Виртуальные программные средства позволяют наглядно показать все физические явления и некоторые эксперименты, которые нельзя воспроизвести в реальной жизни, показать все тонкости процесса, которые на первый взгляд не заметны при выполнении лабораторной работы в реальной жизни. Использование компьютерных моделей и виртуальных лабораторий предоставляется как уникальная возможность визуализации упрощенной модели реального явления [1,2]. Рассмотрим особенности использования и проведения виртуальных лабораторных работ в учебном процессе медицинского вуза при обучении студентов первого курса дисциплине «физика, математика».
В соответствии с учебным планом, студенты лечебного, медико-профилактического и стоматологического факультетов на первом курсе обучения выполняют лабораторно-практические работы по разделам дисциплины «физика, математика»:
- теория вероятностей и статистическая обработка медико-биологических данных, вычисление абсолютной и относительной погрешностей вычислений;
- исследование слухового ощущения, аудиометрия и построение аудиограмм;
- определение вязкости водных растворов жидкостей с использованием вискозиметра, определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца и методом счета капель;
- физические основы гемодинамики (определение давления крови различными методами);
- пассивные электрические свойства живых тканей по отношению к переменному току (определение дисперсии импеданса биологической ткани);
- определение амплитудных и временных характеристик электрокардиограммы;
- опытная проверка закона Бугера и др.
Наибольший интерес для настоящего исследования представляют отдельные лабораторные работы, проведение которых требует использования специального физического оборудования, которое может быть представлено в объеме, не достаточном для эффективного проведения соответствующих занятий со студентами. По-нашему мнению, примерами таких лабораторных работ являются: работа по определению дисперсии импеданса биологической ткани, определению временных и амплитудных характеристик электрокардиограмм, а также построению аудиограмм. Следует отметить, что такие лабораторно-практические занятия традиционно проводятся в медицинских вузах с использованием имеющего оборудования или вообще без него (по известным результатам измерений). Другие же лабораторные работы реализованы в специальных программных средах, например, работа по определению вязкости и поверхностного натяжения.
В целях определения эффективности использования виртуальных лабораторных комплексов было проведено сравнительное исследование результатов освоения студентами отдельных тем учебного плана (акустика, гидродинамика, физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями) при использовании традиционных и виртуальных лабораторных работ. В начале проводимого исследования была сформулирована гипотеза о том, что занятия, проводимые с использованием обучающих компьютерных программ или компьютерного моделирования, позволяют повысить эффективность изучения дисциплин естественнонаучного цикла на 30% [3]. В целях проверки данной гипотезы рассмотрим результаты тестирования студентов по данным разделам дисциплины «физика, математика» после прослушивания лекции по указанным темам и проведения лабораторно-практических занятий с использованием традиционных образовательных технологий, и виртуальных лабораторных комплексов.
Предварительное тестирование по результатам прослушивания лекции и самостоятельной подготовки к лабораторно-практическим занятиям по трем темам учебного плана (акустика, гидродинамика, физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями) прошли 476 студентов первого курса, которые позднее провели лабораторно-практические работы с использованием виртуального лабораторного комплекса. Поэтому рассмотрим на рис. 1 и 2 результаты предварительного тестирования (назовем его «входное») и тестирования студентов после виртуальных лабораторных работ.
Согласно представленным на рисунке данным, средняя оценка по результатам входного тестирования, полученная студентами составила 55,7% правильных ответов из 100, при этом максимальный балл составил 80%, а минимальный — 0. Среди 476 протестированных студентов 61 человек (12,8%) набрали 70-80% правильных ответов, что соответствует установленному порогу успешного прохождения теста. Также необходимо отметить, что 86% студентов (более 410 человек) ответили верно не более чем в 66% случаев: 137 человек — 66%, 179 человек — 58%, 44 человека — 49%, 30 человек — 41% и т.д. То есть распределение оценок протестированных студентов представляется неравномерным, и может быть вызвано различием уровня самостоятельной подготовленности к тесту.
По данным рисунка 2, оценки студентов распределены более равномерно. 226 студентов прошли тестирование с оценкой «зачтено», то есть набрали более 70% верных ответов. Максимальный балл составил 100% (22 человека), минимальный — 26,52%. По-нашему мнению, полученные результаты тестирования свидетельствуют о более полной подготовленности студентов к тестовому контролю.
Таким образом, использование виртуальных лабораторных комплексов при обучении студентов отдельным разделам дисциплины «физика, математика» позволяет системно использовать различные учебные средства, в том числе различные компьютерные программы учебного назначения: компьютерные пособия, программы-тренажеры, контрольные программы, электронные справочники и базы данных учебного назначения, лабораторные практикумы и т.д. Грамотно разработанный комплекс позволяет преподавателю вводить необходимую для студентов информацию, формировать оптимальный сценарий для проведения занятий, а также фиксировать данные об учебных успехах студентов. В свою очередь, будущие специалисты получают возможность самостоятельно работать с подготовленными учебными и методическими материалами для достижения поставленной образовательной цели, а также своевременно получать информацию о результатах своей работы.
В заключение необходимо отметить, что использование на занятиях естественнонаучных дисциплин виртуальных лабораторных комплексов, в которых учтены специфические особенности преподавания этих дисциплин, позволяет значительно повысить качество усвоения студентами учебного материала. Также, использование виртуальных лабораторных комплексов решает такие задачи, как обеспечение самостоятельной подготовки студентов; повышение мотивации к освоению нового материала; изучение особенностей работы оборудования; получение навыков работы с использованием автоматизированного рабочего места. То есть преимущества используемых виртуальных лабораторных работ заключается в возможности эффективно использовать самостоятельные виртуальные стенды для различных форм обучения и обеспечить такие составляющие процесса обучение как активизация знаний для выполнения исследования и контроль знаний после.
Данная статья подготовлена в рамках научного исследования на тему «Разработка виртуального лабораторного комплекса для проведения медико-биологических измерений», выполняемого за счет средств субсидии молодым ученым вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.