«Физика в Minecraft»: использование игры Minecraft для проведения виртуальных лабораторных работ по теме «Электричество»

Категория: Инновации в образовании.

Вотинцева Мария Львовна,
Детский технопарк Кванториум в г.Кирове
(структурное подразделение КОГОАУ ДО ЦТТ г. Киров),
педагог дополнительного образования, Кировская область, г. Киров

Активное внедрение современных цифровых средств и технологий во все сферы жизни, в том числе и в процесс обучения, привело к ключевому изменению подходов к организации образовательного процесса и активному внедрение новых, дистанционных форм обучения. Особенно быстро процесс цифровизации, формирования единого образовательного пространства и разработки новых средств обучения, в том числе программных, стал развиваться в условиях распространения коронавирусной инфекции и введения карантинных мероприятий. На данный момент всё большее количество образовательных организаций наряду с традиционными применяют смешанные и дистанционные формы обучения. Отсюда перед учителями встаёт вопрос о том, как методически грамотно и эффективно организовать учебный процесс. Отметим, что для проведения теоретических и практических занятий, направленных на изучение нового материала или решение задач, удобно использовать ставшие уже привычными формы, такие как вебинары и телеконференции, работа с цифровыми образовательными платформами и т.д. Однако, когда на учебном занятии необходимо организовать лабораторную работу, связанную с использованием оборудования и сборкой экспериментальной установки, например, в курсе физики, анализом и сравнением полученных в ходе исследования результатов, учителя сталкиваются со значительными трудностями.

В условиях отсутствия оборудования и невозможности проведения лабораторных работ по физике на дому, у обучающихся с одной стороны, не формируется навык проведения физического эксперимента, а с другой стороны, знания, полученные в ходе изучения теории, не получают практическое подкрепление. Как результат, обучающиеся быстро теряют интерес к дисциплине и начинают отставать от учебной программы.
Отметим, что существует два возможных способа решения обозначенной выше проблемы. Первый способ – это организация виртуальных лабораторных работ, когда реальные приборы мы заменяем на их виртуальные аналоги, обладающие схожими характеристиками. Второй путь – это проведение экспериментов в домашних условиях с использованием тех инструментов, которые могут быть у каждого под рукой. Существенным недостатком второго подхода является возможность организации лишь самых простых опытов, например, из раздела механики, в которых обучающиеся выполняют замеры, расчёты и теоретически обосновывают полученные результаты. Что касается более опасных и требующих специального оборудования работ, данный метод не применим совсем. Смартфон позволяет заменить ряд измерительных приборов. Так, например, с помощью акселерометра, гироскопа, датчиков приближения, освещенности и влажности, барометра, GPS-датчика, генератора звука и других, а также приложения «Научный журнал Google», обучающиеся могут выполнять измерения, сохранять сведения в памяти устройства, создавать триггер к экспериментам, представлять данные графически [1].
Использование компьютера или ноутбука для проведения виртуальных лабораторных работ позволяет значительно расширить список экспериментов, доступных учащимся. К таким программам относятся виртуальные симуляторы, компьютерные программы и интерактивные модели. Они разрабатываются как за рубежом, так и у нас в стране. В качестве примера, рассмотрим интерактивные модели учителя Вальтер Фендта из Германии [2]. Все лабораторные работы представлены на сайте и поделены на разделы, такие как механика, оптика, электродинамика и т.д. Для выполнения задания необходимо выбрать нужную работу и открыть модель оборудования, которое необходимо изучить. Достоинством этой разработки является наглядность оборудования. Однако, в отличие от реального прибора, у его виртуального аналога полностью отсутствует возможность самостоятельной сборки экспериментальной установки, а сама настройка прибора ограничивается изменением нескольких значений.
Можно отметить и интерактивные виртуальные модели университета Колорадо [3]. От предыдущих описанных нами моделей они отличаются большей интерактивностью и привлекательным внешним видом. Также можно отметить, что они похожи на мини-игры, что повысит заинтересованность учащихся к выполнению работ.
Примером отечественной виртуальной лаборатории является разработанная в Санкт-Петербургском государственном университете среда BARSIC [4]. Она содержит несколько десятков виртуальных лабораторных работ, имитирующих стандартные лабораторные работы по различным разделам физики. В ней представлены работы как школьной программы, так и университетской. Однако, в отличие от предыдущих примеров, среда Barsic относится к коммерческим образовательным проектам и для ее использования необходима покупка лицензии. Бесплатная версия предоставляет лишь ограниченный набор заданий. Существенным отличием также является необходимость установки программы на компьютер. Лабораторные работы схожи с интерактивными моделями Колорадского университета, но сильно уступают в графической составляющей и в интерактивности.
Итак, на данный момент можно выделить несколько вариантов организации лабораторных работ по физике в условиях отсутствия оборудования, а сама задача разработки доступных, наглядных и эффективных вариантов проведения физических экспериментов в виртуальном пространстве является актуальной.
Цель нашей работы заключается в анализе возможности использования игровых технологий для организации и проведения виртуальных лабораторных работ по физике, которые можно проводить как в очном формате в условиях отсутствия необходимого оборудования, так и при дистанционной форме обучения. В ходе работы над проектом были поставлены следующие задачи:
• провести анализ примерной рабочей программы по физике и составить список лабораторных работ, которые можно реализовать в виртуальном пространстве;
• провести отбор наиболее эффективных инструментов для реализации виртуальных лабораторных работ;
• сформировать виртуальный мир для проведения физических экспериментов;
• подготовить рабочую тетрадь учащихся, включающую в себя описание организации и проведения каждой лабораторной работы, а также задания для выполнения;
• записать несколько базовых видео-инструкций по установке и настройке программного обеспечения (ПО), а также по сборке базовой экспериментальной установки в игровом мире;
• разработать сайт и опубликовать разработанные лабораторные работы в сети Интернет.
Мы считаем, что для эффективного внедрения виртуальных лабораторных работ в процесс обучения и возможности их тиражирования, необходимо, чтобы они отвечали следующим требованиям. Во-первых, лабораторные работы должны быть представлены в простой и интуитивно-понятной форме, чтобы ни у учащихся, ни у педагога не возникло трудностей при их выполнении. Кроме того, используемое виртуальное оборудование по характеристикам должно соответствовать реальным приборам и давать представление о способах их работы. Выполнение самих лабораторных работ должно быть максимально интересно обучающимся.
На подготовительном этапе была выбрана тема «Электричество» из курса физики за 8 класс, как наиболее оптимальная по требуемому оборудованию для переноса в виртуальную среду. В качестве простого и понятного школьникам, а также удобного и достаточно функционального инструмента создания виртуальной физической лаборатории была выбрана одна из самых популярных игр – Minecraft. Эта игра имеет свой интересный, незамысловатый, красочный и узнаваемый стиль. Для изменения и расширения игрового опыта в игре Minecraft могут использоваться модификации. Модификации добавляют новые предметы, блоки, механики игры, а также улучшают графику, позволяют создавать новые миры, квесты и многое другое.
Модификация игры Minecraft под названием «ElectricalAge» представляет собой дополнение, которое добавляет в игру новые элементы и механизмы электричества. Эта модификация позволяет игрокам создавать и управлять различными электрическими схемами, проводить электропередачу, создавать электрические цепи и механизмы, используя различные устройства и компоненты. С помощью модификации «ElectricalAge» игроки могут автоматизировать свои процессы, улучшить работу строений и использовать электричество для различных целей в игре.
Основным достоинством является то, что в ходе привычной многим обучающимся игровой деятельности, ребята будут строить электрические схемы, ставить эксперименты, включать электрический ток, выполнять замеры, а значит выполнение заданий в игровом мире будет способствовать повышению степени вовлеченности обучающихся в процесс обучения. Также стоит отметить, что выполнение виртуальных экспериментов приближено к реальности, т.е. установки должны собираться по определённым правилам, которые применяются и на очных занятиях физики. Если в альтернативах нашей работы при неправильной сборке ничего не произойдёт, то в нашей работе может сломаться/взорваться как установка, так и место, на которой она оборудована.
В ходе работы над проектом были проанализированы существующие на данный момент аналоги, изучена примерная образовательная программа и ФГОС основного общего образования по предмету физика для поиска учебного материала, который может быть представлен в игре и проанализированы модификации игры Minecraft, которые позволили бы нам реализовать лабораторные работы. В результате были разработаны шесть лабораторных работ по следующим темам:
1. Сборка электрической цепи и измерение силы тока на её участках.
2. Измерение напряжения на различных участках электрической цепи.
3. Измерение сопротивления проводника при помощи мультиметра.
4. Измерение работы и мощности электрического тока.
5. Регулировка силы тока реостатом.
6. Сборка электрической цепи и исследование работы реле.
В ходе выполнения виртуальных лабораторных работ обучающиеся научатся собирать экспериментальную установку, следуя предложенной инструкции, вычислять значение величины и анализировать полученные результаты с учётом заданной точности измерений; проводить исследование зависимостей физических величин с использованием прямых измерений; составлять схемы электрических цепей с последовательным и параллельным соединением элементов, различая условные обозначения элементов электрических цепей (источник тока, ключ, резистор, реостат, лампочка, амперметр, вольтметр); описывать изученные свойства тел и электромагнитные явления, используя физические величины: электрический заряд, сила тока, электрическое напряжение, электрическое сопротивление, удельное сопротивление вещества, работа электрического поля, мощность тока; анализировать электромагнитные явления и процессы, используя физические законы: закон сохранения электрического заряда, закон Ома для участка цепи; понимать роль эксперимента в получении научной информации [5].
Таким образом, разработанные лабораторные работы можно использовать в учебном процессе для организации экспериментальной и исследовательской деятельности школьников по предмету физика в условиях отсутствия необходимого оборудования. Отличительной особенностью разработанных материалов является перенос реальных физических приборов, их свойств и характеристик, в созданный авторами виртуальный мир игры Minecraft. Авторы считают, что монтаж электрических цепей и выполнение замеров не в реальном, а в цифровом пространстве позволит сформировать базовые навыки по проведению физического эксперимента. Кроме того, каждый обучающийся получит возможность выполнить задание и поработать с виртуальными приборами, в то время как в кабинете физике имеющегося оборудования, как правило, не хватает на всех учеников. Работа с виртуальным оборудованием исключает возможность травмирования учеников в случае несоблюдения техники безопасности и возникновении аварии. Использование популярной игры Minecraft будет способствовать повышению мотивации школьников к изучению предмета. Наконец, такой формат работы даёт возможность педагогу и обучающимся организовать процесс обучения удаленно.
Отметим также возможность применения игры Minecraft в образовательном процессе путём создания лабораторных работ, как по другим разделам физики, так и по другим дисциплинам.

Ссылки на источники:
1. Лабораторные работы в условиях дистанционного обучения. Сайт B-Pro – URL: https://b-pro.com.ua/ru/statti/poglyad-eksperta.-laboratorni-roboti-v-umovah-distancijnogo-navchannya
2. Сайт Walter Fendt Apps on Physics/ - Walter Fendt, 17.02.2021 – URL: https://www.walter-fendt.de/html5/phru/
3. Сайт Phet interactive simulations – URL: https://phet.colorado.edu
4. Образовательный сайт В.В. Монахова по физике – URL: http://barsic.spbu.ru/www/edu/edunet.html
5. Примерная рабочая программа основного общего образования, Физика, базовый уровень (для 7-9 классов образовательных организаций)

Печать