Реферат на тему "Виртуальные лаборатории и их ресурсы"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. Е. ЕВСЕВЬЕВА»

Факультет физико-математический

Кафедра информатики и вычислительной техники

РЕФЕРАТ

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ И ИХ РЕСУРСЫ

Автор работы                                                              Е. С. Филатова

Направление подготовки 44.03.05 Педагогическое образование

Профиль Математика. Информатика

Руководитель работы

канд. физ.- мат. наук, доцент                                       Т. В. Кормилицына

Саранск 2021

Содержание

Введение. 3

1 Понятие «Виртуальная лаборатория». 4

2. Преимущества виртуальных лабораторий. 5

3 Основные виртуальные лаборатории. 6

Заключение. 10

Список используемой литературы.. 11

Введение

В современном учебном процессе особое внимание уделяется разработке и использованию электронных образовательных ресурсов. Преподавателю предоставляется широкий выбор обучающих программ, электронных энциклопедий, справочников, пособий и т.п. Они способствуют развитию интереса ребенка к освоению нового материала и формированию творческой и познавательной активности.

Примером использования таких ресурсов в учебном процессе являются виртуальные лаборатории, позволяющие моделировать объекты и процессы окружающего мира, а также организовывать компьютерный доступ к реальному лабораторному оборудованию.

С одной стороны, они предоставляют возможность обучающемуся провести эксперименты с оборудованием и материалом, отсутствующим в реальной школьной лаборатории, получить практические навыки проведения экспериментов, ознакомиться детально с компьютерной моделью уникального дорогостоящего объекта, исследовать процессы и явления, не опасаясь за возможные последствия. С другой стороны, подключение имеющегося оборудования и приборов к компьютеру в рамках виртуальной лаборатории позволяет перевести традиционную школьную лабораторию на новый уровень технологий, соответствующий современному уровню развития науки и техники.

1 Понятие «Виртуальная лаборатория»

Виртуальная лаборатория – это среда, имитирующая на экране компьютера, планшета, смартфона, или интерактивной панели инструменты учебной лаборатории. Они позволяют собрать электрические цепи, построить чертежи или графики, провести измерения.

Такими лабораториями могут пользоваться как учителя, так и школьники. Педагоги применяют их на уроках и создают с их помощью собственные интерактивные задания. А дети могут ставить онлайн- эксперименты не только в школе, но и дома. Таким образом, школьники лучше усваивают материал, а также повторять его.

По определению В. В. Трухина [3], виртуальная лаборатория «представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. В первом случае мы имеем дело с так называемой лабораторной установкой с удаленным доступом, в состав которой входит реальная лаборатория, программно-аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства коммуникации. Во втором случае все процессы моделируются при помощи компьютера»

Итак, под виртуальными лабораториями понимается два типа программно-аппаратных комплексов:

·                     лабораторная установка с удаленным доступом – назовем такие комплексы дистанционные лаборатории;

·                     программное обеспечение, позволяющее моделировать лабораторные опыты – виртуальные лаборатории (в узком смысле).

2. Преимущества виртуальных лабораторий

Основными преимуществами виртуальных лабораторий являются:

-                    Отсутствие необходимости приобретения дорогостоящего оборудования и реактивов.

Из-за недостаточного финансирования во многих лабораториях установлено старое оборудование, которое может искажать результаты опытов и служить потенциальным источником опасности для обучающихся. Кроме того, в таких областях как, например, химия, кроме оборудования требуются также расходные материалы (реактивы), стоимость которых достаточно высока. Разумеется, компьютерное оборудование и программное обеспечение также стоит недешево, однако универсальность компьютерной техники и ее широкая распространенность компенсируют этот недостаток.

-                    Возможность моделирования процессов, протекание которых принципиально невозможно в лабораторных условиях.

Современные компьютерные технологии позволят пронаблюдать процессы, трудноразличимые в реальных условиях без применения дополнительной техники, например, из-за малых размеров наблюдаемых частиц. 

-                    Возможность проникновения в тонкости процессов и наблюдения происходящего в другом масштабе времени, что актуально для процессов, протекающих за доли секунды или, длящихся в течение нескольких лет. 

-                    Безопасность. Безопасность является немаловажным плюсом использования виртуальных лабораторий в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями или химическими веществами.

-                    В связи с тем, что управлением виртуального процесса занимается компьютер, появляется возможность быстрого проведения серии опытов с различными значениями входных параметров, что часто необходимо для определения зависимостей выходных параметров от входных.

-                    Экономия времени и ресурсов для ввода результатов в электронный формат. Некоторые работы требуют последующей обработки достаточно больших массивов полученных цифровых данных, которые выполняются на компьютере после проведения серии экспериментов. Слабым местом в этой последовательности действий при использовании реальной лаборатории является ввод полученной информации в компьютер. В виртуальной лаборатории этот шаг отсутствует, так как данные могут заноситься в электронную таблицу результатов непосредственно при выполнении опытов экспериментатором или автоматически. Таким образом, экономится время и значительно уменьшается процент возможных ошибок.

-                    И, наконец, отдельное и важное преимущество заключается в возможности использования виртуальной лаборатории в дистанционном обучении, когда в принципе отсутствует возможность работы в лабораториях университета.

3 Основные виртуальные лаборатории

Рассмотрим несколько наиболее интересных, открытых и бесплатных онлайн проектов как многоотраслевого, так и тематического плана.

VirtuLab

Ресурс VirtuLab (рисунок 1) – крупнейший в современном Рунете сборник виртуальных опытов по различным учебным дисциплинам. Основная единица коллекции – виртуальный эксперимент. С технической точки зрения, это интерактивный ролик, сделанный с помощью Adobe Flash. Некоторые лаборатории выполнены в трехмерной графике. Для работы с ними понадобится установить Adobe Shockwave Player с дополнением Havok Physics Scene. Найти это дополнение можно на сайте director-online.com. Распаковать полученный архив нужно в каталог Xtras вашего Adobe Shockwave Player, который находится в системном каталоге Windows.

Ресурс VirtuLab – крупнейшее собрание виртуальных онлайновых лабораторий на русском языке.

Каждый ролик позволяет провести какой-либо эксперимент, имеющий учебную цель и четкое задание. Пользователю же предлагаются все инструменты и объекты, необходимые для получения результата. Задания и подсказки выводятся в виде текстовых сообщений. В роликах VirtuLab силен обучающий аспект, например, если пользователь ошибается, система не пустит его дальше до исправления ошибки.

Коллекция экспериментов VirtuLab достаточно обширна и разнообразна. Собственной встроенной поисковой системы у VirtuLab нет, поэтому для того, чтобы найти нужный эксперимент, придется просто пролистывать разделы каталога. Архив разделен на четыре основных блока: «Физика», «Химия», «Биология» и «Экология». Внутри них присутствуют более узкие тематические разделы. В частности, для физики это разделы данной дисциплины. Здесь есть опыты по знакомству с механикой, электрическими и оптическими эффектами. Ряд лабораторий выполнен в 3D- графике, что помогает демонстрировать разнообразные опыты: от экспериментов с динамометрами до рефракции и других оптических эффектов.

Рис. 1 – VirtuLab.

PhET

По своему содержанию данный ресурс, разработанный Университетом Колорадо, также является многоотраслевым. На его страницах представлены виртуальные лаборатории, демонстрирующие различные явления в области физики, химии, биологии, геологии, а также интерактивные математические инструменты. Всего в каталоге PhET находятся несколько сотен демонстраций (Рисунок 2).

Рис. 2 – PhET

Сайт PhET является многоотраслевой коллекцией Java-аплетов,
с которыми можно работать как в онлайне, так и на локальном компьютере.

Отдельно, в разделе Cutting Edge Research, выделены демонстрации, посвященные самым современным исследованиям. Новинки в архиве появляются регулярно, для них предназначен раздел New Sims.

Обратите внимание на подраздел Translated Sims. Эта страница содержит перечень всех языков, на которые были переведены предлагаемые виртуальные лаборатории. Есть среди них и русский. Что же представляют собой демонстрации PhET и кому они могут быть полезны? Построены они на технологии Java. Это позволяет запускать эксперименты в онлайне, скачивать на локальный компьютер, а также внедрять их на другие веб-страницы в качестве виджетов. Все эти опции предусмотрены на странице каждой демонстрации PhET.

Все эксперименты PhET интерактивны (рисунок 3). Они содержат одно или несколько заданий, а также набор всех элементов, необходимых для их решения. Поскольку ход решения, как правило, достаточно подробно раскрывается в текстовых примечаниях, основная цель демонстраций – визуализация и разъяснение эффектов, а не тестирование знаний и навыков пользователя.

Рис.3 – Тестирование программы

Так, одна из демонстраций химического раздела предлагает составить молекулы из предлагаемых атомов и посмотреть на трехмерную визуализацию результата. В биологическом разделе есть калькулятор баланса расхода человеком калорий в течение дня: можно указывать виды и количество потребляемой пищи, а также объем физических упражнений. Затем остается только наблюдать за изменениями подопытного «человечка» заданного возраста, роста и начального веса. Математический раздел может похвастаться весьма полезными инструментами построения графиков различных функций, арифметическими играми и другими любопытными приложениями. Физический раздел предлагает широкий выбор «лабораторий», демонстрирующих самые различные явления – от простого движения до квантовых взаимодействий.

Заключение

Виртуальная лаборатория предоставляет учащимся комплекс задач различных предметных областей, виртуальные инструменты для формализации условий процесса, средства для решения проблемы; учителям постоянный контроль, диагностику освоения материала. Таким образом, учащиеся самостоятельно могут формировать практические умения и навыки в удобное для них время, не ограничивая себя временем и территориальной отдаленностью от образовательной организации.

Визуализация – один из наиболее эффективных приемов обучения, помогающий гораздо проще и глубже разобраться в сущности различных явлений. Особенно, полезны визуализация и моделирование при изучении динамичных, изменяющихся во времени объектов и явлений, которые бывает сложно понять, глядя на простую статичную картинку в обычном учебнике. Лабораторные работы и учебные эксперименты не только полезны, но и весьма интересны – при соответствующей организации, конечно.

Далеко не все учебные эксперименты можно или нужно проводить в «реальном» режиме. Неудивительно, что технологии компьютерного моделирования достаточно быстро пришли в эту область. Сейчас на рынке представлен целый ряд программных пакетов, предназначенных для осуществления виртуальных учебных экспериментов. С их помощью можно проводить компьютерные опыты, не приобретая дополнительных программ, причем в любое удобное время, был бы доступ к Интернету.

В развитии современных сетевых проектов такого плана сейчас наблюдается несколько тенденций. Первая – рассеяние по значительному количеству ресурсов. Наряду с крупными проектами, аккумулирующими значительное количество контента, существует множество сайтов, на которых собрано понемногу лабораторий. Вторая тенденция – наличие как многоотраслевых проектов, предлагающих лаборатории для различных отраслей знаний, так и тематических специализированных проектов. Наконец, нельзя не отметить, что в онлайне лучше всего представлены лаборатории, посвященные естественным наукам. Действительно: физические эксперименты вообще могут быть весьма затратным мероприятием, а компьютерная лаборатория позволяет заглянуть за кулисы сложных процессов. Выигрывает и химия: нет нужды в приобретении настоящих реактивов, оборудовании лаборатории, нет опасения что-нибудь испортить в случае ошибки. Не менее благодатное поле для виртуальных лабораторных практикумов – биология и экология. Не секрет, что детальное изучение биологического объекта зачастую заканчивается его гибелью. Экологические же системы велики и сложны, так что применение виртуальных моделей позволяет упростить их восприятие.

Список используемой литературы

1.                 Белоконова, С.С. Web-технологии в профессиональной деятельности учителя : учебное пособие : [12+] / С.С. Белоконова, В.В. Назарова. – Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2020. – 179 с. : ил., табл. – Режим доступа: по подписке. – URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=572465 (дата обращения: 08.11.2020). – Библиогр.: с. 158-167. – ISBN 978-5-4499-0812-4. – Текст : электронный.

2.                 Письменский Г. И. Дистанционное и виртуальное обучение. – Москва : Современный гуманитарный университет, 2015. – № 12(102). – 128 с.– Режим доступа: по подписке. – URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=436927. – ISSN 1561-2449. – Текст : электронный.

3.                 Трухин А. В. «Об использовании виртуальных лабораторий в образовании» // Открытое и дистанционное образование. – 2002. – № 4.