Перспективи впровадження і розвитку освітніх віртуальних лабораторій в Україні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний медичний університет

ПЕРСПЕКТИВИ ВПРОВАДЖЕННЯ І РОЗВИТКУ ОСВІТНІХ ВІРТУАЛЬНИХ ЛАБОРАТОРІЙ В УКРАЇНІ

Кулик Анатолій Ярославович доктор технічних наук, професор,

Ревенок Віктор Іванович кандидат технічних наук, доцент

Нікольський Олександр Іванович кандидат технічних наук, доцент,

Титарчук Євгеній Олександрович кандидат технічних наук, ст. викладач

м. Вінниця

Анотація

Відомо, що лабораторні практикуми важливі для навчання студентів, оскільки вони забезпечують можливість отримати практичний досвід і застосувати теоретичні знання на практиці. Це сприяє розвитку навичок, підвищенню зацікавленості студентів і підготовці до майбутньої кар'єри. Віртуальні лабораторні практикуми відіграють значну роль у сучасному освітньому процесі, дозволяють студентам мати доступ до навчальних ресурсів незалежно від їх місця та часу. Це особливо корисно для дистанційного навчання, яке стало особливо актуальним під час пандемії COVID-19 і повномасштабної війни або студентів, коли відсутній доступ до реальних лабораторій. Вони дозволяють уникнути можливих небезпек, пов'язаних з реальними експериментами. Студенти можуть виконувати складні та небезпечні експерименти без ризику для свого здоров'я. Використовуючи віртуальні лабораторії, студенти мають змогу вивчати та експериментувати з різними концепціями швидше та ефективніше. Вони можуть прискорити процес навчання шляхом надання можливості студентам самостійно вивчати матеріал. Крім того, віртуальні лабораторні практикуми можуть візуалізувати складні наукові концепції та процеси, допомагаючи студентам краще їх зрозуміти. Це особливо корисно для відображення абстрактних або складних фізичних явищ. І нарешті, віртуальні лабораторії можуть дати студентам можливість працювати з дорогим та складним обладнанням, до якого вони можуть не мати доступу в реальних лабораторіях.

В статті за допомогою веб-інструментів Ubersuggest і Google Trends проведений аналіз ключових слів, які пов'язані з використанням запитів на інтернет-ресурси віртуальних лабораторій як в Україні, так і у всьому світі. Доведено, що переважаюча кількість запитів з України спрямована на віртуальні симуляції розташовані на сайті PhET Університету Колорадо в Боулдері (https://phet.colorado.edu/). Таким чином, використання практично єдиного ресурсу для забезпечення освітніх потреб у віртуальних лабораторіях створює гарні перспективи щодо розвитку даного напряму у вітчизняній освітній галузі.

Ключові слова: лабораторні практикуми, лабораторні роботи, практичні заняття, віртуальні лабораторії, симуляції, інтерактивні симуляції, дистанційне навчання, програми-симулятори, веб-сервіси, веб-інструменти, Ubersuggest, Google Trends.

Annotation

Kulyk Anatoly Yaroslavovich Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Automation and Intelligent Information Technology, Vinnytsia National Technical University, head of the Department of Biophysics, Informatics and medical equipment, National Pirogov Memorial Medical University, Vinnytsya

Revenok Viktor Ivanovich Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Biophysics, Informatics and medical equipment, National Pirogov Memorial Medical University, Vinnytsya

Nikolskyy Aleksandr Ivanovich Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Biophysics, Informatics and medical equipment, National Pirogov Memorial Medical University, Vinnytsya

Tytarchuk Yevhenii Oleksandrovych - Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Department of Computer Sciences and Economic Cybernetics, Vinnytsia National Agrarian University, Vinnytsia

PROSPECTS OF IMPLEMENTATION AND DEVELOPMENT OF EDUCATIONAL VIRTUAL LABORATORIES IN UKRAINE

Laboratory practicums are known to be important for student learning, as they provide an opportunity to gain practical experience and apply theoretical knowledge in practice. This contributes to the development of skills, increased student interest and preparation for future careers. Virtual laboratory practices play a significant role in the modern educational process, allowing students to have access to educational resources regardless of their place and time. This is especially useful for distance learning, which has become especially relevant during the COVID-19 pandemic and full-scale war, or for students who do not have access to real labs. They allow you to avoid possible dangers associated with real experiments. Students can perform complex and dangerous experiments without risking their health. By using virtual labs, students are able to learn and experiment with different concepts faster and more efficiently. They can speed up the learning process by allowing students to learn the material on their own. In addition, virtual laboratory practicums can visualize complex scientific concepts and processes, helping students better understand them. This is particularly useful for representing abstract or complex physical phenomena. Finally, virtual labs can give students the opportunity to work with expensive and sophisticated equipment that they may not have access to in real labs.

In the article, using the web tools Ubersuggest and Google Trends, an analysis of keywords related to the use of requests for online resources of virtual laboratories both in Ukraine and around the world is carried out. It has been proven that the majority of requests from Ukraine are aimed at virtual simulations located on the PhET website of the University of Colorado in Boulder (https://phet.colorado.edu/). Thus, the use of practically the only resource to meet educational needs in virtual laboratories creates good prospects for the development of this direction in the domestic educational industry.

Keywords: laboratory workshops, laboratory works, practical classes, virtual laboratories, simulations, interactive simulations, distance learning, simulator programs, web services, web tools, Ubersuggest, Google Trends.

Постановка проблеми

У сучасному світі технології швидко розвиваються, та інновації в галузі освіти є ключовим чинником для успіху. Одним із найбільш перспективних напрямків розвитку освіти є впровадження та розвиток освітніх віртуальних лабораторій. Однак, на сьогоднішній день в Україні існує деяка відстань між наявними можливостями та потенціалом використання таких технологій у навчальному процесі.

Перш за все, важливо визначити проблеми, які перешкоджають ефективному впровадженню та розвитку освітніх віртуальних лабораторій в Україні. Однією з таких проблем є недостатнє фінансування та підтримка з боку держави для розробки та впровадження сучасних технологій у навчальний процес. Брак відповідних коштів та ресурсів унеможливлює широкомасштабне впровадження віртуальних лабораторій в українські школи та вищі навчальні заклади.

Крім того, існують технічні та методичні труднощі, пов'язані з розробкою та впровадженням віртуальних лабораторій. Необхідно вирішити питання стандартизації програмного забезпечення, розробки якісних візуальних моделей, а також підготовки відповідних методичних матеріалів для вчителів та студентів.

До того ж, необхідно врахувати питання доступності та інклюзивності освітніх віртуальних лабораторій. Не всі учні та студенти мають доступ до необхідного обладнання та інтернет-підключення для використання цих технологій, що створює нерівності в навчанні та може ускладнити процес інклюзивного навчання [1].

Отже, вирішення цих проблем відіграє ключову роль у подальшому розвитку освітніх віртуальних лабораторій в Україні. Визначення та розуміння цих проблем дозволить розробити стратегії та рекомендації для успішного впровадження та розвитку цих технологій у нашій країні.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

В останні роки дослідження та публікації в галузі використання освітніх віртуальних лабораторій набули значного розмаху.

Один із найважливіших аспектів, який висвітлюється у дослідженнях Р. Семенишена, В. Величко, О. Шевчук, Н. Саніна, Ю. Харченко полягає у позитивному впливі використання віртуальних лабораторій на навчання та навчальні результати студентів. Результати досліджень показують, що використання віртуальних лабораторій сприяє покращенню засвоєння матеріалу, розвитку практичних навичок та зростанню мотивації до навчання.

Деякі дослідження А. Ворох, Р. Валєєв, О. Комлева, Є. Круглякова, В. Гнатюк, також звертають увагу на важливість інтерактивності та адаптивності віртуальних лабораторій. Вони підкреслюють необхідність розробки програмних засобів, які дозволяють студентам активно взаємодіяти з віртуальними моделями та адаптувати навчальний процес до індивідуальних потреб кожного студента.

Крім того, дослідження І. Войтович, О. Войтович, В. Білик, М. Ярмоленко, А. Юрченко, зосереджуються на перевагах використання віртуальних лабораторій у підготовці майбутніх фахівців у різних галузях, зокрема в технічних, медичних та наукових областях. Вони підкреслюють значення віртуального навчання для забезпечення студентів необхідними практичними навичками та вирішення проблеми недостатньої доступності реальних лабораторій. віртуальний лабораторія підготовка освітній

Мета статті полягає в дослідженні та узагальненні сучасного стану використання віртуальних лабораторій та перспектив їх впровадження у вітчизняний освітній процес.

Виклад основного матеріалу

Лабораторні роботи є невід'ємною частиною багатьох напрямків освіти: медичної, технічної, хімічної, біологічної і т.д. Можна виділити ключові аспекти важливості лабораторних робіт [2, 3]:

1. Практичний досвід. Лабораторні роботи надають студентам можливість застосовувати теоретичні знання у практичних ситуаціях. Вони дозволяють студентам перевірити своє розуміння та уміння застосовувати матеріал на практиці.

2. Розвиток навичок. Виконання лабораторних робіт сприяє розвитку навичок спостереження, аналізу, експериментування та вирішення проблем. Студенти вчаться працювати зі спеціальним обладнанням, проводити вимірювання, виконувати експерименти та аналізувати отримані дані.

3. Збільшення мотивації. Лабораторні роботи можуть збільшити мотивацію студентів до навчання, оскільки вони дозволяють студентам бачити конкретний результат своєї роботи та застосування отриманих знань у практичних ситуаціях.

4. Вивчення на практиці. Лабораторні роботи допомагають студентам краще зрозуміти та запам'ятати матеріал, оскільки вони дозволяють вивчати теорію на практиці та навчатися з власного досвіду.

5. Підготовка до кар'єри. Виконання лабораторних робіт надає студентам практичний досвід, який може бути корисним у майбутній кар'єрі. Вони навчають студентів працювати в команді, розв'язувати проблеми та адаптуватися до різних ситуацій.

У цілому, лабораторні роботи важливі для поглиблення розуміння предмету, розвитку практичних навичок та підготовки студентів до майбутньої кар'єри. Вони створюють сприятливі умови для активного навчання та збагачення навчального процесу.

Однак, починаючи з пандемії, а потім повномасштабної війни, коли більшість аудиторних занять перейшли в режим дистанційного навчання, лекції, семінари, практичні та лабораторні заняття проводяться з використанням відомих сервісів, таких як MS Teams, Google Meet, Zoom інших хмарних сервісів [4, 5]. А знання оцінюються за допомогою сформованих текстових завдань, тестів. Відносно підготовки і проведення лекцій, семінарів і певних видів практичних занять, такі ресурси мають в наявності відповідні інструменти: відео конференції, блокнот, чат та інші. Щодо лабораторних робіт з проведенням експерименту в середовищі MS Teams, Google Meet, Zoom можна застосовувати презентації або відео, де представлені прилади, реактиви та інші необхідні засоби, і демонстрацію їх роботи як в статиці, так і динаміці. Результатом виконання експерименту може бути таблиця з даними, яка надається студентам для подальшого опрацювання і формулювання висновків. Нажаль, за таких умов, студенти не мають можливості безпосередньо приймати участь у проведенні експериментів і виступають у ролі спостерігачів [6]. Натомість подальший розвиток отримала комп'ютерна симуляція, зокрема, віртуальні лабораторії. Віртуальні лабораторії є одним із цифрових інструментів, які можна використовувати для дистанційного навчання при виконанні лабораторних занять. Такі лабораторії є комп'ютерними навчальними середовищами, які можуть бути представлені від простих 2D візуалізацій лабораторних експериментів до просунутих 3D симуляцій, які намагаються відтворити реальне лабораторне середовище [7].

Основні переваги віртуальних лабораторій та інших симуляційних засобів навчання полягають в наступному [8]:

1. Розширюють можливості традиційного класичного навчання, дозволяючи студентам активно займатися практичною діяльністю і відчувати себе частинами реального процесу.

2. Дозволяють студентам зануритися в імітовані середовища для навчання та віртуальних тренувань, що робить навчання більш захоплюючим та практичним. Моделюючі програми допомагають майбутнім фахівцям випробовувати нові рішення та ідеї без супутнього ризику для пацієнта.

3. Створюють можливості для більш інтерактивного, практичного та ефективного освітнього процесу, допомагаючи студентам набути реального досвіду та навичок, необхідних для подальшого професійного розвитку.

4. Дозволяє створювати лабораторні роботи з залученням сучасного коштовного обладнання та спеціальних технічних пристроїв та приладів.

5. Можливість проведення експериментів у будь-який час, безпека при проведенні небезпечних експериментів, детальне спостереження за експериментальним процесом та активна участь у дослідженнях.

6. Студенти можуть проводити повторні досліди до повного задоволення з результатами експерименту.

Серед відомих програм симуляторів, зокрема з фізики, слід зазначити PhET - це понад 60 відкритих інтерактивних моделювань природничих і математичних концепцій, створене Університетом Колорадо в Боулдері [9]. Студенти можуть запускати симуляції, маніпулюючи різними аспектами даних, щоб зрозуміти природу того чи іншого явища. В Україні даний проект з успіхом використовують на уроках фізики, хімії в загальноосвітніх школах. У вищих навчальних закладах PhET є менш поширеним скоріше по причині вивчення не стільки суті явищ, скільки застосування їх у практичному аспекті.

Також відомі безкоштовні інтерактивні ресурси, STEM-заходи, де представлені наочні симулятори, відеофільми, текстова інформація. LabXchange - онлайн-платформа для наукової освіти від Гарвардського університету, яка включає розділи з фізики, математики і біології [10], Concord

Consortium - онлайн-платформа для освіти з фізики, хімії, математики, науки про життя, Землю і космос [11], Merlot (hub) [12] - база даних від медичного інституту Говарда Хьюза, яка включає симуляції з фізики, хімії, біології, сільського господарства, інформатики, інженерії, астрономії, математики та статистики.

Віртуальні лабораторні симуляційні кейси від Labster нагадують справжню лабораторію [13]. За допомогою мишки студент переміщується у віртуальній лабораторії та проводить лабораторні дослідження. Віртуальний лаборант або лабораторний майданчик дає поради на цьому шляху. Віртуальні експерименти перериваються питаннями з декількома варіантами відповідей, на які необхідно правильно відповісти, перш ніж приступити до них. При цьому студент заробляє бали за правильні відповіді на запитання. Викладач може слідкувати за індивідуальними відповідями студентів, а також за тим, чи пройшли вони всі етапи симуляції.

Аналіз літературних джерел, наприклад, на сайті Google Академія за запитом «віртуальні лабораторії» наводить 290 публікацій, що вказує на високий рівень зацікавленості викладачів та студентів у використанні цих інноваційних засобів навчання. З іншої сторони, доцільно використати вебсервіси і інструменти з метою дослідження про те, як часто користувачі набирають певні слова чи запити в Інтернеті. Найбільш відомими і популярними за запитом, наприклад, в Google є:

1. Google Trends. Це безкоштовний інструмент, який дозволяє досліджувати та порівнювати популярність певних запитів або ключових слів у пошуковій системі Google. Дає можливість аналізувати тенденції пошукових запитів у певних регіонах та часових періодах.

2. Google Analytics. Для адміністратора веб-сайту, дає можливість скористатися Google Analytics для вивчення того, які слова або запити призводять користувачів на сайт і як часто це відбувається. Аналіз ключових слів і запитів допоможе зрозуміти, які теми або продукти цікавлять аудиторію.

3. Інші інструменти веб-аналітики. Багато інших інструментів вебаналітики, таких як SEMrush, Ahrefs, Moz і інші, також надають дані про популярність ключових слів та запитів в Інтернеті.

Дотримуючись принципів етичного аналізу, необхідно використовувати інструменти, які забезпечують конфіденційність та захист інформації власників веб-сайтів. Тому надамо перевагу Google Trends і для вибору популярних ключових слів - Ubersuggest. Ubersuggest - це умовно безкоштовний інструмент від Neil Patel, який надає інформацію про ключові слова, обсяг пошуку, конкуренцію, а також ідеї для контенту та пошукових питань.

Спочатку проведемо аналіз для української локації Інтернету і введемо у поле пошуку Ubersuggest ключові слова «симуляції» і «віртуальні лабораторії». Справа в тому, що в україномовній науковій літературі дані слова використовуються як синоніми. В результаті програма вивела таблицю з ключовими словами, які розміщені у відповідності з кількістю запитів користувачів даного ключового слова на протязі місяця (рис. 1). Як видно, ключове слово «симуляції» має найбільший рейтинг по запитам користувачів - 1000, «віртуальні лабораторії» займає другу позицію з кількістю запитів 390. Далі доцільно визначити сайти, на які здійснювались переходи. Ubersuggest дає таку можливість, якщо клацнути на стрілочку з лупою біля ключового слова. Виберемо ключове слово «симуляції», через яке ми отримаємо спеціалізовані ресурси (рис. 2). Як бачимо, найбільшу кількість відвідувань по двом позиціям має сайт PhET Університету Колорадо в Боулдері - 415 і 54 відповідно, платформа є досить популярною серед педагогів і студентів України.

Рис. 1 Ключові слова представлені на основі слова «віртуальні лабораторії» з кількістю запитів користувачів Volume на Ubersuggest (httpsV/neilpatel.com/ubersuggest/)