Психология и социология/Педагогическая психология

Сорочинский П.В.

Смоленский государственный университет, Россия

Целесообразность применения технологий виртуальной реальности для современного биологического образования школьников

Работа выполнена в рамках государственных заданий Министерства образования и науки России (2012–2014)

Современный этап развития российского государства требует от институтов среднего общего образования реализации цели максимального интеллектуального, духовно-нравственного, творческого и физического развития человека [3] . Такое требование обусловлено быстрыми темпами развития науки и современных технологий различных направлений, возрастающей сложностью социально-политических отношений, обострением конкуренции на рынке труда, изменчивостью социальных и экономических условий жизни и деятельности индивида, расширением возможностей для личностного роста и духовного совершенствования человека.

Общей целью обучения и воспитания в средней школе остается формирование всесторонне развитой гармоничной личности. Образование как результат обучения и воспитания включает в себя совокупность приобретаемых знаний, умений, навыков, ценностных установок, опыта деятельности и различных компетенций определенного объема и сложности [3]. Образование помогает современному выпускнику средней школы приобрести целостное научное мировоззрение, определить свои склонности к тем или иным учебным предметам, развить способности к осуществлению различных видов деятельности, определить собственное профессиональное и социальное будущее, занять собственную, обоснованную позицию по отношению к различным предметам и вопросам человеческого бытия.

Одним из важнейших компонентов современного образования является биологическое образование, имеющее свои специфические цели, которые разделяются по уровню на глобальные (социализация обучаемых, приобщение к познавательной культуре как системе познавательных (научных) ценностей), мета-предметные (овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности, умения работать с различными источниками биологической информации, способности выбирать целевые и смысловые установки в своих действиях и поступках по отношению к живой природе, личному и общественному здоровью, умения аргументировать свою точку зрения), личностные (знание основных принципов и правил отношения к живой природе, реализация установок здорового образа жизни, формирование познавательных мотивов, интересов, интеллектуальных умений) и предметные (овладение умениями выделения существенных признаков объектов и явлений, их классификации, сравнения, овладение методами биологической науки, объяснение роли биологических знаний в жизни человека, освоение приемов оказания первой медицинской помощи при различных чрезвычайных происшествиях, овладение навыками оценивания природных объектов с эстетической точки зрения и др.) [1] .

Реализация целей современного биологического образования требует непрерывного совершенствования методической системы преподавания каждого учителя биологии, повышения уровня его самообразования, овладения современными образовательными технологиями. Среди последних в настоящее время выделяют здоровьесберегающие, игровые, проектные, технологии сотрудничества, информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) и др.

ИКТ занимают особое место в системе современных образовательных технологий, применяемых при обучении биологии в средней школе. Под ИКТ понимают широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям создания, сохранения, управления и обработки данных, в том числе с применением вычислительной техники. Важнейшими современными средствами реализации данного класса технологий является компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением и средства телекоммуникаций вместе с размещенной на них информацией (в качестве последних используются в основном средства, обеспечивающие доступ в Интернет). Благодаря использованию ИКТ в учебном процессе обеспечиваются индивидуализация работы учащихся, повышение продуктивности самоподготовки учащихся, усиление мотивации к обучению, активизация процесса обучения и его гибкость. В целом, ИКТ позволяют полнее достигать образовательных целей в процессе обучения.

В рамках ИКТ к настоящему времени создано множество цифровых образовательных ресурсов (ЦОР), среди которых выделяют электронные энциклопедии, «репетиторы», мультимедийные средства обучения, позволяющие в интерактивном режиме осуществлять лабораторные работы и экскурсии, изучать конкретные темы уроков. Перечисленные средства по существу создают виртуальную среду обучения, часто применяющуюся в практике преподавания биологии в современной школе. Данная среда обеспечивается за счет двухмерных и трехмерных изображений объектов, звукового сопровождения, выполнения некоторых интерактивных заданий в виртуальной среде (ответы на вопросы, решение задач и др.).

Хотя указанные ЦОР формируют виртуальную среду обучения, говорить о создании ими полной виртуальной реальности, конечно же, нельзя. Полноценную виртуальную реальность возможно обеспечить при помощи особого вида современных программных средств, называющихся соответственно технологиями виртуальной реальности (ВР) и имеющими, по нашему мнению, значимые перспективы для реализации ИКТ в обучении школьников.

Под ВР обычно понимают созданный техническими средствами мир, передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, обоняние, осязание и другие. ВР может обеспечиваться за счет следующих устройств: мониторов компьютеров; шлемов-дисплеев, позволяющих видеть стереоскопическое изображение виртуального мира; манипуляторов (специальных перчаток и целых костюмов ВР, позволяющих человеку действовать в ВР); стереоаудиосистем, дающих объемное звучание [4]; комнат ВР, представляющих собой проекционные системы, на все стороны которых проецируется трехмерное изображение.

В целом, для отличия подлинных технологий ВР от их частичных аналогов (с неполным погружением в виртуальную среду) следует использовать критерии (характеристики) ВР, выделенные рядом исследователей (В.В. Селиванов, 2009; Insko, 2003; Huang et al., 1998 и др.): «создание средствами программирования трехмерных изображений объектов, максимально приближенных к реальным, моделей реальных предметов, подобных голографическим»; «возможность навигации (субъект в виртуальном пространстве может передвигаться, посмотреть на объект с различных сторон, «полетать» во вселенной, «передвигаться» внутри биологической клетки и т.п.)»; «сетевая обработка данных, осуществляемая в режиме реального времени (действия субъекта, например, его движения, изменение наклона головы, меняют изображение предмета и др.)» [2, с. 135]; обеспечение состояния присутствия [5; 6].

В современных школах технологии ВР могут применяться в основном за счет мониторов персональных компьютеров, проективных и интерактивных досок. Применение дорогостоящих средств – очков ВР, шлемов ВР и других – возможно лишь в перспективе, либо в школах, имеющих значительное дополнительное финансирование. Однако, по нашему мнению, применение технологий ВР в школьном обучении на базе указанных имеющихся средств может дать существенные образовательные результаты. Об этом говорят также наши экспериментальные данные, полученные при реализации проекта под руководством проф. Селиванова В.В. «Влияние обучающих программ, созданных средствами виртуальной реальности, на мышление и психические состояния человека» на кафедре общей психологии СмолГУ. Нами совместно с программистом В.П. Титовым была создана программа по биологической теме «Синтез белка», отвечающая основным требованиям подлинной ВР.

Указанная программа разработана с помощью различных программных пакетов для создания 3-D объектов (3-D Studio Max, Quick Time VR, Maya и др.), для анимации использовался мультиплатформенный инструмент для разработки трёхмерных приложений «Unity». Программа содержит красочные трехмерные объекты, изображающие соответствующие микрообъекты, участвующие в клеточных процессах биосинтеза белка; фон, соответствующий клеточной среде; анимацию с объектами, моделирующую реальные процессы живой природы; возможность навигации в виртуальном пространстве клетки (см. изображение 1). Продукт создан в мере, достаточной для полного усвоения соответствующей темы в рамках курса биологии средней общеобразовательной школы и выполнения заданий ЕГЭ всех уровней сложности. В программе есть звуковое сопровождение, раскрывающее основные моменты темы. Программа воспроизводится на большинстве современных ПК, а также при помощи шлемов ВР (например, при помощи шлема ВР Z 800 3D Visor, имеющимся на базе нашей кафедры).

Изображение 1. Синтез белка (кадр из виртуальной обучающей программы «Синтез белка»)

Экспериментальное исследование, проведенное в за период 2012-2013 гг. с использованием описанной программы, имело задачи выявить особенности влияния программы на способность учеников 9-11 классов средних общеобразовательных школ отвечать на вопросы по теме «Синтез белка» школьного уровня, выполнять усложненные задания по той же теме, изучение изменения характеристик мыслительного процесса при решении этих заданий после работы с программой, а также влияние программы на психические состояния испытуемых. Исследование включало в себя базовое исследование (90 чел.) и микросемантическое исследование мышления (90 чел.). В качестве испытуемых были взяты в основном школьники Смоленской области 15-17 лет.

Далее дается характеристика содержания каждого этапа исследования.

1) Базовое исследование.

До работы с программой испытуемые по заданию экспериментатора выполняли тест, содержащий 10 вопросов по теме «Синтез белка», требующих проявления мыслительной активности (например, Сколько триплетов кодирует 18 аминокислот в белке в процессе его биосинтеза? Какой антикодон соответствует кодону ЦГА? и т.п.), а также задания теста-опросника «Актуальное состояние» (Куликов Л.В.) с целью определения исходного уровня мышления при ответах на вопросы по теме «Синтез белка» и характера текущего психического состояния в плане следующих компонентов: активация, тонус, самочувствие, спокойствие-тревога, возбуждение. Далее следовала работа с программой (20-25 минут), после чего давался тест по той же теме с измененными вопросами уровня сложности, как в первом тесте, и тот же тест-опросник. При сопоставлении результатов тестирования до и после работы с программой выявлялось значение повышения уровня мышления при ответах на вопросы и изменения психического состояния. При этом сравнивалось количество правильных ответов на тест по теме «Синтез белка» до и после работы с программой и значение баллов, определяющих характер каждого компонента психического состояния. Полученные результаты подвергались математико-статистической обработке.

2) Микросемантическое исследование мышления.

На этом этапе исследование проводилось в индивидуальном порядке. Испытуемым предлагалось решить задачу или ответить на усложненный вопрос по теме «Синтез белка», рассуждая вслух (например, на определение аминокислотной последовательности участка белка, кодируемой определенным участком гена ДНК). Экспериментатор записывал все рассуждения для последующего микросемантического анализа (А.В. Брушлинский).

В ходе эксперимента и обработки данных были получены следующие результаты:

1) Результаты базового исследования

В результате проведенного исследования и математико-статистической обработки данных было замечено повышение уровня мышления учеников после работы с программой по сравнению с до нее в 1,3 - 2 и более раза. Составление диаграмм распределения количества правильных ответов, данных определенным числом испытуемых до и после работы с программой, а также подсчет критерия Манна-Уитни (для 1 группы (20 испытуемых) -U=305, р≤0,05, для второй группы, равной по показателям обученности, (20 испытуемых) - U=312, р≤0,05) подтвердили значимость различий между результатами тестирования до и после работы с программой.

После обработки данных по изменениям психического состояния были обнаружены следующие средние величины повышения некоторых компонентов психических состояний: активация – на 12 %; тонус - на 13 %; самочувствие на 13%; спокойствие-тревога – на 5 % (в сторону спокойствия); возбуждение – на 12%. Математико-статистическая обработка данных при помощи программы «Статистика 6» показала значимость корреляций возрастания каждого параметра психического состояния испытуемых: при возрастании одного параметра возрастает и другой.

2) Результаты микросемантического исследования мышления

Под влиянием виртуальной обучающей программы характеристики мыслительного процесса изменялись следующим образом:

Характер прогнозов искомого решения в 58% случаев повышался с низкого (до программы) до среднего (после программы), со среднего до высокого – в 25% и в незначительных количествах (4-7%) не изменялся вовсе или изменялся с низкого до высокого.

Анализ через синтез изменял характер с ненаправленного до смешанного – в 54%, со смешанного до направленного – в 23% и в незначительных количествах (4-8%) не изменяет своего характера или изменялся с низкого до высокого.

Критерий принятия-непринятия подсказки изменялся со значения «не принятия» до «принятия» в 59% случаев, со значения «принятия» до значения «в подсказке не нуждался» в 26% случаев и в незначительных количествах (5-8%) не изменялся (подсказка либо не принята до и после работы с программой, либо в редких случаях принята в обоих случаях).

Относительно отражения в мышлении испытуемых соотношения условий и требований задачи следует отметить, что до работы с программой часто замечалось полное отсутствие связей между данными компонентами задачи, либо бесперспективные в плане решения догадки (гипотезы) об этих связях. После работы с программой при решении задачи испытуемые находили искомые связи более успешно, при этом у них часто воспроизводились в памяти (сознании) образы изученной ВР, соответствующие условию и требованию задачи. Данные образы служили опорой, средством для нахождения решения, давали необходимые сведения для нахождения верного соотношения условий и требований задачи.

В результате проведенных исследований были замечены следующие изменения в уровне сформированности биологических понятий и понятийного мышления в целом у экспериментальной выборки:

При выполнении усложненных заданий до работы с программой у большинства испытуемых наблюдалось незнание смысла тех или иных биологических понятий («ген», «кодон», «нуклеотид» и др.), многие понятия ими были часто перепутаны (например, «кодон» и «нуклеотид»), связь между понятиями часто отсутствовала или представлялась неверно (например, соотношение понятий «кодон» и «ген», комплементарность нуклеотидов ДНК и РНК и др.). После работы с программой при выполнении аналогичных по сложности заданий были замечены увеличение доли понятий (на 50-80 %), смысл которых верно отражался испытуемыми, в обосновании процессуальных решений верно использовалось большинство понятий и терминов, связи между понятиями выражались испытуемыми точнее, в соответствии объективными данными. При выполнении заданий, анализе условия задания и в процессе формулировки процессуальных решений в сознании испытуемых часто воспроизводились образы изученной ВР. Данные образы служили опорой, средством для определения значения многих понятий (встреченных в условиях и требованиях задачи, а также связанных по смыслу и воспроизведенных за счет памяти), их согласования и использования для решения задачи.

Рассуждения испытуемых в процессе решения задачи до программы носили в большей мере эмпирический характер, часто не в соответствии с объективными закономерностями предмета задачи и в соответствии с личными гипотезами и логическими рассуждениями испытуемых, а после работы с программой наблюдалось увеличение теоретических черт рассуждений в различной степени в зависимости от индивидуальных особенностей каждого испытуемого, что свидетельствует о развитии понятийного мышления за счет применяемой программы.

В целом, в результате проведенных исследований можно заключить, что работа с нашей виртуальной обучающей программой положительно сказывается как на развитии мышления, так и на формировании благоприятных психических состояний школьников: с большим успехом даются ответы на вопросы, требующие проявления мыслительной активности; при решении усложненной задачи увеличивается в положительную сторону характер прогнозов искомого решения; анализ через синтез приобретает все больше черт направленности; подсказки для решения задачи применяются все чаще и эффективнее; соотношение условий и требований задачи в мышлении отражаются все четче и перспективнее в плане решения; мышление в целом приобретает все больше черт понятийного, обобщенного, теоретического характера; развивается образное мышление; некоторые основные компоненты психического состояния повышаются в позитивную сторону, коррелируя друг с другом. Таким образом, эксперимент убедительно показывает значительные перспективы в применении таких программ в плане образования школьников, повышения их мотивации к изучению биологии, некоторых вопросов химии и к урочной деятельности в целом, формирования благоприятных психических состояний во время учебных занятий, развития различных сторон и качеств мышления. Исходя из некоторых результатов исследований, неоднократно отмеченных выше, следует заметить, что значительную роль в развитии характеристик мышления играет именно восприятие трехмерных динамических образов, удачно представленных в программе, а также их прослеженная тесная связь с когнитивными и особенно формально-логическими компонентами интеллекта.

Приведенные данные позволяют сделать вывод, что применение технологий ВР для современного биологического образования школьников является целесообразным и перспективным, поскольку позволяет решать большинство образовательных задач в данной предметной области: и в плане улучшения качества знаний, и в плане развития интеллектуальных способностей всех уровней: от мета-предметного до предметного. Следует отметить, что виртуальное изучение биологии, даже с применением технологий подлинных ВР, не сможет заменить обучение с использованием натуральных объектов, особенно в естественной природной среде, однако, сможет существенно повысить уровень знаний и умений учащихся по большинству сложнейших биологических предметов, которые невозможно в настоящее наблюдать в реальности, как например, представленные в нашей программе молекулярные механизмы биосинтеза белка в клетке.

Литература:

1. Примерные программы по учебным предметам. Биология 6-9 классы. Естествознание. 5 класс. М., Просвещение, 2013.

2. Селиванов В.В. Использование методов ВР в развитии интеллекта и обучении. //Образование в современном информационном обществе: синергетическая модель /Ред. Коповский А.С., Малюченко Г.Н. – Саратов: Издательский центр «Наука», 2009.-С.135- 139.

3. Федеральный закон об образовании в Российской Федерации. В ред. Федеральных законов от 25.11. 2013 №317-ФЗ

4. Федотова Е.Л., Федотов А.А. Информационные технологии в науке и образовании/ Е.Л. Федотова, А.А. Федотов: учеб. пос. для студ. высш. учеб. завед. – М., ИД «Форум»: ИНФРА-М, 2010.

5. Huang M.P., Alessi N.E. Presence as an Emotional Experience // Medicine Meets Virtual Reality: The Convergence of Physical and Informational Technologies Options for a New Era in Healthcare. J.D. Westwood, H.M. Hoffman, R.A. Robb, D. Stredney (eds). pp. 148-153. Amsterdam: IOS Press, 1999.

6. Insko B.E. Measuring Presence: Subjective, Behavioral and Physiological Methods // Being There: Concepts, Effects and Measurement of User Presence in Synthetic Environments / G. Riva, F. Davide, W.A.IJsselstein (eds.). IOS Press, Amsterdam, The Netherlands, 2003.