Виртуальные лабораторные работы на уроках физики

Наталья Анатольевна Пугач,

заместитель директора по УВР,

учитель физики,

МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 47

имени С.В. Широбокова» г. Курска

Виртуальные лабораторные работы на уроках физики

В современном мире актуальное значение имеет использование компьютеризированных информационных систем, которые представляют большой интерес в таких областях, как образование, наука, технологии и технологии. Кроме того, постоянное развитие науки, техники и технологий приводит к появлению новых информационных систем, а также к развитию и совершенствованию существующих систем. Что касается образования, то внедрение новых технологий и глобальное совершенствование являются основными темами, которым уделяется особое внимание во всем мире. Следует иметь в виду, что внедрение информационных технологий в образовательный процесс оправдано, если они эффективно дополняют существующие технологии обучения или имеют дополнительные преимущества по сравнению с традиционными формами обучения. Использование виртуальной лабораторной работы на уроках физики позволяет, например, сделать лабораторную работу более живой и интересной, одновременно повышая качество образования.

На уроках физики невозможно обойтись без демонстрационного эксперимента, который стимулирует активную познавательную деятельность и творческий подход к приобретению знаний. В традиционных формах учебного процесса такая возможность реализуется при выполнении необходимого комплекса лабораторных работ или практических занятий. Но не всегда материальная база кабинета соответствует требованиям современного кабинета физики. Нехватка материалов и того или иного оборудования часто ограничивает доступ обучающихся к самым интересным и уникальным явлениям, техническим средствам и научно-технологическим элементам, которые иногда являются наиболее интересными и стимулирующими. И поэтому здесь на помощь приходит компьютерный эксперимент, в частности интерактивная (виртуальная) лабораторная работа по физике. Компьютер становиться помощником не только ученика, но и учителя.

Виртуальные лаборатории позволяют моделировать физический эксперимент, который по каким-либо причинам невозможно реализовать в школьной физической лаборатории. Компьютерные модели позволяют получать в динамике наглядные запоминающиеся иллюстрации сложных и опасных физических опытов, воспроизвести их тонкие детали, которые могут ускользать при проведении реального эксперимента, необходимо мгновенно осуществлять обработку полученных результатов.

Важным достоинством виртуального учебного эксперимента является то, что учащиеся могут возвращаться к нему много раз, что способствует более прочному и глубокому усвоению материала. При этом наблюдения показывают, что методически правильно организованная работа школьников в виртуальной лаборатории способствует более глубокому формированию экспериментальных умений и навыков, чем аналогичный демонстрационный эксперимент. Таким образом, виртуальные лабораторные работы являются своеобразной аналогией, если не возможной заменой, лабораторного оборудования школьных предметных кабинетов, что особенно актуально при дистанционной форме обучения.

Использование цифрового образовательного ресурса в качестве виртуальной лаборатории в учебном процессе обеспечивает системно-активный подход в обучении, а также позволяет формировать информационно-коммуникативную компетентность обучающихся и компетентности в области самостоятельной познавательной деятельности.

Виртуальная лабораторная работа представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном ее отсутствии [2].

При этом следует различать такие понятия как «виртуальная лаборатория» и «виртуальная удаленная лаборатория». Основой виртуальной лаборатории является компьютерная программа или связанный комплекс программ, осуществляющих компьютерное моделирование некоторых процессов [3]. Виртуальная удаленная лаборатория представляет собой сетевую организационную структуру нескольких групп ученых, которые принадлежат к различным научным центрам и связанных между собою отношениями взаимовыгодного сотрудничества, благодаря сети Интернет [4].

К очевидным достоинствам использования компьютерных моделей следует отнести их безопасность по сравнению с реальным применением оборудования, особенно в случаях, где идет работа с высоким напряжением или опасными реактивами, возможность самостоятельной работы с ними в спокойной домашней обстановке. С учётом этого обстоятельства крайне целесообразно перед проведением реального эксперимента реализовывать виртуальный, в ходе которого чётко отработать весь ход проведения эксперимента.

Преимущества и недостатки виртуальных лабораторных работ по сравнению с традиционными:

Преимущества	Недостатки
- отсутствует необходимость покупать дорогостоящее оборудование и опасные радиоактивные материалы (лабораторные работы по квантовой или атомной или ядерной физике). Виртуальные лабораторные работы позволяют изучать такие явления как фотоэффект, опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, определение периода кристаллической решетки методом дифракции электронов, изучение газовых законов, ядерные реакторы и др.	- отсутствие непосредственно контакта с объектом исследования, приборами, оборудованием.
- возможность моделирования процессов, протекание которых недоступно в лабораторных условиях (лабораторные работы по молекулярной физике и термодинамике представляют собой закрытые системы, на выходе которых измеряется некоторый набор электрических величин, из которых затем с помощью уравнений электродинамики и термодинамики рассчитываются искомые величины. Все молекулярно-кинетические и термодинамические процессы, происходящие в опыте, при этом остаются недоступными для наблюдения). В ходе выполнения виртуальных лабораторных работ по этим разделам физики обучающиеся могут с помощью анимированных моделей наблюдать динамические иллюстрации изучаемых физических и химических явлений и процессов, недоступных для наблюдения в реальном эксперименте, при этом одновременно с ходом эксперимента наблюдать графическое построение соответствующих зависимостей физических величин.	- не развивают практических навыков по измерению величин.
- виртуальные лабораторные работы обладают более наглядной визуализацией физических процессов по сравнению с традиционными лабораторными работами (появляется возможность более подробно и наглядно изучать такие физические процессы, как движение заряженных частиц, создающих электрический ток или принцип работы р-п-перехода. Также можно проникнуть в процессы, происходящие за доли секунды или длящихся в течение нескольких лет, например, изучение движения планет в поле тяготения центрального тела).

Применение виртуальных лабораторных работ в процессе обучения позволяет выделить две группы планируемых образовательных результатов:

Учащиеся	Учитель
- предоставляется возможность индивидуальной исследовательской работы с компьютерными моделями, в ходе которой они могут самостоятельно ставить эксперименты, быстро проверять свои гипотезы, устанавливать закономерности физических явлений и процессов;	- освобождается время для индивидуальной работы с учащимися (особенно с отстающими);
- задается индивидуальный темп обучения для каждого ученика, появляется возможность повторения эксперимента в неурочное время;	- появляется возможность проведения быстрой индивидуальной диагностики результатов процесса обучения.
- появляется реальная возможность выполнения компьютерной лабораторной работы, которую невозможно выполнить в условиях школьной лаборатории;
- приобретение навыков оптимального использования персонального компьютера в качестве обучающего средства;
- приобретение навыков работы с электронными ресурсами.

Виртуальная лабораторная работа содержит инструкции и методические рекомендации по выполнению работ, построенных единообразно по следующей форме: цель работы, теоретический материал, экспериментальная установка, порядок выполнения работы, отчет. Кроме того, каждая лабораторная работа включает в себя тест, который заключается в оценке базовых знаний, необходимых для успешного завершения работы, и итоговый тест, направленный на контроль остаточных знаний по результатам лабораторной работы.

Виртуальные лабораторные работы можно разделить на три основные группы:

- виртуальные лаборатории, моделирующие проведение лабораторных работ с использованием традиционного оборудования – ВЛ этой группы наиболее широко представлены в Сети на образовательных порталах. Проектирование учебного интерфейса в большинстве таких виртуальных лабораторий происходит путем нажатия кнопок или их анимационных аналогов, а также через использование технологии drag&drop, позволяющей оперировать элементами интерфейса с помощью мыши, трекпада или сенсорного экрана.

- виртуальные лаборатории, моделирующие проведение экспериментов с использованием цифровых средств измерений (цифровых лабораторий) – для каждой лабораторной работы предлагается теоретический материал по соответствующей теме предмета, правила техники безопасности при работе с реальным оборудованием. Проведение эксперимента моделируется с использованием реального интерфейса, позволяющего осуществлять настройку параметров эксперимента (продолжительность, частота выборки), запуск эксперимента и обработку его результатов. Предусмотрена возможность использования режима подсказки. После завершения эксперимента пользователю предлагается ответить на контрольные вопросы. Результаты ответов, полученные графики или таблицы с результатами измерений можно включить в отчет, сохранить и распечатать;

- лаборатории с использованием технологии виртуальной реальности – это полностью отличная от реального окружения искусственно созданная среда пребывания пользователя, которая может контактировать с ним посредством основных чувственных ощущений: зрения, слуха, обоняния и даже осязания. Данная технология позволяет создавать имитационные модели воздействия пользователя на окружающую обстановку, а также ответную реакцию на такое воздействие. Для доступа к виртуальной реальности используются специальные аудиовизуальные устройства (очки, шлемы) и дополнительные устройства для тактильного (сенсорного) восприятия VR (перчатки, кресла, платформы). Ядром интерфейса VR является цифровая «комната», внутри которой размещены значки – иконки образовательных мероприятий, мест и т.п. ВЛ с применением технологий VR используют все вышеперечисленные преимущества и позволяют проводить даже те эксперименты и лабораторные работы, которые в реальности связаны с определенными рисками и могут быть небезопасными.

Для проведения интерактивных лабораторных работ по физике можно использовать следующие ресурсы:

серия дисков, выпущенная издательством «Дрофа»: Лабораторные работы по физике для 7-11 классов.

http://www.virtulab.net/ – сайт с виртуальными опытами по физике

http://somit.ru/ – виртуальная лаборатория интерактивной анимации для уроков физики и информатики

http://school-collection.edu.ru/ – Единая коллекция ЦОР и т.д.

Пример возможных заданий для самостоятельного выполнения виртуальной лабораторной работы учащимся  класса.

В таком виде задание оказывается доступным для всех учащихся -х классов. Следует отметить, что предлагать подобные самостоятельные задания следует в сочетании с проведением в классе традиционных лабораторных работ по этим темам. Тем не менее, выполнение виртуальных лабораторных работ вызывает очень большой интерес.

Любая замена реальных физических объектов их экранными изображениями, выполнение работ с компьютерными моделями, безусловно, развивает у обучающихся умения наблюдать, измерять физические величины, проводить опыты и исследовать зависимости разных физических величин, исследовать устройства физических приоров. Однако при этом формируются совершенно иные умения. Они не лучше и не хуже умений, формирующихся при работе с реальными объектами, они – другие! Подобная замена не может быть равнозначной, поэтому следует признать, что внедрение в процесс изучения компьютерных аналогов вместо живой реальности неизбежно влечет искажение содержания предметов, в которых значимой частью является учебная работа с реальными объектами. Все это следует пояснять обучающимся при работе с компьютерными моделями, и включать их в учебный процесс только в тех случаях, когда их применение целесообразно: в качестве домашнего задания после выполнения реальной работы для закрепления материала, или при дистанционном обучении(в период пандемии, в виде исключения, для учеников, находящихся на домашнем обучении).

Грамотное сочетание использования реальных и виртуальных лабораторных работ позволяет получить более глубокого понимание законов физики и проникнуть в суть физических явлений.

ЛИТЕРАТУРА

1.     Черемисина Е.Н., Антипов О.Е., Белов М.А. Роль виртуальной компьютерной лаборатории на основе технологии облачных вычислений в современном компьютерном образовании // Дистанционное и виртуальное обучение. – 2012. – №1. – С. 50-64.

2.   Кудинов Д.Н. Перспективы разработки виртуальных работ на базе комплекса программ T-FLEX // Современные проблемы науки и образования. – 2009. – № 6. – С. 71-74.

3.   Трухин А.В. Виды виртуальных компьютерных лабораторий // Открытое и дистанционное образование. – 2003. – №3(11). – С. 12-21.

4.   Проект «Виртуальная лаборатория по фундаментальным и прикладным проблемам теории упругости» // Международный научно-технический центр.

5.   http://www.gomulina.orc.ru/index1.html каталог ресурсов по физике

6.   http://www.openclass.ru/weblinks/25497 каталог ресурсов по физике

7.   http://school-collection.edu.ru интерактивные лабораторные работы по физике

8.   http://www.soft-info.ru/downloads/1233668257