Электронные образовательные ресурсы нового поколения по химии

М.Н. Морозов,

руководитель лаборатории систем мультимедиа, Марийский государственный технический университет, пл. Ленина, 3,  г. Йошкар-Ола, 424000, +78362686885
mikhail.n.morozov@gmail.com

В. Э. Цвирко,

учитель химии, средняя школа № 30, ул. Подольских курсантов, 8б,  г. Йошкар-Ола, 424000,
+78362418891

Shmel30@yandex.ru

аннотация

В данной статье представлены электронные образовательные ресурсы нового поколения по химии, разработанные в Лаборатории систем мультимедиа МарГТУ. Электронные образовательные модули включают виртуальные химические эксперименты, выполненные на основе 3D анимаций, мультимедиа практикумы и тесты. Учебная деятельность на основе интерактивного контента обеспечивает учащимся лучшее понимание химических процессов и  получения практических навыков.

This paper presents new generation of e-learning content for Chemistry school education developed at Multimedia System Laboratory MarSTU. Educational modules include a lot of virtual chemistry experiments, which are accomplished through the use of the real-time 3D graphics, rich multimedia practice and assessment content. Interactive learning activities are able to enhance student’s understanding of chemical processes and practical skills.

Ключевые слова

химия, электронное обучение, школьное образование, виртуальная лаборатория;

сhemistry, e-learning, school education, multimedia, virtual laboratory.

 

1. Введение

Концепция модернизации российского образования предусматривает переход на развитие вариативной системы образования, особенно на старшей ступени обучения в школе, которая позволила бы не только увязать разнообразные знания в единую систему, но и сформировать у детей компетенции, необходимые для жизни в современном мире. Кроме этого, в последние годы значительную актуальность приобрела проблема развития познавательной мотивации учащихся к изучению учебных предметов, созданию условий для более осознанного профессионального самоопределения школьников. Во многом, указанные задачи можно решить за счет правильного использования в учебном процессе современных информационных технологий. Залог успешного применения электронных ресурсов в образовательном процессе современной школы заложен в хорошо известных принципах педагогики сотрудничества, которые можно перефразировать следующим образом: «Не к компьютеру за готовыми знаниями, а вместе с компьютером за новыми знаниями». Для того, чтобы у ребенка возник интерес к сотрудничеству с компьютером, и в процессе этого совместного творчества развивалась устойчивая познавательная мотивация к решению образовательных, исследовательских задач, необходимо создание таких условий, при которых ребенок становится непосредственным участником событий, развивающихся на экране монитора, то есть условий для полноценного деятельностного подхода к изучаемому явлению. Это возможно лишь в том случае, если электронный ресурс соответствует критериям высокого уровня интерактивности, предполагающего полноценное взаимодействие учащегося с образовательной средой, моделирующей объекты и процессы реального мира.

Электронные образовательные ресурсы (ЭОР) нового поколения, построенные на модульной архитектуре, содержат высокоинтерактивный, мультимедиа-насыщенный контент и позволяют реализовать активно-деятельностные формы обучения, обеспечивающие самостоятельную учебную деятельность школьника как субъекта познания.

2. Состав ЭОР «Химия»

Разработанный в Лаборатории систем мультимедиа электронный образовательный ресурс нового поколения по предмету «Химия» полностью охватывает весь школьной курс и состоит из 1000 учебных модулей трех основных типов: информационных (И), практических (П) и контрольных (К).

ЭУМ И-типа (информационные) содержат теоретический материал по школьному курсу химии и нацеливают учащихся на активную познавательную деятельность через использование интерактивных учебных материалов. В основу построения ЭУМ И-типа положена идея единства химических знаний. Вещественное устройство мира, суть происходящих изменений веществ, возможность управления этими изменениями с целью использования в практической жизни общества показаны с помощью трех уровней представления химической информации:

-         макроуровень – показ, описание и моделирование химические явлений в природе и химической лаборатории;

-         микроуровень – моделирование поведения атомов и молекул в химических явлениях;

-         символьный уровень – описание и моделирование химических явлений при помощи химических формул и уравнений реакций.

 

Рис. 1. Интерфейс ЭУМ «Физические и химические свойства ди- и полисахаридов. Их применение» (макроуровень). Содержит графику и видеофрагмент.

Рис. 2. Интерфейс ЭУМ «Алканы. Строение, свойства, получение и применение» (микроуровень). Содержит 3D-модель молекулы и интерактивную анимацию.

Рис. 3. Интерфейс ЭУМ «Строение, номенклатура и свойства альдегидов. Их получение и применение» (символьный уровень). Содержит анимацию механизма реакции.

Модули П-типа (практические) позволяют значительно расширить самостоятельную творческую работу учеников, развить их предметные компетенции, подготовиться к реальному химическому эксперименту, промежуточным и контрольным работам по предмету.

ЭУМ П-типа представлены:

-         виртуальными лабораторными работами;

-         конструкторами молекул;

-         конструкторами изомеров;

-         конструкторами механизмов химических реакций;

-         многочисленными тренажерами по всем основным темам школьного курса химии.

 

Виртуальные лабораторные работы проводятся в виртуальной лаборатории, которая включает необходимое химическое оборудование (пробирки, колбы, штативы и др.) и химические реактивы. Состав химического оборудования и химических реактивов, предоставленных учащимся, определяется в соответствии с проводимой работой. Для визуализации химического оборудования и химических процессов использованы средства 3D графики и анимации.

Использование виртуальных экспериментов для химического образования имеет ряд преимуществ:

-         Виртуальные опыты могут применяться для ознакомления учащихся перед непосредственной работой в лаборатории с техникой выполнения экспериментов, химической посудой и оборудованием. Это позволяет учащимся лучше подготовиться к проведению этих или подобных опытов в реальной химической лаборатории.

-         Виртуальные химические эксперименты безопасны даже для неподготовленных пользователей.

-         Учащиеся могут также проводить такие опыты, выполнение которых в реальной школьной лаборатории может быть опасно и дорого.

-         Проведение виртуальных экспериментов могло бы помочь учащимся освоить навыки записи наблюдений, составления отчетов и интерпретации данных в лабораторном журнале.

-         Компьютерные модели химической лаборатории побуждают учащихся экспериментировать и получать удовлетворение от собственных открытий.

 

Выполняя лабораторную работу, учащийся манипулирует на экране трехмерными объектами и выбирает правильный объект из набора предложенных. Кроме этого, в случае необходимости, предусмотрена возможность проведения необходимых измерений виртуальными измерительными приборами и изменение параметров проводимых работ.

На всех этапах выполнения лабораторной работы программой осуществляется контроль за действиями учащихся, и даются соответствующие комментарии и рекомендации в виде текста или реплик. При проведении эксперимента учащийся получает пошаговые инструкции по выполнению опыта. Предусмотрено выполнение опытов с различными параметрами. При неправильных действиях указываются ошибки и способы их исправления.

Для более детального наблюдения за протеканием химических реакций служит окно увеличения, в котором крупным планом показывается выпадение осадка, выделение газа, изменение цвета реактивов и другие признаки химических реакций. Окно увеличения показывается автоматически в ходе выполнения реакции, требующей детального наблюдения.

В ходе каждой лабораторной работы учащийся производит наблюдения (в виде «виртуальных фотографий»), обрабатывает и обобщает полученные результаты в «Лабораторном журнале».

«Лабораторный журнал» предназначен для составления отчета о выполнении лабораторных работ. Для каждого лабораторного опыта ученик описывает свои наблюдения при помощи ввода текстового комментария, составления химических формул, а также при помощи «виртуальных фотографий», полученных в ходе выполнения опыта.

При заполнении «Лабораторного журнала» используется специальная программа «Редактор химических уравнений». Окно «Редактор химических уравнений» вызывается автоматически во время проведения опыта при завершении каждой реакции.

Рис. 4. Интерфейс ЭУМ «Виртуальная лабораторная работа «Зависимость скорости химической реакции от природы реагентов».

Конструкторы молекул предназначены для построения трехмерных моделей органических и неорганических молекул. Использование трехмерных моделей молекул и атомов для иллюстрации химических феноменов обеспечивает понимание всех трех уровней представления химических знаний: микро, макро и символьного. Понимание поведения веществ в химических реакциях, становится более доступным, когда есть возможность увидеть процессы на молекулярном уровне.

Собранные молекулы представляются в виде штриховой, шаростержневой или масштабной трехмерных моделей. Предусмотрена возможность визуализации атомных орбиталей и электронных эффектов.

 

Рис. 5. Интерфейс ЭУМ “Виртуальная лабораторная работа “Конструирование молекул одноосновных карбоновых кислот”.

На рис. 5 представлен интерфейс ЭУМ “Виртуальная лабораторная работа “Конструирование молекул одноосновных карбоновых кислот” по конструированию молекул органических и неорганических соединений. Конструирование молекулы происходит на рабочем поле. Список атомов представляет химические элементы, необходимые для построения молекул. Рядом находится список химических связей, необходимых для построения молекул. Необходимые инструменты для редактирования молекул находятся на панели инструментов. Управление визуализацией молекулы в пространстве также осуществляется при помощи панели управления. Операции управления позволяют осуществлять вращение молекул вокруг осей, изменять масштаб модели и т.д. Все необходимые указания к работе отображаются в окне комментариев.

Для составления отчета о выполнении лабораторной работы предназначен лабораторный журнал. Для каждого шага выполнения лабораторной работы ученик описывает свои наблюдения при помощи ввода текстового комментария, а также при помощи “виртуальных фотографий”, полученных в ходе выполнения работы.

 

Конструкторы изомеров обеспечивают лучшее понимание строения вещества на двух уровнях представления химических знаний: символьном и атомно-молекулярном. Используя конструктор изомеров, учащиеся легко соотносят обычные химические формулы с их шаростержневыми и масштабными прототипами, визуализирующими их пространственное строение.

 

Рис. 6. Интерфейс ЭУМ “Конструирование изомеров аминов”.

На данном рисунке показан интерфейс ЭУМ “Конструирование изомеров аминов”. Конструирование молекулы происходит на рабочем поле. Список элементов представляет химические элементы и их группы, необходимые для построения изомеров. Панель управления содержит элементы управления просмотром трехмерных молекул изомеров и автоматического заполнения свободных связей атомами водорода. Окно просмотра трехмерного вида содержит кнопки, для выбора вида представления молекулы: стержневого, шаростержневого, масштабного или в виде электронных облаков. Список готовых изомеров содержит формулы и фотографии собранных учеником молекул и позволяет переместить их на рабочее поле для дальнейшего редактирования. Все необходимые указания к работе отображаются в окне комментариев.

 

Модули по конструированию механизмов химических реакций предназначены для создания учебных презентаций к одному из самых сложных разделов школьного курса химии. Высокий уровень интерактивности и богатые возможности по конструированию анимаций неизменно вызывают стойкий интерес учеников и, дополняя пошаговые анимации из информационных модулей, значительно облегчают изучение этого раздела химии.

 

Рис. 7. Интерфейс ЭУМ “Виртуальная лабораторная работа “Конструирование механизмов химических реакций по теме “Кислородосодержащие органические соединения”.

На данном рисунке показан интерфейс ЭУМ “Виртуальная лабораторная работа “Конструирование механизмов химических реакций по теме “Кислородосодержащие органические соединения”. Механизмы химических реакций конструируются на Рабочем поле. В области Заголовка отображается название создаваемого механизма реакции. Пошаговая анимация создается из объектов (химических формул веществ, атомов, связей и изображений специальных символов и условных обозначений), расположенных в списке Библиотека объектов. Способ анимирования объекта задается с помощью элементов управления в области Настроек анимации объекта. Управление ключевыми кадрами производится с помощью элементов из области Настройки ключевого кадра. В области Панели ключевых кадров отображается уменьшенное изображение анимации в ключевых кадрах. Кнопки управления воспроизведением обеспечивают возможность воспроизвести созданную анимацию, приостановить ее воспроизведение, перейти к ее началу и концу. Кнопки Сервисных функций позволяют ученику сохранить на диск созданную анимацию или загрузить анимацию с диска.

 

Модули по решению расчетных химических задач предназначены для выработки у учащегося навыков в решении расчетных задач по химии. Эти ЭУМ представляют особую ценность при самостоятельной подготовке учащихся к занятиям и экзаменам (в том числе и ЕГЭ). В процессе решения задачи осуществляется вывод общей формулы и подстановка в нее численных значений. При этом осуществляются такие операции как выбор, перенос, добавление, замена и т. д.

Рис. 8. Интерфейс ЭУМ “Решение задач по теме “Закон сохранения массы веществ. Закон сохранения и превращения энергии при химических реакциях”.

На данном рисунке показан интерфейс ЭУМ “Решение задач по теме “Закон сохранения массы веществ. Закон сохранения и превращения энергии при химических реакциях”. В области Условие задачи представлен текст задачи. Решение задачи происходит на Рабочем поле. В список Исходные данные помещены данные, взятые из условия задачи. Область Химические формулы представляет собой список химических формул, необходимых для решения задачи. Данные, полученные в процессе решения, ученик может поместить в список Промежуточные данные. В область Выбора ответа учащийся выбирает правильный ответ из предложенных вариантов. С помощью кнопки Список задач ученик может вернуться к списку задач.

 

В ЭУМ К-типа (контрольных) представлены средства для оценки полученных учащимися знаний через набор контрольных заданий. Предусмотрена возможность использования семи различных мультимедиа форм для записи контрольных заданий:

-         построение соответствия;

-         размещение терминов и понятий;

-         выбор одного варианта из нескольких;

-         выбор одного или более вариантов из нескольких;

-         составление химической формулы.

 

В тестовом вопросе типа “Размещение терминов и понятий" пользователь должен разнести предложенные элементы на заданные позиции. Для этого необходимо щелчком клавиши мыши выбрать обозначение и "перенести" его на одну из позиций, обозначенных горизонтальной чертой, после чего отпустить клавишу мыши.

Рис. 9. Интерфейс ЭУМ “Тесты по теме “Оборудование химической лаборатории”. Тип тестового вопроса "Размещение терминов и понятий".

По результатам выполнения контрольных заданий осуществляется подсчет полученных баллов и составляется перечень допущенных ошибок.

3. Методические подходы в использовании ЭОР

Потенциал, заложенный в ЭОР, основанных на модульной архитектуре, обеспечивает расширение выбора форм организации учебной деятельности обучаемых:

-         фронтальная работа класса с набором ЭУМ;

-         самостоятельная работа учащихся по индивидуальным учебным траекториям в классе и дома при подготовке к занятиям;

-         работа в парах сменного состава и групповая работа;

-         выполнение виртуальных практических работ;

-         контроль знаний учащихся;

-         дополнительные занятия с отстающими учащимися и т.д.

 

Кроме этого, у учителя теперь появляется возможность:

-         комбинирования различных форм организации учебной деятельности обучаемых для настраивания учебного процесса под решение заданных педагогических задач;

-         учета потребностей контингента обучаемых;

-         учета технической оснащенности учебного процесса средствами ИКТ.

 

Модульная организация ЭОР, включающая использование вариативных ЭУМ с различной глубиной изложения учебного материала, обеспечивает гибкость в формировании учебной программы. Таким образом, появляется возможность использовать ЭУМ в обычных и профильных классах, а также в дополнительном образовании – химических кружках, факультативных курсах по химии для подготовки к поступлению в профильные вузы. В свою очередь, наличие ЭУМ различных типов: И, П, К дают возможность учителю чередовать на уроке различные элементы учебного процесса – изложения материала, практику, проведение опросов и тестов. Мультимедиа и интерактив позволяют реализовать активно-деятельностные формы обучения, повысить качество освоения учебного материала, сократить время, необходимое для его изучения. ЭУМ контролирующего типа расширяют средства управление самостоятельной работой обучаемых за счет формирования отчетов о выполнении тестовых заданий. При этом регулярное применение тестирования дает учителю исчерпывающую информацию об учебной работе каждого ученика, об уровне освоения материала, о наличии пробелов в усвоении учебной программы. Наличие подробной информации по результатам тестирования обеспечивает точный текущий контроль знаний учащихся, что позволяет управлять индивидуальными траекториями усвоения материала обучаемыми.

 

Учебные траектории для ЭОР «Химия»

Для наиболее эффективного использования модульной организации данного ЭОР целесообразно использование различных учебных траекторий для тех или иных типов и форм организации учебного процесса. Для ЭОР «Химия» возможна реализация учебных траекторий трех типов.

 

Траектория типа 1 (базовая)

Предназначена для изучения химии на базовом уровне. Включает в себя ЭУМы всех трех типов: информационные (И), практические (П) и контрольные (К). Позволяет полностью использовать возможности ЭОР для организации самостоятельной, групповой и коллективной деятельности учащихся при изучении нового материала, его закрепления и тематического контроля знаний.

Используется традиционное планирование изучения учебного материала: курс делится на темы, состоящие из нескольких уроков. В рамках данной траектории каждый урок, как правило, содержит информационный модуль (теоретическая часть учебного материала), практический модуль (виртуальные лабораторные работы, конструктор молекул, конструктор изомеров, тренажер химических понятий) и модуль промежуточного контроля знаний (тесты по изучаемому учебному материалу).

На уроке обобщения и систематизации знаний учащиеся, используя учебные материалы информационных модулей, повторяют изученный материал, отчитываются о проделанных творческих заданиях (составленных опорных конспектах и презентациях по теме). Учатся решать задачи, используя тренажер.

Завершается изучение темы уроком итогового контроля знаний, на котором используются ЭУМы К–типа (итоговые тесты по теме и задачи).

 

Траектория типа 2 (вариативная)

Предназначена для углубленного изучения химии. По построению аналогична траектории типа 1, однако включает в себя не только информационные, практические и контрольные модули базового уровня, но и аналогичные модули углубленного уровня.

После изучения каждой темы следует урок обобщения и систематизации знаний, на котором учащиеся, используя учебные материалы информационных модулей, конструктор механизмов химических реакций, конструкторы молекул и изомеров повторяют изученный материал, отчитываются о проделанных творческих заданиях (составленных опорных конспектах и презентациях по теме). Учатся решать задачи, используя тренажер.

 

Траектория типа 3 (практическая)

Предусматривает системное использование только практических (П) и контрольных (К) модулей, предполагая, что рассмотрение теоретического материала осуществляется не средствами ЭОР. В основном такая траектория может быть использована в том случае, если в школе имеется возможность проводить в компьютерном классе лишь практические занятия и контрольные занятия. Изучение теоретического материала в этом случае проводится в обычном классе, не оборудованном вычислительной техникой.

 

Учебное взаимодействие учащихся с ЭОР

В наибольшей степени преимущества ЭОР раскрываются через расширение форм самостоятельной работы учащихся. Теперь домашние задания учащихся кроме работы с учебником и рабочими тетрадями могут содержать виртуальные лабораторные работы, 3D моделирование молекул, создание анимаций механизмов химических реакций, работу с тренажерами по сложным вопросам изучаемой темы, аттестацию любого уровня. То есть традиционно аудиторные виды занятий учитель может переносить в сектор самостоятельной работы, высвобождая время урока для общения с учащимися.

Интересные результаты показал эксперимент по использованию виртуальных лабораторных работ для подготовки к реальному химическому эксперименту, проведенный в 8-х классах двух московских и одной подмосковной школ [1]. Исследователи отмечают «эффект новизны» который возникал у восьмиклассников при работе с виртуальной лабораторией, повышение их интереса к предмету, желание после проделанного виртуального эксперимента попробовать свои силы при проведении реальных химических опытов. На уроках учащиеся с азартом включались в работу, обменивались с одноклассниками и учителем своими впечатлениями. Использование виртуальных экспериментов в домашней подготовке учащихся позволило сократить время проведения реального химического эксперимента на уроке, уменьшить расход реактивов, больше времени обращать на соблюдение правил техники безопасности при проведении лабораторных работ по химии. Наблюдалось стабильное усиление мотивации учащихся к предмету. Многие из участников эксперимента до сих пор с успехом продолжают работу с этим ресурсом. В среднем доля ребят, получивших оценку «5» за реальный химический эксперимент, оказалась на 25% выше чем в контрольных группах. Представители экспериментальных групп сделали меньше ошибок в уравнениях химических реакций, увереннее и быстрее выбирали необходимые реактивы, собирали приборы, задавали меньше вопросов во время выполнения работы.

В 2007-2008 гг. ЭОР «Химия» использовался для подготовки учащихся 11 класса медицинского профиля МОУ «Средняя общеобразовательная школа №30 г. Йошкар-Олы» для подготовки к сдаче ЕГЭ по химии. Широко применялись все типы представленных в ЭОР модулей.

Информационные модули, виртуальные лабораторные работы, тренажеры и тесты использовались в первую очередь для домашней подготовки учащихся к урокам. Это позволило на уроках сконцентрироваться на обсуждении наиболее сложных вопросов школьного курса химии и успешно подготовить учащихся к экзаменам. Об этом свидетельствуют результаты ЕГЭ учеников по химии: «5» - 63,1%; «4» - 31,6%; «3» - 5,3%.

Можно сделать вывод, что электронный образовательный ресурс нового поколения «Химия» позволяет расширить набор педагогических приемов и методов учителя, повысить эффективность его педагогического труда за счет увеличения доли самостоятельной работы учащихся по предмету и может быть легко адаптирован к любым педагогическим методам и технологиям. Модульная архитектура ЭОР, его информационная насыщенность и широкие мультимедийные возможности позволяют учителю построить учебный процесс так, чтобы уже  приобретенные учениками знания являлись ключом к получению новых знаний, причем не набора знаний, а их системы.

ЭОР содержит большое количество высокоинтерактивных модулей практической направленности: виртуальные химические лаборатории для моделирования химического эксперимента, виртуальные конструкторы, позволяющие собирать схемы различных установок и приборов, конструкторы молекул для исследования строения молекул и прогнозирования их свойств, интерактивные задачники, позволяющие решать задачи многими способами. Их применение способствует формированию у учащихся устойчивых учебных компетенций. При этом исключительно важно, что их формирование возможно в трех типах действий: учащиеся могут действовать автономно и рефлексивно, использовать различные средства интерактивно, осуществлять свою учебную деятельность в гетерогенных группах.

Повышение доли самостоятельной учебной деятельности учащихся развивает их способности искать и анализировать информацию, структурировать изучаемый материал, выделять главное, расставлять акценты. А предоставляемая модулями «обратная связь», когда ученик может сразу же получить оценку своей деятельности, направляет и повышает интенсивность такой самостоятельной работы.

Список литературы

1. М.В. Дорофеев, М.Г. Лущай, Н.А. Нагин. Влияние взаимодействия школьников с виртуальной лабораторией на познавательный интерес к реальному химическому эксперименту.// Вестник Московского городского педагогического университета.‑ Москва ‑ Йошкар-Ола, 2008, № 1 (11).‑ С. 211-213.

2. М.Н. Морозов, В.Э. Цвирко. Создание открытой образовательной модульной мультимедиа системы по химии.// Интернет-порталы: содержание и технологии. Сб. науч. ст. Вып. 4 / [редкол.: А. Н. Тихонов (пред.) и др.]; ФГУ ГНИИ ИТТ "Информика".‑ М.: Просвещение, 2007.‑ 606 с.: ил.‑ ISBN 978-5-09-017892-1.‑ С. 150-178.