В последние годы научно-исследовательское образование (IBSE) доказало свою эффективность в обучении, расширяя “традиционные” уроки и мотивируя студентов к активному участию в науке [1]. Методы IBSE и цифровые технологии поддерживают необходимые образовательные инновации и могут быть катализатором изменения образовательных моделей (в отношении его формы, пространства, функций, услуг, инструментов, ролей, процедур) [2]. Виртуальные лаборатории являются важным цифровым инструментом. На самом деле, многие европейские школы оснащены компьютерными классами, планшетами и высокоскоростным доступом в интернет с использованием огромного разнообразия веб-приложений для обучения, моделирования и визуализации. [3]

Виртуальные лабораторные среды можно разделить на следующие категории по принципу работы [4]:

• моделирование расчетов;
• сетевые апплеты;
• виртуальная лаборатория;
• лаборатории виртуальной реальности (VRL);
• лаборатории, контролируемые расстоянием (удаленные лаборатории).

Моделирование расчетов

Моделирование — это имитация операционных систем во времени, через компьютеры. Они представляют собой процесс на основе модели, которая дешевле, быстрее, менее рискованна и более доступна, чем реальный процесс. Ярким примеров являются программы для радиолюбителей: моделирование электрических схем, расчет емкости и индуктивности, расчет тока одно и трехфазного короткого замыкания. (рисунок 1).

Рисунок 1. Программы для радиолюбителей

Сетевые апплеты

Апплеты являются экспериментальными устройствами в небольших виртуальных лабораториях и довольно популярны в научной тематике. Они малы в размере и легко транспортированы и их можно использовать независимо от типа операционной системы. В качестве примера можно привести виртуальную лабораторию нового поколения для IT профессионалов – EVE-NG 2018. (рисунок 2).

Рисунок 2. EVE-NG 2018

Виртуальная лаборатория

Виртуальные лаборатории (virtual laboratories) имитируют виртуальную операционную систему, экран компьютера, научные лаборатории, используя потенциал предлагаемых современными медиа-технологиями ключевых особенностей технического взаимодействия и прямого и правдоподобного манипулирования объектами и параметрами.

В виртуальной лаборатории Department of Theoretical and Applied Mechanics размещаются проекты, позволяющие онлайн, в интерактивном режиме, проводить компьютерные эксперименты, исследовать всевозможные системы: математические, механические, физические, биологические и др., а также научиться онлайн программированию и визуализации. (рисунок 3).

Рисунок 3. Department of Theoretical and Applied Mechanics

Лаборатории виртуальной реальности (VRL)

Мастерские VRL основаны на компьютере и очень интерактивны. Пользователь становится участником “практически реального” мира, в искусственной трехмерной оптической среде. Эти курсы по существу являются интерфейсом высокого уровня, включая трехмерное моделирование в реальном времени через различные сенсорные каналы. Например, VRlab — лаборатория виртуальной и дополненной реальности. (рисунок 4).

Рисунок 4. VRlab

Лаборатории, контролируемые расстоянием (удаленные лаборатории)

Семинары, контролируемые удаленно (удаленные лаборатории, иначе известные как онлайн-лаборатории или стенды), включают в себя реальные эксперименты, проводимые на расстоянии с использованием телекоммуникаций, в то время как пользователь использует эту технологию из другого места.

Большая часть программного обеспечения виртуальной лаборатории состоит из вычислительных приложений, работающих на локальном компьютере пользователя, по соображениям скорости и безопасности. Ими можно управлять дистанционно. Примером являются те, которые основаны на апплетах или роботизированных мастерских (удаленных лабораториях), которые могут принимать команды через Интернет [5].

“LiLa” является аббревиатурой “Library of Labs”, инициативы восьми университетов и трех предприятий, для взаимного обмена и доступа к виртуальным лабораториям (среды моделирования) и дистанционным экспериментам (реальные лаборатории, которые дистанционно управляются через интернет) (рисунок 5).

Рисунок 5. Библиотека лабораторий

Виртуальные лаборатории могут быть очень полезны в преподавании, особенно в тех случаях, когда:

• экспериментальные действия должны быть сделаны быстро и позволяют наблюдение и безопасное измерение;
  
• экспериментальный процесс очень медленный и / или сложный и не совместим с имеющимся временем обучения;
  
• эксперименты связаны с риском для здоровья учащихся
• учебная деятельность требует моделирования.

Виртуальные лаборатории поддерживают IBSL в изучении науки:

• законы в науке возникают в результате детального наблюдения процессов, с явно большими шансами на разъяснение, понимание и принятие, если рассматривать подробно;
  
• он поощряет сотрудничество и коммуникацию между преподавателями и студентами. Преподаватели STEM активно участвуют в процессе обучения: задают вопросы, пытаются найти ответы, организуют процедуры и комментируют их, помогают в формулировании выводов, понимании своих ошибок и освещении любых заблуждений.

Различия между реальным жизненным опытом и опытом, формируемым представлениями на экране компьютера. С виртуальными лабораториями, студенты приобретают инструмент, с которым можно экспериментировать без ограничений пространства или времени. Они доступны круглый год, в отличие от школьных лабораторий, ограниченных определенным местом и ограниченным временем. [6]

Использование виртуальных сред позволяет учащимся лучше овладеть компьютерными навыками, которые можно считать навыками обучения на протяжении всей жизни. Использование этих технологий также объединяет различные темы STEM и предоставляет большие ресурсы для более инклюзивных семинаров [7].

Все рассмотренные лаборатории в сочетании с хорошей педагогической структурой, поддержкой учащихся, взаимодействием с преподавателями приводят к высоким результатам и более богатому опыту обучения.