Разработка виртуальной химической лаборатории для школьного образования (стр. 2 из 3)

3. 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 (рис. 1).

Рис. 1. Виртуальная химическая лаборатория.

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 (рис. 2). 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.

Рис. 2. Конструктор молекул.

«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.

4. 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.

Рис. 3. Педагогический агент.

Согласно приведенным выше доводам, в интерфейс виртуальной лаборатории был добавлен педагогический агент «Химик» (рис. 3). 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.

5. Разработка виртуальной лаборатории

Каким образом удалось сократить время и затраты на создание образовательной среды, состоящей более чем из 150 высоко-интерактивных экспериментов, большого количества сложных трехмерных объектов (химическая стеклянная посуда, химические растворы и различное оборудование), а также содержащей анимированного в реальном масштабе времени педагогического агента? Чтобы добиться этого, при разработке виртуальной лаборатории были использованы два современных похода к созданию многофункциональных мультимедиа насыщенных приложений.