CC BY
24МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ И ВОСПИТАНИЯ
Опыт использования виртуальной образовательной среды в преподавании астрономии
Драгилев Евгений Владимирович,
старший преподаватель кафедры общеобразовательных дисциплин Ростовского филиала ФГБОУ ВО «Российский государственный университет правосудия» E-mail: evge3vg@yandex.ru
Драгилева Людмила Леонидовна,
кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры общеобразовательных дисциплин Ростовского филиала ФГБОУ ВО «Российский государственный университет правосудия» E-mail: ludmiladr@mail.ru
В статье рассмотрены некоторые аспекты создания и применения виртуальной образовательной среды в преподавании основ астрономии студентам учреждений среднего профессионального образования. В ходе исследования были разработаны трехмерная виртуальная образовательная среда и стандартный онлайн-курс астрономии. В исследовании приняли участие около 100 учащихся юридического колледжа, разделенных на четыре учебные группы. При обучении первых двух групп использовалась виртуальная среда, а оставшиеся две группы применяли онлайн-курс. По итогам текущих и промежуточных аттестаций на протяжении учебного года собирались данные об успеваемости студентов, также было проведено анкетирование на предмет отношения студентов к информационным технологиям в образовании. Предварительный анализ данных выявил, что учебные группы, использовавшие виртуальную среду, добились лучших результатов и продемонстрировали значительный прогресс в приобретении и закреплении знаний. Отдельно обсуждается методика создания виртуальной среды. Намечены пути дальнейших исследований. Показано, что виртуальную образовательную среду можно использовать в качестве эффективного инструмента для успешного обучения астрономии.
Ключевые слова: виртуальная образовательная среда, интерактивные методы обучения, компьютерная симуляция, методика преподавания астрономии.
Введение. Результаты многих исследований говорят об обескураживающе низком уровне научных знаний среди населения. Приведем лишь несколько примечательных примеров. Согласно данным общероссийских социологических опросов, в начале 2010-х гг. примерно треть российских граждан считала, что Солнце вращается вокруг Земли [15, с. 18]. Сходные данные были получены в 2009 г. при анкетировании в основном студенческой аудитории г. Иркутска [16, с. 120-127]. Статистическая обработка поисковых запросов в Google за 2007-2017 гг. по словам «астрономия» и «астрология» показала, что если до 2008 г. люди больше интересовались астрономией, то в последние годы лидирует уже астрология [14, с. 118]. Отметим, справедливости ради, что сходным образом дела обстоят не только в нашей стране, но и во многих других. Так, греческие студенты считают Землю плоской [12, р. 120-125]; турецкие старшеклассники часто демонстрируют непонимание вращения Земли и других планет [10, р. 409-410]; проблемой для многих американцев являются расстояния и размеры астрономических тел [8, р. 1555] (аналогичные результаты получены в ходе упоминавшегося выше иркутского исследования, например, среднее значение диаметра Земли по данным опроса получилось равным около 100 тыс. км, Солнца - 120 млн км, расстояния от Земли до Луны - 6 млн км и т.д.).
Не существует единой точки зрения относительно причин низкой астрономической грамотности. Более того, некоторые ученые показали, что ряд типичных ошибок и заблуждений являются устойчивыми: процент правильно ответивших практически не меняется «на протяжении длительного времени во многих странах» [3] и не всегда поддается исправлению, несмотря на усилия педагогической общественности [11, р. 570].
Почему даже экстраординарные усилия не приводят к радикальному улучшению ситуации? Как представляется, абстрактные, многомерные явления весьма сложны для понимания. Чтобы осознать астрономические явления (равно как и любые иные научные концепции), человек создает собственную мысленную модель [1, р. 136-137]. Эти модели объясняют то, что мы видим, причем таким образом, чтобы это объяснение имело для нас смысл. Учащиеся нередко приходят в школу или вуз с предвзятыми представлениями о науч-
сз о со -а
I=i А
—I
о
сз т; о m О от
З
ы о со
ных концепциях, несовместимыми с научной мыслью, и изменение уже сформированных понятий затруднено. Маленькие дети начинают с представления о том, что Земля плоская, основываясь на своем опыте. Позже, когда их учат, что Земля круглая, они меняют свою модель Земли. При этом они не отбрасывают уже имеющуюся у них модель в пользу новой, а скорее интегрируют новую информацию в существующую модель. Как только такая модель укоренится, игнорирование или изменение ее может оказаться сложной задачей: учащиеся часто упорно придерживаются своих заблуждений, особенно в физике [2, р. 318]. Поэтому преподаватели должны знать о ментальных моделях своих учеников, понимать основные причины, которые привели к возникновению именно таких моделей, и адаптировать учебную программу, чтобы устранить эти неправильные представления.
Интересно, что проблемы с усвоением понятий, связанных с астрономией и физикой в целом, возникают далеко не только у студентов. Как опытные, так и начинающие педагоги испытывают трудности в восприятии «даже базовых знаний, связанных с этой наукой» [6, р. 150-152], при этом «их заблуждения очень похожи на заблуждения младших школьников» [4, р. 2240].
Цели исследования. Все изложенное свидетельствует о важности принятия мер по устранению или хотя бы минимизации проблемы. В связи с этим целью настоящего исследования является представление результатов проекта, предназначенного для обучения студентов учреждений среднего профессионального образования основным понятиям астрономии. Для этого была разработана интерактивная виртуальная образовательная среда (ВОС), и результаты ее применения сравнивались с результатами использования других, более традиционных методов обучения.
Результаты и их обсуждение. Виртуальная образовательная среда имитирует реальную (или воображаемую) среду, что дает возможность ее пользователям ощутить «эффект присутствия». С технической точки зрения ВОС представляет собой аппаратно-программный комплекс, с помощью которого люди могут визуализировать сложные данные в трех измерениях и взаимодействовать с ними.
Значение ВОС в образовании заключается в том, что она позволяет учащимся исследовать виртуальную среду, пользоваться и манипулировать виртуальными объектами, что служит стимулом к конструированию собственных знаний. Помимо этого, взаимодействие с виртуальными объектами и в особенности с другими пользователями позволяет учащимся вырабатывать и коммуникативные навыки. Виртуальная среда вызы-5 вает повышенный интерес у студентов, а в сочета-§ нии с ощущением личного присутствия образова-й тельный процесс становится более эффективным ° [7, р. 1900-1901; 13, с. 36]. Для преподавателей ав применение ВОС обеспечивает большую гибкость
в адаптации учебного материала к потребностям каждого ученика.
Не будет преувеличением сказать, что традиционные методы обучения астрономии не в полной мере адекватны для решения проблем, с которыми сталкиваются студенты. Эффективность учебников, диаграмм, слайдов и иллюстраций недостаточна, потому что сложно концептуализировать трехмерные объекты с помощью двухмерных изображений. С другой стороны, виртуальные эксперименты, демонстрации и визуализации могут помочь учащимся понять физические явления. Интерактивное обучение посредством симуляций помогает учащимся устанавливать более прочные связи между учебным материалом и реальным миром.
В этом контексте ВОС становятся важным инструментом: компьютерные симуляции дают учащимся возможность вступить в контакт с окружающей средой, напоминающей реальную, благодаря чему удается использовать знания в их реальном контексте. Полезными оказываются ВОС и для устранения распространенных ошибочных представлений. Трехмерное моделирование может охватывать как малые, так и большие масштабы, что оказывает помощь в понимании расстояний в астрономии. Параллельное сравнение каменистой планеты и газового гиганта затруднительно выполнить посредством физических моделей, но может быть легко проведено в ВОС. Виртуальная среда не обязательно ограничивается только астрономическими явлениями, но также может отражать и законы физики. Это позволяет учащимся понимать сложные концепции и впоследствии использовать эти знания для интерпретации реальных научных проблем. Наконец, важным аспектом является возможность манипулировать временем и пространством. Большинство астрономических явлений зависят от времени, и в трехмерной модели пользователь может свободно перемещаться как во времени, так и в пространстве.
Авторы применяли ВОС для обучения студентов основным понятиям астрономии. Целевой группой были студенты - будущие юристы, обучающиеся по специальностям среднего профессионального образования, у которых на изучение астрономии отведено около 60 академических часов в 1-2 семестрах 1 курса. В качестве основы обучения использовалась ВОС, ранее разработанная и протестированная авторами.
Разработка виртуальной среды производилась с помощью специализированного программного средства «3DAstronomer». В настоящее время существует несколько программ, предоставляющих разработчикам сходные возможности. Как правило, они являются кроссплатформенными многопользовательскими серверами трехмерных приложений. Доступ к среде можно получить через Интернет.
В ходе разработки авторы решили разделить приложение на несколько отдельных модулей, посвященных методам астрономии, ее практическим
основам, строению Солнечной системы, законам движения небесных тел, изучению звезд. Это было сделано исходя как из ограничений чисто технического характера во избежание медленной скорости отображения приложения, так и в дидактических целях для более равномерного распределения когнитивной нагрузки. Также во внимание принималась возможность поэтапной разработки ВОС, отражающей содержание курса астрономии.
В качестве примера приведем состав модуля «Строение Солнечной системы». При запуске модуля учащийся попадает в виртуальную обсерваторию, где можно получить начальные сведения о Солнечной системе с помощью изображений и видео. Далее студент получает доступ к изображению всей Солнечной системы, включая Солнце и планеты. Для текстурирования планет использовались фотографии высокого разрешения. Пользователи могут наблюдать за вращением планет вокруг своей оси, за их обращением вокруг Солнца, а также за вращением спутников вокруг своих планет. Все небесные тела проектировались с соблюдением масштаба. Скорость вращения всех планет вокруг Солнца была настроена соответствующим образом, представлены орбиты планет и осевые наклоны.
На следующем уровне учащиеся с помощью специальных скриптов могут останавливать, перезапускать, изменять параметры вращения планет, а также перемещать планеты и сравнивать их. Такие же действия можно сделать со спутниками. Объем информации, представляемой пользователям, был несколько ограничен исходя из следующих соображений. Цели обучения на данном этапе состояли не в том, чтобы предоставить максимальный объем данных по каждой планете, а в том, чтобы позволить пользователям понять принципы вращения планет, их относительные размеры и расстояния от Солнца, а также провести сравнения (например, в центре внимания был не точный диаметр планеты, а то, во сколько раз она меньше или больше Земли).
Таблица 1
Разработка ВОС является весьма непростой и продолжительной процедурой. Наибольших усилий потребовало добавление интерактивных элементов (взаимодействие пользователя с виртуальными объектами), хотя в ряде случаев применялись готовые скрипты. Сбор учебного материала и добавление его в приложения также был трудоемким процессом, но результаты обучения возместили затраченные усилия. В рамках кружковой работы по информатике к разработке удалось привлечь некоторых заинтересованных студентов.
Разработанная ВОС содержала минимальное количество методических рекомендаций и упражнений. Пользователи могли свободно исследовать виртуальные миры, взаимодействовать с любыми объектами, привлекавшими их внимание, и изучать любой интересующий их учебный материал. Проектирование методического обеспечения является одной из задач на будущее.
Параллельно с разработкой ВОС был создан онлайн-курс, содержащий тот же учебный материал (тексты, изображения, видео), но без основных интерактивных возможностей виртуальной среды. Эти курсы были загружены в систему управления обучением на базе Moodle. Необходимость этого заключалась в том, что результаты освоения онлайн-курсов сопоставимы с традиционным обучением [9, р. 105-110], благодаря чему можно проанализировать эффективность применения ВОС.
Таким образом, авторами было задействовано два метода обучения - на базе виртуальной образовательной среды и с помощью онлайн-курса. В 2021 г. после окончания изучения студентами курса астрономии было проведено исследование. Выборку исследования составили около 100 студентов, разделенных на 4 учебные группы по 2526 человек. В группах 1 и 2 использовалось обучение на базе ВОС, тогда как группы 3 и 4 применяли онлайн-курсы. По итогам прохождения промежуточной аттестации в форме тестирования были получены следующие результаты (приводим для первых трех учебных модулей) (табл. 1).
Модуль 1. Методы астрономии Модуль 2. Практические основы астрономии Модуль 3. Строение Солнечной системы
Средний балл групп 1, 2 (0..100) Средний балл групп 3, 4 (0..100) Средний балл групп 1, 2 (0..100) Средний балл групп 3, 4 (0..100) Средний балл групп 1, 2 (0..100) Средний балл групп 3, 4 (0..100)
75,4 68,6 71,3 65,2 81,6 70,1
Полученные данные позволяют выдвинуть гипотезу о том, что способ обучения (с применением вОс в группах 1-2 и без такого применения в группах 3-4) оказал влияние на полученные баллы. Можно сделать предположение о том, что использование ВОС повышает шансы студентов на лучшее понимание концепций по сравнению с онлайн-курсом с тем же содержанием.
Помимо тестирования был проведен опрос об отношении студентов к использующимся ме-
тодам обучения (отдельно среди тех, кто учился с помощью виртуальной среды, и среди тех, кто проходил обычный онлайн-курс).
Учащиеся групп 1-2 положительно оценили свой опыт использования ВОС. 93% выделили реалистичное представление виртуальных миров, 89% заявили, что не увидели «слабых» мест в учебном материале. Кроме того, студенты заявили, что ВОС действительно достигла своих целей (85%), помогла им лучше понять астрономию
(81%). Были отмечены и отрицательные моменты: для разработки и первоначального освоения таких приложений требуются специальные знания (76%), использование ВОС с помощью мобильного телефона затруднено (66%) и требует наличие персонального компьютера (52%), при обучении могут возникать технические сложности (37%).
Что касается онлайн-курсов (группы 3-4), то наиболее распространенными положительными отзывами были следующие: грамотно организованная подача учебного материала (84%), курсы помогли лучше понять астрономию (70%), отсутствие недостатков в учебных материалах (69%), достижение образовательных целей (65%).
Из числа технических проблем пользователи виртуальной среды отмечали, в частности, медленную скорость отображения приложения из-за аппаратных проблем (устаревший компьютер - 11 случаев), низкую скорость Интернет-подключения (5 случаев), недостаточно понятный интерфейс (4 случая). Проблем при использовании онлайн-курсов не было.
Выводы и заключение. Начиная исследование, мы исходили из того, что при обучении астрономии не следует ограничиваться только использованием учебников и иллюстраций, и для улучшения преподавания целесообразно иметь дополнительные образовательные инструменты. В качестве таких средств мы выбрали, во-первых, онлайн-курсы как хорошо зарекомендовавший себя метод обучения, результаты применения которого можно считать эквивалентными результатам обычного очного обучения, и, во-вторых, виртуальную образовательную среду, которая облегчает приобретение знаний и помогает учащимся лучше усвоит материал.
Исследование подтверждает известные результаты относительно низкого уровня знаний в целом по различным разделам астрономии. Весьма впечатляет тот факт, что в ходе предварительного опроса в начале обучения некоторых случаях студенты давали глубоко неверные (и даже выходящие за рамки здравого смысла) ответы.
При такой низкой начальной точке ожидалось, что любое образовательное вмешательство даст результаты. В действительности мы смогли увидеть достаточно впечатляющий прогресс.
Возникает закономерный вопрос, какой же из двух примененных методов дает лучшие результаты обучения. Предварительное рассмотрение (см. приведенную выше таблицу) показало, что виртуальная образовательная среда в целом дает лучший результат по сравнению с онлайн-курсом. В будущих публикациях авторы планируют провести полноценный статистический анализ данных об успеваемости в учебных группах, для чего полезным будет добавить контрольные группы с пре-5 обладанием традиционных методов обучения (из-§ за продолжительных периодов дистанционного об-й учения в связи с пандемией COVID-19 такой воз° можности в последние годы у нас не было). Это по-ав зволит лучше обосновать результаты.
Однако в любом случае уже сейчас видно, что в процессе обучения астрономии виртуальная среда вполне может давать хороший эффект. Это может быть объяснено рядом характеристик, присущих любым ВОС:
- способностью провести визуализацию в тех случаях, когда в реальной жизни она невозможна;
- возможностью для пользователя сосредоточиться на том предмете, который ему наиболее интересен;
- взаимодействием с виртуальными объектами, важным для активного обучения. Безусловно, хорошие результаты, продемонстрированные применением ВОС, имеют свою цену. Разработка виртуальной среды является нелегкой задачей, а пользователь в процессе обучения может столкнуться с техническими проблемами, которые могут привести к снижению мотивации. Возможно, не все учебные дисциплины одинаково подходят для подобного обучения. Необходимо учитывать и начальный уровень учащихся: если целевая группа и так демонстрирует хороший уровень знаний, применение ВОС может оказаться излишним.
Но в целом на основании результатов исследования можно сказать, что при прочих равных условиях выбор ВОС для обучения астрономии помогает достигнуть вполне заметных результатов. Принимая во внимание все ограничения, мы считаем, что использование виртуальной образовательной среды в преподавании астрономии имеет большой потенциал и положительным образом сказывается на образовательном процессе.
Литература
1. Barnett M., Keating T., Barab S.A., Hay K.E. Conceptual change through building threedimensional models // International Conference of the Learning Sciences. Hillsdale, 2000. P. 134-142.
2. Casperson J. M., Linn M.C. Using visualization to teach electrostatics. American Journal of Physics 2006, 74 (4), 316-323.
3. Clark R. E., Kirschner P.A., Sweller J. Putting students on the path to learning. American Educator 2012,6-11.
4. Frede V. Pre-service elementary teachers conceptions about astronomy. Advances in Space Research 2006, 38 (10), 2237-2246.
5. Gazit E., Yair Y., Chen D. Emerging conceptual understanding of complex astronomical phenomena by using a virtual solar system. Journal of Science Education and Technology 2005, 14 (5), 459-470.
6. Kanli U. Using a two-tier test to analyse students' and teachers' alternative concepts in astronomy. Science Education International 2015, 26 (2), 148-165.
7. Martin S., Diaz G., Sancristobal E., Gil R., Castro M., Peire J. New technology trends in education: Seven years of forecasts and convergence. Computers & Education 2011, 57 (3), 1893-1906.
8. Miller B. W., Brewer W.F. Misconceptions of astronomical distances. International Journal of Science Education 2010, 32 (12), 1549-1560.
9. Neuhauser C. Learning style and effectiveness of online and face-to-face instruction. American Journal of Distance Education 2002, 16 (2), 99-113.
10. Ozsoy S. Is the Earth flat or round? Primary school children's understandings of the planet earth: The case of Turkish children. International Electronic Journal of Elementary Education 2012, 4 (2), 407415.
11. Stears M., James A., Good M.A. Teachers as learners: A case study of teachers' understanding of astronomy concepts and processes in an ACE course. South African Journal of Higher Education
2011, 25 (3), 568-582.
12. Vosniadou S. Reframing the classical approach to conceptual change: Preconceptions, misconceptions and synthetic models // Second international handbook of science education. Vol. 2. Springer,
2012. P. 119-130.
13. Драгилев Е. В., Драгилева Л.Л., Дровале-ва Л.С. Интерактивные образовательные среды и их применение в преподавании математики // Современное состояние и приоритетные направления развития аграрной экономики и образования: Материалы Международной научно-практической конференции. Персиа-новский, 2020. С.34-36.
14. Дробчик Т. Ю., Невзоров Б.П. Преподавание астрономии школьникам: прблемы и перспективы // Профессиональное образование в России и за рубежом. 2018. № 1 (29). С. 113-122.
15. Сухенко Н.В. Специфика популяризации науки в России // Вестник НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Серия: Управление в технических системах. Коммуникативные технологии. 2016. № 4. С.18-22.
16. Язев С. А., Комарова Е.С. Уровень астрономических знаний в обществе // В защиту науки: Бюллетень № 6. М., 2009. С. 119-132.
EXPERIENCE IN TEACHING ASTRONOMY WITH VIRTUAL LEARNING ENVIRONMENT
Dragilev E.V., Dragileva L.L.
Russian State University of Justice
The article discusses some aspects of the development of a virtual learning environment in teaching the basics of astronomy to college students. The study developed a 3D virtual learning environment and at the same time a standard online astronomy course. The study involved about 100 students of the college of law, divided into four study groups. The first two groups were taught in a virtual environment, while the remaining two groups used online course. Based on the results of current and interim assessments during the academic year, data were collected on the progress of students, and
a survey was also conducted on the subject of students' attitudes towards information technology in education. A preliminary analysis of the data revealed that the study groups using the virtual environment achieved better results and showed significant progress in acquiring and retaining knowledge. The methodology for creating a virtual environment is discussed separately. Ways for further research are outlined. It is shown that the virtual learning environment can be used as an effective tool for the successful teaching of astronomy.
Keywords. Virtual educational environment, interactive teaching methods, computer simulation, methods of teaching astronomy.
References
1. Barnett M., Keating T., Barab S.A., Hay K.E. Conceptual change through building threedimensional models // International Conference of the Learning Sciences. Hillsdale, 2000. P. 134-142.
2. Casperson J. M., Linn M.C. Using visualization to teach electrostatics. American Journal of Physics 2006, 74 (4), 316-323.
3. Clark R. E., Kirschner P.A., Sweller J. Putting students on the path to learning. American Educator 2012, 6-11.
4. Frede V. Pre-service elementary teachers conceptions about astronomy. Advances in Space Research 2006, 38 (10), 22372246.
5. Gazit E., Yair Y., Chen D. Emerging conceptual understanding of complex astronomical phenomena by using a virtual solar system. Journal of Science Education and Technology 2005, 14 (5), 459-470.
6. Kanli U. Using a two-tier test to analyse students' and teachers' alternative concepts in astronomy. Science Education International 2015, 26 (2), 148-165.
7. Martin S., Diaz G., Sancristobal E., Gil R., Castro M., Peire J. New technology trends in education: Seven years of forecasts and convergence. Computers & Education 2011, 57 (3), 18931906.
8. Miller B. W., Brewer W.F. Misconceptions of astronomical distances. International Journal of Science Education 2010, 32 (12), 1549-1560.
9. Neuhauser C. Learning style and effectiveness of online and face-to-face instruction. American Journal of Distance Education 2002, 16 (2), 99-113.
10. Ozsoy S. Is the Earth flat or round? Primary school children's understandings of the planet earth: The case of Turkish children. International Electronic Journal of Elementary Education 2012, 4 (2), 407-415.
11. Stears M., James A., Good M.A. Teachers as learners: A case study of teachers' understanding of astronomy concepts and processes in an ACE course. South African Journal of Higher Education 2011, 25 (3), 568-582.
12. Vosniadou S. Reframing the classical approach to conceptual change: Preconceptions, misconceptions and synthetic models // Second international handbook of science education. Vol. 2. Springer, 2012. P. 119-130.
13. Dragilev E. V., Dragileva L.L., Drovaleva L.S. Virtual learning environment and its applications in teaching of mathematics // The current state and priority areas for the development of the agricultural economy and education: Proceedings of the International scientific and practical conference. Persianovski, 2020. P. 34-36.
14. Drobchik T. Yu., Nevzorov B.P. Teaching astronomy to schoolchildren: problems and prospect // Professional education in Russia and abroad. 2018. No. 1 (29). P. 113-122.
15. Sukhenko N.V. The specifics of the popularization of science in Russia // NNSTU Control in technical systems and Communication technologies Bulletin. 2016. No. 4. P. 18-22.
16. Yazev S. A., Komarova E.S. The level of astronomical knowledge in society // In defense of science Bulletin. No. 6. M., 2009. P. 119-132.
C3
о
CO "O
1=1 А
—I
о
C3 t; о m О от
З
ы о со
