ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОЙ И ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ КАК ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ ИНТЕРАКТИВНОСТИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются положительные аспекты применения современных технологий виртуальной (ВР) и дополненной (ДР) реальности как эффективных инструментов повышения интерактивности образовательного процесса. Авторы подчеркивают преимущества иммерсивного обучения, способствующего вовлеченности студентов и лучшему усвоению сложных учебных тем. Приведены практические примеры, включая разработанный урок по анатомии человека и проект цифровой 3D образовательной платформы VR-ed, реализуемый на кафедре мультимедийных технологий Ташкентского университета информационных технологий. Отмечено, что внедрение VR/AR в учебные программы способствует визуализации абстрактных понятий, развитию критического мышления и активному обучению. Особое внимание уделяется применению данных технологий в STEM-образовании, обсуждаются перспективы их дальнейшего развития и внедрения, обоснована педагогическая целесообразность применения иммерсивных технологий для повышения вовлеченности обучающихся и качества усвоения учебного материала.

ABSTRACT

The article explores the positive aspects of using modern virtual reality (VR) and augmented reality (AR) technologies as effective tools for enhancing the interactivity of the educational process. The authors highlight the advantages of immersive learning, which fosters student engagement and improves the comprehension of complex academic subjects. Practical examples are provided, including a developed human anatomy lesson and the VR-ed digital 3D educational platform project implemented by the Department of Multimedia Technologies at the Tashkent University of Information Technologies. It is noted that the integration of VR/AR into educational programs contributes to the visualization of abstract concepts, the development of critical thinking, and active learning. Special attention is given to the application of these technologies in STEM education, with a discussion of their future development and implementation prospects. The pedagogical rationale for using immersive technologies to increase student engagement and improve learning outcomes is substantiated.

Ключевые слова: виртуальная реальность (ВР), дополненная реальность (ДР), образование, интерактивность, визуализация.

Keywords: virtual reality (VR), augmented reality (AR), education, interactivity, visualization.

Введение

Состояние современной системы образования в Узбекистане предопределяет развитие страны на ближайшие годы. Поэтому логично утверждать, что образование является ведущей отраслью производства человеческого капитала, фундаментом будущего благополучия нашего общества. На сегодняшний день образование сталкивается с рядом вызовов, связанных с необходимостью повышения вовлеченности учащихся, визуализации абстрактных понятий и улучшения качества усвоения знаний. Частично это связано с тем, что школьные уроки в большинстве своём носят чисто теоретический характер и у учащихся преобладает абстрактный опыт, а учителю бывает трудно объяснить сложные для понимания явления и предметы (например, сложные геометрические фигуры, строение и состав клетки, понятие электрического тока и т.д.). Традиционные методы преподавания, основанные преимущественно на теоретических занятиях, зачастую не позволяют в полной мере донести до учащихся сложные для понимания процессы, особенно в области естественно-научных дисциплин. Это приводит к снижению мотивации и пробелам в восприятии учебного материала. На этом фоне остро встаёт необходимость внедрения инновационных инструментов, способных повысить интерактивность и эффективность образовательного процесса.

Возможность технологий ВР и ДР для иммерсивного обучения [1, с. 2] учащегося определяет основное направление этой статьи. Все то, что не может быть создано в реальном мире по техническим, экономическим или физическим причинам, может быть создано в мире виртуальном. [2, с. 5] Возможность увидеть электрические и магнитные поля, смешать различные химические элементы и получить неожиданные результаты, побывать там, где в реальности побывать трудно или невозможно и т.д.

В зарубежных странах также активно исследуются возможности использования технологий виртуальной и дополненной реальности в образовании. Например, в США существует множество проектов, направленных на создание интерактивных учебных материалов на основе этих технологий.

Один из таких проектов - это "Chemistry VR", который представляет собой виртуальную лабораторию, где ученики могут изучать химические реакции и манипулировать молекулами [3-4]. Этот проект был разработан в Университете штата Огайо и получил поддержку от Национального института здоровья. Также в США существует проект "PhET Interactive Simulations", который предоставляет бесплатный доступ к более чем 150 интерактивным симуляциям по физике, химии и другим наукам [5]. Эти симуляции позволяют ученикам экспериментировать и изучать различные явления в виртуальной среде.

В Великобритании также проводятся исследования по использованию технологий виртуальной и дополненной реальности в образовании. Например, в Университете Бристоля был разработан проект "Virtual Planetary Laboratory", который позволяет ученикам изучать планеты и космические явления в виртуальной среде. Также в Великобритании существует проект "Augmented Reality Sandbox", который представляет собой песочницу с дополненной реальностью [6]. Эта технология позволяет ученикам изучать географию и геологию, создавая ландшафты и наблюдая за изменениями в реальном времени.

В России также проводятся исследования в этой области. Например, в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова были разработаны интерактивные учебные материалы для обучения физике в ВР среде. Эти материалы позволяют учащимся проводить виртуальные эксперименты и наблюдать за физическими явлениями в трехмерной среде. Также в России были проведены исследования по использованию ДР технологий в обучении химии [7]. Например, в Институте химии имени Н.Д. Зелинского РАН была разработана программа для моделирования химических реакций в ДР среде. Эта программа позволяет учащимся проводить виртуальные эксперименты и наблюдать за реакциями в трехмерной среде.

В целом, зарубежный опыт показывает, что технологии виртуальной и дополненной реальности могут быть эффективным инструментом обучения школьников физике и химии. Однако для успешной интеграции этих технологий необходимо учитывать особенности и менталитет учеников, соответствовать учебным программам и проводить дополнительные исследования влияния этих технологий на образовательный процесс.

В данной статье авторы представляют проект “Разработка цифрового 3D образовательного пространства на основе технологий виртуальной и дополненной реальности”, который начинает разрабатываться на кафедре Мультимедийных технологий Ташкентского Университета информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий.

Материалы и методы исследования

Основу исследования составили аналитический обзор существующих подходов к использованию технологий виртуальной и дополненной реальности в образовательной среде, а также практические наработки авторов в рамках проектной деятельности кафедры «Мультимедийные технологии» Ташкентского университета информационных технологий [1-7].

Модель обучения, включающая виртуальные технологии и виртуальную реальность, предусматривает интерактивное управление освоением знаний. В основе применения виртуальных технологий лежит активная самостоятельная работа учащихся, учебные программы, виртуальное образовательное пространство и виртуальная реальность, а также применение разнообразных материалов: базы знаний, банка данных, тестирующих программ с обратной связью, самостоятельную работу с помощью виртуальной реальности.

Проект по разработке цифрового 3D образовательного пространства на основе технологий виртуальной и дополненной реальности (авторы назвали его кратко VR-ed) ставит себе целью улучшение качества и закрепление получаемых знаний в образовательных учреждениях, в частности, школах, с помощью разработки и поставки 3Д контента на основе технологий виртуальной и дополненной реальности и решает проблему неполного представления, трудности восприятия пространственных и сложных для понимания предметов и явлений в процессе обучения (это соответствует целям качественного и своевременного исполнения Указа Президента Республики Узбекистан от 28 января 2022 года № УП-60 «О Стратегии развития Нового Узбекистана на 2022 — 2026 годы» [8, цель 42] и Постановления Президента Республики Узбекистан № ПП-357 от 22.08.2022 в целях реализации приоритетных задач по поднятию сферы образования на основе информационно коммуникационных технологий на новый уровень). Долгосрочная цель проекта, архитектура которого приведена на рис. 1, – это улучшение качества получаемых знаний и восприятия материала через 3D визуализацию путём поэтапного внедрения ВР и ДР технологий в учебный процесс.

Рисунок 1. Архитектура проекта

Одним из основных положительных аспектов иммерсивного обучения является то, что технологии виртуальной и дополненной реальности позволяют создавать интерактивные уроки, которые позволяют учащимся взаимодействовать с учебным материалом в более глубоком и запоминающемся формате [9, с. 148]. Технологии ВР/ДР способствуют развитию познавательной активности, критического мышления и пространственного воображения у учащихся, а также реализуют принципы деятельностного подхода, визуального подкрепления знаний и адаптивного индивидуального обучения [10, с. 592]. Их применение особенно актуально в контексте перехода к цифровой образовательной среде и STEM-ориентированной подготовке школьников.

Например, магистрантами кафедры Мультимедийные технологии разработан интерактивный урок по изучению анатомии человека (рис. 2) “Touch&Explore”, который даёт возможность пользователю научиться ориентироваться в анатомии и правильно располагать органы. В урок внедрена “умная” доска, которая высвечивает зелёным или красным цветом правильное или неправильное расположение, соответственно.

Рисунок 2. Фрагменты проекта “Touch&Explore”

Особенно значимым является потенциал ВР/ДР в рамках преподавания предметов естественно-научного цикла — физики, химии, биологии и астрономии. Именно эти предметы предполагается охватить в рамках вышеуказанного проекта VR-ed. На основе иммерсивных технологий возможно проведение виртуальных лабораторных работ, исследование сложных понятий (электромагнетизм, молекулярные реакции, анатомические процессы и т.д.), а также моделирование пространственно-временных явлений и астрономической карты.

Результаты и обсуждение

Совсем недавно на кафедре Мультимедийных технологий ТУИТ подошли к концу работы по проекту «Создание электронной платформы и мобильного приложения путеводителя «Литературный гид по Узбекистану» [11, с. 10], направленного на создание цифрового ресурса, который бы наиболее полно и объемно отражал литературное наследие Узбекистана посредством разработки электронной платформы и мобильного приложения на основе технологий виртуальной и дополненной реальности по литературным музеям нашей родины на трёх языках: узбекском, английском и русском. Мобильное приложение «Литературный гид» разработано на основе технологий виртуальной и дополненной реальности и даёт возможность самостоятельно совершить экскурсию по литературным домам-музеям Узбекистана [12, с. 35]. С помощью смартгида посетители могут выбрать интересующий зал, куда навигационная система проложит путь, и посмотреть на эксклюзивные экспонаты, мультимедийная информация о которых будет всплывать при наведении камеры. Полученные в ходе реализации данного проекта результаты подтверждают высокую прикладную ценность технологий ВР/ДР и их потенциал в создании интерактивных цифровых сред. Этот опыт лёг в основу подходов, применяемых при проектировании системы VR-ed, уже ориентированной на образовательные задачи.

Заключение. Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что внедрение технологий виртуальной и дополненной реальности в образовании открывает новые возможности для улучшения качества обучения, повышения мотивации учащихся и создания более интерактивной и эффективной учебной среды. Хотя проект находится на стартовом этапе, проведённые исследования и предварительное прототипирование отдельных модулей (в частности, Touch&Explore, о котором шла речь в данной статье) подтвердили, что иммерсивные технологии способны решать целый ряд методических задач: обеспечение визуализации сложных понятий, адаптация контента под индивидуальные траектории, создание интерактивной обратной связи.

Список литературы:

1. Jule M. Krüger, Kevin Palzer, Daniel Bodemer. Learning with augmented reality: Impact of dimensionality and spatial abilities. Computers and Education Open, Volume 3, December 2022, https://doi.org/10.1016/j.caeo.2021.100065.
2. Burdea, G. C., & Coiffet, P. (2003). Virtual Reality Technology (2nd ed.). Wiley-IEEE Press.
3. Benjamin A. Jackson, Jordan Harshman, Evangelos Miliordos. Addressing the Hypervalent Model: A Straightforward Explanation of Traditionally Hypervalent Molecules. Journal of Chemical Education, Vol 97/Issue 10. http://orcid.org/0000-0003-3471-7133.
4. McGrath, D. et al. (2020). Exploring Chemistry in Virtual Reality. Journal of Chemical Education, 97(9), 2677–2684.
5. Электронный ресурс https://phet.colorado.edu.
6. Электронный ресурс https://www.bristol.ac.uk/science-engineering.
7. А.А. Иванов и др. (2019). Применение виртуальной и дополненной реальности в преподавании химии. Химия в школе, №4, с. 28–33. https://doi.org/10.17747/2078-8886-2018-3-88-107.
8. Стратегия развития нового Узбекистана на 2022 — 2026 годы. https://lex.uz/ru/docs/5841077.
9. Артикова М., Пулатходжаев М. Проектные работы на основе технологий виртуальной реальности. Oliy ta’limni raqamlashtirish sharoitida innovatsion o‘qitish tеxnologiyalarini qo‘llash masalalari (ICT Edu 2024) Республиканская научно-практическая конференция, Tашкент 2024, 4-5 января, стр. 147-150.
10. Артикова М. А., Исматова M.Ф., Сайфиев Э.Э. Влияние технологий виртуальной и дополненной реальности на эффективность образовательного процесса // Материалы III международной научно-практической конференции «Научные основы использования информационных технологий нового уровня и современные проблемы автоматизации», 20 ноября 2024, стр. 590-593.
11. Артикова М.А., Сайфиев Э.Э., Журабоев Ф.А. Создание электронной платформы и мобильного приложения путеводителя «Литературный гид по Узбекистану» на основе технологий виртуальной и дополненной реальности // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2022. 10(103). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14440.
12. M. Artikova and M. Artikov, "Augmented Reality Technologies in Mobile Applications To Optimize User Experience In Museum Tours," 2024 International Conference on Advanced Information Scientific Development (ICAISD), Jawa Barat, Indonesia, 2024, pp. 31-34, doi: 10.1109/ICAISD63055.2024.10895520.