Лабораторная работа
в STE-образовании (science, technology, engineering)

Определение лабораторной работы

В работе Хофштейна и Мамлок-Наамана (2007) подчеркивается, что термин «лабораторная работа» часто используется в литературе без четкого определения и описывает широкий спектр видов деятельности. Тем не менее, авторы выделили некоторые определяющие особенности лабораторной работы и контексты, в которых это понятие обычно появляется в литературе:

1. Лабораторная работа часто фигурирует как конкретные эксперименты в контексте школьных предметов. Ученики взаимодействуют с материалами и оборудованием, наблюдая за окружающим миром, и познают его.
2. Некоторые лабораторные нацелены на индивидуальную работу студентов, в то время как другие разрабатываются с целью собрать их в небольшие команды или для демонстрации на обширную аудиторию.
3. Руководства и инструкции для преподавателей варьируются от строго методических до открытых исследований и запросов.
4. Термин «лабораторная работа» используется как для обозначения исследований или проектов, которые проводятся в течение нескольких недель, так и для работ, которые длятся 20 минут или меньше.
5. Может включать или не включать в себя активное использование различного рода оборудования и инструментов.

Основные задачи лабораторной работы
В одном из исследований был проведен внутренний опрос сотрудников и студентов на инженерном факультете Университета Роберта Гордона, Абердин (Эдвард, 2002). Анализ опроса и серии качественных интервью с преподавателями выявил следующие цели и задачи лабораторных работ:

1. Один из преподавателей отметил, что лабораторные работы «обеспечивают взаимосвязь между материалом лекций и тем, как он может быть использован в производстве».
2. Другой упомянул, что это помогает студентам «получить практическое понимание того, что означают цифры из теории».
3. Еще одно мнение преподавателя: несмотря на то, что лабораторное оборудование было «просто игрушками», студенты узнали, что теория — это не просто абстракция, а несовершенная модель реального предприятия.
4. Респонденты также отметили, что лабораторные работы являются «важной частью подготовки студентов к работе в реальной индустрии».
5. Респонденты подчеркнули, что лабораторная работа помогает развить личные навыки студентов.
6. Навыки командной работы и лидерство также выделялись как важные цели лабораторной работы.

Карндафф и Рид (2003, цитируется в Edward, 2002) сгруппировали эти цели следующим образом:

1. Практические навыки (безопасность, оценка рисков, процедуры, оборудование, наблюдение за методами).
2. Передаваемые / портативные навыки (командная работа, организация работы, тайм-менеджмент, коммуникация, презентация, поиск информации, обработка данных, навыки счета, разработка стратегий, решение проблем).
3. Интеллектуальная стимуляция — связь с «реальным миром», повышение интереса к химии.

Виртуальные лаборатории как часть иммерсивного образования
Иммерсивное образование сочетает в себе такие методики, как дистанционное обучение, e-learning, виртуальные лаборатории, виртуальная реальность и виртуальные миры, аватары, динамические виртуальные системы. Упомянутые темы и соответствующие технологии могут поспособствовать углубленному образованию по дисциплинам STE (Potkonjak et al., 2016).

Виртуальные лаборатории, полностью основанные на программном обеспечении, рассматриваются как часть концепции иммерсивного образования. Утверждается, что подобные лаборатории — это наилучший вариант для организации необходимой практической части научных и инженерных дисциплин. Ниже кратко представлены некоторые преимущества и проблемы, связанные с этой концепцией, согласно Potkonjak et al. (2016)

Преимущества виртуальных лабораторий на базе программного обеспечения

1. Экономия: виртуальные системы обеспечивают школам и университетам экономически выгодный способ организации высококачественных лабораторных работ по STE-дисциплинам.
2. Гибкость: можно легко создать различные виртуальные эксперименты (моделирование) с использованием различных компонентов.
3. Множественный доступ: несколько студентов могут одновременно использовать одно и то же виртуальное оборудование.
4. Изменение в конфигурации системы: можно изменять параметры, которые часто не могут быть изменены в реальной системе. На примере виртуальной модели (робота) — можно изменить детали, двигатели и т.д.
5. Устойчивость к повреждениям: в виртуальном мире допускается «нанесение ущерба», что открывает возможность учиться на ошибках. В примере с виртуальным роботом допускается столкновение с окружающей средой, перегрузка; можно просто заменить двигатели чем-то более мощным, робот снова поднимется и продолжит работу.
6. Сделать «невидимое» видимым: с помощью виртуального можно посмотреть внутреннюю структуру оборудования, тогда как зачастую реальные устройства защищены крышками, которые невозможно или нелегко снять. В робота можно «заглянуть», увидеть внутренние двигатели и коробки передач, посмотреть и узнать о роторе, шестеренках и др.

Трудности

1. Первая проблема это запросы, предъявляемые к компьютерным ресурсам. Динамическое моделирование и 3D CAD-моделирование объектов могут быть довольно сложными и требовательными, особенно если объекты моделирования интегрированы в виртуальный мир, где реализуется концепция окружения. Динамические модели общего назначения (physics engines), как например программное обеспечение Bullet (http://github.com/bulletphysics/bullet3), могут работать с широким классом систем, но их настройка требует много времени. Специализированные динамические модели, основанные на обобщенной координированной и аналитической механике (Vukobratović and Potkonjak, 1982, Vukobratović and Potkonjak, 1985, Vukobratović et al., 2003), работают быстрее. Однако их специфический характер может вызвать проблемы в ситуациях, когда необходимо разнообразие взаимодействий между объектами.
2. Следующий недостаток вытекает из самой природы виртуальной системы. Системы на самом деле не существует, следовательно, ничего по-настоящему плохого получится не может. Это иногда формирует специфическое отношение студентов к виртуальным лабораториям: недостаточно серьезности, ответственности и внимательности - студентам может казаться, что они играют в видеоигру. Например, невозможно получить равноценный опыт, наблюдая за виртуальной симуляцией устройства, по сравнению с тем, чтобы в реальной жизни наблюдать работу аппарата высотой 2 метра. Аналогичная ситуация возникает, когда тяжелый робот выполняет быстрые манипуляции с грузоподъемностью в 100 кг. Реальный опыт сразу же делает студента более серьезным, ответственным и осторожным.
3. Факт (не требующий доказательств), что для финального этапа обучения обычно необходимо реальное оборудование. Единственный способ приобрести навыки часто заключается в реальном практическом опыте.

Требования к виртуальной лаборатории
В статье (Potkonjak et al., 2016) также упоминаются некоторые важные критерии успешной виртуальной лаборатории:

1. Пользовательские интерфейсы для каждой единицы оборудования должны быть идентичны реальным устройствам.
2. Поведение виртуальной системы (например, ее состояние и контрольные переменные) должно быть эквивалентно поведению системы в физическом мире.
3. Визуализация должна позволить студентам почувствовать, что они смотрят на настоящую реальную вещь.
4. Необходимо создать 3D-лабораторное пространство, в котором студенты смогут сотрудничать и общаться друг с другом и с руководителем лаборатории (или экспертом, тьютором).
5. Тактильные интерфейсы также важны в виртуальных лабораториях.

Примеры виртуальных лабораторий
В статье (Potkonjak et al., 2016) авторы сгруппировали существующие примеры виртуальных лабораторий по областям, в которых они реализуются:

1. Общие инициативы (General initiatives): имеют широкий диапазон реализации. Один из примеров — проект «LiLa» (аббревиатура «Library of Labs»), инициатива восьми университетов и трех предприятий, координируемая Штутгартским университетом (Германия) (Richter, Boehringer, & Jeschke, 2009). Цель проекта — содействие взаимному обмену и доступу к виртуальным лабораториям (симуляциям среды) и удаленным лабораториям. Этот проект создает портал, который предоставляет подобный доступ. Также включает в себя дополнительные сервисы: систему обучения и 3D-среду для совместной работы в онлайн-режиме.

2. Наука/физика (Science-physics). Примером является TEALsim, среда с открытым исходным кодом, предназначенная для разработки, презентации и управления симуляциями. Разработан в рамках проекта TEAL (Technology Enabled Active Learning) в Массачусетском технологическом университете (MIT). Одна из целей TEALsim — расширение концептуального и аналитического понимания студентов о природе и динамике электромагнитных явлений. TEALsim очень полезен в визуализации феномена электромагнетизма. Помогает студентам увидеть невидимые в реальных условиях линии магнитного поля. Единичная симуляция может выполняться либо как Java-приложение, либо как Applet. «Симуляция падающей катушки» показывает динамику падения проводящего немагнитного кольца на ось неподвижного магнита. Можно варьировать сопротивление кольца и силу магнитного дипольного момента, чтобы увидеть, как эти параметры влияют на динамику кольца. «Моделирование двухточечного заряда» иллюстрирует схему поля, создаваемую двумя точечными зарядами с противоположными знаками. При моделировании положение и заряд каждой частицы могут быть изменены в режиме реального времени. “Моделирование генерации излучения плоской волны” показывает электромагнитное излучение, генерируемое колеблющимся слоем заряда.

3. Технологический процесс (Process technology). Факультет химической инженерии Университета штата Орегон создал виртуальную CVD обучающую платформу (Virtual CVD Learning Platform). Она имитирует процесс химического осаждения из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD). Виртуальная платформа обеспечивает опыт, в рамках которого студенты обобщают принципы инженерной науки и статистики (Koretsky, Amatore, Barnes, & Kimura, 2008).
Расширенные возможности программного обеспечения включают в себя трехмерный графический пользовательский интерфейс, веб-интерфейс с интегрированными инструментами оценки и сервер баз данных. Виртуальная лаборатория не предназначалась как прямая замена физической, скорее как дополнение, в котором можно было бы усовершенствовать определенные элементы. Исследование показало, что студенты считают виртуальную лабораторию довольно эффективным способом обучения.

4. Инженерия (кроме робототехники). Технологический институт Стивенса, США разработал инновационный метод обучения студентов механической динамике. Онлайн-виртуальная лаборатория позволяет студентам учиться, взаимодействуя в виртуальной среде, во многом напоминающей массовые многопользовательские онлайн-игры, такие как Half-life 2, The Sims, World of Warcraft и Second Life. Игровая лабораторная среда была создана в рамках курса «Машинные механизмы и динамика», который знакомит с принципами кинематики и динамики и применяет их к рычагам, зубчатым передачам, ременным приводам, муфтам. Пользователи (студенты, ассистенты и преподаватели) создают свои собственные аватары и обсуждают проекты, находясь в виртуальной трехмерной среде лаборатории. В этой среде применяются законы физики: пользователи могут управлять оборудованием и механизмами для проведения своих экспериментов, получать результаты на их основе. Прогресс контролируется преподавателем и ассистентами, обучение оценивается с помощью тестов до и после лабораторных занятий.

5. Инженерия, робототехника. VCIMLAB (Virtual CIM Laboratory — Виртуальная лаборатория комплексного автоматизированного производства) была разработана в Восточно-Средиземноморском университете, Кипр (Hashemipour, Manesh, & Bal, 2011). Это образовательное приложение для обучения принципам работы комплексного автоматизированного производства, где используются промышленные роботы, станки с ЧПУ и автоматизированное сборочное оборудование. Система обеспечивает интерактивную 3D-среду. Виртуальная лаборатория состоит из имитационных моделей распространенного оборудования CIM, роботов, машин и компьютерных систем. В качестве эталона для разработки имитационных моделей был взят реальный макет лаборатории CIM, расположенной в Восточно-Средиземноморском университете. Референс-лаборатория состоит из двух гибких производственных ячеек, в том числе программируемые роботы-манипуляторы, фрезерный станок с ЧПУ и несколько единиц оборудования CIM. Виртуальная лаборатория очень точно отражает реальную лабораторию. VCIMLAB предоставляет несколько комбинаций лабораторных моделей для поэтапного изучения систем CIM (начиная с самых простых и заканчивая более сложными). Эти среды моделирования называются «комнатами» и VCIMLAB предоставляет четыре таких пространства.

Также авторы рассматривают концепцию виртуальных миров, которые по-прежнему редко используются в контексте виртуальных лабораторий, но становятся важной частью онлайн-образования. Они подчеркивают, что «виртуальные миры создают реалистичную атмосферу и предоставляют платформу для реального общения между пользователями, в том числе “лицом к лицу” с помощью аватаров».

В качестве примера авторы описывают популярный виртуальный мир под названием «Second life». Это виртуальная онлайн-среда, выпущенная в 2003 году и разработанная Linden Labs. Это 3D-симуляция реального мира со зданиями, островами, океанами и т.д. Почти все, что можно найти в реальном мире, есть в Second Life. Пользователи, которые называются резидентами, могут взаимодействовать друг с другом через аватары, исследовать виртуальный мир, встречаться и общаться с другими жителями, а также участвовать в многочисленных мероприятиях. Second Life также позволяет пользователям создавать контент (например, виртуальные объекты недвижимости, услуги и обмениваться ими друг с другом) (Kaplan & Haenlein, 2010). То, что есть сегодня во Second Life, в основном создано пользователями. У Second Life есть своя собственная валюта — линденский доллар, конвертируемый в настоящий доллар США. Во многих отношениях SL функционирует как модель общества, имеющая свою собственную экономическую и социальную структуру.

Second Life используется в качестве образовательной платформы многими академическими институтами (университетами, колледжами, библиотеками и т.д.). Можно сказать, что Second Life в настоящее время является наиболее зрелой и популярной многопользовательской платформой виртуального мира, используемой в образовании (Warburton, 2009, цитируется в Potkonjak et al., 2016).

Физические VS виртуальные лаборатории

Физические и виртуальные лаборатории могут достигать схожих целей (Jong et al., 2013):

• изучение природы науки;
• развитие способностей к командной работе;
• воспитание интереса к науке;
• содействие концептуальному пониманию;
• развитие исследовательских навыков.

Однако, согласно исследованию Jong et al. (2013), присутствуют также следующие различия:

В этом же исследовании (Jong et al., 2013) подчеркивается, что во многих сравнительных исследованиях нет различий между физическими и виртуальными лабораториями. Авторы обобщили результаты нескольких исследований, подтверждающих этот факт:

1. Например, в исследовании Визнера и Лана (2004, цитируется в de Jong et al., 2013), ученые сравнили виртуальное и физическое оборудование для измерения теплообмена, массообмена и увлажнения. По результатам тестов, различий в успеваемости студентов-химиков не обнаружилось.
2. В другом исследовании (Klahr et al. ,2007) было выявлено, что семиклассники одинаково воспринимают виртуальные и физические эксперименты для концептуального понимания проектировки автомобиля.
3. Другое упомянутое исследование (Zacharia and Constantinou, 2008) демонстрирует схожие результаты, но для студентов старших курсов, изучающих тепло и температуру.

Данные исследований иллюстрируют, что для приобретения концептуальных знаний виртуальные лаборатории вполне эквивалентны физическим. Также эти исследования показывают, что тактильная информация не является обязательной для развития концептуальных знаний и навыков исследования, за исключением маленьких детей.

Сравнив два способа проведения лабораторных работ, авторы приходят к выводу, что виртуальные лаборатории имеют преимущества, когда:

• исследуются ненаблюдаемые явления (например, электрические схемы движущихся электронов, световые лучи), которые не увидеть при физическом изучении;
• необходимо проводить гораздо больше экспериментов, чем это возможно в физических условиях;
• нужно связывать наблюдаемые явления и явления на атомном уровне;
• есть задача противопоставлять различные описания сходных явлений.

Физические лаборатории имеют преимущества, когда цель обучения состоит в том, чтобы студенты овладели сложной эпистемологией науки, включая способность разбираться в неидеальных измерениях и получать практические навыки.

Используемые источники:

• de Jong, T., Linn, M. C., & Zacharia, Z. C. (2013, April 19). Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science, 340(6130), 305–308. https://doi.org/10.1126/science.1230579
• Edward, N. S. (2002). The role of laboratory work in engineering education: student and staff perceptions. International Journal of Electrical Engineering Education, 39(1), 11–19.
• Hofstein, A., & Mamlok-Naaman, R. (2007). The laboratory in science education: the state of the art. Chemistry Education Research and Practice, 8(2), 105–107.
• Potkonjak, V., Gardner, M., Callaghan, V., Mattila, P., Guetl, C., Petrović, V. M., & Jovanović, K. (2016). Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: A review. Computers and Education, 95, 309–327. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2016.02.002