Системы виртуальной реальности (СВР)

В настоящее время системы виртуальной реальности (СВР) находят применение в качестве средств обучения в различных областях знания и в профессиональном обучении.

Виртуальная реальность — высокоразвитая форма компьютерного моделирования, реализующая иллюзию непосредственного вхождения и присутствия пользователя в реальном времени в искусственный мир и непосредственно действовать в нем с помощью специальных сенсорных устройств, которые связывают его движения с аудиовизуальными эффектами. При этом зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения пользователя заменяются их имитацией, генерируемой компьютером. Следовательно, виртуальная реальность создает у человека ощущения, которые дают ему основание считать, что он находится в реалистичной трехмерной виртуальной среде (а не в среде, где он реально существует в данный момент времени) и что он может успешно физически взаимодействовать с трехмерной виртуальной средой.

Характерными признаками виртуальной реальности являются:

• моделирование в реальном масштабе времени;
• имитация окружающей обстановки с высокой степенью реализма, естественное трехмерное зрительное восприятие такой среды;
• возможность воздействовать (контактное взаимодействие) на окружающую обстановку и иметь при этом обратную связь.
• применением ряда новых информационных подсистем (стерео – дисплеи, системы тактильного ощущения, речевого общения и др.)

Действия человека в виртуальной реальности учитываются в процессе ее моделирования. Положение тела, направление взгляда, усилие мышц, а также результаты деятельности человека фиксируются разнообразными датчиками и вводятся в компьютер, замыкая обратную связь системыуправления развитием воспроизводимого виртуального сценария. Все это создает новое качество восприятия и переживаний, осознанные как виртуальные реальности.

Внешний эффект состоит в том, что человек попадает в мир, или весьма похожий на настоящий, или предварительно задуманный, сценированный программистом (например, попадает на Марс, участвует в космических путешествиях или исследует атомное ядро), или, наконец, получает новые возможности в плане мышления и поведения. Наиболее впечатляющим достижением новой информационной технологии, безусловно, является возможность для человека, попавшего в виртуальный мир, не только наблюдать и переживать, но действовать самостоятельно. Собственно говоря, человек и раньше мог, причем достаточно легко, попасть в мир виртуальной реальности, например, погружаясь в созерцание картины, кинофильма или просто, увлеченно поглощая книгу. Однако во всех подобных случаях активность человека была ограничена его позицией зрителя, читателя или слушателя – он сам не мог включиться в действие как активный персонаж.

Упрощенные варианты СВР применяются в качестве различных имитаторов, тренажеров и игровых систем. Они позволяют на обычном персональном компьютере с помощью специальных очков и традиционных средств ввода/вывода информации формировать трехмерное изображение виртуального пространства в реальном времени.

Кроме этого, существует ряд составляющих, на которых основывается возникновение эффекта виртуальной реальности.

Первой составляющей можно считать необходимость создания высокоинформативного трехмерного цветного изображения, позволяющего человеку комфортно воспринимать динамично изменяющиеся объемные сцены виртуального пространства, которые характеризуются высоким пространственно-временным разрешением.

Второй составляющей является возможность получать при контакте с виртуальной средой обратные сигналы в форме адекватных перцептивных откликов – тактильных, звуковых, запахов и др. Эти отклики должны с высокой точностью соответствовать визуальной информации, получаемой по зрительному каналу восприятия.

Третья составляющая — это возможность активно воздействовать на состояние виртуальной среды и на процессы, протекающие в ней, при полном отражении результатов воздействия в информационных потоках, которые поступают человеку по зрительному, тактильному, звуковому и другим каналам.

Полноценный эффект возникновения виртуальной реальности может быть достигнут только тогда, когда все перечисленные составляющие будут реализованы одновременно в интерактивном режиме системы человек-компьютер.

Информационные объекты

Под информационными объектами понимаются законченные и самодостаточные блоки информации, которые могут быть использованы в качестве средств обучения в целях решения той или иной дидактической задачи.

В качестве таких объектов могут выступать самостоятельные текстовые документы, слайды компьютерных презентаций, видеолекции, компьютерные модели явлений, механизмов и процессов, модели лабораторных установок

Документы

Некоторые текстовые документы, такие как страницы электронных задачников и тестирующих систем, требуют реакции пользователя. В простейшем случае необходимо выбрать правильный ответ из списка, в более сложном — сконструировать ответ в символьной форме.

На рис. 2.2.1.1 представлена страница электронного задачника по физике. Здесь ответ конструируется путем перетаскивания с помощью мыши символов из имеющегося набора в специальную строку. В задачниках и тестирующих системах должны быть предусмотрены кнопки ввода ответа («Готов»), отказа от ответа («Дальше») и вызова помощи. Могут также подключаться калькулятор и программа построения графиков.

Рис. 2.2.1.1 Страница электронного задачника

Слайды лекционных презентаций также можно отнести к текстовым документам. Их, как правило, проецируют на экран и рассматривают с большого расстояния. Слайды не следует загромождать текстом. Размер шрифта в тексте и формулах должен быть не менее 20 пунктов. Основными элементами слайда являются рисунки, схемы, диаграммы, формулы. Широко применяется анимация при появлении и трансформации элементов слайда. Чем меньше элементов на слайде и чем они крупнее, тем лучше читается информация с большого расстояния. Не следует использовать одновременно более двух-трех цветов. При цветовой разметке следует учитывать, что на большом расстоянии лучше различаются светлые текст и линии на темном фоне. На слайде не должно быть лишних элементов управления и навигации, отвлекающих внимание. На рис. 2.2.1.2 изображен слайд лекционной презентации по физике.

Рис. 2.2.1.2 Слайд лекционной презентации

Заголовок слайда определяется названием рассматриваемого учебного вопроса. Он выводится на экран при смене слайда без анимации. При управляемом показе текст слайда, элементы рисунков и формул выводятся последовательно в соответствии с изложением материала лектором.
В правой части слайда приводятся формулы, полученные ранее и необходимые при рассмотрении текущего учебного вопроса.

В отличие от текстовых документов компьютерные модели реализуются программным способом на основе математической модели процесса или явления. Компьютерные модели могут быть использованы самостоятельно в качестве лекционных демонстраций или тренажеров, а также могут быть включены в состав текстовых документов.

Компьютерная модель, как правило, состоит из изображения (объемного или схематического) механизма, или установки, органов управления, позволяющих устанавливать параметры, запускать, останавливать работу модели, и средств визуализации состояния модели и ее параметров. Компьютерная модель сопровождается кратким теоретическим описанием изучаемого явления или процесса и описанием порядка работы с нею.

На рис. 2.2.1.3 приведена компьютерная модель изотермического процесса расширения или сжатия идеального газа, входящая в интерактивный курс «Открытая физика».

Рис. 2.2.1.3 Компьютерная модель изотермического процесса расширения или сжатия идеального газа

Объектом исследования является идеальный газ, заключенный в цилиндр с поршнем и помещенный в термостат, имеющий заданную температуру. Работа модели состоит в перемещении поршня под действием внешней силы. Количеством молекул под поршнем показывается, что при изменении объема изменяется их концентрация, стрелками указывается направление передачи тепла. На pV-диаграмме отражается состояние термодинамической системы. Дополнительно на другой диаграмме выводится соотношение между количеством теплоты, сообщенной системе, работой газа и изменением внутренней энергии. Органы управления состоят из кнопок «Пуск», «Стоп», «Сброс» и окна ввода значения температуры.

На рис. 2.2.1.4 представлена модель для изучения закона сохранения момента импульса, выполненная с помощью моделирующей среды Stratum 2000. Здесь изображение установки сделано трехмерным. Имеются органы управления установкой и средства визуализации ее параметров.

Рис. 2.2.1.4 Демонстрационная модель закона сохранения момента импульса

В качестве лекционных демонстраций или индивидуальных средств обучения, включенных в текстовые документы, могут использоваться также численные математические модели, в которых информация визуализируется с помощью графиков.

На рис. 2.2.1.5 приведен график распределения интенсивности света, построенный по теоретической формуле с помощью программы Microsoft Origin.

Рис. 2.2.1.5. Математическая модель распределения интенсивности света в дифракционной картине

Наиболее сложными объектами являются компьютерные модели лабораторных установок. На базе их создаются виртуальные компьютерные практикумы, тренажеры. Модели лабораторных установок могут также использоваться для лекционных демонстраций.

Модель должна воспроизводить все основные параметры реальной установки. Кроме изображения самой установки, приводятся изображения и другого оборудования: источников питания, генераторов, осциллографов и других измерительных приборов. Степень проработки изображений может быть различной, вплоть до трехмерного изображения. Должны функционировать органы управления приборами и оборудованием. Есть примеры реализации модели лабораторной установки с использованием принципа конструктора, когда установка «собирается» из набора элементов самим обучаемым. Кроме изображения оборудования, на экране должна быть таблица для записи результатов измерений. В ряде случаев целесообразно привести принципиальную электрическую схему.

Компьютерная лабораторная работа кроме самой модели установки должна содержать программу обработки результатов эксперимента и распечатки протокола работы. Кроме этого следует привести описание лабораторной работы, содержащее теоретические основы изучаемого явления, описание экспериментальной установки, порядок выполнения работы и обработки результатов, контрольные вопросы для самопроверки.

На рис. 2.2.1.6 приведена модель лабораторной установки для изучения вынужденных электрических колебаний, входящая в компьютерный практикум по курсу общей физики.

Рис. 2.2.1.6. Модель лабораторной установки для изучения вынужденных электрических колебаний

Видеолекции

Видеолекции дают создающему их преподавателю широкий набор средств управления познавательной деятельностью обучаемых и богатые возможности реализации содержания обучения. Особенно полезно использование видеолекций в дистанционном обучении и для активизации самостоятельной работы студентов в очном обучении.

Видеолекция может синтезировать практически все виды информации. Символьную, графическую, звуковую, преподнося все это в комплексе и в динамике. Однако традиционные видеотехнологии создают на телеэкране изображение ограниченной четкости. Наиболее распространенный формат видеозаписи VHS позволяет получить четкость изображения по горизонтали не более 240 линий. Этого недостаточно для качественного отображения сложных схем, чертежей и формул, которыми изобилуют современные технические дисциплины. Такие иллюстрации на телеэкране приходится показывать по частям, что усложняет создание видеолекций и снижает удобство восприятия учебного материала. Указанный недостаток преодолен в компьютерных видеолекциях с синхронной демонстрацией слайдов высокого разрешения.

Прикладные программы

На каждом компьютере устанавливаются операционная система (ОС) и прикладные программы. Операционная система определяет общие правила запуска программ, управления данными и доступа к ресурсам компьютера. Потребности пользователя удовлетворяются за счет прикладных программ, часто называемых приложениями.

Их можно условно разделить на три категории:

· Прикладные программы общего назначения – текстовые, графические, мультимедиа редакторы, математические и др.:

· Прикладные программы специального назначения – лабораторные работы, тренажеры и др.;

· Средства разработки компьютерных средств обучения.

И отдельно упомянем, что для работы в глобальной сети Интернет должна быть установлена специальная программа — т.н. браузер.