Применение дополненной реальности в учебном процессе (по дисциплине «Цифровая трансформация в менеджменте»)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

На рубеже 80-х, 90-х годов Джарон Ланье предлагает термин «виртуальная реальность» (Virtual Reality – VR) и создает его концепцию. Но уже вскоре учёным из корпорации Boeing, Томасом П. Коделлом вводится понятие «дополненной реальности» (Augmented Reality – AR), для которого также подводится теоретическая и практическая база. И сейчас мы успешно используем каждое из этих понятий, применяя, в том числе, в образовании и других отраслях науки и деятельности [1].

Дополненная реальность предстает как новая интерактивная технология, которая позволяет накладывать компьютерную графику или текстовую информацию на объекты реального времени, это совмещение на экране двух изначально независимых пространств: мира реальных объектов вокруг человека и виртуального мира, созданного на компьютере [1, 2].

Дополненную реальность можно рассматривать как среду с прямым или косвенным дополнением физического мира цифровыми данными в режиме реального времени при помощи компьютерных устройств – планшетов, смартфонов и инновационных гаджетов, а также программного обеспечения к ним [1, 3].

Иначе говоря, дополненная реальность – это технология добавления или внедрения элементов виртуальной информации в реальную жизнь человека, отображенную на экране с помощью технических средств. Технологии создания позволяют стереть грань между окружающим и искусственно созданным миром [1, 4]. Отличительной чертой виртуальной реальности является создание нового окружающего пространства без использования в качестве основы для внедряемых в это пространство объектов элементов окружающей действительности в реальном времени, а использование библиотек и баз данных приложений, что обеспечивает полное погружение пользователя в виртуальность.

Новые технологии предполагают наличие новых компетенций, обязательных для образованного человека. Классическое образование опирается прежде всего эрудицию, набор знаний, хранимых человеческой памятью, например, при взгляде на какое-нибудь здание, человек может сказать, когда и кем оно построено. Теперь же не менее важно уметь пользоваться технологиями, которые позволяют эту информацию найти, причем чем быстрее, тем лучше, и приложения с дополненной реальностью в этом контексте выглядят особенно перспективно [1, 5].

На ряду со следующими информационными образовательными технологиями: интернеториентированные образовательные технологии, технологии дистанционного образования, технологии медиа образования, технологии электронного обучения (e-learning), технологии smart-образования (smart-education) [6] – следует назвать и технологии дополненной реальности.

AR или технологии дополненной реальности создают эффект присутствия, стирая грань между реальным и виртуальным миром, позволяя проникнуть в глубины научных знаний, при этом информация воспринимается легко, что психологически привлекает человека, активизирует его внимание и позволяет повысить привлекательность изучаемого предмета [1].

1. Функции и преимущества виртуальной реальности

Анализ современных исследований, посвященных AR в образовании, позволил обобщить существующие мнения относительно преимуществ дополненной реальности, совместимости AR с образовательными технологиями, а также получаемых выгодах AR-образования [7, 8]:

• Дает чувство реальности;
• Дает практический опыт;
• Визуализирует сложные отношения;
• Дает опыт, который нельзя получить в реальной жизни;
• Конкретизирует абстрактные понятия;
• Делает процесс обучения интересным;
• Обеспечивает безопасную учебную среду;
• Экономит время и пространство;
• Повышает вовлеченность учащихся;
• Придает гибкость образовательному процессу;
• Аутентичные учебные среды;
• Ситуационная среда обучения;
• Конструктивистская среда обучения;
• Обучение через практику (Learning by doing);
• Среда обучения на основе запросов;
• Научно-исследовательская среда обучения;
• Повышает внимание учащихся;
• Делает обучение привлекательным и эффективным;
• Обеспечивает мотивацию;
• Обеспечивает взаимодействия;
• Способствует лучшему пониманию предмета;
• Связывает с реальным опытом и проблемами;
• Создает контекстную осведомленность;
• Повышает вовлеченность;
• Обеспечивает непрерывность обучения;
• Улучшает коммуникации;
• Расширяет совместную работу;
• Запускает творческие процессы;
• Развивает воображение;
• Контролирует самообучение;
• Улучшает пространственную ориентацию;
• Повышает навыки решения проблем;
• Улучшает навыки интерпретации.

1. Применение виртуальной реальности при обучении некоторым дисциплинам в начальной и средней школах

   1. Физика, математика, биология

Компания VRARlab провела эксперимент, в котором приняли участие 153 человека: школьники 15–17 лет и их родственники. В рамках исследования был проведен урок по физике в виртуальной реальности [9]. Перед участниками эксперимента была представлена простейшая электрическая цепь. Потом испытуемые оказывались внутри проводника с подробной визуализацией строения атома, кристаллической решетки и процессом протекания электрического тока. Все происходящее комментировалось преподавателем в рамках лекции по данной теме. Для проверки остаточных знаний был проведен тест. Также участникам было предложено оценить эффективность использования виртуальной реальности в качестве учебного материала. По результатам исследования 91,5 % испытуемых успешно прошли тестирование, а 97,4 % положительно отнеслись к возможности использования данной технологии в образовательном процессе.

На базе Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского было проведено исследование влияние технологий дополненной реальности на процесс обучения математике и физике. Проведенное исследование включало обзор современных работ в области применения дополненной реальности для изучения математики и физики, мобильных приложений под iOS для изучения математики: GeoGebraAR для изучения поверхностей второго порядка; игра MultiplicationAR для изучения в занимательной форме таблицы умножения; приложение VectorAR для изучения векторов, векторного и скалярного произведений, прямоугольной и косоугольной систем координат и приложений для изучения физики: Physics-Lab для проведения опытов в дополненной реальности при изучении соединений электрической цепи, астрофизики и электромагнетизма; Galileo для изучения теоретического материала по физике c демонстрацией в дополненной реальности гравитационной рогатки, парадоксов в механике и т. п.; приложение Arious для знакомства обучающихся с великими физиками и сделанными ими открытиями в дополненной реальности. В работе проанализированы инструменты, которые могут применять учителя при создании контента дополненной реальности такие, например, как HPReveal, web-приложение Augment и отмечена высокая личная заинтересованность учителей во внедрении технологии дополненной реальности в учебный процесс [10].

В ходе работы были исследованы трудности, с которыми сталкиваются обучающиеся при изучении математики и физики; изучены возможности технологии дополненной реальности для преодоления этих трудностей; разработано мобильное приложение с возможностью получения графических подсказок при решении задач динамики, которое позволило обучающимся, испытывающим трудности с пониманием сил и их проекций, получить устойчивый навык решения типовых задач динамики. При разработке мобильного приложения были написаны методы на основе создания объектов из базовых классов SCNNode, SCNBox, SCNPlane, SCNText, SCNGeometry, SCNGeometryElement, SCNShape, SCNMaterial библиотеки ARKit. Для проведения эксперимента была создана пилотная группа из 14 обучающихся, 9 из которых испытывали трудности при решении задач. Результаты эксперимента продемонстрировали положительное отношение обучающихся к применению технологии дополненной реальности и 7 обучающихся из 9, испытывающих трудности, получили навык решения типовых задач [10].

Эксперимент по применению технологии AR на уроках биологии [11] заключался в сравнении восприятия учащимися учебника с AR-метками с обычным учебником. Результаты показали, что AR-учебник делал урок более практико-ориентированным, а также более увлекательным для детей. Подобные результаты, а также рост успеваемости, были отмечены другими авторами [12], которые использовали мобильное игровое AR-приложение для изучения биологии.

Еще одно исследование касалось применения системы дополненной реальности на уроках биологии [13]. Учащиеся были разделены на три группы: дети, применяющие AR-систему самостоятельно; дети, применяющие AR под руководством учителя; группа традиционного обучения. Группы сравнивались по результатам обучения, эмоциональному состоянию и полученному опыту. Эксперимент показал, что группа AR под руководством учителя достигла лучших результатов из трех, а группа, применявшая AR самостоятельно испытала больше положительных эмоций, чем другие.

• 1. История Древнего мира и география

Интерактивный тур Assassin's Creed — это специальное дополнение, которые позволяют игрокам исследовать историю мира без ограничений в бою и игровом процессе, в некоторых музеях, школах и университетах уже внедрен как часть обучения и ознакомления с историей Древнего мира. Первый интерактивный тур был выпущен в виде загружаемого дополнения для Assassin's Creed: Истоки. В нем игроки могут бесплатно перемещаться по карте игры древнего Египта и узнавать об истории царства через серию экскурсий. Второй Интерактивный тур, на этот раз установленный в древней Греции, должен быть выпущен в качестве загружаемого контента для Assassin's Creed: Одиссея [14].

Исследования, посвященные применению AR в начальном школьном образовании, говорят о позитивном влиянии этой технологии на качество обучения. В частности, к такому выводу приходят южноамериканские исследователи, проводившие эксперимент в рамках реализации образовательной программы по географии [15]. Экспериментальная группа изучала предмет с помощью мобильного навигационного приложения с элементами дополненной реальности и продемонстрировала большую эффективность образовательного процесса, лучшее освоение материала учащимися и более высокий уровень успеваемости.

1. Применение виртуальной реальности при обучении некоторым дисциплинам в высшем образовании

Широко применяется AR-технология и в высшем образовании, в технических, архитектурных, медицинских и сельскохозяйственных ВУЗах. В 1-ом и 2-ом медицинских университетах Москвы используются умные анатомические атласы человека. В РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева на кафедре ветеринарной медицины студенты обучаются с помощью таких же атласов, только для животных [16].

Примеры из области архитектурного образования говорят в пользу технологий AR [17], такие же выводы делаются для дисциплин естествознания, где динамический контент позволяет лучше осваивать материал [18] и способствует прогрессу исследовательских проектов аспирантов [19]. В точных науках и инженерии AR-технологии способствуют лучшему пространственному восприятию, это подтверждают исследования в области математического образования [20], машиностроения [21]. Системы AR с технологией Kinect успешно применяются в физико-математическом образовании [22]. В гуманитарной сфере использование AR помогает снизить когнитивную нагрузку, повышая при этом мотивацию и позитивный настрой обучающихся [23]. Существуют исследования в области медицинского образования, когда обучение стоматологов с применением мобильного приложения AR стало простым эффективным инструментом передачи знаний [24].

1. Применение виртуальной реальности в дополнительном образовании

В УГАТУ с 2013 г. на базе НИЛ ГАМЕТТ функционирует лаборатория трехмерной визуализации [9], которая представляет собой комнату виртуальной реальности. Лаборатория комплектуется всем необходимым VR-оборудованием и периферией, что позволяет отслеживать взгляд и движения пользователя, а также взаимодействовать с виртуальными объектами. Возможности лаборатории позволяют проводить сложные виртуальные опыты, отрабатывать технологические операции с прототипами систем и механизмами, в том числе при обучении специалистов для опасных/удаленных производств.

Комнату виртуальной реальности также можно использовать для повышения квалификации специалистов по моделированию, которое достигается в том числе с помощью анализа объектов моделирования. Например, кафедра технологии машиностроения использует для практических занятий по промышленному проектированию комнату виртуальной реальности. За студентом закрепляется определенный участок цеха, на котором нужно разместить оборудование согласно правилам и нормам техники безопасности. Каждый студент вносит вклад в общую модель цеха, которая оценивается отдельно. Таким образом, совместными усилиям студентов можно спроектировать целое предприятие.

Активно развиваются AR-технологии в обучении музыке [25, 26], подготовке молодых инженеров, дизайнеров, архитекторов [27], а также музеях и океанариумах. Кроме того, дополненная реальность может быть интегрирована в обучающие программы для лиц с ограниченными возможностями здоровья и особенностями развития, например, детей с аутизмом [28].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Иммерсивные технологии [29] с элементами дополненной реальности расширяют возможности обучения в различных областях образования. Интеграция AR-технологий в образовательные программы может стать эффективным инструментом в руках современных учителей. Для применения AR не требуется крупных затрат на техническое переоснащение и регулярную модернизацию, поскольку главной составляющей становится образовательный контент, который может обновляться и дополняться педагогическим сообществом. Разработка качественных образовательных AR-материалов – это задача, которая будет стоять на повестке дня в ближайшие годы [7].

В последнее время в зарубежных странах дополненная реальность активно входит во многие сферы жизни человека, в том числе и в образование. В нашей стране вопрос о модернизации образования с точки зрения дополненной реальности до сих пор остается открытым [1].

Список используемой литературы

1. Таран В.Н. Проблемы современного педагогического образования. – 2018. – 333-337. https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-dopolnennoy-realnosti-v-obuchenii
2. Кравченко Ю. А., Лежебоков А. А., Пащенко С. В. Особенности использования технологии дополненной реальности для поддержки образовательных процессов // Открытое образование. №3. 2014. С. 337 49-54. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-ispolzovaniya-tehnologii-dopolnennoy-realnosti-dlyapodderzhki-obrazovatelnyh-protsessov
3. Что такое дополненная реальность? URL: http://arnext.ru/dopolnennaya-realnost
4. Дементьева А.В., Откупщикова И.А., Реськов К.Н. Дополненная реальность в учебном процессе // Научное сообщество студентов: МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: сб. ст. по мат. XLII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 7(42). URL: https://sibac.info/archive/meghdis/7(42).pdf (дата обращения: 23.08.2018)
5. ДОПОЛНЕННАЯ РЕАЛЬНОСТЬ = ШКОЛА БУДУЩЕГО! URL: http://evtoolbox.ru/evtoolbox/education/
6. Зенкина С. В., Панкратова О. П. Использование информационных образовательных технологий в условиях внедрения новых стандартов общего образования / Информатика и образование. 2014. № 7 (256). С. 93-95.
7. А. Е. Кирьянов, Р. М. Йылмаз, Д. В. Маслов, Н. Н. Масюк, Б. А. Воробьев Технологии дополненной реальности в сфере образования// Инновации. – № 5. 2020. – 81-89. http://kvantorium37.ru/texnologii-dopolnennoj-realnosti-v-sfere-obrazovaniya
8. Yilmaz R.M. Augmented Reality Trends in Education between 2016 and 2017 Years / State of the Art Virtual Reality and Augmented Reality Knowhow. IntechOpen. 2018. P. 81-97. https://dx.doi.org/10.5772/intechopen.74943
9. Андрушко Д.Ю. Применение технологий виртуальной и дополненной реальности в образовательном процессе: проблемы и перспективы// Научное обозрение. Педагогические науки. – 2018. – № 6. – С. 5-10; URL: https://science-pedagogy.ru/ru/article/view?id=1779 (дата обращения: 11.12.2020).
10. Дюличева Ю. Ю. О применении технологии дополненной реальности в процессе обучения математике и физике. Открытое образование. 2020;24(3):44-55. https://doi.org/10.21686/1818-4243-2020-3-44-55
11. Hung YH, Chen CH, Huang SW. Applying augmented reality to enhance learning: A study of different teaching materials. Journal of Computer Assisted Learning. 33(3). 2017. P. 252-266.
12. Hwang GJ, Wu PH, Chen CC, Tu NT. Effects of an augmented reality-based educational game on students' learning achievements and attitudes in real-world observations. Interactive Learning Environments. 24(8). 2016. P. 1895-1906.
13. Huang TC, Chen CC, Chou YW. Animating eco-education: To see, feel, and discover in an augmented reality-based experiential learning environment. Computers & Education. 96. 2016. P. 72-82.
14. Интерактивный тур Assassin's Creed https://assassinscreed.fandom.com/ru/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D1%83%D1%80
15. Joo-Nagata J, Abad FM, Giner JGB, Garc√≠a-Pe√±alvo FJ. Augmented reality and pedestrian navigation through its implementation in m-learning and e-learning: Evaluation of an educational program in Chile. Computers & Education. вДЦ111. 2017. P. 1-17.
16. 3D-модель коровы и новейшее оборудование поможет в обучении ветеринаров (05.11.2020) https://www.timacad.ru/news/3d-model-korovy-i-noveishee-oborudovanie-pomozhet-v-obuchenii-veterinarov
17. Redondo Domínguez E, Fonseca Escudero D, Sánchez Riera A, Navarro Delgado I.Educating urban designers using augmented reality and mobile learning technologies. RIED - Revista Iberoamericana de Educacion a Distancia. 20(2). 2017. P. 141-165.
18. Montoya MH, Diaz CA, Moreno GA. Evaluating the effect on user perception and performance of static and dynamic contents deployed in augmented reality based learning application. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education. 13(2). 2017. P. 301-317.
19. Bendicho PF, Mora CE, Anorbe-Diaz B, Rivero-Rodriguez P. Effect on academic procrastination after introducing augmented reality. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education. 13(2). 2017. P. 319-330.
20. Salinas P, Pulido R. Understanding the conics through augmented reality. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education. 13(2). 2017; P. 341-354.
21. Carbonell Carrera C, Bermejo Asensio LA. Landscape interpretation with augmented reality and maps to improve spatial orientation skill. Journal of Geography in Higher Education. (1). 2017. P. 119-133.
22. Martin-Gonzalez A, Chi-Poot A, Uc-Cetina V. Usability evaluation of an augmented reality system for teaching Euclidean vectors. Innovations in Education and Teaching International. (6). 2016. P. 627-696.
23. Cheng KH. Reading an augmented reality book: An exploration of learners' cognitive load, motivation, and attitudes. Australasian Journal of Educational Technology. 33(4). 2017. P. 53-69
24. Juan M. A mobile augmented reality system for the learning of dental morphology. Digital Education Review. 30. 2016; P. 234-247. Карасева М. «Дополненная реальность» в работе педагога-музыканта // Научный вестник московской консерватории. – 2016. №2 (25). С. 140–183.
25. Карасева М. «Дополненная реальность» в работе педагога-музыканта // Научный вестник московской консерватории. – 2016. №2 (25). С. 140–183.
26. Красноскулов А.В. Музыка и дополненная реальность: на пути к будущему // Южно-Российский музыкальный альманах. – 2018. №4. С. 80–86.
27. Pejoska J, Bauters M, Purma J, Leinonen T. Social augmented reality: Enhancing contextdependent communication and informal learning at work. British Journal of Educational Technology. №47(3). 2016. P. 474-483.
28. McMahon DD, Cihak DF, Wright RE, Bell SM. Augmented reality for teaching science vocabulary to postsecondary education students with intellectual disabilities and autism. Journal of Research on Technology in Education. №48(1). 2016. P. 38-56.
29. Лукашин С. Куда нас погружают иммерсивные технологии // Хабр. Блог компании ВТБ, Финансы в IT, AR и VR. 15.08.2019 https://habr.com/ru/company/vtb/blog/463707/