ДОПОЛНЕННАЯ РЕАЛЬНОСТЬ КАК ИНСТРУМЕНТ ПРАКТИКО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ

Аннотация. В статье рассматривается эффективность применения технологий дополненной реальности (AR) в образовательном процессе. Описаны основные преимущества их использования, изложены принципы функционирования AR-технологий, а также этапы разработки AR-приложений.

Ключевые слова: дополненная реальность, виртуальная реальность, технологии AR.

Современное образование требует практико-ориентированного подхода, позволяющего обучающимся не только изучать теорию, но и отрабатывать навыки, максимально приближенные к реальным условиям профессиональной деятельности. Использование технологий дополненной реальности (AR) отвечает этой потребности, обеспечивая безопасную, экономичную и интерактивную среду для моделирования разнообразных процессов, что особенно важно в условиях ограниченных материальных ресурсов учебных заведений. Цель работы заключается в обосновании эффективности применения технологий дополненной реальности в образовательном процессе с целью повышения наглядности и качества усвоения учебного материала.

Обучение таким предметам, как робототехника, химия и физика, где требуется наглядная демонстрация процессов и использование специальных комплектующих для создания различных объектов, например роботов, всегда вызывало определённые трудности. Первая из них связана с тем, что производство ежегодно внедряет всё более современное оборудование, поэтому учебным заведениям необходимо регулярно обновлять используемые в обучении комплектующие, чтобы выпускники были готовы работать с новыми технологиями на практике. Однако финансовые возможности учебных заведений при приобретении оборудования часто ограничены. Вторая проблема связана с возможными поломками оборудования, что нередко происходит при их интенсивном использовании большим количеством обучающихся. Третья проблема заключается в риске получения травм при работе с оборудованием. Например, при изучении химии несоблюдение правил техники безопасности или недостаточное знание о химических реакциях может привести к опасным последствиям для здоровья.

Дополненная реальность — это технология, позволяющая пользователям просматривать сгенерированные компьютером объекты, наложенные на невиртуальную реальность, осуществляя интеграцию виртуальных объектов или цифровой и виртуальной информации (графика, звуки и тактильная обратная связь) в невиртуальной среде. Природа дополненной реальности позволяет пользователю взаимодействовать с виртуальными и реальными объектами в одном и том же пространстве, приобретая новый опыт обучения. Эти объекты одновременно сосуществуют с объектами реальной жизни при помощи специальных шлемов дополненной реальности или камер на мобильных устройствах, которые служат средством дополнения соответствующей информации посредством точек запуска соответствующего приложения дополненной реальности или маркеров [1, с. 210].

Ниже представлены основные преимущества применения технологий дополненной реальности в обучении, подтверждающие высокую эффективность данного подхода.

Применение технологий дополненной реальности при изучении технических дисциплин позволяет наглядно визуализировать работу механизмов и алгоритмов. Используя специальные AR-приложения, предназначенные для изучения конкретного предмета, обучающиеся могут выполнять лабораторные задания, моделирующие реальные процессы, которые необходимо усвоить. В робототехнике с помощью виртуальных комплектующих обучающиеся получают возможность конструировать роботов и отрабатывать их работу в безопасной среде. Таким образом, AR технологии способствуют более глубокому пониманию предмета, повышая качество усвоения учебного материала.

Использование AR технологий обеспечивает безопасность, поскольку обучение проходит с применением виртуального оборудования и комплектующих, что исключает риск потери деталей дорогостоящего оборудования или поломки его компонентов. Весь учебный процесс осуществляется в безопасной виртуальной среде, что позволяет предотвратить повреждение реальных устройств.

Технологии дополненной реальности позволяют сократить затраты на оборудование и расходные материалы. Проблема, ранее упомянутая в связи с необходимостью приобретения учебного оборудования, устраняется благодаря тому, что всё новое оснащение представлено в виртуальном виде в приложении дополненной реальности. Таким образом, отпадает необходимость постоянно приобретать реальное оборудование для обучения по дисциплинам, где оно требуется.

Использование технологий дополненной реальности предоставляет возможность многократного выполнения заданий, что способствует закреплению полученных знаний. Виртуальная среда позволяет повторять эксперименты, отрабатывать действия и исправлять ошибки без дополнительных затрат на материалы и оборудование.

Эффект погружения в AR-приложениях стимулирует интерес к робототехнике. В AR обучающиеся могут собирать и настраивать виртуальные модели роботов, разрабатывать для них алгоритмы управления. Это позволяет экспериментировать с различными конфигурациями, что ускоряет усвоение теоретических знаний и развитие практических компетенций.

Для более полного представления о возможностях применения технологий дополненной реальности в образовательном процессе необходимо рассмотреть принципы её функционирования.

Принцип работы технологий дополненной реальности можно описать следующим образом:

1) камера AR-устройства фиксирует изображение реального объекта;

2) программное обеспечение устройства идентифицирует полученное изображение и выбирает визуальное дополнение, ему соответствующее;

3) программа объединяет реальное изображение с виртуальным и отображает конечное изображение на устройстве визуализации [2].

Рисунок 1. Принцип работы технологий дополненной реальности

Создание приложений дополненной реальности представляет собой многоэтапный процесс, включающий проектирование концепции, подготовку цифрового контента и интеграцию технологий пространственного позиционирования. На этапе проектирования и постановки задачи определяется цель разрабатываемого решения, а также формулируются требования к функционалу и сценариям взаимодействия пользователя с виртуальными объектами. Для реализации приложений дополненной реальности применяются специализированные среды разработки, такие как Unity 3D с модулем Mixed Reality Toolkit (MRTK) для устройств Microsoft HoloLens либо Unreal Engine с поддержкой AR/MR-технологий. Выбор платформы зависит от характеристик целевого устройства и предполагаемого уровня интерактивности.

Цифровые модели объектов разрабатываются в системах трёхмерного моделирования в таких как Blender, Maya, 3ds Max с последующей оптимизацией для работы в режиме реального времени, что обеспечивает высокую частоту кадров и стабильность отображения. На этапе программирования логики и взаимодействия реализуется пространственное отображение виртуальных объектов, называемое Spatial Mapping, а также алгоритмы пользовательского ввода, включая управление с помощью жестов, голосовых команд, движения взгляда или контроллеров. Интеграция систем трекинга и позиционирования осуществляется посредством использования встроенных датчиков и камер, которые обеспечивают построение карты окружающей среды и одновременную локализацию (технология SLAM), что позволяет точно закреплять виртуальные объекты в реальном пространстве.

На этапе тестирования и оптимизации производительности выполняются испытания в различных условиях освещённости и при движении пользователя, при этом корректируется стабильность позиционирования и оптимизируются показатели загрузки графического процессора и энергопотребления устройства.

Этап сборки и развертывания включает компиляцию программного продукта для целевого устройства, например HoloLens 2. С развитием технологий искусственного интеллекта появилась возможность быстрого создания трёхмерных моделей объектов любой сложности. Это значительно облегчает работу разработчиков AR-приложений, для которых требуются трёхмерные модели объектов. Благодаря этому процесс разработки AR-приложений стал гораздо проще: новые объекты можно внедрять без значительных временных затрат, что позволяет сосредоточить больше внимания на проработке логики и интерактивных сценариев. Обучение техническим дисциплинам традиционно представляет определённую сложность не только из-за высокой теоретической насыщенности, но и из-за необходимости использования специальных оборудований для выполнения практических заданий. Специализированные AR-приложения по соответствующим дисциплинам позволяют выполнять лабораторные работы без физического наличия оборудования. Такой формат обучения обеспечивает безопасную и наглядную практику, повышает интерес и способствует более глубокому и качественному усвоению учебного материала.