Виртуальная лаборатория

Виртуальная лаборатория — интерактивный симулятор опытов и экспериментов, который позволяет совершенствовать знания и навыки, изучать свойства вещей и явлений, создавать собственные объекты.

Понятие тесно связано с концепцией виртуального эксперимента. Согласно одному из определений, виртуальный эксперимент — это эксперимент, основанный на технологиях мультимедиа, эмуляции, виртуализации и виртуальной реальности и др., способный полностью или частично заменить аналогичный традиционный натурный эксперимент[1].

Классификация и терминология

Существует еще одно распространенное определение виртуальных лабораторий:

Виртуальная лаборатория представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. В первом случае мы имеем дело с так называемой лабораторной установкой с удаленным доступом, в состав которой входит реальная лаборатория, программно-аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства коммуникации. Во втором случае все процессы моделируются при помощи компьютера»[2].

В данном контексте виртуальные лаборатории могут быть разделены на программно-аппаратные и программные.

Виртуальные лаборатории могут считаться разновидностью виртуальных симуляторов.

В контексте данной статьи под виртуальными лаборатория понимаются программы, основной задачей которых является получение пользователем каких-либо знаний и навыков, изучение свойств веществ и явлений, а не игры или иные решения в антураже лаборатории, основной задачей которых является развлечение пользователя.

В 2025 году виртуальные лаборатории представлены тремя видами по технологии исполнения:

  1. Программа, ориентированная для работы на устройстве с плоским экраном: ноутбук, персональный компьютер, интерактивная доска, планшетный компьютер и др.
  2. Программа, ориентированная для работы в шлеме виртуальной реальности.
  3. Программа, ориентированная работы на специализированном аппаратном комплексе, частично имитирующем то или иное лабораторное оборудование. Типичным примером такого специализированного аппаратного комплекса из области виртуальных тренажеров является тренажер для пилотов.

С виртуальными лабораториями тесно переплетаются цифровые двойники. Однако, данные понятия не синонимичны.

Использование в образовании

Виртуальные лаборатории используют в обучении в основном в предметах цикла STEM: физике, химии, биологии. Иногда используются для профессионального обучения, тогда почти сливаются с профессиональными тренажерами. Пример: точная имитация реальной лаборатории для отработки порядка действий при работе с опасными патогенами, например.

Развитие технологий и повсеместное распространение Интернета преобразили лабораторные эксперименты в науке и инженерном деле, способствуя обучению с помощью виртуальной реальности, виртуальных систем и виртуальных лабораторий[3]. Виртуальные эксперименты повышают ценность физических экспериментов, позволяя учащимся исследовать научные явления; связывать наблюдаемые и ненаблюдаемые явления; выделять важную информацию; позволяют учащимся проводить множество экспериментов за короткий промежуток времени; дают быструю обратную связь[4]. Виртуальные лаборатории позволяют студентам применять теорию на практике в соответствующих экспериментах на определенном уровне подготовки по дисциплине или по конкретным темам в рамках учебного курса[5]. По сравнению с традиционными лабораториями с натурным экспериментом они могут предложить меньшую стоимость, большую доступность, экономию времени, безопасную среду и гибкость самостоятельного обучения[6] [7].

Виртуальные лаборатории, по мнению ряда авторов, считаются жизнеспособной альтернативой традиционным лабораториям в плане приобретения практических навыков учащимися и позитивного влияния на процессы обучения студентов[8].

Виртуальные лаборатории сыграли важную роль в секторе высшего образования во время пандемии COVID-19. Используя Google Analytics, обнаружили, что во время пандемии пользователи все чаще использовали онлайн-лаборатории в качестве новой методики обучения для проведения лабораторных экспериментов, о чем свидетельствуют такие параметры, как количество пользователей; количество уникальных страниц, просмотренных за сеанс; время, затраченное на просмотр контента и прочее[9].

В литературе представлен широкий спектр исследований о виртуальных лабораториях [3][10]. Как правило, российские авторы склонны считать, что виртуальный и натурный эксперимент взаимодополняют друг друга [6][11].

Особенности виртуальных лабораторий, пригодных для использования в образовании:

  1. Наибольшая эффективность достигается при работе с преподавателем, а не самостоятельной работе[12];
  2. Виртуальная лаборатория должна быть научно корректна. Экспериментальные данные генерируемые виртуальными лабораториями должны подкрепляться математическими моделями[13][6];
  3. Виртуальная лаборатория должна обеспечивать высокую свободу действий пользователя;[13]
  4. Виртуальная лаборатория должна быть адаптирована по содержанию и оформлению к конкретной возрастной группе обучающихся[14][15];
  5. Виртуальная лаборатория может содержать элементы геймификации, но баланс должен быть смещен в сторону образовательного содержимого;
  6. Должна содержать методические материалы для проведения занятий и интеграции виртуального и натурного эксперимента[15];
  7. Интуитивно понятный интерфейс для сокращения времени адаптации обучающихся;
  8. Объем образовательного контента должен соответствовать уровню образования, на котором применяется лаборатория. В зависимости от уровня образования это могут быть отдельные тематические модули для дополнительного образования  или годовой и более тематический курс лабораторных работ для использования в основном школьном образовании[14];
  9. Не собирать и не хранить персональные и/или биометрические данные ученика иначе, чем в полном соответствии законодательству страны пользователя[16];
  10. Иметь интерфейсы надлежащего качества[15].

Критика

В публикациях в числе недостатков виртуальных лабораторий авторы указывают следующие их особенности:

  1. Отсутствие формирования моторных навыков работы с реальным лабораторным оборудованием.
  2. Существенные отличия получаемого виртуального опыта от реального, например, отсутствие запаха у химических реактивов. Еще одним примером таких отличий является получение некорректного опыта, возникающее в результате недостаточной проработки математической модели виртуальной лаборатории.
  3. Ограничения использования, наследуемые от платформы, на которой работает виртуальная лаборатория: персонального компьютера, шлема виртуального реальности и пр[17][18]. Это приводит к необходимости строго следовать инструкциям по эксплуатации от производителя оборудования и действующим в данной стране стандартам использования такого оборудования для разных возрастных групп[14][15][19][20].

Современное состояние в России

К 2025 году стадию пилотирования и внедрения проходят ряд виртуальных лабораторий, разработанных как коммерческими компаниями[21][22][23], так и государственными организациями[24][25].

Первой крупной апробацией такого рода контента для VR-шлемов можно считать апробацию, начатую в 2020 году Дальневосточным федеральным университетом[26][27]. Еще одна апробация с привлечением профильных государственных организаций и института развития состоялась в 2024-2025 году и затрагивала одну из имеющихся на рынке виртуальных лабораторий[28].

Ряд высших учебных заведений заявляли о собственной разработке виртуальных лабораторий[29][30][31][32]. Такие разработки как захватывают иногда школьную программу, так и решают узкие прикладные задачи университета-разработчика, например, дефицита дорогостоящего научного оборудования.

По используемым подходам при внедрении можно разделить виртуальные лаборатории на две группы:

  1. Внедрение готового решения, в котором весь контент заранее создан разработчиком;
  2. Внедрение конструктора сцен, где внедряется специализированный движок для разработки, на основе которого конечный пользователь создает свой контент.

По сообщениям СМИ и образовательных организаций виртуальные лаборатории сегодня в России применяются в дополнительном образовании[33] , внеурочной деятельности[34], проектной деятельности[35] и на уроках в отдельных случаях[36] и для решения отдельных образовательных задач ВУЗов[37] .

На 2025 год в России в рамках нормативного регулирования отрасли существует ряд документов, затрагивающих виртуальные лаборатории, применяемые в образовательных целях.

Национальные стандарты

  1. ГОСТ - Р 55751 - 2013 Информационно коммуникационные технологии в образовании. Электронные учебно-методические комплексы. Требования и характеристики.
  2. ГОСТ Р 57721-2017 Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Эксперимент виртуальный. Общие положения
  3. ГОСТ Р 72027.1-2025 (ISO/IEC TR 23842-1:2020) Информационные технологии в обучении, образовании и подготовке. Руководящие указания по контенту виртуальной реальности с учетом человеческого фактора. Часть 1. Рекомендации по использованию контента виртуальной реальности
  4. ГОСТ Р 72027.2-2025 (ISO/IEC TR 23842-2:2020) Информационные технологии в обучении, образовании и подготовке. Руководящие указания по контенту виртуальной реальности с учетом человеческого фактора. Часть 2. Рекомендации по разработке контента виртуальной реальности

Не касается напрямую виртуальных лабораторий как программного обеспечения, но относит шлемы виртуальной реальности к средствам обучения и тем самым, распространяет на него все соответствующие документы ГОСТ Р 71345-2024 Средства обучения. Устройства учебные электронные для детей. Общие требования

Методические рекомендации, утвержденные Министерством просвещения РФ и Министерством образования и науки РФ

  1. Распоряжение Минпросвещения России от 18.05.2020 № Р-44 Об утверждении методических рекомендаций для внедрения в основные общеобразовательные программы современных цифровых технологий
  2. Письмо Министерства просвещения РФ от 31 января 2022 г. N ДГ-245/06 "О направлении методических рекомендаций" Методические рекомендации по реализации дополнительных общеобразовательных программ с применением электронного обучения и дистанционных образовательных технологий.
  3. Письмо Минобрнауки России от 12.01.2023 № МН-7/102 "О направлении методических рекомендаций" вместе с методическими рекомендациями по разработке программ развития образовательных организаций высшего образования, подведомственных министерству науки и высшего образования Российской федерации

Федеральные рабочие программы для среднего общего образования

Приказ Министерства просвещения РФ от 18 мая 2023 г. N 371 "Об утверждении федеральной образовательной программы среднего общего образования" (с изменениями и дополнениями)

Примечания

  1. ↑ ГОСТ Р 57721-2017 Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Эксперимент виртуальный. Общие положения (неопр.) (28 сентября 2017).
  2. ↑ Сениченков Юрий Борисович. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА, СТАНДАРТИЗАЦИЯ // Компьютерные инструменты в образовании. — 2022. — № 3.
  3. ↑ 1 2 Raghu Raman, Krishnashree Achuthan, Vinith Kumar Nair, Prema Nedungadi. Virtual Laboratories- A historical review and bibliometric analysis of the past three decades (англ.) // Education and Information Technologies. — 2022-09-01. — Vol. 27, iss. 8. — P. 11055–11087. — ISSN 1573-7608. — doi:10.1007/s10639-022-11058-9.
  4. ↑ Ton de Jong, Marcia C. Linn, Zacharias C. Zacharia. Physical and Virtual Laboratories in Science and Engineering Education // Science. — 2013-04-19. — Т. 340, вып. 6130. — С. 305–308. — doi:10.1126/science.1230579.
  5. ↑ Evrim Ural. The Effect of Guided-Inquiry Laboratory Experiments on Science Education Students' Chemistry Laboratory Attitudes, Anxiety and Achievement (англ.) // Journal of Education and Training Studies. — 2016-02-20. — Vol. 4, iss. 4. — P. 217–227. — ISSN 2324-8068. — doi:10.11114/jets.v4i4.1395.
  6. ↑ 1 2 3 Е. В. Батаева, В. В. Демин. Виртуальная реальность в обучении химии // Естественнонаучное образование: информационные технологии в высшей и средней школе: методический ежегодник химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. : Методический ежегодник. — 2019. — С. 167—180.
  7. ↑ Numan Ali, Sehat Ullah. Review to Analyze and Compare Virtual Chemistry Laboratories for Their Use in Education // Journal of Chemical Education. — 2020-10-13. — Т. 97, вып. 10. — С. 3563–3574. — ISSN 0021-9584. — doi:10.1021/acs.jchemed.0c00185.
  8. ↑ Melanie A. Stegman. Comment on Zacharia et al., A review of data about effectiveness of guidance in computer supported, inquiry based learning laboratories and simulations (англ.) // Educational Technology Research and Development. — 2021-02-01. — Vol. 69, iss. 1. — P. 259–262. — ISSN 1556-6501. — doi:10.1007/s11423-020-09927-6.
  9. ↑ Raghu Raman, Ricardo Vinuesa, Prema Nedungadi. Acquisition and User Behavior in Online Science Laboratories before and during the COVID-19 Pandemic (англ.) // Multimodal Technologies and Interaction. — 2021-08-16. — Vol. 5, iss. 8. — P. 46. — ISSN 2414-4088. — doi:10.3390/mti5080046.
  10. ↑ Paweł Strojny, Natalia Dużmańska-Misiarczyk. Measuring the effectiveness of virtual training: A systematic review // Computers & Education: X Reality. — 2023-01-01. — Т. 2. — С. 100006. — ISSN 2949-6780. — doi:10.1016/j.cexr.2022.100006.
  11. ↑ Гавронская Юлия Юрьевна, Оксенчук Вероника Владимировна. Виртуальные лаборатории и виртуальный эксперимент в обучении химии // Известия РГПУ им. А. И. Герцена. — 2015. — № 178. — С. 178—183.
  12. ↑ Азевич Алексей Иванович. ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ТЕХНОЛОГИЙ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ И ДОПОЛНЕННОЙ ВИРТУАЛЬНОСТИ // Вестник МГПУ. Серия: Информатика и информатизация образования. — 2022. — № 2(60). — С. 7—17.
  13. ↑ 1 2 Ольга Вячеславовна Алексеева, Наталья Викторовна Александрова, Татьяна Петровна Скворцова. Educational opportunities of virtual educational laboratories: analysis of current practice // Pedagogical Review. — 2023-12-22. — Вып. 6(52). — С. 134–142. — doi:10.23951/2307-6127-2023-6-134-142.
  14. ↑ 1 2 3 ГОСТ Р 72027.1-2025 Информационные технологии в обучении, образовании и подготовке. Руководящие указания по контенту виртуальной реальности с учетом человеческого фактора. Часть 1. Рекомендации по использованию контента виртуальной реальности. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (1 ноября 2025).
  15. ↑ 1 2 3 4 ГОСТ Р 72027.2-2025 Информационные технологии в обучении, образовании и подготовке. Руководящие указания по контенту виртуальной реальности с учетом человеческого фактора. Часть 2. Рекомендации по разработке контента виртуальной реальности (1 ноября 2025).
  16. ↑ Федеральный закон от 27.07.2006 N 152-ФЗ (ред. от 24.06.2025) "О персональных данных".
  17. ↑ Vladislav R. Kuchma, Evgeniya D. Laponova, Oleg V. Platonov, Anna S. Sedova, Anna Yu. Makarova, Natalya V. Biryukova, Mariya G. Boldyreva, Olga V. Tikashkina. Physiological and hygienic assessment of usage of virtual reality technologies in high school // Hygiene and sanitation. — 2024-06-17. — Т. 103, вып. 5. — С. 468–476. — ISSN 2412-0650. — doi:10.47470/0016-9900-2024-103-5-468-476.
  18. ↑ Nathan O. Conner, Hannah R. Freeman, J. Adam Jones, Tony Luczak, Daniel Carruth, Adam C. Knight, Harish Chander. Virtual Reality Induced Symptoms and Effects: Concerns, Causes, Assessment & Mitigation (англ.) // Virtual Worlds. — 2022-11-01. — Vol. 1, iss. 2. — P. 130–146. — ISSN 2813-2084. — doi:10.3390/virtualworlds1020008.
  19. ↑ ГОСТ Р 71345-2024 Средства обучения. Устройства учебные электронные для детей. Общие требования.
  20. ↑ СП 2.4.3648-20 "Санитарно-эпидемиологические требования к организациям воспитания и обучения, отдыха и оздоровления детей и молодежи".
  21. ↑ В России школьники будут проводить химические опыты в VR-лабораториях. ТАСС. 21 февраля 2024.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (url-status) (ссылка)
  22. ↑ Учителя химии познакомятся с потенциалом VR-технологий в образовании. Федеральный портал "Российское образование". 29 июля 2024.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (url-status) (ссылка)
  23. ↑ BioLab - это VR лаборатории по биологии. Университет 20.35.
  24. ↑ Виртуальные лабораторные и практические работы на углубленном уровне основного общего образования. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт содержания и методов обучения имени В.С. Леднева».
  25. ↑ Виртуальными лабораториями по физике и математике в «МЭШ» школьники и учителя воспользовались более 25 тысяч раз. mos.ru. 24 января 2020.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (url-status) (ссылка)
  26. ↑ О программе апробации приложений VR/AR расскажут на вебинаре Центра НТИ ДВФУ. Дальневосточный федеральный университет. 8 апреля 2021.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (url-status) (ссылка)
  27. ↑ Итоги исследования готовности российских школ к VR/AR подвели в Центре НТИ ДВФУ. Дальневосточный федеральный университет. 2 ноября 2020.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (url-status) (ссылка)
  28. ↑ 70 школ приступят к пилотному внедрению технологий виртуальной реальности в преподавание химии. ФГБНУ "ИСМО ИМ. В.С. ЛЕДНЕВА". 14 октября 2024.
  29. ↑ Виртуальная лаборатория. НИУ "Высшая школа экономики".
  30. ↑ Виртуальные лабораторные работы. Цифровые образовательные ресурсы Томского политехнического университета.
  31. ↑ Реальная «Виртуальная лаборатория». Объединенный институт ядерных исследований. 23 ноября 2017.
  32. ↑ Ольга Романовская (1 июня 2018). Уникальная виртуальная лаборатория по материаловедению создана в ЮУрГУ. ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ).{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (url-status) (ссылка)
  33. ↑ В «Кванториуме» стартовали занятия по химии с использованием технологий виртуальной реальности. BezFormata.Com. 24 октября 2024.
  34. ↑ Кружок по химии с лабораторными в VR Chemistry Lab // Кружковое движение : Журнал. — 2023.
  35. ↑ Виртуальная химическая лаборатория. Инженерный класс в московской школе.
  36. ↑ Владислав Бедюх (26 мая 2025). Необычный VR-урок по химии принёс педагогам Ноябрьска бронзу на всероссийском конкурсе. Сетевое издание «Ямал 1».{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (url-status) (ссылка)
  37. ↑ ДВФУ и МГУ им. Ломоносова совместно внедрили VR-курс по химии в образовательный процесс. ТАСС. 30 сентября 2022.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (url-status) (ссылка)
Эта статья взята у (из) Википедия. Текст лицензируется по Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0. К медиа файлам могут применятся дополнительные условия.