Використання віртуальної хімічної лабораторії в навчальному процесі

Н. І. Жук, учитель хімії Лозівської філії Харківського автодорожного технікуму, м. Лозова, Харківська обл.


Одним із найбільш уживаних засобів інтернет-технологій під час вивчення хімії в навчальному закладі є віртуальна лабораторія, яка дозволяє моделювати низку хімічних і технологічних процесів у інтерактивному режимі.
 
Моделювання хімічних і технологічних процесів — один із видів активізації пізнавальної діяльності учнів під час вивчення хімії, який дозволяє з допомогою комп’ютера й відповідного програмного забезпечення знайомити їх із такими процесами і явищами, які просто неможливо відтворити в умовах навіть найдосконаліше обладнаної навчальної лабораторії. Наразі учень має можливість через зміну початкових параметрів вивчати різні ймовірні результати, порівнювати їх, робити якісні оцінки. Фактично робота з такими засобами перетворює його на своєрідного дослідника. У такий спосіб під час вивчення хімії реалізується одне з головних завдань, визначених на сучасному етапі реформування освіти, — перетворення учня з об’єкта процесу навчання на активного його учасника, формування знань, умінь і навичок, які мають досить виражене практичне наповнення і спрямовані на подальше їх застосування.
 
АКТУАЛЬНІСТЬ ПРОБЛЕМИ
 
Освітній процес у навчальному закладі має орієнтуватися на інтелектуальний розвиток учня, коли конкретні знання є засобом формування основ них прийомів розумової діяльності. Як відомо, інтелектуальний розвиток неможливий без якісного засвоєння певної кількості інформації, і не лише навчальної. Досягнення балансу в цьому питанні — один із показників педагогічної майстерності й оцінки ефективності освітніх технологій.
 
Загальною рисою новітніх педагогічних технологій є їх спрямованість на активізацію й інтенсифікацію навчальної діяльності учнів, а кінцевою метою — підвищення ефективності навчального процесу.
 
Під час вивчення хімії одним із найскладніших завдань, що виникають перед учителем, є ознайомлення учнів із реальними сучасними досягненнями хімічної науки та їх практичним застосуванням у виробництві або побуті. Складність завдання обумовлена, перш за все, обмеженими можливостями обладнання хімічних лабораторій, використанням певних хімічних елементів і сполук, у тому числі й тих, що становлять загрозу здоров’ю учасників навчального процесу. Одним із варіантів розв’язання вказаної проблеми є застосування у навчальному процесі так званих віртуальних хімічних лабораторій (ВХЛ). Досить детальний аналіз трактування і застосування понять «віртуальна лабораторія» та «інтернет-орієнтована педагогічна технологія» наведено в публікаціях Ю. О. Жука та О. М. Соколюк.
 
У зв’язку з цим актуальною стає проблема розробки й застосування новітніх методичних підходів, що спрямовані на сучасного вчителя, який володіє основами інтернет-орієнтованих педагогічних технологій.
 
ОСНОВНИЙ МАТЕРІАЛ
 
Однією з особливостей курсу хімії є значна кількість демонстраційних експериментів. Наразі вчитель ілюструє здебільшого ті фізико-хімічні закономірності, які можливо продемонструвати не лише якісними, а й кількісними показниками. Важливо, щоби вивчення властивостей речовин і різноманітних реакцій приводило учнів до відкриття певних закономірностей і розуміння законів природи. Цьому й має сприяти застосування на заняттях хімії кількісних експериментів.
 
Використання засобів мультимедійної проекції дозволяє застосувати особливі форми подання навчальної інформації, що доступні конкретному учню або групі учнів, наочно показати певний процес чи явище.
 
Інтерактивні засоби навчання надають можливість будувати індивідуальну траєкторію навчальної діяльності, бути самостійними у вивченні нового матеріалу, оцінювати рівень своїх навчальних досягнень з конкретної теми тощо.
 
Сучасні інноваційні освітні технології дозволяють послідовно розв’язувати низку складних дидактичних задач, серед яких:
  • використання учнями базових знань і вмінь із предметів природничого циклу для формулювання і пошуку розв’язків проблем;
  • розгляд властивостей складних об’єктів з точки зору декількох наук: фізики, хімії, біології тощо;
  • підвищення загальної компетентності учнів з природничих наук, формування властивості самостійного критичного аналізу технологій, що їх використовують у сучасному виробництві;
  • розвиток навичок роботи у творчому колективі й здатності до самостійної пошукової діяльності;
  • засвоєння понять про особливості, структуру, функціональні характеристики дослідної діяльності.
 
Сучасні електронні освітні ресурси ґрунтуються на відомих дидактичних принципах: практична спрямованість, доступність, науковість, послідовність викладу матеріалу. Однак є й специфічні принципи, яким має відповідати практично кожен комп’ютерно-орієнтований засіб навчального призначення. Перш за все, це інтерактивність, що включає діалогове спілкування, систему посилань, які надають можливості звернення до попередньої або наступної частини навчального блоку, а також до будь-якої довідкової чи енциклопедичної інформації.
 
Побудова віртуальної хімічної лабораторії (ВХЛ) дозволяє викладачу через використання наочних моделей та інтерактивної анімації більш доступно пояснювати сутність складних явищ і процесів, демонструвати «віртуальні» досліди й експерименти без необхідного обладнання лабораторії. Набір опцій віртуальної хімічної лабораторії дозволяє вивчати кількісні та якісні характеристики процесів і явищ довкілля, моделі складних технічних пристроїв і обладнання, що використовують у наукових дослідженнях і технологічних процесах, інтерактивну демонстрацію дослідів, що відображають ключові закони природи.
 
Застосування віртуальних лабораторій під час вивчення окремих тем курсу хімії дозволяє суттєво поповнити перелік засобів унаочнення і проілюструвати теоретичні питання хімічним експериментом. Попри це постановка експерименту може бути як лабораторна робота, так і фронтальна демонстрація.
 
Визначення конкретного сценарію проведення заняття з використанням ВХЛ викладач здійснює з урахуванням технічних можливостей наявного інтерактивного обладнання, а також індивідуальних можливостей учнів, у тому числі і їхнього рівня володіння інформаційно-комунікаційними засобами загального або навчального призначення. Наочна форма подання навчального матеріалу, висока якість зображення, продумані композиційні рішення з метою уникнення великої кількості текстової інформації, що потрібно «зчитувати» з екрана, панелі й меню «спливають» і не захаращують екран. Зручна система навігації, постійний доступ до всіх розділів сприяють кращому засвоєнню матеріалу, роблять заняття цікавим і таким, що не викликає надмірного перевантаження учнів. Інформативність і наочність подання візуального матеріалу позитивно впливають на емоційний стан учнів, полегшують сприйняття і створюють додаткові стимули для вивчення такого складного предмета, як хімія. Наприклад, під час вивчення властивостей карбонових кислот можна провести такі лабораторні роботи й досліди: визначення температури кипіння етанолу й оцтової кислоти; визначення рН розчинів карбонових кислот; визначення рН розчинів натрій ацетату й натрій стеарату. Реальні досліди з указаними речовинами призводять до виникнення різких і неприємних запахів, що можуть спричиняти алергічні реакції, тому такі експерименти бажано виконувати у ВХЛ. Результати цих експериментів дають можливість відстежити взаємовплив атомів у молекулах органічних речовин, що є важливим для розуміння їхніх властивостей. Разом із тим ці питання є одними з найскладніших для засвоєння учнями, оскільки у шкільному курсі хімії їх вивчають як теоретичний матеріал, позбавлений експериментальної підтримки. Це означає, що визначальним під час вивчення властивостей певних речовин є лише пояснення викладача, а, як відомо, вербальна інформація засвоюється зазвичай лише на 12–15 %. Отже, застосування ВХЛ для вивчення фізичних властивостей речовин дозволяє актуалізувати інформацію з виявлення закономірностей у зміні властивостей карбонових кислот, а експериментальні дані, отримані з допомогою цифрових лабораторій, закріплюють знання учнів про основні положення теорії хімічної будови органічних речовин. Пізнавальна діяльність учнів включає використання різноманітних джерел інформації, що передбачено вбудованими опціями ВХЛ. Тут можна фіксувати не лише експериментально отримані дані, а й шукати в Інтернеті навчальні матеріали, користуватися довідковою літературою, інструкціями, енциклопедіями тощо.
 
Ефективність використання ВХЛ збільшується, якщо організувати обговорення результатів наукового пошуку між учнями всередині групи або між групами. Тому вчитель, розробляючи інструкцію із застосування ВХЛ на конкретному занятті, має враховувати, що основною метою такої діяльності є стимулювання учня до критичного й системного аналізу, встановлення логічних зв’язків, формулювання висновків тощо.
 
Пошуковий хімічний експеримент із використанням ВХЛ може бути ключовим етапом пізнавальної діяльності учнів, хоча безпосередня взаємодія школяра з комп’ютером досить нетривала в часі. Головну увагу приділяють етапу обробки отриманих даних та інтерпретації результатів. Саме тут і відбувається приріст знання за рахунок розуміння хімічної сутності досліджуваного явища.
 
Віртуальна хімічна лабораторія має у своєму складі всі необхідні прилади й реактиви (пробірки, колби, штативи, дозатори тощо). Для візуалізації хімічного обладнання і процесів використано засоби 3D-графіки й анімації. Кожна інтерактивна лабораторна робота складається з декількох етапів, а саме:
  • ознайомлення з лабораторним обладнанням;
  • виконання хімічного досліду з візуаліза цією хімічних і фізичних процесів та заповнення лабораторного журналу, яке передбачає надання відповідей на запитання до кожного етапу роботи.
 
Проведення віртуальних експериментів має низку переваг:
  • віртуальні досліди можна використовувати як інструктивний матеріал для ознайомлення студентів із технікою виконання експериментів, хімічним посудом і обладнанням безпосередньо перед роботою в лабораторії, що дозволяє краще підготуватися до виконання конкретних робіт у реальній хімічній лабораторії;
  • виконання віртуальних хімічних експериментів безпечне навіть для непідготовлених користувачів;
  • можна проводити такі досліди, виконання яких у реальній хімічній лабораторії може бути небезпечним або занадто дорогим;
  • ВХЛ надає можливість автоматизованого запису даних спостережень, складання звітів та інтерпретації отриманих результатів у «Лабораторному журналі»;
  • комп’ютерні моделі ВХЛ з практично миттєвим відображенням на екрані надають можливість експериментувати, стимулюючи учнів до творчої дослідної діяльності.
 
Проведення віртуальної лабораторної роботи з хімії в комп’ютерному кабінеті завжди викликає підвищений інтерес учнів, у результаті чого практично всі успішно виконують завдання, що є додатковим моральним стимулом для оволодіння хімічними знаннями.
 
Виконуючи віртуальну лабораторну роботу, учень маніпулює на екрані тривимірними об’єктами й вибирає ті з них, що потрібні для конкретного досліду.
 
Під час виконання хімічного досліду учні збирають хімічну апаратуру, здійснюють маніпуляції з реактивами (добір, перенесення, переливання, змішування тощо). За необхідності можна проводити вимірювання віртуальними приладами і змінювати параметри виконуваних робіт. На всіх етапах виконання роботи програма контролює дії учнів і надає відповідні коментарі й рекомендації, як текстові, так і голосові.
 
Передбачено виконання дослідів із різними параметрами, де учень отримує покрокові інструкції, а у випадку неправильних дій вказуються помилки й надаються поради стосовно їх виправлення.
 
Для деталізації спостережень за перебігом хімічних реакцій використовують вікно збільшення, у якому великим планом показано випадіння осаду, виділення газу, зміну кольору реактивів та інші ознаки хімічних реакцій. У процесі кожної лабораторної роботи учень фіксує виконані спостереження у вигляді «віртуальних фотографій», обробляє й узагальнює отримані результати в окремому розділі програмного засобу — «Лабораторному журналі». Цей журнал надає учню можливість здійснювати опис своїх спостережень із допомогою тексту, хімічних формул, віртуальних фотографій, що зроблені у процесі дослідження. У свою чергу, це дозволяє автоматизувати складання звітів про виконані лабораторні роботи.
 
ВХЛ дозволяє виконувати роботи з конструювання тривимірних моделей молекул органічних і неорганічних сполук. Використання тривимірних моделей молекул і атомів для ілюстрації хімічних властивостей речовин забезпечує краще засвоєння хімічних знань, адже можливість побачити певні процеси на молекулярному рівні створює умови для розуміння поведінки речовин у хімічних реакціях.
 
На окрему увагу заслуговують можливості ВХЛ із конструювання молекул ізомерів органічних сполук, оскільки вони дозволяють краще зрозуміти будову речовин. Використовуючи конструктор ізомерів, учні досить легко співвідносять звичайні хімічні формули з їх куле-стрижневими й масштабними прототипами, що візуалізують їхню просторову будову. Керування процесом конструювання молекул ізомерів практично повністю співпадає з процесом конструювання звичайних молекул, що полегшує працю вчителя й учня. Особливістю віртуальних лабораторних робіт з конструювання молекул ізомерів є широке використання інтерактивних засобів і взаємодія користувача через Інтернет з електронними освітніми ресурсами.
 
ВХЛ містить також окремий модуль лабораторних робіт з конструювання механізмів хімічних реакцій, який призначений для створення навчальних презентацій до одного з найбільш складних розділів хімії. Під час цього процесу відбувається збирання атомів, речовин і хімічних зв’язків, операції з елементами хімічних реакцій (добір, перенесення, докладання, виключення тощо). Високий рівень інтерактивності та широкі можливості конструювання анімацій позитивно впливають на формування стійкої уваги учнів і значно полегшують засвоєння курсу хімії.
 
ВИСНОВКИ
 
Проведення занять, що ґрунтуються на інтернет-орієнтованих педагогічних технологіях, є одним із найбільш важливих показників інноваційної роботи в навчальному закладі. ІКТ дозволяють зробити навчання по-справжньому розвивальним і пізнавальним. Застосування на заняттях ВХЛ для отримання кількісних характеристик певних хімічних процесів і явищ та їх інтерпретації дозволяє досягти глибшого розуміння теоретичного матеріалу.
 
ВХЛ має низку переваг, які отримує вчитель порівняно з традиційними засобами навчання, серед яких:
  • візуалізація даних, що підвищує наочність хімічного експерименту, робить його більш зрозумілим, дозволяє учням швидше знайти правильне рішення;
  • фіксація змін, які часто неможливо показати у традиційному експерименті;
  • чисельне повторення вимірювань дає учням розуміння наукових фактів, підвищує якість навчального процесу.
 
Використання комп’ютерно-орієнтованих технологій навчання впливає на підвищення професійної компетентності викладача, що, у свою чергу, сприяє підвищенню якості навчання і розв’язанню головних завдань сучасної освітньої політики.
Dounload PDF

Відгуки читачів