Віртуальні лабораторії в біологічній освіті: моделювання експериментальних досліджень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Віртуальні лабораторії в біологічній освіті: моделювання експериментальних досліджень

Гнатюк Віталій Васильович, Упатова Ірина Петрівна, Дехтярьова Олена Олександрівна, Куруц Наталія Василівна

Анотація

Сучасна цифровізація має відчутний вплив на навчання освітніх компонентів біологічного спрямування. Зокрема, застосування інноваційних технологій дало змогу оптимізувати практичне навчання. Мета статті полягає в тому, щоби дослідити можливості моделювання експериментальних досліджень та застосування віртуальних лабораторій під час підготовки спеціалістів з біологічних дисциплін. Використання віртуальних лабораторій у навчальному процесі і моделювання експериментальних досліджень є дієвим інноваційним інструментом, який значно підвищує можливості підготовки та навчання здобувачів вищої освіти у галузі біологічних наук. Завдяки цифровізації освітнього простору набули поширення такі поняття, як «біологія онлайн», «онлайн-лабораторії», «віртуальна лабораторія», «онлайн-експеримент» та «віртуальний лабораторний практикум». Використання цих педагогічних форм і методів навчання свідчить про широке розповсюдження інноваційних цифрових технологій у освітніх середовищах. Деякі програми, як-от VirtualLab, LabInApp Virtual Labs, BioDigital Human, Labster тощо, активно застосовуються в європейських освітніх закладах для підготовки фахівців. Використання віртуальних лабораторій у біологічному навчанні сприяє поліпшенню розуміння біологічних концепцій і їх глибокому засвоєнню, розвитку практичних навичок та забезпечує доступне й активне навчання і допомагає створити стимулююче та безпечне освітнє середовище. Більшість віртуальних лабораторій надають можливість вивчати різні біологічні концепції через інтерактивні симуляції, а також ґрунтовно опановувати екологію, анатомію, зоологію, фізіологію, біологію клітини та гістологію, основ генетики та селекції, та інші біологічні дисципліни. Використання віртуальних лабораторій у біологічному навчанні має значні практичні переваги: проведення експериментів та досліджень без реальних ризиків для здоров'я, відсутність потреби у фізичних матеріалах та лабораторних приміщеннях, уникнення страху зробити помилку або пошкодити дорогі прилади. Універсальність такого підходу приведе до поширення використання віртуальних лабораторій у майбутньому, особливо з урахуванням прогресуючого впливу цифровізації на освіту загалом.

Ключові слова: цифровізація, навчальні платформи, освітній процес, експеримент, симуляції.

Annotation

віртуальна лабораторія біологічна освіта

Virtual laboratories in biological education: simulation of experimental studies

Modern digitization has a tangible impact on the teaching of biology. In particular, the use of innovative technologies made it possible to optimize parts of practical training. The purpose of the article is to investigate the possibilities of modeling experimental studies and the use of virtual laboratories during the training of specialists in biological disciplines. The use of virtual laboratories in the educational process and simulation of experimental research is an effective innovative tool that significantly increases the possibilities of training and education of students in the field of biological sciences. Due to the digitization of the educational space, the use of such terms as "biology-online", “online laboratories”, “virtual laboratory”, “online experiment” and “virtual practical laboratory practicum” is widespread. The use of these pedagogic forms and teaching methods indicates the widespread use of innovative digital technologies in educational environments. Some programs, such as VirtualLab, LabInApp Virtual Labs, BioDigital Human, Labster and others, are actively used in European educational institutions for training specialists. The use of virtual laboratories in biological education allows improving the understanding of biological concepts, developing practical skills and provides an accessible and active form of learning. In addition, the use of virtual laboratories helps to create a stimulating and safe learning environment, improves understanding of material, develops practical skills and promotes deep learning of scientific concepts. Most virtual labs provide the opportunity to explore various biological concepts through interactive simulations, as well as to learn in detail ecology, anatomy, physiology, and other biological disciplines. The use of virtual laboratories in biological education has significant practical advantages: conducting experiments and research without real health risks, no need for physical materials and laboratory premises, no fear of making a mistake or damaging expensive devices. The versatility of this approach will lead to the widespread use of virtual laboratories in the future, especially given the progressive impact of digitization on education in general.

Keywords: digitization, educational platforms, educational process, experiment, simulations.

Вступ

Постановка проблеми в загальному вигляді. Сучасне комп'ютерне моделювання є одним із досить перспективних шляхів розвитку освітньої галузі. Особливе значення це має для природничих наук, тому що навчальні комп'ютерні моделі дають змогу оперативно унаочнити досліджуваний об'єкт, показати повний спектр його характеристик, що водночас сприяє поглибленому вивченню навчального матеріалу. Викладання дисциплін природничого циклу за сучасних обставин в Україні утруднюється через низку причин, насамперед - через брак відповідних фінансових ресурсів, зокрема на дороге обладнання для лабораторій і реактиви, інші необхідні витрати, а також через ризики, які пов'язані з функціонуванням лабораторного осередку загалом. Водночас віртуалізація лабораторної активності повністю не здатна замінити роботу в реальних дослідницьких умовах (принаймні, не на сучасному етапі розвитку технологій). Щоправда, звернення до цифрових технологій значно зменшує вартість процесу навчання, адже закупівля реальних реактивів та іншого обладнання, утримання спеціальних приміщень тощо можна замінити роботою зі спеціальним інформаційно-цифровим середовищем, що потребує значно менших капіталовкладень.

Відповідно, комп'ютерно-віртуальні технології можуть бути використані в освітніх компонентах біологічного спрямування не лише як засіб для автоматизації освітнього процесу та оцінки знань, а й як інструмент для впровадження нових дидактичних підходів, спрямованих на активізацію дослідницької діяльності здобувачів вищої освіти. Використання комп'ютерних технологій дає змогу розширити світогляд і розвивати корисні практичні навички завдяки включенню засобів і методів інформаційно-комунікаційних технологій у процес навчання біологічних дисциплін.

Варто визнати, що віртуалізація освітнього процесу в лабораторному середовищі також сприятиме гуманізації досліджень, оскільки дасть змогу замінити живих експериментальних тварин їхніми комп'ютерними моделями в ході експерименту, що цілком відповідає сучасним парадигмам гуманного поводження з тваринами та співіснування з ними. З цієї причини використання віртуальних лабораторій також заслуговує на увагу як важливий елемент світоглядних змін, що відбулися в сучасному суспільстві, зокрема й через поширення цифровізаційних процесів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Дослідники неодноразово зверталися до проблематики організації навчання з використанням віртуальних лабораторій. Зокрема, В. Перерва охарактеризувала суть та важливість використання віртуальних лабораторій. Дослідниця акцентувала на тому, що головні переваги такого методу навчання - заощадження коштів, можливість моделювання складних дослідницьких ситуацій, безпека, керованість процесів та доступність повторюваності, а також спостереження в інших масштабах часу. Ю. Солона визначила, що запровадження інформаційної підтримки в процес підготовки майбутніх біологів, зумовлено особливостями мислення сучасних студентів [1; 2]. Експериментальні дослідження, проведені нею, підтверджують наявність мозаїчного типу мислення у здобувачів вищої освіти в галузі біології. Цей феномен вимагає суттєвої перебудови змісту освіти. Один із шляхів модернізації вищої школи відповідно до потреб сьогодення полягає у впровадженні адаптивного навчання через проєктування навчально-дослідницької діяльності. Складниками реалізації такого плану є віртуальні біологічні лабораторії, практикуми, хмарне навчання, авторські навчальні сайти, які є допоміжними інформаційними ресурсами для дистанційного навчання та організації самостійної роботи студентів [1].

Н. Ількевич дійшов висновку, що використання віртуальних лабораторій дає змогу значно підвищити якість навчання [3]. Дослідник звернувся до STAR (Software Tools for Academics and Researchers) - програми Массачусетського технологічного інституту, Wolfram Demonstrations Project, The ChemCollective та Virtual Labs. На основі проведених замірів знань було визначено, що віртуальні лабораторії загалом мають достатній набір матеріалів, актуальної інформації для підготовки доповідей, презентацій, самостійної та дистанційної роботи, а також для осмислення складних біохімічних процесів і явищ [3]. Н. Ворон підкреслив, що тенденції застосування інформаційних технологій (ІТ) стають все більш практичними і вигідними в навчанні майбутніх спеціалістів [4]. Інформаційно-комунікаційні технології охоплюють методи, виробничі процеси та програмно-технічні засоби, які інтегровані з метою збору, обробки, зберігання та поширення інформації, отриманої у користувачів. Це, на думку Н. Ворона, створює сприятливі умови для розвитку науки та застосування ІТ [3]. Важливими також є дослідження Г. Білецької [5], О. Семініхіної та В. Шамоня [6], А. Шкуропата і О. Гасюка [7], А. Юрченка та Ю. Хворостіної [8], у яких простежено особливості функціонування віртуальних лабораторій, наголошено на позитивних моментах та проблемах у їх використанні під час навчання спеціалістів з біології.

Серед іноземних дослідників потрібно відзначити роботи Б. Шамбаре і К. Симуї, які здійснили системний огляд наукової літератури щодо застосування віртуальних лабораторій з навчальною метою, зосередилися на визначенні теоретичних аспектів використання цифрових інструментів у викладанні та проведенні науково-практичних експериментів [9]. Так само актуальними є думки авторського колективу на чолі із Т. Дельгадо [10]. Дослідники підкреслили, що внаслідок пандемії COVID-19 створили курс віртуальної лабораторії клітинної біології, у якому детально розглянули методи молекулярної та клітинної біології, які можна використовувати для вивчення клітин. Вони опублікували звіт із описами лабораторії, показали, як креативні онлайн- лабораторії дають змогу здобувачам освіти отримувати цінний науковий досвід, особливо в умовах дистанційного навчання. Також важливі результати А. Геррареза, який визначив та надав цінні вказівки для вибору, проєктування та впровадження методик використання віртуальних лабораторій та інших симуляцій експериментальних середовищ і методів [11].

Мета статті - аналіз можливостей моделювання експериментальних досліджень із використанням віртуальних лабораторій під час вивчення освітніх компонентів біологічного спрямування.

Завдання статті полягають у тому, щоби проаналізувати сучасні можливості віртуальних лабораторій, визначити переваги, які формуються завдяки їх активному використанню.

Матеріали та методи

У дослідженні використано системний аналіз з метою визначення основних функціональних можливостей програм, які забезпечують використання віртуальних лабораторій в освітньому процесі. Під час системного аналізу здійснюється декомпозиція системи на окремі елементи та досліджується взаємодія цих складників для досягнення основної мети - ефективного вивчення біології. Також у дослідженні використано аналіз, індукцію та дедукцію.

Основними матеріалами дослідження слугували сайти платформ, що забезпечують використання віртуальних лабораторій під час вивчення вивчення біологічних дисциплін: LablnApp Virtual, Human BioDigital, Labster, Visible Body тощо. На основі використання цих програм визначено основні їхні функціональні особливості (зокрема і щодо моделювання лабораторного середовища) та ключові аспекти застосування віртуальних лабораторій під час вивчення освітніх компонентів біологічного спрямування.

Результати

Інформаційно-технологічні аспекти розвитку інноваційного навчання в Європі тісно пов'язані з інформатизацією та цифровізацією, які нині дуже важливі і для України [12, с. 147]. Цифрові технології, що проникають в усі галузі діяльності людини, трансформують і освітню галузь. Виконання лабораторних робіт - важлива частина вивчення біологічних дисциплін. Вони допомагають здобувачам вищої освіти отримати практичні навички, водночас їх використання сприяє також якіснішому вивченню певних концепцій завдяки ілюструванню теоретичного матеріалу. Окрім цього, доведено, що практичні та лабораторні роботи підвищують рівень зацікавленості та допитливості у студентів, впливають на їхню мотивацію, формують позитивне ставлення до біологічної науки [8, с. 281-283].

Активна цифровізація освіти вплинула на трансформацію низки традиційних підходів у навчанні. Зокрема, крім залучення різноманітних технічних інновацій, застосування можливостей інтернет-простору, запровадження різних інтерактивних технологій, дослідники почали приділяти велику увагу особливостям застосування спеціалізованих програмних інструментів та форм проведення й демонстрації різних біологічних наукових об'єктів та явищ. Відповідно, в освітньому просторі стали активно використовуватися такі поняття, як «біологія-онлайн», «онлайн-лабораторії», «віртуальна лабораторія», «онлайн-експеримент», «віртуальний лабораторний практикум». Використання зазначених педагогічних форм та методів навчання біології свідчить про широке залучення інноваційних цифрових технологій у біологічний освітній процес [13, с. 405].

Однією з форм застосування цифрових інноваційних технологій у навчальних лабораторних та практичних роботах освітніх компонентів біологічного спрямування, є поєднання реальної лабораторії з віртуальною.

Сучасні науковці по-різному трактують поняття «віртуальна лабораторія». Зокрема, В. Перерва вважає, що віртуальна лабораторія - це своєрідне віртуальне освітнє середовище, яке допомагає моделювати поведінку об'єктів реального світу в цифровому комп'ютерному просторі та сприяє оволодінню здобувачів вищої освіти новими знаннями та вміннями [13, с. 401-405]. З іншого боку, Г. Білецька наголошує на тому, що віртуальна лабораторія є своєрідною комп'ютерною програмою, що сприяє реалізації моделювання на комп'ютерні процеси [5]. Отож, вважаємо, що віртуальна лабораторія в біології - це комп'ютерна програма або платформа, яка надає можливість віртуального моделювання та виконання експериментів у біологічних науках. Вона дає змогу здобувачам вищої освіти, науковцям та іншим зацікавленим особам експериментувати, вивчати і спостерігати явища, які зазвичай відбуваються у реальних лабораторіях. Важливу роль у віртуальному лабораторному навчанні відіграє мультимедійний програмно-методичний комплекс, особливості конструкції та функціонування якого допомагає адаптувати використання віртуальних лабораторних робіт для фахової підготовки біологів. Загалом програмно-методичний комплекс має модульну структуру та функціонує на основі принципу «клієнт - сервер» (рис. 1).

Рис. 1. Схематична модель програмно-методичного комплексу віртуальних лабораторій

Віртуальні лабораторії використовують різні технології, як-от комп'ютерна симуляція, віртуальна реальність (VR) та розширена реальність (AR), для створення імітації реальних біологічних експериментів (табл. 1). За допомогою цих технологій користувачі можуть взаємодіяти з віртуальними об'єктами, зразками, організмами або системами та вивчати їхні властивості та поведінку [15, с. 10].

Таблиця 1

Основні технології реалізації віртуальних лабораторних робіт

Джерело: складено авторами статті.

Розглянуті ресурси надають змогу здобувачам вищої освіти, науковцям та іншим зацікавленим особам вивчати дисципліни біологічного спрямування та проводити експерименти у віртуальному середовищі, що допомагає вдосконалити їхні навички та розширити знання в цій галузі. Крім цього, віртуальні лабораторії в біологічному навчанні використовуються для проведення досліджень та випробувань, моделювання біологічних процесів та систем, а також для спільної роботи та обміну знаннями між науковими групами (табл. 2).

Таблиця 2

Основні цілі використання віртуальних лабораторій у біологічному навчанні Ціль Пояснення

Джерело: складено авторами статті.

Отже, застосування віртуальних лабораторій у біологічному навчанні дає змогу покращити зрозуміння певних біологічних концепцій, розвиває практичні навички та сприяє здійсненню активного та доступного навчання [6, с. 342]. Нині існує декілька видів віртуальних лабораторій, які використовуються для експериментів у біології (рис. 2).

Рис. 2. Основні групи віртуальних лабораторій

Джерело: складено авторами статті.

Загалом усі групи віртуальних лабораторій представлені в Інтернеті на різних освітніх порталах [9, с. 407-408]. Вони широко використовуються під час підготовки спеціалістів у європейських закладах освіти (рис. 3).

Переважно процес проектування освітнього інтерфейсу в таких віртуальних лабораторіях відбувається за допомогою натискання кнопок чи анімаційних аналогів, а також за допомогою застосування технології drag&drop, яка дає змогу оперувати інтерфейсом [11, с. 197]. Зокрема, віртуальні лабораторії на ресурсі VirtualLab передбачають використання послідовності дій у дослідах, результати яких встановлені наперед. Водночас варіанти правильних відповідей можна дібрати за допомогою перезапуску експерименту. Застосування цієї платформи вимагає наявності на персональному комп'ютері спеціального програмного забезпечення Adobe Flashplayer.

З іншого боку, LablnApp Virtual Labs - це набір програмних продуктів для віртуального навчання, які надають віртуальні лабораторні середовища для вивчення різних наукових дисциплін, освітні компоненти біологічного спрямування. Лабораторії на сайті LablnApp пропонують використання в навчальному процесі спеціальних демонстраційних відеороликів або виконання віртуальних експериментів з окремих предметів природничого циклу. Велике значення на сайті надається проведенню експериментів із біології та хімії. Зауважимо, що на порталі вони представлені в 3D- форматі, керувати процесом можна за допомогою комп'ютерної миші. Ця платформа дає змогу студентам експериментувати та навчатися за допомогою інтерактивних симуляцій та віртуальних моделей (табл. 3).

Таблиця 3

Ключові аспекти використання LablnApp Virtual Labs у навчанні біологічних дисциплін