Bílek, M., Rychtera, J., Skalická, P. Virtuální měřící přístroje ve všeobecném chemickém vzdělávání. Chemické rozhľady, 5/2010, s. 35 – 42. ISSN 1335-8391
VIRTUÁLNÍ MEŘÍCÍ PŘÍSTROJE VE VŠEOBECNÉM CHEMICKÉM VZDELÁVÁNÍ Martin Bílek – Jiří Rychtera – Petra Skalická Abstrakt: Virtuální měřící přístroje jsou jednou z aktuálních aplikací informačních a komunikačních technologií nejen v odborném ale i ve všeobecném chemickém vzdělávaní. V příspěvku se zaměřujeme na volně dostupné simulace (applety) měřících přístrojů využitelných v různých oblastech výuky chemie na základní škole a na gymnáziu. Diskutované jsou přednosti i rizika takovýchto aplikací počítačů ve výuce chemie a jejich kombinace s reálným školním chemickým experimentem. Konkrétní ukázky orientujeme v tomto sdělení zejména na měření pH. Klíčová slova: virtuální měřící přístroje, výuka chemie na ZŠ a gymnáziu, metodologické nástroje chemického poznávání, měření pH.
Úvod Kromě konstatování nezastupitelné role reálného experimentu v přírodovědném poznávání musíme stále více uvažovat i reálné životní prostředí, které před nás staví stále více prvků virtuálních prostředí, virtuálních světů apod. Pojem virtuálního prostředí je spojován s komunikací prostřednictvím počítačových technologií, s komunikací simulovanou (simulated), zprostředkovanou (remoted) nebo rozšířenou (extended). Virtuální komunikace tak bývá definovaná jako moderní technologický fenomén, prostřednictvím něhož se realizuje přenos informací, komunikace a další aktivity zprostředkované novými informačními technologiemi, při nichž obsahy, záměry či účastníci nemusí reálně existovat, mohou být zkreslené, nahrazené nebo uměle vytvořené, a to záměrně nebo nezáměrně [1]. V oblasti přírodovědného poznávání se ukazuje, 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, dobrou viditelnost a respektování zásad bezpečnosti práce. Může tyto požadavky splňovat i experiment virtuální (počítačem simulovaný nebo zprostředkovaný)? Vzdálená a virtuální laboratoř jako výukový koncept V aplikacích ICT ve výuce přírodovědných předmětů nemohou být opomíjeny metodologické aspekty. Nelze připustit, aby nebylo v popředí zájmu pozorování, měření a experimentování z empirických a především modelování z teoretických metod přírodovědného poznávání. V této souvislosti jsou stále více skloňovány pojmy virtuální a vzdálené laboratoře nebo vzdálená měření (virtual laboratory, remote laboratory, remote sensing) a mohly by se stát významným příspěvkem ne příliš dobrého stavu realizace experimentálních činností žáků na našich školách. Vzdálená a virtuální laboratoř jako výukový koncept může plnit následující role: • prostředí podporující experimentální (nebo „experimentální“ jinak řečeno „virtuální“) aktivity s využíváním počítače jako měřícího systému, • prostředí podporující modelování objektů a jevů a práci s modely,
• prostředí obsahující vzorky datových souborů z experimentů provedených za různých podmínek a na různých místech, • prostředí obsahující data z výzkumných center, monitorovacích stanic aj. Počítačové modelování a simulace tedy jsou základem tzv. virtuálních laboratoří. Ve výuce chemie přicházejí v úvahu jejich aplikace jako: • počítačová podpora modelování (např. modely molekul), • simulace laboratorních aktivit (např. simulace acidobazické titrace), • simulace práce s laboratorními přístroji a aparaturami (např. práce s virtuálním pH-metrem), • simulace nebezpečných, nedostupných nebo neviditelných experimentů a změn (např. simulace činnosti jaderného reaktoru). Virtuální laboratoř tak představuje v širším smyslu otevřenou, vzdáleně přístupnou databázi objektů využitelných pro simulovanou ale i pro zprostředkovanou reálnou experimentální činnost (anotace, návody, pracovní listy, grafy, schémata zapojení, kontakty, fotografie, animace a simulace). V užším smyslu je to využití tzv. appletů a jiných simulačních a animačních nástrojů k prezentaci zkoumaného předmětu nebo jevu (většinou měření nebo experimentu). Např. na stránkách Katedry chemie Iowa State Univerzity vytvořil tým pod vedením T. Greenbowea bohatý soubor animací a simulací dějů z různých oblastí chemie [2]. Jedná se většinou o produkty vytvořené v prostředích Macromedia Director a Flash. Jednotlivé animace a simulace lze spouštět přímo z uvedené adresy nebo je stáhnout a využívat na vlastním počítači. V řadě tipů využití Internetu ve výuce chemie na základní škole jsme kdysi popsali např. využití simulace galvanického článku [3] nebo simulace „pH-metru“ [4]. Virtuální přístroje pro měření pH ve výuce chemie Jako virtuální měřící přístroje jsou uvažována všechna počítačem realizovaná nebo podporovaná měření různých veličin. V chemii jde zejména o veličiny fyzikální a fyzikálně-chemické. V principu je možné virtuální měřící přístroje rozdělit na dvě základní skupiny, a to: 1) na virtuální přístroje, kdy počítač vygeneruje prostředí k měření na monitoru a data jsou získávána z reálného prostředí pomocí vlastních měřidel nebo čidel a analogově-digitálních převodníků poskytujících počítači upravený signál pro jeho zpracování [více např. 5, 6 aj.], 2) na virtuální přístroje, kdy počítač generuje nejen prostředí pro měření na monitoru, ale prostřednictvím matematických nebo formálně-logických modelů generuje (modeluje) i příslušný signál, tedy hodnoty měřené veličiny. V našem sdělení se zaměříme na druhý případ tzv. virtuálních měřících přístrojů, tedy na počítačové simulace práce s měřícími přístroji. Jako příklad můžeme z rozšiřující se nabídky softwarových produktů zaměřených na virtuální měření vybrat pro všeobecné chemické vzdělávání z výše uvedeného portálu T. Greenbowea zejména simulaci práce s pH-metrem. Veličina pH se ve výuce tématu „Kyselost a zásaditost roztoků“ používá, a řada základních i středních škol se těžko může pochlubit dostatkem pH-metrů. Proto je možné využít simulované měření s virtuálním pH-metrem přímo na těchto stránkách. Dají se měřit hodnoty pH vybraných kyselin, bází, solí a neznámých vzorků. Úloha se dá postavit tak, že žáci porovnávají výsledky „měření“ pomocí pH-metru s reálným měřením pomocí univerzálního pH papírku, určováním pH neznámých vzorků apod. Měření pH a související acidobazické titrace jsou pravděpodobně jedním z nejfrekventovanějších témat pro modelování a vytváření počítačových simulací. Kromě pH-metru T. Greenbowea (obr. 1) můžeme uvést i další. Jde např. o simulátor
měření pH vybraných vzorků látek z každodenního života s názvem PhET, dostupný na WWW-stránkách Interactive Simulations Univerzity v Coloradu (obr. 2) [7], prvky virtuální reality v projektu chemického distančního on-line vzdělávání Univerzity v Soluni (obr. 3) [8], chemická laboratoř pro potenciometrická měření na portálu ChemCollective [9] nebo celá řada simulací acidobazických titrací se stanovováním molární koncentrace neznámé kyseliny nebo zásady [např. 10].
Obr. 1 Virtuální pHmetr T. Greenbowea na Webu Katedry chemie Iowa State Univerzity přímo dostupný na adrese http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/acidbasepH/ph_meter. html [2]
Obr. 2 Simulátor měření pH „PhET“ na WWW-stránkách Interactive Simulations University v Coloradu http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=pH_Scale [7]
Jak je možné poznat v předchozích příkladech, jsou pojmy virtuální laboratoř a v ní využité virtuální přístroje úzce svázán s modelováním a simulacemi (applety). Známý specializovaný nástroj pro jejich vyhledávání na Internetu poskytuje server NatSim („Natural Science Simulations“ http://www.natsim.net) [11]. Ve výsledcích vyhledávání v NatSim-Search jsou odkazy určené k tvorbě vlastní webové stránky s appletem a ke stažení appletu v komprimované nebo přímo spustitelné versi. Zkoumání efektivity využívání virtuálního prostředí ve výuce chemie jako všeobecně vzdělávacího předmětu a v přípravě učitelů
V současné době se zabýváme řešením výzkumného projektu, zaměřeného na analýzu kombinací reálného a virtuálního prostředí ve všeobecném chemickém vzdělávání.
Obr. 3 Prvky virtuální reality v projektu chemického distančního on-line vzdělávání Univerzity v Soluni [8]
V první fázi řešení projektu jsme uskutečnili pilotní šetření u žáků základní školy při realizaci laboratorní úlohy zaměřené na měření pH s podporou reálného a virtuálního (simulovaného) měřícího přístroje. Pro zkoumání byl využit již zmíněný virtuální pHmetr (obr. 1) a ruční pH-metr v reálném uspořádání na laboratorním stole. Byly vytvořeny dva co nejvíce identické scénáře laboratorních cvičení s reálným a virtuálním pH-metrem řízených pomocí pracovních listů s třemi úrovněmi úkolů: 1) jednoduché měření připravených vzorků pH tří vodných roztoků vybraných chemických látek, 2) odpovědi na problémové otázky a následné ověření jejich správnosti pomocí měření týkající se změn v parametrech měřených látek, 3) otevřená otázka na další souvislosti měření pH a kyselosti a zásaditosti vodných roztoků chemických látek. Obě varianty laboratorního cvičení jsme zatím uskutečnili na jedné základní škole, ve které jsme k empirickému šetření použili dvě skupiny žáků a metodu pedagogického experimentu s křížením skupin. Vzhledem k tomu, že skupina žáků označená jako B vykazovala dle názoru jejich vyučujících menší motivaci pro výuku chemie, zvolili jsme ji jako první pro provedení virtuálního experimentu, na nějž navázal experiment reálný. Žáci skupiny A, hodnocení jako lepší skupina, prováděli laboratorní cvičení reálné jako první a po něm cvičení s virtuálním měřením. Rozdíl v nabytých vědomostech o kyselosti a zásaditosti vodných roztoků po absolvování obou variant laboratorního cvičení, zjišťovaný didaktickým testem, byl jen malý, statisticky nevýznamný. Jednou z příčin tohoto výsledku tedy může být i vhodná volba kombinace obou prostředí laboratorního cvičení. Ale z pozorování při laboratorním cvičení jsme zjistili, že reálné měření pH pomocí reálného pH-metru vede žáky k výraznější vazbě na látky kolem nás a žáci více spojují chemii s běžným životem. U virtuálního měření tomu tak většinou nebylo, nabídka látek k měření byla přesně daná a veškerou svoji činnost z velké části žáci striktně ohraničovali počítačovým
prostředím. Po absolvování obou variant laboratorních prací žáci také vyjadřovali v dotazníku své názory na práci v reálném a ve virtuálním prostředí. Podle zjištěných výsledků z dotazníku (rozdělení na 2 skupiny: výrazně preferující reálné měření a ostatní) a jejich korelací s výsledky v didaktickém testu vyplývá, že skupina žáků výrazně preferujících reálné měření měla statisticky významně lepší výsledky v didaktickém testu. To jsou zajímavé výsledky, které budou dále ověřovány na relevantním počtu respondentů, žáků českých základních škol a nižších stupňů osmiletých gymnázií. Závěr Jak bylo v předcházejícím textu naznačeno, mohou být počítač i další informační technologie využity jako výhodné pomocné prostředky akcentování metodologických aspektů výuky přírodovědných předmětů. Podle [12], jsou to zvláště podpora realizace experimentu nebo modelování, podpora řízení tvorby empirických nebo teoretických hypotéz a podpora formulování empirického nebo teoretického poznatku. Cílem využívání ICT je tak optimalizace podmínek vzdělávání, tj. podpora plánování, projektování, realizace i evaluace výuky tak, aby byly stanovené vzdělávací cíle dosahovány s co největší účinností. Ve výše uvedeném výzkumném projektu se snažíme přispět k smysluplnému využívání kombinace reálného a virtuálního prostředí ve výuce přírodovědných předmětů, které se může stát jednou z podstatných podmínek inovace školních experimentálních činností [12]. Poděkování Příspěvek vznikl s podporou projektu Grantové agentury České republiky (GAČR) č. 406/09/0359 a projektu specifického výzkumu PdF UHK č. 2127/2010.
LITERATURA 1. BÍLEK, M. Possibilities of Real and Virtual Environment Interaction in Primary Chemistry Education. In LAMANAUSKAS, V. (ed.) Development of Science and Technology Education in Central and Eastern Europe - 7th IOSTE Symposium for Central and Eastern Europe. Šiauliai: Publishing House of Siauliai University, 2009, pp. 27 - 30. 2. GREENBOWE, T. J. pH-meter simulation. [online]. 2005 [cit. 2010-04-09]. Dostupné z: < http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/acidbasepH/ph_met er.html>. 3. BÍLEK, M., ZEMANOVÁ, M. Internet ve výuce chemie na ZŠ. Náměty, tipy a návody. Hradec Králové: Gaudeamus, 2007, s. 65. 4. BÍLEK, M., SKALICKÁ, P. Real, Virtual Laboratories together in General Chemistry Education: Starting Points for Research Project. Problems of Education in the 21st Century, Vol. 16 Information & Communication Technology in Natural Science Education, 2009, pp. 30 - 39. 5. OPEKAR, F. Virtuální přístroje v elektroanalytické instrumentaci. Chem. Listy 89, 590 – 593 (1995). 6. BÍLEK, M. Školní chemický experiment s využitím počítače. Chem. Listy 91, 1074 - 1080 (1997). 7. PhET at Interactive Simulations [online]. [cit. 2010-04-29]. Dostupné z:
8. GEORGIOU, J., DIMITROPOULOS, K, MANITSARIS, A. A Virtual Reality Laboratory for Distance Education in Chemistry. International Journal of Social Sciences 2:1 2007, 34 – 41. 9. The Chemistry Collective [online]. 2000, [cit. 2010-04-09]. Dostupné z: . 10. GREENBOWE, T. J. Acid-base pH titration simulation. [online]. 2005 [cit. 2010-04-09]. Dostupné z: . 11. DUHAJSKÝ, J., HOUFKOVÁ, J., BUREŠOVÁ, J. Využití Internetu ve výuce – Fyzika. Brno: CP Books, 2005, 180 s. 12. BÍLEK, M. et al.: Interaction of Real and Virtual Environment in Early Science Education: Tradition and Challenges. Hradec Králové : Gaudeamus, 2009, 145 s.
Autoři: Prof. PhDr. Martin Bílek, Ph.D., Doc. PaedDr. Jiří Rychtera, Ph.D., Petra Skalická, Katedra chemie Pedagogické fakulty Univerzity Hradec Králové, Rokitanského 62, 500 03 Hradec Králové, e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected].
