1.3 Виртуальные лаборатории

Виртуальная лаборатория представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты при полном отсутствии реальной установки [11]. Доступ к виртуальной лаборатории осуществляется через компьютер, в том числе и по сети Интернет. В большинстве случаев, виртуальные лаборатории представляют собой сборники лабораторных работ, нацеленных на внедрение в образовательный процесс для проведения полноценных виртуальных лабораторных практикумов.

Виртуальный лабораторный практикум – вид проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых процессов с виртуальным взаимодействием учащегося с лабораторным оборудованием. Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием.

Основным преимуществом виртуальных лабораторий является 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 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. Также к преимуществам следует отнести возможность моделирования процессов, протекание которых принципиально невозможно в лабораторных условиях. Также современные компьютерные технологии позволят пронаблюдать процессы, трудноразличимые в реальных условиях без применения дополнительной техники, например, из-за малых размеров наблюдаемых частиц [12]. Имеется возможность проникновения в тонкости процессов и наблюдения происходящего в другом масштабе времени, что актуально для процессов, протекающих за доли секунды или, напротив, длящихся в течение нескольких лет. Немаловажным плюсом использования виртуальных лабораторий в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями или химическими веществами является безопасность. 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. Существенное значение имеет 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 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.

Составной частью виртуальной лаборатории является понятие виртуального инструмента – набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Существенная часть виртуального инструмента и виртуальной лаборатории – эффективный графический интерфейс пользователя, обеспечивающий удобный интерактивный режим взаимодействия с компьютером в виде наглядных графических образов предметной области. Работая с виртуальным инструментом через графический интерфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора. С помощью мыши можно имитировать воздействия на понятные органы управления – кнопки, переключатели, регуляторы и т.д., изображенные на экране монитора в виде передней панели имитируемого прибора.

Одна из целей создания виртуальных лабораторий – стремление к всесторонней визуализации изучаемых процессов, а одна из главных задач – обеспечение возможности подготовки обучаемого к наиболее полному восприятию и пониманию их сущности [13].

Задачами виртуальной компьютерной лаборатории являются·освоение сложного корпоративного и другого программного обеспечения, выполнение своего цикла задач создания виртуальных серверов развертывание и настройка программного обеспечения, а также его использования на проблемно-ориентированных практических примерах, позволяющих формировать профессиональные компетенции и развивать конструктивное, аналитическое и системное мышление студентов [14];·внедрение в практику учебного процесса университета открытых продуктов и информационных технологий [15];·выполнение практических заданий в рамках семинарских занятий;·предоставление возможности удаленного использования корпоративного программного обеспечения и другого программного обеспечения, используемого в учебном процессе, для самоподготовки;·проведение занятий по повышению квалификации; подготовка школьников, студентов и аспирантов к участию в выступлениях на конференциях и конкурсах различного уровня с публикацией результатов научно-исследовательских работ [16].

К сожалению, количество существующих на данный момент виртуальных лабораторий, применяющихся в учебном процессе, довольно мало. Это связано, в первую очередь, с дороговизной их разработки, что приводит к следующим последствиям: Виртуальные лаборатории, разработанные профессиональными программистами, дизайнерами и специалистами в моделируемой области, стоят очень дорого, что мешает их широкому распространению. С другой стороны, малые возможности распространения создают малые стимулы для их производства. Создание виртуальных лабораторий непрофессионалами может привести к удовлетворительным результатам лишь при моделировании узкого класса явлений. Их распространение связано с невысокой стоимостью и практическим отсутствием альтернатив. Рассмотрим наиболее распространенные виртуальные лаборатории.

VirtualLab – проект по разработке виртуальных лабораторных работ для учащихся по физике, химии, биологии, экологии. Виртуальные лабораторные работы реализованы при помощи технологии Flash. Отличаются узкой специализацией, в большинстве случаев линейностью опыта (вся последовательность действий и результаты опыта заданы заранее). Продукты VirtualLab имеют познавательную ценность и решают задачу проведения лабораторных работ при отсутствии необходимого оборудования [17].

STAR (Software Tools for Academics and Researchers) – программа Массачусетского технологического института (MIT) по разработке виртуальных лабораторий для исследований и обучения. Деятельность программы заключается в разработке обучающих и исследовательских приложений по общей биологии, биохимии, генетике, гидрологии, в области распределенных вычислений. Большинство приложений реализованы в java либо в html [18].

Algodoo – программа, предназначенная для физических 2D симуляций. Имеет очень богатый инструментарий для создания различных объектов, механизмов и систем с целью моделирования их физического взаимодействия и свойств. Например, можно создать модель работающих часов, модель планетохода или пневматической винтовки. Программа способна симулировать не только механические процессы, но и оптические, а возможность программирования при помощи скриптового языка Thyme позволяет создавать объекты с оригинальными физическими свойствами, различные функции, эффекты и явления. Также имеется возможность загружать рисунки: рисунок становится объектом симуляции и ему можно задать любые физические свойства. Программа бесплатна. Имеется хранилище algobox, где пользователи могут обмениваться своими моделями [19].

PhET – проект. разработанный Университетом Колорадо. Проект включает большое множество виртуальных лабораторий, демонстрирующих различные явлений в области физики, биологии, химии, математики, наук о Земле. Опыты имеют высокую познавательную ценность и при этом очень увлекательны [20].

Wolfram Demonstrations Project – наглядная демонстрация концепций современной науки и техники. Wolfram претендует на роль единой платформы, позволяющей создать объединенный каталог онлайновых интерактивных лабораторий. Это, по мнению его разработчиков, позволит пользователям избежать проблем, связанных с применением разнородных обучающих ресурсов и платформ разработки. Для просмотра демонстраций понадобится скачать и установить специальный Wolfram CDF Player. Здесь есть крупные физические, химические и математические разделы, а также посвященные технике, инженерному делу, социальным наукам [21].

Проект The ChemCollective посвящен изучению химии. Отличительной особенностью лаборатории является то, что отсутствуют какие-либо задания, пользователю предоставлена свобода действий. Прочие продукты проекта представляют собой лабораторные проекты, посвященные определенным темам и касаются таких разделов химии как стехиометрия, термохимия, теория кислот и оснований, аналитическая химия и др [22].

Виртуальные лаборатории teachmen.ru разработаны специалистами Челябинского государственного университета и полностью посвящен физике. Помимо собственно лабораторных работ, здесь можно также найти лекции с наглядными интерактивными элементами [23].

Late Nite Labs – это серия платных виртуальных лабораторий по химии, биологии и микробиологии. Стоимость доступа – около 50$ на студента в семестр. Виртуальная лаборатории оформлены в виде 3D мира [24].

ChemLab Программное обеспечение для моделирования лабораторных работ [25].

Виртуальные лаборатории от SunSpireArtgroup. Их разработки это программные средства мультимедийного обучения на основе современных технологий компьютерной графики и имитационно-численного моделирования. Они представляют учебные программные комплексы - виртуальные лаборатории, симуляторы и интерактивные модели по различным специальностям инженерно-технического профиля (рис. 1.3). Стоимость продуктов SunSpireArtgroup варьируется от 50 000 до 100 000 рублей [26].

Из разработок для школьной программы можно выделить электронное издание "Химия. 8-11 класс. Виртуальная лаборатория" Издание предназначено для использования в учебном процессе полного среднего общего образования во время занятий в компьютерных классах, для аудиторных занятий, а также для самостоятельной работы учащихся дома [27].

Так же концепция виртуальных лабораторных работ получила широкое распространение в высших учебных заведениях. Эти виртуальные лаборатории разработаны в соответствии с планами конкретного университета. Например, в Московском институте открытого образования (МИОО) такие работы применяются на кафедре физики [28].

В Ульяновском государственном техническом университете лабораторный практикум применяется в изучении дисциплины «Релейная защита и автоматика» [29].

Виртуальная лаборатория содержится в рамках электронного курса «Открытая Физика», предназначенного для учащихся и преподавателей 7-11 классов общеобразовательных учреждений – средних школ, лицеев, гимназий, колледжей. Он может быть использован для самостоятельного изучения физики, для подготовки при поступлении в вузы, а также как справочное пособие. Авторами курса являются профессора МФТИ [30].

Виртуальная химическая лаборатория от компании «Новый диск» позволяет выполнять химические эксперименты на компьютере так же, как в реальной химической лаборатории. В интерактивной программе школьник сможет выбирать, переливать или пересыпать реагенты, собирать экспериментальные установки, проводить в них химические опыты, делать «виртуальные» фотографии химических реакций, записывать результаты наблюдений в лабораторный журнал. Все это дает возможность подготовиться к выполнению реального эксперимента в школьной лаборатории и к сдаче ЕГЭ по химии. Виртуальная лаборатория помимо химических опытов включает «конструктор молекул», который позволяет самостоятельно моделировать молекулы органических и неорганических веществ. Разделы «Задачи» и «Тесты» помогают выработать навыки решения расчетных задач по химии. Дополнительно дана иллюстративная информация, необходимая для проведения лабораторных работ, решения задач и усвоения учебного материала в пределах, предусмотренных стандартом химического образования [31].

В нашем университете виртуальные лабораторные работы также применяются на ряде кафедр (например, ОХТ [32], физики). Во время выполнения работ от студентов требуется аналитический расчет и ввод полученных данных в специализированные текстовые формы, либо своевременное нажатие требуемых клавиш, использование которых описано в инструкциях к лабораторным работам. Доступ к виртуальным лабораторным работам кафедры ОХТ [33] через интернет ограничен, а к виртуальным лабораторным работам кафедры физики возможен только с компьютеров лабораторий кафедры физики.

На кафедре компьютерно-интегрированных систем в химической технологии ведется разработка автоматизированных лабораторных комплексов, а также создание лабораторных практикумов: «Программный комплекс LabVIEW для моделирования процессов химической технологии», «Программный комплекс LabWare LIMS V6 для разработки лабораторных информационных систем» и т.д. [34-37]

Также, виртуальные лабораторные работы, разрабатываемые на кафедре ИКТ, постепенно внедряются в учебный процесс кафедры ОНХ. Из-за большого объема работ, их разработка занимает длительное время и распределяется на несколько поколений дипломников.

Все работы на кафедре создаются посредством мультимедийной платформы Adobe Flash разных версий. Выбор именно этой платформы не случаен: в первую очередь, курс Flash-технологий преподается в университете и включается в летнюю практику на втором курсе. Вторым немаловажным фактором является простота платформы в использовании: научившись создавать простые символы из имеющихся инструментов и создав несложные анимации, можно быстро создать готовую библиотеку элементов и использовать их в разработке.