Using mobile 3D models for demonstration unaccessible laboratory experiments and objects during study chemistry and biology in basic school

Full Text

Постановка проблемы. Технологическое развитие дополненной реальности становится более впечатляющим с каждым годом. Технология дополненной реальности используется в разных сферах, включая образование. Но несмотря на все преимущества и возможности использования дополненной реальности в современном мире, в сфере образования она все еще находится в зачаточном состоянии. При грамотном подходе к внедрению дополненной реальности в образование можно облегчить методику преподавания и обучения, а также открыть новые интерфейсы обучения [1; 2]. Дополненная реальность - это реальность, где физический мир дополняется цифровыми объектами, в том числе 3D-моделями, которые воспринимаются как элементы реального физического мира. При использовании дополненной реальности цифровые объекты размещаются в окружающем пространстве в реальном времени с помощью специальных программ и устройств, таких как, компьютер, очки дополненной реальности, планшеты, смартфоны. Приложения дополненной реальности для отображения цифровых 3D-моделей используют специальный маркер, после распознавания которого на экране устройства объект отображается в виде цифровой 3D-модели [3]. Технология дополненной реальности позволяет в любой момент времени представить объект, процесс или явление в виде мобильные 3D-модели, отображаемые на экране устройства. Помимо реалистичной визуализации, мобильные 3D-модели позволяют выполнить с изучаемым объектом ряд манипуляций, посмотреть на него в разрезе или «изнутри». Основной способностью технологии дополненной реальности становится расширение возможностей пользователей в области взаимодействия с окружающим миром, что позволяет сделать данное взаимодействие более качественным и, как следствие, более эффективным [4]. Для работы с дополненной реальностью необходимо наличие карт дополненной реальности, камеры устройства и установленного программного обеспечения, обрабатывающего сигнал с камеры и совмещающее цифровые 3D-модели с реальными объектами окружающего мира. Схема работы дополненной реальности заключается в следующем: при помощи камеры устройства сканируется маркер (рис. 1) на карте дополненной реальности. Специальная программа определяет маркер и выводит на экран трехмерный объект дополненной реальности. После «захвата» маркера камера следит за всеми его перемещениями и поворотами, благодаря этому объект движется синхронно на экране. В научных исследованиях Т. Нослони, Р. Азумы, С. Джохима, А.В. Гриншкуна [5; 6], Х. Кауфманна, В.Р. Роганова, А.С. Конушина, Л.Л. Лопез, Н.А. Носов [7] обоснован тот факт, что глубоким педагогическим потенциалом для демонстрации связи между смысловыми единицами и изображениями обладает технология дополненной реальности. Рис. 1. Алгоритм работы дополненной реальности Figure 1. Augmented reality algorithm Результаты российских школьников по естествознанию в международной программе PISA в 2000 г. по оценке образовательных достижений обучающихся были достаточно низкими. Показатели результатов отличались от среднего показателя на 40 баллов (рис. 2). Похожий результат естественно-научной грамотности показали Португалия, Греция и Латвия, а лучший результат получила Корея. В 2003 г. баллы Кореи упали и первое место заняла Финляндия. И результаты остальных стран-участников резко выросли. Например, у России результат увеличился на 29 баллов. В следующих исследованиях баллы российских школьников постепенно повышались. Первые места вплоть до 2012 г. занимала Финляндия, а в 2015 г. - Сингапур и Гонконг [8]. С 2017 г. обучение в российских школах осуществляется по профилям, которые представляют собой различные комбинации из вариантов, предложенных во ФГОС (рис. 3). OECD averagePortugalLatviaKoreaGreeceRussia Рис. 2. Результаты PISA, баллы Figure 2. PISA results, points Socio-economic Socio-humanitarian Physio-mathematical Chemico-biological Technological Philological Phisico-chemical Defense and sports Artistically aesthetic Biologico-geographical Other Рис. 3. Распределение по профилям в 10-11 классах Figure 3. Distribution by profiles in grades 10-11 Самым популярным является социально-экономический (9,5 %), социально-гуманитарный (8,6 %) и физико-математический (8,1 %) профили. Самые невостребованные - биолого-географический, химико-биологический и художественно-эстетически. Видно, что полученные данные коррелируют с низкими показателями российских обучающихся по естественным наукам в рамках международных исследований PISA [9]. Можно предположить, что информационные технологии, позволяющие повысить визуализацию изучаемых объектов, процессов и явлений в образовании, обладают существенным педагогическим потенциалом в повышении эффективности обучения естественным наукам, в частности биологии и химии. Одним из самых больших преимуществ использования технологии дополненной реальности в изучении естественных наук является ее способность визуализировать абстрактные концепции, воспроизводить дорогие, опасные или длительные опыты, а также демонстрировать редкие объекты [10]. Эти способности дополненной реальности отлично подходят для преподавания химии и биологии в основной школе, так как могут визуализировать недоступные объекты, процессы и явления на уроках без использования больших временных, материальных и технических ресурсов. Можно предположить, что за счет использования дополненной реальности с применением 3D-моделей, также может увеличиться мотивация учащихся к изучению естественных наук. На данный момент не накоплен достаточный опыт применения этой технологии при изучении естественно-научных дисциплин, в частности химии и биологии [11]. Таким образом, возникает необходимость в проведении соответствующего научного педагогического исследования для определения эффекта от внедрения технологии дополненной реальности в изучение естественно-научных дисциплин [12]. Можно констатировать наличие проблемы поиска и обоснованности эффективности методов обучения школьников естественно-научным дисциплинам, основанных на применении технологии дополненной реальности. Методология. В статье описывается основная идея педагогического исследования авторов - применение мобильных 3D-моделей для демонстрации недоступных лабораторных опытов и объектов при изучении химии и биологии в основной школе. К недоступным лабораторным работам относятся дорогие, опасные или длительные эксперименты. Для проведения исследования авторами был разработан образовательный проект AR-studium. Проект состоит из карт дополненной реальности и мобильного приложения. AR-studium включает в себя три модуля: «Химические процессы», «Биологические клетки», «Красная книга». Можно предположить, что использование приложения дополненной реальности AR-studium на уроках химии и биологии позволит в более эффективной и интересной для школьников интерактивной форме изучать объекты, процессы или явления. Проводились опросы среди обучающихся и учителей школ на предмет использования технологии дополненной реальности. Результаты и обсуждение. Актуальность данного проекта обуславливается несколькими причинами: 1. Эмоциональная связь. Дополненная реальность, используя нестандартный способ представления информации, позволяет привлекать внимание школьников, а также усиливать запоминание. Это является актуальным потому, что большая часть современного поколения школьников является дискретами, то есть имеют тип восприятия информации по средствам взаимодействия с различными техническими устройствами и решениями. 2. Мобильность. Использовать приложение можно не только в стенах оборудованного специализированного кабинета, но и в неприспособленных для проведения опытов и демонстрации объектов пространствах школы, так и за ее пределами. 3. Доступность. Любой пользователь, имеющий устройство с камерой, может использовать эти технологии. Подключение к Интернету не требуется. Приложение бесплатно и не требует высоких технических характеристик. Карты дополненной реальности, содержащие маркеры, можно распечатать самостоятельно на обычной бумаге, а мобильное приложение установится на любой планшет и смартфон с операционной системой Android. 4. Интерактивность. Благодаря этому свойству взаимодействие пользователя с объектом позволяет создавать большое количество различных способов обучения, так как с объектами можно проводить ряд манипуляций. 5. Цифровизация. Внедрение данной технологии способствует цифровизации образовательного процесса, что является необходимым условием реализации национального проекта «Образование». 6. Реалистичность. Появляющиеся на экране устройства 3D-модели могут в точности описывать изучаемый объект, процесс или явление. 7. Инновационность. Дополненная реальность воспринимается как нечто новое, выдающееся и современное, что переносит пользователя в будущее. Для разработки мобильного приложения использовалось программное обеспечение Unity и Vuforia. Часть используемых 3D-моделей была разработана, а часть отобрана и отредактирована из банка бесплатных готовых 3D-моделей. Модуль «Химические процессы» включает в себя набор маркеров с химическими элементами. С помощью маркеров необходимо собрать уравнение химической реакции. Если маркеры собраны в правильном порядке, то обучающийся получает на экране 3D-модель результат химической реакции (рис. 4). Наиболее эффективным на уроке будет сочетание проведения реального химического эксперимента и использованием технологии дополненной реальности с целью отработки уравнений химических реакций [13]. Самое важное, что с помощью маркеров можно воспроизводить результат недоступных к проведению в школе лабораторных работ. Модуль «Биологические клетки» включает в себя набор маркеров с различными животными и растительными клетками. Здесь необходимо навести камеру устройства на карту дополненной реальности и на экране появится 3D-модель клетки. Это позволит более подробно изучить строение клетки и помочь выполнить задание в учебнике, в рабочих листах или тетради (рис. 5). Модуль «Красная книга» состоит из маркеров с изображением животных, растений и грибов из Красной книги. На оборотной стороне маркера (рис. 6) находится подробное описание объекта. Здесь также необходимо навести камеру устройства на карту дополненной реальности и на экране появится 3D-модель объекта. Данный модуль позволит привлечь внимание подрастающего поколения на проблему исчезновения видов. Также данный модуль носит и воспитательный характер. Известно, что Красная книга впервые была выпущена в августе 1978 г. в СССР, и это событие было приурочено к открытию в Ашхабаде XIV Генеральной ассамблеи Международного союза охраны природы. Изображение выглядит как текст Автоматически созданное описание Изображение выглядит как текст Автоматически созданное описание Рис. 4. Модуль «Химические процессы» Figure 4. Module “Chemical processes” Рис. 5. Модуль «Биологические клетки» Figure 5. Module “Biological cells” Рис. 6. Модуль «Красная книга» Figure 6. Module “Red Book” Впервые мобильное приложение AR-studium в тестовом режиме было использовано на уроке химии 9 класса и на уроке биологии 8 класса в ГБОУ СОШ «ОЦ „Южный город“» пос. Придорожный. В начале уроков был проведен опрос среди обучающихся и учителей на предмет использования технологии дополненной реальности. В опросе участвовало 45 респондентов, из них 43 школьника и 2 педагога. Рис. 7. Результаты анкетирования учащихся ГБОУ СОШ «ОЦ „Южный город“» пос. Придорожный, Самарская область Yes No Yes No Figure 7. The results of the survey of students of the secondary school “Sothern City,” Samara region В результате опроса стало известно, что большая часть респондентов знает о существовании технологии дополненной реальности, но лишь малая часть использует приложения дополненной реальности. Приложения дополненной реальности, которые используются респондентами, больше носит развлекательный характер, лишь 25,6 % ответивших используют дополненную реальность для обучения. 86 % респондентов положительно ответили на вопрос о включении технологии дополненной реальности в школьные предметы естественнонаучного цикла (рис. 7). Также обучающиеся высказали мнение, что «дополнительная реальность дает шанс посмотреть на различные объекты, процессы или явления, которые мы не можем увидеть из-за различных факторов» и «мы можем рассмотреть все в деталях и взаимодействовать с объектами в реальном времени, из-за чего предметы становятся интересней и не нужно будет задавать дополнительные вопросы учителям». Учителя, в свою очередь, испытывают затруднения при необходимости применения в своей профессиональной деятельности AR/VR-технологий, а также плохо представляют, как можно использовать возможности этих технологий в образовательной практике для организации основных видов деятельности обучающихся [14]. Во время использования приложения AR-studium на уроках по результатам педагогического наблюдения отмечено, что интерес к изучению темы повысился. Дети были активны и замотивированы в достижении результата урока. Также можно отметить, что на уроке были дети и учителя, которые не знали про технологию дополненной реальности и никогда ее не использовали. На уроке с приложением AR-studium они смогли впервые применить технологию дополненной реальности, причем в образовательном контексте. Положительные результаты от использования технологии дополненной реальности дают возможность для проведения дальнейшего педагогического исследования и научных изысканий в области применения мобильных 3D-моделей для демонстрации недоступных лабораторных опытов и объектов на уроках химии и биологии. При успешном проведении исследования авторами будет разработан сайт, где в общем доступе будет размещена информация о проекте, загружены для скачивания карты дополненной реальности и дана ссылка на установку мобильного приложения AR-studium. Приложение AR-studium будет доработано новыми разделами и картами дополненной реальности. Заключение. Опыт организации уроков с демонстрацией недоступных лабораторных опытов и объектов при изучении химии и биологии в основной школе позволяет сделать вывод о наличии существенных отличий образовательного процесса, реализуемого с применением мобильных 3D-моделей и технологии дополненной реальности. В связи с вышесказанным можно предположить, что применение дополненной реальности также может способствовать повышению информационной культуры школьников, учителей и даже родителей. Технология дополненной реальности позволит расширить границы информатизации школьного образования. Воздействие дополненной реальности может принести потенциальную пользу в обучении и повысить уровень усвоения информации, синтезируя различные формы ее представления [15]. Огромным плюсом использования технологии дополненной реальности является ее наглядность, информационная полнота, интерактивность и погружение в предмет изучения, что создает синергетический эффект в образовании. Удобство использования мобильных 3D-моделей упрощает процесс объяснения нового материала. При этом, осваивая технологию дополненной реальности, повышается уровень информационной грамотности учителя и учеников, а также уровень мотивации к изучению предмета. Активное развитие информационных технологий влечет за собой появление новых форм обучения с использованием других интерфейсов взаимодействия обучающегося с информацией. Новые интерфейсы должны быть основаны на не обычном графическом меню и панелях инструментов, а на естественных, присущих человеку методах взаимодействия, например жесты или человеческая речь [4]. Использование возможностей современных информационных технологий поднимают образование на совершенно другой качественный уровень.

About the authors

Ekaterina A. Balkina

Сenter of technical creativity for children “NOVApark,”

Author for correspondence.
Email: katerinabalkina@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7033-9152

Director of the Structural Division Center

20 Suvorova St, Novokuibyshevsk, 446200, Russian Federation

References

Supplementary files