Развитие информационных технологий привело к появлению понятия "виртуальный лабораторный практикум" (ВЛП), в основе которого лежит имитационное компьютерное моделирование. Основные способы использования ВЛП в учебном процессе:
в качестве компьютерного "тренажера" для подготовки к выполнению практикума в реальной лаборатории (при этом программы компьютерного и физического экспериментов, как правило, одинаковы);
как дополнение к реальному практикуму, предусматривающее такие компьютерные эксперименты, которые по различным причинам (техническим, финансовым, организационным и т.п.) не могут быть реализованы на физическом оборудовании.
Использование ВЛП в качестве компьютерного "тренажера" позволяет обучающемуся лучше подготовиться к проведению физического эксперимента, глубже уяснить исследуемые эффекты, приобрести навыки работы с измерительными приборами (в случае, если виртуальный практикум включает компьютерные модели измерительных приборов, близкие по своим свойствам к свойствам реальных приборов). Обычно такой подход можно рекомендовать для студентов заочно-дистанционной формы обучения, поскольку он не только способствует лучшему усвоению изучаемого материала, но и позволяет сократить продолжительность выполнения практикума в реальной лаборатории в период пребывания в стенах учебного заведения.
Если ВЛП используется как дополнение к реальному практикуму, то он должен быть ориентирован на проведение исследований повышенного уровня сложности или исследований, требующих дорогостоящего оборудования, которым не располагает университет.
По технологиям создания ВЛП можно выделить следующие основные варианты.
1. ВЛП на основе универсальных пакетов программ, обеспечивающих возможность применения в широком спектре предметных областей. Примером может служить система LabVIEW фирмы National Instruments. Универсальные пакеты содержат обширные библиотеки элементов, предназначенных для разработки виртуальных интерфейсов физических приборов и лабораторных установок.
2. ВЛП на основе специализированных предметно-ориентированных пакетов программ, предназначенных для сравнительно ограниченного набора предметных областей. В качестве примера отметим систему Multisim фирмы Electronics Workbench, созданную для моделирования электронных схем, систему ChemOffice фирмы CambridgeSoft, предназначенную для моделирования и анализа химических процессов и т.п. Так же как и в предыдущем случае, программное обеспечение данного класса представляет собой универсальную среду, предназначенную для решения прикладных задач пользователя.
3. ВЛП на основе Java-апплетов. В отличие от предыдущих случаев, где пользователь (преподаватель) обычно работает в режиме графического программирования, процесс создания Java-апплетов является гораздо более трудоемким и требует программирования в кодах. Тем не менее, данная технология имеет и определенные достоинства, особенно когда речь заходит о ВЛП, предназначенном для сетевого применения. Так, например, приложения, создаваемые в системе LabVIEW, занимают примерно 2,5-3 Мбайт памяти, а типичный размер виртуальной лабораторной работы на основе Java-апплета - десятки-сотни килобайт.
Развитие сетевых компьютерных технологий привело к появлению лабораторного практикума, реализуемого в режиме удаленного доступа к реальному оборудованию. Учитывая, что реализация удаленного доступа к реальному оборудованию связана с решением ряда проблем (необходимостью сопряжения лабораторного макета с ПК, обеспечением надежной защиты оборудования от возникновения аварийных режимов, низкой эффективностью использования оборудования из-за невозможности в ряде случаев реализовать коллективный доступ и т.д.), данная технология имеет достаточно много оппонентов. Тем не менее, она тоже имеет свое право на существование, а в ряде случаев имеет очевидные преимущества перед ВЛП.
Важным является вопрос, не является ли ВЛП альтернативой реальному лабораторному практикуму. С одной стороны, современные компьютерные технологии имитационного моделирования позволяют создавать виртуальные интерфейсы реального лабораторного оборудования, воспроизводящие и внешний вид, и его параметры с очень высокой точностью. С другой стороны, поддержание в рабочем состоянии и своевременное обновление лабораторного оборудования, включая и измерительные приборы, требует немалых финансовых средств.
Тем не менее, любой, даже сколь угодно высококлассный ВЛП, в большинстве случаев не заменит по своему обучающему воздействию, оказываемому на студента, работу с реальным оборудованием.
Это осознают и сами студенты, что подтверждается результатами анкетирования, проводившегося на кафедре АТС КазАТК в рамках педагогического эксперимента по апробации ВЛП по дисциплине "Схемотехника аналоговых электронных устройств". В целом, дав положительную оценку новому ВЛП (84% опрошенных), 54% студентов, участвовавших в опросе, ответили, что считают работу с реальным лабораторным оборудованием более полезной по сравнению с виртуальными лабораторными работами.
На мой взгляд, основная проблема заключается в различии способов подачи информации, преобладающих в системе естественнонаучного и гуманитарного образования.
В соответствии с одной из существующих концепций, информация воспринимается человеком, проходя следующие этапы: сенсорно-моторный, символьный, логический и лингвистический.
На первом этапе происходит чувственное восприятие информации, на втором осуществляется ее преобразование в образы, на третьем - ее осмысление, на четвертом - информация фиксируется в сознании через "слово-образ".
В преподавании же естественнонаучных дисциплин всегда присутствовал сенсорно-моторный этап. В этом большую роль играют лабораторные практикумы и учебные эксперименты.
Учебный эксперимент является одним из важнейших методов обучения, источником знаний и средством наглядности одновременно. Он может использоваться в качестве введения к той или иной теме курса (мотивация), как иллюстрация к объяснению нового материала (восприятие и осмысление), как повторение или обобщение пройденного (интериоризация) или как контроль приобретенных знаний, умений, навыков, т.е. на всех этапах процесса обучения.
Различают следующие виды учебного эксперимента:
Демонстрационный эксперимент. (Проводится в ходе объяснения для иллюстрации законов и явлений и их применения, демонстрации принципов действия технических установок, а также для знакомства учащихся с фундаментальными опытами. Готовится и выполняется только преподавателем).
Фронтальные лабораторные работы, опыты и наблюдения. (Выполняются на уроке всеми учащимися одновременно на однотипном оборудовании, под непосредственным руководством преподавателя).
Практикум. (Является формой самостоятельной работы учащихся, готовится учащимися заранее и выполняется по письменной инструкции).
Внеурочные опыты и наблюдения. (Разновидность домашнего задания. Используется для актуализации теоретических знаний или как мотивация к изучению нового материала).
Методически грамотно организованный эксперимент способствует как формированию практических умений, так и активизации теоретических знаний, полученных ранее. В процесс обучения вовлекаются различные каналы восприятия (слух, зрение, осязание, обоняние и т.д.). Это позволяет организовать полученную информацию, как систему ярких образов, и заложить ее в долговременную память.
С другой стороны, подготовка и проведение лабораторных работ являются довольно непростым делом и требуют от учителя знания некоторых методических особенностей, в значительной степени зависит от наличия тех или иных приборов и инструментов.
Частично эти и другие проблемы можно решить, используя при обучении компьютерный эксперимент. Под данным термином мы понимаем лабораторную работу, проводимую полностью на компьютере, без использования других технических средств обучения.
Некоторые эксперименты, проводимые в области компьютеризации учебного процесса, показывают, что применение компьютерного эксперимента позволяет существенно сократить время, которое тратится на рутинную работу (варьирование параметров эксперимента путем изменения схемы установки, расчета результатов измерения и т.д.), тем самым, высвобождая время для более серьезного уяснения целей и задач проводимого эксперимента.
Кроме того, появляется возможность продемонстрировать опыты, которые невозможно провести в условиях учебного кабинета.
Отметим характерные особенности компьютерного эксперимента.
Формой работы является диалог учащегося с компьютером. При этом в функции компьютера входит:
Реализация программными средствами модели изучаемого объекта, установки, процесса или ситуации
Имитация средств измерения и выполнение рутинной части обработки измерений.
Оценка действий учащегося.
Функции учащегося (несколько отличаются от его функций в традиционном эксперименте):
Анализ информации, которую программа выдает на экран дисплея.
Выбор условий эксперимента.
Проведение серий экспериментов для достижения цели, сформулированной в начале работы.
Корректировка последующих шагов с целью получения более высокой оценки и решения задачи более рациональным способом.
Разумеется, что возможна реализация эксперимента только в его компьютерном варианте. Однако при всей привлекательности и несомненной дидактической выгоде компьютерного эксперимента в обучении остаются нерешенными некоторые проблемы.
Во-первых, восприятие информации учащимся уже существенным образом отличается от того, как это происходит при выполнении традиционной лабораторной работы. В частности, сенсорно-моторный этап практически отсутствует. Без данного этапа восприятие не может быть полноценным. Следовательно, неполноценным может оказаться и преподавание соответствующей дисциплины.