إن مواد العلوم من أكثر المواد ارتباطا بالتقنية من حيث دمج التقنية في نمو الطالب العلمي المتكامل (الشايع، )، وتعتبر المعامل الافتراضية ركيزة أساسية في التعلم الالكتروني في المجال العملي التطبيقي حيث تعد أحد مستحدثات التكنولوجيا الحديثة و التي تعتبر امتدادا لتطور أنظمة المحاكاة الالكترونية. و يرى الحافظ وأمين () أن المختبر الافتراضي بديل ممتاز عن المختبرات المدرسية بحيث تقدم للطلاب خبرات مهارية قريبة جدًا من الخبرة المباشرة، وتعطي للطالب قدرة كبيرة على تصور الكثير من المفاهيم التي يصعب أن يتخيلها واقعيا وتوفر للمتعلمين مناخًا تفاعليًا مشوقًا، وتتيح للطلاب إمكانية ممارسة التجربة العلمية خطوة بخطوة. كما أشار ساري أي ويلماز ( Sari ay and Yilmaz (  إلى أن استخدام المختبر الافتراضي يتيح إجراء التجارب الطويلة والمعقدة والمكلفة، وبعض التجارب التي يستحيل القيام بها في المختبر المدرسي .

ومن هنا تكمن أهمية المختبرات الافتراضية ودورها في رفع مستوى التحصيل الدراسي للمواد العلمية، حيث سيناقش المقال محورين أساسيين، و هما دور استخدام المختبرات الافتراضية في زيادة التحصيل الدراسي للمواد العلمية و استيعاب المفاهيم العلمية المجردة، و كذلك  التحديات التي تواجه المعلم و الطالب في  استخدام هذه المختبرات الافتراضية.

مفهوم المختبرات الافتراضية  

هناك العديد من التعريفات التي أشارت إليها البحوث والدراسات والأدبيات في هذا المجال، و إن اختلفت في اللفظ والصياغة فهي تتفق في المضمون، وخلاصة تلك التعريفات أن المختبرات الافتراضية بيئة تفاعلية آمنه خالية من المخاطر، تمكن المتعلمين من إجراء التجارب العلمية في مختبرات افتراضية تحاكي المختبرات الحقيقية، وتهدف إلى تنمية مهارات التفكير والأداء العملي لدى الطلاب، وتمكن المتعلمين من تنفيذ وتكرار التجارب العلمية في أي وقت دون الحاجة للمعلم.

نماذج في مجال المختبرات الافتراضية     

هناك العديد من نماذج وتجارب ودراسات وبحوث عالمية في مجال تطبيق المعامل الافتراضية في مراحل التعليم العام والمرحلة الجامعية، ومن ضمن النماذج والتجارب ما يلي:

• المختبر الافتراضي المنتج من قبل شركة كروكودايل كليبز البريطانية (Crocodile Clips)، وهي شركة عالمية رائدة في مجال البرمجيات التعليمية، وقد قامت هذه الشركة بإنتاج مختبرات افتراضية للكيمياء والفيزياء والرياضيات والتكنولوجيا، وهذه التقنية مستخدمة في أكثر من 70% من المدارس البريطانية، ومستخدمة في أكثر من 60 دولة حول العالم.
• المختبرات الافتراضية التابعة لمشروع فيت PHET في جامعة كولورادو الأميركية.
• المختبر الافتراضي Praxilabs.
• موقع محاكاةThe Physics Aviary.
• موقع محاكاة Gizmos.

دور المختبرات الافتراضية في زيادة التحصيل الدراسي للمواد العلمية 

تعد المختبرات الافتراضية وسيلة تعليمية مهمة وخاصة في الدول المتقدمة، لما تساهم به في نهضة العملية التربوية وتنمية مهارات الطالب الحسية، ومساعدته على تصور الكثير من المفاهيم التي يصعب علية أن يتخيلها، وبالتالي  يكون لها دور في زيادة التحصيل الدراسي للمواد العلمية، فالمختبر الافتراضي يمكن الطلاب من إبقاء أثر التعلم، نتيجة لتفاعلهم مع التجربة المعملية باستخدام عناصر من الوسائط المتعددة في المختبر الافتراضي كالأشكال ثلاثية الأبعاد لحركة جزئيات التفاعل والعناصر والصور، وأيضا الرسوم البيانية التي من خلالها يلاحظ الطالب حركة الجزيئات ودرجة الحرارة والضغط وغيرها، حيث أنها تساهم في تنمية الأداء المهاري لدى الطلاب، بالإضافة إلى أن المختبر الافتراضي يسعى إلى مراعاة الفروق الفردية بين الطلاب من خلال جعل الطالب يقوم بأداء المهارة أكثر من مرة حسب سرعته واستيعابه للتعلم، حتى يتمكن من أدائها على الوجه المطلوب، وتتفق هذه الدراسة مع الشراري ()  والغشيم () وهيرجا وآخرون  (2015) و التي جاءت لتؤكد على الاهتمام بالمختبرات الافتراضية لما لها من فاعلية واضحة يجب الأخذ بها.

كما ذكر عوض () والراضي مميزات ومبادئ المعامل الافتراضية، ومنها تفريد التعليم، وضبط المتعلم لعملية التعلم، والتعلم المستمر، وديمقراطية التعلم، حيث يجب أن يحقق التعلم الافتراضي أحقية كل فرد من افراد المجتمع في التعليم، وكلما كان التعلم ذاتيا كان التحصيل أكبر، وذلك لأن الطالب يلقي بكل ثقله في العملية التعليمية ويندمج معها مما يزيد من دافعيته نحو التعلم.

وتوصلت نتائج بحث اسيكسوي (Asıksoy (2007 . G بأن تجارب المختبرات الافتراضية لها تثير إيجابي على اتجاهات الطلاب في مادة الفيزياء، وتساعد على تنمية التحصيل الدراسي لدى الطلاب في مادة الفيزياء، هذا بعكس المعامل التقليدية الحقيقية، وتوصلت نتائج بحث سليمان () إلى فاعلية المعامل الافتراضية في تنمية التحصيل الدراسي لمادة الفيزياء في المستويات المعرفية العليا التحليل، والتركيب، والتقويم لدى طلاب الصف الثالث الثانوي.

وتوصلت نتائج بحث الحازمي (2016)  إلى نجاح أثر المعامل الافتراضية وكفاءتها وقدرتها على توصيل المعلومات بشكل دقيق، كما تدل على وجود الإنتاج والمحتوى والإخراج الفني وأسلوب العرض ومراعاتها لخصائص ومواصفات البرامج التعليمية الجيدة، كما أن استخدامه في تدريس الفيزياء يوفر فرصة أمام الطلاب للحصول على أكبر قدر ممكن من الأمثلة التوضيحية لشرح المعلومات وفهمها، بالإضافة للحصول على عدد أكبر من التمارين والمسائل النظرية والقوانين العلمية بجهد ووقت أقل. في حين أن استخدام طرق التدريس في المعامل المدرسية لا يمكن أن يوفر للطلاب هذا الكم المميز وذلك لضيق وقت الحصة الصفية. وخلاصة ذلك أن استخدام المعمل الافتراضي له تأثير إيجابي على تحصيل الطالبات.

كيف تساهم المختبرات الافتراضية في استيعاب المفاهيم العلمية المجردة؟

يسهم المختبر الافتراضي في تحويل المفاهيم العلمية المجردة إلى مفاهيم ملموسة، كما يساعد في توفير خبرات حسية متعددة متنوعة، مما يساعد على تسهيل فهم الطلبة للمفاهيم العلمية. وما يميز المختبر الافتراضي أيضا أنه يسمح للمعلم باشراك جميع الطلاب في تنفيذ التجارب العملية وبشكل يراعي الفروق الفردية حيث يتمكن كل طالب من التقدم في تنفيذ التجارب حسب قدراته الذاتية، مما يسمح للطالب الضعيف بإعادة خطوات التجارب أكثر من مرة في وقت قصير نسبيا وبشكل لا يعيق تقدم بقية الطلبة، كما أن أحد أهم خصائص المختبر الافتراضي هي إمكانية نقل الطلبة له إلى منازلهم، وبهذا يتمكن الطالب من إعادة تنفيذ التجارب والتدريب عليها خارج الحصة الصفية التي كثيرا ما يقف ضيق الوقت عائقا أمام التمكن من تنفيذ التجارب العملية وإدراك المفاهيم المتضمنة فيها بشكل كامل .( ياسمين، )

كما أن له أثر بالغ في اكتساب المفاهيم حيث يوفر المعمل الافتراضي بيئة تعلم تحاكي الواقع باستخدام وسائل شبه محسوسة متحركة ملونة ومرئية، على عكس ما يتم في المعامل المدرسية فمن الممكن أن تكون استراتيجية تلوين المحتوى التعليمي زادت من قدرة الطلاب على تمثيل وربط المفاهيم بشكل جيد ليعود بالنهاية على قدرتهم لتذكرها واستدعائها مرة أخرى.

ويذكر  الرفيعي (2021) أن الطالب يقوم بإجراء التجربة خطوة – خطوة ويرى الطالب نتيجة كل خطوة من خطوات التجربة مما يجعل الطالب على دراية بذلك، وكما أنه يتوصل إلى النتائج بنفسه وهذا يعود إلى إمكانية تسجيل وملاحظة النتائج وتكرارها، دون الاعتماد على المعلم، مما يجعل الطالب متحمسا نحو التعلم واكتساب المهارات واستيعابها، وتتفق مع دراسة الشمراني () وأبو زنط () ، وهو ما أكد عليه العليان ( )على أن من إسهامات التعلم الالكتروني زيادة الثقة بالنفس لدى المتعلم، حيث أن المتعلم يعد محور العملية التعليمية، وهو الذي يسأل ويجيب و يتفق معه (الحازمي ،2016  ).

كما أكد كل من الراضي  () ، و زيتون ( ) على أنه من أهم التقنيات الحديثة في مجال المعامل المدرسية  تقنية المعامل الافتراضية التي تساعد الطالب على ممارسة الأنشطة المعملية التي تحدث عادة في المعمل المدرسي، بالإضافة إلى إمكانية أن تزيد عليها أنشطة أخرى، وذلك من خلال استخدام أجهزة، وأدوات ومواد محاكاة افتراضية، فهي بذلك تستطيع من خلال المعامل الافتراضية القيام بالتالي: التعرف على الأدوات والأجهزة والمواد والعمليات المعملية، والتدريب على استخدامها، والتدريب على المهارات العملية ومنها: الملاحظة، والقياس، والتصنيف، والتفسير ، والتنبؤ، والاستدلال، وضبط المتغيرات، وإجراء الملاحظات والتجارب التي تمكنهم من اكتشاف مبادئ وقوانين جديدة ،أو التأكد من صحة ومبادئ وقوانين سابقة.

يمنح استخدام المختبر الافتراضي الطالب الفرصة للعمل مع الزملاء  والمعلم على حد سواء، ويقلل من دور المعلم في التلقين، ليكتشف الطالب بنفسه بأنه هو من يقوم بإدارة العملية التعليمية تحت إشراف المعلم، مما يوفر المرونة في العمل الدراسي والنشاط للطالب ويحفزه على التفكير وبذل الحلول والإبداع وبالتالي إثراء جانب التكوين المفاهيمي (اللحيدان ،2019). كما أشار الشايع () إلى أن المعامل الافتراضية تساعد الطلاب على إدراك المفاهيم العلمية بشكل أعمق وتصحيح العديد من المفاهيم العلمية الخاطئة التي يحملها الطلاب نحو دراسة العلوم واستخدام التقنية.

التحديات التي تواجه المعلم و الطالب في  استخدام المختبرات الافتراضية

اتفقت أكثر الدراسات والبحوث على أن هناك ثلاث معوقات رئيسية تحول وتقف كحجرة عثرة أمام  استخدام المختبرات الافتراضية من قبل المعلم والطالب، وهي معوقات تتعلق بالمعلم والمواد الدراسية وبتقنيات الحاسب والتجهيزات المدرسية. فأظهرت دراسة الطويرقي (2019) أبرز التحديات التي تواجه تدريس مقررات العلوم كثافة المحتوى العلمي بالمقرر، وتركيزه على الجانب النظري أكثر من العملي، وبالتالي قلة توافر برامج المعامل الافتراضية التي تتناسب معه، أو قلة مناسبة الموضوعات المتضمنة في محتوى مقرر العلوم لاستخدامها في هذا النوع من الممارسات الافتراضية، وكذلك وجود معلومات إضافية بالمقرر تحول دون الاستفادة من استخدام المعامل الافتراضية، وأبرز المعوقات بمجال تقنية الحاسب والتجهيزات  المدرسية نقص وجود أجهزة حاسب آلي كافية في مراكز مصادر التعلم بالمدرسة، وافتقار وجود فني لتشغيل و صيانة أجهزة مصادر التعلم أو المعمل، و ضعف البرمجيات الموجودة في الوقت الحاضر. كما تتطلب المعامل الافتراضية وجود أجهزة حاسب ذات مواصفات خاصة لتمثيل الظواهر المعقدة بشكل واضح، إضافة إلى محدودية عدد المتخصصين في هذا النوع من المعامل الافتراضية كذلك.

وفي دراسة قام بها بلفقيه () هدفت إلى معرفة المعوقات في استخدام المختبرات الافتراضية من قبل معلمي العلوم الطبيعية بالمرحلة الثانوية كان من أهمها طول وقت إعداد الدروس التي يستخدم فيها المختبر الافتراضي، وضعف مهارات المعلم في التعامل مع الحاسوب، وصعوبة ضبط المتعلمين أثناء إجراء التجارب الافتراضية، والخوف من تعطل الأجهزة.

و يمكن التأكيد في الختام أن المختبر الافتراضي بديل ممتاز عن المختبر المدرسي لما له من دور في رفع مستوى التحصيل الدراسي للمواد العلمية في المستويات العليا ( التحليل، والتركيب، والتقويم) حيث يساعد الطلاب على إدراك المفاهيم العلمية بشكل أعمق، وبالتالي يحفزهم على التفكير وبذل الحلول الإبداعية وكذلك تنمية الأداء المهاري لدى الطلاب، كما له مميزات تفريد التعليم وضبط المتعلم لعملية التعلم والتعلم المستمر وبالتالي زيادة الثقة بالنفس لدى الطلاب. وبالرغم من كل هذه المميزات هناك بعض التحديات التي تواجه مستخدمي المعامل الافتراضية و المتعلقة بمهارات المعلم في التعامل مع الحاسوب أو نقص الإمكانيات في مصادر التعلم ومشكلات تربوية ومشكلات خاصة بالمقرر.

المراجع العربية :

أحمد صالح الراضي .(2008 ) . أثر استخدام تقنية المعامل الافتراضية على تحصيل طلاب الصف الثالث الثانوي (قسم العلوم الطبيعية ) في مقرر الكيمياء في منطقة القصيم التعليمية. رسالة ماجستير غير منشورة ، كلية التربية ، جامعة الملك سعود،الرياض.
بشرى بنت مسلم الرفيعي . ( 2021) . فاعلية المختبرات الافتراضية في ظل التعليم عن بعد في تنمية مهارات الأداء المعملي لدى طالبات المرحلة الثانوية في الكيمياء في المدينة المنورة.
الملك سعود، الرياض .
دعاء أحمد الحازمي( 2016 ) فاعلية استخدام المعمل الافتراضي في تدريس وحدة من مقرر الفيزياء لطالبات الصف الثاني الثانوي على التحصيل الدراسي، مجلة الأزهر كلية التربية .
حسن حسين زيتون .( 2005 ). رؤيا جديدة في التعليم الإلكتروني :المفهوم- القضايا- التطبيق- التقييم ، ط 3 ،الرياض ،الدار لصولتية للنشر والتوزيع .
حابش إبراهيم العلياني . ( 2012). فاعلية استخدام تكنولوجيا المعامل الافتراضية في التحصيل الدراسي لمقرر العلوم لطلاب الصف الثالث المتوسط بمدارس الرياض الأهلية ،رسالة ماجستير غير منشورة بكليات الفيصل الأهلية للدراسات العليا قسم العلوم التربوية / وسائل وتكنولوجيا التعليم .
خالد عبدالله الغشيم . (2017). أثر استخدام تقنية المعامل الافتراضية في تنمية مهارات التفكير الإبداعي لدى الطلاب المتفوقين بالمرحلة الثانوية .رسالة دكتوراه . جامعة صنعاء ،كلية التربية ،اليمن .
سارة صالح محمد اللحيدان . ( 2019) أثر استخدام المختبر الافتراضي على تحصيل المفاهيم وتنمية الاتجاه نحو معمل العلوم لدى طلاب المرحلة الثانوية.
شريف بن حامد الشراري . (2017). أثر استخدام المختبر الجاف في تحصيل طلاب الصف الثالث المتوسط في العلوم وتنمية مهارات التفكير الإبداعي لديهم بمحافظة القريات .الجامعة الأردنية عمادة البحث العلمي – الأردن ، م 44 (4)،195-209 .
صالح عبدالاه حسن بلفقية .( 2020) . معوقات استخدام المختبر الافتراضي لدى معلمي العلوم الطبيعية بالمرحلة الثانوية بمدينة المكلا – لمجلة-الريان.
علية أحمد يحيى ال حمود الشمراني .(2018). فاعلية بيئة افتراضية الأبعاد ( sloodle) في تنمية مهارات التجارب العلمية في مادة الفيزياء لدى طالبات الصف الثاني ثانوي في مدينة جدة مجلة العلوم التربوية والنفسية – فلسطين ، م 2 (8) ، 56- 73 .
عوض الكريم عبدالحميد محمد سليمان .(2017) . تصميم برنامج تعليمي للمعامل الافتراضية الموائمة للإنترنت في مادة الفيزياء لطلاب الصف الثالث الثانوي ، رسالة دكتوراه، معهد بحوث ودراسات العالم الإسلامي ، جامعة أم درمان الإسلامية.
فهد سليمان الشايع . (2006).واقع استخدام مختبرات العلوم المحوسبة في المرحلة الثانوية واتجاهات معلمي العلوم والطلاب نحوها .مجلة جامعة الملك سعود . 19 ( 1 ).العلوم التربوية والدراسات الإسلامية ،النشر العلمي والمطابع ،جامعة الملك سعود ،الرياض .
ليال أبو زنط . ( 2015 ). أثر استخدام المختبر الافتراضي على تنمية المهارات المخبرية والاتجاهات نحو استخدامه في تعليم الفيزياء لدى طلبة قسم الفيزياء بكلية العلوم في جامعة النجاح الوطنية ، رسالة ماجستير. جامعة النجاح الوطنية ،فلسطين.
محمود عبدالسلام الحافظ ، وأحمد جوهر محمد أمين ( 2012) .المختبر الافتراضي لتجارب الفيزياء والكيمياء وأثرة في تنمية قوة الملاحظة لطلاب المرحلة المتوسطة وتحصيلهم المعرفي، بحث منشور في المجلة التربوية المتخصصة، 1( 18) أيلول 2012 .
محمد عوض .(2003). آلية بناء المكتبة الافتراضية ،مجلة مستقبل التربية ،(31) 9، ص 101 – 133.
ماجد بن عبدالله الطويرقي . (2019) معوقات استخدام المعامل الافتراضية لدى معلمي العلوم الطبيعية بالمرحلة الثانوية .
ياسمين ،صدقي عمر (2014) . أثر استخدام المختبر الافتراضي لتجارب العلوم في تنمية عمليات العلم واكتساب المفاهيم لدى طالبات الصف الخامس في فلسطين .أطروحة. أطروحة ماجستير غير منشورة ، كلية الدراسات العليا ، جامعة النجاح الوطنية، فلسطين.

المراجع الأجنبية:

– Asiksoy,G,Islek,D,(2007).The Impact of the Virtual Laboratory on Students’ Attitudes in a General Physics Laboratory ,Article submitted submitted 27 February . Published as resubmitted by the authors 14 April ,PP20:28

– Sari ay,O.and Yilmaz,S. (2015) .Effects of virtual experiments oriented science instruction on students’ achievement and attitude . Education Online,14,609-620

– Herge,n.cagran,b.and dinevski,d.(2016).Virtual Iaboratory in the role of dynamic visualization for better understanding of chemistry in primary school. Eurasia of mathematics