрим, для примера,  интерактивную версию работы «Определение теплоты растворения в воде различных солей» по теме «Термохимия». При выполнении работы студент руководствуется пошаговой инструкцией. На панели инструментов имеются вкладки: реактивы, оборудование. В соответствии с инструкцией студенты совершают определенные операции: собирают прибор, отмеряют необходимые количества реактивов, добиваются установления постоянной температуры в течение определенного времени, растворяют соль в воде, фиксируют изменение температуры (рис.1.). Фактически выполняют все операции, которые необходимо выполнить  в химической лаборатории при проведении такого эксперимента. Полученные данные используют для проведения расчетов и построения графиков зависимостей. Затем  делают выводы о происходящих процессах. Сравнивая полученные результаты с табличными данными, рассчитывает ошибки определения. Построение зависимостей и расчеты студенты выполняют самостоятельно, не используя МПХ.

 

Рис.1. Элементы интерфейса  МПХ

При синхронной модели преподаватель может комментировать правильность выполненных операций и расчетов. При асинхронной модели отчет о выполненной работе высылается по электронной почте преподавателю. 

 

Независимо от выбранной модели лабораторная работа превращается в маленькое научное исследование [9]. Преподаватель является руководителем такого исследования. При выполнении лабораторных работ реализуется исследовательский метод обучения химии. Он дает возможность студентам формировать черты творческой деятельности, овладевать методами научного познания, способствует формированию осознанных, оперативно и гибко используемых знаний.  МПХ позволяет разработать достаточно большое количество вариантов, предусмотреть определенный процент ошибки определения. Для развития логического мышления при проведении интерактивных лабораторных работ можно варьировать данными таким образом, чтобы даже отрицательный результат, полученный студентом, был аргументированным. Т.е. при использовании виртуальной лаборатории реализуется одна из первостепенных задач современного педагога – активизация мыслительной деятельности студента, формирование критического и творческого мышления.

 

Ценность такой виртуальной лаборатории заключается еще и в том, что МПХ можно использовать и для других форм обучения. Если это очная или вечерняя формы обучения, то использование виртуальной лаборатории является прекрасным тренингом и подготовкой к аудиторным занятиям, но ни в коем случае не заменяет их.

 

Таким образом,  использование виртуальной химической лаборатории в высшей школе при ДО предоставляет возможности:

• проведения лабораторных работ в виде мини-исследований;

• формирования практических навыков проведения исследования;

• организации обсуждений между удаленными участниками: студентами, преподавателем и студентами;

• организации индивидуальной методической помощи при изучении дисциплины.

 Литература

1. Гаврилов Н.А., Имакаев В.Р., Шубин С.В. Развитие инновационных моделей дистанционного обучения, как направление информатизации образования на региональном уровне // Телекоммуникации и информатизация образования. - 2006. - 2. - С. 129-134.

2. Полат Е.С., Петров А.Е., Аксенов Ю.В. и др. К концепции дистанционного обучения. //Сборник научных трудов МИЭМ. - М.:1997.- 0,5 п.л.

3. Пономарева И.С. Разработка виртуальной лаборатории математического моделирования для решения естественнонаучных задач: Дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2006. 150 с.

4. Model Science Software [электронный ресурс] // URL: http://www.modelscience.com/  [дата обращения 12.11.2010]

5. Crocodile Clips. Engaging Educational Technology. Crocodile Chemistry [электронный ресурс] // URL:http://www.crocodile-clips.com/en/Crocodile_Chemistry/ [дата обращения 12.11.2010]

6. Институт Новых Технологий [электронный ресурс] // URL:http://www.int-edu.ru/  [дата обращения 12.11.2010]

7. The ChemCollective. Virtual Lab Simulator. [электронный ресурс] // URL:http://www.chemcollective.org/vlab/vlab.php [дата обращения 12.11.2010]

8. Морозов М.Н., Танаков А.И., Герасимов А.В., Быстров Д.А., Цвирко В.Э., Дорофеев М.В.  Разработка виртуальной химической лаборатории для школьного образования //Образовательные технологии и общество.-2004.Т.7. № 3. –С. 155-164.

9. Попова И.В. Опыт исследовательской деятельности в виртуальном научном пространстве университета // Философия образования. – 2007.-1.-С. 45-49.

Рекомендовано к публикации:
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии