Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Информационные технологии, включающие в себя современные мультимедиасистемы, могут быть использованы для поддержки процесса активного обучения. Именно они в последнее время привлекают повышенное внимание. Примером таких обучающих систем являются виртуальные лаборатории, которые могут моделировать поведение объектов реального мира в компьютерной образовательной среде и помогают учащимся овладевать новыми знаниями и умениями при изучении научно-естественных дисциплин, таких, как химия, физика и биология.

1. Создание и принципы работы интерактивных виртуальных

лабораторий по химии

Основными преимуществами применения виртуальных лабораторий является:

* Подготовка учащихся к химическому практикуму в реальных условиях:

а) отработка основных навыков работы с оборудованием;

б) обучение выполнению требований техники безопасности в безопасных условиях виртуальной лаборатории;

в) развитие наблюдательности, умения выделять главное, определять цели и задачи работы, планировать ход эксперимента, делать выводы;

г) развитие навыков поиска оптимального решения, умения переносить реальную задачу в модельные условия, и наоборот;

д) развитие навыков оформления своего труда.

* Проведение экспериментов, недоступных в школьной химической лаборатории.

* Дистанционный практикум и лабораторные работы, в том числе работа с детьми, имеющими ограниченные возможности, и взаимодействие с территориально удаленными школьниками.

* Быстрота проведения работы, экономия реактивов.

* Усиление познавательного интереса. Отмечается, что компьютерные модели химической лаборатории побуждают учащихся экспериментировать и получать удовлетворение от собственных открытий.

Вместе с тем следует отметить, что проектирование и реализация информационной образовательной среды для активного обучения является сложной задачей, требующей больших временных и финансовых затрат, несопоставимых с затратами на создание образовательного гипертекста. Оппоненты виртуальных химических лабораторий высказывают вполне обоснованные опасения, что школьник в силу своей неопытности не сможет отличить виртуальный мир от реального, т.е. модельные объекты, созданные компьютером, полностью вытеснят объекты реально существующего окружающего мира.

Для того чтобы избежать возможного отрицательного эффекта использования модельных компьютерных сред в процессе обучения, определены два основных направления. Первое: при разработке образовательного ресурса необходимо накладывать ограничения, вводить соответствующие комментарии, например, вкладывать их в уста педагогических агентов. Второе: использование современного компьютера в школьном образовании ни в коем случае не снижает ведущей роли учителя. Творчески работающий учитель понимает, что компьютерные технологии позволяют учащимся осознать модельные объекты, условия их существования, лучше понять изучаемый материал и, что особенно важно, способствуют умственному развитию школьника.

Справедливую критику полной замены реальной школьной лаборатории виртуальной следует направить скорее не разработчикам электронного образовательного ресурса нового поколения, а в адрес нерадивых учителей, которые находят множество причин для исключения реального эксперимента из своей практики.

При создании виртуальных лабораторий могут использоваться различные подходы. Виртуальные лаборатории разделяются по методам доставки образовательного контента. Программные продукты могут поставляться на компакт-дисках (CD-ROM) или размещаться на сайте в сети Интернета, что накладывает на мультимедиапродукты ряд ограничений. Очевидно, что для доставки через Интернет с его узкими информационными каналами лучше подходит двухмерная графика. В то же время в электронных изданиях, поставляемых на CD-ROM, не требуется экономии трафика и ресурсов, и поэтому могут быть использованы трехмерная графика и анимация. Важно понимать, что именно объемные ресурсы -- трехмерная анимация и видео -- обеспечивают наиболее высокое качество и реалистичность визуальной информации. По способу визуализации различают лаборатории, в которых используется двухмерная, трехмерная графика и анимация. Кроме того, виртуальные лаборатории делятся на две категории в зависимости от способа представления знаний о предметной области. Указывается, что виртуальные лаборатории, в которых представление знаний о предметной области основано на отдельных фактах, ограничены набором заранее запрограммированных экспериментов. Этот подход используется при разработке большинства современных виртуальных лабораторий. Другой подход позволяет учащимся проводить любые эксперименты, не ограничиваясь заранее подготовленным набором результатов. Это достигается с помощью использования математических моделей, позволяющих определить результат любого эксперимента и соответствующее визуальное представление. К сожалению, подобные модели пока возможны для ограниченного набора опытов. Электронное издание «Виртуальная химическая лаборатория для 8-11 классов» (http://mmlab.ru). Разработано в Лаборатории систем мультимедиа Марийского государственного технологического университета.

Виртуальная лаборатория включает более 150 химических опытов из курса химии средней школы. Содержание данного ресурса полностью охватывает весь курс школьной химии. Большое внимание уделяется соблюдению правил техники безопасности. Химические опыты проводятся в реализованной на экране монитора лаборатории со всем необходимым оборудованием и химической посудой (пробирки, стаканы, колбы, ступки, штативы и т.п.), а также химическими реагентами. Для того чтобы избежать переполнения визуального пространства на экране компьютера, учащимся доступен лишь тот набор лабораторного оборудования и реактивов, которые необходимы для проведения конкретного опыта. В некоторых опытах - это емкости с растворами, а в других - сложные химические установки.



Химические опыты реализованы с использованием синтезированных в реальном времени трехмерных анимаций, благодаря чему учащиеся, взаимодействуя с виртуальным оборудованием, могут проводить опыты так же, как в реальной лаборатории. Школьникам предоставляется возможность собирать химические установки из составляющих элементов и проводить шаг за шагом виртуальные эксперименты. Кроме того, они могут производить необходимые измерения, используя модели измерительных инструментов. Во время выполнения опыта учащиеся могут занести в «Лабораторный журнал» свои наблюдения в форме изображений, «сфотографированных» с экрана с помощью виртуального фотоаппарата, сделать там же необходимые записи и интерпретировать данные, полученные в ходе эксперимента.

Специальный инструмент «Окно увеличения» служит для более детального наблюдения за протеканием химических реакций. Программа контролирует каждое действие учащегося, проводя его через все этапы, необходимые для успешного завершения опыта. Для этого используется педагогический агент - анимированный персонаж «Химик», который делает необходимые комментарии и дает соответствующие указания голосом и в текстовой форме. Для обеспечения удобства написания химических формул и уравнений реакций в «Лабораторном журнале» был разработан специальный инструмент «Редактор химических уравнений», реализованный с использованием технологии Flash.

При проведении ряда практических работ ученики используют видеофрагменты, позволяющие школьникам увидеть проводимый ими эксперимент в реальной лаборатории. Апробация данного ресурса показала возрастание познавательного интереса школьников к реальному эксперименту после работы в виртуальной лаборатории, развитие их исследовательских и экспериментаторских навыков: соблюдение общих и специфических правил безопасности, выбор оптимальных алгоритмов выполнения эксперимента, умение наблюдать, выделять главное, акцентировать внимание на наиболее существенных изменениях.

В состав «Виртуальной химической лаборатории» входит «Конструктор молекул», предназначенный для построения трехмерных моделей молекул органических и неорганических соединений. Использование трехмерных моделей молекул и атомов для иллюстрации химических явлений обеспечивает понимание на всех трех уровнях представления химических знаний: на микро-, макроуровнях и символьном.

Понимание поведения веществ и сущности химических реакций становится более осознанным, когда есть возможность увидеть процессы на молекулярном уровне. Реализованы ведущие идеи парадигмы современного школьного химического образования: строение свойства применение.

«Конструктор молекул» позволяет получать управляемые динамичные трехмерные цветные изображения штриховых, шаростержневых и масштабных моделей молекул. В «Конструкторе молекул» предусмотрена возможность визуализации атомных орбиталей и электронных эффектов, что значительно расширяет сферу использования моделей молекул при обучении химии.

Можно использовать «Конструктор молекул» при фронтальном объяснении нового материала, когда учителю необходимо показать модели молекул изучаемых соединений, обратить внимание учащихся на строение электронных орбиталей, их гибридизацию, особенности их перекрывания при образовании химической связи. Вместе с тем, как показала апробация данного электронного издания, высокая педагогическая эффективность использования «Конструктора молекул» достигается при индивидуальной и групповой работе школьников на уроке. Особый интерес вызывают творческие задания, имеющие исследовательский характер. Продолжительное устойчивое внимание к изучаемым объектам наблюдалось при выполнении заданий, предполагающих самостоятельную разработку моделей молекул соединений, обладающих заданными свойствами, или, наоборот, прогнозирование свойств соединения, модель молекулы которого создана самим учеником. При необходимости созданные учащимися модели молекул могут быть сохранены в формате VRML.

Раздел «Решение расчетных задач» позволяет организовать самостоятельную работу школьников с данным электронным изданием, в процессе которой можно формировать и совершенствовать учебные навыки школьника.

Квест-игры «Химикус» и «Химикус II» вышли в серии «Обучение с приключением», издательские фирмы: HEUREKA-Klett Softwareverlag GmbH и «МедиаХауз». Здесь лаборатория -- это целый виртуальный город ученых и алхимиков. На пользователя возложена миссия - спасти этот город от уничтожения. Чтобы выполнить ее, нужно решить задачи по химии, провести виртуальные эксперименты. Для удобства предусмотрены справочные материалы, среди которых химическая энциклопедия.

Образовательная среда Virtual Chemistry Laboratory, разработанная в Carnegie Mellon University (США) (руководитель проекта D.Yaron), находится в свободном доступе в Интернете (http://www.chemcollective.org), но может распространяться и на компакт-дисках. Визуально она представляется в виде двухмерных графических сцен, а ход химических экспериментов основан на математической модели.

Эта лаборатория позволяет учащимся проводить практически любые эксперименты, не ограничивать свое творчество заранее подготовленным набором возможных сценариев развития событий. В распоряжении школьников несколько «шкафов» с большим выбором реактивов и необходимое химическое оборудование: колбы, в том числе и мерные, стаканы, пробирки, пипетки, бюретки, газовые горелки, весы, чашки для выпаривания, pH-метр и многое другое. Ученик видит на диаграмме количественный состав реакционной смеси, синтезируемого вещества, фиксирует температуру.

Глава 2. Виртуальная лаборатория - одно из средств интенсификации

процесса обучения химии

Во всех сферах образования ведутся поиски способов интенсификации и быстрой модернизации системы подготовки, повышения качества обучения с использованием компьютерных технологий. Возможности компьютерных технологий как инструмента человеческой деятельности и принципиально нового средства обучения привели к появлению новых методов и организационных форм обучения.

Для внедрения информационных технологий в процесс образования Государственная Дума и Совет Федерации РФ приняли Национальную доктрину образования до 2025 г. и концепцию модернизации российского образования на период до 2010 г. Правительством России утверждены федеральные программы «Дети России на 2003-2004 гг.», «Молодежь России (2001-2005 гг.)», «Развитие образования на 2000-2005 гг.» (сайт ФПРО - www.fped.ru) и др.

В рамках федеральной целевой программы «Развитие единой образовательной информационной среды (2001-2005 гг.) в июне 2004 г. подведены итоги открытого конкурса «Создание электронных средств учебного назначения для общего и профессионального образования» на поставку мастер-дисков для нужд образовательных учреждений Российской Федерации.

Среди дисков - победителей конкурса по разработке и созданию учебной литературы нового поколения на электронных носителях для общеобразовательной школы, поступивших в образовательные учреждения, был диск «Химия (8-11 класс). Виртуальная лаборатория». В отличие от предыдущих программных продуктов он имеет ряд интересных особенностей, которые в целом направлены на повышение мотивации детей при обучении химии [1].

Электронное издание «Химия (8-11 класс). Виртуальная лаборатория» [2] предназначено для использования в текущем учебном процессе полного среднего общего образования при подготовке учащихся во время занятий в компьютерных классах, а также во время аудиторных занятий (демонстрации). Кроме этого, обеспечивается возможность использования электронного издания (ЭИ) для самостоятельной работы учащихся (дома, в библиотеке, медиацентре) (табл. 1).

Таблица 1. Использование материалов электронного издания

Материал ЭИ	Количество уроков с использованием ЭИ к общему количеству уроков, %
	8 класс	9 класс	10 класс	11 класс
Коллекции	89	69	90	89
Демонстрационный эксперимент	19	42	52	28
Лабораторные опыты	22	35	58	44
Занимательный материал	16	9	-	-
Творческие задания (по материалам диска)	20	16	2	-
Задачи	-	13	14	9

Рассматриваются пять тем: «Оборудование химической лаборатории и приемы работы с ним», «Свойства неорганических веществ», «Свойства органических веществ», «Химические реакции», «Атомы и молекулы». В каждой из тем выполняются лабораторные работы, тесты по технике безопасности. Контроль полученных знаний осуществляется с помощью итоговых тестов.

Помощь при выполнении лабораторных работ и работе с ЭИ можно получить, нажав на знак вопроса в нижнем левом углу экрана или у Химика (фигурка там же).

В состав ЭИ «Химия (8-11 класс). Виртуальная лаборатория» включены следующие разделы.

Лаборатория

В данный раздел входит более 150 химических опытов, предусмотренных для проведения и демонстрации в программе школьного химического образования (рис. 2.1). Химические опыты проводятся в виртуальной лаборатории, которая включает необходимое химическое оборудование (пробирки, колбы, штативы и др.) и химические реактивы. Состав химического оборудования и химических реактивов, предоставленных учащимся, определяется в соответствии с проводимым химическим опытом (рис. 2.2).

Рис. 2.1. Меню раздела «Лаборатория»	Рис. 2.2. Демонстрация опыта по теме «Свойства кислот и оснований»

Для визуализации химического оборудования и химических процессов использованы средства 3D-графики и анимации, а также цифровое видео. В случае необходимости предусмотрена возможность проведения необходимых измерений виртуальными измерительными приборами и изменение параметров проводимых опытов. Предусмотрена возможность демонстрации в специальном окне увеличенных изображений происходящих химических процессов.

В ходе каждой лабораторной работы учащийся проводит наблюдения (в виде виртуальных фотографий), обрабатывает и обобщает полученные результаты опытов в «Лабораторном журнале». При заполнении «Лабораторного журнала» используется специальная программа «Редактор химических формул».

На всех этапах выполнения лабораторной работы программой осуществляется контроль за действиями учащихся и даются соответствующие комментарии и рекомендации в виде текста или реплик педагогического агента - персонажа Химик. При проведении эксперимента учащийся получает пошаговые инструкции к выполнению опыта, предусмотрено также их выполнение с различными параметрами.

Результаты выполнения лабораторной работы учащихся хранятся в индивидуальном файле, который доступен учителю для просмотра и оценки.

Конструктор молекул

В данном разделе представлена часть «Виртуальной лаборатории», в которой работы выполняются с помощью «Конструктора молекул» (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Окно раздела «Конструктор молекул»

«Конструктор молекул» позволяет учащимся самостоятельно моделировать молекулы органических и неорганических веществ из предоставленного набора атомов химических элементов. Это дает возможность глубже понять пространственное строение молекул и прогнозировать свойства веществ.

На основе «Конструктора молекул» выполняется ряд лабораторных работ, в том числе лабораторная работа 4, в ходе которой можно визуализировать трехмерные модели молекул с атомными орбиталями.

Тесты

В данном разделе ЭИ представлены средства для тестирования знаний учащихся, полученных в результате выполнения лабораторных работ. Это набор контрольных заданий. Предусмотрена возможность использования семи различных мультимедиаформ для записи контрольных заданий. Кроме этого, в лабораторных работах 4.2 и 4.3 используются многовариантные тесты, позволяющие проверять у учащихся умение определять неизвестные органические и неорганические вещества и доказывать их химический состав на основе качественных химических реакций (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Пример многовариантного теста на распознавание веществ

После выполнения контрольных заданий проводится подсчет полученных баллов и составляется перечень допущенных ошибок. Результаты тестирования по каждому ученику записываются в индивидуальные файлы, которые доступны для просмотра и учителю, и учащимся.

Задачи

Раздел предназначен для выработки навыков в решении расчетных задач по химии. Он содержит 49 типовых задач, расположенных по каждому разделу в порядке возрастания сложности. Это позволяет учащемуся с недостаточной исходной подготовкой постепенно освоить их решение. Раздел охватывает все основные виды расчетных задач из школьного курса химии и представляет особую ценность при самостоятельной подготовке учащихся к занятиям и экзаменам (в том числе и к ЕГЭ). Впервые в ЭИ реализована методика обучения решению расчетных химических задач.

Информационно-справочные материалы

В данном разделе содержится дополнительная иллюстративная информация, необходимая для проведения лабораторных работ, решения задач и усвоения учебного материала в пределах, предусмотренных стандартом химического образования. Доступ к информации возможен из всех разделов электронного издания и осуществляется по системе меню и гиперссылок.

В этот раздел включены:

* коллекция - тематические материалы, содержащие различные мультимедиакомпоненты (фото, видео, анимации, графику, формулы, учебные тексты) (рис. 2.5);

* информация об ученых-химиках (55 биографий);

* хрестоматия;

* таблицы и другие справочные материалы по химии (12 химических таблиц) (рис. 2.7);

* ссылки на ресурсы Интернет.

Информация об ученых представлена на рис. 2.6.



Рис. 2.5. Тематический блок «Коллекции» из раздела «Информационно-справочные материалы»	Рис. 2.6. Тематический блок, посвященный ученым-химикам (раздел «Информационно-справочные материалы»)

Рис. 2.7. Периодическая таблица со сведениями об элементах

Интерфейс преподавателя и поддержка работы в сети

«Интерфейс преподавателя» при работе с ЭИ в локальной сети позволяет учителю осуществлять контроль над работой группы учеников (результаты выполнения лабораторных работ и тестов) (рис. 2.8), выставлять оценки в лабораторном журнале ученика, управлять доступом учеников к некоторым учебным заданиям (опыты и тесты).

При анализе компонентов ЭИ и с учетом календарно-тематического планирования, принятого в гимназии, в целом ЭИ «Химия (8-11 класс). Виртуальная лаборатория» можно использовать на 74% уроков химии в 8-11-х классах и на 59% занятий пропедевтического курса в 7-м классе.

Рис. 2.8. Интерфейс преподавателя

В качестве средства повышения мотивации изучения предмета ЭИ использовалось на всех этапах урока:

1) на занятиях в качестве дополнительного иллюстративного материала; при этом использовались графические изображения, анимации, звуковые и видеофрагменты из коллекции учебных материалов, интерактивные лабораторные работы для демонстрации явных и скрытых процессов; показ интерактивного решения задач при фронтальной работе с классом и выполнение интерактивных заданий при индивидуальной работе; конструктор молекул, предоставляющий возможность учащимся провести исследовательские работы по моделированию молекул неорганических и органических веществ, ионов и т.д.;

2) для самостоятельной творческой работы учащихся (работа с коллекцией учебных объектов, виртуальными лабораторными работами, задачами), а также в качестве дополнительного учебного материала для углубленной подготовки по предмету;

3) на виртуальных практических занятиях в компьютерном классе (в случаях невозможности проведения реальной лабораторной работы).

Школьники с большим удовольствием работают с программой. Особый интерес проявляют учащиеся 7-го класса. Общий интерфейс и дизайн ЭИ отвечает потребностям детей. Использование ЭИ заставляет учеников ставить перед собой и учителем вопросы, на которые они с помощью помощника Химик находят ответы.

Использование ЭИ на уроках химии помогает учителю в визуализации учебного материала, особенно при формировании основных понятий, необходимых для понимания микромира (строение атомов, молекул), таких важнейших химических понятий, как «химическая связь», «электроотрицательность», при проведении реакций с ядовитыми веществами (галогены), длительных по времени химических опытов (гидролиз нуклеиновых кислот) и т.д. К тому же в условиях виртуальной лаборатории можно провести практические работы, которые нельзя осуществить по тем или иным причинам (например, использование реактивов I, II группы опасности) в реальной школьной лаборатории. Все это повышает интерес у учащихся к предмету и, как следствие, приводит к улучшению качества знаний.

В подтверждение этого проводился сравнительный анализ процента качества знаний тем, изучаемых с применением информационных технологий и без их использования. Результаты можно рассмотреть на примере двух тем из органической химии «Алкены» и «Арены». В процессе изучения тем проводились практические работы: «Получение этилена и изучение его свойств» (в условиях школьной лаборатории) и «Ароматические углеводороды» (с использованием «Виртуальной лаборатории»). Контроль знаний и умений по темам осуществлялся в виде тестовых заданий [3]. Результаты работ показывают эффективность использования диска «Химия (8-11 класс). Виртуальная лаборатория» (табл. 2).

Таблица 2. Анализ результатов практических и контрольных работ

Класс	Качество знаний темы, %
	Алкены	Арены
	Практическая работа «Получение этилена и изучение его свойств»	Контрольная работа по теме «Алкены»	Практическая работа «Ароматические углеводороды»	Контрольная работа по теме «Арены»
10а	71	86	80	90
10б	94	72	Не использовался	65
10в	86	32	90	63

Использование ЭИ «Химия (8-11 класс). Виртуальная лаборатория» в практике преподавания химии в школе может быть многогранным. Методические рекомендации есть на диске. Каждый учитель может применять отдельные элементы ЭИ по своему усмотрению и с учетом целей и задач урока.

Основная цель использования ЭИ «Химия (8-11 класс). Виртуальная лаборатория», как и информационных технологий в целом, - достижение нового качества образования, обеспечение методической поддержки учебного процесса с помощью современных, преимущественно интерактивных средств и форм обучения, а также повышение учебной самостоятельности и творческой активности школьников.

3. Особенности реализации компьютерной учебной химической

лаборатории

Известные существующие виртуальные химические учебные лаборатории работают по принципу реальных учебных лабораторий: пользователь может вручную оперировать химическими приборами, осуществляя операции в реальном времени с использованием мыши. Такой подход имеет как достоинства, так и недостатки.

Основным достоинством подхода является то, что рабочий стол виртуальной лаборатории визуально представляется как полное, пусть и упрощенное, изображение стола реальной лаборатории: химические сосуды и другие приборы изображаются в реальных пропорциях и расположении (используются подставки и держатели), вещества имеют соответствующую действительности окраску и протекание химических реакций можно наблюдать визуально. Таким образом, пользователь получает представление о работе в реальной лаборатории. Хорошим примером такой лаборатории может служить программа Crocodile Chemistry от Crocodile Clips Ltd, фирмы, специализирующейся на разработке учебных виртуальных компьютерных лабораторий. Часть снимка экрана с химическими приборами приведена на рис. 1.

Главный недостаток подхода является продолжением его основного достоинства -- ручная работа с приборами. Отсюда следует:

1) невозможность повторить эксперимент несколько раз, изменяя условия опыта, без повторения вручную множества одинаковых операций;

2) невозможность сохранения последовательности выполнения операций, кроме как при помощи словесного описания;

3) отсутствие права на ошибку: если пробирка была случайно опрокинута, то ее содержимое будет безвозвратно потеряно, отмена действий в известных виртуальных химических лабораториях отсутствует. Может показаться, что это преимущество, пользователь учится быть осторожнее с химическими приборами и реактивами. Однако это никак не влияет на умение обращаться с реальными приборами, а только мешает, так как отвлекает от сути моделируемого процесса на управление компьютерной программой.

Бесспорно, наглядное визуальное представление важно для знакомства с предметом, обучения на начальном уровне, в том числе для обучения детей. В этом случае главным является непосредственное действие с приборами и веществом, пусть и виртуальное, без чрезмерного увлечения формулами и числовыми значениями, что позволяет сохранить у обучаемого интерес к химии.

При дальнейшем обучении главным становится именно точное теоретическое представление протекающих процессов и численных результатов моделирования, а визуальные эффекты становятся второстепенными или вообще необязательными. На первый план выходит свобода в построении схемы эксперимента.

Основным отличием разрабатываемой лаборатории от существующих является представление системы в виде компонентной цепи, состоящей из компонентов и связей между ними, в которой может быть полностью задан временной ход всего процесса. Такой подход является обычным при создании виртуальных компьютерных лабораторий, в состав которых входят электрические, гидравлические и механические системы, но примеров использования его применительно к учебному моделированию физико-химических систем найдено не было.

Выделены следующие типы компонентов:

1) источник;

2) реактор;

3) смеситель;

4) разделитель;

5) индикатор;

6) внешнее воздействие.

В качестве дополнительного подкомпонента выделен выходной ключ, входящий в состав некоторых компонентов.

Компоненты связываются тремя типами связей:

1) вещественными -- для передачи потоков вещества;

2) информационными -- для передачи различной информации;

3) воздействующими -- для передачи внешних воздействий.

Источник является основным начальным поставщиком вещества в систему. Содержимым источника является смесь веществ.

Реактор является основным компонентом системы, только внутри реактора протекают химические реакции, к нему подключаются индикаторы и внешние воздействия. Пользователю предлагается набор реакторов, аналогичных по своим параметрам (форме, объему) существующим. Реактор может также выступать в роли источника, в случае если необходимо задать начальное состояние системы, отличное от стандартного (заполненные воздухом или заданным веществом реакторы). В таком случае при создании схемы в реактор помещается требуемая смесь веществ.

Перемещение потоков смесей между компонентами регулируется зависящими от времени программируемыми ключами, установленными на выходах источников и реакторов. Ключи неотделимы от компонентов, но в то же время являются независимыми сущностями. Ключи могут быть разового, постоянного и периодического действия. Таким образом, перед началом процесса моделирования можно полностью задать алгоритм работы схемы, задав программы работы для каждого ключа. Ключи также задают тип перемещения потока веществ, например действие «вылить». Ключами можно управлять в ручном режиме непосредственно при запущенном процессе моделирования. Планируется также использование управляемых ключей, работающих по входному сигналу, поступающему, например, с индикатора.

Смесители и разделители производят смешивание и разделение потоков вещества при передаче их по связям между компонентами. Соединение вещественных связей возможно только посредством смесителей и разделителей вследствие сложности процессов сложения и разделения потоков веществ. Информационные и воздействующие связи являются направленными и могут разветвляться в направлении передачи информации и воздействия. Передача информации осуществляется от реактора к индикатору, передача воздействия -- от внешнего воздействия к реактору.

Класс индикаторов включает компоненты, подключаемые к реакторам и предоставляющие информацию о его содержимом и процессах, протекающих в нем, и разбит на два вида.

1. Индикаторы, соответствующие реальным. Показания индикаторов этого типа могут быть получены в реальной лаборатории при помощи простейших измерительных приборов или без их применения.

1.1. Внешний вид реакции и веществ: цвет содержимого реактора, выпадение осадка или выделение газа и т.п.

1.2. Температура вещества в реакторе.

1.3. Запах, может быть описан словами.

2. Виртуальные индикаторы. Показания большинства индикаторов этого типа не могут быть получены в реальной лаборатории, по крайней мере, без применения дополнительных вычислений.

2.1. Суммарное количество каждого вещества в реакторе, представляемое в единицах объема, массы или количества вещества по выбору.

2.2. Распределение веществ по объему реактора.

2.3. Средняя температура вещества в реакторе.

2.4. Распределение температуры по объему реактора.

2.5. Список химических реакций в реакторе и значения их мгновенных скоростей.

Числовые значения с выхода индикаторов могут передаваться стандартным компонентам среды моделирования МАРС для последующей обработки, а также визуальным компонентам для отображения в виде таблиц, графиков, диаграмм.

Класс внешних воздействий представлен следующими компонентами:

1. Тепловое воздействие. Служит источником теплоты, приложенным к определенной точке реактора, например спиртовая горелка или электрический нагреватель.

2. Механическое воздействие. Служит для перемешивания содержимого реактора. Этот компонент может быть включен непосредственно в некоторые типы реакторов, оснащенные мешалкой или допускающие ручное перемешивание взбалтыванием.

Внешние воздействия также регулируются ключами.

На рис. 2 изображена схема химического эксперимента, представленного на рис. 1.

Рис. 2. Схема эксперимента:

S1..S3 -- источники; D1 -- разделитель; M1..M2 -- смесители; R1..R3 -- реакторы; I1..I3 -- индикаторы; K1..K7 -- ключи; A1 -- внешнее воздействие

В отличие от изображения на рис. 1 схема дает полное представление о проводимом эксперименте, в этом состоит главное преимущество предложенного подхода. Последовательность операций задана параметрами ключей K1..K7 и может быть сохранена для последующего редактирования и применения.

Кроме того, схемное представление эксперимента в ряде случаев позволяет производить автоматический контроль выполнения лабораторной работы. Для ручного контроля выполнения работы схема и результаты работы могут быть сохранены в файле и переданы преподавателю, например посредством электронной почты.

4. Методические аспекты применения виртуальной химической

лаборатории при изучении химии в 8-11 классах

В состав электронного издания «Виртуальная химическая лаборатория для 8-11 классов», разработанного в Лаборатории систем мультимедиа, входят более 150 химических опытов из курса химии средней школы. Содержание данного ППС полностью охватывает весь курс школьной химии. Большое внимание уделяется соблюдению правил техники безопасности. Химические опыты проводятся в реализованной на экране монитора лаборатории со всем необходимым оборудованием и химической посудой (пробирки, стаканы, колбы, ступки, штативы и т.п.), а также химическими реагентами. Для того чтобы избежать переполнения визуального пространства на экране компьютера, учащимся доступен лишь тот набор лабораторного оборудования и реагентов, которые необходимы для проведения конкретного опыта. В некоторых опытах - это емкости с растворами, а в других - сложные химические установки.

Химические опыты реализованы с использованием синтезированных в реальном времени трехмерных анимаций, благодаря чему, учащиеся, взаимодействуя с виртуальным оборудованием, могут проводить опыты так же, как в реальной лаборатории. Учащимся предоставляется возможность собирать химические установки из составляющих элементов и проводить шаг за шагом виртуальные эксперименты. Кроме того, они могут производить необходимые измерения, используя модели измерительных инструментов. Во время выполнения опыта учащиеся могут занести в «Лабораторный журнал» свои наблюдения в форме изображений, «сфотографированных» с экрана с помощью виртуального фотоаппарата, сделать там же необходимые записи и интерпретировать данные, полученные в ходе эксперимента. Специальный инструмент «Окно увеличения» служит для более детального наблюдения за протеканием химических реакций. Программа контролирует каждое действие учащегося, проводя его через все этапы, необходимые для успешного завершения опыта. Для этого используется педагогический агент, анимированный персонаж «Химик», который делает необходимые комментарии и дает соответствующие указания голосом и в текстовой форме. Для обеспечения удобства написания химических формул и уравнений реакций в «Лабораторном журнале» был разработан специальный инструмент «Редактор химических уравнений», реализованный с использованием технологии Macromedia Flash.

При проведении ряда практических работ ученики используют видеофрагменты, позволяющие школьникам увидеть проводимый ими эксперимент в реальной лаборатории. Апробация данного ППС показала возрастание познавательного интереса школьников к реальному эксперименту после работы в «виртуальной лаборатории», развитие их исследовательских и экспериментаторских навыков: соблюдение общих и специфических правил безопасности, выбор оптимальных алгоритмов выполнения эксперимента, умение наблюдать, выделять главное, акцентировать внимание на наиболее существенных изменениях.

В состав «Виртуальной химической лаборатории» входит «Конструктор молекул», предназначенный для построения трехмерных моделей молекул органических и неорганических соединений. Использование трехмерных моделей молекул и атомов для иллюстрации химических феноменов обеспечивает понимание всех трех уровней представления химических знаний: микро, макро и символьного (Dori Y. et al., 2001). Понимание поведения веществ и сущности химический реакций, становится более осознанным, когда есть возможность увидеть процессы на молекулярном уровне. Реализованы ведущие идеи парадигмы современного школьного химического образования: строение ® свойства ® применение.

«Конструктор молекул» позволяет получать управляемые динамичные трехмерные цветные изображения штриховых, шаростержневых и масштабных моделей молекул. В «Конструкторе молекул» предусмотрена возможность визуализации атомных орбиталей и электронных эффектов, что значительно расширяет сферу использования моделей молекул при обучении химии.

Возможно использование «Конструктора молекул» при фронтальном объяснении нового материала, когда учителю необходимо показать модели молекул изучаемых соединений, обратить внимание учащихся на строение электронных орбиталей, их гибридизацию, особенности их перекрывания при образовании химической связи. Вместе с тем, как показала апробация данного ППС, высокая педагогическая эффективность использования «Конструктора молекул» достигается при индивидуальной и групповой работе школьников на уроке. Особый интерес вызывают творческие задания, носящие исследовательский характер. Продолжительное устойчивое внимание к изучаемым объектам наблюдалось при выполнении заданий, предполагающих самостоятельную разработку моделей молекул соединений, обладающих заданными свойствами, или, наоборот, прогнозирование свойств соединения, модель молекулы которого создана самим учеником.

При необходимости созданные учащимися модели молекул могут быть сохранены в формате VRML для последующего просмотра в WEB-броузере.

Интерфейс «Виртуальной химической лаборатории»

Создание эффективного пользовательского интерфейса для виртуальной лаборатории является трудной и ответственной задачей. Важно было предусмотреть возможность управления большим количеством составных частей химических установок, обеспечить выполнение основных лабораторных процедур способом, максимальным образом имитирующим реальные операции, а также предусмотреть для учащихся удобные управляющие и навигационные элементы. Было бы интересно построить пользовательский интерфейс на основе единой метафоры, разместив все управляющие и навигационные элементы в единое трехмерное пространство. Однако в виртуальной лаборатории во время проведения опытов учащимся приходится взаимодействовать с таким большим количеством реактивов, химической стеклянной посуды и оборудования, что добавление сюда же управляющих и навигационных элементов привело бы к переполнению визуального пространства экрана. В соответствии с этим ограничением при разработке пользовательского интерфейса нашей виртуальной лаборатории в трехмерном пространстве были оставлены только необходимые для проведения опыта управляющие элементы (например, виртуальный фотоаппарат для сбора наблюдений). Все же остальные навигационные и управляющие элементы были перенесены в двумерное пространство и размещены по краям экрана. Это позволило нам увеличить эффект присутствия для работающих с виртуальной лабораторией учащихся.

Существуют серьезные основания утверждать, что педагогические агенты, анимированные персонажи, очень важны для нового поколения образовательных программ (Nijholt А., 2001). Педагогические агенты учащимся помогают сконцентрировать внимание, ведут их через мультимедиа презентацию, обеспечивают дополнительные невербальные коммуникации через эмоции, жесты, движения тела. Таким образом, педагогические агенты делают взаимодействие пользователя с компьютером более «человеческим», более социальным.

Согласно приведенным выше доводам, в интерфейс виртуальной лаборатории был добавлен педагогический агент «Химик». Этот персонаж реализован с помощью синтезированной в реальном времени трехмерной анимации. «Химик» осуществляет контроль за всеми действиями учащегося, направляет его при ошибочных действиях, помогает ему при возникновении проблем. Иногда педагогический агент сам принимает участие в проведении опытов, что делает выполняемые процедуры более занимательными.

Отмечается, что педагогические агенты способствуют повышению степени доверия учащихся к учебному материалу. Они повышают мотивацию учащихся и увеличивают время, которое учащиеся проводят, работая с обучающими программами (Lester J. et al., 1997). Для усиления степени доверия к агенту используются специальные средства, подчеркивающие его индивидуальность. Программа может генерировать набор спонтанных движений, изменяя визуализацию синтезированной в реальном времени трехмерной модели. Кроме этого, для моделирования поведения персонажа используется широкий набор поз, жестов, движений головы и выражений лица.

Глава 5. Урок химии с использованием интерактивной доски по теме

"Фосфор и его соединения"

Интерактивная доска - это сенсорный экран, подсоединенный к компьютеру, изображение с которого передает на доску проектор. Интерактивная доска работает вместе с проектором и компьютером, представляя собой единый комплекс.

Использование интерактивной доски на уроке позволяет:

· повысить наглядность, информативность содержания;

· сделать сложный материал урока доступнее;

· смоделировать эксперимент;

· использовать новые виды индивидуальной и групповой работы;

· повысить окупаемость времени, затраченного на подготовку к уроку;

· систематизировать ЗУН на любом уроке при малых затратах времени;

· повысить уровень мотивации школьников к изучению предмета;

· повысить плотность, динамичность и мобильность урока.

При использовании интерактивной доски на уроках химии учитель должен быть готов к большим затратам времени на их подготовку. Но такие затраты времени скорее всего будут единовременны, т.к. в будущем учителю может потребоваться лишь корректировка составленных ранее уроков. Цели урока:

1. Закрепить умения учащихся давать характеристику элементу, исходя из его положения в Периодической системе химических элементов.

2. Сравнить свойства аллотропных модификаций фосфора.

3. Рассмотреть кислородные соединения фосфора: оксид фосфора (V), фосфорную кислоту и ее соли.

4. Познакомить учащихся с историей открытия фосфора

5. Показать области применении фосфора и его соединений.

6. Дать представления о круговороте фосфора в природе.

Ход урока:

Слайд 1 и 2. Строение и свойства атомов. Определив положение элемента в ПСХЭ, в условиях фронтальной беседы или, вызвав ученика к доске, изображаем строение атома фосфора.

Слайд 3 и 4. Возможные степени окисления фосфора. Рассмотрев строение атома, в условиях фронтальной беседы, называем возможные (высшую и низшую) степени окисления фосфора. Выполняем задание (вызвав ученика к интерактивной доске): Определите степени окисления фосфора в соединениях и распределите формулы веществ на группы. (Ученик определяет степени окисления и «перетаскивает» формулы веществ по столбикам) В результате на доске появляется законченная схема возможных степеней окисления фосфора, снабженная примерами.

Слайд 5 и 6. Аллотропные модификации фосфора. На слайд вынесена ссылка на видеофрагмент, в котором описываются свойства белого и красного фосфора. После просмотра видеофрагмента, в ходе фронтальной беседы, распределяем («перетаскивая») перечисленные свойства по столбикам, соответствующим белому и красному фосфору. В результате на доске появляется сравнительная характеристика аллотропных модификаций фосфора.

Слайд 7 и 8. Опыт, иллюстрирующий переход красного фосфора в белый. Ученики открывают параграф учебника, где описан опыт и приведен рисунок этого опыта. (Габриелян О.С. Химия - 9. - М.: Дрофа, 2003.) На слайд вынесена ссылка на изображение тех же страниц учебника. Учитель может задавать вопросы по описанию опыта и рисунку к этому опыту, обращаясь к изображению, вынесенному на доску.

Слайд 9 и 10. Химические свойства фосфора. В заготовленной схеме, демонстрируем возможность атома фосфора отдавать и принимать электроны (при этом можно вернуться к первому слайду). Повторяем понятия «окисление» и «восстановления», «окислитель» и «восстановитель». Дописываем уравнения реакций, расставляем коэффициенты методом электронного баланса (у доски могут работать сразу 2 ученика).

Слайд 11 и 12. Химические свойства соединений фосфора. Соединим формулы реагентов и продуктов реакции, расставим коэффициенты (такая форма задания позволяет подготовить учащихся к выполнению тестовых заданий на соотнесение).

Слайд 13 и 14. Биологическое значение фосфора и его соединений. На слайд вынесена ссылка на видеофрагмент, в котором описывается биологическое значение фосфора и его соединений. После просмотра видеофрагмента предлагаем учащимся прокомментировать высказывание А.Е. Ферсмана - «Фосфор - это элемент жизни и мысли».

Слайд 15 и 16. Применение фосфора и его соединений. На слайде схема «Применение фосфора и его соединений» закрыта включением опции «Прожектор». Рассказывая о применении фосфора, передвигаем прожектор с описания одной области на другую.

Слайд 17. Открытие фосфора.

На слайд вынесена ссылка на видеофрагмент об открытии фосфора.

Слайд 18. Круговорот фосфора в природе.

На слайде - изображение круговорота фосфора в природе без стрелок, которые можно провести в процессе рассказа.

Слайд 19 и 20. На этапе закрепления предлагается осуществить цепочку превращений. Правильные уравнения превращений скрыты включением опции «Шторка». По мере решения цепочки, правильные ответы можно приоткрывать.

Слайд 20. На этапе закрепления предлагается выполнить задание. На слайд вынесен отрывок из знаменитой книги «Собаки Баскервилей» А. Конан-Дойла, требуется найти химическую ошибку и назвать ее. На слайд также вынесена ссылка на видеофрагмент из фильма «Собака Баскервилей».

виртуальный лаборатория химия обучение

ЛИТЕРАТУРА

1. Леонова О.Н. Методика использования образовательных ресурсов на электронных носителях. Химия (ИД «Первое сентября»), 2005, № 8, с.13-21.

2. Учебное электронное издание: Химия. 8-11 класс. Виртуальная лаборатория. (2 CD + методическое пособие.) Лаборатория систем мультимедиа, МарГТУ, 2004.

3. Шмаков Ю.А. Тесты по органической химии. Саратов: Лицей, 2001, 80 с.

Размещено на Allbest.ru