Применение 3D-моделей при обучении студентов-химиков

В настоящее время в различных сферах жизни человека всё чаще применяют информационно-коммуникационные технологии, связанные с 3D-моделированием. С одной стороны, трёхмерные изображения объектов являются основой для изготовления декоративных украшений и изделий технического характера, проведения тренировочных симуляций и демонстраций анимационных фильмов обучающего и развлекательного характера [1]. С другой стороны, 3 D-моделирование является одним из эффективных инструментов решения профессиональных задач, например, для медицинской диагностики, построения чертежей при выполнении инженерных проектов, создания анимаций и симуляций, разработки виртуальных лабораторий различного назначения, а также других целей [2-4].

В связи с внедрением 3 D-технологий в жизнь человека закономерным является их более широкое использование в профессиональном образовании в высшей школе [46]. Поэтому исследование проблемы применения 3D-моделей в образовательной среде непосредственно связано с обеспечением современного качества подготовки выпускника. При такой постановке проблемы возникает ряд вопросов: В чём состоит образовательный ресурс 3D-моделей при реализации химических дисциплин? Каковы его возможности и ограничения? Как сочетать их с другими средствами обучения студентов-химиков?

Направления работы с 3D-моделями при освоении химических дисциплин

В работе с 3D-моделями выделяют три основных направления: 3D-моделирование (разработка моделей объектов в результате компьютерного моделирования); VR (виртуальная реальность) (применение анимаций и симуляций для образования и отдыха); 3D-печать (изготовление реальных объектов по моделям). Исследователями указывается на возможности применения каждого из них для решения образовательных задач при обучении в средней и высшей школе [4-6]. Однако проведённый обзор различных источников информации показывает, что в них (за исключением создания и демонстрации отдельных моделей молекул) практически отсутствует описание опыта исследователей по использованию 3D-моделирования при освоении химических дисциплин в высшей школе. Поэтому в данной публикации обозначим некоторые из особенностей и возможностей подготовки и 3D-моделирования химических оборудования и посуды, химических веществ и процессов, изучаемых студентами-химиками.

3D-моделирование (сокращение «3D» происходит от англ. «3 dimensions» – «3 измерения») представляет собой процесс создания трехмерной модели объекта на компьютере в графическом редакторе, т.е. визуального объёмного образа желаемого объекта. 3D-моделирование повышает наглядность представления идеальных объектов, осваиваемых студентами при изучении теоретических основ химии, и проектируемых изделий. При этом его выполнение не требует фактического наличия их физических аналогов. Разработка 3D-моделей создаёт условия для развития критического мышления обучающихся и принятия нестандартных решений [4, 6-7].

Среди основных сфер применения «VR» отмечают образование [4, 8]. В обучении химическим дисциплинам возможности «VR» позволяют могут быть реализованы через анимацию и/или симуляцию химических процессов. Анимированы могут многие химические явления микромира (взаимодействие молекул, разрушение кристалла вещества и др.).

3D-печать является средством создание материального объекта на основе трёхмерной модели, разработанной в процессе работы с ресурсами компьютерной программы. Возможна печать 3D-модели собственного замысла. Для этого требуется наличие соотвествующего принтера в образовательном учреждении [4, 6].

Таким образом, в применении трёхмерных объектов, включая химическое образование, центральным является 3D-моделирование, которое определяет содержание и назначение создаваемых объектов.

Особенности подготовки к созданию 3D-моделей

В процессе моделирования 3D-объектов с помощью трёхмерной графики можно создать точную копию конкретного пред- мета или разработать новый, ранее не существовавший объект. Данный процесс включает процессы моделирования, текстурирования, настройки освещения и точки наблюдения, визуализации (рендеринга) [6]. Однако такая работа осуществляется средствами графического редактора и предполагает следующие этапы подготовки к данному виду деятельности:

• 1)    приобретение видеокарты для стационарного компьютера, необходимой для работы графического редактора (у современных ноутбуков видеокарта уже встроена в процессор);

• 2)    установка программного обеспечения на компьютер;

• 3)    освоение интерфейса и приёмов работы в компьютерной программе.

Компьютерные программы для моделирования объектов, применяемых при освоении химии, позволяют моделировать различные объекты, изучаемые в химии: абстрактные (атомы, молекулы, кристаллические решётки и др.) и материальные (химическая посуда и оборудование, приборы). Среди компьютерных программ можно подобрать программы с открытым кодом (распространяются бесплатно), например, «Blender» (разработка объектов макромира и микромира) и «ChemSketch» (создание моделей молекул). Они дают возможности планировать процессы, например, при осовении дисциплины «Техника химического эксперимента»: моделирования молекул; создания трёхмерных изображений химической посуды и оборудования, химических установок (см. рис. 1); разработки небольших анимаций химических процессов (проникновение вещества-гормона в клетку, наращивание молекулы гликогена и др.); подготовки несложных симуляций химических процессов (нагревание, возгонка и др.). (см. рис. 2).

Рис. 1. 3D-модель н-бутана («ChemSketch»)

Рис. 2. Симуляция «Перемешивание при выпаривании раствора вещества» («Blender»)

При этом вслед за другими исследователями [5-6] в качестве технических недостатков можно отметить необходимость подготовки преподавателя к включению 3D-технологии в образовательный процесс и организации доступа учеников к оборудованию. Первый аспект проблемы предполагает предварительное обучение на базе образовательного учреждения или онлайн на курсах профессиональной переподготовки. Однако последний вопрос больше касается вопросов виртуальной реальности и 3D-принтера, а в отношении 3D-моделирования речь идёт о возможности использования бесплатной компьютерной программы. Также интересен факт, связанный с тем, что около 3% людей неспособны воспринимать 3D-изображения по причине особенностей строения зри- тельного аппарата, что представляет собой особый аспект проблемы [9].

Возможности 3D-моделирования в образовательном процессе

Исходя из опыта исследователей, работающих с 3D-моледями, в обучении студентов химическим дисциплинам в качестве наиболее значимых можно указать следующие возможности для обновления содержания обучения:

• -    акцентирование внимания обучающихся на особенностях моделируемых объектов в сочетании с применением других средств наглядности формирует представления об их существенных признаках;

• -    визуализация объектов в трёхмерном измерении способствует целостному восприятию информации и объектов более сложной конструкции и формы;

• -    развитие познавательных процессов (воображение, мышление, память и др.) и повышение интереса в отношении изучаемых вопросов создаёт основу для самостоятельной деятельности студентов.

Данные возможности обучения студентов-химиков в высшей школе могут быть реализованы, как на аудиторных занятиях, так и во внеаудиторной деятельности (см. табл.).

Таблица. 3D-моделирование в образовательных целях

Создание моделей		Демонстрация моделей
Компьютерная   программа для моделирования.	3D-сканер для получения текстуры объекта.	Средствами компьютерной программы на обычном компьютере или в специально оборудованном классе.
Выполнение индивидуального домашнего задания, моделирование на индивидуальных занятий и консультациях студентов.		Применение моделей на лабораторных или практических занятиях, индивидуальных занятиях.

Создание трёхмерных моделей от формирования объектов с их текстурированием до визуализации предполагает затрату значительного количества времени. Поэтому наиболее вероятно оно может быть выполнено как самостоятельная часть домашнего задания и доработано на индивидуальной консультации студентов. Отдельные элементы могут быть реализованы также на индивидуальных занятиях по химическим дисциплинам. Предварительный просмотр изготовленных моделей можно также осуществить на обычном компьютере, а последующую демонстрацию в завершённом варианте – на специальном оборудовании для визуализации трёхмерных объектов.

В целом, 3D-моделирование в образовательных целях, в том числе, при освоении химических дисциплин, требует грамотной организации познавательной деятель- ности студентов на аудиторных и внеаудиторных занятиях. Важно эффективно планировать виды работ с учётом сложности трёхмерных объектов и времени, необходимого на их выполнение.

Выводы

• 1.    3D-технологии позволяют создавать и работать с 3D-моделями при освоении химических дисциплин в высшей школе. При этом наиболее доступным является процесс 3D-моделирования на внеаудиторных занятиях и с использованием программ со свободным распространением. 3D-моделирование ограничивается, в первую очередь, наличие обучения преподавателей работе с соответствующими программами.

• 2.    Средствами 3D-моделирования можно не только создавать трёхмерные модели, но и простые анимации и симуляции химических процессов.