Виртуальная реальность в образовании
Авторы: ООО "Интелин"
Источник: www.intelin.ru
Авторы: ООО "Интелин"
Источник: www.intelin.ru
ООО "Интелин" Виртуальная реальность в образовании. Эффективное восприятие учащимися современных массивов информации немыслимо без эффективного использования информационных технологий, в частности систем многомерного представления предметной области - «виртуальной реальности». Настоящая статья направлена на освещение актуальных вопросов внедрения новых технологий в образование, перспективах и соответствующих ограничениях.
Формирование представления о «виртуальной реальности» - заслуга основателя компьютерной графики Айвена Сазерленда, который в 1965 году на одной из своих лекций говорил, указывая на экран компьютерного монитора: «Не думайте об этом, как об экране монитора, думайте об этом как об окне - окне, через которое каждый может заглянуть в виртуальный мир. Основной задачей компьютерной графики является создание виртуального мира, реально выглядящего, реально звучащего, мира, в котором перемещения и реакции на воздействия происходят в реальном времени, мира, который ощущается реальным».
Человек более 80% информации получает через зрительные каналы и способен особенно быстро воспринимать, обрабатывать и понимать именно зрительную информацию. Если говорить на языке информатики, у человека есть два «процессора» - «логический», за работу которого отвечает левое полушарие, и «графический» - правое полушарие, отвечающее за творческие процессы, образное мышление, интуицию. Когда человек рассматривает картинки, насыщенные научной информацией, происходит интенсивный информационный обмен между двумя полушариями. Обычно при обсуждениях люди стараются не просто говорить, но и рисовать, приводить некоторые образы, схемы, алгоритмы и т.п. Информационная графика позволяет наглядно представить идеи, объекты, понятия и т.д.
Обратимся к истории становления в России технологии «Виртуальная реальность». В 1987г. национальным научным фондом США была сформирована Инициатива ViSC (VisualizationinScientificComputing)., ориентированная на создание систем визуализации. Визуализация позволяет использовать для анализа численных данных мощную человеческую способность видеть и понимать изображения. Соответственно, ее (визуализации) задача - преобразование массивов числовой информации в адекватные для человеческого восприятия графические образы. В 1991г. была проведена первая Российская конференция «Графикон», на которой стали появляться доклады, посвященные проблемам визуализации. В 1994г. был создан Институт физико-технической информатики (ИФТИ), основным направлением деятельности которого стала разработка систем визуализации и виртуального окружения для российской космической и атомной промышленности, науки и образования. В процессе развития визуализации как научной дисциплины и технологии анализа данных было осознано, что человек лучше всего понимает и проникает в суть исследуемого явления, когда он может «погрузиться в мир исследуемого явления» и когда его «погружение» сопровождается возможностью интерактивного взаимодействия с объектами в виртуальном окружении. Это осознание и привело к появлению понятия виртуального окружения или виртуальной реальности.
Виртуальное окружение - это технология человеко-машинного взаимодействия, которая обеспечивает погружение пользователя в трехмерную интерактивную среду изучаемого явления или процесса и предоставляет естественный интуитивный интерфейс для взаимодействия с искусственными и/или реальными объектами. Сегодня в мире действует более пятисот полномасштабных установок виртуального окружения, которые реально приносят ощутимую пользу в своих областях применения. Наиболее серьезные результаты получены на авиационных и автомобильных тренажерах, в системах подготовки экипажей атомных подводных лодок и военных кораблей, при обучении операторов атомных электростанций, при тренировках космонавтов работе в условиях невесомости, при исследованиях и разработке нанотехнологий. Применение технологии виртуального окружения позволило перейти на качественно более высокий уровень представления информации, моделирования и проектирования экспериментов, объектов и процессов.
В рамках совместного проекта с Фраунгоферовским институтом медиакоммуникаций (Санкт-Августин, Германия) разработана установка VEonPC (виртуальное окружение на кластерах персональных компьютеров). По сравнению с традиционными дорогостоящими установками виртуальной реальности (CyberStage, iCONE, ResponsiveWorkbench, Teleport и др.) система VEonPC обладает относительно невысокой стоимостью, поскольку базируется на использовании общедоступных высокопроизводительных компьютеров и свободно распространяемого программного обеспечения.
Многомерное представление предметной области, 3D, 4D и т.п. активно внедряются в сферу развлечений. Ряд производителей оборудования анонсировали выпуск 3D-телевизоров и медиа-проигрывателей. В 2009г. состоялась первая 3D-телетрансляция футбольного матча. Технологии позволяют создавать, передавать и формировать перед зрителями многомерные сцены. Крайне перспективным видится синтез технологий получения достоверной географической и пространственной информации, принципов неогеографии и SituationalAwareness, с одной стороны - и методов виртуальной реальности и виртуального окружения, с другой. Результаты такого синтеза способны кардинально изменить степень восприятия образа Земли, образа географического пространства - от локального до глобального масштаба. С появлением доступных средств получения «прямых» геопространственных данных, переход к технологиям неогеографии становится делом времени.
Виртуальная реальность эффективно может применяться в образовании: в общем, дополнительном, профессиональном.
Государственная образовательная инициатива «Наша новая школа», утвержденная Президентом Российской Федерации Дмитрием Медведевым, указывает в том числе, что «...главным результатом школьного образования должно стать его соответствие целям опережающего развития. Это означает, что изучать в школах необходимо не только достижения прошлого, но и те способы и технологии, которые пригодятся в будущем...».
Суть мероприятий по управлению рисками состоит в том, чтобы оценить их размер, выработать эффективные и экономичные меры снижения рисков, а затем убедиться, что риски заключены в приемлемые рамки.
Объединив усилия, ИФТИ, ГОУ Педагогическая академия и ООО «Интелин» ведут работу по внедрению технологии виртуального окружения в различных областях образования. Данные исследования направлены на решение вопросов методологии и безопасности применения «виртуальной реальности» в общем и профессиональном образовании, а также адаптации комплекса технических средств и создания специализированного содержания обучения (контента).
Результатом сотрудничества стал аппаратно-программный комплекс многомерного представления предметной области и виртуального повествования «НИО-ВР». Полученное отечественное решение для образовательных и научно-исследовательских учреждений имеет ряд особенностей и преимуществ. В частности: реалистичность многомерного изображения, интерактивное взаимодействие с 3D-объектами, работа с 3D-моделями в 3D-пространстве, возможность использования лицензионного и\или свободного программного обеспечения, возможность межпредметной интеграции и сетевого взаимодействия авторов (рабочих групп), возможность реализации образовательных и исследовательских проектов, поддержка общепринятых форматов мультимедиа материалов.
Как показал опыт, применение НИО-ВР в области учебном процессе обеспечивает высокую учебную мотивацию и успешность обучения за счет активизации деятельности мозга и 100%-реалистичности изображения. Инновации позволяют перейти на новый качественный уровень обработки информации, моделирования и проектирования экспериментов, создания сложных машин и механизмов, промышленных объектов и процессов.
Урок (занятие) в жанре виртуального повествования представляет собой рассказ, содержащий элементы интерактивности. Интерактивность позволяет установить обратную связь со слушателем и формировать сюжет виртуальной истории в зависимости от его предпочтений.
Комплексом аппаратно-программных средств можно оснастить отдельную школу, окружной методический центр, ВУЗ, другое образовательное или учебно-методическое учреждение. Таким образом, создается уникальная экспериментальная лаборатория, где преподаватели и учащиеся получат возможность: совершить «путешествие» по стране, миру или вселенной; принять участие в исторических событиях; наблюдать редкие физические явления и манипулировать с различными объектами; проводить химические опыты; анализировать объемные диаграммы; решать задачи по стереометрии и много другое (без опасности для здоровья, затрат времени и средств на реальные поездки, реактивы и дополнительное оборудование). При укомплектовании системы специализированными устройствами управления (data-перчатки, 3D-мыши, джойстики и т.п.) вышеперечисленные возможности расширяются тактильным восприятием и управлением.
Наряду с интерактивными и другими информационными и педагогическими технологиями виртуальное повествование является удобным базисом для организации межпредметного взаимодействия по реализации образовательных проектов и сетевого взаимодействия авторов (рабочих групп). Учащиеся под руководством преподавателей могут самостоятельно разрабатывать инновационные учебные материалы. В частности на уроках информатики изучаются программные средства, необходимые для эксплуатации комплекса (средства разработки трехмерной графики, свободное программное обеспечение, основы программирования на различных языках). На уроках литературы, математики, биологии и т.п. разрабатываются содержание инновационных учебных материалов и концепты иллюстраций. На занятиях по рисованию (дизайну), с помощью программных средствах трехмерной графики, разрабатываются трехмерные изображения (сцены). Затем, на занятиях информатики все подготовленные материалы собираются в единое целое в специализированной среде, получая в итоге уникальные 3D образовательные ресурсы.
Аппаратно-программный комплекс устанавливается в одном из кабинетов образовательного учреждения и далее в этом помещении проходят занятия по разным предметам с использованием разработанных инновационных 3D материалов.
Авторы - участники рабочей группы могут находиться в различных образовательных учреждениях, городах и странах. Посредством сетевого взаимодействия они имеют возможность плодотворно трудиться над общим проектом.
Разработанные подходы могут эффективно использоваться в ходе преподавания любых предметов и сочетаться с любыми педагогическими технологиями.
Кратко области применения технологии виртуальной реальности в образовании можно представить следующим образом:
В отношении аппаратно-программного обеспечения необходимо отметить следующее. Решение использует принцип «пассивного стерео» (side-by-side), когда для каждого глаза формируется и подается отдельное изображение. В состав комплекса включены следующие функциональные модули: специализированная двух-платформенная графическая станция с двумя мониторами, специализированный экран, проекционная двух-проекторная установка, крепежно-юстировочная система, акустические системы, поляризационные фильтры, стереоочки для учителя и учеников, комплект коммутации и крепежа, набор программного обеспечения. В качестве графической станции используется традиционный IBM-совместимый компьютер со следующим характеристиками: процессор Core 2 Quad, частота не менее 2,83 GHz (или эквивалент), ОЗУ не менее 4ГБ (лучше 8Гб), графический адаптер стандарта PCI-E объем видеопамяти не менее 896 Мб, чип - GeForce GTX 260, жесткий диск не хуже 1 Tb, корпус с блоком питания не менее 600Вт.
Комплект программного обеспечения включает в себя:
Для формирования качественного стереоизображения рекомендуется использовать 3LCD-проекторы, яркостью не менее 5000 Лм и аппаратным разрешением не хуже 1024х768 точек (например, Epson EB-G5200W) и комплект поляризационных светофильтров с пропускающей способностью не менее 70%. Дополнительными модулями могут быть: интерактивная доска, специальный манипулятор-джойстик с несколькими степенями свободы, интерактивный планшет и т.д.
Методический аспект заключается в создании (адаптации) методологии так называемого «виртуального повествования».
Виртуальное повествование объединяет в себе новейшие достижения в области виртуального окружения и искусственного интеллекта, реализует принцип edutainment, т.е. совмещает обучение (education) с развлечением (entertainment). Оно имеет много общего с тренажерами на базе технологии виртуального окружения, интерактивными моделями и «серьезными играми» (seriousgames), но отличается от них повествовательной (образовательной) направленностью. Урок в жанре виртуального повествования представляет собой рассказ, содержащий элементы интерактивности. Интерактивность позволяет установить обратную связь со слушателем и формировать сюжет виртуальной истории в зависимости от его предпочтений.
Учащиеся могут путешествовать в виртуальном планетарии, посещать древний разрушенный город, изучать законы сопротивления материалов и многое другое. Например, приложение «Виртуальный планетарий» предназначено для обучения школьников астрономии. Оно представляет 3200 ярчайших звезд, 30 объектов Солнечной системы и 88 созвездий. Все объекты отображаются так, как будто наблюдатель видит их из иллюминатора космического корабля. Стереоскопическая проекционная система создает иллюзию открытого космического пространства.
Резюмируя, можно отметить, что технологии виртуальной реальности, виртуального окружения и неогеографии в ближайшее время займут в образовании такое же привычное место, как телевидение, персональные компьютеры, мобильные телефоны и т.п. Остается только надеяться, что Россия в этом направлении будет двигаться, не отставая от других стран, а в чем-то даже опережая их.