Технологии виртуальной реальности (VR) существуют не первый год. Изначально они создавались не для образования, но очень быстро стали проникать в различные его сегменты. Сейчас VR начинают осмыслять и как педагогический инструмент.

В 2020 г. более 1 тыс. российских организаций включились в программу тестирования программного обеспечения для VR. В мире примеров использования технологии в образовательных целях, конечно, намного больше. Но насколько они эффективны? Какие задачи стоят перед внедрением VR в образовательный процесс? В чём преимущества технологии и каковы основные барьеры?

Тему обсудили эксперты в рамках конференции «VR в школе и вузе»¹.

¹ Конференция прошла онлайн на площадке Московского международного салона образования.

ДРАЙВЕРЫ И БАРЬЕРЫ

Некоторые результаты исследований в области применения VR в образовании представила Лидия ЯЛТУК, преподаватель School of advanced studies Тюменского государственного университета (ТюмГУ).

Современные VR берут своё начало в 2014 г., однако для исследователей тема не нова. С 1994 г. неуклонно растёт число публикаций в научных журналах по этой тематике и всё больше печатается эмпирических работ. Появляются новые ракурсы рассмотрения технологии: позиционирование метавселенных в обществе, философия VR, прикладные советы для запускающих стартапы. 17,2% в структуре публикаций занимают исследования, посвящённые образованию. С 2016 г. по 2020-й вышли 2980 статей по VR для обучения, проиндексированных в Web of Science и Scopus. Описано более 100 кейсов применения технологий. Представлены 39 рандомизированных контролируемых исследований. В целом исследователи сделали вывод о том, что VR дают небольшой прирост качества образования по сравнению с предыдущими форматами: цифровым обучением на компьютере, бумажными учебниками или лекциями. Основные эффекты применения VR для студентов вузов — повышение мотивации к обучению, более высокие образовательные результаты и достижения, улучшение качества коммуникации в рамках выполнения учебных заданий.

Выделяется несколько кластеров тематик, связанных с созданием интерактивных образовательных пространств: симуляция, смешанное обучение, коллаборативное образование, изучение дополнительных эффектов, виртуальные миры, или метавселенные, и применение их в обучении.

В последние два года превалируют публикации по нейропсихологии и новым средствам измерения образовательных результатов. Появляются работы об оценке состояния обучающихся в процессе, уровня их стресса и комфорта по биомаркерам. Большое внимание уделяется образовательным моделям, формированию навыков коммуникации. Появился фокус на изучение опыта преподавателей, особенностей освоения ими технологий и способов их применения.

В Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) тоже зафиксированы статьи о VR, но среди них довольно много умозрительных публикаций: о роли, возможностях, интересе к этой технологии со стороны студентов и преподавателей. При этом существует серьёзная вовлечённость бизнеса в работу отдельных лабораторий университетов, что помогает ставить исследовательские задачи. У российских учёных есть интерес к разработке решений в области VR и проверке их качества. Такие работы ведутся в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ), Университете ИТМО, Казанском федеральном университете, Дальневосточном федеральном университете и ряде других вузов. Например, ТюмГУ вместе с СПбГУ проводил исследование на предмет того, как предварительная адаптация к VR влияет на образовательные результаты.

Образование — сфера очень консервативная. Убедить педагога-предметника в том, что надо что-то менять, достаточно сложно: необходимо доказать, что это даст результат, уверен заместитель декана по дополнительному и дистанционному образованию химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Владимир МИНЯЙЛОВ:

— Если внедрение технологий виртуальной реальности сокращает время, позволяет понять более сложные темы, то оно эффективно. Если же это неочевидно, то предстоит большая работа. Во главе образования стоит самообучение, неважно, какой метод применять. Некоторое время назад мы с трудом вводили дистант, и это было бы ещё тяжелее сделать, если бы не условия, в которых все оказались. Выходя из пандемии, мы имеем остаточный эффект: педагоги поняли, в чём преимущество технологии, и уже используют её сознательно.

При внедрении любой образовательной технологии принципиальное значение имеет методическая часть: как она будет сопряжена с учебным процессом и какие результаты обеспечивает. Опасность в том, что некоторые из них дают ложные навыки. Видео химических опытов создают иллюзию красоты и простоты, скрывая опасность. Одна из основных проблем в химии — понимание структуры превращений. VR хороши для визуализации, но конечный эффект зависит не от самой технологии, а от сценария занятия, от мастерства преподавателя, его подготовки.

VR сегодня пока ещё сложны и дороги для внедрения. Зачем покупать шлем за 150 тыс. рублей, если есть возможность посмотреть модель на экране? Зачастую задача решается наличием качественной интерактивности. Виртуальная реальность даёт дополнительный иммерсивный эффект, создаёт игровую атмосферу. Однако в образовании на первое место ставится целесообразность, и в связи с этим мы имеем пока ещё не очень высокие темпы внедрения VR.

Очевидно, что цикл исследований длинный и, пока не возникнет насущная потребность, ожидать масштабного внедрения технологии не стоит. Есть ли способ разорвать этот круг?

С точки зрения проректора НИУ «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ) Дмитрия ЗЕМЦОВА, первоочередная задача — повысить готовность учреждений к внедрению технологии на конкретных кейсах.

— Программа апробации VR в школах показала, что учителя готовы их применять. Но при этом понятны проблемы: не очень качественные интерфейсы, недостаточная интеграция решений с образовательной программой. Обычно за этапом апробации следует стадия пилотирования. Надо за год запустить три — пять проектов и выявить сильные и слабые места.

Второе, что необходимо сделать, — повысить качество культуры исследований. С точки зрения публикаций ситуация для внедрения VR ухудшается с каждым годом. В РИНЦ по теме VR в основном фигурируют статьи, написанные по результатам чужого опыта, как правило зарубежного, или материалы о рисках применения технологии. Эту задачу можно решить объединением исследователей вокруг той или иной научной парадигмы. Институт образования НИУ ВШЭ готов обсуждать эту повестку. Людям, которые изучают VR в России, надо начинать ссылаться друг на друга, привлекать к этой теме студентов, пишущих магистерские диссертации. Без такой работы любой чиновник, заинтересовавшийся темой, получит от своих аналитиков материалы о том, что VR существует и может применяться в образовании, но непонятно как, и примет решение подождать с внедрением.

Мы не собирались массово внедрять онлайн-обучение, пока не случился ковид. Сейчас есть несомненные доказательства эффективности этой технологии в общественно значимой сфере. Необходимо найти примеры такой же социальной полезности VR.

Главный вопрос — кто всё это будет делать. Это не смогут реализовать чиновники, потому что недостаточно пилотных проектов. В 2020 г. приняли решение перейти на дистант, потому что важно было вообще не потерять образовательный процесс. Но при этом уже существовали инструменты и механизмы внедрения. В отношении VR ничего подобного нет. Поэтому есть три варианта, кто может объединить пилоты, исследования и общественную пользу. Первый — крупная компания, которая увидит для себя выгоду. Второй — ассоциация малых компаний плюс университеты. Третий — визионерски ориентированный, оптимистично настроенный государственный деятель. Необходимо взвесить все за и против.

КЕЙСЫ И СЦЕНАРИИ

Виртуальная реальность — технология, её задача — перенести человека в цифровым образом созданный мир: на удалённую территорию, в недоступное место, в прошлое или даже в будущее. VR в образовании нацелены не на замену преподавателя, лабораторных и практических занятий, а на то, чтобы мотивировать учащегося и преподавать ему новым способом информацию, которая обычно демонстрируется на плакатах, в презентациях или считывается из книг.

Объёмное представление объекта лучше воспринимается, при этом повышается успеваемость. По данным исследований, VR на 75% улучшают усвоение материала, так как информация, поступающая в мозг обучающегося, на 90% является визуальной, а с применением VR на 20% повышаются результаты экзаменов.

Сейчас в вузах, школах и колледжах активно внедряются VR-классы. Но если шлемы и компьютеры на рынке уже распространены и доступны по цене, то контент до сих пор остаётся основной проблемой. Ряд заслуживающих внимание примеров привёл Денис ЗАХАРКИН, основатель компании VR Concept.

— VR Concept — полностью российское ПО. Мы нацелены на то, чтобы дать преподавателю удобный инструмент для проведения занятий в виртуальной реальности. Это многопользовательская среда, когда учитель и ученики видят друг друга, могут интерактивно взаимодействовать. При этом преподаватель в такое пространство может загрузить любой 3D-контент, в том числе в инженерных форматах.

Высшая инжиниринговая школа (ВИШ) МИФИ — магистратура, нацеленная на подготовку сотрудников для «Росатома», строительной отрасли и промышленности. В VR-классе на базе VR Concept студентов обучают программированию на разных языках, конструированию, инженерному проектированию и 3D-моделированию. На данный момент обучение прошли 60 магистров, из которых шесть защитили дипломные проекты на базе VR. Они публикуют научные статьи, получают гранты на научную деятельность и создание тренажёров.

Создание VR-модели любого изделия —сложный процесс, а таких проектов сотни и тысячи. ВИШ МИФИ ведёт активную работу по подготовке выпускников, которые получают соответствующие компетенции, и научно-исследовательскую деятельность для выбора технологий и стандартов, чтобы VR-проекты можно было создавать быстрее.

В Московском государственном строительном университете наша технология применяется для обучения студентов. Кроме того, вуз проводит различные хакатоны для абитуриентов, в рамках которых школьникам ставится задача спроектировать квартал, район, дом и провести презентацию. VR дают им необходимую обратную связь: они загружают в виртуальную среду свои модели и лучше понимают ошибки, связанные с масштабом, единицами измерения, удобством эксплуатации.

В технических университетах на основе VR проводят демонстрацию авиационных и космических изделий. В Томском политехническом университете инженеры и дизайнеры защищают курсовые, не делая макеты из бумаги, а презентуя их в виртуальной среде. В Московском Политехе в рамках инженерного центра на VR проектируют спортивные болиды, мотоциклы и другую технику. Чаще всего это штучные изделия, но они принимают участие в реальных соревнованиях. Тем не менее необходимо проводить прототипирование, подключать к этому процессу студентов, и для этого применяют VR.

В 2021 г. был запущен акселератор «Цифровизация обучения». На первом этапе состоялся 36-часовой образовательный курс, нацеленный на погружение в рынок VR, технологии и их применение в образовательном процессе. Успешно прошли обучение 96 преподавателей всех направлений. В итоге стартовал проект сетевого взаимодействия с центрами образовательных программ и кванториумами. В прошлом году в России появились 13 VR-площадок, куда могут прийти педагоги и оценить возможности технологий.

Новый проект — пилотное тестирование VR Concept для московской школы — реабилитационно-оздоровительного центра. Учителя там создали VR-уроки по биологии, химии и физике. Сейчас собираем обратную связь и проводим аналитику. Первые выводы очевидны: технологии виртуальной реальности помогают преподавателям донести сложные темы наиболее простым и понятным способом.

Сегодня сложность и дороговизна внедрения инструментов VR уменьшились, однако при этом остаётся актуальным вопрос экономической целесообразности и бизнес-эффективности их использования в образовательном процессе вуза.

— Вопрос о том, дорого или дёшево, контекстный, — полагает Маргарита СТОЯНОВА, директор Центра дополнительного образования МГТУ имени Н.Э. Баумана. — Если мы говорим, что использование VR позволяет не ломать оборудование или не применять дорогие реагенты для экспериментов, это несколько отличается от того, когда заявляют, что шлем и контент к нему стоят абстрактный миллион.

В такой развивающейся отрасли, как композиционные материалы, высококвалифицированных кадров катастрофически не хватает. Выпускники вузов получают базовые академические знания, но, когда дело доходит до практики, наблюдается существенный пробел. Проблема в том, что реальные практикумы проводить очень дорого. Один метр карбона стоит около 6 тыс. рублей, до 8 тыс. рублей уходит на изготовление одного изделия в рамках лабораторной работы. Композиты используются в разных отраслях промышленности, в том числе автомобильной, авиационной, и кейс университета связан с изготовлением крыла самолёта. Разработана виртуальная лаборатория с тремя рабочими участками, соответствующими технологическому циклу: от подготовки оснастки и материалов до изготовления изделия. Элементы геймификации позволяют более эффективно вовлечь студентов в образовательный процесс, повышается их цифровая грамотность.

Преимущества внедрения VR очевидны. Увеличиваются темпы освоения знаний, улучшается качество подготовки, снижается нагрузка на преподавателей. Сокращаются издержки: ошибки студентов — это полезный опыт и материал для обсуждения, а не подсчёт убытков. Соответственно повышается продуктивность, поскольку расширяется спектр доступных работ и обеспечивается связь между теорией и практикой.

Безусловно, некоторым сложным темам имеет смысл обучать в VR. Но при этом очевидно, что виртуальная реальность не заменяет реального производства. Конкретный опыт необходим и ученику, и студенту, — подчеркнула эксперт.

МГУ имени М.В. Ломоносова занимается системами виртуальной реальности несколько десятилетий, а в 2017 г. была открыта специальная программа подготовки разработчиков и архитекторов VR-систем. Центр «Технологии виртуальной реальности в науке и образовании» был основан в 2020 г. и объединил несколько связанных с VR факультетов. На механико-математическом факультете с 2014 г. внедрён практикум по VR. Об опыте вуза рассказал ответственный исполнитель межфакультетского центра «Математическое и программное обеспечение технологий виртуальной и смешанной реальности» Виктор ЧЕРТОПОЛОХОВ.

— В МГУ основная тематика исследований, связанных с VR, всегда соприкасалась с космосом. Одна из проблем, возникающих у космонавтов на орбите, — нарушение некоторых функций вестибулярного аппарата в связи со зрением. В нормальной ситуации человек поворачивает голову, а глаза вращаются в другую сторону. За счёт этого мы можем видеть вокруг себя, когда движемся. В космосе эта связка нарушается. В определённый момент в рамках программы исследований, посвящённой механике управляемых систем, изучение этого эффекта внедрили в образовательную программу. Курс получил название «Биомехатроника». Основной проблемой было понять, что происходит в космосе, находясь на Земле, где вестибуло-окулярный рефлекс корректно работает. Изначально ситуацию пытались моделировать на плоском экране, но в 2013 г. в эксплуатацию была запущена панорамная система виртуальной реальности МГУ. Тем самым практикум полностью перевели в виртуальную среду. Он рассчитан на 12 академических часов в базовом варианте и на 72 часа — в расширенном, который внедрён в образовательную программу факультета космических исследований МГУ с 2017 г.

Внедрение виртуальной реальности позволило существенно улучшить понимание механики управляемых систем, появилась прямая связь между дифференциальными уравнениями и тем, как динамическая система перемещается в реальности.

Результатом пилотного проекта стали 450 обученных студентов за девять лет существования практикума. На этом кейсе была отработана методика применения систем VR, которые сейчас внедряются в университете по другим направлениям. Подготовлена аппаратно-программная платформа для создания образовательных курсов с использованием VR. Развиваются образовательные траектории по тематике VR и робототехнике для тех специалистов, которые должны внедрять системы виртуальной реальности.

Доказано, что при изучении химии активизируются способности наблюдать, анализировать, прогнозировать, делать выводы. Химия комплексно развивает мыслительные способности. Тем не менее это самый нелюбимый школьный предмет, и такое отношение к науке переходит из школы в вуз. Как правило, учащиеся осваивают химию на уровне символов: записывают реакции в виде формул, решают задачи. Успешность в изучении предмета связана с математическими способностями, которые не имеют отношения к конкретным объектам и концепциям. Научный сотрудник центра нейронаук в образовании Университета ИТМО Илья КУЗЬМИНОВ предложил альтернативный подход.

— Если переходить на уровень частиц, то здесь VR являются эффективным инструментом. Молекулы белков и нуклеиновых кислот наглядно представить очень сложно. VR применяются при изучении атомарной структуры физических объектов и молекулярной динамики. Один из популярных инструментов —программа Narupa. В ней студенты знакомятся с молекулярно-динамическими характеристиками: частицы представлены как «живые». Narupa не совсем VR-среда в привычном понимании, это фреймворк в открытом доступе. Инструмент позволяет работать с различными пакетами, библиотеками молекулярной динамики и визуализировать расчёты для пользователя, который находится в VR. Это позволяет междисциплинарным студенческим командам работать над сложными проектами, привлекая специалистов.

Ещё одна сфера применения VR в образовании — это оценивание. Такая технология, как eye tracking, позволяет анализировать когнитивную нагрузку, внимание учащихся и оценивать стратегию принятия решений по так называемым глазным событиям. Когда в группе 30 студентов в VR-шлемах, контролировать их в ручном режиме не представляется возможным. Eye tracking позволяет корректировать поведение учащихся в реальном времени.

Таким образом, VR имеет смысл применять в образовательных и исследовательских целях в вузах при работе со сложно визуализируемыми концепциями, но это большой вызов для разработчиков технологий. В совокупности с другими инструментами VR позволяют вывести образовательный процесс на новый цифровой уровень, — отметил в завершение эксперт.

ЧЕК-ЛИСТ

Учебное заведение или организация нуждается в виртуальной лаборатории, если:

— проводит обучение или курсы повышения квалификации для специалистов отрасли;

— быстро развивается и возникает необходимость в переподготовке кадров для внедрения новых технологий;

— работы проводит в среде с повышенной опасностью для здоровья человека;

— у организации недостаточно средств для обеспечения проведения реальных практикумов на регулярной основе;

— планирует внедрение автоматизации и контроля производства с помощью VR.

Материал опубликован в номере май 2023