ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА: ОТ ПРОБИРКИ К СЕНСОРУ

Автор: Васильев Денис Андреевич

Организация: СПб ГБПОУ «Акушерский колледж»

Населенный пункт: г. Санкт-Петербург

Аннотация

Работа посвящена системному анализу процессов цифровой трансформации химического эксперимента в системе российского образования. Рассмотрены технические характеристики и дидактические возможности цифровых лабораторий российского производства (LFS POLUS, SenseDisk), проанализирован опыт внедрения иммерсивных технологий (VR Chemistry Lab), а также охарактеризованы подходы к подготовке будущих учителей к работе с цифровым оборудованием в условиях педагогических кванториумов. В работе подчеркивается необходимость системного подхода к интеграции цифровых инструментов, сочетающего традиционные методические приемы с новыми технологическими возможностями, что требует соответствующей переподготовки педагогических кадров и развития методического сопровождения.

Введение. Химический эксперимент традиционно занимает центральное место в системе естественнонаучного образования, выступая не только источником эмпирических знаний, но и важнейшим средством формирования исследовательских компетенций обучающихся. В течение десятилетий основным инструментарием школьного и вузовского химического практикума оставались стеклянная пробирка, химический стакан и спиртовка. Однако современный этап развития образования, характеризующийся цифровизацией всех сфер жизни, предъявляет новые требования к организации учебного эксперимента.

Федеральные государственные образовательные стандарты (ФГОС) последнего поколения акцентируют внимание на необходимости формирования у обучающихся навыков работы с современным оборудованием, использования цифровых инструментов для проведения исследований и обработки результатов. Это положение нашло отражение в обновленных требованиях к материально-техническому оснащению образовательных организаций, включая оснащение центров образования естественно-научной и технологической направленностей «Точка роста», педагогических технопарков «Кванториум» и других инфраструктурных объектов [1, 7].

Параллельно с изменениями в нормативной базе происходит стремительное развитие технологий, применимых в химическом образовании. Появляются компактные цифровые лаборатории с беспроводными мультидатчиками, позволяющие проводить высокоточные измерения в режиме реального времени с визуализацией результатов на экране компьютера или мобильного устройства. Развиваются иммерсивные технологии — виртуальная (VR) и дополненная (AR) реальность, открывающие возможности для моделирования химических процессов и проведения экспериментов, недоступных в обычных условиях из-за дороговизны реактивов, высокой токсичности или взрывоопасности. Активно развиваются методы компьютерной химии, позволяющие осуществлять химические расчеты и молекулярное моделирование [5].

В этих условиях перед педагогическим сообществом встает вопрос о методологически обоснованной интеграции новых цифровых инструментов в традиционную структуру химического эксперимента. Важной проблемой выступает готовность педагогических кадров к работе с цифровым оборудованием и методически грамотному его использованию.

Таким образом, целью методической работы является системный анализ процессов цифровой трансформации химического эксперимента в российском образовании, выявление основных направлений цифровизации, оценка их дидактического потенциала и методических особенностей реализации, а также определение перспектив развития данного направления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Охарактеризовать современные технические средства цифровизации химического эксперимента, представленные на российском рынке образовательного оборудования.

Проанализировать опыт внедрения цифровых лабораторий, виртуальных сред и методов компьютерного моделирования в практику школьного и вузовского химического образования.

Выявить методические особенности организации учебного исследования с использованием цифровых инструментов.

Определить направления подготовки будущих учителей химии к работе с цифровым оборудованием.

Обзор литературы.

1. Технические средства цифровизации химического эксперимента.

Современный рынок образовательного оборудования в России предлагает широкий спектр средств для цифровизации химического эксперимента. Ведущее место среди них занимают цифровые лаборатории, представляющие собой комплекты, состоящие из мультидатчиков (или отдельных датчиков), программного обеспечения и методического сопровождения.

Одним из распространенных решений являются цифровые лаборатории LFS POLUS (производство России). В зависимости от целевого назначения различают комплекты для учителя и для ученика. Мультидатчики LFS оснащены цветным сенсорным экраном для отображения результатов измерений без подключения к внешним устройствам, а также поддерживают беспроводную передачу данных по протоколу Bluetooth [1]. Для предметной области «Химия» в состав мультидатчика встроены или могут быть подключены внешние датчики pH, оптической плотности (колориметр), температуры, электрической проводимости, давления газа, термопара [1, 10]. Такая конфигурация позволяет охватить широкий спектр экспериментальных задач: от изучения кислотно-основных равновесий и буферных систем до кинетики химических реакций и электрохимических процессов.

Альтернативным решением выступают цифровые лаборатории SenseDisk, также имеющие российское происхождение. Их отличительной особенностью является совместимость с различными операционными системами (Windows, Android), высокая автономность (до 150 часов работы) и мобильность, позволяющая использовать оборудование не только в лабораторных, но и в полевых условиях [4]. В составе лабораторий SenseDisk представлены датчики pH, температуры, электропроводности, а также датчики для изучения физических явлений, сопутствующих химическим процессам [4]. Важным элементом комплектации является наличие методического пособия с описанием экспериментальных работ в рамках школьной программы.

Опыт использования цифровых лабораторий в образовательном процессе активно освещается в научно-методической литературе. Исследование, проведенное на базе Шадринского государственного педагогического университета, показало, что включение цифровых датчиков в практикум по общей химии способствует повышению качества знаний студентов. Авторы отмечают такие положительные аспекты, как точность количественных показателей, наглядность представления результатов (в том числе в графической форме) и существенное сокращение времени эксперимента [7]. В работе [7] также подчеркивается, что применение цифровых лабораторий позволяет сместить акцент с рутинных операций по измерению и фиксации данных на их интерпретацию и обсуждение полученных закономерностей.

В методических рекомендациях Е.Ю. Косаревой и Л.Е. Богдановой «Демонстрационные опыты с цифровыми лабораториями. Физика. Химия» (2023) содержатся описания конкретных опытов и рекомендации по их проведению с использованием цифрового оборудования. Издание ориентировано на учителей и предлагает методически проработанные сценарии демонстрационного эксперимента, что особенно важно для формирования целостного представления о явлении у всего класса [2].

2. Виртуальные лаборатории и иммерсивные технологии.

Особым направлением цифровой трансформации химического эксперимента является использование виртуальной реальности (VR). В отличие от цифровых лабораторий, работающих с реальными объектами, VR-технологии позволяют создавать полностью иммерсивные симуляции химических процессов.

Значимым проектом в этой области стала виртуальная химическая лаборатория VR Chemistry Lab, пилотная апробация которой проходила в 2024-2025 учебном году при поддержке Агентства стратегических инициатив (АСИ). В проекте приняли участие 70 школ из 35 регионов России, включая отдаленные сельские территории. Всего было проведено более 4000 учебных сессий в виртуальной реальности [9].

По данным разработчиков и организаторов проекта, использование VR-лаборатории позволило проводить химические эксперименты, которые невозможно выполнить в обычных условиях из соображений безопасности, нехватки реактивов или при дистанционном формате обучения. Учителя, участвовавшие в апробации, отметили повышение интереса школьников к предмету и улучшение результатов на ОГЭ и ЕГЭ по химии [9]. Важно подчеркнуть, что в ходе пилотной программы велся активный сбор обратной связи от педагогов, что позволило оперативно вносить улучшения в приложение, включая добавление новых лабораторных работ по неорганической химии и совершенствование физической модели реакций [9].

Опыт использования VR-технологий получил положительную оценку и со стороны студентов педагогических специальностей. В ходе посещения виртуальной химической лаборатории студенты Института математики, информационных технологий и естественных наук ИвГУ отметили, что VR-среда представляет собой не «игрушку», а «полноценный симулятор», предоставляющий возможность провести различные реакции, визуализировать аналитические эффекты и действовать без риска ошибиться [3]. Данный опыт, реализованный в рамках изучения дисциплины «Современные информационные технологии в химическом образовании», позволяет будущим учителям не только познакомиться с новыми технологиями, но и оценить их потенциал для повышения мотивации обучающихся [3].

3. Компьютерное моделирование в химическом образовании.

Третьим значимым направлением цифровизации выступают методы компьютерной химии, позволяющие проводить химические расчеты, молекулярное моделирование и прогнозирование свойств веществ. В отличие от цифровых лабораторий и VR-симуляций, ориентированных на воспроизведение реального эксперимента, компьютерная химия предоставляет инструменты для теоретического исследования на молекулярном уровне.

В учебно-методическом пособии А.В. Фатеева «Современные методы компьютерной химии» (2024) описывается пошаговый алгоритм выбора вычислительного протокола, максимально точно моделирующего эксперимент. Представлена матрица рекомендаций для выбора функционала и базисного набора в зависимости от поставленной задачи, причем особое внимание уделяется достижению оптимального баланса между точностью, надежностью и эффективностью с помощью многоуровневых подходов [5]. Пособие предназначено для обучающихся химических специальностей, аспирантов и преподавателей вузов, что свидетельствует о внедрении методов компьютерного моделирования в систему высшего химического образования.

4. Подготовка педагогических кадров к работе с цифровым оборудованием

Успешность цифровой трансформации химического эксперимента напрямую зависит от готовности учителей к работе с новым оборудованием. В этой связи важную роль играют педагогические технопарки «Кванториум», создаваемые в педагогических вузах России. Как отмечается в исследовании [7], на базе Педагогического кванториума им. А.П. Рымкевича Шадринского государственного педагогического университета студенты осваивают навыки работы с цифровыми лабораториями и разрабатывают проекты мероприятий и мастер-классов для школьников с их использованием.

Результаты анкетирования студентов, приведенные в [7], показывают, что большая часть респондентов уже имела опыт работы с цифровыми лабораториями, однако только половина студентов могла четко охарактеризовать возможности цифровых датчиков и привести методику их использования в учебном процессе. Это свидетельствует о необходимости целенаправленной работы по формированию методической компетенции будущих учителей в области использования цифрового оборудования.

В работах П.И. Беспалова, М.В. Дорофеева и соавторов [7, 8] сформулированы принципы эффективного использования цифровых лабораторий на уроках химии, включая соотношение демонстрационного и ученического эксперимента, методику обработки и интерпретации полученных данных, а также особенности интеграции цифровых инструментов в традиционную структуру урока.

5. Методологическая основа исследования.

Методологическую основу настоящей работы составляет системный подход, позволяющий рассматривать цифровую трансформацию химического эксперимента как комплексное явление, включающее технические, методические, организационные и кадровые аспекты. В качестве теоретической базы используются идеи деятельностного подхода, акцентирующие роль активной познавательной деятельности обучающихся, и компетентностного подхода, ориентирующего образовательный процесс на формирование практических навыков работы с современным оборудованием.

Анализ литературы позволяет выделить три основных направления цифровизации химического эксперимента:

• Сенсорное направление — использование цифровых датчиков для количественного измерения параметров реального химического процесса.
• Иммерсивное направление — применение технологий виртуальной и дополненной реальности для моделирования экспериментальных условий.
• Вычислительное направление — использование методов компьютерной химии для теоретического исследования строения и свойств веществ.

Каждое из этих направлений имеет свои дидактические возможности и ограничения, что требует дифференцированного подхода к их интеграции в образовательный процесс.

Заключение.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что цифровая трансформация химического эксперимента в России находится на этапе активного развития, охватывая как сферу школьного образования, так и систему подготовки педагогических кадров. Основные результаты могут быть сведены к следующим выводам:

1. Расширение инструментальной базы. Появление цифровых лабораторий с беспроводными мультидатчиками (LFS POLUS, SenseDisk) позволяет вывести химический эксперимент на качественно новый уровень [1, 4, 10].
2. Повышение доступности и безопасности. Внедрение виртуальных лабораторий, таких как VR Chemistry Lab, решает проблему доступности химического эксперимента для школ, не имеющих полноценной материально-технической базы, а также для обучающихся из отдаленных территорий [9].
3. Формирование методологической компетенции педагогов. Успешность цифровой трансформации определяется не столько наличием оборудования, сколько готовностью учителя к его методически грамотному использованию [7].
4. Расширение спектра исследовательских активностей. Цифровизация не заменяет традиционный химический эксперимент, а дополняет его, открывая новые возможности для учебного исследования [8].

Список литературы.

1. Цифровые лаборатории по химии LFS POLUS для проекта "Точка роста" [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cit-rus.net/katalog-tovarov/uchebno-laboratornoe-oborudovanie/tsifrovye-laboratorii/tsifrovye-laboratorii-po-himii-lfs-polus-dlya-proekta-tochka-rosta/ (дата обращения: 20.03.2026).
2. Косарева, Е. Ю. Демонстрационные опыты с цифровыми лабораториями. Физика. Химия : методические рекомендации / Е. Ю. Косарева, Л. Е. Богданова. – 2-е изд., испр. – Москва : Варсон, 2023. – 76 с.
3. Студенты ИМИТиЕН ИвГУ посетили виртуальную химическую лабораторию [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ivuni.ivanovo.ac.ru/about_the_university/faculty/7155/news/17043/ (дата обращения: 20.03.2026).
4. Мастер-класс "Цифровые технологии в образовании" [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://infourok.ru/masterklass-cifrovie-tehnologii-v-obrazovanii-3730999.html (дата обращения: 20.03.2026).
5. Фатеев, А. В. Современные методы компьютерной химии : учебно-методическое пособие / А. В. Фатеев ; Томский государственный педагогический университет. – Томск : ТГПУ, 2024. – 1 компьютерный файл. – Режим доступа: http://fulltext.tspu.ru/OA/m2024-5.pdf (дата обращения: 20.03.2026).
6. ЦЕМРОС подарил будущим химикам Ачинска новый класс с современным оборудованием [Электронный ресурс] // Ведомости. – 2025. – 26 сентября. – Режим доступа: https://www.vedomosti.ru/press_releases/2025/09/26/tsemros-podaril-buduschim-himikam-achinska-novii-klass-s-sovremennim-oborudovaniem (дата обращения: 20.03.2026).
7. Новик, И. Р. Использование цифровых лабораторий в процессе профессиональной подготовки будущих учителей химии / И. Р. Новик, А. Ю. Жадаев, Е. Н. Галкина, А. А. Ганькина // Современные проблемы науки и образования. – 2023. – № 3. – Режим доступа: https://science-education.ru/ru/article/view?id=32622 (дата обращения: 20.03.2026).
8. Колясников, О. В. Цифровизация школьного химического эксперимента как путь к расширению спектра возможных активностей / О. В. Колясников, А. С. Гилёв, Л. Н. Оболенская // Наука и вузы – химическому образованию: проблемы и пути их решения : материалы VII Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию ЮУрГГПУ, естественно-технологического факультета и кафедры химии, экологии и методики обучения химии. – Челябинск : Южно-Уральский государственный гуманитарно-педагогический университет, 2024. – С. 254–258.
9. Полтысячи школьников освоили VR-химию – подведены итоги пилотного проекта АСИ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://asi.ru/news/205425/ (дата обращения: 20.03.2026).
10. Цифровая лаборатория по химии для ученика LFS POLUS в соответствии с 804 Приказом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cit-rus.net/katalog-tovarov/uchebno-laboratornoe-oborudovanie/tsifrovye-laboratorii/tsifrovaya-laboratoriya-po-himii-dlya-uchenika-lfs-polus-v-sootvetsvii-s-804-prikazom/ (дата обращения: 20.03.2026).