CC BY
226
УДК 004.946
ДОПОЛНЕННАЯ И ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ В ОБРАЗОВАНИИ КАК ИНСТРУМЕНТ ОСОЗНАННОГО ОБУЧЕНИЯ
А. М. Сотников1, А. Ю. Тычков2, Р. В. Золотарев3, М. А. Николаева4, А. А. Петкилева5
1 2,3'4,5Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1sanGhess2015@yandex.ru
2tychkov-a@mail.ru 3leshiy021178@gmail.com 4nikolaeva58maria@gmail.com 5alenapetkileva@gmail.com
Аннотация. Исследуются технологии дополненной и виртуальной реальности на примере их использования в образовании. Предметом исследования является изучение известных и ранее разработанных методов обучения с помощью AR и VR, достоинств и недостатков с точки зрения использования их в образовательных целях. Цель работы - провести аналитический литературный обзор и анализ известных методов использования дополненной и виртуальной реальности, представить наиболее перспективные решения в различных задачах науки. В качестве материалов исследования использовался поисковый метод научных и научно-популярных работ в лицензированных российских и зарубежных базах E-library и Scopus по ключевым словам: augmented reality, virtual reality, education. Представлены методы обучения с использованием технологий дополненной и виртуальной реальности. Рассмотрены современные способы обучения школьников и студентов посредством технологий дополненной и виртуальной реальности.
Ключевые слова: дополненная реальность, виртуальная реальность, образование
Для цитирования: Сотников А. М., Тычков А. Ю., Золотарев Р. В., Николаева М. А., Петкилева А. А. Дополненная и виртуальная реальность в образовании как инструмент осознанного обучения // Вестник Пензенского государственного университета. 2021. № 4. С. 117-122.
Введение
С момента развития дистанционного обучения и становления информационных технологий (IT) в образовательном процессе возникало множество проблем. В различные времена к любым новшествам в образовании относятся с опасением. В XXI в., в веке стремительного развития информационных технологий, их внедрение в систему образования стало необходимостью. Уже никого не удивить такими автоматизированными системами, как электронный дневник и электронный журнал. Компьютерные технологии используются в образовательном процессе практически повсеместно, однако споры о пользе и вреде компьютерных игр до сих пор не утихают. Хотя многие специалисты заметили, что эмоциональная привлекательность, которая заложена в компьютерной игре, и соединение аудиовизуальной, информационной, вычислительной возможности несут в себе огромный дидактический потенциал, который должен быть внедрен в учебный процесс [1].
Если раньше единственным носителем информации в учебном классе был учитель, то с развитием гаджетов ученики стали получать информацию от своего окружения - друзья, товарищи, социальные сети [1]. Сегодня сложно представить себе мир без гаджетов.
© Сотников А. М., Тычков А. Ю., Золотарев Р. В., Николаева М. А., Петкилева А. А., 2021
Учителя, которые стремятся дать обучающимся новые знания и увлечь их предметом, используют все современные возможности. IT-технологии позволяют учителям не только удержать внимание обучающегося, но и развить интерес к процессу обучения, формировать технологические навыки, которые являются необходимыми для дальнейшего академического обучения и развития профессиональной карьеры.
В данной статье представлен эксперимент, проведенный авторами настоящей статьи для школьников различных классов г. Пенза, направленный на выявление осознанного интереса к инструментам дополненной реальности [2].
История развития AR и VR в образовательном процессе
История дополненной реальности (Augmented Reality, AR) начинается с середины XX в., когда для нужд военных впервые начали разрабатывать устройства, позволяющие видеть дополнительные сведения в поле зрения оператора. В это время также были начаты разработки обучающих игр, и в 1955 г. создана первая игра с применением ЭВМ (американской корпорацией «Rand Corporation»). Целью игры было обучение офицеров американских ВВС по управлению снабжением военно-воздушных баз. Игра называлась «Имитация решений в высшем управленческом звене» и решала актуальные задачи в технологическом развитии крупных компаний США.
С тех пор имитационные игры, моделирующие производственно-хозяйственные функции, стали называть «Деловыми» или «Управленческими» [3].
В нашей стране развитие игротехнической культуры связано, в первую очередь, с именем Г. П. Щедровицкого. Его метод, при котором сочетались жестко структурированная деятельность и сильное давление на личность каждого участника, стал применяться для решения сложных межпрофессиональных комплексных проблем.
Одновременно с развитием деловых игр в России велись исследования, связанные с видеоиграми с мотивационным, образовательными эффектами и их потенциалом [4].
Результаты такого исследования в 1978 г. показали, что игроки имеют лучшую моторную и визуальную координацию, меньше испытывают трудности с изучением основных предметов, а также установлено, что обучающие видеоигры смогли помочь студентам в случаях:
- исправления выявленных недостатков;
- адаптации игры под индивидуальные интересы ученика, повышаются мотивация и стимулирование;
- улучшения концентрации внимания;
- мгновенной обратной связи [5].
Одним из главных аргументов в использовании образовательных видеоигр в учебном процессе является возможность получить практический опыт, не боясь при этом совершить ошибку, и даже наоборот - намеренно допускать ее, показывая полученный результат в режиме реального времени. Например, такая система используется в обучении пилотов, а современная система дополненной реальности RED позволяет обучать пилотов системе воздушного боя.
В середине 1980-х гг. имитационные игры широко распространяются в образовании и проникают в биологию, медицину, архитектуру, экологию. Но разработки тех лет рассматривали лишь узкоспециализированные проблемы, не предусматривая психологическое воздействие. С началом массового внедрения персональных компьютеров начался новый виток в развитии обучающих игр [6].
В 2010 г. журнал «Time» включил дополненную реальность в список технологий будущего, в результате чего крупные корпорации начали массово внедрять технологию в своих целях, однако все они пока достаточно дороги, из-за чего распространение техно-
логии происходит медленно. Вследствие этого обучающие механизмы и технологии еще несовершенны, но, находясь на стыке 5- и 6-го технологических укладов, необходимо их адаптировать к учебному процессу и начать широко применять в образовательном процессе [7].
Дополненная реальность в образовании
ЛЯ обогащает мир новейшими технологиями, создавая аудиовизуальные образы, позволяя ученикам в учебных классах увидеть учебный материал и делая его более ярким, запоминающимся.
Эффективность данного метода обучения подтверждена рядом тестов и экспериментов. Например, был проведен эксперимент, в ходе которого испытуемым двух групп предлагалось получать материал разными способами. Одна группа получала наглядный материал в виде стендов и плакатов, другая - наглядный материал с AR [8]. Было выявлено, что та группа, которая получала материалы с использованием дополненной реальности, усваивала их в процентном соотношении на 90 %, а концентрация внимания достигала 95 % всей аудитории, тогда как группа, использующая двумерные материалы, имела показатели вдвое меньше [9].
Причина, по которой такие показатели стали возможными, в том, что AR создает эффект присутствия, показывая связь между реальным и виртуальным миром, что психологически выглядит намного привлекательней для человека, и повышает его восприимчивость к получению новой информации.
Руководствуясь данными этих экспериментов, а также трудами Г. П. Щедровицкого, в 2020 г. коллектив авторов создал приложение дополненной реальности, которое наглядно показывает практическую значимость образовательного процесса как школьных предметов, так и дополнительного образования [10]. Задачей данного исследования стало - вызвать осознанный интерес к обучению вне школьного предмета «Проектная деятельность».
Для достижения поставленной задачи визуализировался свой учебный класс, в котором школьники могут заниматься по программам дополнительного образования и не только визуализировать созданные в этом учебном классе проекты, но и показывать влияние межпредметных связей, технологий (оборудование), используемых при работе с проектами, и знания, получаемые в процессе обучения.
Школьникам, использующим это приложение, такая подача материала оказалась намного эффективней, чем обычные экскурсии, что было доказано в ходе эксперимента с учащимися 3-6-х классов [11].
Эксперимент был направлен на выявление осознанного интереса к обучению с помощью данного инструмента. В ходе эксперимента школьникам разных возрастных групп, не знакомым со школьным учебным классом дополнительного образования «Центр молодежного инновационного творчества», предлагалось сначала узнать о нем привычным для всех способом подачи информации - через фотографии и рассказ об учебном классе. Затем тем же школьникам показывалось приложение AR, в котором они могли самостоятельно провести экскурсию по виртуальному классу, взаимодействуя с находящимися внутри него объектами и получая аудиовизуальную информацию [12].
Результаты эксперимента показали, что в случае получения информации первым способом школьники не проявили интереса ни к самому учебному классу, ни к проектной деятельности, тогда как в случае использования AR-приложения у школьников появлялся ярко выраженный интерес, который достигался за счет эффекта присутствия в классе и возможности самостоятельно получить интересующую информацию. В процентном соотношении осознанность полученной информации у школьников в первом случае дости-
гала 45 %, тогда как с использованием AR - 80 %. Внимание, уделяемое самому процессу получения информации, в первом случае было на уровне 60 %, во втором - 97 % [13].
Школьники, которые провели экскурсию в виртуальном классе дольше других, шли в учебный класс осознанно и имели четкую мотивацию к обучению, что доказало необходимость создания подобного рода инструментов для учителей и педагогов дополнительного образования [14].
Исходя из результатов данного эксперимента выявлено, что дополненная реальность, как образовательный инструмент, положительно влияет на мотивацию к осознанному обучению и позволяет качественно улучшить процесс образования. Используя полученные ранее данные, коллектив авторов начал работу над приложением в дополненной реальности, которое будет использоваться для уроков истории и исторических экскурсий по г. Пенза [8]. Приложение разрабатывается в виде имитационной игры, в ходе которой школьникам, изучающим историю своего города, предлагается увидеть его во временном отрезке 1870-х гг. - отрезок улицы со зданиями и окружением той эпохи, включая «ожившие» исторические личности, жившие в городе в тот момент. Со всеми объектами внутри приложения заложена возможность взаимодействия, что повысит степень погружения и вовлеченности пользователей. Авторами проведен опрос среди детей младшего школьного возраста. Полученные данные показывают, что знакомство с «живой» историей качественно повышает интерес к изучению истории родного края [9].
Все приведенные примеры наглядно показывают, что AR является необходимым для учителей инструментом, который открывает новые возможности не только для изучения теории, получения необходимого практического опыта, но и стимулирования осознанности обучения [14]. Интерактивные обучающие методики позволяют визуализировать смысловую составляющую образовательного процесса, направленную на мотива-ционную составляющую учащихся. Данное обстоятельство особенно это важно для детей младшего школьного возраста, поскольку дети, которые подходят к обучению осознанно, имеют повышенную мотивацию и стремление к обучению в дальнейшем.
Создание таких инструментов, как трехмерные лаборатории по предметам биологии, химии, физики, математики, позволит существенно изменить качество изучаемых предметов, а интерактивные учебники, позволяющие через камеру смартфонов анимировать заложенные в них знания и персонажей, позволят учащимся повысить вовлечение в образовательный процесс, добиваясь необходимой осознанности обучения [15].
Преимущество внедрения AR-технологий в образование связано с тем, что традиционные методики могут быть затратными и менее эффективными, тогда как создание приложений дополненной реальности становится все более доступным для массового использования [16].
На сегодня выявлено несколько основных преимуществ внедрения AR/VR-техноло-гий в образование:
1. Наглядность. зБ-графика позволяет детально воспроизвести те процессы, которые невидимы человеческому глазу - химические реакции, распад атомного ядра, движение электронов или процесс развития клеток на разных этапах.
2. Безопасность. Нет необходимости пояснять преимущества создания виртуальных кабин обучения пилотов, медицинских операций, отработки навыков управления технологическим оборудованием на опасных производствах и т.п.
3. Новые возможности проведения дистанционных занятий. Благодаря современным технологиям сегодня доступно создание смоделированного пространства с видом от первого лица, что дает эффект присутствия. Такая технология будет полезна, к примеру, на уроках истории, где каждому участнику представится возможность стать участником изучаемых ими событий в виртуальном мире [17].
4. Вовлечение. Визуализация механики действий, к примеру, человеческого тела дает неоспоримые преимущества перед традиционными методами обучения. Виртуальная и дополненная реальность делает возможными «путешествия во времени» или вглубь Вселенной [18].
5. Фокусировка внимания. Детализация и полное погружение в пространство VR позволяют не отвлекаться от влияния внешних факторов, а инструменты AR, направленные на создание смешанной реальности, позволяют исключить внешние факторы.
Заключение
Новые технологии прочно входят в нашу жизнь, изменяя подходы к образованию. Но вместе с этим необходимо понимать, что предлагаемый игровой мир должен быть согласованным с реальным миром, быть гармоничным и цельным.
Все действия и решения обучающегося должны быть последовательными, иметь обратную связь и удерживать внимание. Необходимо понимать, какую смысловую нагрузку закладывают в игру, для того, чтобы обучаемые четко понимали цель и практическую значимость обучения. Главная задача игр - заинтересовать обучающихся предметом, дать им мотивацию и выработать стремление к получению новых знаний.
Интеграция игр в образовательный процесс все больше находит широкое применение, особенно среди педагогов дополнительного образования и в университетах, как более результативный способ обучения. Вместе с этим нельзя отказываться и от традиционных методик, таких как «чистописание» или устный счет, они должны дополнять друг друга, поскольку инструменты AR позволяют донести главное - смысловую составляющую обучения. Поскольку обучающие компьютерные игры имеют большой дидактический потенциал, то можно быть уверенным, что в будущем будет разработана эффективная технология образовательного процесса, в полном соответствии с требованиями, которое сегодня предъявляет образовательное сообщество.
Список литературы
1. Ivanko F., Ivanko A., Kulikova V., Sultanova M. Computer games and online journalism // International Journal of Engineering Technology and Computer Research (IJETCR). 2017. Vol. 5. Iss. 3.
P. 11-15.
2. Иванько А. Ф., Иванько М. А., Калабугина Д. В. Геймификация в образовательном процессе : ХХ Междунар. науч. чтения памяти Р. Е. Алексеева : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. М. : ЕФИР, 2017. C. 119.
3. Vinokur A. I., Ivanko A. F., Ivanko M. A. Information systems in publishing: Textbook. Allowance. Moscow : University of Ivan Fedorov, 2015. 196 p.
4. Ivanko A. F., Ivanko M. A. Information technologies in publishing. Tutorial. Moscow : MGUP them. Ivan Fedorov, 2013. 136 р.
5. Граневский К. В. Технологии виртуальной и дополненной реальности и возможность их применения в военном образовании // Наука и образование в XXI веке : тр. VI Межунар. заоч. науч.-практ. конф. Кузбасс : КГТУ, 2017. С. 16-22.
6. 20 примеров дополненной реальности в образовании. URL: http://arnext. ru (дата обращения: 18.07.2021).
7. Технологии виртуальной реальности в образовании. URL: https://avblab. com (дата обращения: 18.07.2021).
8. Tychkov A. Y., Grachev A. V., Alimuradov A. K. Virtual reality in information transfer // Proceedings - 2020 International Russian Automation Conference, RusAutoCon. 2020. P. 826-830. URL: https://reserchgate.net>...
9. История образовательных игр. URL: https://teachingame.ru/history (дата обращения: 18.07.2021).
10. Дополненная реальность в образовании: быстрее, ярче, интереснее. URL: https://4td. fm/article/dopolnennaya-realnost-v-obrazovanii-bystree-yarche-interesnee (дата обращения: 24.07.2021).
11. AR-жизнь: применение и перспективы дополненной реальности. URL: https://dtf. ru (дата обращения: 24.07.2021).
12. Смолин А. А., Жданов Д. Д., Потемин И. С., Меженин А. В. Системы виртуальной, дополненной и смешанной реальности : учеб. пособие. СПб. : Университет ИТМО, 2018. 59 с.
13. Новые игровые технологии. URL: https://qwizz. ru (дата обращения: 24.07.2021).
14. Образовательные технологии будущего. URL: https://4td. fm/article/obrazovatelnye-tekhnologii-budushchego-snimaya-virtualnyyshlem-oni-plakali/?sphrase_id=4442 (дата обращения: 24.07.2021).
15. Educational video game. URL: https://en. wikipedia. org/wiki/ Educational_video_game (дата обращения: 05.08.2021).
16. Тычков А. Ю., Волкова К. Ю., Киселева Д. В., Родионова Е. А. Обзор систем виртуальной реальности // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2020. № 2. С. 3-13.
17. Games and learning. URL: https://en. wikipedia (дата обращения: 05.08.2021).
18. Дополненная реальность в образовании. URL: http://tofar. ru (дата обращения: 05.08.2021).
Информация об авторах Сотников Александр Михайлович, студент, Пензенский государственный университет.
Тычков Александр Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиотехника и радиоэлектронные системы», заместитель директора Научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований, Пензенский государственный университет.
Золотарев Руслан Валерьевич, преподаватель дополнительного технического образования, Пензенский государственный университет.
Николаева Мария Александровна, студентка, Пензенский государственный университет. Петкилева Алёна Алексеевна, студентка, Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
