Возможности использования виртуальных лабораторных практикумов

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Возможности использования виртуальных лабораторных практикумов и их влияние на результативность обучения…………………………………………5

2. Опыт применения виртуальных лабораторных практикумов…………….....7

Заключение…………………………………………………...…………………..9

Список использованной литературы………………………………………..11

Введение

Стремительно развивающиеся информационные технологии привнесли в процесс образования совершенно новое обеспечение и сопровождение учебного процесса. Концепция формирования современного информационного общества имеет под своим фундаментом такие факторы, как информация и знания, роль которых сегодня нельзя недооценивать.

Дистанционные образовательные технологии, применяемые при реализации электронного обучения, существенно расширяют границы доступности образования учащихся. Будучи гибким, электронное обучение легко адаптируется под возможности и способности человека.

Перевод образовательных общеразвивающих программ в виртуальное образовательное пространство влечёт за собой обновление содержания образования и изменение роли педагога, который становится куратором, ориентирующим ученика в соответствии с его запросами и приоритетами, максимально индивидуализируя траекторию его обучения.

Электронное обучение, которое реализуется на базе образовательных учреждений должно включать в себя не только учебно-методические комплексы по дисциплинам (модулям), но и программное обеспечение, направленное на освоение профессиональных компетенций [1].

Одним из способов формирования данных компетенций является использование виртуальных лабораторных практикумов, смоделированных в электронной образовательной среде на объектах реального мира.

Использование таких виртуальных лабораторий может позволить проводить эксперименты с необходимым оборудованием и материалами, соответствующими реальной лаборатории, а также ознакомиться с компьютерной моделью по освоению практических навыков и умений в профессиональной деятельности.

Одной из причин реализации проектов образовательных организаций по созданию лабораторных практикумов, реализуемых в электронном обучении, послужило то, что данные проекты позволят избежать затрат на дорогостоящее оборудование.

Помимо прочего, появляется возможность сократить существенные затраты на расходные материалы, техническое обслуживание аппаратов, их замену и модернизацию. Универсальность виртуальных лабораторных практикумов способна компенсировать данные издержки.

Виртуальные лабораторные практикумы могут помочь учащимся с меньшим трудом освоить комплекс задач по различным предметам, применяя при этом виртуальные инструменты для формализации условий процесса и средства для решения поставленных проблем. Учителям, в свою очередь, виртуальные лаборатории помогут обеспечить постоянный контроль за учебным процессом и диагностикой знаний учеников.

Таким образом, студенты самостоятельно могут формировать практические умения и навыки в удобное для них время, не ограничивая себя временем. Также, пропадает фактор территориальной отдаленности от образовательного учреждения: ученику уже не обязательно находится в аудитории, чтобы освоить практическое занятие [2].

Актуальность выбранной темы связана с активным вовлечением электронных технологий в процесс образования, в связи с чем, открывается возможность перспективного использования виртуальных лабораторных практикумов в электронном обучении на базе образовательных организаций.

Целью работы является рассмотрение возможностей применения виртуальных лабораторий в электронном обучения и оценить его эффективность.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

- ознакомится с возможностями применения виртуальных лабораторий в электронном обучении;

- оценить преимущества использования лабораторных практикумов;

- рассмотреть опыт использования лабораторных практикумов на базе электронных платформ образовательных учреждений;

- проанализировать перспективы использования виртуальных лабораторных практикумов в электронном обучении.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные данные, представленные в работе, позволят детально рассмотреть возможности применения виртуальных лабораторных практикумов в электронном обучении и предложить меры по оптимизации электронных образовательных процессов.

1. Возможности использования виртуальных лабораторных практикумов и их влияние на результативность обучения

«Виртуальная лаборатория», по мнению Е. О. Козловского и Г. М. Кравцова, это, прежде всего, программная среда, в которой организована возможность исследования объектов, детализированных относительно реальных процессов в области одного вида знания или деятельности.

В. В. Трухина определяет понятие «виртуальной лаборатории» как программно-аппаратного комплекса, ориентированного на формирование практических умений посредством лабораторной установки с удаленным доступом, основанной на программном обеспечении для управления установкой и обработки данных, включая средства коммуникации.

С. А. Ямпольская, В. П. Живоглядов рассматривают данное понятие как программно-аппаратный инструментарий для осуществления исследований.

Ссылаясь, на упомянутые выше определения авторов, можно сделать вывод о том, что виртуальная лаборатория это ничто иное, как источник информации. Причем данная информация способна обеспечивать освоение учеником практических знаний, умений и навыков путем моделирования объектов и процессов окружающего мира.

Особенностью таких лабораторий является то, что работа на реальном оборудовании заменяется работой на компьютерных установках, которые в достаточной мере способны имитировать объект исследования, реальное лабораторное оборудование и измерительные приборы.

Сочетание реальных процессов, моделируемых компьютерной программой, и возможностей современной компьютерной графики позволяет не только моделировать реальные экспериментальные исследования, но и, в дополнение к этому, построить «экспериментальные» кривые, а также, с высокой точностью, обработать результаты измерений.

При работе в такой «лаборатории» возможности приобрести навыки, близкие к тем, что получает экспериментатор при измерении и обработке результатов реального опыта, не только не сужаются, а наоборот, неизмеримо увеличиваются [3].

Виртуальную лабораторию можно организовать на сервере учебного заведения, в этом случае нужно обеспечить доступ к ней с удаленного компьютера и возможность обмена данными между сервером и удаленным компьютером. Но можно «передать» такую лабораторию обучаемому по сети. После завершения работы у ученика существует возможность переслать оформленные должным образом отчеты с результатами измерений, обработкой результатов эксперимента, выводами и ответами на вопросы, связанные с защитой практической работы (рисунок 1).

Рисунок 1 – Пример интерфейса виртуального лабораторного практикума

В виртуальных лабораторных работах можно реализовывать следующие функции:

1. C их помощью можно показывать демонстрации, объясняя при этом новый материал. Использование демонстраций повышает наглядность материала, улучшают восприятие, пробуждая интерес к предмету.

2. Такую лабораторную работу можно осуществлять как в компьютерном классе, так и на личном устройстве обучаемого, например, смартфоне или планшете. В этом случае каждый ученик может выполнять свою практическую работу самостоятельно. Достаточно установить «виртуальную лабораторию» на компьютер или смартфон и можно приступать к работе.

3. Виртуальную лабораторную работу возможно применять и для подготовки к реальным лабораторным работам: учащийся может ознакомится с теоретическими сведениями из курса, пробовать проводить эксперименты и наблюдать за результатами, а также сделать соответствующие выводы. Затем, когда приходит время выполнить работу с реальной установкой, трудностей у обучающегося возникнуть не должно.

К основным недостаткам виртуальных лабораторных практикумов можно отнести:

- потерю обучающегося связи с реальным объектом обучения, который подменяется программной моделью;

- отсутствие у некоторых учеников возможности выхода в сеть Интернет.

Учитывая ряд возможностей и недостатков виртуальных лабораторных практикумов в электронном обучении, можно отметить, что такого рода лабораторные работы не смогут в полной мере заменить реальные. Именно поэтому, лучшим возможным вариантом будет комбинирование обоих типов работ.

Главная же цель виртуальных лабораторий – возможность провести испытания человеку, который не может по определенным причинам выполнить эти испытания с реальными устройствами (заочное обучение или домашнее обучение, а также отсутствие соответствующего оборудования в учебном заведении) [4].

2. Опыт и перспективы применения виртуальных лабораторных практикумов

Еще одной особенностью виртуальных лабораторных практикумов является совмещение в одной программе и процесса моделирования технологических схем и процесса обучения будущих специалистов.

Для повышения эффективности обучения воспроизводят не только, например, сложные процессы переработки сырья в продукты, но и саму атмосферу, обстановку производства с его чисто внешней атрибутикой.

Поэтому при внедрении виртуальных лабораторных практикумов желательно предусмот­реть воспроизведение и внешний вид установок, датчиков, материало­проводов, приборов, а также производственных шумов, сопровождающих те или иные действия человека-оператора.

Например, инструментальная среда Stratum 2000, используемая на базе Кубанского Государственного Технологического университета (КубГТУ), предназначена для математического и имитационного моделирования и является одним из таких ин­струментов, позволяющим в короткие сроки спроектировать систему и проводить эксперименты на имитационной модели как в реальном, так и в ускоренном времени.

Визуальные средства проектирования среды дают возможность построить прототип системы из объектов (имиджей), поведе­ние которых моделирует основные закономерности реального физического (технологического) объекта-прототипа. 

Опыт использования ИС Stratum преподавателями технологических дисциплин КубГТУ отражен в серии виртуальных лабораторных работ по физической, аналитической, неорганической химии, минералогии, теоретической механике, теплотехнике, технологическом оборудовании пище­вых производств, сделавшими процесс обучения этим дисциплинам не только более интересным и интенсивным, но и более информативным, что несомненно повышает качество преподавания предмета.

В тех инженерных дисциплинах, которые содержат исследование крупномасштабных объектов, взаимодействие отдельных частей которых не может быть воспроизведено реально, применение ИС Stratum особенно полезно.

Также, виртуальные лабораторные практикумы использует Тульский Государственный Университет для курсов «Физика» и «Оптика», например, для изучения полупроводникового триода (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Виртуальная лабораторная работа «Изучение полупроводникового триода»

Все виртуальные лабораторные работы разработаны силами студентов и магистрантов, обучающихся по профилю «Системы автоматизированного проектирования». В процессе разработки применялась среда Delphi 2007 с рядом дополнительных компонентов для реалистичной визуализации приборов, выключателей и прочих органов управления. Кроме того, по каждой работе был подготовлен включенный в ее состав обучающий видеоролик, которые отражает порядок проведения эксперимента с реальной установкой.

Не исключено, что в ближайшем будущем электронное инженерное образование не обойдется без использования виртуальных лабораторных практикумов, так как с его помощью с легкостью можно организовать доступ к уникальному оборудованию, упростить обработку данных и сдачу лабораторных работ учащихся [5].

Заключение

В настоящее время, остро встает вопрос об отрыве теоретических знаний, которые дает образование, от их практического применения, так как знания о действиях логически не связываются с теорией. Как раз модульный принцип наполнения дисциплины фрагментами виртуальных продуктов может преодолеть этот разрыв с помощью специальных упражнений на использование теоретических знаний на практике в виде виртуальных лабораторий.

При этом, если говорить о возможностях виртуального лабораторного практикума, то они вовсе не заменяют работу в реальной физической, химической и других лабораториях, так как именно с помощью практикума студенты закрепляют теоретические знания практической работой, учатся работать с контрольно-измерительной аппаратурой, а также приобретают исследовательские навыки.

Виртуальный лабораторный практикум предоставляет обучающимся комплекс задач различных предметных областей, а также виртуальные инструменты для формализации условий процесса, средства для решения проблемы; учителям – постоянный контроль, диагностику освоения материала [6].

Анализ опыта использования виртуальных лабораторных практикумов в ВУЗах показал, что создание виртуальных лабораторий является актуальной темой для образования в России. Создание подобных «лабораторий» способно дополнить материально-техническую базу учреждений, расширить круг пользователей оборудованием и обеспечить освоение компетенций при выполнении Федерального образовательного стандарта. При этом выполняется одна из важнейших составляющих инженерного образования – практическая работа студентов, позволяющая закрепить теоретические знания лекционного материала путем наглядной демонстрации изучаемых явлений и процессов.

Традиционно считается, что лабораторные работы по физике, электротехнике, электронике и другим техническим дисциплинам должны быть выполнены только на реальных установках, а проведение лабораторных работ в программных средах моделирования привнесет только пренебрежение учеников к подготовке и проведению реальных экспериментов [7].

На сегодняшний день, материально-техническое оснащение некоторых образовательных учреждений оставляет желать лучшего, поэтому многие из них приступили к разработке и внедрению в учебный процесс виртуальных лабораторных практикумов.

Слово «виртуальный» подчеркивает тот факт, что обучаемый не работает непосредственно с изучаемым объектом, явлением или процессом. Поэтому разработка и использование практикумов является актуальной задачей, решение которой способствует улучшению учебного процесса. При выполнении лабораторных практикумов у учащихся формируются навыки, которые помогут при выполнении лабораторных работ на реальных установках.

Появление виртуальных лабораторных практикумов ведет к сокращению штата учебно-вспомогательного персонала лабораторий, высвобождению площадей, снижению расходов на приобретение оборудования. Помимо прочего, работая на виртуальных установках, учащиеся не контактируют с потенциально опасными объектами.

Несмотря на широкий ряд перечисленных в работе преимуществ применения виртуальных лабораторий, нельзя не упомянуть о некоторых недостатках. Ведь далеко не все эксперименты могут быть виртуальными. Сразу необходимо отметить, что с помощью виртуальных лабораторных практикумов практически невозможно получение навыков использования реального оборудования. Как бы хорошо не было смоделировано изображение реальных приборов на экране монитора, это будет лишь имитация действий данного прибора. При долгой работе с практикумом у обучаемого появится навык управления оборудованием при помощи мыши или клавиатуры, но отнюдь не при помощи реальных органов управления – кнопок, регуляторов, рукояток и т. д [8].

Таким образом, виртуальные лабораторные работы являются обязательным компонентом современного образовательного процесса, но они не могут полностью заменить реальный лабораторный опыт.

При наличии вышеперечисленных проблем виртуальные практикумы решают наиболее актуальные задачи индивидуализации образования.

Это очень важная и еще недостаточно исследованная проблема формирования адекватного представления о мире при работе с виртуальными объектами. Возможно, эту проблему можно решить, используя в процессе обучения программные продукты, максимально точно отображающие процессы и явления, происходящие в реальном мире.

Однако, российская практика подтверждает устойчивую и усиливающуюся тенденцию продвижения виртуальных технологий в учебном процессе.

Список использованной литературы

1. Шнейдер Е.М., Богданова М.В. Из опыта применения виртуальных лабораторных работ в практике изучения блока естественнонаучных и общеинженерных дисциплин // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-12. – С. 2724-2727;

2. Применение возможностей виртуальных лабораторий в учебном процессе технического вуза / Б. М. Саданова, А. В. Олейникова, И. В. Альберти [и др.] // Молодой ученый. – 2016. – № 4 (108). – С. 72.

3. Троцкий, Д. И. Виртуальные лабораторные работы в естественнонаучном образовании: автореф. дис. д-ра тех. наук: спец. 09.03.02 / Д. И. Троцкий; ИТМО. – Санкт-Петербург, 2015. – 122 с.

4. Паршукова, Н. Б. Создание и использование виртуальной лаборатории как средства формирования предметной компетенции по геометрии у учащихся: автореф. дис. канд. пед. наук: спец. 13.00.02 / Н. Б. Паршукова; УГПУ. – Екатеринбург, 2017. – 60 с.

5. Боровская Л.В., Боровский А.Б. Роль виртуального лабораторного практикума в образовательном процессе // Виртуальные технологии и инструменты в образовательном процессе [Электронный ресурс] / http://econf.rae.ru/article/4990 / (Дата обращения: 28.11.2020).

6. Степанов, Р. А. Интегративно-модульная модель виртуального лабораторного практикума при дистанционном бучении в вузах МЧС России: автореф. канд. пед. наук: спец. 13.00.08 / Р. А. Степанов; СпбГУ. – Санкт-Петербург, 2015. – 26 с.

7. Нихилеева, Я. А. Разработка виртуальных лабораторных работ в среде LabVIEW по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»: магистерская диссертация / Я. А. Нихилеева ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Институт кибернетики (ИК), Кафедра систем управления и мехатроники (СУМ) ; науч. рук. О. В. Стукач. — Томск, 2017.

8. Рицкова Т.И., Разумова А.Б., Е.П. Нечипорук, Е.Ф.Шклярук Разработка онлайн курсов для дополнительных общеобразовательных программ через реализацию электронного обучения: Методические рекомендации / Под ред. А.В. Золотаревой. – Ярославль: Изд-во ЯГПУ, 2018. – С. 36-37.