Application of virtual reality technology in inclusive education of persons with complete or partial lower limb injury

Full Text

Проблема и цель. По данным Федерального реестра инвалидов РФ количество детей-инвалидов с каждым годом стабильно растет с ориентировочной тенденцией в 20 000 человек. Поэтому актуальной задачей является разработка решений для получения образования лицами с ограниченными возможностями здоровья (ОВЗ). Безусловно, базовой проблемой инклюзивного образования в сегодняшние дни является создание безбарьерной образовательной среды. Таким образом, требуется универсальные решения для передачи информации детям с ограниченными возможностями здоровья, которые испытывают сложности при получении необходимых знаний о профессии при стандартных средствах обучения. Для наглядности проблематики инклюзивного образования проведен анализ численности лиц с ОВЗ и числа студентов-инвалидов в среднем профессиональном образовании (СПО) и высшем образовании (ВО), начиная с 2017 по 2022 г., с использованием сайтов sfri.ru и rosstat.gov.ru. Результаты анализа представлены на рис. 1-2: - численность лиц с ОВЗ в возрасте 15-17 лет - 150 691, а в возрасте 18-30 лет - 489 321; - численность студентов-инвалидов, обучающихся по профессиональным образовательным программам - 65 145. Исходя из данных, полученных в результате анализа, следует, что количество лиц с ОВЗ, получающих образование на порядок меньше общего количества людей-инвалидов студенческого возраста. Несмотря на ежегодный рост числа студентов-инвалидов в профессиональном образовании, большинство по-прежнему остается без возможности получения профессиональных знаний. Годы Years Рис. 1. Динамика численности лиц с инвалидностью студенческого возраста в РФ Figure 1. The number of persons with disabilities of student age Численность студентов Number of students Учебные годы Academic years Рис. 2. Динамика численности студентов с инвалидностью, обучающихся по профессиональным образовательным программам Figure 2. The number of disabled students enrolled in professional educational programs Современный мир характеризуется постоянными разработками инновационных решений в различных сферах жизнедеятельности человека, что позволяет упрощать, ускорять и автоматизировать большинство технологических процессов. Применение инновационных технологий не только в сфере промышленного производства показывает, что можно существенно расширить способы их применения, в том числе в социальной сфере. Одним из таких инновационных решений является виртуальная реальность (ВР). Эта технология позволяет «погружать» человека в разные миры, а также производить реалистичные симуляции множества ситуаций, в которых пользователю необходимо принять решение. В современном мире виртуальная реальность применяется в большинстве сфер жизнедеятельности людей: промышленность, развлечения, медицина, оборонная отрасль и особенно образование[18]. Применение иммерсивных автоматизированных виртуальных симуляторов в образовании получило большую популярность, так как это инновационное решение позволяет создавать виртуальные лабораторные и практические работы по различным предметам: физика, химия, астрономия, биология и др., использовать игровой подход к обучению в сочетании с комфортной и адаптированной виртуальной средой, а также погружать будущих специалистов в их потенциальное рабочее место, чтобы протестировать собственные теоретические знания на практике и получить виртуальный опыт, при этом без опасности за жизнь и здоровье, с использованием недоступного оборудования, а также без последствий при неудачной попытке [1-7]. Виртуальная реальность - инновационное решение для инклюзивного образования, так как помогает погрузить лиц с ОВЗ в комфортную обстановку, где они смогут наглядно изучать необходимые темы в интерактивном формате, в условиях приближенных к реальным. При этом технология на текущий момент не способна помочь всем категориям лиц с ОВЗ, однако «это только вопрос времени», так как она динамично развивается. Методология. Представлены результаты разработки виртуального симулятора по техническому обслуживанию персональных компьютеров как пример применения технологии виртуальной реальности в инклюзивном образовании лиц с полным или частичным поражением нижних конечностей [8]. Основной целью разработки является демонстрация возможностей иммерсивной автоматизированной виртуальной тренировочной системы как способа интерактивного восприятия информации и особого решения задачи безбарьерной образовательной среды для студентов-инвалидов. Разработка направлена на подготовку лиц с ОВЗ как специалистов, занимающихся сборкой, конфигурированием, консультацией и техническим обслуживанием комплектующих персонального компьютера (ПК). Эта сфера деятельности хорошо подходит маломобильным людям, так как работа осуществляется вручную, без необходимости в перемещении. Актуальность разработанного симулятора виртуальной реальности по техническому обслуживанию персональных компьютеров подтверждается современным подходом создания инновационного решения, которое в дальнейшем может стать одним из основных способов обучения студентов с ограниченными возможностями здоровья. Объектом исследования является процесс обучения по техническим специальностям лиц с ограниченными возможностями здоровья с полным или частичным поражением нижних конечностей. Предмет исследования - способ внедрения иммерсивного виртуального симулятора по техническому обслуживанию персональных компьютеров в инклюзивное образование студентов с ограниченными возможностями здоровья. Результаты и обсуждение. Виртуальная реальность - это трехмерный мир, созданный с применением компьютерной графики, который человек воспринимает с использованием специальных устройств. Виртуальная реальность может воздействовать на многие органы чувств человека. Созданное виртуальное пространство воспринимается максимально естественным. Виртуальные симуляторы воспринимаются в качестве особой разновидности средства обучения. Специализированные для формирования учебных и практических навыков у обучающихся, симуляторы относятся к средствам профессиональной подготовки наряду с техническими средствами передачи информации, проверки знаний, самообучения, а также дополнительным комбинированным средствам обучения. Их функционально-техническое назначение, базовые характеристики и правила подтверждения соответствия описаны в соответствующем национальном стандарте. Принцип работы тренажеров с использование виртуальной реальности в основном заключается в активном применении программно-аппаратного обеспечения, в котором реализованы симуляции сценариев. Взаимодействие с тренажером происходит с на основе специальных устройств: шлема виртуальной реальности, манипуляторов, перчаток-контролеров и возможным дополнительным оборудованием, в зависимости от качества симуляции. Тренажеры в большинстве спроектированы для реализации работы в трех режимах: обучение, тренировка, экзамен. Режим обучения симулирует ситуацию, в которой будущему работнику требуется выполнить ряд действий. Система формирует соответствующие подсказки и советы, как выполнять работу безопасно и правильно. Режим тренировки рассчитан на выполнение обучающим требуемых действий самостоятельно, без оказываемой системой помощи. В случае нарушения требований безопасности, неправильной последовательности действий или неверно выполненного задания система сообщит об этом незамедлительно или продемонстрирует некорректные действия после выполнения задания. Итоговый режим подобных тренажеров подразумевает проведение экзамена, который аналогичен режиму тренировки, однако в результате позволяет определить степень готовности сотрудника к работе. В случае не сдачи экзамена обучающийся отправляется на переподготовку. Рассмотрим разработанное решение подхода к инклюзивному образованию лиц с ОВЗ в виде иммерсивного виртуального симулятора по техническому обслуживанию персональных компьютеров (ТОПК), адаптированного для категории студентов с ограниченными возможностями здоровья с полным или частичным поражением нижних конечностей. Разработанная система включает следующие организационно-технические модули, обеспечивающие функционирование системы, каждый из которых объединяет подсистемы в соответствии с их назначением. ● Модуль ведения базы данных: - подсистема администрирования базы данных; - подсистема обработки запросов. ● Модуль обучения проведения работ по ТОПК: - подсистема помощи при выполнении работ по ТОПК; - подсистема предоставления данных по комплектующим ПК. ● Модуль выполнения работ по ТОПК: - подсистема контроля выполняемой работы; - подсистема симуляции реальных задач, связанных с обслуживанием ПК; - подсистема выполнения реальных действий по обслуживанию ПК. ● Модуль проверки выполненной работы по ТОПК: - подсистема анализа выполненной работы; - подсистема выставления оценки по выполненной работе; ● Модуль формирования отчета. Подсистема администрирования базы данных (БД) поддерживает процессы управления данными симулятора, обеспечивая целостность и работоспособность. Функциональность подсистемы основывается на технологических решениях системы управления базой данных и технических регламентах в области работ по хранению, обработке и предоставления данных пользователю. Подсистема обработки запросов предназначена для выполнения процессов работы с БД по информационному содержанию, организует и управляет процессами доступа к БД. Подсистема помощи при выполнении работ по ТОПК предназначена для реализации процессов по предоставлению подсказок пользователю по виртуальному взаимодействию с объектами и техническому обслуживанию ПК. Подсистема предоставления данных по комплектующим ПК предназначена для обучения студента с ограниченными возможностями здоровья устройству и функционированию составных частей ПК. Подсистема контроля выполняемой работы предназначена для реализации процессов контроля выполнения работ по техническому обслуживанию ПК для визуального отображения процесса выполняемых работ с сопровождающими статусами определенных задач, имеющих статус «Выполнено» или наоборот «Не выполнено». Подсистема симуляции реальных задач, связанных с обслуживанием ПК, предназначена для выполнения процессов по формированию задач студенту с ограниченными возможностями здоровья по обслуживанию ПК, основанных на существующих жизненных ситуациях, которые могут возникнуть у специалиста в будущем при исполнении рабочих обязанностей. Подсистема выполнения реальных действий по обслуживанию ПК предназначена для подробной симуляции действий сотрудника сервисного центра при проведении мастерских работ с ПК. Подсистема анализа выполненной работы предназначена для реализации процессов оценки качества выполнения работ по техническому обслуживанию ПК, основанных в соответствии с заложенными в системе образами выполненной работы и порядком выполнения и подведения результатов по выполненной работе. Подсистема выставления оценки по выполненной работе формирует оценку по окончании выполнения всех действий на основе составленного отчета по выполненной работе, который формируется в подсистеме анализа выполненной работы. Для подробного отражения работы виртуального симулятора создана блок-схема алгоритма, на которой демонстрируется функционал проекта с распределенными на различные модули подсистемы, вызывающиеся в процессе выполнения основного алгоритма работы (рис. 3). Разработанный виртуальный симулятор имеет следующую структуру: ресурсами, выполняющими работу, являются преподаватели и студенты с ограниченными возможностями здоровья, которые в процессе деятельности работают с объектами, используемыми и преобразуемыми работой для получения результата, такими как данные о комплектующих, шаблон для составления отчета по выполненной работе и действия, совершаемые пользователем при работе симулятора. Управление и осуществление контроля выполнения работ по техническому обслуживанию ПК осуществляется специальной системой, анализирующей работу по специальным критериям, что на выходе обеспечивает выполненную работу с оценочной ведомостью по ней. Вышеописанные данные указаны в контекстной диаграмме (рис. 4). Также спроектирована диаграмма прецедентов (рис. 5) для демонстрации функциональной части виртуального симулятора специалиста по техническому обслуживанию персональных компьютеров, субъектов, а именно студентов с ограниченными возможностями здоровья и преподавателей, имеющих возможность производить взаимодействия, и, собственно, процессов и последовательностей процессов выполнения функций определенными субъектами [9-14]. Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы иммерсивного виртуального симулятора Figure 3. Block diagram of the algorithm of the immersive virtual simulator В иммерсивном виртуальном симуляторе по ТОПК разработано два задания для выполнения студентом. Первое посвящено изучению комплектующих компьютера, где студенту с ограниченными возможностями здоровья необходимо разобрать ПК и положить комплектующие в соответствующий ящик с описанием комплектующего. Второе задание посвящено симуляции рабочего процесса. Обучающемуся необходимо выбрать заказ и собрать ПК из списка комплектующих, выдаваемых в соответствии с выбранным заданием. При выполнении каждого задания система анализирует выполняемые действия и фиксирует возникающие в процессе работы ошибки [15; 16]. Процессы выполнения заданий изображены на рис. 6-9. Важно понимать целесообразность разработки иммерсивного виртуального симулятора, а также адаптации системы взаимодействия с виртуальной средой, чтобы люди с ограниченными возможностями здоровья могли беспрепятственно работать с симулятором и находиться в реалистичной рабочей обстановке. Перемещение пользователя реализовано с использованием телепортации, что исключает возможность перемещения ногами, а интерфейс тщательно проработан и интуитивно понятен, чтобы студент легко справлялся с поставленными задачами и обучался принципам работы специалиста по техническому обслуживанию персональных компьютеров на основе визуализаций и советов системы [17]. Рис. 4. Контекстная диаграмма симулятора ВР по ТОПК Figure 4. Context diagram of the VR simulator for personal computer maintenance Рис. 5. Диаграмма прецедентов симулятора ВР по ТОПК Figure 5. The diagram of the use cases of the VR simulator for personal computer maintenance Рис. 6. Перемещение по сцене с помощью телепортации Figure 6. Moving around the stage using teleportation Рис. 7. Процесс разборки ПК с помощью отвертки Figure 7. The process of disassembling a PC with a screwdriver Рис. 8. Сцена второго задания с симуляцией реалистичной работы Figure 8. The scene of the second task with a simulation of realistic work Рис. 9. Запуск ПК по окончании выполнения работ Figure 9. Starting the PC at the end of the work Таким образом, разработанный виртуальный симулятор позволяет обучить прикладным знаниям специалиста по техническому обслуживанию персональных компьютеров благодаря иммерсивной технологии погружения, что позволяет вовлечь в комфортную рабочую среду и повысить интерес студента с ограниченными возможностями здоровья к обучению выбранной технической специальности. Заключение. Технология иммерсивного погружения человека в виртуальную среду набирает популярность, так как показывает отличные результаты после применения в различных сферах жизнедеятельности человека. В настоящее время виртуальная реальность предлагает решения для лиц с ограниченными возможностями здоровья, а именно развлекательные игры в комфортной и адаптированной виртуальной среде, симуляции с различными ситуациями и окружением для лечения фобий и реабилитации людей с инвалидностью, системы виртуализации сенсорной и мышечной активности для активизации нервной системы парализованных людей. Используя успех применения инновационного решения как способ визуализации в развлекательной и медицинской сферах, а также разработанный виртуальный симулятор для демонстрации возможностей применения виртуальной реальности в инклюзивном образовании, можно предположить, что применение технологии виртуальной реальности в обучении студентов с ограниченными возможностями здоровья весьма эффективно.

About the authors

Roman E. Aslanov

National Research University Higher School of Economics

Author for correspondence.
Email: aslanov.boxing@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7904-3801

undergraduate, Institute of Education

16 Potapovskii Pereulok, bldg 10, Moscow, 101000, Russia

Alexander A. Bolshakov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: aabolshakov57@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-7966-718X

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Higher School of Artificial Intelligence, Institute of Computer Science and Technology

29 Politekhnicheskaya St, bldg 4, St. Petersburg, 195251, Russia

Aleksandr V. Grinshkun

Institute of Correctional Pedagogy of the Russian Academy of Education

Email: grinshkun@ikp.email
ORCID iD: 0000-0003-3882-2010

Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Russian Academy of Education, Deputy Director for Development and Informatization Programs Institute

8 Pogodinskaya St, bldg 1, Moscow, 119121, Russia

References

Supplementary files