ЦИФРОВЫЕ СИМУЛЯЦИИ ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА: ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В КУРСЕ ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

АННОТАЦИЯ

Современное химическое образование стремительно трансформируется под влиянием цифровизации, развития дистанционных форм обучения и внедрения интерактивных технологий. Одним из наиболее перспективных направлений обновления методики преподавания становится применение виртуальных химических лабораторий — цифровых симуляторов химических процессов, позволяющих моделировать экспериментальные ситуации, недоступные в условиях учебного заведения, либо труднореализуемые по безопасности, стоимости или техническим ограничениям. В статье проанализированы теоретические и методические основания использования виртуальных лабораторий в курсе «Общая и неорганическая химия» для подготовки студентов-химиков. Обоснована их роль в реализации компетентностного подхода, повышении визуализации химических процессов, формировании профессиональных умений и навыков научного эксперимента. Представлены преимущества, типологические особенности виртуальных лабораторий, международный опыт, примеры образовательных платформ, а также методические условия их интеграции в учебный процесс. Сформулированы выводы о необходимости сочетания натурного и цифрового эксперимента как оптимальной модели развития химического образования.

ABSTRACT

Modern chemical education is undergoing rapid transformation driven by digitalization, the expansion of distance learning, and the widespread adoption of interactive technologies. One of the most promising directions for updating teaching methodologies is the use of virtual chemical laboratories—digital simulators of chemical processes that enable the modeling of experimental situations which are inaccessible in educational institutions or difficult to implement due to safety, financial, or technical constraints. This article analyzes the theoretical and methodological foundations for integrating virtual laboratories into the course General and Inorganic Chemistry in the training of chemistry students. Their role in implementing a competency-based approach, enhancing the visualization of chemical processes, and developing professional competencies and experimental research skills is substantiated. The paper presents the advantages and typological characteristics of virtual laboratories, reviews international experience, provides examples of educational platforms, and identifies the methodological conditions necessary for their effective integration into the educational process. The study concludes that a balanced combination of traditional hands-on experimentation and digital simulation represents the most effective model for advancing contemporary chemical education.

Ключевые слова: виртуальная химическая лаборатория, цифровые симуляции, общая и неорганическая химия, химическое образование, визуализация химических процессов.

Keywords: virtual chemical laboratory, digital simulations, general and inorganic chemistry, chemical education, visualization of chemical processes.

Введение

Концепция компетентностного подхода, закреплённая в современных национальных образовательных стандартах, предполагает ориентацию учебного процесса не только на передачу знаний, но и на формирование универсальных и профессиональных компетенций, связанных с исследовательской деятельностью, критическим мышлением и практическим применением химических закономерностей [1-3]. В условиях усиливающейся цифровизации образовательной среды обновляются подходы к организации лабораторной подготовки. Традиционный натурный эксперимент остаётся методологической основой химического образования, однако его возможности ограничены требовательностью к ресурсам, затратами времени, рисками, связанными с безопасностью, и невозможностью демонстрации ряда микроскопических или быстротекущих процессов [4,5].

Появление виртуальных лабораторий, основанных на компьютерном моделировании, предоставляет новые дидактические возможности и расширяет инструментарий преподавателя [6,7]. Такие лаборатории позволяют не только просматривать демонстрационные эксперименты, но и выполнять интерактивные задания, управлять реактивами и оборудованием, имитировать сложные процессы, проводить расчёты и анализировать результаты [8-10].

Целью настоящего исследования является теоретико-методическое обоснование применения виртуальных химических лабораторий в учебном курсе «Общая и неорганическая химия» для студентов-химиков.

Методы исследования

Для достижения поставленной цели использовались следующие методы:

• теоретический анализ научной, методической и нормативно-правовой литературы по проблеме цифровизации химического образования [11-13];
• контент-анализ цифровых платформ виртуальных лабораторий (ChemCollective, VirtuLab, Virtual Chemistry Laboratory, ChemEducationResearch и др.) [14-16];
• логический анализ и обобщение педагогических условий применения виртуального эксперимента [17,18];
• сравнительный анализ натурных и виртуальных форм химического эксперимента [19-21].

Результаты и обсуждение

1. Понятие и типология виртуальных лабораторий

Термин «виртуальная химическая лаборатория» трактуется неоднозначно. В ряде работ виртуальная лаборатория понимается как программный комплекс, имитирующий химический эксперимент и моделирующий его результаты [22]. Согласно другой точке зрения, виртуальная лаборатория — это система удалённого доступа к реальной экспериментальной установке, позволяющая управлять оборудованием через интернет-интерфейс [23,24]. Третья трактовка рассматривает виртуальную лабораторию как элемент информационно-образовательной среды, содержащий совокупность учебных, контролирующих и практических материалов [25,26].

В программной реализации встречаются следующие типы лабораторий:

1.Демонстрационные лаборатории — ограниченный набор заранее запрограммированных опытов с минимальной активностью обучающихся [27].

2.Интерактивные лаборатории средней сложности — возможность выбора реактивов и приборов в пределах заданных сценариев [28].

3.Высокоинтерактивные симуляторы — использование сложных математических моделей химических процессов, допускающих вариативность условий и результатов эксперимента [29,30].

4.Удалённые лаборатории — дистанционное управление реальным лабораторным оборудованием [31].

2. Педагогический потенциал виртуальных лабораторий

Виртуальные лаборатории обладают рядом значимых дидактических преимуществ [32,33]:

• доступность и гибкость обучения при реализации дистанционных и смешанных форм образования;
• повышение уровня безопасности при моделировании опытов с токсичными веществами, взрывоопасными реакциями и высокими температурами;
• снижение материальных затрат на реактивы и оборудование;
• возможность визуализации микроуровня химических процессов и динамики реакций;
• активизация познавательной деятельности студентов за счёт интерактивности и исследовательского характера заданий;
• автоматизация обработки экспериментальных данных и снижение вероятности вычислительных ошибок.

В курсе «Общая и неорганическая химия» виртуальные лаборатории могут дополнять или моделировать натурный эксперимент по темам:

• распознавание анионов и катионов;
• взаимодействия металлов с кислотами;
• получение соединений металлов;
• процессы окисления и восстановления;
• кислотно-основные взаимодействия;
• строение вещества и моделирование химических процессов на молекулярном уровне.

3. Зарубежные и отечественные платформы виртуального эксперимента

Анализ наиболее распространённых образовательных платформ показал их значительное разнообразие по уровню интерактивности и методической направленности. Так, Chem Collective Virtual Lab (США) представляет собой один из наиболее функциональных симуляторов, основанных на строгих математических моделях химических реакций и активно используемых в университетском образовании [33]. Virtual Chemistry Laboratory (University of Oxford) ориентирована на 3D-визуализацию механизмов реакций и молекулярных взаимодействий [34,35]. Платформа PhET Interactive Simulations широко применяется для моделирования кислотно-основных и равновесных процессов [17].

Отечественные и русскоязычные ресурсы (VirtuLab и аналогичные) в большей степени ориентированы на соответствие учебным программам и стандартизированным лабораторным работам, что делает их удобными для базовой подготовки студентов [36].

Материалы платформ разнообразны по уровню интерактивности, визуализации и дидактической насыщенности.

Результаты анализа показывают, что виртуальные лаборатории способны существенно повысить эффективность обучения общей и неорганической химии. При правильной методической организации такие лаборатории:

• формируют прочные представления о механизмах химизма реакций;
• развивают исследовательские умения студентов;
• поддерживают интерес к учебной деятельности;
• обеспечивают усвоение алгоритмов лабораторных работ перед их выполнением в натурных условиях.

Однако чрезмерное увлечение виртуальными ресурсами приводит к ряду рисков:

• снижение навыков работы с реальными веществами и оборудованием;
• отсутствие полноценного развития экспериментального мышления, требующего чувственного восприятия объектов;
• невозможность полного моделирования запахов, осадков, текстур, побочных процессов;
• необходимость руководства преподавателя для предупреждения формального выполнения заданий.

Таким образом, виртуальный эксперимент должен рассматриваться как дополнение, а не альтернатива натурному практикуму. Наиболее педагогически оправданным является интегративный формат, в котором:

1. виртуальная лаборатория используется для предварительной подготовки;
2. натурный эксперимент — для формирования профессиональных компетенций;
3. цифровые симуляции — для контроля знаний и повторения материала.

Заключение

Применение виртуальных химических лабораторий в курсе «Общая и неорганическая химия» открывает широкие перспективы модернизации учебного процесса. Виртуальные симуляции позволяют повысить безопасность, доступность и вариативность обучения, поддерживают визуализацию сложных процессов, способствуют формированию исследовательских компетенций и активации познавательной деятельности студентов. Они особенно актуальны при подготовке химиков нового поколения, для которых понимание химических основ является фундаментом профессиональной деятельности.

Наиболее продуктивной образовательной моделью следует считать сочетание натурного и виртуального эксперимента, позволяющее объединить преимущества обеих форм. Реализация комбинированного подхода требует методического сопровождения, обновления цифровых ресурсов и совершенствования педагогических технологий.

Список литературы:

1. Белохвостов А.А. Электронные средства обучения химии: разработка и методика использования: учеб. пособие для студентов и магистрантов учреждений высшего образования по химическим специальностям / под ред. Е.Я. Аршанского. – Минск: Аверсэв, 2012. – 206 с.
2. Ли В.Г., Дроздов Ю.А. Виртуальные лаборатории в учебном процессе // Известия Южного федерального университета. – 2003. – Т. 30, № 1. – С. 221–225.
3. Tatli Z., Ayas A. Virtual laboratory applications in chemistry education // Procedia – Social and Behavioral Sciences. – 2010. – Vol. 9. – P. 938–942. – DOI: 10.1016/j.sbspro.2010.12.263.
4. Ali N., Ullah S. Review to analyze and compare virtual chemistry laboratories for their use in education // Journal of Chemical Education. – 2020. – Vol. 97, № 10. – P. 3563–3574. – DOI: 10.1021/acs.jchemed.0c00185.
5. Vanchiswaran R. Computer simulations in chemistry education: dissertation. – Ames : Iowa State University, 2005. – 748 p.
6. Bretz S.L. Evidence for the importance of laboratory courses // Journal of Chemical Education. – 2019. – Vol. 96, № 2. – P. 193–195. – DOI: 10.1021/acs.jchemed.8b00874.
7. Саданова Б.М., Олейникова А.В., Альберти И.В., Одинцова Е.А., Плеханова Е.Н. Применение возможностей виртуальных лабораторий в учебном процессе технического вуза // Молодой ученый. – 2016. – № 4 (108). – С. 71–74.
8. De Jong T., Linn M.C., Zacharia Z.C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education // Science. – 2013. – Vol. 340, № 6130. – P. 305–308. – DOI: 10.1126/science.1230579.
9. Brinson J.R. Learning outcome achievement in non-traditional (virtual and remote) versus traditional laboratories // Computers & Education. – 2015. – Vol. 87. – P. 218–237. – DOI: 10.1016/j.compedu.2015.07.003.
10. Makransky G., Terkildsen T.S., Mayer R.E. Adding immersive virtual reality to a science lab simulation causes more presence but less learning // Learning and Instruction. – 2019. – Vol. 60. – P. 225–236.
11. Hofstein A., Lunetta V.N. The laboratory in science education: foundations for the twenty-first century // Journal of Science Education. – 2004. – Vol. 88. – P. 28–54. – DOI: 10.1002/sce.10106.
12. Mulder M. Competence-based education and training // Journal of Agricultural Education and Extension. – 2014. – Vol. 20, № 3. – P. 305–314. – DOI: 10.1080/1389224X.2012.670048.
13. European Commission. Key competences for lifelong learning. – Luxembourg : Publications Office of the European Union, 2019. – DOI: 10.2766/569540.
14. OECD. Education 2030: The future of education and skills. – Paris : OECD Publishing, 2018. – URL: https://www.oecd.org (дата обращения: 12.12.2025).
15. Yaron D., Karabinos M., Lange D. et al. The ChemCollective: virtual labs for introductory chemistry courses // Science. – 2010. – Vol. 328, № 5978. – P. 584–585. – DOI: 10.1126/science.1182435.
16. Coduto J.R., Lazicki A., Leddy J. Visualizing 3D objects in analytical chemistry // Journal of Chemical Education. – 2024. – Vol. 101, № 1. – P. 77–87. – DOI: 10.1021/acs.jchemed.3c00821.
17. Perkins K., Adams W., Dubson M. et al. PhET: interactive simulations for teaching and learning physics // The Physics Teacher. – 2006. – Vol. 44, № 1. – P. 18–23. – DOI: 10.1119/1.2150754.
18. Terkaj W., Pessot E., Kuts V. et al. A framework for the design and use of virtual labs in digital engineering education // AIP Conference Proceedings. – 2024. – Vol. 2989. – Art. 030003. – DOI: 10.1063/5.0189669.
19. Zacharia Z.C., Olympiou G., Papaevripidou M. Effects of experimenting with physical and virtual manipulatives on students’ conceptual understanding in heat and temperature // Journal of Research in Science Teaching. – 2008. – Vol. 45, № 9. – P. 1021–1035. – DOI: 10.1002/tea.20260.
20. Herga N.R., Čagran B., Dinevski D. Virtual laboratory as a dynamic visualization tool for better understanding of chemistry in primary school // Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education. – 2016. – Vol. 12, № 3. – P. 593–608. – DOI: 10.12973/eurasia.2016.1224a.
21. Kasperski R., Levin O., Hemi M.E. Systematic literature review of simulation-based learning for developing teacher SEL // Education Sciences. – 2025. – Vol. 15, № 2. – Art. 129. – DOI: 10.3390/educsci15020129.
22. Smetana L.K., Bell R.L. Computer simulations to support science instruction // International Journal of Science Education. – 2012. – Vol. 34, № 9. – P. 1337–1370. – DOI: 10.1080/09500693.2011.605182.
23. Ma J., Nickerson J.V. Hands-on, simulated, and remote laboratories: a comparative literature review // ACM Computing Surveys. – 2006. – Vol. 38, № 3. – Art. 7. – DOI: 10.1145/1132960.1132961.
24. Pyatt K., Sims R. Virtual and physical experimentation in inquiry-based science labs // Journal of Science Education and Technology. – 2012. – Vol. 21. – P. 133–147. – DOI: 10.1007/s10956-011-9291-6.
25. Блажко Н.Н., Фаращук Н.Ф. Формирование информационной компетенции у студентов // Смоленский медицинский альманах. – 2016. – № 2. – С. 9–14.
26. Гавронская Ю.Ю., Оксенчук В.В. Виртуальный химический эксперимент. – Брест : БГТУ, 2015. – 124 с.
27. Potkonjak V., Gardner M., Callaghan V. et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: a review // Computers & Education. – 2016. – Vol. 95. – P. 309–327. – DOI: 10.1016/j.compedu.2016.02.002.
28. El Kharki K., Berrada K., Burgos D. Design and implementation of a virtual laboratory for physics subjects in Moroccan universities // Sustainability. – 2021. – Vol. 13, № 7. – Art. 3711. – DOI: 10.3390/su13073711.
29. Scalise K., Fang M. Simulation-based assessments // Assessment in Education. – 2020. – Vol. 27, № 4. – P. 447–472. – DOI: 10.1080/0969594X.2019.1676158.
30. Avramiotis S., Georgios T. Using computer simulations in chemistry problem solving // Chemistry Education Research and Practice. – 2013. – Vol. 14, № 3. – DOI: 10.1039/C3RP20167H.
31. Alqadri Z. Using virtual laboratory in direct instruction to enhance students’ achievement // International E-Journal of Advances in Education. – 2018. – Vol. IV, № 10. – P. 12–19.
32. Савкина А.В., Федосин С.А. Виртуальные лаборатории в дистанционном обучении // Образовательные технологии и общество. – 2014. – Т. 17, № 4. – С. 507–517.
33. Kolil V.K., Achuthan K. Virtual labs in chemistry education: a novel approach for increasing students’ laboratory skills // Education and Information Technologies. – 2024. – Vol. 29. – P. 25307–25331. – DOI: 10.1007/s10639-024-12858-x.
34. ChemCollective Virtual Lab [Электронный ресурс]. – URL: https://chemcollective.org (дата обращения: 12.12.2025).
35. Virtual Chemistry Laboratory (Oxford University) [Электронный ресурс]. – URL: https://www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry (дата обращения: 12.12.2025).
36. Trukhin A.V. Virtual computer laboratories // Open and Distance Education. – 2003. – № 3. – P. 12–20.