Виртуальный эксперимент и его использование в обучении химии

Учебный химический эксперимент занимает ведущее место в обучении химии. Химический эксперимент является специфическим методом обучения химии, поскольку отличает процесс обучения химии от обучения другим учебным предметам естественнонаучного цикла. Ряд методистов-химиков рассматривают эксперимент как специфический метод и средство обучения химии. Именно поэтому применение химического эксперимента в обучении является одной из наиболее разработанных проблем в методике обучения химии.

Однако широкое использование информационно-коммуникационных технологий в химическом образовании обусловило появление нового вида учебного химического эксперимента – виртуального эксперимента. В связи с этим возникло множество вопросов: что следует понимать под виртуальным химическим экспериментом, какие типы его существуют, где и как необходимо использовать виртуальный химический эксперимент.

Под виртуальным химическим экспериментом мы понимаем вид учебного химического эксперимента, в котором средством демонстрации или моделирования химических процессов и явлений является компьютерная техника. Оригинальное определение виртуального эксперимента предложено И.С. Ивановой. Она полагает, что виртуальный эксперимент – это компьютерная симуляция лабораторных работ, которая предполагает, что объект исследования и экспериментальная установка находятся в мнимом виртуальном пространстве.

В современной методике обучения химии проблема типологии виртуального химического эксперимента и его использования на уроке является практически неизученной. Мы выделяем два основных типа виртуального химического эксперимента – виртуальные демонстрации и виртуальные лаборатории. Рассмотрим их сущность более подробно.

Виртуальная демонстрация – компьютерная программа, воспроизводящая на компьютере динамические изображения, создающие визуальные эффекты, имитирующие признаки и условия протекания химических процессов. Такая программа не допускает вмешательства пользователя в алгоритм, реализующий ее работу.

Виртуальная лаборатория – компьютерная программа, позволяющая моделировать на компьютере химический процесс, изменять условия и параметры его проведения. Такая программа создает особые возможности для реализации интерактивного обучения. (Рис. 1)

Виртуальные лаборатории могут моделировать условия возникновения и признаки протекания химических реакций на качественном уровне. Примером виртуальных лабораторий такого типа является  анимация химических процессов (ИНИС-СОФТ, РБ), ChemLab, Yenka и др.

Кроме того можно выделить виртуальные лаборатории, иллюстрирующие закономерности протекания химических реакций на количественном уровне. Количественные изменения в этом случае интерпретируются в виде графиков и числовых таблиц. К виртуальным лабораториям такого типа следует отнести HyperChem, ChemStations, ChemCAD и др.

Виртуальные лаборатории смешанного типа позволяют моделировать признаки, условия и закономерности протекания химических процессов (например, Crocodile Chemistry). 

Предложенная классификация виртуального химического  эксперимента создает основу для разработки методики его использования в практике предметного обучения химии в средней школе. При этом необходимо выявить основные методические требования к демонстрированию виртуальных опытов на уроках химии. Очевидно, что к виртуальному химическому эксперименту следует предъявлять и ранее разработанные в методике обучения химии требования к демонстрационному химическому эксперименту. К ним, в первую очередь, относятся наглядность, простота, надежность и необходимость теоретического объяснения результатов эксперимента.

Виртуальные лаборатории позволяют моделировать химический эксперимент, который по каким либо причинам невозможно реализовать в школьной химической лаборатории (дороговизны реактивов, опасности, временных ограничений). Компьютерные модели позволяют получать в динамике наглядные запоминающиеся иллюстрации сложных или опасных химических опытов, воспроизвести их тонкие детали, которые могут ускользать при проведении реального эксперимента. Компьютерное моделирование позволяет изменять временной масштаб, варьировать в широких пределах параметры и условия проведения опыта, а также моделировать ситуации, недоступные в реальном эксперименте.

Выполняя лабораторные опыты и практические работы с использованием виртуальных лабораторий, учащиеся самостоятельно исследуют химические явления и закономерности, на практике убеждаясь в их достоверности. Естественно, что эта практическая деятельность учеников не может осуществляться без руководящего слова учителя. 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 наши 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, разработка проблемы использования различных типов виртуального химического эксперимента открывает новые перспективы для дальнейших исследований. Кроме того она обосновывает необходимость подготовки будущих учителей химии к использованию виртуального химического эксперимента в школьной практике. Именно поэтому проблема использования виртуального эксперимента в обучении химии занимает одно из важнейших мест в разработанном и апробируемом нами методическом спецкурсе для студентов «Электронные средства обучения химии: разработка и методика использования».  Этот спецкурс является основным системообразующим компонентом, в созданной нами системе методической подготовки будущих учителей химии к использованию  информационно-коммуникационных технологий в предметном обучении химии.