Формирование учебной мотивации и мышления у студентов средствами виртуальной реальности

Введение

В современной образовательной практике внедрение новых технологий, методов и средств обучения становится жизненной необходимостью. В связи с этим особо важно исследование применения сложного оборудования и техники в процессе обучения. При этом актуальная проблема научной психологии — изучение процесса мышления и учебной мотивации предстает в новом ракурсе. У современного человека необходимость постоянного приобретения новых знаний и обработки большого количества поступающей информации, предопределяет значимость формирования высокого уровня критического мышления. Данное утверждение является первостепенным для студентов технических вузов, поскольку они находятся у самых основ создания новых технологий. В процессе преподавания высшей математики необходимо использовать методы обучения, которые обеспечивают сам процесс формирования мышления и различных профессиональных компетенций у будущих инженеров, математиков и программистов, а также способствуют формированию учебной мотивации у студентов. Одним из таких методов обучения представляется работа в виртуальной реальности (ВР), так как в ней обеспечена широкая возможность анимации и осуществления действий в информационном пространстве, что способствует реализации принципов наглядности, доступности, сознательности и активности.

Проблема исследования: эффективность использования виртуальных обучающих программ в процессе изучения линейной алгебры, в первую очередь для формирования мышления и учебной мотивации.

Гипотеза исследования: применение средств виртуальной реальности в изучении линейной алгебры будет эффективно влиять на ход и результативность мыслительного процесса студентов (H1).

Практическая значимость исследования состоит в том, что предложенные рекомендации по применению средств виртуальной реальности в изучении высшей математики могут быть использованы в работе преподавателей технических и педагогических вузов.

Теоретический конструкт

На теоретическом этапе работы был проведен анализ научных статей по близким к нашему исследованию темам за последние годы и более ранние работы.

В.В. Селиванов в статье «Теория мышления как процесса: Экспериментальное подтверждение» рассмотрел основные положения теории мышления А.В. Брушлинского, ее развитие в современной психологии [12]. А.А. Марголис, Л.С. Куравский, В.К. Войтов, В.С. Юркевич и другие в статье «Интеллект, креативность и успешность решения задач учащимися среднего школьного возраста в компьютерной игре ”PLines”» описали характер взаимосвязи психометрических показателей интеллекта и креативности учащихся среднего школьного возраста с успешностью решения задач в компьютерной игре [6]. В статье Н.Б. Шумаковой «Познавательная активность и креативность младших школьников с высокими интеллектуальными способностями в разных образовательных средах» показано, что интеллектуально одаренные младшие школьники, обучающиеся в условиях образовательной среды, характеризующейся высоким уровнем когнитивной сложности, диалогичности и ценностью творческой активности ребенка, обнаруживают достоверно более высокие показатели вербальной креативности, а также уровня, глубины и широты познавательной активности, чем их одаренные сверстники, обучающиеся в условиях типовой (традиционной) образовательной среды [15]. О.И. Крушельницкая, М.В. Полевая, А.Н. Третьякова в статье «Мотивация к получению высшего образования и ее структура» исследовали особенности мотивации получения высшего образования, ведущие мотивы, мотивационную структуру [4]. И.Е. Ржанова, О.С. Алексеева, Ю.А. Бурдукова в статье «Успешность в обучении: взаимосвязь флюидного интеллекта и рабочей памяти» представили обзор современных работ, посвященных исследованиям взаимосвязи флюидного интеллекта и рабочей памяти [10].

Анализ научных источников по данной теме позволил подойти к исследованию со следующих позиций:

1)    в юношеском возрасте преобладает развитие абстрактного, словесно-логического и теоретического мышления [5]; развиваются функции планирования и принятия решений, увеличивается гибкость и креативность мышления [8]; увеличивается уровень рефлексии, самоконтроля и саморегуляции [7];

2)    в процессе преподавания высшей математики обычно используются индуктивные и дедуктивные методы, что способствует формированию у студентов конкретного и абстрактного видов мышления (на занятиях по линейной алгебре), формированию метакогнитивного плана мышления [14];

3)    учебная мотивация — это частный вид мотивации, включенной в учебную деятельность [3]. При этом мотив — побудитель к действию, включающий потребность и объект ее удовлетворения (опредмеченная потребность) (А.Н. Леонтьев). В данном исследовании мотивация обучения рассмотрена в более широком смысле — в качестве общего названия для процессов, интериоризованных методов, средств побуждения учащихся к продуктивной познавательной деятельности, к активному освоению содержания образования [2]; кроме того, как и любой другой вид мотивации, она системна и характеризуется, в первую очередь, направленностью, устойчивостью и динамикой [9];

4)    виртуальная реальность (ВР) — мнимый, искусственный мир, создаваемый на основе имитационно-симуляционных технологий, путем их воздействия на органы чувств в зависимости от того, кто его воспринимает. Такая ВР характеризуется четырьмя основными качествами: трехмерностью информационных объектов; возможностью анимации (визуальное отображение изменений объекта или объектов, плюс возможность передвижения в информационной среде); интерактивностью (взаимодействие с пользователем в режиме реального времени за счет сетевой обработки данных); созданием эффекта присутствия (presence) (иллюзия содействия с предметами и/или субъектами в ВР) [1].

Виртуальная реальность с этих позиций относится как к методам и к средствам, так и к технологиям процесса обучения, а также выступает в роли средства формирования учебной мотивации у студентов. Этот факт позволяет говорить о виртуальной реальности как об эффективном способе воздействия на психику обучающегося [12]. Выделяются конкретные результаты воздействия виртуальной реальности на мышление человека:

1)   возникновение новых нестандартных мыслей о связях условий и требований задачи;

2)   увеличение количества семантических связей в мышлении;

3)   расширение зоны поиска решения [11].

Таким образом, для юношеского возраста характерно развитие абстрактного мышления. Высшая математика по своим свойствам выступает средством развития абстрактного мышления у студентов. В качестве средства изучения высшей математики и формирования учебной мотивации у студентов могут быть использованы технологии виртуальной реальности.

Эмпирическая часть

База для исследования: Российский технологический университет МИРЭА.

В выборку вошли 90 человек от 17 до 21 года, из которых 23,33% — женского пола.

Респонденты поделены на 3 группы: одна экспериментальная и две контрольные. Для обеспечения большей надежности исследования применен метод выравнивания групп по параметрам пол и курс. В каждой группе — по 30 человек: 25 человек — мужского пола, 5 — женского; 23 студента в каждой группе учатся на 1-м курсе, 7 — на 4-м курсе.

На рис. 1 представлена гистограмма распределения по возрасту. По этому параметру не проводилось выравнивание групп, поэтому соотношения различаются.

Рис. 1. Гистограмма «Распределение по возрасту»

На рис. 2 показано распределение по самооценке успеваемости. Здесь студентам предлагалось самостоятельно оценить свою успеваемость по 10-бальной шкале. Необычно, что во всех группах распределение по оценки успеваемости получилось нормальным.

Распределение по самооценке успеваемости

Рис. 2. Гистограмма «Распределение по самооценке успеваемости»

Методики. В каждой группе испытуемых произведено два замера знаний теории линейной алгебры по теме «Поверхности второго порядка», два замера текущего состояния по методике САН — самочувствие, активность, настроение (Н.А. Лаврентьева, М.П. Мирошников, В.А. Доскин, В.Б. Шарай (1973)) и два замера учебной мотивации по методике (А.А. Реан и В.А. Якунин, в модификации Н.Ц. Бадмаевой).

Два теста по теории линейной алгебры разрабатывались совместно с преподавателями высшей математики и включают в себя 10 вопросов, среди которых 8 — вопросы с выбором ответа из предложенных и 2 — требующие развернутого ответа.

Процедура исследования

Исследование включает в себя два эксперимента. Схема эксперимента № 1: 1) констатирующий этап; 2) формирующий этап; 3) контрольный этап. Во время констатирующего этапа участники всех групп проходят первый тест на знание теории темы «Поверхности второго порядка», а также опросник САН.

Во время формирующего этапа респонденты группы № 1 (экспериментальной) работают в ВР-программе, респонденты группы № 2 (контрольной) читают учебник по линейной алгебре, респонденты группы № 3 (контрольной) не занимаются целенаправленным изучением темы и отдыхают.

Во время контрольного этапа эксперимента участники всех групп осуществляют две диагностики: решают второй тест на знание теории темы «Поверхности второго порядка» и отвечают на опросник САН для определения текущего психического состояния.

Схема эксперимента № 2, такая же, как и в эксперименте № 1, была реализована через 2 месяца в тех же группах на дидактическом материале по другой теме высшей математики.

Во время констатирующего этапа участники всех групп тестируются по методике для диагностики учебной мотивации студентов (А.А. Реан и В.А. Якунин, модификация Н.Ц. Бадмаевой).

Формирующий этап эксперимента № 2 совпадает с аналогичным этапом эксперимента № 1.

Во время контрольного этапа участники всех групп повторно тестируются по методике диагностики учебной мотивации студентов (А.А. Реан и В.А. Якунин, модификация Н.Ц. Бадмаевой).

В качестве независимой переменной выступало оборудование — дидактическая ВР-программа «Поверхности второго порядка». Для данной программы был написан специалистом подробный (покадровый сценарий), затем методистом осуществлена редакция его содержания, после этого все объекты были сформированы в программе 3-D Max, окончательная сборка и «озвучка» осуществлялась в «движке» Unity. Просмотр и работа в таком программном продукте занимает в среднем 8—15 минут времени. Меню программы позволяет перейти в «виртуальные комнаты» для изучения тем линейной алгебры («О поверхностях второго порядка» или определенных объемных фигур «Эллипсоид», «Двуполостный гиперболоид», «Конус» и т. д.). Перемещение внутри ВР-программы позволяет исследовать различные математические трехмерные объекты — поверхности второго порядка (однополостный гиперболоид, двуполостный гиперболоид, конус, эллипсоид, эллиптический параболоид, эллиптический цилиндр, параболический цилиндр, гиперболический цилиндр, гиперболический параболоид); при этом интерактивность поддерживается на протяжении всего процесса обучения. Это позволяет поэтапно изучать выбранную тему. В ВР-программах имеется возможность приближать и удалять фигуры, видеть различные сечения фигур, смотреть на них с разных сторон, вращать геометрическое пространство в любых отношениях, что обеспечивает широкую анимацию для образовательного процесса.

На рис. 3 и 4 представлены однополосный гиперболоид и сечение эллиптического параболоида из программы «Поверхности второго порядка».

Результаты

Результаты исследования отражены в изменениях трех основных показателей: уровень мышления и знаний по изучаемой теме, психическое состояние и мотивация к учебной деятельности.

На рис. 5 и 6 прослеживается сдвиг распределения по показателю «знание теории» у испытуемых. Респонденты группы № 1 после работы в VR-программе стали значительно лучше знать теорию. Респонденты группы № 2, которые читали учебник, также продемонстрировали более высокие показатели по знанию теории, чем в начале исследования. У них отмечено существенное увеличение среднего показателя в целом по группе, хотя меньшее, чем у группы № 1.

У контрольной группы № 3 среднее значение тоже увеличилось, но в меньшей степени (рис. 7). Это было ожидаемо, поскольку участники этой группы не осваивали дидактический материал по данной теме, учебной нагрузки в перерыве между тестированиями у них не было, со стороны экспериментаторов на психику испытуемых не оказывалось никакого влияния и, можно сказать, что они отдыхали во время формирующего этапа эксперимента № 1.

Для анализа показателей изменения уровня мышления, знаний и психического состояния применялся критерий Вилкоксона. В табл. 1 приведены обработанные результаты эксперимента № 1.

Из табл. 1 видно, что в группах № 1 и № 2 выявлены значимые различия по уровню мышления и знания теории, т. е. усвоение учебного материала прошло успешно. Это позволило утвердиться в гипотезе о том, что применение средств виртуальной реальности в изучении линейной алгебры эффективно влияет на ход и результативность мыслительного процесса у студентов H1.

Кроме того, в табл. 1 показано, что состояние имеет значительные различия только в группе № 1, т. е. сдвиг произошел в положительную сторону и общее состояние респондентов улучшилось после работы в программе (рис. 8).

Таблица 2

Результаты эксперимента № 1 (самочувствие, настроение, активность) 

Результаты показывают, что значимые различия, по критерию Вилкоксона, присутствуют только в группе № 1 в параметре «Активность». Распределение этого параметра представлено на рис. 9 и явно указывает на положительную динамику после работы в ВР-программе, что отразилось на увеличении активности участников эксперимента. Объективно среднее группы № 1 по параметру «Активность» возросло на 7,39%. Т-критерий Вилкоксона = 0,02. Следовательно, различия между показателем активности до и после работы в обучающей ВР-программе значимые, что также зафиксировано в табл. 2.

Рис. 9. Гистограммы распределения показателя активности у первой группы до и после формирующего этапа эксперимента № 1

Полученные результаты позволили сделать предположение о том, что после работы в ВР-программе у студентов увеличивается учебная мотивация. Для проверки данного утверждения был организован эксперимент № 2. Его результаты подтвердили, что повышение уровня знаний по сложной теме в сочетании с улучшением общего психического самочувствия повышает и мотивацию к учебной деятельности. Динамика уровня мотивации в экспериментальной группе № 1 показана на рис. 10. Больше всего положительные изменения заметны по шкалам: «Мотивы творческой самореализации» и «Учебно-познавательные мотивы». В целом, среднее по параметру «Мотивация» выросло на 6,27%.

Выводы

Полученные в ходе проведения экспериментального исследования результаты позволяют говорить о том, что для получения знаний и формирования мышления у студентов средства виртуальной реальности могут быть не менее эффективны, чем традиционный метод чтения литературы. На основании этого заключения сделаны следующие выводы.