Вступление
Процессы, происходящие в экономике страны, приводят к изменениям в образовании. Суть этих изменений заключается в индивидуализации учебного процесса на основе использования средств новых информационно-коммуникативных технологий. Новые федеральные образовательные стандарты ставят перед системой образования инновационную задачу: создать такую обучающую среду, которая мотивирует учащихся самостоятельно добывать и обрабатывать полученную информацию, обмениваться ею. Для решения этой задачи необходимо выработать новые педагогические подходы и технологии, которые бы учитывали изменения, происходящие в самой жизни, раздвинуть границы обучающей среды далеко за рамки школы.
Информационно-коммуникационные технологии - неотъемлемая часть образовательного процесса в школе. Однако, на сегодняшний день, зачастую используемые в настоящее время информационно-образовательные ресурсы в школе, не удовлетворяют потребности образовательного пространства, имеющего ресурсное и кадровое обеспечение для эффективного использования современных технологий на новом более высоком уровне. Перед учителями в настоящее время стоят две важные задачи:
-
Изменить способы и методы обучения.
- Организовать обучение, применяя технологии 21 века.
В Послании к Федеральному собранию президент предложил государству взять курс на цифровую экономику. Представитель президента по вопросам цифрового и технологического развития, Дмитрий Песков, подчеркивает в своих выступлениях особенную важность 3-х предметов для изучения с самого детства: математика, информатика, технология. Он отметил: «Учиться программированию будем раньше, чем учиться читать».
Учёные считают, что цифровизация образования позволит упростить подачу сложного материала, облегчить процесс запоминания и мотивировать детей учиться усерднее.
Глава 1. Технология виртуальной и дополненной реальности
На сегодняшний день одной из эффективных и инновационных технологий в образовании является применение виртуальной и дополненной реальности (VR и AR технологии).
Виртуальная и дополненная реальность - совсем новые инструменты для образования. Они пока не способны полностью заменить существующие методы преподавания, но уже сегодня эти технологии могут качественно дополнить обучение, сделать его доступнее, проще и увлекательнее. VR не является самоцелью, это лишь дополнительное средство при обучении предмету, такое же как учебник, интерактивная доска или мобильное приложение.
VR и AR технологии дают принципиально новые возможности по усвоению информации, удержанию внимания и повышению интереса к обучению у школьников.
Виртуальная реальность - это новая концепция использования компьютеров для создания эффекта трехмерного окружения, в котором пользователь в интерактивном режиме взаимодействует с виртуальными объектами, и при этом создается сильное ощущение трехмерного присутствия. Создаваемые эффекты проецируются на сознание человека и позволяют испытывать ощущения, максимально приближенные к реальным.
Виртуальная реальность - созданный техническими средствами мир передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, обоняние, осязание и другие.
По целям использования виртуальной реальности можно выделить следующие:
- Наглядная передача информации, сложной для восприятия при использовании стандартных форм обучения;
- Способ хранения и представления информации об объемных объектах, имеющих сложную структуру;
- Создание виртуальных тренажеров;
- Конструирование пространственных объектов.
Главная особенность технологии дополненной реальности (AR)-наглядность, реалистичность и практико-ориентированность. Дополненная реальность - это система, которая совмещает виртуальное и реальное; взаимодействует в реальном времени; располагается в трехмерном пространстве. Дополненная реальность является разновидностью виртуальной реальности, но с одной оговоркой: AR интегрируется и дополняет настоящий мир вместо того, чтобы полностью его заменить, как это делает VR. Дополненная реальность - это технология, которая накладывает изображения, созданные компьютером, на изображение реального мира. Она требует использования мобильного устройства, такого как смартфон, планшет, защитные очки или козырьки.
AR-технологии позволяют дополнить реальное пространство захватывающими материалами для проведения урока, повысить внимание детей, а также синхронизировать процесс работы с интерактивной доской со всеми участниками урока. Чтобы воспользоваться интерактивным контентом ученик затрачивает некоторое усилие, сам делает шаг навстречу знанию. Внедрять VR и AR-технологии особенно релевантно для понимания технических и естественных наук, где визуализация очень важна для понимания многих процессов.
Чем раньше педагоги начнут использовать VR и AR технологии в своей работе, тем раньше они получат эффективный инструмент для построения индивидуальной траектории обучения, тем эффективнее и интереснее они могут сделать процесс обучения. Кроме того VR и AR технологии помогают детям, страдающим аутизмом, интровертам или просто стеснительным, закрытым в себе ребятам.
Анализируя проведённые в России и за рубежом исследования, можно прийти к выводу об эффективности VR и AR обучения: задействование пространственного мышления и восприятия позволяет ученику лучше понять предмет и применить полученные знания в решении задач ОГЭ и ЕГЭ.
Актуальность применения VR и AR технологии в обучении связана с тем, что они позволяют повысить эффективность этого процесса, при этом обеспечив удобство и доступность практически для каждого. Кроме того, они позволяют легко организовать удаленный урок или проверку знаний. Это позволит существенно сократить время подготовки, повысить качество обучения и усилить практическую направленность учебного процесса.
Другими словами, если мы хотим добиться наилучших результатов - необходимо создать эффективное образовательное пространство, используя инструменты и ресурсы сети Интернет, AR и VR.
Внедрение технологии виртуальной и дополненной реальности в образовательные учреждения определяет следующие задачи:
- выявить теоретические и технологические предпосылки обучения и использования технологий виртуальной и дополненной реальности в учебно-воспитательный процесс с целью повышения качества образования;
- обучить обучающихся и учителей пользованию программным обеспечением VR и AR;
- пересмотреть методы и методики преподавания предметов с учетом широкого использования технологий виртуальной и дополненной реальности;
- организовать индивидуальную и групповую работу обучающихся на уроках и во внеурочной деятельности с использованием технологий виртуальной и дополненной реальности;
- разработать методические материалы для проведения уроков с использованием технологий виртуальной и дополненной реальности; ознакомиться с устройствами, имитирующими виртуальную реальность.
Доступ школьников к такой технике, как 3D-принтеры, шлемы виртуальной реальности, квадрокоптеры позволит поднять на качественно новый уровень преподавание информатики, технологии, геометрии (особенно стереометрии) и ряда факультативных дисциплин (например, робототехники). Так, углы Эйлера и сферическая система координат усваиваются несравнимо лучше, если ученик видит реальный объект. Для этого используют VR-систему.
VR-система должна обладать следующими свойствами: она отвечает на действия пользователя (интерактивность), в реальном времени представляет виртуальный мир в виде трехмерной графики и дает эффект погружения.
Для подготовки к VR-обучению прежде всего нужно подготовить помещения, которые, в первую очередь, зависят от типа используемого оборудования. Сегодня на рынке есть мобильные устройства и стационарные.
Мобильные устройства - это беспроводные VR-шлемы. В такие устройства контент загружается на внутреннюю память или сторонний носитель: они могут работать автономно или с подключением к мобильному телефону.
Стационарные устройства несколько более производительны, но подразумевают необходимость проводного подключения к компьютеру.
Для того чтобы провести урок продуктивно, учеников класса лучше разделить на группы по 8 человек. Чтобы дети не задели друг друга руками при выполнении практических задач и не слышали звуков из соседних шлемов, их рассаживают по одному человеку за партой, в шахматном порядке.
Для комфортной работы с оборудованием и симуляциями необходимо иметь доступ к высокоскоростному интернету.
Обслуживать устройства и помогать детям должны учителя, прошедшие курсы повышения квалификации и умеющие работать с компьютером и VR-очками.
Учителю придется выполнять множество разных ролей:
- создатель цифровых учебных ресурсов в сотрудничестве с специалистами по цифровому производству (программистами, редакторами, дизайнерами, аниматорами и т.д.);
- советник по педагогическим вопросам, чтобы разрешать сомнения и проблемы в отношении взаимодействия с ресурсами.
- передатчик и строитель знаний, чтобы предложить более широкую информационную структуру (теорию), применяемую к действиям с AR или VR;
- наставник, чтобы направлять, поощрять, сопровождать и бросать вызов учащимся в использовании технологий.
- исследователь и куратор ресурсов, для нахождения и отфильтровывания лучших ресурсов, доступных на рынке для конкретных учебных целей, и предоставить их ученику;
- дизайнер, для создания стимулирующей учебной деятельности с использованием AR и VR;
- новатор, разработчик новых образовательных возможностей для этих технологий, формирующий новые практики обучения.
- мыслитель, чтобы стимулировать сотрудничество, продвигать этические принципы в действиях или связывать самые разные области знаний.
Конечно, необходимо привлечение компетентных специалистов: аспирантов и преподавателей математического факультета Оренбургского государственного педагогического университета, факультета информационных технологий Оренбургского государственного университета, преподавателей РАНХ и ГС, специалистов Оренбургского филиала АО «Уфанет», детского образовательного технопарка «Кванториум». Возможности сотрудничества с профильными промышленными предприятиями, вузами позволит, а также потенциально даст возможность найти способы решения вопросов по необходимому оборудованию.
Устройства виртуальной реальности
Шлемы и очки. В шлеме перед глазами пользователя расположены два дисплея, шоры защищают от попадания внешнего света, предусмотрены стереонаушники, встроенные акселерометры и датчики положения. На дисплеях транслируются немного смещенные друг относительно друга стереоскопические изображения, обеспечивая реалистичное восприятие трехмерной среды. В большинстве своем продвинутые шлемы виртуальной реальности довольно громоздкие, но в последнее время появляются упрощенные легкие варианты (в том числе картонные), которые обычно предназначены для смартфонов с приложениями виртуальной реальности.
Шлемы для виртуальной реальности делятся на три типа:
- настольные шлемы, подключаются к компьютеру или консолям, требуют высокой мощности аппаратных средств;
- дешевые мобильные гарнитуры работают в связке со смартфонами, менее требовательные и громоздкие, чем компьютерные, представляют собой держатель для смартфона с линзами;
- автономные очки виртуальной реальности - самостоятельные устройства, работают под управлением специальных или адаптированных операционных систем, обработка изображения происходит непосредственно в самом шлеме.
Устройства дополненной реальности
Умные очки и шлемы. При помощи технологии компьютерного зрения автономные и компактные устройства со встроенными датчиками и камерами позволяют анализировать пространство вокруг пользователя, формировать карту пространства для ориентирования в ней. Большинство очков оснащено функцией распознавания голоса и движений, ими можно управлять, не задействуя руки. Изображения проецируются на линзы очков или специальные минидисплеи, нет необходимости в дополнительных метках для генерации контента. Различают бинокулярные и монокулярные модели очков и шлемов.
Мобильные устройства
Практически любой современный смартфон или планшет может стать устройством дополненной реальности, достаточно лишь установить соответствующую программу. Для распознавания объектов чаще всего применяются маркерная технология, маркерами могут выступать QR-коды, сгенерированные точки, логотипы, компьютерное зрение и распознавание лиц.
На сегодняшний день разработку контента и ПО для виртуальной и дополненной реальности можно сравнить с разработкой мобильных приложений. Так, на рынке присутствуют разработчики конечного продукта и инструменты на основе этих технологий.
Контент и ПО можно также разделить на два типа:
- ориентированные на потребителя, призванные создать впечатления, эмоциональные переживания или обеспечить прямое информирование: демонстрация продукта и его характеристик;
- ориентированные на пользователей, с тем чтобы те могли решать прикладные задачи и повысить эффективность обучения.
Один из вариантов - VRClass Комплект оборудования для обучения в виртуальной и дополненной реальности (для 8 учащихся) с образовательными программами и конструктором VR.
VRClass - это инновационная система виртуальной реальности, разработанная специально для обучения в школе. Это решение создаёт захватывающие впечатления, которые позволяют учащимся получить иммерсивный опыт в ходе личного взаимодействия с технологиями расширения реальности. В основе решения VRClass - портал для учителя со всеми необходимыми инструментами и контентом. Одним нажатием мыши преподаватель может запустить просмотр контента на всех гарнитурах, направлять учащихся в процессе иммерсивного опыта и отслеживать прогресс каждого ученика. Гарнитура ClassVR - это автономное устройство для использования в классе и обеспечения полного погружения в VR/AR под руководством учителя. Для работы гарнитуры не требуется дополнительных устройств.
Обучающий контент и готовые планы уроков позволяют стимулировать воображение и любознательность учащихся, обогатить их опыт яркими впечатлениями и воспоминаниями, а также визуализировать сложные понятия и процессы. В библиотеке материалов доступно более 900 заданий по разным темам, включая изображения с обзором 360 и 3D-модели. Также можно загружать свои файлы и использовать их на уроке.
Современные математические программы в виртуальной среде обеспечивают широкую возможность анимации, осуществления действий в информационном пространстве, поэтому их внедрение в образовательный процесс обеспечит интенсивное развитие мышления учеников. Компьютерные технологии предъявляют особые требования к организации именно мышления.
Важную роль в развитии мышления учеников играет математика. Логические процессы мышления особенно необходимы при отыскании решения сложных задач. Психологические исследования разных ученых, в особенности работы Ж.Пиаже, показали связь некоторых механизмов мышления школьников со многими математическими терминами и понятиями. Таким образом, математика позволяет сформировать определенные формы мышления, различные характеристики мышления, необходимые для изучения окружающего нас мира. Многие сложные процессы и операции в математике представить довольно трудно, это позволяет сделать виртуальные компьютерные технологии. Значимым условием повышения качества математического образования в старшей школе продолжают оставаться его компьютеризация и информатизация, освоение новых информационных технологий, их активное применение в педагогическом процессе.
Важным видом программно-методических систем математического образования в школе считаются такие УМК (учебно-методические комплексы), основой которых является учебный виртуальный конструктор. В настоящее время это самый быстро развивающийся вид УМК (включая дистанционный компонент) в мировом образовательном пространстве.
Высокая оценка программ виртуальных конструкторов (УМК) в школе, в том числе, в математике, служит фактом их признания педагогическим сообществом. Лучшими программами по математике (начиная с 2005 г.) продолжают оставаться «1С:Математика 5-11. Практикум» и «Живая Математика (ИНТ)». Данные учебно-методические комплексы разработаны на основе виртуального конструктора «Geometer's Sketchpad».
«Живая геометрия» позволяет совершать основные операции - построения циркулем и линейкой. Комбинации некоторых из этих операций сведены к различным командам. Данные возможности позволяют школьникам быстро овладеть необходимыми навыками геометрических построений, результаты которых по разным параметрам будут значительно превосходить результаты традиционных построений (на бумаге и доске).
«1С:Математический конструктор» - это первая современная компьютерная среда мирового уровня, разработанная специально для российского школьного образования. «1С:Математический конструктор» позволяет школьникам конструировать различные интерактивные модели. Данную программу можно использовать на всех этапах школьного математического образования, а также для поддержки преподавания предметов естественнонаучного профиля.
Оценив результаты ОГЭ и ЕГЭ по математике базового уровня, можно сделать вывод о том, что задания, связанные с решением геометрических задач, в том числе пространственного характера, даются школьникам сложнее, чем другие задания, что свидетельствует о наличии проблемы. Сложность задач заключается в недостаточной развитости пространственного воображения у многих выпускников. Пространственное мышление включает в себя три компонента: пространственные понятия, инструменты представления и процессы мышления. Все это подразумевает понимание отношений внутри и между пространственными структурами и, через широкое разнообразие возможных представлений (от чертежей до компьютерных моделей), включает в себя средство для сообщения о них. Геометрия является основой математики; она была разработана, чтобы объяснять явления и решать проблемы, которые имеют непосредственное отношение к повседневной жизни, например, как измерять время или перемещаться по морю. Пространственное мышление породило самые ранние формы сложного математического мышления. Сейчас только начинают понимать взаимосвязь между пространственным мышлением и обучением математике. Акцент на пространственное мышление позволяет математике стать более наглядной. Развитие пространственного мышления является актуальной проблемой современного математического образования, которой еще не уделяется должного внимания. В 7-9-х классах в курсе геометрии все внимание сосредоточено на двумерных объектах, и учащиеся не работают с пространственными фигурами, не развивают свое воображение. В 10-м классе на уроках геометрии (стереометрии) учителя сталкиваются с такими проблемами как:
- неразвитость пространственного мышления учеников;
- неспособность чтения изображений пространственных тел, неумение их изображать;
- неспособность воспринять плоский чертеж как пространственный, невозможность определить отношение между отдельными элементами изображенных двумерных объектов;
- неумение мысленно изменять взаимное расположение элементов, расчленять объект или составлять новый.
Многие выпускники школ имеют невысокий уровень пространственного мышления, об этом свидетельствуют результаты вступительных экзаменов в вузы. Выпускники на ЕГЭ по математике в большинстве случаев либо решают только задачи на плоскости, либо не выполняют геометрические задания вообще.
Задания, связанные с решением геометрических задач, в том числе пространственного характера, даются школьникам сложнее, чем другие задания, что свидетельствует о наличии проблемы. Сложность задач заключается в недостаточной развитости пространственного воображения у многих выпускников. В ходе обучения необходимо демонстрировать объекты, делать с учащимися развертки различных стереометрических тел.
VR- и AR-технологии могут решить данную проблему. Пространственная геометрия является одной из областей математики, использование компьютера в изучении которых наиболее естественно и эффективно. Дополненная реальность представляет собой компьютерную технологию, позволяющую пользователю увидеть реальный мир с наложенными на него виртуальными объектами, что создает эффект их присутствия в едином пространстве. Выделяют два основных принципа построения дополненной реальности: на основе маркера; на основе координат пользователя. Безмаркерные технологии часто применяются в мобильных устройствах с помощью различных встроенных датчиков. Под маркером понимается объект, расположенный в окружающем пространстве, который находится и анализируется специальным программным обеспечением для последующей отрисовки виртуальных объектов. Программа с помощью вебкамеры получает информацию о положении маркера в пространстве и может спроецировать на него некий виртуальный объект, что будет имитировать эффект его присутствия в окружающем пространстве. Если использовать высококачественные модели и дополнительные графические фильтры, можно добиться того, что виртуальный объект может стать практически реальным и трудно отличимым от окружающего интерьера. В роли маркера обычно выступает некоторое специальное изображение, зачастую нанесенное на лист бумаги. Разные алгоритмы распознавания изображений требуют различные типы рисунка, которые могут сильно варьироваться. Маркерами также могут быть объемные фигуры и даже глаза и лица людей.
Примером использования дополненной реальности в области геометрии является приложение Construct3D - это инструмент построения трехмерных геометрических конструкций. Данное приложение использует стереоскопические головные дисплеи и персональные интерактивные панели. Construct3D позволяет нескольким людям работать в одном пространстве и строить различные геометрические модели, которые накладываются на реальный мир.
Предлагаемое приложение основано на следующих технологиях и инструментах:
- использована маркерная технология дополненной реальности;
- в качестве устройства отображения используется мобильное устройство (смартфон или планшет);
- должно быть использовано как вспомогательный инструмент при решении стереометрических задач из школьного курса геометрии.
У пользователя имеется распечатанный набор задач по пространственной геометрии с маркерами (метками дополненной реальности). При запуске приложения на мобильном устройстве включается захват видеокамеры. Пользователь наводит камеру на задание так, чтобы маркер был в зоне видимости веб-камеры, на экране отображается привязанный к метке трехмерный объект, представляющий собой визуализацию задачи, например, изображает сечение пирамиды в соответствии с данными текущей задачи. Для создания приложения был использован инструмент для создания приложений дополненной реальности - платформа Vuforia SDK.
Основные примеры возможностей использования дополненной реальности с Vuforia:
- статические и динамические 3D-модели: можно добавить любой трехмерный объект, а также анимацию к нему;
- виртуальные кнопки: это может быть кнопка на мишени, появляющаяся при обнаружении маркера, нажатие на которую запускает некий процесс;
- видео, изображения и аудио: позволяют заменить мишень или сделать её более живой.
Основным преимуществом использования дополненной реальности в созданном мобильном приложении является то, что обучающиеся действительно видят трехмерные объекты, которые им до этого приходилось представлять, рассчитывать и строить с помощью традиционных методов, таких как бумага и ручка. С помощью виртуальных элементов управления пользователь может поворачивать объект, изменять его масштаб, а также при необходимости изменить представление на двумерный объект - чертеж.
Технология дополненной реальности обладает широкими возможностями использования в образовании. Профессионалы и исследователи пробуют применять технологии дополненной реальности в образовательных учреждениях в рамках таких предметов как математика, физика, химия, биология, астрономия и других. Преимуществом использования данной технологии в образовании являются прекрасные возможности визуализации.
Например, визуализация алгебраических поверхностей, как второго, так и более высоких порядков. На рисунке показаны алгебраические поверхности 2 порядка при их отображении с помощью технологии AR обучающийся получит возможность качественно изучить поверхность как реальный объект перед собой, а не на экране компьютера и, тем более, книги, а также изменять параметры в реальном времени и видеть результат. Все это должно способствовать лучшему пониманию структуры уравнений (интерактивное изменение параметров) и трехмерной формы поверхностей.
Использование дополненной реальность и 3D моделирования совместно мотивирует учащихся к изучению программирования и 3D-моделирования. Данная технология может быть использована при выполнении проектных заданий, для визуализации результатов работы, обучающихся над проектом, сделав его максимально интерактивным.
Информатика как общеобразовательная дисциплина основной школы формирует информационную культуру учащихся, включая знания и умения работы с информационными технологиями и различными компьютерными средствами обучения. Поэтому с появлением и развитием новых информационных технологий появляется необходимость модернизации школьной программы по информатике относительно ее содержания. Кроме того, такие технологии могут использоваться для повышения эффективности обучения по уже имеющимся в программе темам. В этих случаях новые информационные технологии, будучи включенными в школьный курс информатики, выступают и в качестве объекта, и в качестве возможных средства обучения.
Одной из таких перспективных технологий является технология дополненной реальности. Однако в настоящее время практически отсутствуют научно-методические работы, рассматривающие необходимость совершенствования методической системы обучения школьному курсу информатике за счет внедрения этой технологии. Учитывая выявленные особенности технологии дополненной реальности, значимые с точки зрения методики обучения информатике в школе, можно выделить следующие подходы к созданию и использованию визуальных средств обучения информатике учащихся основной школы с помощью технологии дополненной реальности:
1. первый подход связан с созданием виртуальной модели, отображаемой на материальном заместителе реального объекта. В данном случае, система дополненной реальности визуально дополняет материальный заместитель реального объекта виртуальным объектом с заданными свойствами. Чаще всего такие визуальные средства обучения используются при проведении лабораторных или практических работ, когда невозможно или нецелесообразно по определенным причинам выполнить задание в реальных условиях. Например, имеется опасность для человека или объекта изучения (из-за хрупкости, уникальности и др.), или отсутствует необходимое оборудование (из-за цены, дефицита, трудозатрат, габаритов и др).
Примером применения визуальных средств обучения, созданных в рамках первого подхода, может быть лабораторная работа по сборке системного блока персонального компьютера (ПК). В этом случае в качестве компонентов компьютера (материнская плата, процессор, оперативная плата, видеокарта и др.) используются листы бумаги с напечатанными на них специальными кодами (маркеры дополненной реальности) для распознавания их системой дополненной реальности. Школьник, смотря через устройство системы дополненной реальности (например, планшет), видит на рабочем месте вместо маркеров виртуальные компоненты ПК. Манипуляции производятся путем перемещения маркеров дополненной реальности в соответствии с правилами сборки компьютера. Главный недостаток данной деятельности заключается в отсутствии выработки умений работы с реальными компонентами компьютера, так как все действия выполняются с помощью листов бумаги. Поэтому применение данного вида средства обучения нецелесообразно, если есть доступ к компьютерным элементам у каждого школьника, а использование технологии дополненной реальности не даст возможность повысить интенсивность процесса обучения, а именно, сократить время или увеличить объем усвоения учебного материала без потери качества обучения.
Существенным недостатком использования данного подхода является отсутствие физической формы объекта и его свойств, которые можно было бы ощутить помимо зрения, например, вес и текстуру объекта. Однако частично исправить данный недостаток можно, используя замещающие типовые объекты с похожей формой, текстурой или весом, в том числе распечатанные на 3D-принтере.