Опыты на экране: как устроены виртуальные лаборатории для школьников
Создать собственную головоломку, провести эксперименты по термодинамике, изучить Python или Pascal — это и многое другое позволяют сделать виртуальные лаборатории «Московской электронной школы» («МЭШ»). Онлайн-симуляторы опытов и экспериментов помогают школьникам изучать свойства различных вещей и явлений, создавать собственные объекты. А еще с их помощью школьники могут провести такие эксперименты, которые в реальной лаборатории выполнить невозможно. Рассказываем, как устроены виртуальные лаборатории «МЭШ», и выясняем, чем они полезны ученикам и преподавателям.
Что такое виртуальная лаборатория
По сути, виртуальная лаборатория — это среда, которая на экране планшета, смартфона, компьютера или классной интерактивной панели имитирует инструменты учебной лаборатории. Здесь можно собирать электрические цепи, строить чертежи или графики, проводить измерения и так далее. Сейчас в библиотеке «МЭШ» 23 виртуальные лаборатории по пяти предметам: физике, биологии, математике, информатике и технологии.
Лабораториями могут пользоваться как учителя, так и школьники. Педагоги применяют их на уроках и создают с их помощью собственные интерактивные задания. А дети могут ставить онлайн-эксперименты не только в школе, но и дома. Таким образом, школьникам проще усваивать материал и повторять его.
Закон Ома и магнитные поля
В виртуальных лабораториях по физике можно проводить опыты по электродинамике, оптике, механике и другим разделам. Так, с помощью виртуального инструментария лаборатории «Оптика», включающего коллекцию источников света, препятствий, оптических элементов и измерителей, можно проводить классические эксперименты по измерению длины волны света, изучению законов геометрической оптики, определению оптических свойств линз и зеркал. Лаборатория «Механика» открывает возможности для экспериментов по статике и гидростатике, кинематике, динамике и законам сохранения.
В лаборатории «Электродинамика» пользователи получили в свое распоряжение «черный ящик». С его помощью можно создавать увлекательные задачи-загадки на определение участвующих в эксперименте приборов, их элементов и характеристик любого уровня сложности, включая олимпиадный («черный ящик» скрывает их от пользователей). А еще есть возможность превратить лабораторию в место виртуальных поединков и целых турниров.
«Например, дети изучают закон Ома — как зависит сила тока от напряжения. У них на панели сбоку есть все необходимые инструменты. Они мышкой переносят на рабочее поле резистор, амперметр, вольтметр, источник тока, все это соединяют по схеме с проводами, ставят батарейку и проводят измерения. Можно заменить резистор — взять с большим или меньшим сопротивлением. Дети могут посмотреть зависимость силы тока от напряжения для разных резисторов и сравнить их», — объясняет Юлия Казакова, учитель физики Бауманской инженерной школы № 1580.
Совсем недавно в блоке физики появилась виртуальная лаборатория «Электромагнитное поле. Фарадей». Здесь можно изучать электрические и магнитные поля, а также электромагнитные явления. Есть возможность выбрать нужные параметры и свойства объектов, сохранить свой опыт или эксперимент на любом этапе, а потом его продолжить.
Плюс виртуальных лабораторий в том, что они не ограничивают возможности учителей и учеников для проведения экспериментов. Например, во время реальных лабораторных дети работают с источником напряжения около 4,5 вольта — больше нельзя. В виртуальной среде таких ограничений нет, там можно смоделировать любые параметры.
«Было бы интересно развивать эти вещи в сторону исследовательской работы для детей, которые углубленно изучают физику. То есть создавать эксперименты, которые нельзя провести в реальных условиях или которые не входят в школьную программу. Это огромные возможности! Например, детям было бы интересно повторить опыт Галилео Галилея — как он бросал шары с Пизанской башни, изучал равноускоренное движение тел с помощью наклонной плоскости. Или воссоздать опыт Ампера — посмотреть на взаимодействие проводников с током и измерить силу Ампера. В реальной жизни это трудновоспроизводимый опыт», — говорит Юлия Казакова.
В то же время, отмечает учитель, виртуальные лаборатории хороши как дополнение реальных, а не их замена. Виртуальная работа, какой бы хорошей она ни была, не заменит работу с настоящими приборами, явлениями и объектами.
«Какие-то вещи, которые в реальной жизни воссоздать невозможно или очень трудно, можно и нужно создавать в виртуальной среде. Там ведь можно сделать все что угодно — вплоть до моделирования адронного коллайдера, создать экстремальные температуры, магнитные и электрические поля. Дети могут изучать действие силы Лоренца на движущиеся заряженные частицы в электронно-лучевой трубке», — рассказывает учитель.
Головоломки и роботы
Ринат Закиров, учитель физики школы № 1466, работает с виртуальными лабораториями не только по физике, но и по технологии. В частности, с разделом «Логитариум», который посвящен изучению сложных механизмов и принципов взаимодействия между объектами. А еще «Логитариум» может служить отличной площадкой для интеллектуальных соревнований.
«Я работал с виртуальной лабораторией “Логитариум”, когда наши ученики принимали участие в турнире “Технобой”. Мы с детьми изучали эту виртуальную лабораторию, в которой требовалось составлять головоломки на основе машин Голдберга. “Логитариум” позволяет развить техническое мышление у детей, показать работу таких механизмов, как зубчатые колеса, реечные передачи и многие другие. В лабораторию периодически добавляют новые механизмы», — рассказывает учитель.
Лаборатория помогает детям развивать смекалку, воплощать оригинальные идеи при создании машин Голдберга — механизма, где каждое действие является толчком к следующему действию, — и технических головоломок на их основе. А учителям технологии, физики и информатики лаборатория позволяет создавать интерактивные модели для демонстрации устройств из мира техники и механики.
«Детям очень нравится эта история, они с удовольствием составляют механизмы, придумывают собственные головоломки. Там есть такая опция — сохранить головоломку и дать ее решить одноклассникам, — говорит Ринат Закиров. — Я пробовал показывать “Логитариум” ученикам начальных классов — им интересно, но все-таки сложно. А вот начиная с седьмого класса дети уже вполне могут самостоятельно создавать сложные модели. Проявляют интерес к механизму и старшеклассники (в рамках предмета “Индивидуальный проект”). Мы с ребятами работаем над созданием интерактивных моделей».
Помимо «Логитариума», в блоке «Технология» есть виртуальные лаборатории, посвященные построению логических схем (для школьников, изучающих современную электронную технику и схемотехнику) и использованию микроконтроллеров. Также есть лаборатория «Моделирование роботов», которая позволяет освоить основы робототехники, сконструировать и запрограммировать собственного мобильного, промышленного или сервисного робота.
Пять языков программирования и почти 300 тестов
С этого учебного года для учеников 7–11-х классов открыта виртуальная лаборатория по информатике. Это огромная база для углубления знаний и подготовки к экзаменам и олимпиадам: лаборатория включает 290 готовых тестов, более девяти тысяч заданий и свыше 250 курсов по программированию.
Лаборатория охватывает такие разделы, как информационные технологии, математические основы информатики, основы программирования, базовые и продвинутые алгоритмы.
«Там есть задания самого разного уровня — от базового до продвинутого. Все начинается с основ. Есть пять языков программирования: C#, С++, Python, Pascal, Java. Соответственно, ребенок выбирает один из них, и ему дают задания, начиная с самых простых. Есть небольшие обучающие видеоролики, описания к заданиям, и ребенок их выполняет: пишет какой-то код самостоятельно или меняет уже готовый код и отправляет на проверку. Программа делает тесты кода и выдает результат, насколько правильно он выполнил задание», — объясняет Игорь Линьков, учитель информатики школы № 1539.
Ученики выполняют задания виртуальной лаборатории как в классе, вместе с учителем, так и самостоятельно дома. Важно, что, если ребенок пропустил занятие, он может благодаря лаборатории освоить пропущенный материал.
В ближайшее время у учителей появится возможность прикреплять материалы лаборатории к цифровому домашнему заданию в электронном журнале. Учащиеся видят их в разделе «Домашние задания» электронного дневника и, переходя по ссылке, выполняют. Еще одна полезная опция для детей — возможность посмотреть статистику своих результатов: время, затраченное на прохождение задания, верные и неверные ответы, процент правильно выполненных заданий.
«В целом виртуальные лаборатории — очень хорошая вещь, нам не хватало такого ресурса. Важно, что они продолжают развиваться. Что касается моего предмета, информатики, то хотелось бы в будущем увидеть лабораторию по моделированию. Это создание 3D-моделей в специализированных программах и возможность напечатать эти модели на 3D-принтере», — добавляет Игорь Линьков.
