Введение
Технологии виртуальной реальности (ВР) — это один из высших видов современного программирования, реализуемый при помощи различных технических устройств (персональных компьютеров, шлемов ВР, перчаток ВР, костюмов ВР и др.) и обеспечивающий вхождение пользователя в искусственно созданный виртуальный мир с возможностью навигации в виртуальном пространстве, изменения угла обзора, изменений некоторых параметров этого виртуального мира и т. д. ВР обязательно должна содержать трехмерные красочные объекты (статические и динамические). При качественно выполненной ВР у пользователя складывается ощущение присутствия (Presence) [Величковский, 2016; Войскунский, 2010; Vacca, 1996; Huang, 1999; Insko, 2003; Jacob, 1991; Jonassen, 1996; Shubert, 2002].
ВР может применяться в различных областях деятельности человека: психологических и социальных исследованиях, в образовании (среднем, высшем, в различных видах профессионального образования), при лечении различных заболеваний (клаустрофобия, никтофобия и др.), в релаксационных и игровых целях (компьютерные игры), при проведении научных конференций, для дистанционного обучения и др. [Ананьева, 2011; Богданова, 2018; Войскунский, 2006; Зинченко, 2010; Menshikova Galina, 2018; Riva, 2001; Wolpow, 2002]. Создание подобных компьютерных программ является одним из критериев интеллектуальной конкурентоспособности страны [Григорьев, 2018].
Наши экспериментальные исследования связаны с изучением влияния ВР образовательного характера на различные компоненты личности (мышление, память, мотивацию, психические состояния и др.). В наших экспериментах мы используем виртуальные обучающие программы с высокой анимацией и интерактивностью. Созданные виртуальные обучающие программы соответствуют основным требованиям средств ВР, имеют биологическую и математическую тематику, могут использоваться при преподавании ряда предметов в средних школах, что целесообразно с введением ФГОС ООО и соответствует требованиям, предъявляемы к современному образованию [Сорочинский, 2012; Субъект и виртуальная, 2016]. Действия в виртуальной среде, по данным ряда исследований, могут обеспечить повышение школьной успеваемости по математике, чтению и естественным наукам, а также стимулировать детей к самообучению — одному из важнейших методов саморазвития личности по современным стандартам [Баржанова, 2018; Марголис, 2018; Нгуен Тхук Тху, 2018; Рубцова, 2018; Drachen, 2014; Greenfield, 2015; Kelava, 2014]. Использование методов ВР в преподавании, по нашему мнению, способствует индивидуализации в обучении, развитию навыков самоконтроля и рефлексии, что также соответствует современным стандартам образования [Ковель, 2018; Johnson-Glenberg, 2018].
Примером такой программы является программа «Синтез белка». Данный продукт раскрывает закономерности синтеза белка в клетке на уровне средней школы (рис. 1, 2). Программа создана за счет средств мультиплатформенного инструмента для создания 3D-объектов «Unity». В программе предусмотрено текстовое и звуковое сопровождение.
Рис. 1. Синтез информационной РНК
Рядом исследователей отмечаются различные эффекты влияния ВР на мышление, также описываются некоторые закономерности и механизмы этого влияния. Ранее нами были выделены эффекты влияния ВР (проявляющиеся с использованием шлемов ВР) на мышление человека при решении латеральных задач [Селиванов, 2009]: расширение зоны поиска решения; увеличение количества коллатералей и семантических связей в мышлении; возникновение новых нестандартных мыслей о возможных связях условий с требованиями задачи.
Работа с виртуальными программами, по данным П.А. Побокина, повышает мотивацию школьников к обучению стереометрии, стимулирует учебно-исследовательскую деятельность и помогает добиться значительных результатов в изучении данного предмета, а также в решении соответствующих задач [Побокин, 2015].
П.А. Побокин отмечает следующие механизмы влияния ВР на мышление субъекта. Трехмерные образы выступают аналогами реальных объектов. Поэтому субъект мышления непрерывно взаимодействует с данными образами, дополняя собственную систему понятий, развивая процессы мышления и формируя новые обобщения.
Рис. 2. Синтез белка
Действия с образами ВР, интериоризуясь, стимулируют мыслительные процессы, смыслы-процессы и операции. Как следствие, развивается рефлексивный план личности и саморегуляция мыслительной деятельности.
Процедура исследования
Эксперимент проводился с виртуальной обучающей программой «Синтез белка», описанной ранее. До работы с программой испытуемым предлагался тест «Актуальное состояние» (Л.В. Куликов), тест с десятью вопросами по теме «Синтез белка», требующих проявления мыслительной активности (например, сколько кодонов кодирует 9 аминокислот в процессе синтеза белка?), усложненная задача по этой же теме. Далее следовала самостоятельная работа испытуемых с виртуальной программой при помощи персональных компьютеров, после чего снова давался тест «Актуальное состояние», тест из аналогичных вопросов по теме «Синтез белка» и усложненная задача. При решении задачи испытуемым предлагалось проговаривать свои мысли и мыслеобразы вслух для последующего микросемантического анализа (А.В. Брушлинский). Полученные результаты сравнивались, сопоставлялись и подвергались математико-статистической обработке. Результаты позволяли судить об изменении уровня мышления при ответе на вопросы теста, а также об изменении некоторых параметров мышления: уровень прогнозов искомого решения, характер анализа через синтез, и др.
Таким образом, независимой переменной в исследовании являлась виртуальная реальность, а зависимыми — уровень мышления испытуемого, некоторые параметры мышления и психического состояния. В процесс работы испытуемого с программой экспериментатор не вмешивался, поэтому результаты исследований могли достоверно показать влияние на мышление именно виртуальной реальности.
Испытуемые
Общая выборка испытуемых включала 90 человек (учащихся средних школ г. Смоленска и Смоленской области 14—16 лет), уже изучавших однократно тему «Синтез белка» в рамках курса средней общеобразовательной школы.
Результаты
В результате проведенного исследования с программой «Синтез белка» и математико-статистической обработки данных было замечено повышение уровня мышления у испытуемых при ответах на вопросы по соответствующей теме после работы с программой по сравнению с уровнем мышления до нее в 1,3—2 и более раза (2,3; 2,6; 3; 4; 4,5; 5; 6; 9); уровень прогнозов искомого решения усложненной задачи менялся: повышался с низкого (до программы) до среднего (после программы) в 58% случаев; со среднего до высокого — в 25%; с низкого до высокого — в 12%; не изменялся в 8% случаев. Характер анализа через синтез менялся: с ненаправленного до смешанного — в 54% случаев; со смешанного до направленного — в 23%; с ненаправленного до направленного — в 11%; не изменял характера в 12%. Характер принятия—непринятия подсказки, необходимой для решения задачи, менялся: с «непринятия» до «принятия» — в 59% случаев; с «принятия» до «в подсказке не нуждался» — в 26%; подсказка принята до и после работы с программой — в 8%; подсказка не принята до и после работы с программой в 7% случаев. Уровень формально-логического мышления менялся: с низкого до среднего — в 57%случаев; со среднего до высокого — в 25%; с низкого до высокого — в 13%; показатель не изменялся в 5% случаев.
Расчет критериев Манна—Уитни и парного критерия Стьюдента подтвердил значимость различий между уровнем мышления испытуемых до и после работы с программой.
Расчет U-критерия Манна—Уитни проводился для четырех групп из 20 человек с одинаковым соотношением успеваемости. Далее приводится сводная таблица 1, показывающая соотношения U1-и Ш-критериев Манна—Уитни для каждой выборки. При этом U1 — критерий для результатов до работы с программой, а U2 — критерий для результатов после работы с программой. Как видно из таблицы, U2 во всех выборках больше U1 на ту или иную разницу AU, поэтому U2 является эмпирическим значением критерия Манна— Уитни. U2 всегда больше Шр., равного 127 (p<0,05).
Таблица 1
Значения U-критерия Манна—Уитни, показывающие значимость различий между результатами тестирования по вопросам, требующим проявления мыслительной активности, до и после работы с программой «Синтез белка»
Таблица 1
Значения U-критерия Манна—Уитни, показывающие значимость различий между результатами тестирования по вопросам, требующим проявления мыслительной активности, до и после работы с программой «Синтез белка»
|
№ выборки |
U1 |
U2 |
AU |
|
1 |
439 |
541 |
102 |
|
2 |
453 |
536 |
83 |
|
3 |
465 |
547 |
82 |
|
4 |
436 |
524 |
88 |
Расчет парного Т-критерия Стьюдента также подтвердил достоверность различий между результатами до и после работы с программой. Он проводился также для четырех групп из 20 человек с одинаковым соотношением успеваемости. Тэмп оказалось в четырех случаях равным 8,4; 8,3; 8,4; 8,6 соответственно, причем Тэмп во всех случаях больше Ткрит, равного 2,093 (р<0,05).
В целом, ВР положительно сказывается на развитии мышления и его отдельных параметров.
Множественный регрессионный анализ результатов влияния ВР на мышление и психическое состояние показал значимую корреляцию повышения уровня мышления и уровня активации и тонуса (p-value=0,05; В=0,311; p-value=0,041; В=0,271). Данный факт также говорит о тесной взаимосвязи данных параметров и их взаимообусловливании в в ходе эксперимента. Расчет коэффициента корреляции Пирсона также подтвердил значимость корреляций данных параметров — мышления и активации (0,69), мышления и тонуса (0,67) (во всех случаях R эмп. больше Икрит, равного 0,56 (р=0,01)).
Обсуждение результатов
Далее приведем описание механизмов влияния ВР на мышление, выявленных в процессе бесед с испытуемыми по поводу проведенного исследования, а также в результате рассмотрения протоколов микросемантического анализа.
Виртуальная реальность влияет комплексно на основные компоненты мышления (мыслительные процессы, операции, формы мышления и др.), повышая его отдельные параметры (прогноз искомого решения, характера анализа через синтез, отражения в сознании соотношения условий и требований задачи) и общую результативность в целом.
Статические и динамические образы ВР стимулируют мыслительные процессы субъекта. Будучи красочными, необычными и привлекательными в плане восприятия, виртуальные объекты способствуют концентрации внимания субъекта на них и инициируют их изучение.
За счет стимуляции мыслительных процессов статическими и динамическими образами развивается операциональный состав мышления. Операции при этом проводятся в большей мере с абстракциями соответствующих образов.
Фоновую среду ВР можно рассматривать как дополнительный образ, в рамках которого идет изучение основных статических и динамических образов. Благодаря фоновой среде и другим образам, а также текстовому сопровождению, формируется целостная образная и понятийная картина биологических процессов синтеза белка, что, в свою очередь, влияет на протекание мыслительных процессов и осуществление операций.
Интерактивность обусловливает осуществление дополнительного стимула для развития мыслительных процессов, операций, форм мышления и смыслов-процессов. Изменение угла обзора и другие возможности интерактива могут интериоризоваться в соответствующие мыслительные процессы (анализ, синтез, анализ через синтез, некоторые элементы прогнозирования и др.), операции (осуществление плана решения задачи), смыслы-процессы, поскольку эти возможности имеют очевидное сходство с соответствующими ментальными явлениями.
Следует отметить также особенности взаимосвязи образов, анимации ВР и развития формально-логического мышления у испытуемых. Между образами, некоторыми аспектами анимации и соответствующими биологическими понятиями возникают естественные ассоциативные связи, например, «образ рибосомы» и понятие «рибосомы», «анимация трансляции» и понятие «трансляции» и т. д. Таким образом, объединяются (связываются) такие когнитивные структуры, как визуальные образы ВР, слуховые (произношение понятий), аспекты образов, полученные в процессе их анализа, письменные (символические) элементы (написание слов, терминов) и др. В результате формируются понятия тех или иных научных объектов, процессов и закономерностей как сложные когнитивные структуры, которые субъект может использовать в процессе формально-логического мышления при решении той или иной проблемы или задачи. Накопление, систематизация и в целом развитие понятий способствуют развитию формально-логического мышления.
Активации мыслительных процессов также способствует формирование благоприятных психических состояний в процессе работы в ВР.
Выводы
Средства ВР, в отличие от традиционных педагогических средств и несовершенных аналогов ВР (электронных презентаций со статическими объектами, двухмерными и трехмерными анимационными фильмами), предоставляют для субъекта целостные, трехмерные образы тех или иных объектов и явлений с возможностью изучать их с различных сторон (ракурсов). Субъект лучше осознает представленные объекты и процессы, а понятия о них формируются более осознанными, углубленными, расширенными и, как следствие, прочными, что очень важно для развития мышления при решении предметных и иных задач. Общими механизмами развития мышления в ВР выступают интериоризация виртуальных действий, которые обобщаются и становятся внутренним достоянием личности, а также саморазвитие мыслительного процесса, который вырабатывает новые компоненты за счет непрерывного взаимодействия с трехмерным познаваемым объектом.
Таким образом, ВР является эффективным средством для развития мышления (образного и формально-логического) и имеет положительные перспективы для применения в области образования.