Муниципальное общеобразовательное автономное учреждение «Лицей №9»
Методическое пособие для учителей математики и информатики
Использование виртуальной и дополненной реальности на уроках математики и информатики»
Автор: учитель математики высшей
квалификационной категории
С.А.Пастухова
г.Оренбург
2022г
Оглавление
Вступление 3
Глава 1. Технология виртуальной и дополненной реальности 4
Глава 2. Методическая разработка обучающего семинара 26
Заключение 36
Литература 37
Приложение 1 38
Приложение 2 39
Приложение 3 40
Приложение 4 41
Приложение 5 42
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:
1. Изменить способы и методы обучения.
2. 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.
Глава1. 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:
1. Наглядная передача информации, сложной для восприятия при использовании стандартных форм обучения;
2. Способ хранения и представления информации об объемных объектах, имеющих сложную структуру;
3. Создание виртуальных тренажеров;
4. 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.
2. Второй подход связан с созданием виртуального информационного слоя на реальном объекте. В данном случае, школьники работают с настоящими объектами, на которых система дополненной реальности отображает виртуальный информационный слой. Например, при рассмотрении строения жесткого диска возможно поместить виртуальный информационный слой на настоящий жесткий диск. На реальном жестком диске, система дополненной реальности отображает виртуальный аналог и обучающиеся могут увидеть структуру самого диска (например, сектора, кластеры) или наблюдать его в работе.
Данный подход интересен тем, что интерактивный информационный слой добавить на объект в реальном времени невозможно без технологии дополненной реальности. В этом случае система дополненной реальности «дополняет» реальный объект некоторой информацией. Это может быть, как структурная схема объекта, инструкция по применению, так и различные «слои», например, выделение различных функциональных областей микрочипа, находящегося в данной микросхеме, либо указание названий элементов материнской платы. Кроме того, при таком подходе можно выводить как фотографии, картинки, так и видеофрагменты, 3D-модели.
Несмотря на различия данных подходов к применению технологии дополненной реальности для создания и использования визуальных средств обучения, возможно их совмещение в различных соотношениях. Например, при обучении архитектуре ПК в основной школе в реальный корпус системного блока компьютера, в котором установлена материнская плата, нужно поместить предметы, символизирующие компоненты компьютера для распознавания системой дополненной реальности. После чего, «помещая» тот или иной замещающий объект на материнскую плату, соответствующий виртуальный объект перемещается в нужное место с помощью системы дополненной реальности.
Данное упражнение позволит школьникам избежать поломки хрупких компонентов компьютера, подобрать его любую конфигурацию без лишних затрат и минимизировать «рутинные» действия, которые, как правило, отнимают много времени и сил, отвлекая от формирования необходимых знаний и умений (например, установка охлаждающей системы на процессор или оптимизация организации электропитания).
Каждый из предложенных подходов имеет свою область применения. Однако из-за сложности технической реализации, второй подход пока менее распространен, чем первый, поскольку создать объект гораздо проще, чем изменить существующий из-за сложности распознавания и позиционирования предметов.
Предложенные подходы к созданию и использованию визуальных средств обучения с помощью технологии дополненной реальности позволят повысить эффективность обучения информатике за счет организации самостоятельной деятельности учащихся при овладении сложным теоретическим материалом.
Деятельность учителя при подготовке и использовании элементов дополненной реальности на уроке информатики состоит из нескольких этапов.
1. Учитель выбирает, какой объект будет являться меткой. Удачной меткой может стать устаревшая иллюстрация или практическая работа, которая описана в учебнике. В этом случае дополненная реальность заменит устаревший контент его актуальной версией. Например, в учебнике Н. Д. Угриновича «Информатика и ИКТ» базовый уровень, 10 класс, содержится практическая работа «Настройка браузера», скриншоты и описание которой не соответствует современным версиям браузеров. Меткой выбрана первая иллюстрация, которая заменяется на актуальный видеофрагмент с описанием процесса настройки современных браузеров (см. рис. 1).
2. Учитель создает слой дополнительной реальности. В качестве такого слоя может использоваться изображение (или их серия), видеофрагмент, текст или ссылка на внешний ресурс. На рис. 2 слоем дополненной реальности выбрано изображение, при нажатии на которое осуществляется переход на внешний ресурс.
Учитель сохраняет элемент дополненной реальности с меткой и публикует в своем «канале».
Для работы с подготовленным контентом, обучающиеся:
• устанавливают приложение HP Reveal;
• подключаются к «каналу» учителя;
• сканируют метки, работают с дополненной реальностью.
Рассмотрим вопросы применения дополненной реальности исходя из дидактических задач, которые были сформулированы выше. Задача расширения форм представления учебного контента решается путем включения в дополненную реальность учебного контента различного вида: текст, изображения, видео, аудио, 3D-модели и другие объекты, в том числе ссылки на электронные образовательные ресурсы. Задача актуализации учебного контента является крайне важной для дисциплины «Информатика и ИКТ»: учитывая скорость развития программного обеспечения и технологий, практические работы, предусмотренные УМК, не успевают за обновлениями и выходом новых версий ПО. Снабжать учебники QR-кодами с ссылками на актуальный учебный контент нецелесообразно, так как требует усилий по распространению QR-кодов обучающихся. В свою очередь применение дополненной реальности с привязкой к иллюстрациям учебника позволит актуализировать учебный контент и не потребует тиражирования меток, так как учебник есть у каждого учащегося. Задача развития навыков работы учащихся с программными продуктами является одной из основных в школьном курсе информатики. Пользуясь приложением HP Reveal, обучающиеся не только получают доступ к дополнительному учебному контенту в привлекательной форме, но и опосредовано знакомятся с технологиями дополненной реальности. Привлечение учащихся к созданию собственных элементов дополненной реальности позволит им проявить свои творческие способности. Так, например, при выполнении заданий в формате скринкастов, обучающиеся могут создавать метки в своих тетрадях, с помощью которых всегда можно получить доступ к скринкасту.
С педагогической точки зрения применение дополненной реальности является оправданной, так как позволяет решить ряд дидактическ задач, повышает мотивацию обучающихся, способствует развитию навыков работы с современными технологиями, расширяет формы представления учебного контента. С точки зрения затрат ресурсов учителя, подготовка элементов дополненной реальности не требует от педагога затрат значительного времени. А единожды проведенный инструктаж по работе с программой дополненной реальности среди обучающихся позволяет использовать метки многократно в течении последующего обучения. Кроме этого, управление метками учитель может осуществлять в любом месте и в любое время без необходимости информирования учащихся об изменениях. Экономическая целесообразность объясняется тем, что используемые сервисы бесплатны, а для начала работы с ними достаточно имеющихся смартфонов у обучающихся. Таким образом, на основании опыта применения технологий дополненной реальности можно рекомендовать их использование при обучении дисциплине «Информатика и ИКТ» в школе.
Одним из разделов программы по предмету «Технология» является «Черчение и графика». Учебно-воспитательные задачи раздела способствуют формированию основ графической грамоты, умению составлять чертежно-графическую документацию и сознательно ею пользоваться. Чтение и выполнение чертежей деталей и сборочных единиц, их анализ создают предпосылки для развития у школьников склонности к изучению техники. Тесная связь обучения черчению с жизнью, производительным трудом, широкое использование межпредметных связей, включение в процесс обучения черчению возможно более широкого круга познавательных и занимательных задач повышают интерес к изучению предмета и качество обучения.
Технический прогресс неразрывно связан с высокой графической культурой человека. Механизация и автоматизация производства коренным образом меняет не только характер трудовой деятельности, но и предполагает наличие определенных соответственных требований к технической подготовке обучающихся-выпускников. Техническое графическое образование обучающихся связано с умениями и навыками свободного составления конструкторской документации и чтения чертежей. В свете требований современной науки и техники необходимо обратить внимание на улучшение графической подготовки обучающихся, оканчивающих общеобразовательную школу. Для решения той проблемы помогут технологии виртуальной и дополненной реальности. Виртуальная реальность способна не только дать сведения о самом объекте, но и продемонстрировать его с любой степенью детализации. Используя 3D-графику, можно детализировано показать принцип работы различных механизмов.
При изучении темы «Сечения» можно рассмотреть различные варианты расположения сечений и обозначений. При изучении сложных разрезов можно показать особенности изображения элементов на разрезах.
Обучающиеся должны иметь понятие:
- об изображениях соединений деталей;
- об особенностях выполнения строительных чертежей.
Использование виртуальной и дополненной реальности на уроках технологии в основной школе с опорой на взаимосвязь «объект изучения – средство обучения» будет способствовать росту эффективности обучения благодаря повышению наглядности учебного материала и его интерактивности, проведению ранее недоступных практических работ, а также даёт возможность подготовить учащихся к жизни и работе в информационном обществе за счёт овладения визуальными средствами технологий виртуальной и дополненной реальности.
Стоит отметить деятельность Национальной технологической инициативы, в частности план мероприятий («дорожной карты») «Нейронет». Согласно этому документу, уже к 2025 году планируется реализовать ряд мероприятий на пути к интеграции систем виртуальной и дополненной реальности в сферы образования, медицины, развлечений и спорта; к 2035 году ожидается внедрение систем интеграции человека с виртуальной средой. Таким образом, государство оказывает всестороннюю поддержку разработчикам в области технологий дополненной и виртуальной реальности.
Таким образом, основными преимуществами использования AR/VR в сфере образования являются:
— Наглядность. 3D-графика позволяет воспроизвести детализацию даже самых сложных процессов, невидимых человеческому глазу. VR позволяет воспроизвести или смоделировать любые процессы или явления, о которых знает современная наука.
— Безопасность. Практические основы управления летательными или сверхскоростными аппаратами, можно абсолютно безопасно отработать на устройстве виртуальной реальности также, как и сверхсложные манипуляции, без вреда и опасности для кого-либо.
— Вовлечение. AR/VR технологии дают возможность смоделировать любую механику действий или поведение объекта, решать сложные математические задания в форме игры. Виртуальная реальность позволяет путешествовать во времени, просматривая основные сценарии важных исторических событий или увидеть человека изнутри на уровне движения эритроцита в крови.
— Фокусировка. Пространство, смоделированное в VR, можно легко рассмотреть в панорамном диапазоне на 360 градусов, не отвлекаясь на внешние факторы.
— Возможность проведения виртуальных уроков. Благодаря возможности отображения смоделированного пространства от первого лица и возникновения эффекта собственного участия в виртуальных событиях, стало возможным проведение целых уроков в режиме виртуальной или дополненной реальности.
По данным аналитических исследований программы виртуальной и дополненной реальности можно применять в разных сферах деятельности и в ближайшем будущем устройства виртуальной и дополненной реальности станут так же популярны и функциональны, как мобильные телефоны.
Технологии виртуальной и дополненной реальности могут быть востребованы всеми формами учебной и воспитательной работы в школе. Конечно, далеко не каждая учебная тема может иметь развитие в виртуальной среде, но выигрыш от «встречи» с учениками в сети будет всегда — это новый формат общения, обновление учебной мотивации, расширение круга совместных интересов, формирование новых компетенций.
В результате применения VR и AR технологии обучающиеся приобретут следующие компетенции Soft Skills:
• поиск и анализ релевантной информации
• навыки self-менеджмента – самостоятельное планирование и реализации проекта: постановка цели, разработка технического задания, создание и подбор контента, презентация и защита готового проекта, навык публичных выступлений
• работа в команде: работа в общем ритме, эффективное распределение задач и др.
Компетенции Hard Skills:
• знание и понимание основных понятий: виртуальная, дополненная реальность (в т.ч. ее отличия от виртуальной), смешанная реальность, трекинг и др.
• умение активировать запуск приложений виртуальной реальности, устанавливать их на устройство и тестировать. Навык калибровки межзрачкового расстояния. Сборка собственного VR устройства
• умение снимать и монтировать видео 360°
• знание пользовательского интерфейса и базовых объектов одного из инструментариев; навыки создания AR приложений
Глава 2. Методическая разработка обучающего семинар
Материально-техническое обеспечение: компьютерный кабинет, компьютеры на каждую группу и ведущего с выходом в интернет, проектор, экран.
Дидактический материал: распечатанный раздаточный материал
Что может являться виртуальными объектами?
Это может быть текст, фотографии, видеоролики, 3-D модели, объемные фигуры. Эти объекты могут быть просто наблюдаемыми или интерактивными, то есть с ними можно взаимодействовать и изменять их (например, повернуть).
Как их можно увидеть?
Для того чтобы виртуальные объекты стали доступны для просмотра, необходимо использование специальных компьютерных программ и приложений.
Как работает эта технология?
Прошу обратить внимание на иллюстрацию, которая наглядно демонстрирует принцип работы технологии дополненной реальности
Необходимо четыре важных составляющих элемента: камера, компьютер или телефон с выходом в интернет, программное обеспечение и маркер. На электронное устройство должна быть установлена специальная программа, которая «распознает маркер на получаемой с камеры картинки и отобразит на его месте какой-либо элемент – текст, фотографию, объемный объект».
Таким образом, для того, чтобы воспользоваться данной функцией, необходимо сначала скачать приложение на свой гаджет, затем открыть его и навести камеру на картинку в журнале, qr-код и т.д., то есть на тот объект, который предполагает использование данной технологии – маркер (метку).
Рассмотрим понятие «метка», и что может ей являться.
Метка – это какое-либо изображение, которое может быть размещено на любой поверхности. В ней зашифрована информация об объекте виртуальной реальности, который может быть представлен в самых разнообразных видах.
Метки бывают двух типов: маркерные и безмаркерные.
Маркерные метки – это метки, которые имеют определенный вид – qr-коды.
Данные метки всегда выглядят как картинка внутри рамки (могут быть любого цвета). Считывание заложенной информации с такой метки происходит за счет заданной последовательности расположения элементов.
Безмаркерные метки – это метка, вид которой может быть представлен любым изображением или предметом (картинка в журнале, фотография, объект реальности и т.д.).
Как можно самим создавать объекты дополненной реальности?
Для ответа на данный вопрос рассмотрим практическую часть. Познакомимся с работой приложений: QR Coder, Aurasma (HP REVEAL) и PLICKERS.
1. Для того чтобы создать собственный qr-код, необходимо использование специальных программ. Работаем с программой QR Coder (http://qrcoder.ru/)
Открываем стартовую страницу.
Видим, что закодировать можно: текст, ссылку, визитную карточку, sms-сообщение. Мы попробуем создать qr-код с текстом и ссылкой на сайт.
Задание 1.
1.1 На рабочем столе находим файл «Задание 1». Открываем его, находим первый пункт. Копирует текст и вставляем его в приложение.
1.2 Затем нажимаем кнопку «Создать код»
1.3 Справа появится код
1.4 Чтобы сохранить QR-код и использовать его, необходимо нажать на код правой кнопкой мыши и выбрать «сохранить картинку как». Затем присваиваем изображению имя и выбираем место для сохранения. Открываем файл «Задание 1». Нажимаем на значок рисунка там, где подписано «место для первого qr-кода», выбираем файл с кодом, нажимаем кнопку «вставить».
Если вы хотите просто сделать код доступным для распечатывания, то после сохранения кода на компьютер, необходимо открыть документ Word, зайти в меню «вставка», выбрать «рисунок», открыть изображение кода и нажать «вставить». Документ сохранить. Таким способом можно вставить получившийся код в любое место.
Задание 2.
2.1 Выбираем закодировать «ссылку на сайт».
2.2 Находим на рабочем столе файл «Задание 2». Копируем ссылку и вставляем в окно.
2.3 Повторяем пункты 1.2 – 1.3
2.4. Чтобы сохранить QR-код и использовать его, необходимо нажать на код правой кнопкой мыши и выбрать «сохранить картинку как». Затем присваиваем изображению имя и выбираем место для сохранения. Открываем файл «Задание 2». Нажимаем на значок рисунка там, где подписано «место для второго qr-кода», выбираем файл с кодом, нажимаем кнопку «вставить».
В результате выполнения двух заданий мы получили готовую для использования табличку, которая в таком компактном состоянии содержит довольно большой объем информации разного вида и содержания, удобный и интересный для использования на занятии.
Задание 3.
Поработаем с другой разновидностью программы дополненной реальности – HP REVEAL. Это приложение относится к программам с безмаркерным типом метки.
3.1 Открываем приложение HP REVEAL в браузере (https://studio.hpreveal.com/).
3.2 Открываем на рабочем столе папку «Задание 3». Открываем текстовый файл «Задание 3».
3.3 Выбираем «Log in to Aurasma Studio» (Войти в Aurasma).
3.4 Выбираем «Sign in» (Войти), так как я уже создала аккаунт для нашего занятия. Вводим логин и пароль, который вы видите на раздаточном материале.
3.5 Выбираем «My auras» (Мои ауры), затем «Create new aura» (Создать новую ауру).
3.6 Нажимаем «Click to upload trigger image» (Выбрать картинку).
3.7 Выбрать «Name» (Имя), пишем любое имя на любом языке. Затем нажимаем «Browse» (Выбрать) и выбираем нужное нам изображение. Находим картинку в папке «Задание 3». Нажимаем «Save» (Сохранить).
3.8 Нажимаем «Next» (Следующее), затем «Click to upload overlay» (Выбрать видео).
3.9 Выбрать «Name» (Имя), пишем любое имя на любом языке. Затем нажимаем «Browse» (Выбрать) и выбираем нужное нам видео. Находим видео в папке «Задание 3». Нажимаем «Save» (Сохранить).
3.10 Нажимаем «Next» (Следующее).
3.11 Выбираем «Aura name» (Название ауры). Вводим название ауры на любом языке. Можем присвоить хэштэг, который есть на вашей раздатке.
3.12 Нажимаем «Unshare» (Убрать из списка – Сделать недоступным для общего пользования).
3.13 Нажимаем на ауру. Находим кнопку «Edit» (Редактировать), затем два раза «Next» (Следующее) и «Share» (Разрешить доступ для всех).
Стоит отметить, что не всегда можно загрузить все картинки и видео. Видео не должно быть очень тяжелым, оно не должно превышать более 100 Мб (примерно 2 минуты).
Просмотреть получившуюся у нас ауру можно через приложение на своем телефоне.
Задание 4.
Еще одно интересное для работы приложение Plickers. Данная программа позволяет педагогу, используя только мобильный телефон проводить опросы. Каждому учащемуся выдается карточка, на который помечены варианты ответа. Ребенку необходимо выбрать правильный вариант ответа и поднять карточку необходимой стороной. Педагог считывает эти ответы с помощью своего телефона.
4.1 Зайти на сайт https://www.plickers.com
4.2 Для прохождения первичной регистрации нужно нажать кнопку «Sign up». При повторном посещении сайта нажимаем кнопку «Sign in». Вводим Email и пароль, которые даны в раздаточном материале (Задание 4) (Приложение 2-4).
4.3 Начинаем с создания списка класса. Для этого справа в меню нажимаем кнопку «Add Class».
4.4 В открывшемся окне в графе «Enter class name» (Вводим название класса) пишем название, которое присваиваем этому классу. Оно должно быть не очень длинным. В дальнейшем в работе этого название будет видно учащимся. Далее нажимаем кнопку «Create class» (Создать класс).
4.5 В открывшемся окне находим кнопку «Add Students» (Добавить студентов). В следующем окне начинаем вводить имена учащихся. Сначала имя потом фамилия, каждый ребенок с новой строки. Затем нажимаем кнопку «Next».
4.6 Каждому ребенку присваивается номер определенной карточки. Номера карточек могут присваиваться детям в том порядке, как вы их вводили (Кнопка – «As Entered»), в алфавитном порядке по первой букве имени ребенка (Кнопка – «Sort by First Name»), в алфавитном порядке по первой букве фамилии детей (Кнопка – «Sort by Last Name»). Далее снизу нажимаем кнопку «Done».
4.7 Далее переходим к вводу вопросов. Справа в меню находим кнопку «New Set». Сверху в поле «Untitled Set» вводим название этой папки с вопросами. В поле «Click here to edit question» начинаем вводить текст вопроса. Ниже, там, где варианты ответа (A,B,C,D), вводим тексты ответов. Обязательно нужно выбрать правильный вариант ответа – он выделяется зеленым цветом. Варианты ответов могут быть поменяны местами, если нажать снизу кнопку «Shuffle Choice». Далее вводим все вопросы по порядку путем нажатия сверху слева. Если ниже открывшегося окошка вопроса нажать кнопку «Set as True/False», вопрос будет иметь только два варианта ответа: Верно или Неверно. Также к вопросу может быть прикреплена картинка. Справа есть значок , нажав на него вы сможете выбрать иллюстрацию к своему вопросу из компьютера.
4.8. Справа в меню выбираем название своего класса и нажимаем на него. В открывшемся окне находим название своей папки с вопросами и нажимаем кнопку «Add» слева от названия. Далее в появившемся окне находим кнопку «Play Now». После этого начинаем проводить опрос с помощью мобильного устройства.
4.9. Педагог берет свой телефон. Входит в свой аккаунт. Очень удобно заранее включить электронную доску, тогда вопросы в режиме реального времени будут транслироваться на ней. Для этого нужно на компьютере также войти в это приложение и нажать кнопку «Play Now». Педагог сам со своего телефона управлять процессом тестирования.
4.10. После того как вы на своем телефоне открыли данное приложение, необходимо выбрать класс. Затем вы выбираете вопрос с помощью стрелочек, нажимаете на кнопку посередине, и он автоматически отображается на экране в режиме «Play Now». Затем ребята поднимают карточки с ответами. Важно отметить, что правильный ответ должен располагаться сверху. Педагог может следить за тем, как распределились ответы в общем (Кнопка слева) или же посмотреть, как ответил каждый учащийся (Кнопка справа). Такая процедура повторяется для каждого вопроса.
4.11. На компьютере вы можете посмотреть все отчеты по прохождению тестов для каждого класса во вкладке «Reports». А в «Your library» вам будут видны все вопросы и папки, которые вы можете компоновать и выстраивать новые опросы.
Заключение
Данное методическое пособие предоставляет информацию и практические навыки работы с приложениями виртуальной и дополненной реальности. Педагоги получат возможность иметь общее представление об этой современной технологии и направления для внедрения ее элементов в рамках занятий, то есть они смогут выстраивать свой образовательный маршрут с учетом новейших технологий обучения, следуя актуальных запросам общества и государства. Несмотря на то, что на данный момент круг возможных программ для использования в образовательном процессе несколько ограничен, уже имеющиеся средства позволят вносить в процесс интерактив и элементы игры, вовлекать и заинтересовывать детей в процесс самостоятельного получения знаний. Большим плюсом использования такой технологии на занятии является то, что информация представлена в различных формах. Это позволит увеличить процент запоминания данных, так как охватывается более широкий круг детей с разным восприятием. Кроме того, дети получат наглядный и практический опыт использования таких технологий, что является важным в рамках построения современного информационного общества. Это даст педагогу возможность ставить более глобальные задачи, уже имея конкретные практические способы для их решения, и достигать более высоких педагогических целей, реализуя свой потенциал и применяя полученные в ходе обучения знания.
Однако нельзя не учитывать существующие риски. Педагог в ходе учебного процесса должен рационально использовать все существующие педагогические методы, приемы и технические средства, в том числе виртуальную и дополненную реальность.
Литература
1. ГОСТ Р 53620-2009 Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Электронные образовательные ресурсы. Общие положения. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200082196, свободный.
2. Григорьева Т.И., Потапов А.А., Пронина О.И., Шапиро К.В. Использование элементов технологии «дополненной реальности» в образовательной деятельности как необходимое условие развития цифровых навыков школьников поколения Z .- Режим доступа: https://conf.rcokoit.ru/events/17439, свободный.
3. Дополненная реальность – новый взгляд на окружающий мир.
4. Лёвина А.П. Знакомство с дополненной реальностью // Молодежный научно-технический вестник. – М.: Издатель ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана», 2014.
5. Миловидов С.В. Принципы «дополненной реальности» и интерактивная реконструкция в музеях.
6. Петрова О. Дополненная реальность. Создание ауры.
7. Профессиональный стандарт «Педагог дополнительного образования детей и взрослых» (утв. Приказом Минтруда РФ №613н от 08.09.2015 г.)
8. Указ Президента Российской Федерации от 09.05.2017 № 203 «О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017 - 2030 годы»
9. Что такое AR (дополненная реальность)?
|
