Иммерсивные технологии как средство визуализации учебной информации
А.И. Азевич
Аннотация
В статье описываются возможности иммерсивных технологий, применяемых в учебном процессе. Они рассматриваются как средство визуализации информации, способствующее развитию современных образовательных практик.
Ключевые слова: иммерсивные технологии; иммерсивная среда обучения; визуализация информации; виртуальная реальность; дополненная реальность; смешанная реальность; дополненная виртуальность.
Annotation
А. I. Azevich Immersion Technology as a Means of Visualizing Learning Information
The article describes the possibilities of immersive technologies used in the educational process. They are considered as a means of visualizing information that contributes to the development of modern educational practices.
Keywords: immersive technologies; immersive learning environment; information visualization; virtual reality; augmented reality; mixed reality; augmented virtuality.
Основная часть
Визуализация информации -- мощный инструмент передачи огромных массивов данных, адресованных конкретному пользователю, уникальный помощник в восприятии и анализе всевозможных сведений (см., например, [2-7]). Особенно возрастает роль визуализации в процессе непрерывного совершенствования и широкого распространения информационных технологий. В настоящее время трудно не только освоить, но даже бегло ознакомиться с огромными потоками информации, поступающими, например, через Всемирную сеть. Благодаря средствам визуализации облегчается восприятие, осмысление и понимание информации, а также ее прочное усвоение, что является важнейшей педагогической задачей.
Все больше образовательных учреждений в России и за рубежом используют так называемые иммерсивные технологии. Словарь трактует иммерсивность (от англ. immersive -- погружение) как целостное сочетание ощущений человека, присутствующего в искусственно созданном трехмерном мире, в котором можно выполнять всевозможные манипуляции: менять точку обзора, приближать и удалять объекты, уменьшать и увеличивать их размеры, вращать в пространстве, изменять освещенность сцены и т д.
Иммерсивность предполагает погружение обучающегося в виртуальную среду с целью получения предметного, социального и коммуникативного опыта. В зарубежной литературе нередко встречается эквивалентное понятие immersive teaching, описывающее комплексное исследование потенциала виртуальных миров, применяемых в образовании.
Что представляют собой иммерсивные технологии обучения и в каких формах они проявляются? Иммерсивные технологии обучения -- это совокупность программно-технических средств, способствующих погружению обучающегося в искусственно созданную среду -- виртуальную реальность.
Виртуальная реальность -- это интерактивная среда, в которой пользователь испытывает ее всеобъемлющее влияние, взаимодействует с разнообразной информацией, получаемой через каналы восприятия. Основное отличие дополненной реальности от виртуальной состоит в том, что в ней контент цифрового формата накладывается на реальную пользовательскую среду. В смешанной реальности виртуальные объекты не только помещаются в реальную среду, но непосредственно взаимодействуют с ней (см., например, [8; 16]).
Дополненная виртуальность -- это симбиоз реальных и виртуальных объектов. Она, по сути, представляет виртуальное пространство, в которое могут быть помещены не только физические объекты, но и сами пользователи, осуществляющие контакт с виртуальным миром в реальном времени (см., например, [9-13]).
Являются ли иммерсивные технологии средством визуализации информации? Чтобы ответить на этот вопрос, перечислим основные свойства визуализации. Прежде всего отметим, что благодаря ей происходит наглядное представление информации, а наглядность, как повелось еще со времен Яна Амоса КоменскогоЯ. А. Коменский (1592-1670) -- великий чешский педагог и мыслитель., -- золотое правило дидактики. Еще одно немаловажное преимущество визуализации -- компактное описание закономерностей, присущих набору или системе данных. В ходе применения средств визуализации происходит сжатие информации, т е. ее алгоритмическое преобразование с целью уменьшения занимаемого объема.
Разнообразный опыт применения средств визуализации информации насчитывает не одну сотню лет. Примеров тому множество: от анализа функциональных зависимостей с соответствующими графиками и поверхностями до сложных интерактивных анимаций, моделирующих физические поля и глобальные процессы во Вселенной. Сферы визуализации данных самые разные: геология и медицина, физика и биология, география и химия и т. д.
Основная задача визуализации -- сделать невидимое видимым. Под невидимым понимаются не только привычные реальные предметы, но и абстрактные объекты, недоступные человеческому зрению. Реальный объект невидим, если он очень большой (например, галактика) или очень маленький (например, микро- и наноструктуры реального мира). Абстрактный объект (например, функция многих переменных) невидим в силу своей нематериальной природы.
Виртуальную реальность, как и другие средства визуализации, чаще всего связывают со зрительным восприятием, хотя в этом процессе участвует не только зрительный канал. Тем не менее с момента появления и до настоящего времени большинство систем виртуальной реальности предназначались для воздействия именно на зрение, ведь самую значительную часть информации из окружающей среды -- не менее 80-90 процентов от общего объема -- человек получает именно с его помощью, а затем уже с гораздо меньшими показателями идут органы слуха, осязания и т д.
Если анализировать средства визуализации данных, то их можно разделить, к примеру, по геометрическому принципу: плоские и объемные. Кроме того, в ходе классификации необходимо учитывать физическое проявление визуализации, отражающее ее статические и динамические характеристики. Например, диаграмма или схема -- статические формы визуализации, анимация и видео -- динамические. К пространственным видам визуализации относится SD-визуализация, которая широко применяется в компьютерном моделировании.
Необходимость в компьютерном моделировании сцен реального и вымышленных миров возникает во многих областях человеческой деятельности. Конструирование новых изделий, строительство, дизайн, кино и телевидение, тренажеры для подготовки профессиональных кадров, компьютерные игры -- примеры областей, в которых моделирование играет важную роль. Многие исследователи относят к виртуальной реальности системы SD-визуализации, генерирующие высокореалистичное изображение. Однако это ошибочное мнение, поскольку в ней отсутствует интерактивность. Вместе с тем виртуальной реальностью можно признать систему стереоскопической визуализации простых объектов. Она снабжена подсистемой коррекции изображения, учитывающей положение и ориентацию зрительных сенсоров (в простейшем случае это может быть голова человека).
В настоящее время значительно усложняются задачи визуализации информации. Это требует широкого применения все более совершенных и сложных технических инструментов. К ним в первую очередь следует отнести виртуальную реальность, представляющую собой один из видов иммерсивных технологий. Самые совершенные системы виртуальной реальности создают полное погружение в виртуальную среду, при котором сенсорная система полностью или почти полностью исключает внешние раздражители. Термин полное погружение можно определить только с некоторой степенью точности. Во-первых, потому что полной изоляции от воздействия окружающей среды можно добиться пока еще не для всех органов чувств. Во-вторых, ученые и инженеры не смогли синтезировать и подвести к органам чувств широкий набор раздражителей, чтобы реализовать ограниченные диапазоны их входных характеристик.
Понятие иммерсивности первоначально не было связано с образованием.
Оно возникло из явлений, происходящих в театральном искусстве. Этот термин впервые применили сотрудники британской компании Punchdrunk. В 2011 году в Нью-Йорке они поставили первый иммерсивный спектакль под названием Sleep no more. Теперь такие постановки идут по всему миру. В иммерсивном действии зритель не только наблюдает за актерами, но и становится активным участником сцены, включаясь в игру. Он остро чувствует создаваемую окружающую реальность, воспринимая ее не только аудиовизуальным каналом, но и всем телом, производя различные движения. Это допускает понимание иммерсивности как некоего переноса человека в другую область, подразумевает поглощение его средой и функционирование сложной системы коммуникационных элементов, которые делают субъекта этого процесса частью другой реальности.
Серьезные исследования, посвященные проблемам применения иммерсивных технологий в образовании, представлены в работах С. Ф. Сергеева. Он одним из первых ввел понятие иммерсивной обучающей среды. «Иммерсивная обучающая среда -- системный самоорганизующийся конструкт, проявляющийся в виде динамического процесса в субъекте обучения, вовлекающего в свою структуру самые разнообразные элементы внешнего и/или внутреннего окружения с целью обеспечения аутопоэзиса Аутопоэзис -- это самопостроение, самовоспроизводство живых существ, в том числе человека, которые отличаются тем, что их организация порождает в качестве продукта их самих без разделения на производителя и продукт. организма, стабильности личности, непрерывности ее истории» [15].
В последние годы иммерсивность и виртуальность в образовательной сфере стали эффективными инструментами поддержки обучающего процесса. В частности, виртуальные миры могут выполнять конкретные задачи благодаря различным настройкам, созданным для реализации сценариев, отвечающих определенным целям обучения.
Благодаря современным технологиям родилось новое понятие -- «иммерсивный подход в образовании». Иммерсивный подход в образовании -- стратегия познания, комплекс приемов и способов интерактивного взаимодействия субъектов образовательного процесса с целью развития и саморазвития личности обучающегося в искусственно созданном виртуальном окружении, способного эффективно воздействовать на ее разум и чувства.
Названный подход тесным образом связан с другими подходами, которые длительное время успешно используются в обучении и воспитании. К ним можно отнести следующие: деятельностный, контекстный и информационный. Применяя деятельностный подход, педагог создает условия для проявления учеником активного творческого начала, заложенного в нем. Он обучает ребенка взаимодействовать с миром, совершенствоваться и развиваться в ходе непрерывной поступательной деятельности.
Контекстное обучение -- форма активного обучения, нацеленная на профессиональную подготовку обучающихся, процесс реализации которой заключается в постепенном насыщении учебного процесса знаниями и навыками, необходимыми в той или иной профессиональной деятельности. Именно в этом и есть суть контекстного подхода.
Информационный подход в обучении представляет собой сложную систему процессов обработки информации, осуществляемых последовательно или параллельно, с использованием информационно-коммуникационных технологий или с помощью традиционных средств.
Иммерсивный подход учитывает ряд важных позиций, на которых базируется принцип наглядности, непосредственно связанный с визуализацией информации. Иммерсивные технологии, применяемые в образовании, повышают роль визуальных средств в процессе получения и усвоения знаний благодаря глубокому и осознанному погружению в виртуальную среду. Их роль в обогащении обучающихся комплексным чувственным познавательным опытом, необходимым для овладения абстрактными понятиями и сложными процессами, чрезвычайно важна.
Иммерсивные технологии предполагают изменение роли педагога, который проектирует новую виртуальную среду и создает сценарии взаимодействия с визуальным интерактивным материалом. Главной функцией преподавателя становится моделирование различных маршрутов и образовательных практик для ученика и вместе с учеником, поддержка процессов, направленных на достижение образовательных целей.
Проектирование максимально полного виртуального окружения -- новое явление в педагогической деятельности. Теперь преподаватель обретает роль наблюдателя и активного участника коммуникации, используя свой опыт и авторитет для ориентации ученика в зоне учебных смыслов, изменения наблюдаемых параметров в сформированной среде обучения. При этом привычная функция лектора уступает место роли гида, который усиливает педагогический эффект коммуникации ученика или целого класса с виртуальным миром.
Примерами коллективных проектов, разработанных с помощью иммерсивных технологий, прежде всего с использованием виртуальной и дополненной реальности, могут служить виртуальные экскурсии в музеи, художественные галереи, города, подводные туры, выходы в открытый космос. Сценарии виртуальной реальности становятся инструментом имитации учебных проблем, природных явлений, реальных событий.
Чем выступает виртуальная реальность в учебном процессе? Можно утверждать, что она является новым средством обучения. Согласно классическому определению, средство обучения -- это дидактический инструмент деятельности педагога и учащегося, необходимый для достижения образовательных целей. Виртуальная реальность включает в себя сложное техническое оборудование, специальные приспособления и программно-аппаратное обеспечение, а также определенную стратегию воздействия на человека.
Д. В. Малий, П. Н. Медведев, М. Г. Маркова, говоря об использовании иммерсивных технологий в образовательной практике, указывают на особое значение виртуальных компьютерных аналогов и их роли в восприятии обучающимся окружающего мира. Они отмечают необходимость создания условий для повышения мотивации учащихся и развития их познавательной сферы. Решение этой проблемы, по мнению авторов, связано с применением иммерсивных технологий обучения [14].