Изучение роли виртуальной и дополненной реальности в формировании понятий при обучении химии в вузе

Абстракт: Формирование понятий при обучении химии существенно преобразуются в виртуальной и дополненной реальности. Существуют исследования формирования понятий при обучении химии на уровне общего образования, однако, формирование понятий при обучении химии на уровне высшего образования с учётом изменившегося восприятия информации молодёжью в высокотехнологичной образовательной среде нуждается во всестороннем исследовании. Предлагаемое исследование направлено на изучение механизма формирования понятий в условиях высокотехнологичной информационной образовательной среды химического образования с использованием технологий виртуальной и дополненной реальности. Предметная область химического образования отличается от многих других областей тем, что оперирует большим количеством абстракций и объектов, которые не могут быть изучены студентами при непосредственном наблюдении и взаимодействии с ними. Научная идея проекта заключается в том, чтобы совместить возможность использования современной компьютерной техники для визуализации и манипулирования объектами изучения химии с изменившимся в период информационной революции восприятием информации молодым поколением. По итогам выполнения проекта будут получены следующие научные результаты:
1) Будет разработан обучающий контент в виртуальной и дополненной реальности для формирования у студентов базовых понятий при обучении химии;
2) Будет изучено влияние виртуальной и дополненной реальности на скорость и полноту формирования у студентов базовых понятий при обучении химии;
3) Будет проверена гипотеза о том, что роль виртуальной и дополненной реальности заключается в обеспечении комплементарности между современными компьютерными способами представления и способами восприятия информации молодым поколением.
Научная значимость ожидаемых результатов заключается в расширении представлений о процессе обучения химии в высокотехнологичной образовательной среде.

 

1) Впервые предложены и апробированы в реальном образовательном процессе различные треки внедрения виртуальной реальности (VR) в химическое образование. Эксперимент был направлен на сравнение эффективности лекций и практических работ в VR по отдельности и в дополнении друг другу. Стоит отметить, что 98 процентов студентов согласны с тем, что занятия с элементами VR улучшает их понимание строения атома. Почти все они (96 %) уверены, что химическое образование более интересно с практикой в VR, чем только с лекциями. Более того, около половины обучающихся (44 %) предпочитают заниматься с VR, а не только с классическими лабораторными экспериментами. Кроме того, около 71 % участников считают, что регулярное использование VR в школе полезно для академической успеваемости. Результаты настоящего опроса хорошо коррелируют с существующей литературой, где использование виртуальной реальности в обучении приводит к общему положительному опыту, подтвержденному электроэнцефалографическим исследованием. Кроме того, у студентов наблюдается более высокий уровень удовлетворенности. Было показано, что использование иммерсивной VR в химическом образовании может значительно влиять как на результаты обучения, так и на уровень мотивации студентов. Результаты тестирования выявили улучшение понимания по сравнению с традиционным преподаванием, состоящим из лекций и практики. В настоящем исследовании основная цель технологии виртуальной реальности заключалась не в замене реальной лаборатории, а в том, чтобы позволить студентам взаимодействовать с объектами, которые иначе нельзя увидеть или потрогать. Полученные результаты свидетельствуют о том, что потенциал современных компьютерных технологий по визуализации и манипулированию объектами обучения химии выгодно соотносится с изменившимся восприятием информации молодым поколением в эпоху цифровизации.

 

2) Создано специализированное интерактивное образовательное приложение в среде виртуальной реальности «Орбитальный морской бой», основой которого является электронное распределение в атомах конкретного химического элемента, представленное на специальной «карте» (диаграмме). Данное игровое образовательное приложение разработано для гарнитур виртуальной реальности Oculus Go в формате мультиплеер, позволяющем играть в нее одновременно двум пользователям друг против друга (https://news.itmo.ru/ru/education/trend/news/9799/). В настоящий момент данное приложение принимает участие во Всероссийской Программе апробации образовательных решений в виртуальной и дополненной реальности (https://edu.vrnti.ru/approbation). Кроме того, данная разработка описана в статье, опубликованной в ведущем журнале химического образования в мире - Journal of Chemical Education (https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jchemed.0c00866). В статье количественно описано увеличение эффективности достижения образовательных результатов по химии при использовании данного приложения (в частности, умения записывать полные и сокращённые электронные конфигурации в основном состоянии, умение изображать электронно-графические схемы распределения электронов в атоме, умение изображать все валентные электронные облака атома в их взаимном расположении).

 

3) Впервые оценена целесообразность использования технологий виртуальной реальности (VR) при формировании понятия «изотопы». Попытки использовать VR для образовательных целей ведутся уже достаточно давно, однако лишь в последние годы доступность оборудования и наличие обучающих программ сделали его практически осуществимым. Данный вариант обучения является новшеством на поле обучении химии, так как учащиеся наконец получили возможность не только наблюдать, но и манипулировать объектами мира атомов и молекул, в частности для индуктивного формирования понятия «изотопы». Было показано, что применение элементов виртуальной реальности благоприятствует формированию базовых понятий при обучении химии. Использование технологий виртуальной реальности целесообразно на этапе поиска варианта решения занятия в качестве усиления традиционного процесса обучения, а не его полного замещения.

 

4) Обоснован новый количественный критерий формирования понятий — скорость формирования понятий, разработан и апробирован методический инструментарий для измерения скорости формирования химических понятий. Скорость формирования понятий была определена как сумма семантических информационных единиц и связей между ними в семантической сети, усвоенных за единицу времени. Предложенный подход был апробирован в рамках уроков химии в 8 классе общеобразовательного учреждения. В ходе выполнения проекта была показана принципиальная возможность измерения скорости формирования понятий в обучении химии на основе анализа усвоения семантических информационных единиц и сформированности связей в семантической сети за определенный промежуток времени.

 

5) Успешно запущен, в качестве ответа на вызов, связанный с подготовкой обучающихся 11-ых классов к ЕГЭ по химии в условиях пандемии COVID-19, всероссийский проект "Химик-бот" (https://news.itmo.ru/ru/education/trend/news/9387/). 465 участников в период с 11 апреля 2020 до даты проведения единого государственного экзамена подключились к процессу подготовки к экзамену с помощью Химика-бота (345 девушек, 120 юношей, 16-18 лет). Оценивалась активность учеников в различных заданиях. Больше всего времени было потрачено на выполнение всего образца ЕГЭ и задания № 34, что означало, что они пользовались популярностью, и в то же время пользователи сталкивались там с некоторыми трудностями. Есть задания, которые пользователи вообще не выбирали, либо из-за уверенности в этих типах заданий, либо из-за их позднего добавления в реестр бота. Большая часть времени была потрачена на вторую часть теста. В целом по Российской Федерации средний балл ЕГЭ составил 54.4 балла (по данным ФИПИ), 79.7 – это средний балл пользователей химик-бота, при максимально возможном балле 100. К сожалению, не все участники эксперимента поделились с нами результатами реального экзамена – только 52 человека решили поделиться своими успехами. Это можно объяснить занятостью поступлением, отношением к разглашению своих результатов или же нежеланием людей с низкими или неудовлетворяющими их итоговыми баллами делиться своим результатом. Таким образом, этот средний балл и все последующие результаты и обсуждение были построены на данных этих 52 студентов. Показано, что результат выполнения учеником полной тестовой части может предсказать его успеваемость на реальном экзамене и показать, какие задания требуют большего внимания (потому что полностью решённая часть первая составляет 66 вторичных баллов). Кроме того, коллектив проекта получил положительные отзывы от учеников, достигших при сдаче ЕГЭ успеха: «За несколько месяцев я получил знания от нуля до 5 баллов на экзамене! Мне очень нравятся занятия: как они проходят, подход, практическая часть»; «Это было здорово. Мне понравилось. Они вытащили меня прямо за очень короткий промежуток времени до экзаменов»; «От всей души хочу поблагодарить вас за ваш труд, знания, профессионализм и индивидуальный подход, вложенные в меня!». Эти отзывы показывают, что если быть действительно активным в Химике-боте, то желаемые результаты становятся достигаемыми. Основным итогом исследования является то, что Химик-бот является не основным ресурсом для подготовки к экзамену – это, в первую очередь, платформа для тренировки и прогнозирования своих результатов, что очень важно в период изоляции от реальных учителей и интенсивного учебного процесса.

 

6) Разработана модель виртуальной лаборатории, основанная на онлайн-курсах, которые могут использоваться людьми с особыми образовательными потребностями. Согласно модели, виртуальная лаборатория должна быть реализована с соблюдением ряда условий. Во-первых, лаборатория должна иметь четкую структуру, а именно, она должна состоять из вводной теоретической части, практической части, выводов по проделанной работе и изученной теории, а также итогового теста. Во-вторых, материалы из открытых образовательных ресурсов и массовых открытых онлайн-курсов должны быть интегрированы во все части, кроме итогового теста. Это можно сделать в текстовом и видео формате. В-третьих, в виртуальной лабораторной среде следует использовать инструменты, которые позволят обучать студентов с различными типами особых образовательных потребностей. Модель виртуальной лаборатории, разработанная в исследовании, уделяет основное внимание людям с нарушениями слуха и нарушениями зрения и опорно-двигательного аппарата. В соответствии с обсуждаемыми типами особых потребностей был рассмотрен ряд решений для этой лаборатории. Виртуальная лаборатория должна предоставить людям с нарушением слуха инструменты, позволяющие переводить аудиоинформацию в текстовый формат (и наоборот) или на язык жестов. Дизайн лаборатории и инструменты для настройки контрастности и яркости должны быть согласованы по цвету, чтобы помочь студентам с нарушением зрения. Пользователи с нарушениями опорно-двигательного должны иметь инструменты, которые могут упростить работу и свести к минимуму количество действий, выполняемых ими. Сегодня не так много виртуальных лабораторий, адаптированных для людей с особыми образовательными потребностями; таким образом, разработанная в ходе проекта модель - оптимальный вариант для реализации. Прежде всего, он должен быть ориентирован на обучение людей, а также может быть использован для изучения особенностей учебного процесса с целью модернизации используемых методов. Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение способов адаптации модели виртуальной лаборатории для людей с другими типами особых образовательных потребностей.

 

7) Предложен метод развития логических операций у обучающихся с использованием образовательных интернет-мемов, которая может быть реализована при обучении химии в основной школе. Образовательный интернет-мем по химии рассматривается как основанная на актуальном для школьника прецедентном феномене информация в текстово-графической форме, воспроизводимая в контексте и ситуациях предметного содержания. В понимании, декодировании и репрезентации мема реализуются логические операции нахождения общего, лишнего, признака сходства, признака различия, закономерности, характерные для изучения химических объектов и явлений, в том числе с использованием символьно-знакового языка химии. Приведен пример составления на основе шаблона и использования образовательного мема по определению принадлежности веществ к классу амфотерных гидроксидов.

 

8) Подготовлена браузерная версия игры "Орбитальный морской бой" (http://battleship.itmo.ru/). Потребность в данной разработке обусловлена тем фактом, что в период изоляции по причине пандемии COVID-19 в частности и смещения общемировой образовательной повестки в сторону дистанционного образования в целом доступ обучающихся к дорогостоящим гарнитурам виртуальной реальности затруднён или не представляется возможным. В связи с этим, браузерная версия игры предназначена как для стационарных компьютеров и ноутбуков, так и для планшетных устройств и смартфонов. Таким образом, любой обладатель компьютерной техники может обучаться с использованием образовательной среды, созданной в рамках проекта, из любой точки мира, где имеется доступ в Интернет. Процесс разработки web-версии игры Orbital Battleship включал этапы создания дизайн-макета, вёрстки, проектирования архитектуры приложения, написания программного кода, отладки и тестирования. Работа над проектом велась по «гибкой» методологии разработки. Для дизайна пользовательского интерфейса в качестве прообраза был взят военный радиолокатор, в который для осовременивания были добавлены элементы в стиле sci-fi. В течение 2021 года будут предприняты все необходимые действия, чтобы данная платформа была распространена на международном уровне для тысяч участников для предоставления им возможности усиливать собственную подготовку по химии.