20 exempel på förstärkt verklighet inom utbildning. Användningen av "augmented reality"-teknik i modern utbildning

Användningen av augmented verklighet" i modern utbildning

Hittills har förstärkt verklighetsteknik blivit utbredd inom olika områden: Internet, marknadsföring, turism, multimedia, vetenskap och teknik.

Trots den ovanliga formuleringen av definitionen har "Augmented Reality" länge kommit in i våra liv. Historien om förstärkt verklighet har gått runt 20 år sedan den beskrevs som ett kontinuum av Paul Milgrom och Fumio Kushino. Augmented reality presenteras som ett mellanrum mellan verklighet och virtualitet, tillsammans med augmented virtuality. Augmented reality-teknik består i att lägga virtuella objekt ovanpå en verklig bild som erhålls via en video eller webbkamera. Till exempel, under en tv-sändning av friidrottstävlingar, visas tittarna en fotofinish - ett fotografi med linjer som bestämmer idrottarnas positioner. Dessa linjer är primitiva föremål för förstärkt verklighet, eftersom de ger ytterligare information, vilket gör den verkliga bilden mer informativ.

Augmented Reality-teknikgår inte förbi utbildningsområdet och är för närvarandeBegagnadeytligt i färd med att studera disciplinerna i den naturliga och matematiska cykeln, vilket är en objektiv nödvändighet och behov för utveckling av kognitiva processer hos moderna elever.Införandet av moderna virtuella inlärningsverktyg i utbildningssystemet är den viktigaste förutsättningen för att förstärka inlärningseffekten, som består i interaktiviteten av 3D-modellering och användningen av augmented reality-effekten. Med en uppsättning pappersmarkörer till hands kan vi när som helst presentera utbildningsobjektet inte bara i volym, utan också göra en serie manipulationer med det, titta på det "inifrån" eller i sektion.Relevansen av att introducera augmented reality-teknik i utbildningsprocessen ligger i det faktum att användningen av ett sådant innovativt verktyg utan tvekan kommer att öka motivationen för eleverna i studier av datavetenskap och andra discipliner, samt öka nivån på assimilering av information , syntetisera olika former av dess presentation. En stor fördel med att använda augmented reality-teknik är dess synlighet, informationsfullständighet och interaktivitet.

Trots den enorma funktionaliteten är förstärkt verklighetsteknik lätt att använda och tillgänglig för en publik i flera åldrar av användare, men det kräver ny utveckling och djupgående studier av nya problem. Ändå, med rätt utveckling, kan denna teknik tillfredsställa ett brett spektrum av pedagogiska och kognitiva behov hos skolbarn och elever.

Den breda funktionaliteten som tillhandahålls av förstärkt verklighetsteknik är också tillgänglig för läraren. Med hjälp av denna teknik kan läraren förmedla det material som behövs för att studera i en mer intressant och tillgänglig form för eleverna, bygga en lektion baserad på spännande spel, demonstrationer och laborationer. Lätt att använda för virtuell 3D-objekt förenklar processen att förklara nytt material. Samtidigt, genom att bemästra tekniken för förstärkt verklighet, ökar nivån på informationskompetens hos lärare och elever.

Till exempel studera ämnet "Datorarkitektur" i en datavetenskapslektion och använda istället för riktiga detaljer 3D-objekt av förstärkt verklighet, varje student har möjlighet att bekanta sig med varje datorenhet, få en uppfattning om dess tekniska struktur och funktioner. För sådana klasser måste läraren ha: redo 3D-modeller utvecklade i miljö 3DsMaxeller andra simuleringsprogram; webbkameror, kontroller för augmented reality; program för igenkänning av förstärkt verklighetsmarkör i digitala eller analoga versioner; demonstrationshjälpmedel som projektorer, skärmar, interaktiva skrivtavlor.

Ett exempel på användningen av Augmented Reality-teknologi är företagets produkterSMART Teknologier. Tekniken, i det här fallet, implementeras genom syntesen av en interaktiv whiteboardSMART, programvaraSMART anteckningsbok, dokumentkamerorSMARToch en augmented reality-kub. Integration med programvaran SMART Notebook gör att du kan ta bilder och omedelbart lägga till dem på din digitala lektionssida. Eleverna kan arbeta animerade3D-objekt, till exempel, en elev kan visa en 3D-bild med hjälp av en augmented reality-kub och demonstrera den för klassen från alla håll genom att flytta kuben framför kameralinsen. Stöd för SMART Notebook-programvaran gör att ytterligare innehåll kan bäddas in i lektionsfiler. Augmented reality-verktyg stöder flera vanliga 3D-objektformat tillgängliga i olika innehållsbibliotek. Således kommer användningen av Augmented Reality-teknologin att öka effektiviteten i utbildningsprocessen och öka intresset för att studera disciplinerna i det naturliga och matematiska kretsloppet.

Litteratur

1. Smart Utbildning, "Hur man använder förstärkt verklighet i utbildning och personalutbildning" http://www.smart-edu.com/augmented-reality-inlearning.html

Artikeln diskuterar idéer och redan befintliga exempel användning av förstärkt och virtuell verklighetsteknik (AR och VR) inom utbildning. I början av artikeln ges en kort översikt över teknologier, grundläggande definitioner ges och den tekniska delen beskrivs. Vidare beaktas den befintliga erfarenheten av att använda dessa teknologier: applikationer, organisationer, forskning. Det sista avsnittet erbjuder idéer för pedagogiska tillämpningar. Sammanfattningsvis anges de viktigaste problemen och svårigheterna som kan uppstå i processen med att introducera dessa tekniker.

Butov Roman Alexandrovich,
ingenjör, IBRAE RAS, doktorand

Grigoriev Igor Sergeevich,
Metodist resurscenter GBPOU "Vorobyovy Gory"

Tekniköversikt

Virtual och augmented reality (VR och AR)är moderna och snabbt utvecklande tekniker. Deras mål är att utöka det fysiska rummet i mänskligt liv med föremål skapade med hjälp av digitala enheter och program, och som har karaktären av en bild (Fig. 1).

Figur 1a visar bilden som användaren ser genom speciella glasögon av virtuell verklighet (nedan kallad VR). Bilden är uppdelad i två separata bilder för varje öga och är medvetet förvrängd för att ge ögonen en illusion av tredimensionell rymd. Om en person rör sig eller helt enkelt vänder på huvudet, bygger programmet automatiskt om bilden, vilket skapar en känsla av verklig fysisk närvaro. Med hjälp av kontroller (joysticks, etc.) kan användaren interagera med omgivande föremål, till exempel kan han plocka upp en sten och kasta den från ett berg - den fysiska modellen som är inbyggd i programmet kommer att beräkna flygningen av denna sten , vilket ytterligare kommer att skapa illusionen av verkligt utrymme.

Figur 1b visar en applikation som använder förstärkt verklighetsteknik (AR). I den här applikationen kan du placera bilder av möbler på bilden från telefonens kamera, men på grund av deras deformationer får användaren intrycket av att han ser ett riktigt föremål placerat i rummet. Det är viktigt att i det här fallet kompletteras verkligheten (rummet) av en virtuell stol, och motsvarande teknik kommer att kallas förstärkt verklighet. Skapandet av förstärkt verklighet är möjligt inte bara med hjälp av smartphones, utan också med andra tekniska medel, till exempel genom speciella glasögon. I det här fallet färdigställs den virtuella bilden på ytan av glasögonens linser.

Figur a

Figur b

Figur 1. Exempel på teknologier för virtuell (a) och förstärkt verklighet (b).

Som enheter för det här ögonblicket används: virtuella och augmented reality-glasögon, kontroller, hörlurar, smartphones, surfplattor. Dessa enheter tillåter en person att se och höra digitala föremål (Figur 2). Inom en snar framtid förväntas återkopplingshandskar göra det möjligt för en person att röra vid digitala föremål (Fig. 3).

Figur a

Figur b

Kika in

Figur 2. Enheter för VR och AR: glasögon med hörlurar (a), kontroller (b), smartphones och surfplattor (c)

Figur 3. Prototyp för återkopplingshandske

Program skapas vanligtvis på samma plattformar som datorspel utvecklas på (Unity, Unreal Engine, etc.), med hjälp av olika verktyg för att utveckla virtuella och augmented reality-program (Steam VR, Google VR, Oculus, Windows Mixed Reality, Google ARCore, Apple ARkit, Google Tango, Vuforia, etc.).

Enhetsprototyper och de första användningarna av termerna VR och AR fanns redan i mitten av 1900-talet, men modern terminologi bildades i början av 90-talet. För VR av Jaron Lanier, för AR av Caudell, Thomas P. och David W. Mizell.

På grund av den snabba teknikutvecklingen förändras terminologin hela tiden. Konceptet med ett verkligt-virtuellt kontinuum (verklighet-virtualitetskontinuum) som föreslagits i arbetet av Milgram, Paul, et al. (Milgram, Paul, et al.) är fortfarande relevant än i dag och är grundläggande för efterföljande. Figur 4 visar en illustration för att definiera begreppet ett verkligt-virtuellt kontinuum.

Figur 4. Verkligt-virtuellt kontinuum.

All teknik som är relaterad till verklighetens expansion genom digitala objekt (kanske inte bara digitala) är belägna mellan två polära varianter av möjliga verkligheter: verkligheten (verkligheten), där vi lever, och virtuell verklighet (virtuell verklighet, VR). Verkligheten är den absoluta frånvaron av ytterligare objekt i det fysiska rummet, d.v.s. det fysiska rummet i sig. Virtuell verklighet är den absoluta frånvaron av verkliga objekt. Många av dessa teknologier kallas blandad verklighet (mixed reality, MR). I praktiken är det ofta uppdelat i delmängder. De två klassiska delmängderna är augmented reality (AR) och augmented virtuality (AV). I det första fallet menas teknologier som kompletterar verkligheten med olika objekt, i det andra kompletterar de virtuell verklighet med verkliga objekt.

Ett exempel är teknik som fördjupar dig i Antika Rom. Om den här tekniken kompletterar utrymmet runt dig med olika föremål från den eran (svärd, rustningar, lerkannor, tempel, arenor), kommer detta att betraktas som AR-teknik, men om du överförs till uråldrig stad, med dess arkitektur, människor, väder, händelser, etc., men till exempel kommer dessa människors ansikten att sändas från omvärlden, då är detta augmented virtuality technology (nedan - AV). På nuvarande utvecklingsnivå används knappt AV-teknik, men i framtiden kan den bli mycket mer imponerande än AR och VR.

På tal om teknikutvecklingsprognoser antas det ofta att den mänskliga existensen håller på att skifta in i utrymmet för blandad verklighet (MR), vilket redan observeras på grund av utvecklingen av internet och mobila enheter. Inom det virtuella verkliga kontinuumet kan mobila enheter betraktas som AR augmented reality-teknik, eftersom de kompletterar världen ytterligare visuell, ljud och delvis taktil information. I en dystopisk kortfilm i regi av Keiichi Matsuda visar han resultatet av en sådan rörelse, som författaren kallar hyperverklighet. Kan en person i den form han är nu existera i en sådan värld? Det förblir en fråga.

Befintlig erfarenhet av tillämpning inom utbildning

Under det senaste decenniet, tack vare minskningen av kostnaderna för enheter, har teknik blivit mer tillgänglig för ett brett spektrum av användare. Vilket i sin tur ledde till att antalet program (ansökningar) inom olika ämnen ökade. För VR är dessa främst 1-persons skjutspel eller 360-graders kamerainspelningar (fallskärmshoppning, sevärdheter, vilda djur, undervattensvärld, dinosaurier, etc.), för AR-applikationer för att ändra användarens ansikten, mäta avstånden för verkliga objekt, olika pussel, samt utbildningsprogram (främst i anatomi och astronomi).

Om vi ​​talar om tillämpningen inom utbildning, så är det för virtuell verklighet studiet av naturen, laboratoriearbete i fysik, studiet av dinosaurier, resa runt planeterna, astronomi och mycket mer. För AR är detta studiet av anatomi, kemi, astronomi.

VR- och AR-teknologier nämns ofta i uppslukande utbildningsprogram. Sådana program inkluderar användningen av moderna informationsteknik i den lärandeprocess som sker inne i olika virtuella världar och simuleringar, och ofta i spelform. Denna typ av utbildning bidrar till att öka engagemanget, kommunikationen mellan praktikanter och intresset för ämnet.

Som en del av akademisk forskning har dussintals arbeten utförts på ämnet effekten av augmented reality-tekniker på inlärningsprocessen (den mest kompletta recensionen presenteras i ett av verken som listas i källlistan -). Granskningen noterade en förbättring av elevernas prestationer, förståelse för materialet och en ökning av motivationsnivån. Graden av engagemang i lärandeprocessen och intresset för att studera ämnet växer också, kommunikationsnivån mellan eleverna ökar.

De största problemen för lärare är extra tid som ägnas åt att ladda ner applikationer, lära eleverna hur de använder dem, dålig geolokaliseringsprestanda, ibland dålig svarskvalitet på modeller och svårigheter för eleverna att arbeta i AR-format. I allmänhet är alla problem relaterade till bristen på erfarenhet av att arbeta med AR och den fortfarande ofullkomliga tekniken. I framtiden, med utvecklingen av teknik, kommer dessa problem att elimineras.

Idéer för tillämpning

Det här avsnittet presenterar bara några idéer om hur AR- och VR-teknologiernas möjligheter kan användas inom utbildningsområdet.

a) virtuell verklighet (VR)

Denna tekniks förmåga att fördjupa en person i virtuell värld bestämmer huvudriktningen för dess utveckling inom utbildningen. Allt som inte kan skapas i verkliga världen av tekniska, ekonomiska eller fysiska skäl, kan skapas i den virtuella världen. Möjligheten att åka dit det i verkligheten är svårt eller omöjligt att besöka. Se el och magnetiska fält, förhistoriska djur, undervattensvärldar, antika länder, planeter och asteroider. Dessutom kan den här tekniken öppna upp vissa saker på ett nytt sätt, till exempel målning, det finns en applikation som fördjupar dig i Van Goghs målning "Night Cafe". Sådana applikationer kan öppna upp måleriet på ett nytt sätt i film- och datorspelens tidevarv.

Inom fysiken skulle denna teknik kunna tillåta laboratoriearbeten i moderna laboratorier. Till exempel, varför inte modellera den mest kända forskningsprojekt senare år: en stor hadronkollider eller en gravitationsvågsdetektor och utföra laboratoriearbete i dem? Detta kommer att hålla praktikanterna intresserade genom att visa dem toppmodern vetenskap, och inte den som deras far- och farfar studerade under (vilket naturligtvis också spelar roll).

När man studerar utländska språk, stora framsteg i lärandet uppnås med livekommunikation med transportören. Men om en sådan person är svår att hitta eller tekniskt svår att leverera honom till publiken. Virtual reality låter dig redan nu komma in i utrymmen där du inte bara kan kommunicera, utan också interagera med andra användare. Du kan till exempel överföra en grupp som studerar japanska språket i Ryssland och en grupp ryska språkinlärare i Japan till ett utrymme där de kunde kommunicera och utföra uppgifter. Och till nästa lektion till exempel med en grupp från Spanien. Ett sådant interaktivt format kommer att vara av intresse för elever i alla åldrar. Att genomföra sådana möten live eller till och med använda videokonferenser skulle inte vara lika effektivt, utan mer mödosamt och kostsamt.

I studiet av historia kan eleverna bekanta sig med de tredimensionella utställningarna på världens museer. Och även med återskapade städer, strider eller annat historiska händelser. Till exempel kan du inte bara återskapa slaget vid Borodino, utan också låta praktikanter delta i det och fatta sina egna såväl som kollektiva beslut. Således kommer detta att vara ett nytt utvecklingssteg efter skapandet av Borodino-panoramaet i Moskva.

Inom geografiområdet modern utveckling 360 graders kameror, tillåter användare att fånga tredimensionella panoramabilder och videor. Många forskare, resenärer och bara turister skjuter in mycket material och lägger upp det fri tillgång. Den här videon handlar om berg, hav, flygningar, vulkaner, poler. Användningen av sådant material i klassrummet kommer att göra det möjligt för eleverna att se de avlägsna hörnen av vår planet och behålla sitt intresse för resor.

Inom biologin öppnar tekniken för möjligheten att skala ner till storleken på organ, celler eller till och med DNA-molekyler. Interaktiva funktioner tillåter inte bara att se en statisk bild, utan också att se, till exempel, processen för DNA-replikation.

Inom området kemi tillåter tillämpningar farliga eller kostsamma experiment. Studera strukturen hos atomer och molekyler. Observera kemiska omvandlingar i dynamik.

Inom litteraturområdet kan man till exempel visualisera de ljusaste ögonblicken konstverk. Kombinationen av material och händelse verkar intressant. Till exempel för att delta i ett prov på Tsarskoye Selo Lyceum och se hur Pushkin läser "Memoirs in Tsarskoye Selo". Naturligtvis kan poetens röst och, viktigast av allt, den energin inte längre återskapas, men ett sådant format kommer att låta eleverna känna atmosfären som rådde vid den tiden.

b) förstärkt verklighet (AR)

Visualisering av algebraiska ytor, både andra och högre ordningen. På fig. 5 visar algebraiska ytor av 2:a ordningen när de visas med AR-teknik. Eleven kommer att ha möjlighet att kvalitativt studera ytan som ett verkligt objekt framför sig, och inte på en datorskärm och framför allt en bok, samt ändra parametrarna i realtid och se resultatet. Allt detta bör bidra till en bättre förståelse av strukturen av ekvationer (interaktiv förändring av parametrar) och den tredimensionella formen på ytor.

Ris. 4. Algebraiska ytor av andra ordningen

Liknande visualiseringar kan skapas för ytor av högre ordning (Fig. 5).

Ris. 5. Algebraiska ytor av ordning större än 2: (a) Diagonal kubisk Clebsch-yta, (b) Möbius-remsa, (c) Klein-flaska

Den huvudsakliga riktningen för tillämpning i fysik är visualiseringen av den matematiska fysikens ekvationer. I detta fall visas lösningen i form av en fysisk process. Eleven kommer att kunna ändra ekvationens parametrar dynamiskt och se effekten av denna förändring på resultatet.

Visualiseringen av fasdiagram, i synnerhet pvt-diagrammet (fasdiagrammet) för vatten (fig. 6) verkar intressant. Diagrammet kan visa fysiska processer: isobariska, isokoriska, isotermiska, adiabatiska och polytropa processer. Eleven kommer att se en komplett bild av processen, och inte projektioner på vissa plan, interaktivt ändra start- och slutpunkterna för processen, se ytterligare information om processen (energi frigörs/absorberas, parametrar i början och slutet).

Ris. 6. Fasdiagram över vatten

I kemi, kartläggning atomära orbitaler(Fig. 7) hjälper till att bättre förstå och komma ihåg deras struktur. Visualisering av strukturen av molekyler (Fig. 8), gör att du kan se olika kemiska bindningar i rymden.

Ris. 7. Fasdiagram över vatten

Ris. 8. Molekyl av koffein

Inom maskinteknik, visualisering av utrustningsmodeller med möjlighet att spela animationer som visar hur de fungerar. För pumpar och turbiner kan ett fasdiagram av ett medium med en fysisk process inritad på placeras sida vid sida. På fig. Figur 9 visar en ögonblicksbild från en AR-applikation som visar ett 1200 MW VVER kärnkraftverk. Applikationen visar huvudstrukturerna, utrustningen och animerar rörelsen i miljön.

Ris. 9. AR-applikation med NPP VVER 1200

fynd

Idag, i verkligheten av allmän allmän utbildning, är det ganska svårt att föreställa sig användningen av förstärkt och virtuell verklighetsteknik. Och det är inte den ekonomiska komponenten - vi vet ett framgångsrikt exempel på det ambitiösa projektet "Moskva e-skola”, inom vilken sådan teknik används i viss utsträckning. Enligt vår mening är de största svårigheterna relaterade till:

• Styvheten i programmet, som måste framgångsrikt bemästras av studenter inom ramen för allmän utbildning. Medan virtuell och förstärkt verklighetsteknik har stor potential att förbättra elevernas prestationer, kan de också vara en betydande distraktion. Exempel på användning av teknik tyder på ett ökat engagemang och ett ökat intresse för lärandeprocessen. Vissa forskare drar slutsatsen att dessa faktorer leder till ökade elevers prestationer. Men vid överdriven entusiasm för formen till nackdel för innehållet kan effekten vändas.
• Användningen av sådana tekniker kan förmodligen ha stor effekt, men användning inom ramen för en standardlektion på 45 minuter kommer att leda till en betydande kränkning av programmet, eftersom tiden som läggs på att arbeta med material med hjälp av dessa tekniker på något sätt kommer att förändra lektionsplanering.
• Införandet av sådan teknik är förknippat med flera svårigheter som är av ekonomisk karaktär: de höga kostnaderna för utrustning, bristen på ett stort antal högkvalitativa applikationer och följaktligen behovet av att utveckla dem, liten erfarenhet av att använda denna teknik bland lärare som behöver vidareutbildas.
• Det blygsamma antalet och variationen av befintliga applikationer som använder AR- och VR-teknologier, särskilt de som är speciellt skapade för utbildning, är en annan "broms". För att förändra situationen behövs givetvis statligt stöd till sådana projekt, en statlig ordning. Att skapa även en liten tillämpning av virtuell verklighet, till exempel inom historien, kräver arbete från många specialister: historiker, konstnärer, programmerare, kulturologer, etc. Sådana resurser kan hittas antingen om det finns seriösa resurser och en begäran från staten eller storföretag, eller när det gäller när olika parters intressen korsas.

Vilka är sätten att övervinna dessa svårigheter? Vår huvudsakliga tes är att för närvarande är användningen av förstärkt och virtuell verklighetsteknik mest adekvat inom området för tilläggsutbildning, som kan tjäna som en ledare för nya idéer, inte är lika stelbent strukturerad som allmän utbildning.

Låt oss illustrera hur ytterligare utbildning kan övervinna svårigheter genom att gå igenom punkterna ovan om potentiella problem med teknikantagande.

Kompletterande utbildning har ett mycket mer flexibelt apparatsystem jämfört med allmän utbildning. Program på olika nivåer, olika längd på klasser, involvering av lärare från specialiserade organisationer för deltidsanställning. Möjligheter till samarbete med specialiserade industriföretag, universitet låter dig attrahera kompetenta specialister och ger dig också potentiellt möjlighet att hitta sätt att lösa problem relaterade till nödvändig utrustning. Av särskilt intresse är möjligheten till samarbete med andra organisationer, till exempel museer, som kan vara intresserade av sådan teknik. Redan nu finns det utflykter och specialgjorda utställningar, där möjligheterna med AR och VR aktivt används. Så varför inte skapa och använda en högteknologisk produkt för delning? De kan trots allt ingå som inslag i program inom många områden av tilläggsutbildningen.