REÁLNÝ A VIRTUÁLNÍ CHEMICKÝ EXPERIMENT SOUČASNOST A PERSPEKTIVY Autoři: Martin Bílek, Petra Skalická, Jiří Rychtera, Karel Myška Abstrakt Studie se zaměřuje na význam metodologických aspektů chemického vzdělávání v období informační společnosti. V úvodu se zamýšlíme nad významem využití informačních a komunikačních technologií při podpoře základních metod přírodovědného a zejména chemického a jejich průmětem do školního kurikula. Popsány a příklady doloženy jsou vybrané přístupy k využití kombinace reálného a virtuálního prostředí při podpoře experimentálních činností žáků a studentů vzdálené laboratoře, vzdálená měření a virtuální laboratoře. V závěru se pokoušíme nastínit výhody i problematická místa zavádění těchto technologií do pedagogické praxe především všeobecného vzdělávání. Klíčová slova: Chemické vzdělávání; vzdálené laboratoře a vzdálená měření; virtuální laboratoře; školní chemický experiment; počítačové simulace experimentálních činností. REAL AND VIRTUAL CHEMICAL EXPERIMENT PRESENT AND PERSPECTIVES Abstract The paper deals with the importance of methodological aspects in the chemical education at time of information society. The introduction contents our thinking about using of ICT on science/chemistry methods and their application in the school curriculum. Selected approaches to combination of real and virtual environment using for student s experimental activities are described and by examples completed remote laboratory, remote sensing and virtual laboratory. We are trying to orientate the conclusion to advantages and limits for the incorporation of mentioned technologies in the pedagogical practice of general education. Key Words: Chemical Education; Remote Laboratory; Remote Sensing; Virtual Laboratory; School Chemical Experiment; Computer Simulation of Experimental Activities. 1 Úvod Vyspělé země si uvědomují, že z hlediska budoucnosti je podstatné, aby se žáci a studenti na všech stupních škol sžili s novými technologiemi, protože vědomosti a dovednosti, které takto získají, zvýší jejich budoucí konkurenceschopnost i konkurenceschopnost ekonomiky jako celku. Tyto úvahy se odrážejí i v jejich koncepcích informační politiky ve vzdělávání. Materiály vzdělávací politiky Evropské unie skloňují ve všech pádech otázky aktivního využívání počítačů na všech stupních škol. Ve většině vyspělých evropských zemí jsou již pro implementaci ICT do školského systému k dispozici základní koncepční materiály. Analýza těchto materiálů poskytuje několik základních obecných tendencí 9 : vyjádření vize stavu, ke kterému je třeba dospět, předkládání důkazů o prospěšnosti ICT ve vzdělávání, definování cesty popis jednotlivých fází, definování cíle včetně způsobu, jak měřit dosažené výsledky, definice sféry působnosti spolupráce osob, organizací a sektorů. Příkladů by bylo jistě možné uvést velkou řadu, ale nejdůležitější je, že ve všech těchto tendencích považuje většina zemí ICT za nástroj, který by měl procházet napříč osnovami ve všech předmětech. Je vyjádřen široký souhlas s tím, že mimořádně důležité je mít přístup k výukovým materiálům, ať již jsou umístěny na lokálním disku, na CD-ROMu,
na vzdáleném WWW-serveru nebo v reálné budoucnosti dostupné pomocí nějaké varianty digitální televize. Proto podporují zvláště země EU programy pro "digitalizaci" nejen vědeckých a akademických pracovišť, ale také muzeí, knihoven, galerií a jiných institucí se zdroji materiálů vhodných pro výuku. Tak jsou budovány na bázi Internetu národní vzdělávací sítě a v jejich rámci servery s prověřenými a kvalitními výukovými materiály 2. 2 Specifika e-learningu v přírodovědném vzdělávání Ani ve výukových aplikacích informačních technologií (e-learningu) včetně Internetu, nesmí být opomíjena základní esence každého vyučovaného oboru. Tak nesmí být ve výuce např. přírodovědných předmětů, a ve smysluplných aplikacích ani nejsou, opomíjeny metodologické aspekty. Z tohoto hlediska jsou základními a obecnými metodologickými nástroji (metodami) poznání 9 : a) empirické metody: prosté a řízené pozorování, reálné experimentování, empirická hypotéza; b) teoretické metody: myšlenkové experimentování, modelování na různé teoretické úrovni (materiální, mentální, matematické apod.), teoretická hypotéza. Funkce interaktivního média není bezprostřední, ale zprostředkovaně metodologická. Umožňuje aplikovat základní empirické a teoretické metody rychleji, komplexněji a jejich výsledky ukládat i dlouhodobě do paměti a přitom kdykoliv poskytovat informace i o historii studovaného (zkoumaného) jevu. Z toho vyplývají základní funkce, které mohou ICT: a) obecně, b) specializovaně (interaktivně), poskytovat přírodním vědám. Jde tedy o výrazný pomocný nástroj, umožňující zdokonalovat metodologii získávání nových a aplikaci existujících poznatků (konkrétní příklady např. viz Bílek, 2005 4 ). Z uvedených aspektů má počítač místo ve spojení s kteroukoliv základní empirickou nebo teoretickou metodou, nebo ve vzájemném vztahu mezi nimi. Kromě toho může např. představovat databázi poznatků získaných v procesu historického vývoje přírodních věd jako celku i jejich jednotlivých disciplín, když může být nesrovnatelně rychleji a pohodlněji vyhledána potřebná informace, popř. je možno požadovat i příslušné, programem dané, zpracování této informace. To se týká např. průběžného sledování, popř. řízení procesů na všech kvantitativních úrovních laboratorní (mikro-, semimikro-, makro-technika), poloprovozní a provozní. Především tímto způsobem se nyní ICT uplatňují v odborné přírodovědné praxi. Do popředí zájmu přírodovědné výuky s podporou ICT se dostávají tzv. vzdálené a virtuální laboratoře (remote and virtual laboratory) a vzdálená měření (remote sensing) (např. Baran, Currie, Kennepohl, 2004; Bílek, 1999; Lustig, 2003; Martínez-Jiménes, Pontes- 1, 5, 10, Pedrajas, Polo, Climent-Bellido, 2003; Skoršepa, Kmeťová, 2005, Woodfield, 2003; aj. 12, 13, 17 ). Jako "vzdálené laboratoře" resp. vzdálená měření se označují většinou pracoviště případně alespoň místa prezentovaných záznamů dat, která tímto způsobem zpřístupňují vzdáleným spolupracujícím odborníkům přístroje a měřící systémy, které pro ně byly (buď z časových nebo finančních důvodů) jinak nedostupné. Ve většině případů se jedná o zpřístupnění průběžně snímaných dat (např. meteorologické družice, seismografy, hmotnostní spektrografy, výkonné spektrální přístroje aj.), zřídka může vzdálený uživatel i ovlivňovat uspořádání měřícího systému a snímání dat podle vlastních potřeb. Tyto modely je možné z vědeckého prostředí transformovat také do školního prostředí 2.
3 Virtuálně nebo reálně? Proveditelný reálný experiment by neměl být žádným způsobem eliminován ze školní laboratorní praxe. To je východisko všech kurikulárních přístupů v přírodovědném vzdělávání, které zůstává stále aktuální. Ovšem naše reálné životní prostředí před nás staví stále více prvků virtuálních prostředí, virtuálních světů, světů zprostředkovaných nekonečnými možnostmi počítačových sítí. Ze zkušeností je zřejmé, že děti i dospělí jsou značně motivováni experimentováním, objevováním a vlastním chápáním se věcí. Má-li školní experiment splnit svůj účel, musí být volen tak, aby byl názorný, přiměřený věku učících se a byl proveden s dalšími požadavky na přehlednost, jednoduchost a dobrou viditelnost. Může tyto požadavky splňovat i experiment vzdálený či virtuální? Určitě může, jen je třeba volit proporcionální kombinaci reálného, zprostředkovaného a simulovaného experimentování. Jednoduché experimenty, nenáročné na materiální a technické zázemí, provádět přednostně formou reálné činnosti, vzdálená pozorování a vzdálené experimenty využívat jako doplněk k aktualizaci a motivaci např. formou školních projektů a projektově orientovaných činností a virtuální experimenty využívat zejména při interpretaci reálných experimentů (trenažéry laboratorní činnosti, predikce a verifikace výsledků experimentů) a experimentů ve školních podmínkách neproveditelných (nebezpečných, náročných na technické vybavení, nedostupných apod.). Získávání a prohlubování manuálních dovedností (měření s dostupnými laboratorními přístroji, práce s aparaturami i vytvořenými z prostředků každodenní potřeby, práce s dostupnými a bezpečnými chemickými látkami aj.), které jsou jednou z podstatných složek přírodovědného vzdělávání nelze nahradit prací s monitorem a klávesnicí. Ovšem vyhýbat se zprostředkovanému pozorování a prací s modely (přístrojů, průběhů přírodovědných fenoménů apod.) možné také není. V této oblasti nás čeká ještě řada výzkumů, jak potvrzujících tak nově orientovaných, které budou s to zodpovědět na otázky spojené s rozdílem a přínosem reálné a simulované experimentální činnosti. Naše pracoviště se svého času zabývalo zkoumáním vlivu simulací trenažérů laboratorní činnosti na úspěšnost žáků při reálném experimentování 9, ovšem získané výsledky i vzhledem k tehdy dostupným technickým podmínkám nebylo možné považovat za jednoznačné. Je více než zřejmé, že nyní, v době výrazného nástupu tvorby a využívání vzdálených a zejména virtuálních laboratoří a jejich dostupnosti i v mimoškolních podmínkách prostřednictvím WWW, vzrůstá potřeba nových zkoumání (především pedagogického a pedagogicko psychologického výzkumu) v této oblasti. V následující tabulce (tab. 1) jsme pokusili o rekapitulaci popisovaných přístupů 2. Tab. 1 Přístupy k internetové podpoře metod přírodovědného 2 Typ internetové podpory přírodovědného Vzdálené měření Vzdálená laboratoř na bázi vlastního pozorování nebo experimentování Vzdálená laboratoř na bázi zprostředkovaného experimentu Akcentované metodologické nástroje Interpretace dat, nepřímé pozorování, zpracování dat Přímé pozorování, měření, experimentování, zpracování dat měření, zpracování dat Vazba: učící se Internet Off-line () Další podmínky realizace Kompatibilní prostředí pro zpracování dat Měřící přístroje, aparatury, chemikálie (Prostředí k registraci a zpracování dat) Objednávka provedení experimentu, prostředí k registraci a zpracování dat
Typ internetové podpory přírodovědného Vzdálená laboratoř na bázi vzdáleně řízeného experimentu Virtuální laboratoř na bázi videozáznamu Virtuální laboratoř na bázi animace Virtuální laboratoř na bázi simulace Akcentované metodologické nástroje zprostředkované řízení experimentu, zprac. Dat (měření, zpracování dat) modelová abstrakce, (měření, zpracování dat) Práce s modelem (nastavení parametrů), zpracování dat Vazba: učící se Internet Další podmínky realizace Zajištění přístupu k vzdálenému zařízení (HW i SW) (Prostředí k registraci a zpracování dat) (Prostředí k registraci a zpracování dat) Kompatibilní prostředí pro zpracování dat Závěr Vzdálené a virtuální laboratoře jako součást tzv. virtuálního učebního prostředí (Virtual Learning Environment VLE) jsou nejaktuálnějším trendem ICT podpory přírodovědné výuky. Přinášejí novou dimenzi nejen do laboratoří ale i do každodenního života studentů, učitelů a každého dalšího zájemce o přírodovědné vzdělávání. Na druhé straně ale ICT a zvláště jejich síťově komponované systémy nenabízejí učitelům a žákům/studentům jen samá pozitiva, jak by se mohlo zdát po výčtu nejaktuálnějších trendů. Přinášejí i mnohá rizika a problémy. Zdůrazňuje se řada možných problémů tohoto rizikového prostředí 7 : izolace a kognitivní přetížení žáka, jeho učitele (stres z komunikace a z práce na monitoru, závislost žáka či učitele na síťové navigaci nebo hře (i experimentování pozn. autorů) ve virtuálních světech, pocit dominance (posílení rozhodovacích a kontrolních center, víceméně monopolizovaná vláda ekonomických mocností nad důležitými funkcemi sítě atd.), kontakty s kolektivní hloupostí a nedokonalostí. Navíc mohou nastat problémy s časově náročnou přípravou, s průběhem a řízením výuky, se závislostí na ICT (závislost na energetickém zdroji, na provozu serverů, na možnostech a kvalitě software, na logice, nástrojích a struktuře, na možnostech komunikace atd.), se zdravotně hygienickými aspekty atd. Důvody pro neustálou kritickou evaluaci vytvořených a realizovaných prostředků virtuální komunikace ve školním prostředí a potřeba integrace odborného potenciálu informatiků a didaktiků v našem příkladě prezentovaných přírodovědných předmětů se zdají být v současné době více než zřejmé. Literatura 1. BARAN, J., CURRIE, R., KENNEPOHL, D.: Remote Instrumentation for the Teaching Laboratory. J.Chem. Educ., 2004, 81, 1814-1816. 2. BÍLEK, M., TURČÁNI, M.: Vzdálené a virtuální laboratoře ve výuce a v přípravě učitelů přírodovědných předmětů. Pedagogika, roč. LVI, 4/2006, s. 361 372.
3. BÍLEK, M., ULRICHOVÁ, M.: Využití Internetu ve výuce chemie na základní škole. Hradec Králové : Gaudeamus, 2007. 4. BÍLEK, M.: ICT ve výuce chemie. Hradec Králové: SIPVZ a Gaudeamus, 2005. 5. BÍLEK, M.: Stanovení koncentrace potravinářského octa s využitím mikropočítače COMMODORE 64. In: Chemický experiment a technika, počítače, video, ekologie - Sborník mezinárodního semináře o vyučování chemii, Hradec Králové: PF, 1991, s. 49-51. 6. BÍLEK, M.: Vzdálená laboratoř pro výuku chemie. In: Pregraduální příprava a postgraduální vzdělávání učitelů chemie Sborník přednášek. Ostrava: OU, 1999, s.107 112. 7. ČERNOCHOVÁ, M.: Příprava budoucích eučitelů na e-instruction. Kladno: AISIS, 2003. 8. DAHNCKE, H., BEHRENDT, H.: Taking Action and Learning Physics Research in Secondary School Classes in Two Countries Regarding Experiments and Computer Simulation. In: VALANIDES, N. (ed.): Science and technology Education: Preparing Future Citizens. Proceedings of the 1 st OSTE Symposium in Southern Europe, Volume II, Nicosia: University of Cyprus, 2001, p. 324-333. 9. HELLBERG, J., BÍLEK, M.: K současnému stavu a vývojovým tendencím výuky chemii ve vybraných zemích Evropské unie. Hradec Králové: Gaudeamus, 2000. 10. LUSTIG, F.: Distanční fyzikální laboratoře. In: MECHLOVÁ, E. (ed.): ICTE 2003 sborník příspěvků, Ostrava: PřF OU, 2003, s. 27 34. 11. LUSTIG, F.: Interaktivní internetové laboratorní studio ISES. In: Mechlová, E. (ed.): Information and Communication Technology in Education - Proceedings, Ostrava: Ostravská univerzita, 2001, s. 32-53. 12. MARTÍNEZ-JIMÉNES, P., PONTES-PEDRAJAS, A., POLO, J., CLIMENT- BELLIDO, M. S.: Learning in Chemistry with Virtual Laboratories. J.Chem. Educ., 2003, 80, 346 352. 13. SKORŠEPA, M., KMEŤOVÁ, J.: Posibilities of Internet in Chemical Experimentation. In: BÍLEK, M. (ed.): Internet in Science and Technical Education. Hradec Králové: Gaudeamus, 2005, pp. 62 65. 14. TRNA, J.: Nastává éra mezioborových didaktik? Pedagogická orientace, 2005, č.1, s. 89-97. 15. TURČÁNI, M., BÍLEK, M., SLABÝ, A.: Prírodovedné vzdelávanie v informačnej spoločnosti. Edícía Prírodovedec č. 115, Nitra: FPV UKF, 2003. 16. TURČÁNI, M.: Informačné a komunikačné technológie vo výučbe prírodovedných predmetov. Technológia vzdelávania, 9/2000, ročník VIII., 2000, s. 5 8. 17. WOODFIELD, B. F. et al.: The virtual ChemLab Project: A Realistic and Sophisticated Simulation of Inorganic Qualitative Analysis. J.Chem. Educ., 2004, 81, 1672 1678. Poděkování Příspěvek vznikl s podporou projektu Grantové agentury České republiky (GAČR) č. 406/09/0359 a projektu specifického výzkumu PdF UHK č. 2107/2009. Kontaktní adresy Martin Bílek, Petra Skalická, Jiří Rychtera, Karel Myška, Katedra chemie, Pedagogická fakulta, Univerzita Hradec Králové, Rokitanského 62, 500 03 Hradec Králové, Česká republika, martin.bilek@uhk.cz.
Citace BÍLEK, M., SKALICKÁ, P., RYCHTERA, J., MYŠKA, K. Reálný a virtuální chemický experiment - současnost a perspektivy. In KMEŤOVÁ, J., LICHVÁROVÁ, M. (eds.): Súčasnosť a perspektívy didaktiky chémie II. - Zborník z medzinárodnej konferencie, Donovaly, 27. - 29. 5. 2009, Banská Bystrica : FPV UMB, 2009, s. 9-13. ISBN 987-80-8083-751-8