Интерактивные учебные пособия как средство подготовки будущих специалистов



В статье авторы показывают важность интерактивных технологий в процессе обучения студентов и подготовки специалистов технических специальностей.

Ключевые слова: интерактивные, 3D, пособие, механизмы, агрегаты, ЭС2Г, Blender, устройство, визуализация, технологии .

Обучающиеся в технических учебных заведениях получают, в основном, объемную теоретическую базу, которую предоставляет преподаватель, опираясь на учебные материалы: пособия, справочники, плакаты, выпущенные десятки лет назад. В виду сложности усвоения, такой подход, в виде конспектирования материала, зачастую с последующим его «заучиванием» дает возможность его освоить только на базовом уровне. Однако, это лишает человека более четкого и глубокого понимания вопроса, который в действительности пытается раскрыть преподаватель.

В подавляющем большинстве случаев студент, изучив информацию, представленную в учебном пособии или на плакате, может уверенно говорить и даже оперировать полученными данными, однако, встретившись лицом к лицу с объектом изучения (например, узел или агрегат механизма), приходит в затруднение с его применением, так как ранее он видел данный объект изучения лишь в виде черно-белого рисунка в учебной литературе. Таким образом уже при практическом обучении будущий специалист приходит к пониманию, что он представлял данный объект в процессе изучения материала несколько по-другому, т. е. искаженно или неполно.

Облегчить восприятие учебной информации и способствовать более глубокому ее усвоению позволяет применение современных образовательных технологий, которые дают возможность «рассмотреть объект обучения со всех сторон».

Одним из базовых принципов в подготовке инженерных профессий является формирование необходимого навыка пространственного мышления уже на начальном этапе подготовке, определение которого приводится ниже.

Пространственное мышление — это один из видов интеллектуальной деятельности, с помощью которого возможно создание трехмерных образов и действия с ними в процессе решения всевозможных задач.

Если в процессе обучения, особенно на начальном этапе, зачастую очень сложно представить объект изучения в полной мере, то по этой причине учебный процесс проходит менее результативно для обучаемых, а также влечет за собой ряд негативных эффектов:

1. снижение интереса к вопросу, который рассматривается;
2. снижение концентрации над важными деталями;
3. снижение способности использования долговременной памяти.

Для технических вузов данные вопросы являются важными так как оказывают существенное влияние на подготовку будущего специалиста, поэтому заслуживают особого внимания, а их решение будет способствовать более качественному освоению образовательных программ.

В таком случае возникает вопрос, как осуществить решение поставленных вопросов и повысить качество обучения будущих специалистов? Очевидно, что решению будет способствовать применение комплексного подхода в учебном процессе, а также имеющихся современных средств обучения и образовательных технологий.

Исторически, основной дисциплиной, формирующий навык пространственного мышления, столь необходимого инженеру, является начертательная геометрия и инженерная графика. С данной дисциплиной уже на первом курсе сталкивается каждый обучающийся по техническим специальностям. Но в последнее время в учебный процесс интегрируется дисциплина «Проектная деятельность», в рамках которой начинающие свой учебный путь будущие молодые профессионалы в учебных лабораториях, активно совмещая теорию и практику, занимаются моделированием/прототипированием.

Стоит отметить, что использование интерактивных средств в обучении является одним из факторов современного этапа развития образования на основе диалогового обучения [1], где коммуникативная роль отдана математическому коду, заложенному в контент.

Исследования психофизиологических особенностей восприятия и усвоения информации показали следующее:

— текстовое представление информации даёт только до 20 % усвоения информации;

— презентации и видеоролики — до 50 %;

— визуализация (тренажёры, интерактивные инструкции) — 90 % [2].

Дополнительным же способом представления информации являются интерактивные инструкции, которые повышают эффективность ее восприятия [3]. Они обеспечивают максимальную наглядность учебного материала, поскольку делают возможным воспроизводить анимацию несколько раз, приближать объект и менять ракурс просмотра.

Наглядным примером этому служит разработанное авторами обучающее интерактивное пособие по устройству скоростного электропоезда ЭС2Г «Ласточка», предназначенная для использования в учебном процессе как в образовательных учреждениях, так и на производственных предприятиях. Этот контент был воссоздан при помощи двух вспомогательных программ:

— Blender 3D 3.4;

— Macromedia Flash Pro 8.

Основными этапами разработки интерактивной инструкции являются:

— поиск наглядного материала (референс);

— моделирование объекта исследования;

— применение материалов;

— анимация;

— экспорт видеоматериала из 3D редактора;

— создание виртуальной панели и загрузка материала.

Одним из самых сложных и трудоемких этапов разработки интерактивного учебного пособия является поиск материалов. Поиск материала (на примере модели электропоезда серии ЭС) начинается с изучения литературы, посвященной конструкции и техническому исполнению агрегатов электропоезда. Сложностью получения информации является ее конфиденциальность. Это объясняется необходимым условием для защиты своей интеллектуальной собственности разработчиком/производителем. Несмотря на то, что одним из ценных источников информации являются заводские каталоги деталей и сборочных единиц, их получение и использование не всегда представляется возможным. В такой документации изложено более детальное изображение запасных частей и других вспомогательных агрегатов, благодаря которым, удается собрать необходимое количество информации для создания интерактивного пособия.

Второй этап включает в себя создание модели. Этот процесс требует наличия определенных навыков пространственного мышления, умения чтения чертежей, работы с фотоматериалом и, конечно же, навыков работы с самой программой Blender 3D. Моделирование всегда начинается с создания основных геометрических примитивов (упрощенный образ), придания общей формы объекту. Первым этапом является моделирование корпуса вагона ЭС2Г. Затем идет прорисовка окон, примитивов упрощенного образа подвагонного оборудования и узлов, расположенных на крыше.

За моделированием следует процесс применения материалов. В рассматриваемой программе имеется функционал присвоения модели блок-узлов, которые содержат в себе информацию о материале объекта, это может быть в примитивном случае цвет, шероховатость и отражение. В расширенном варианте имеется возможность присвоения материалу свойств металлов или неметаллов, прорисовывают процедурные текстуры и настраивают карты нормалей. Все эти функции придают создаваемому объекту реалистичность, приближая его к оригиналу.

Следующим этапом идет настройка сцены, в которой размещаются все элементы на заготовленные места, где располагается камера с фокусировкой на те объекты, которые важны для дальнейшей работы. Затем расставляется освещение, которое бывает разным, либо это естественное (солнце), либо искусственное (лампы), как источника света. Когда композиция сцены будет настроена, свет подобран, и камера подключена, наступает следующий этап — создание анимации. На данном уровне необходимо четко контролировать время воспроизведения анимации, она не должна быть слишком долгой или слишком короткой. Пользователь должен полностью осознавать каждое перемещение детали, запоминая разборку и сборку узла.

Когда анимация полностью реализована, необходимо выбрать параметры видеоролика для повышения качества картинки, такие как:

— разрешение видео;

— количество кадров в секунду;

— двигатель рендера (вариант получения (генерации) изображения).

Разберем каждый из параметров по порядку. Разрешение глобальным образом влияет на качество изображения. Существует большое количество видов разрешений в пикселях, например: 1920x1080 — (1080Р), 2560x1960 — (2К), 3840x2160 — (4К Ultra HD), 7680x4320 — (8К Ultra HD). Количество кадров в секунду повышает плавность воспроизведения анимации, примером могут быть: 25, 30, 60 кадров. Если речь идет о двигателе, то тут выбор не столь велик, в 3D редакторе Blender существует 3 двигателя, осуществляющие разные типы рендера картинки и анимации, такие как:

Eevee — игровой двигатель, сочетающий оптимальные параметры производительности и скорости рендера анимации применяемых в gamedev (модели применяемые в компьютерных играх);

Cycles — двигатель, приближающий полученный контент к реализму и имеющий свои особенности настроек;

Freestyle — особый тип двигателя, позволяющий осуществлять рендер в мультипликационном формате.

Все эти параметры в широком смысле влияют на финальный проект, который при сочетании самых высоких настроек, будет иметь реалистичный вид с плавной анимацией и четкой картинкой. Однако, с увеличением таких настроек наступает процесс, который тесно связан с этапом выбора параметров видеоролика, а именно визуализации (рендеринг). Тесная связь между ними объясняется тем, что чем больше будут выбраны качественные настройки, тем дольше будет осуществляться рендеринг, но это во многом зависит и от возможностей вычислительной машины. Нет обоснованной необходимости выбирать самые высокие настройки, зачастую это не приводит к видимому для зрителя результату. Необходимо в первую очередь соблюдать баланс между возможностями машины и качеством финальной картинки.

Последним этапом в создании пособия является использование Flash анимации в Adobe Flash Pro 8. В данном пакете ведется разработка виртуальной панели, стиля, размера и расположения интерактивных кнопок, задания команд (переходов) для этих кнопок и конечно работа с видеоматериалом, который мы извлекли из рендеринга. Благодаря гибкому интерфейсу можно настроить абсолютно любой вариант подачи информации. Это может быть сочетание анимации и текстового материала, графических выносок для обозначения узлов, не исключено и создание системы самоконтроля усвоения материала.

После прохождения всех этапов получаем итоговый результат в виде интерактивного учебного пособия, приведенной на рис. 1:

Рис. 1. Интерактивное обучающее пособие — «Устройство и принцип работы электропоезда ЭС2Г»

Интерактивные средства обучения отличаются гибкостью и вариативностью. Их можно использовать на всех этапах обучения, например, в качестве тренажера в процессе формирования и развития навыков и умений для достижения компетенций учебной программы. Но зачастую это оказывается труднореализуемой задачей. Также интерактивные средства применяются для организации различных видов учебной деятельности, среди которых индивидуальная и групповая самоподготовка, исследовательская и проектная работы [1]. Интерактивные пособия стимулируют обучающихся на самостоятельное получение знаний.

При выделении объекта на 3D-модели существует возможность просмотра технической документации или соответствующую теоретическую базу, проиллюстрированную на рис. 2.

Рис. 2. Теоретические сведения о разобщительном кране тормозного ящика № 425

Таким образом, интерактивное учебное пособие представляет собой электронный каталог и полный пакет документации в цифровом формате, содержащий информацию об устройстве и принципе действия механизма, изображенного на рис. 3.

Рис. 3. Устройство третьего вагона электропоезда ЭС2Г «Ласточка»

В случае реализации интерактивной инструкции как учебного проекта обучающимися можно проводить оценку степени усвоения пройденного материала на предмет качества исполнения как интерактивного учебного пособия в целом, так и отдельных узлов и компонентов (по конструкционному и функциональному значению). При этом программному аппарату можно предоставить функции контроля полученных знаний, т. е. обратную связь, позволяющую оценивать качество действий обучающихся.

Таким образом сложности обучающихся, связанные с недостаточным уровнем пространственного мышления, возникающие при освоении специальных дисциплин, позволит облегчить интерактивное учебное пособие. Такой инструмент в открытом доступе дает возможность обучающемуся лучше усвоить изучаемый материал, усилить самоконтроль собственных знаний, повысить интерес к процессу обучения, а как будущему специалисту высококачественно выполнять трудовые функции, в том числе в любых нестандартных ситуациях.

Литература:

1. Ваганова О. И., Воронина И. Р., Лошкарева И. А. Интерактивные средства обучения как эффективный инструмент образовательной деятельности [Текст] / О. И. Ваганова, И. Р. Воронина, И. А. Лошкарева // Балтийский гуманитарный журнал. — 2020. — Т. 9. — № 3(32). — С. 135–139
2. Ros Dowse, Martina Ehlers. Medicine labels incorporating pictograms: do they influence understanding and adherence? Patient Educ Couns. 2005 Jul; 58(1):63–70.doi: 10.1016/j.pec.2004.06.012. (дата обращения 06.01.2023)
3. https://practicum.yandex.ru/blog/vizualizaciya-dannyh/ (дата обращения 06.01.2023)
4. Голованова И. И. Практики интерактивного обучения: метод. пособие [Текст] / И. И. Голованова, Е. В. Асафова, Н. В. Телегина. — Казань: Казан. ун-т, 2014. — 288 с.
5. Скоростной электропоезд ЭС1 «Ласточка»»: учеб. Пособие / А. Ю. Слизов и др.; под ред. А. В. Ширяева — М.: ООО «Издательский дом «Автограф», 2015. — 236 с. ISBN 978–5–906088–17–8.