XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Современная система образования находится на этапе активного внедрения цифровых технологий, что значительно меняет методы преподавания различных дисциплин, включая химию. В условиях усложняющихся образовательных стандартов и требований к учащимся, особенно актуально применение инновационных методов обучения, которые помогают преодолеть абстрактность химических понятий, таких как молекулярная структура, химические реакции и законы термодинамики. Традиционные методы, основанные на текстовых объяснениях и формулах, часто не способны обеспечить полное понимание этих тем, особенно среди студентов с недостаточно развитым пространственным мышлением.

Традиционные методы преподавания химии основываются на текстовом представлении реакций, формулах и уравнениях, которые нередко остаются абстрактными для обучающихся. Многие учащиеся испытывают сложности с визуализацией атомарных и молекулярных процессов. Это приводит к формальному восприятию материала и механическому заучиванию формул, не позволяя глубоко осмыслить суть происходящих химических процессов. В современном образовательном контексте такая ситуация требует пересмотра и поиска новых путей подачи сложных абстрактных понятий.

Интеграция цифровых технологий открывает новые возможности для преподавания химии, делая сложные концепции более доступными и наглядными. Цифровые инструменты позволяют преподавателям донести сложные идеи через визуализацию, интерактивные модели и анимации. Вот ключевые способы применения технологий:

Компьютерные симуляции химических реакций и молекулярных процессов позволяют увидеть абстрактные процессы в реальном времени. Программы, такие как PhET и ChemCollective, предоставляют возможность моделировать взаимодействие атомов и молекул, что помогает обучающимся лучше понимать кинетику и термодинамику реакций.

Специализированные программы, такие как Avogadro и ChemDraw, позволяют обучающимся создавать и исследовать трехмерные молекулярные структуры. Это помогает не только развивать пространственное мышление, но и лучше понять геометрию молекул, типы химических связей и конфигурации.

Лабораторные симуляции позволяют обучающимся выполнять эксперименты в безопасной и контролируемой среде. Виртуальные лаборатории могут воспроизводить различные химические реакции, давать возможность изучать их условия и следить за результатами. Это особенно полезно в случае ограниченного доступа к реальным лабораториям. Использование виртуальной и дополненной реальности: VR и AR позволяют учащимся буквально «погружаться» в молекулярные миры, изучая атомарные взаимодействия в интерактивной форме. Такие технологии создают уникальный опыт обучения, способствуя глубокому погружению в материал.

Современные школьники, привыкшие к визуально насыщенной информационной среде, лучше воспринимают визуализированную информацию. Введение интерактивных инструментов и цифровых моделей поддерживает их интерес, делая обучение более увлекательным. Цифровые платформы позволяют учащимся самостоятельно изучать материал в удобное для них время, проходить тестирования и проводить эксперименты в виртуальных лабораториях. Это способствует развитию навыков самообучения и ответственности за собственные знания. Визуализация и симуляции позволяют учащимся лучше понять абстрактные химические концепции, интегрируя теоретические знания с практическими примерами. Они также способствуют формированию прочных связей между теорией и практикой, что облегчает усвоение сложных понятий.

Цифровые технологии предоставляют возможность адаптировать учебный процесс под индивидуальные потребности каждого обучающегося. Это особенно важно для тех, кто испытывает трудности с пониманием абстрактных и теоретических материалов.

В современном образовательном процессе на учителей химии возлагаются новые задачи, связанные с интеграцией цифровых технологий в учебную программу. Это означает, что теперь преподаватели химии не только должны быть экспертами в своей дисциплине, но и владеть основами программирования и навыками работы с современными цифровыми инструментами. Такая подготовка становится критически важной для успешного использования анимаций, виртуальных лабораторий и интерактивных моделей.

Учителя, которые осваивают базовые принципы программирования и работы с образовательными платформами, могут сами адаптировать или разрабатывать новые цифровые материалы, соответствующие конкретным учебным целям. Более того, это позволяет интегрировать уникальные, персонализированные подходы в процесс обучения, которые сделают химию более наглядной и интересной для учащихся.

В данной статье мы представляем разработанную программу, которая может быть легко внедрена в учебный процесс учителей химии средней школы, особенно для учащихся, только начинающих знакомство с химическими понятиями.

Python, выбранный в качестве языка программирования для этой разработки, является высокоуровневым языком, который хорошо подходит для создания разнообразных приложений. Его популярность обусловлена простотой синтаксиса, широким сообществом и множеством доступных библиотек, что делает его идеальным инструментом для образовательных целей.

Мы сосредоточились на использовании нескольких библиотек Python, которые обеспечат интерактивный и наглядный подход к изучению химии. Вот основные библиотеки, которые были использованы в процессе разработки:

1. Arcade: Эта библиотека позволяет создавать 2D игры и визуальные симуляции, что делает процесс обучения более увлекательным и интерактивным. Мы можем использовать Arcade для создания различных игровых элементов, которые иллюстрируют химические реакции и процессы.

2. Random: Библиотека Random помогает генерировать случайные события в игре, что позволяет учащимся сталкиваться с непредсказуемыми ситуациями, отражающими реальную практику в лабораторной химии. Это также способствует развитию навыков быстрого мышления и адаптации к изменяющимся условиям.

3. Arcade.gui: Используя эту библиотеку, мы создаем удобный пользовательский интерфейс, который облегчает взаимодействие студентов с программой. Это позволяет учащимся сосредоточиться на изучаемом материале, не отвлекаясь на технические детали.

4. OS и SYS: Эти библиотеки помогут управлять файловой системой и вводом/выводом данных, что может быть полезно для сохранения прогресса учащихся и обработки результатов их работы.

Предлагаем конкретный пример реализации программы. В этой работе представляем код, который демонстрирует, как можно создать простую интерактивную игру на основе вышеупомянутых библиотек, направленную на изучение основных понятий химии, таких как молекулы, элементы и химические реакции. Это не только поможет учащимся лучше понять предмет, но и даст им возможность проявить креативность, создавая свои собственные лабораторные эксперименты.

 

display = arcade.Window(WIDTH, HEIGHT) # переменная дисплей, она запускает нужные вкладки

def main(): # функция для запуска программы
menu = Winner() # присваиваем к переменной класс Стартовое Меню
display.show_view(menu) # отображаем на дисплее
arcade.run() # запускаем программу
main() # запускаем

Основу работы программы составляют классы, в которых заключены отдельные вкладки игры: Стартовое Меню, Полка, Бродилка, Лаборатория, Настройка и т.д.

В основе каждого класса лежат следующие функции (на примере класса StartMenu):

def on_show(self): # настроить меню и инициализировать переменные

<…>

def on_click_start(self, event): # функциядлякнопкиНачатьИгру

game = Game()
display.show_view(game)

Аналогичные функции представлены и для других кнопок:

 

def on_click_quit(self, event): # функция для кнопки Выход
arcade.exit() # завершает работу всей программы

def on_draw(self): # функциядляотрисовкиэкрана
self.clear()
arcade.start_render()

<…>

Особые функции для игры:

def on_update(self, delta_time): # перемещениеиигроваялогика

<…>

def on_key_press(self, symbol: int, modifiers: int):
if symbol == arcade.key.RIGHT or symbol == arcade.key.D:
self.dog.change_x = 5

Каждая функция срабатывает при нажатии определенной клавиши. Функция срабатывает при отпускании определенной клавиши, как бы отменяет предыдущую.

 

def on_key_release(self, symbol, modifiers):
if symbol == arcade.key.RIGHT or symbol == arcade.key.LEFT or symbol == arcade.key.D or symbol == arcade.key.A:
self.dog.change_x = 0

Таким образом, при сочетании определенных функций и классов, мы получили скелет программы. Далее не менее важный этап: отрисовка игры и персонажей.

Главный герой игры: щенок Химек, который вместе с ребятами познает мир химии, делает крутые опыты и взрывает колбы при ошибках. Он отрисован на платформе www.pixilart.com

 

Процесс создания главного героя

 

Главный герой игры – щенок Химек

Аналогично на данной платформе были отрисованы и другие фигуры игры:

Работа над программой не окончена, так как мы планируем усовершенствовать её, добавить еще больше функций и графики и протестировать работу приложения совместно с учащимися средний школы.

Таким образом, внедрение цифровых технологий в образовательный процесс становится необходимым условием для успешного освоения химических дисциплин. Использование анимаций, симуляций, виртуальных лабораторий и интерактивных моделей помогает преодолеть абстрактность химических понятий и повышает уровень понимания материала. В условиях растущих требований к качеству образования и увеличения объемов информации цифровые технологии становятся не просто средством обучения, а важным инструментом для развития навыков, необходимых в современном мире. Учителям необходимо осваивать инструменты программирования, чтобы эффективно внедрять технологии, либо программисты должны быть «учителями» и создавать образовательные инструменты с глубоким пониманием процесса обучения.

Литература:

1. Иванова, В. М. Особенности организации учебной деятельности в связи с внедрением государственных федеральных образовательных стандартов нового поколения [Электронный ресурс] / Иванова В. М. // Современные проблемы науки и образования,2019. - № 3. - 8 c.

2. Диянова, Ю. И. Методологические открытия XX века, перевернувшие мир естественных наук [Электронный ресурс] / Ю. И. Диянова, А. Е. Лучко, О. Н. Каныгина // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры : сб. материалов Всерос. науч.-метод. конф., Оренбург, 1-3 февр. 2024 г. / Оренбург. гос. ун-т ; ред. А. В. Зайцев. - Оренбург : ОГУ,2024. - . - С. 4885-4893. . - 9 с.

3. Дэвид Бизли Python. Подробный справочник. Четвертое издание / Перевод А. Киселева // Издательство «Символ» Санкт-Петербург – Москва. – 2010

4. Дмитрий Мусин Самоучитель Python [Электронный ресурс] – Режим доступа : https://pythonworld.ru/pdf

5. Аллен Б. Дауни Основы Python. Научитесь думать, как программист / Перевод Сергея Черникова // «Манн, Иванов и Фербер» Москва 2021

6.Аркадная библиотека Python [Электронный ресурс] – Режим доступа : https://api.arcade.academy/en/latest/

Код для цитирования: Скопировать