Информатизация профессионального образования через внедрение модели центра иммерсивных технологий

Полный текст

Постановка проблемы. В эпоху стремительного развития цифровых технологий система среднего профессионального образования (СПО) не может оставаться не затронутой. Происходят информатизация среднего профессионального образования, разработка и внедрение нового образовательного контента, а также модернизация способов его представления, в том числе с использованием инновационных устройств. Под информатизацией среднего профессионального образования будем понимать комплекс теоретических и практических, программных и аппаратных решений для обеспечения системы среднего профессионального образования, ориентированных на достижение педагогических целей обучения и воспитания [1]. Одними из таких программных и аппаратных решений являются иммерсивные технологии. Под иммерсивными технологиями будем понимать комплекс программных и аппаратных средств, создающих эффект погружения пользователя в искусственно созданную реальность, виртуальной среду [2; 3]. К иммерсивным технологиям будем относить дополненную, виртуальную и смешанную реальность. Согласно исследованиям [4-6], прикладное применение иммерсивных технологий в обучении студентов в системе среднего профессионального образования положительно сказывается на усвоении материала обучающимися и, как следствие, повышает качество образования. Однако набор, формируемых таким образом знаний, навыков и умений, ограничен аппаратными спецификациями устройств и содержанием сценариев прикладных программ. В этой связи важной задачей является не только разработка содержательной части сценария самого симулятора виртуальной реальности [7], но и создание комплекса сопутствующих методических, психолого-педагогических, технологических и организационных решений. Для этого проведем обзор экспериментальных исследований применения иммерсивных технологий для некоторых областей профессионального обучения. Экспериментальные исследования применения симуляторов виртуальной реальности в медицинском образовании [8; 9] показывают положительные эффекты, направленные на когнитивные навыки, связанные с запоминанием пространственной и визуальной информации, а также психомоторные навыки: двигательные, эмоциональные и познавательные. Отмечаются эффекты зрительного сканирования и навыков наблюдения, а также контроля эмоциональной реакции на сложные и стрессовые сценарии. Из недостатков стоит отметить проблемы, связанные с отвлечением обучающихся от учебных процессов из-за технической некомплектности, в остальных случаях применение симуляторов виртуальной реальности не отличается от традиционных цифровых методов обучения В исследовательском проекте EPICSAVE [10] доказана эффективность применения трехмерного приложения виртуальной реальности со сценариями чрезвычайных ситуаций. Тестируемая группа из 18 действующих врачей скорой помощи занимались лечением больного в виртуальной реальности, выполняли различное количество сценариев. По итогам все участники эксперимента отметили наличие ощущения присутствия и общий положительный эффект прошедшего обучения. К недостаткам отнесли неудобства в использовании оборудования, приводящие к ограничениям некоторых действий врача. Экспериментальные исследования применения смешанной реальности в профессиональном обучении в сфере промышленности [11] отмечают положительные эффекты в подготовке персонала производства. В то время как реальное обучение может оказаться слишком ресурсозатратным, сложным и сопровождаться риском для жизни и здоровья участников образовательного процесса, иммерсивные технологии позволяют решить эти дефициты, повысить вовлеченность обучающихся и производительность. Экспериментальные исследования, направленные на сравнение традиционных средств обучения и технологии виртуальной реальности в школьном и среднем профессионалом образовании, показали неоднозначные результаты. На примере результатов Дж. Паронга и Р.Э. Майера из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре [12] продемонстрировано, что группа учащихся, изучающая предложенный материал, представленный в виде структурированного слайд-шоу, показала лучшие результаты, чем группа, проходившая обучение в среде виртуальной реальности. Но при этом показатели вовлеченности, интереса и мотивации оказались выше у второй группы. Еще один опыт использования иммерсивных технологий в профессиональном обучении, заслуживающий внимания, - сторителлинг. Рассказывание историй от имени аватаров, размещенных внутри сценария образовательного приложения виртуальной реальности, позволяет поддерживать высокий уровень вовлеченности, не теряя фокусировки на профессиональном обучении. В качестве примера рассмотрим результаты исследовательского проекта [13], в котором приняло участие 30 испытуемых. Обучение проводилось с использованием различных методов: сторителлинг в виртуальной реальности, традиционные занятия на основе 2D-видео, изучение тестового материала. Согласно результатам, сторителлинг в виртуальной реальности и занятия на основе 2D-видео показали одинаковую эффективность усвоения учебного материала, но в первом случае занятия были более привлекательны для учащихся. Метод изучения тестового материала продемонстрировал низкие результаты. Помимо обучения наблюдается активное применение иммерсивных технологий в сфере профессиональной ориентации школьников, в том числе при проведении мероприятий перед поступлением в профессиональные образовательные организации, а также при выборе карьеры. Приложения виртуальной реальности позволяют расширить перечень профессий и направлений деятельности, с которыми школьник может ознакомиться в комфортных условиях, после чего сделать более осознанный выбор [14]. Особым направлением исследований является изучение специфики и подходов к применению симуляторов виртуальной реальности в обучении и адаптации людей с ограниченными возможностями здоровья. Программная часть в виде продуманных сценариев и адаптивная аппаратная часть в виде комфортных периферийных устройств позволяют вывести обучение людей с инклюзией на новый уровень, существенно расширив их возможности доступа к комфортному адаптивному обучению. Выявленный в ходе анализа зарубежного и отечественного опыта широкий спектр применения иммерсивных технологий в образовательной и просветительской деятельности обуславливает цель исследования - разработку модели центра иммерсивных технологий (ЦИТ), которая позволит решить управленческие, методические, педагогические и технические задачи внедрения иммерсивных технологий в образовательные и профориентационные процессы заинтересованных организаций. Актуальность данной разработки подтверждается при изучении проектов развития Российской Федерации в области иммерсивных технологий, стратегических приоритетов в сфере реализации Государственной программы РФ «Развитие образования»[31] и дорожной карты развития «сквозной» цифровой технологии «Технологии виртуальной и дополненной реальности»[32]. Методология. Модель центра иммерсивных технологий (рис. 1) включает в себя механизмы для профессиональной ориентации школьников и их родителей, практической подготовки студентов СПО, реализации коротких программ повышения квалификаций и оценки квалификации внешних слушателей с применением иммерсивных технологий. Под центром иммерсивных технологий будем понимать пространство (класс, мастерская, лаборатория или другое помещение), оснащенное иммерсивным оборудованием (дополненной (AR), виртуальной (VR) и смешанной реальности (XR)), программным обеспечением (разработанные симуляторы) и имеющее комплексный пакет методических рекомендаций. Изображение выглядит как текст Автоматически созданное описание Рис. 1. Модель центра иммерсивных технологий Изображение выглядит как текст Автоматически созданное описание Figure 1. Model of the center of immersive technologies В качестве площадки могут выступать образовательные учреждения, досуговые центры, центры опережающей профессиональной подготовки, кванториумы, технопарки, IT-кубы и другие заинтересованные организации. Практическая значимость внедрения разработанной модели ЦИТ обусловлена возрастающими темпами развития материально-технической базы перечисленных выше организаций в части иммерсивного оборудования (VR/AR) и недостаточной согласованностью форм и методов его использования. Подобная несогласованность отмечается в том числе в рамках работы мастерских для подготовки и проведения демонстрационного экзамена студентов СПО, подготовки к конкурсам профессионального мастерства по компетенции «Разработка виртуальной и дополненной реальности» движения WorldSkills Russia[33]. В ходе опроса экспертов движения WorldSkills Russia по компетенции «Разработка виртуальной и дополненной реальности» выявлено, что в период с 2017 по 2022 год более 1/3 регионов-участников преимущественно применяли иммерсивное оборудование для обучения школьников и студентов основам программирования и разработки приложений в области виртуальной и дополненной реальности. При этом вне проведения учебных занятий иммерсивное оборудование практически не используется, что объясняется дефицитом специалистов и отсутствием специализированного пользовательского программного обеспечения. Таким образом, результаты опроса подтверждают востребованность внедрения модели центра иммерсивных технологий в организации, имеющие иммерсивное оборудование. Основные функции модели ЦИТ распределены по трем составляющим: - подготовка студентов среднего профессионального образования по рабочим профессиям; - реализация коротких программ повышения и оценки квалификаций; - профессиональная ориентация школьников. Ключевыми пользователями модели ЦИТ являются студенты СПО, школьники и их родители, управленческая команда (администрация) образовательной организации, преподаватели образовательной организации, иные заинтересованные лица. В модель ЦИТ входят следующие виды инженерных программных продуктов, некоторые из которых учитывают инклюзию: - иммерсивная сетевая лаборатория коллаборативного обучения с возможностями импорта 3D-моделей и модулем рисования «Кидслабвр» (KidsLabVR); - симулятор работы на инжекционно-литьевой машине (рис. 2); - лаборатория универсальной токарной и фрезерной обработки в среде виртуальной реальности (рис. 3); - система интеграции интернета вещей (IoT) в пространство информационной модели (BIM) на базе технологии виртуальной реальности (рис. 4); - симулятор обучения водителя карьерного самосвала в среде виртуальной реальности; - симулятор обучения навыкам технического обслуживания персонального компьютера в среде виртуальной реальности. Алгоритм внедрения модели ЦИТ работает по следующему принципу. Шаг 1. Заинтересованная организация получает в свое распоряжение методические пакеты по работе с VR/AR оборудованием, программным обеспечением, управленческий пакет, образовательную профориентационную программу и симуляторы виртуальной реальности, разработанные российской компанией-разработчиком. Шаг 2. Исходя из своих целей и задач, заинтересованная организация разрабатывает программу мероприятий с применением иммерсивных технологий. Технические и организационные вопросы решаются при содействии куратора проекта, назначенного от компании-разработчика. В числе существующих рисков, при котором модель ЦИТ не будет функционировать, можно выделить отсутствие реальной заинтересованности со стороны пользователей и административного персонала. Данные риски целесообразно предотвращать на этапе планирования внедрения модели ЦИТ. Рис. 2. Симулятор работы на инжекционно-литьевой машине Figure 2. Simulator of work on the injection molding machine Рис. 3. Лаборатория универсальной токарной и фрезерной обработки в среде виртуальной реальности (VR) Figure 3. Simulator of training and assessment of qualifications on an injection molding machine in a virtual reality environment (VR) Рис. 4. Система интеграции Интернета вещей (IoT) в пространство информационной модели (BIM) на базе технологии виртуальной реальности (VR) Figure 4. System for integrating the Internet of things (IoT) into the information model (BIM) space based on virtual reality (VR) technology Некоторыми из результатов продуктивного внедрения модели будут являться: - положительные эффекты использования иммерсивных симуляторов при управлении иммерсивными ресурсами образовательной организации; - экономическая эффективность; - доступность и безопасность при дополнении к работе на реальном оборудовании; - осведомленность и понимание профессий обучающимися и их родителями; - повышение квалификации преподавателей в области виртуальной и дополненной реальности; - повышение эффективности практической подготовки студентов СПО и слушателей на коротких программах; - увеличение часов практической подготовки; - другие эффекты, которые положительно влияют на цели образовательной организации, применяющей модель. Наиболее трудоемким процессом является пополнение модели ЦИТ программным обеспечением [15-17]. Разработка симуляторов виртуальной реальности требует от разработчиков существенного количества ресурсов [18-20]. На данный момент в описываемой модели ЦИТ в библиотеке приложений представлены программные продукты, разработанные российской компанией ООО «АЙТИПРО»[34], однако их количество ограничено. Следующим этапом развития модели ЦИТ является расширение библиотеки аналогично опыту реализации проекта «Московская электронная школа»[35], разработку образовательных ресурсов для которого осуществляли практикующие учителя московский школ. Таким образом планируется, что в библиотеку ЦИТ после прохождения модерации будут загружены приложения, разработанные российскими разработчиками из любой организации. Вопросы нормативного регулирования данного процесса, в том числе в части авторского права, находятся на этапе проработки. Результаты и обсуждение. В настоящее время апробация модели ЦИТ проводится одновременно в нескольких организациях, каждая из которых выделяет свои функциональные и содержательные особенности предлагаемого подхода. Так в ГБПОУ МГОК иммерсивные симуляторы применяются в обучении студентов по профессиональным программам и учебной практике программного модуля «ПМ.03. Разработка технологических процессов для сборки узлов и изделий в механосборочном производстве», а также при проведении чемпионатов профессионального мастерства по компетенциям «Фармацевтика», «Геномная инженерия», «Промышленные биотехнологии», «Полимеханика» и в профориентационной деятельности проектов системы московского образования[36]. Отмечается, что использование геймификации в обучении [21] положительно сказывается на повышении качества образования, следовательно, на улучшении результатов учащихся и развитии у них «жестких» и «мягких» навыков, в том числе в области использования современных цифровых технологий [22]. В ГБПОУ Колледж «Царицыно» активно применяется симулятор обучения навыкам технического обслуживания персонального компьютера в среде виртуальной реальности. А ГБПОУ «26 КАДР» реализует систему интеграции интернета вещей в пространство информационной модели на базе технологии виртуальной реальности. В апробации функциональности модели ЦИТ на площадках школ Калуги и Калужской области, реализующих проект «Точка роста», приняло участие 234 школьника (в возрасте от 14 до 16 лет). Им предлагалось в рамках обучения по предмету «Технология» взаимодействовать с симулятором «Лаборатория универсальной токарной и фрезерной обработки в среде виртуальной реальности (VR)», предназначенным для формирования навыка работы на универсальных токарных и фрезерных станках. Описание проведения эксперимента. Каждое занятие выстраивалось на основе методики обучения технологии. Тема учебного модуля: работа на универсальных токарных и фрезерных станках. Стандартная продолжительность одного занятия (парного): два урока, по 45 минут каждый. Продолжительность модуля - 8 часов. Для обеспечения полноценной работы каждого учащегося и возможности учета его индивидуальных особенностей количество учащихся в учебной группе не превышало 10 человек. Занятия проводились в кабинете «Точка роста», оборудованном интерактивной панелью с доступом к сети Интернет, а также оборудованием виртуальной реальности (комплект виртуальной реальности HTC VIVE, подключенный к компьютеру). Разработанное занятие встраивается в общую методическую систему и предполагает изучение тем «Техника безопасности при работе на станках» и «Работа на универсальных токарных и фрезерных станках». В первом случае занятие носит теоретический и пропедевтический характер. Во втором случае предполагается применение оборудования. Абсолютное большинство участников занятий ранее не имело опыта работы с оборудованием виртуальной реальности (HTC VIVE). Исходя из этого, в начале первого урока для учащихся был проведен инструктаж по работе с органами управления и продемонстрирован обучающий комплекс, встроенный в программное обеспечение VR-шлема. При систематическом использовании оборудования время на инструктаж сокращается. Работа с учащимися выстраивалась по следующей схеме. Ученик проходит вводный курс управления VR и далее в виртуальном пространстве, при помощи педагога, выполняет алгоритм работы на тренировочных виртуальных станках. В ходе такого занятия учащийся осваивает технику безопасности, изучает основные элементы станка и последовательность работы на нем, вытачивает пробную заготовку (без заданных размеров). В ходе одного парного занятия группа из 9-10 человек полностью проходит этап обучения управлением VR и этап работы на одном станке. Второе парное занятие предполагает активную работу учащихся с фрезерным станком. Учащиеся также выполняют пробную обработку детали, без заданных размеров. Третье и четвертое парные занятия являются контрольными. В ходе данных занятий учащимся предлагается выполнить обработку заготовок, по заданным индивидуальным размерам на двух станках без сопровождения учителя. Во время проведения каждого занятия все действия учащегося выводятся на интерактивную панель. Это позволяет не только осуществлять контроль со стороны учителя, но и способствует освоению материала другими учащимися группы. Следовательно, время прохождения курса по технике безопасности и отработки алгоритма работы на станке сокращается от первого учащегося к последнему. Организация пропедевтического этапа работы в среде VR (при наличии в школах мастерских со станками). В данном случае основная цель заключается в освоении учащимися техники безопасности работы на станках, изучении основных элементов управления станком. В случае успешного прохождения контроля на последующих занятиях приступают к работе на реальных станках в мастерских. Для организации экспериментальной работы на данном этапе были выделены контрольная и экспериментальная группы (по 10 человек каждая). Учащиеся контрольной группы занимались без VR-среды. Их обучение строилось по стандартной методике: изучение техники безопасности и алгоритмов работы при доступе к реальным станкам. Экспериментальная группа получала пропедевтический этап в среде VR. При этом количество часов на освоение темы было незначительно увеличено. Проведенные контрольные срезы по теоретическим разделам (техника безопасности, устройство станка, алгоритмы работы на станке) выявили явное преимущество экспериментальной группы. Полученные отметки были в целом выше, нежели у учащихся контрольной группы, что объясняется наличием виртуальной практики. Контрольные практические занятия, в ходе которых проходило вытачивание заготовки на станках, напротив, обнаружили некоторое преимущество контрольной группы. Учащиеся контрольной группы изучали органы управления станка на реальных устройствах, что в итоге обусловило бо́льшую точность движений и качество выработанных навыков. Однако накануне практического контрольного занятия на реальных станках для контрольной и экспериментальной групп проводилась оценка уровня тревожности. Учащиеся экспериментальной группы в целом показали более низкий уровень тревожности. Полученные данные свидетельствуют о том, что занятия в среде VR позволяют учащимся более уверенно чувствовать себя накануне контрольного занятия, так как они больше времени проводили в работе со станками в виртуальной среде, имели возможность рассмотреть на виртуальной практике различные ситуации и пути их преодоления. Таким образом, они имеют более высокий уровень готовности к практике. На основании вышеизложенного можно заключить, что VR-симуляторы представляются необходимыми для организации обучения учащихся при отсутствии мастерских и являются важным дидактическим пропедевтическим средством при их наличии. Заключение. На сегодняшний день модель ЦИТ активно используется в ряде образовательных учреждений Москвы и регионов России. Уже сейчас можно отметить разнообразные положительные результаты для целевой аудитории, примеры которых описаны выше. Заметим, что модель ЦИТ носит управленческий характер и при соответствующем внедрении может приносить положительные результаты для различных аспектов деятельности образовательной организации. Таким образом, заинтересованный руководитель, преподаватель или другое лицо, принимающее решение, сможет проводить информатизацию свой профессиональной деятельности, в том числе посредством внедрения иммерсивных технологий в образовательный процесс. Дальнейшие исследования будут посвящены расширению модели ЦИТ в части дополнения разработками по методике и критериям эффективного применения иммерсивных технологий в обучении и оценки квалификаций студентов среднего профессионального образования, а также профориентационной деятельности.

Об авторах

Роман Эдвинович Асланов

Московский городской педагогический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: aslanov.boxing@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7904-3801

ассистент, департамент информатизации образования, Институт цифрового образования

Российская Федерация, 129226, Москва, 2-й Сельскохозяйственный пр-д, д. 4

Любовь Андреевна Шунина

Московский городской педагогический университет

Email: shunina.mgpu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6952-000X

кандидат педагогических наук, доцент департамента информатизации образования, Институт цифрового образования

Российская Федерация, 129226, Москва, 2-й Сельскохозяйственный пр-д, д. 4

Александр Вадимович Гриншкун

Московский городской педагогический университет

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

кандидат педагогических наук, доцент департамента информатизации образования, Институт цифрового образования

Российская Федерация, 129226, Москва, 2-й Сельскохозяйственный пр-д, д. 4

Александр Афанасьевич Большаков

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

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

доктор технических наук, профессор Высшей школы искусственного интеллекта, Институт компьютерных наук и технологий

Российская Федерация, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, корп. 4

Список литературы