Ilmiy maqolalar

Taqdimotlarni masofadan boshqarishda zamonaviy mobil texnologiyalardan foydalanish tajribasidan




Maqolada o‘qituvchilar tomonidan smartfon va planshet uchun mo‘ljallangan WIN-Remote programmasidan foydalanib ma’ruza mashg‘ulotlari, ochiq darslar va o‘quv konferensiyalari, shuningdek, talabalar tomonidan kurs ishlari va bitiruv malakaviy ishlarini himoya qilishda foydalanish ko‘rsatib berilgan.


Maqola matni rus tilida keltirilgan

ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ ДОПОЛНЕННОЙ И ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ПРЕПОДАВАНИЯ

 

Ташкентский государственный педагогический университет им. Низами, кафедра «Методика преподавания информатики», Выборнов Сергей Ахтямович, старший преподаватель.

Keywords: technical teaching aids, virtual reality, VR, augmented reality, MotionParallax, CAVE, exoskeleton, excessive focus, three-dimensional image, multimedia.

Abstract

This article describes modern technical means of teaching - the means of virtual and augmented reality, the possibility of their use in the process of teaching different disciplines, as well as the advantages of these tools in comparison with typical means of teaching.

 

Традиционные технические средства обучения в высшей школе

К техническим средствам обучения (ТСО) принято относить устройства и оборудование, используемые преподавателем для реализации целей обучения. В качестве учебного оборудования ТСО выполняют функции:

        обеспечения студентов учебной информацией;

        управления процессами понимания, запоминания знаний и их практического применения;

        контроля результатов обучения.

Номенклатура ТСО, используемых в высших учебных заведениях республики Узбекистан, довольно обширна. Диа- и кинопроекторы, видеомагнитофоны и телекомплексы, используемые в прошлом, в настоящее время заменены на проекторы, электронные доски, персональные компьютеры и компьютерные системы/классы, адаптированные для обучения техническим дисциплинам, способствуют углубленному изучению студентами учебного материала.

Внедрение в практику преподавания персональных компьютеров (ПК) внесло кардинальные изменения в учебном процессе. Современные ПК, способные сочетать текстовую информацию с анимационной графикой и звуковым сопровождением, уже не используются в качестве электронного репетитора или непреклонного экзаменатора. Они программируются для обнаружения и анализа ошибок в расчетах и проектировании и могут самостоятельно предлагать определенные тренировочные упражнения, выступая своеобразным тренажером для отработки практических навыков вплоть до профессионального уровня (например, при изучении компьютеров, вопросов их обслуживания и ремонта).

Эффективность применения ТСО в учебном процессе.

Для повышения качества специального образования и расширения информативных рамок процесса изучения технических дисциплин ведущими высшими учебными заведениями республики Уз используются различные формы лабораторного практикума, направленные на закрепление студентами полученных теоретических знаний. Лабораторный эксперимент принципиально отличается от других методов получения знаний благодаря прикладному характеру процесса получения экспериментальных данных. Процедуры снятия характеристик механизмов и приборов, обработка показаний и анализ результатов с целью подтверждения или опровержения целевых функций проводимого эксперимента дают возможность любому студенту «прикоснуться» в реалии к сложной технике и получить первые сведения о ее эксплуатации и практическом применении.

Современный лабораторный практикум по информационным технологиям построен на диалоге человек-компьютер посредством текстово-графической информации. Отработанные методики компьютерной обработки цифровых данных и возможность построения наглядных графических образов в виде графиков, таблиц, чертежей и анимации активно формируют профессиональные навыки будущего инженера или ученого, уже со студенческой скамьи, стимулируя познавательную деятельность в сочетании с творческим подходом к полученным знаниям.

Особенности технологии виртуальной реальности для лабораторного практикума.

Несмотря на наглядность графиков, схем, рисунков и видеоинформации, используемых в качестве дидактического материала при изучении технических дисциплин, их доходчивость и восприятие студентами ограничены двухмерными рамками отображения действительности. Являясь по своей сути визуальными проекциями реалии на горизонтальную или вертикальную плоскость, плоские изображения на плакатах или мониторе ПК не способны в полной мере передать пространственные очертания рассматриваемого объекта и картину объемного расположения его структурных элементов.

Революционным прорывом в практике преподавания технических дисциплин можно считать дополнение традиционных форм лабораторного практикума технологиями виртуальной реальности, использующих компьютерное имитационное моделирование практического занятия или лабораторного эксперимента с погружением пользователя в трехмерную (3D) интерактивную среду изучаемого процесса. Неоспоримым преимуществом технологии виртуальной реальности перед устаревшим текстово-графическим информационным взаимодействием человека и компьютера является иллюзия непосредственного присутствия в реальном времени в стереоскопически представленном «виртуальном мире». Студент получает возможность стать активным участником действий в абстрактном пространстве, в котором можно создавать виртуальные объекты и задавать желаемые виртуальные условия для информационного взаимодействия с этими объектами. Новый способ человеко-компьютерного взаимодействия реализуется посредством реальных ощущений (зрение, слух, осязание), среди которых особая роль отводится тактильным ощущениям. Системы виртуальной реальности дают возможность манипулировать с трехмерными объектами на экране благодаря их отклику на движения руки пользователя, что позволит студентам отрабатывать практические навыки по обслуживанию, наладке, профилактике и ремонту компьютерных устройств и систем без привлечения реальных дорогостоящих приборов и механизмов.

Современная аппаратура виртуальной реальности, рекомендуемая для использования в учебных заведениях, более полно по сравнению с обычными компьютерными системами способна имитировать взаимодействие человека с виртуальной средой, воздействуя на все имеющиеся органы чувств. Тем самым имитируется как воздействие на виртуальную среду, так и реакция среды на воздействие. Объекты виртуальной реальности ведут себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности. Студенты могут воздействовать на эти объекты в полном согласии с реальными законами физики (текучесть жидкостей, гравитация, столкновение частиц и т.п.). Однако, в отличие от применения виртуальной реальности для развлекательных целей, когда пользователю «дозволено» изменять эти законы более, чем это возможно в реальной жизни (например, поднимать огромные тяжести, летать, создавать из ничего каких-либо предметов и т.п.), новые поколения человеко-компьютерных интерфейсов используются для создания тренажеров, интерактивных обучающих виртуальных сред, виртуальных прототипов для отработки вариантов решений различных технических задач. Виртуальная реальность может с успехом применяться для проведения лабораторного практикума по изучению приборов, механизмов, сложной техники, когда работы с реальными устройствами связаны с высоким риском для личной безопасности (получение электротравмы током высокого напряжения, высокие весовые нагрузки и т.п.) или недоступны из-за больших затрат на приобретение этих устройств. Технология виртуальной реальности позволяет разбивать монолитное в реальности техническое устройство на структурные составляющие, чтобы отдельно продемонстрировать студентам работу каждого модуля или отдельной детали, и акцентировать внимание на особенностях конструкции выделенных элементов.

В настоящее время существует несколько основных типов систем, обеспечивающих формирование и вывод изображения в системах виртуальной реальности:

Шлем виртуальной реальности

Современные шлемы виртуальной реальности (HMD-display) представляют собой скорее очки, нежели шлем, и содержат один или несколько дисплеев, на которые выводятся изображения для левого и правого глаза, систему линз для корректировки геометрии изображения, а также систему трекинга, отслеживающую ориентацию устройства в пространстве. Как правило, системы трекинга для шлемов виртуальной реальности разрабатываются на основе гироскопов, акселерометров и магнитометров. Для систем этого типа важен широкий угол обзора, точность работы системы трекинга при отслеживании наклонов и поворотов головы пользователя, а также минимальная задержка между детектированием изменения положения головы в пространстве и выводом на дисплеи соответствующего изображения.

MotionParallax3D-дисплеи

К устройствам этого типа относится множество различных устройств: от некоторых смартфонов до комнат виртуальной реальности (CAVE). Системы данного типа формируют у пользователя иллюзию объёмного объекта за счёт вывода на один или несколько дисплеев специально сформированных проекций виртуальных объектов, сгенерированных исходя из информации о положении глаз пользователя. При изменении положения глаз пользователя относительно дисплеев, изображение на них соответствующим образом меняется. Все системы данного типа задействуют зрительный механизм восприятия объёмного изображения параллакс движения (Motion Parallax). Также, в большинстве своём, они обеспечивают вывод стереоизображения с помощью стереодисплеев, задействуя стереоскопическое зрение. Системы трекинга для MotionParallax3D-дисплеев отслеживают координаты глаз пользователей в пространстве. Для этого используются различные технологии: оптическая (определение координат глаз пользователя на изображении с камеры, отслеживание активных или пассивных маркеров), существенно реже — ультразвуковая. Зачастую системы трекинга могут включать в себя дополнительные устройства: гироскопы, акселерометры и магнитометры. Для систем данного типа важна точность отслеживания положения пользователя в пространстве, а также минимальная задержка между детектированием изменения положения головы в пространстве и выводом на дисплеи соответствующего изображения. Системы данного класса могут выполняться в различных форм-факторах: от виртуальных комнат с полным погружением до экранов виртуальной реальности размером от трёх дюймов.

Виртуальный ретинальный монитор

Устройства данного типа формируют изображение непосредственно на сетчатке глаза. В результате пользователь видит изображение, «висящее» в воздухе перед ним. Устройства данного типа ближе к системам дополненной реальности, поскольку изображения виртуальных объектов, которые видит пользователь, накладываются на изображения объектов реального мира. Тем не менее, при определённых условиях (тёмная комната, достаточно широкое покрытие сетчатки изображением, а также в сочетании с системой трекинга), устройства данного типа могут использоваться для погружения пользователя в виртуальную реальность.

Также существуют различные гибридные варианты: например, система CastAR, в которой получение корректной проекции изображения на плоскости достигается за счёт расположения проекторов непосредственно на очках, а стереоскопическое разделение — за счёт использования световозвращающего покрытия поверхности, на которую ведётся проецирование. Но пока такие устройства широко не распространены и существуют лишь в виде прототипов.

Имитация тактильных ощущений

Имитация тактильных или осязательных ощущений уже нашла своё применение в системах виртуальной реальности. Это так называемые устройства с обратной связью.

Применяются для решения задач виртуального прототипирования и эргономического проектирования, создания различных тренажёров, медицинских тренажёров, дистанционном управлении роботами, в том числе микро- и нано-, системах создания виртуальных скульптур.

Перчатки виртуальной реальности

Перчатки виртуальной реальности были созданы специалистами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, с использованием технологий изготовления мягких роботов. Автор проекта — Майкл Толли (Michael Tolley), профессор механической инженерии в Школы инженерии им. Якобса (Jacobs School of Engineering) вышеуказанного университета.

Перчатки позволяют ощутить тактильный отклик при взаимодействии с объектами виртуальной реальностью, и прошли успешные испытания на виртуальном имитаторе игры на пианино с виртуальной клавиатурой. В отличие от подобных аналогов, данные перчатки изготовлены из мягкого экзоскелета, оборудованного мягкими мышцами, предназначенными для роботов, который делает их намного легче и удобнее в использовании.

Планируется, что перчатки виртуальной реальности найдут применение не только в видеоиграх и цифровых развлечениях, но и в хирургии и конечно же в образовании.

Управление

С целью наиболее точного воссоздания контакта пользователя с окружением применяются интерфейсы пользователя, наиболее реалистично соответствующие моделируемым: компьютерный руль с педалями, рукояти управления устройствами, манипуляторы роботов, научные приборы и т. д.

Для бесконтактного управления объектами используются как перчатки виртуальной реальности, так и отслеживание перемещений рук, осуществляемое с помощью видеокамер. Последнее обычно реализуется в небольшой зоне и не требует от пользователя дополнительного оборудования.

Перчатки виртуальной реальности могут быть составной частью костюма виртуальной реальности, отслеживающего изменение положения всего тела и передающего также тактильные, температурные и вибрационные ощущения.

Устройство для отслеживания перемещений пользователя может представлять собой свободно вращаемый шар, в который помещают пользователя, или осуществляться лишь с помощью подвешенного в воздухе или погружённого в жидкость костюма виртуальной реальности. Также разрабатываются технические средства для моделирования запахов.

Прямое подключение к нервной системе

Описанные выше устройства воздействуют на органы чувств человека, но данные могут передаваться и непосредственно нервным окончаниям, и даже напрямую в головной мозг посредством мозговых интерфейсов. Подобная технология применяется в медицине для замены утраченных чувствительных способностей, но пока она слишком дорога для повседневного применения и не достигает качества передачи данных, приемлемого для передачи виртуальной реальности. На этом же принципе основаны различные физиотерапевтические приборы и устройства, воспроизводящие ощущения реального мира в изменённом состоянии сознания.

Преимущества применения технических средств в практикуме преподавания информатики

Из преимуществ внедрения технических средств в процесс преподавания информатики следует отметить следующие аспекты:

1.      Наглядность.

Трехмерная визуализация позволяет студентам с максимальной степенью детализации рассмотреть все нюансы конструктивного исполнения любой детали или микросхемы компьютерных устройств. Отработка в виртуальной среде практических навыков обращения с деталями и аппаратурой дает возможность обрести уверенность студенту в усвоении учебного материала и приобретении ценного практического опыта работы со сложной техникой.

2.      Безопасность.

Отсутствует вероятность угрозы здоровью пользователя при лабораторной отработке навыков обращения с высоковольтными в реалии приборами. С другой стороны, отсутствует вероятность того, что неосторожное обращение студента с визуальной имитацией дорогостоящей аппаратуры приведет к ее поломке или уничтожению.

3.      Фокусировка внимания

Студент полностью сосредоточен на процессе обучения, что очень важно при изучении взаимодействия структурных элементов информационных систем и т.п.

4.      Максимальное погружение

Аппаратура виртуальной реальности дает возможность перемещений в виртуальном пространстве, что можно использовать для практического обучения пользованием приборами и механизмами. В настоящее можно классифицировать три уровня погружения в виртуальную реальность:

·               посредством экрана стандартного монитора или проектора (плоское изображение);

·               посредством стереоскопического монитора или проектора и специальных очков (объемное изображение):

·               посредством шлема-дисплея, виртуальных перчаток и т.п. (полное погружение).

5.      Возможность совмещения работы в обоих режимах реальности

Эффективность практических работ резко возрастает благодаря возможности пользователя в любой момент свободно выйти из виртуальной реальности в условия реального эксперимента/практикума, к своим записям, чертежам, схемам.

6.      Формирование профессиональной интуиции и творческих качеств, необходимых для успешной эксплуатации реальных изделий.

ТСО виртуальной реальности дают неоспоримый педагогический эффект при изучении информатики, а также других предметных областей, который просто недостижим при использовании прочих технических средств.

 

Статья Применение современных средств дополненной и виртуальной реальности в процессе преподавания.docx

published at: «PEDAGOGIKA», Научно-теоретический и методический журнал Тошкент -2014 год №6 стр. 36-39.,
published year: 2014 ,
post date: 2019 yil 3 yanvar