Дополненная и виртуальная реальность в образовании



Компьютерные технологии активно используются в образовательном процессе практически в каждом уголке земного шара. Однако, до сих пор продолжаются споры между педагогами о пользе и вреде компьютерных игр, что ограничивает их применение. Тем не менее, создание обучающих компьютерных игр представляет собой одно из ключевых направлений в компьютеризации обучения. Соединение эмоциональной привлекательности, которая присуща игре, и аудиовизуальных, вычислительных, информационных и других возможностей вычислительной техники, несет в себе большой дидактический потенциал, который может и должен быть реализован в учебной практике. Теперь преподаватель в аудитории не единственный человек, который отвечает за обучение. Ученики получают информацию в основном не от него, а от своего окружения — друзей, товарищей, а также гаджетов.

Современный мир трудно представить без электронных устройств, поэтому образовательные игры выполняют немаловажную роль в школьной программе для тех учителей, которые стремятся не только дать обучающимся новые знания, но и увлечь их своим предметом. ИТ технологии в образовании позволяют удерживать внимание учащихся. Вследствие чего, они проявляют больший интерес к процессу обучения и развитию технологических навыков, необходимых для академической и профессиональной карьеры.

В статье представлены новые данные об использовании компьютерных игр в процессе обучения студентов Московского политехнического университета.

Ключевые слова: компьютерные технологии, геймификация, учебный процесс, информационные технологии, виртуальная реальность, дополненная реальность.

Недавние исследования показали, что обучающие видеоигры помогают ученикам в развитии интеллектуальных и эмоциональных навыков, которые способствуют их академическим достижениям. Эти выводы заставили преподавателей во всем мире признать многочисленные преимущества образовательных игр и включить их в учебные планы.

Обычно, процесс изучения нового материала можно разделить на следующие этапы:

1. Актуализация знаний (нужность, потребность).
2. Ознакомление с новым материалом.
3. Закрепление пройденного.

Благодаря комбинации учебной и развлекательной составляющих, обучающие компьютерные игры [1,2] помогают удерживать внимание и интерес ученика или студента, как при ознакомлении с новым материалом, так и в процессе его закрепления. Такие игры можно различить как по возрастным категориям, так по целям и задачам. Они могут предназначаться как для детей дошкольного возраста, учащихся начальной или старшей школы, студентов средних и высших учебных заведений, так и для профессиональной подготовки и оттачивания навыков. Поэтому перед тем как внедрять обучающую игру в образовательный процесс, необходимо определить, на какой возраст она рассчитана, к какому виду относится и какие цели преследует, так как от этого зависит, насколько эффективным будет обучение.

Немного истории. С чего все начиналось (Историческая справка)?

В 1955 году американская компания «Rand Corporation» создает первую игру с применением ЭВМ. Её целью было обучение офицеров службы материально-технического обеспечения американских ВВС управлению снабжением военно-воздушных баз США. [5]

В 1975 году в СССР, проходят первые «Деловые игры и их программное обеспечение». Организаторы акцентируют внимание на перспективности использования ЭВМ для моделирования экономических систем, составлявших, как правило, «сюжеты» деловых игр тех лет.

В 1978 году были проведены исследования, связанные с видеоиграми с мотивационными эффектами, связанными с обучением, а также с их познавательным потенциалом. Их результаты показали, что визуальная и моторная координация игроков была лучше, чем у не игроков. Первоначальное исследование также показало важность обучающих электронных игр для детей, испытывающих трудности с изучением основных предметов. Было установлено, что обучающие видеоигры помогли студентам в следующих случаях:

‒ При выявлении недостатков и их дальнейшем исправлении

‒ При мотивировании и стимулировании обучения, из-за возможности адаптировать игру под индивидуальные интересы ученика

‒ При проблемах с концентрацией внимания, так как видеоигры позволяют дольше удерживать вовлеченность обучающегося

‒ мгновенная обратная связь, предоставляемая видеоиграми, помогает вызвать любопытство и, в свою очередь, дает больше возможностей для обучения.

Одним из распространенных аргументов в пользу использования видеоигр в образовании [3,4] является то, что они позволяют учиться на практике, не боясь допускать ошибки. Например, ВВС использует экспериментальные симуляции для обучения пилотированию самолетов. Эти симуляции предназначены для оттачивания навыков пилота в условиях максимально приближенных к реальным, но без риска совершения авиакатастрофы.

В середине 1980-х публикуются первые теоретические работы по игровому моделированию. Имитационные игры проникают в биологию, медицину, архитектуру, культурологию, экологию. Но игротехнические разработки этих лет рассматривают лишь узкие профессиональные проблемы и пути их решения, практически не предусматривая психологической составляющей игр [5]. В 1990-х массовое внедрение персональных компьютеров дало новый импульс в развитии обучающих игр. Но на государственном уровне создание российских игр для образования не поддерживалось [6].

В начале 21 века самыми активными пользователями игровых технологий в обучении были крупные компании и корпорации. Проникновение игровых технологий в образование было незначительным. Постепенно традиционные методы обучения становились менее эффективными.

Поэтому во втором десятилетии 21 века началось активное внедрение информационных технологий в образовательный процесс. Благодаря их использованию, учебный материал слал усваиваться лучше, особенно детьми. Вследствие чего, стали появляться обучающие компьютерные игры [7,8].

В 2010 году прогресс шагнул дальше: журнал «Time» первый раз внёс дополненную реальность в список технологических тенденций будущего, после чего корпорации начали использовать данную технологию в своих целях.

В 2012 году произошло еще одно знаменательное событие — была создана компания Oculus Rift, производящая очки виртуальной реальности. После чего начались разработки с использованием данной технологии, но из-за высокой стоимости VR-очков и других устройств виртуальной реальности распространение происходит достаточно медленно.

Виртуальная и дополненная реальности, чаще всего, применяется для обучения профессиям, где эксплуатация реальных устройств и механизмов связана либо с повышенным риском, либо с большими затратами, например: пилот самолёта, машинист, диспетчер, водитель, горноспасатель.

Внедрение новых технологий влечет за собой переформирование всего учебного процесса и адаптации к использованию новых возможностей изучения теории и отработки усвоенных знаний на практике [9,10]. Так как этот процесс начался относительно недавно, такие обучающие технологии и механизмы их внедрения еще несовершенны, но с каждым годом они становятся все лучше.

Про виртуальную и дополненную реальности и возможности их применения в образовании дальше и пойдет речь.

Дополненная реальность в образовании

Дополненная реальность, или AR (англ. augmented reality), несомненно, — огромный прорыв и в способе подачи образовательного материала, и в усвоении информации. AR позволяет обогащать мир новейшими технологиями, порождая уникальный комбинированный интерактивный опыт. Виртуальные образы, которые студенты могут увидеть прямо в зале лектория, делают учебный материал более наглядным, ярким и запоминающимся [11,12]. Эффективность ее использования подтверждается различными тестами и экспериментами, которые показывают прекрасные результаты. К примеру, был проведен ряд экспериментов, при которых одной группе детей во время уроков демонстрировали наглядный материал с AR, а второй группе — обычные плакаты и схемы. Было выявлено, что в той группе, где использовалась дополненная реальность, процент усвоения информации детьми приблизился к 90 %, возрос уровень дисциплины и удавалось удержать внимание порядка 95 % аудитории, тогда как в группе с двумерными пособиями все показатели были вдвое и втрое меньше. [13,14] Одной из причин такого влияния является то, что AR создает эффект присутствия, очень ясно отображает связь между реальным и виртуальным миром, что психологически привлекает человека и активизирует его внимание и восприимчивость к информационной составляющей.

Рис. 1. AR

Хотя в образовании дополненная реальность пока применяется довольно редко, но всё больше учителей, исследователей и разработчиков начинают двигаться в сторону более интерактивных обучающих методик, но, к сожалению, этот процесс замедляется высокой стоимостью оборудования.

Виртуальная реальность в образовании

Виртуальная реальность или VR (англ. virtual reality) — созданный с помощью технического и программного обеспечения искусственное пространство, смоделированная реальность, в которой создается иллюзия присутствия пользователя в искусственном мире, его взаимодействия с предметами и объектами этого мира с помощью органов чувств: осязания, слуха, зрения и, в некоторых случаях, обоняния и вестибулярного аппарата, включающего чувство равновесия, положения в пространстве, ускорения и ощущения веса.

Полное погружение в виртуальную реальность и взаимодействие с ее объектами достигается только при использовании специальных устройств [15]. Такие устройства, которые обеспечивают полное погружение в виртуальную реальность и имитируют взаимодействие человека с ней с помощью органов чувств называют системами VR.

К ним относятся:

‒ системы изображения,

‒ системы звука,

‒ системы имитации тактильных ощущений,

‒ системы управления,

‒ системы прямого подключения к нервной системе.

Несмотря на уже внушительные достижения в области моделирования виртуальной реальности, еще рано говорить о полном воспроизведении реального мира: полная 3D виртуальная реальность пока невозможна. Даже самые современные устройства ВР, обеспечивающие передачу звуков и изображений, действий и тактильных ощущений, не могут обеспечить полного эффекта погружения в ВР, которая полностью бы повторяла действительность [16]. Но прогресс не стоит на месте, с каждым годом появляются новые технологии и совершенствуются устройства для ВР. Несмотря на это, в данный момент технологии виртуальной реальности широко применяются в различных областях человеческой деятельности: проектировании, дизайне, добыче полезных ископаемых, военных технологиях, строительстве, тренажёрах и симуляторах, маркетинге и рекламе, индустрии развлечений, а также в образовании. Например, ученики в школе во время урока могут собирать молекулы и атомы, учить анатомию и географию, могут подняться к жерлу вулкана или на вершину Эвереста, отправиться в далекое прошлое или полететь в космос, и все это, не выходя из класса и не подвергая себя риску. Это же относится к людям любых специальностей.

Рис. 2. VR

В частности, к таким, в которых люди не имеют права на ошибку в критических ситуациях. Для оттачивания навыков таких работников изобретены специальные тренажеры-симуляторы, которые дают возможность практиковаться без риска [17]. К таким профессиям относятся: летчики, космонавты, работники различных цехов и шахт и так далее. Симуляторы позволяют человеку получить достаточный опыт, чтобы довести свои действия до автоматизма. Но прежние симуляторы массивные, дорогие и требуют много места и специальных условий. Системы VR, занимают меньше места и гораздо более простые в установке, а также в них можно произвести тонкую настройку оборудования легче и эффективнее.

Преимущества внедрения AR/VR вобразование

Виртуальная реальность открывает новые возможности для изучения теории и отработки практики, ведь традиционные методы могут быть весьма затратными или не слишком эффективными. Существует 5 основных преимуществ использования AR/VR в сфере образования.

‒ Наглядность. 3D-графика позволяет воспроизвести детализацию даже самых сложных процессов, невидимых человеческому оку, вплоть до распада ядра атома или химических реакций. Также можно увеличить уровень детализации и увидеть движение электронов или воспроизвести механическую модель, к примеру, развития клетки человеческого организма на разных этапах. VR позволяет воспроизвести или смоделировать любые процессы или явления, о которых знает современная наука.

‒ Безопасность. Практические основы управления летательными или сверхскоростными аппаратами, можно абсолютно безопасно отработать на устройстве виртуальной реальности также, как и сверхсложные медицинские операции или манипуляции, без вреда и опасности для кого-либо.

‒ Вовлечение. AR/VR технологии дают возможность смоделировать любую механику действий или поведение объекта, решать сложные математические задания в форме игры. Виртуальная реальность позволяет путешествовать во времени, просматривая основные сценарии важных исторических событий или увидеть человека изнутри на уровне движения эритроцита в крови.

‒ Фокусировка. Пространство, смоделированное в VR, можно легко рассмотреть в панорамном диапазоне на 360 градусов, не отвлекаясь на внешние факторы.

‒ Возможность проведения виртуальных уроков. Благодаря возможности отображения смоделированного пространства от первого лица и возникновения эффекта собственного участия в виртуальных событиях, стало возможным проведение целых уроков в режиме виртуальной или дополненной реальности [18].

Выводы

Игровой мир должен быть согласованным, цельным, гармоничным, это позволяет погрузить обучаемого в игровую среду. Также нельзя забывать и про элементы случайности, это делает игру интересной и увлекательной. Все решения, принимаемые в процессе обучения, должны быть последовательными, все действия должны иметь обратную связь и удерживать внимание игрока. И наконец, игровой процесс должен быть связным и непрерывным, игра должна быть интерактивной. При этом все задачи должны быть принципиально выполнимы. Выполняя все задания в ходе прохождения игры, обучаемый должен четко представлять и понимать цель обучения. Обучающие компьютерные игры обладают огромным дидактическим потенциалом и в рамках обучения могут применяться довольно широко.

Интеграция игр в учебный процесс создает новые и более результативные способы обучения в университетах, школах, сообществах и на рабочих местах. Игровые среды могут создавать особенные учебные сообщества. Игры не обязательно должны быть ориентированы на образование как образовательные инструменты, их главная задача, по нашему мнению, заинтересовать учащегося предметом, дать ему мотивацию (стимул) к обучению.

Студенты должны учиться на практике, и с помощью обучающих игр они могут это делать, не выходя из учебной аудитории. Поэтому игра меняет внешний вид учебной программы в учебных заведениях и с этим надо считаться.

Можно уверенно предположить, что в будущем будет разработана эффективная методология применения игр в образовании, которая будет отвечать всем предъявляемым образовательным сообществом требованиям.

Литература:

1. Aleksander F. Ivanko, Mikhail A. Ivanko, Elena V. Kulikova; Julia M. Sultanova. Computer games and online journalism. International Journal of Engineering Technology and Computer Research (IJETCR). Volume 5; Issue 3; May-June: 2017; Page No. 11–15.ISSN: 2348–2117.
2. Иванько А. Ф., Иванько М. А., Калабугина Д. В. Геймификация в образовательном процессе. ХХ Международные научные чтения)памяти Алексеева Р. Е. Сборник статей Международной научно-практической конференции(15 декабря 2017года), г.Москва, Москва: ЕФИР, 2017,-с.119. ISBN 978–5–6040380–1–7.
3. Vinokur A. I., Ivanko A. F., Ivanko M. A. Information systems in publishing: Textbook. allowance / А. И. Vinokur, A. F. Ivanko, M. A. Ivanko; Moscow. state. University of Ivan Fedorov. — Moscow: MGUE named after Ivan Fedorov, 2015. — 196 p.
4. Ivanko A. F., Ivanko M. A. Information technologies in publishing. Tutorial. Moscow-MGUP them. Ivan Fedorov, 2013, -136с.
5. [Электронный ресурс]. –Использование обучающих компьютерных игр в учебном процессе общеобразовательной школы. — Код доступа: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=784360 (Дата обращения 18.07.2018)
6. [Электронный ресурс]. — 20 примеров дополненной реальности в образовании. — Код доступа: http://arnext.ru/articles/20-ar-eksperimentov-v-obrazovanii-2353 (Дата обращения 18.07.2018)
7. [Электронный ресурс]. — Технологии виртуальной реальности в образовании. — Код доступа: https://avblab.com/tehnologii-virtualnoj-realnosti-v-obrazovanii/ (Дата обращения 18.07.2018)
8. [Электронный ресурс]. — Электронный научно-практический журнал «Современная техника и технологии»: http://technology.snauka.ru/2016/09/10429 (Дата обращения 18.07.2018)
9. [Электронный ресурс]. — История образовательных игр. — Код доступа: https://teachingame.ru/history (Дата обращения 18.07.2018)
10. [Электронный ресурс]. — Дополненная реальность в образовании: быстрее, ярче, интереснее. — Код доступа: https://4td.fm/article/dopolnennaya-realnost-v-obrazovanii-bystree-yarche-interesnee/ (Дата обращения 24.07.2018)
11. [Электронный ресурс]. — AR-жизнь: применение и перспективы дополненной реальности. — Код доступа: https://dtf.ru/gamedev/7800-ar-zhizn-primenenie-i-perspektivy-dopolnennoy-realnosti (Дата обращения 24.07.2018)
12. [Электронный ресурс]. –Компьютерные технологии в образовании. — Код доступа: https://novainfo.ru/article/13028 (Дата обращения 24.07.2018)
13. [Электронный ресурс]. — новые игровые технологии. — Код доступа: https://qwizz.ru/новые-игровые-технологии/ (Дата обращения 24.07.2018)
14. [Электронный ресурс]. — Образовательные технологии будущего: «Снимая виртуальный шлем, они плакали». — Код доступа: https://4td.fm/article/obrazovatelnye-tekhnologii-budushchego-snimaya-virtualnyy-shlem-oni-plakali/?sphrase_id=4442 (Дата обращения 24.07.2018)
15. [Электронный ресурс]. — Educational video game — Wikipedia. — Код доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Educational_video_game (Дата обращения 05.08.1018)
16. [Электронный ресурс]. — Video games in education — Wikipedia — Код доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Video_games_in_education (Дата обращения 05.08.2018)
17. [Электронный ресурс]. — Games and learning — Wikipedia. — Код доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Games_and_learning (Дата обращения 05.08.2018)
18. [Электронный ресурс]. — Дополненная реальность в образовании. — Код доступа: http://tofar.ru/dopolnennaya-realnost-v-obrazovanii.php (Дата обращения 05.08.2018)