Использование виртуальной реальности (VR) в образовательном процессе вуза

Визуализация абстрактных физических концепций, обеспечиваемая современными компьютерными технологиями, представляет собой мощный инструментарий для исследования и преподавания сложных теоретических моделей. Использование динамических визуальных образов и технологий виртуальной реальности (VR) позволяет создавать интерактивные пространственновременные модели, которые существенно облегчают понимание многомерных физических явлений [1].

Эмпирически доказано, что такой подход не только способствует глубокому усвоению материала, но и стимулирует когнитивную активность обучающихся, развивая их способность к формулированию оригинальных гипотез и нестандартному мышлению.

Ранее моделирование физических процессов требовало применения специализированных аппаратных и программных комплексов, что ограничивало доступность метода. Однако технологии виртуальной реальности, благодаря своей масштабируемости и интеграции в массовые образовательные платформы преодолевают эти барьеры, обеспечивая широкий доступ к визуализации средств [2].

Это открывает новые перспективы для интеграции визуального анализа в учебные программы, усиливая междисциплинарный подход в преподавании физики и смежных дисциплин.

Таким образом, VR-технологии не только оптимизируют процесс познания, но и формируют у студентов навыки работы с современными цифровыми инструментами, что соответствует требованиям современного образовательного стандарта.

В этом контексте одной из наиболее перспективных инноваций является применение виртуальной реальности (VR) при преподавании физики в высших учебных заведениях. Особое место занимает виртуальная реальность (VR), которая предоставляет уникальную возможность моделировать сложные физи- ческие процессы в интерактивной трехмерной среде.

Это особенно важно при обучении технических дисциплин, таких как физика, где многие явления невозможно или затруднительно продемонстрировать в реальном мире из-за их масштабов, скорости или опасности.

Цель исследования: изучить влияние использования технологии VR на понимание студентами сложных физических процессов и разработать рекомендации для её применения в высшей школе.

Основные задачи:

• 1.    Проанализировать текущее состояние использования технологии VR в образовании.

• 2.    Исследовать эффективность VR в сравнении с традиционными методами обучения.

• 3.    Разработать рекомендации по внедрению VR-технологий в преподавании физики.

Объект исследования: использование VR-технологий в преподавании физики.

Предмет исследования: влияние VR на уровень понимания студентами сложных физических процессов и явлений.

Что же такое виртуальная реальность? По мнению Н. Е. Дарийчук «Виртуальная реальность – это создание полностью искусственной среды, которая замещает человеку всю аудиовизуальную информацию, поступающую из окружающего мира» [3].

С точки зрения С.А. Коробковой, «виртуальная реальность» – инструмент для совершенствования традиционных методов обучения за счет использования специально разработанного программного обеспечения [4].

И.В. Роберт в своей монографии технологию виртуальнойя реальности рассматривает как технологию неконтактного информационного взаимодействия, реализующую с помощью комплексных мультимедийных операционных сред иллюзию непосредственного вхождения и присутствия в реальном времени в стереоскопически представленном «экран-

Использование виртуальной реальности (VR) в образовательном процессе вуза

С.А. Кондаков

ном мире» («виртуальном мире») при обеспечении тактильных ощущений при взаимодействии пользователя с объектами виртуального мира [7].

Виртуальная реальность (VR) представляет собой инновационную компьютерную платформу, которая создаёт интерактивную трёхмерную среду, имитирующую как реальные, так и абстрактные физические системы. Эта технология, основанная на использовании шлемов и контроллеров, обеспечивает полное погружение пользователя в симулируемую среду, где он может манипулировать объектами, наблюдая за их поведением в режиме реального времени. В контексте обучения физике VR становится мощным инструментом для реализации принципов активного и исследовательского обучения, позволяя преодолеть ограничения традиционных методов.

Особую ценность VR имеет в воспроизведении сложных физических процессов, таких как кинематика небесных тел, динамика волновых феноменов или квантовые явления, которые трудно представить визуально или продемонстрировать в лабораторных условиях.

Например, студенты могут «входить» в атомную структуру, наблюдая за движением электронов или моделировать столкновения частиц в ускорителях, недоступных для практического освоения в школе. Такие сценарии не только иллюстрируют абстрактные законы, но и формируют пространственное мышление и системный подход к анализу явлений [8].

Важнейшая педагогическая особенность VR – возможность создания безопасных симуляторов рискованных экспериментов (например, ядерных реакций или взрывов), что снижает психологические барьеры у обучающихся и позволяет многократно повторять опыты без дополнительных затрат.

Кроме того, VR способствует глубокому усвоению материала за счёт эмоциональной вовлечённости: погружение в динамичную среду усиливает мотивацию и запоминаемость информации [5-6].

Интеграция VR в образовательный процесс соответствует современным тенденциям, направленным на развитие компетентностного подхода, где акцент делается на формировании у обучающихся умения применять знания в новой ситуации. Однако успешная реализация этой технологии требует разработки адаптированных программных продуктов, соответствующих возрастным и предметным особенностям, а также подготовки педагогов к работе с цифровыми инструментами.

Таким образом, VR не просто дополняет традиционные методы обучения физике, она открывает возможности для создания индивидуализированных образовательных траекторий, где каждый ученик становится исследователем, способным экспериментировать, наблюдать и формулировать законы природы на основе исследовательского опыта [10].

Для реализации поставленной цели исследования была определена экспериментальная база.

Для эмпирической проверки гипотезы о преимуществах VR-технологий в обучении физике был проведен сравнительный анализ двух групп студентов, обучающихся по программе «Прикладная информатика» (дисциплина «Математическое моделирование объектов и процессов виртуальной среды»).

В исследовании приняли участие 45 студентов первого курса, разделенных на:

– экспериментальную группу (20 человек), обучающиеся с применением VR-симуляций;

– контрольную группу (25 человек), осваивавшую материал традиционными методами (лекции, практикумы).

В качестве ключевого раздела курса был выбран блок «Электродинамика», включающий подразделы:

– «Основные законы электромагнетизма» (законы Ампера, Фарадея, Максвелла),

– «Движение заряженных частиц в электромагнитных полях»,

– «Принципы суперпозиции и энергетики электромагнитного поля».

Основным разделом исследования был взят раздел: «Электродинамика», в который входит такие подразделы, как «Основы электродинамики», «Закон Ампера и закон Фарадея», «Уравнения Максвелла», «Электромагнитные волны», «Движение заряженных частиц в электромагнитных полях», «Принцип суперпозиции и энергетика электромагнитного поля».

Для оценки исходного уровня знаний всех участников был проведен диагностический тест.

В рамках эксперимента три VR-платформы – Tilt Brush, Universe Sandbox и Physics VR – применялись для моделирования электромагнитных процессов, что позволило реализовать интерактивный подход к изучению абстрактных концепций.

Tilt Brush, разработанный Google, представляет собой инструмент виртуальной реальности для создания объемных художественных моделей. В контексте физического образования его функционал адаптирован для реконструкции электрических и магнитных полей в трехмерной проекции [8].

С помощью Tilt Brush можно визуализировать электрические и магнитные поля в объеме, создавая наглядные трехмерные визуализации силовых линий, векторных полей и распределения потенциалов.

Она дает возможность обучающимся лучше понять структуру и поведение полей в реальном пространстве, позволяет визуализировать динамические процессы, например, электромагнитные волны, движение заряженных частиц в полях, а также взаимодействия между полями и телами. Примеры применения: построение эквипотенциальных поверхностей для точечных зарядов; имитация движения зарядов в переменных магнитных полях; анализ траекторий частиц под воздействием силы Лоренца.

Universe Sandbox, изначально созданный для моделирования астрономи- ческих процессов, был адаптирован для демонстрации законов электродинамики.

Ключевые этапы эксперимента:

• 1.    Создание виртуального пространства с заданными параметрами (масса, заряд, начальная скорость частицы).

• 2.    Введение магнитного поля с фиксированными значениями индукции и направления.

• 3.    Наблюдение за траекторией частицы в условиях воздействия силы Лоренца.

• 4.    Параметрическая настройка: изменение заряда, скорости и напряженности поля для анализа зависимости радиуса кривизны траектории от физических величин [5].

Результаты моделирования: подтверждение классических уравнений электродинамики, визуализация спиральных траекторий при наличии компонент скорости, перпендикулярных магнитному полю, количественный анализ зависимости радиуса окружности от интенсивности магнитного поля и заряда частицы [6].

Для этого:

• –    в программе создается виртуальное пространство, в котором размещается заряженная частица;

• –    задаются параметры частицы: масса, заряд и начальная скорость движения;

• –    в области движения частицы вводится постоянное магнитное поле с заданной величиной и направлением – это поле действует на частицу, согласно законам электродинамики;

• –    наблюдение за движением частицы: запускается моделирование, в ходе которого частица начинает двигаться под воздействием магнитного поля в реальном времени;

  – анализ траектории: в отсутствии магнитного поля частица движется по прямой линии, а при включении магнитного поля траектория частицы изменяется, приобретая

Использование виртуальной реальности (VR) в образовательном процессе вуза

С.А. Кондаков

форму окружности или спирали – это результат действия силы Лоренца, которая всегда перпендикулярна направлению скорости и магнитного поля;

• –    вариация параметров: обучающиеся меняют силы магнитного поля, значение заряда и скорость частицы, чтобы видеть, как эти параметры влияют на радиус кривизны и частоту вращения траектории. Это позволяет глубже понять количественные зависимости в уравнениях электродинамики;

  – запись и анализ данных. Результаты моделирования записываются, после чего проводится анализ – строятся графики зависимости радиуса кривизны пути от силы магнитного поля и других параметров.

Physics VR – специализированная платформа для изучения физических явлений в трехмерной среде.

К функциональным возможностям относятся:

• 1.    Моделирование электрических и магнитных полей с возможностью изменения напряженности и направления;

• 2.    Отслеживание траекторий заряженных частиц в реальном времени;

• 3.    Выполнение виртуальных лабораторных работ (например, изучение электромагнитной индукции, взаимодействие токов с магнитными полями);

• 4.    Параметрическая настройка (масса, заряд, скорость частицы; напряженность, ориентация поля).

Практическая реализация:

• –    изучение распределения векторов магнитного поля вокруг проводника с током;

• –    анализ действия силы Ампера на рамку с током в неоднородном магнитном пол;

• –    имитация работы электродвигателя через взаимодействие магнит-

• ного поля с движущимися зарядами [8].

После эксперимента проводились тест для анализа уровня достижений после завершения курса и опрос участников эксперимента с целью выявления отношения студентов к использованию VR.

По результатам тестирования было установлено, что студенты экспериментальной группы показали значительно более высокие результаты по сравнению с контрольной группой.

Увеличение правильных ответов на вопросы об электродинамических явлениях составило 42% в экспериментальной группе против 17% в контрольной.

Студенты, работавшие с VR, лучше понимали причинно-следственные связи между параметрами системы (например, влияние скорости движения заряда на интенсивность магнитного поля).

Анализ работы студентов показал, что использование VR способствовало также развитию метакогнитивных навыков: студенты стали чаще формулировать собственные гипотезы и проверять их экспериментально, они научились самостоятельно выбирать наиболее эффективные стратегии решения задач.

Опрос показал, что большинство студентов экспериментальной группы отметили повышенный интерес к предмету благодаря VR. Они также сообщили о снижении уровня тревожности, связанного с изучением сложных концепций.

На основе полученных результатов можно предложить ряд рекомендаций по использованию VR в высшей школе:

• 1.    Создание специализированных VR-симуляций для изучения механики, термодинамики, квантовой физики;

• 2.    Интеграция искусственного интеллекта для автоматизации анализа ошибок и персонализации обучения;

• 3.    Международное сотрудничество в области разработки открытых VR-платформ для образовательного использования.

В то же время существуют и проблемы внедрения VR-технологий:

• 1.    Технические ограничения: высокая стоимость оборудования и необходимость технической поддержки.

• 2.    Методологические пробелы: отсутствие стандартов оценки эффективности VR-обучения.

• 3.    Подготовка преподавателей: потребность в дополнительном профессиональном развитии для работы с цифровыми инструментами.

Также очевидны и перспективы развития данного направления:

• 1.    Интеграция VR с ИИ для создания адаптивных учебных сред, учитывающих индивидуальные особенности обучающихся.

• 2.    Междисциплинарное применение технологий: от физики до медицинского моделирования.

• 3.    Расширение доступа через развитие облачных решений и мобильных VR-устройств.

Использование VR-технологии в преподавании технических дисциплин способствует лучшему пониманию материала, развитию когнитивных и ме-такогнитивных навыков, а также увеличению мотивации студентов. Вместо двухмерных схем и формул студенты и преподаватели получают возможность создавать и изучать модели, которые можно осмотреть со всех сторон, изменять параметры и исследовать влияние изменений на физические процессы [9].

Работа в 3D-пространстве формирует у обучающихся навыки пространственного воображения, что особенно важно для понимания дисциплин, связанных с электродинамикой и другими направлениями физики.

Однако для успешного внедрения VR необходимо преодолеть технические и экономические барьеры, связанные с внедрением данной технологии.