Влияние дидактических ВР-программ на учебную мотивацию, психические состояния и креативность у студентов

Введение

Применение новых компьютерных технологий, в том числе в системе образования, предъявляет серьезные требования и к тем, кто его разрабатывает, и к тем, кто его применяет. Это имеет особое значение в профессиональной подготовке будущих инженеров, математиков, программистов, поскольку они находятся у самых основ создания новых технологий. В этой связи наряду с развитием высокого уровня критического мышления необходимо способствовать повышению уровня креативности. Фундаментальной основой подготовки таких специалистов является высшая математика. Введение в методику преподавания этой дисциплины ВР-технологий как средства и дополнительного метода обучения становится благоприятным фактором формирования процесса мышления, креативности, а также способствует повышению учебной мотивации студентов.

Теоретический анализ недавно опубликованных и более ранних научных работ отечественных и зарубежных ученых позволил сделать следующие выводы, определившие исследовательскую позицию.

1.   Виртуальная реальность (ВР) -мнимый, искусственный мир, создаваемый на основе имитационно-симуляционных технологий путем их воздействия на органы чувств воспринимающего. Характерные свойства ВР: 1)трехмерность информационныхобъектов; 2) анимация (визуальное отображение изменений объекта или объектов, а также возможность передвижения в информационной среде); 3) интерактивность (взаимодействие с пользователем в режиме реального времени за счет сетевой обработки данных); 4) создание эффекта присутствия (presence) (иллюзия содействия с предметами и/или субъектами) [1; 2; 3; 5; 14; 15; 16; 19; 21; 22; 23; 24; 26; 28; 30; 32]. Разработанные для проведения исследования дидактические ВР-программы соответствуют всем характеристикам ВР-среды и применимы как на обычных мониторах компьютеров, так и на 3D-мониторах и ВР -шлемах vive.

2.   В связи с повсеместной цифровизацией, в том числе внедрением дидактических ВР-технологий в современную школу, темы качества образования, мотивированности обучающихся, их эмоционального благополучия с каждым годом становятся особенно важными. Отечественные ученые достаточно часто обращаются к опыту зарубежных коллег, берут за основу отдельные показатели психических состояний и на материале констатирующих срезов формулируют выявленные особенности. Вместе с этим многие из них поднимают проблему отсутствия методической основы анализа цифровой трансформации образовательных процессов, оценки ее результатов и последствий по причине того, что у них нет опоры на результаты лонгитюдных исследований по влиянию обучающей ВР-среды на психику [4; 11;   14;  15; 18]. Описанное в данной статье исследование является вторым этапом фундаментального исследования, которое предполагается продолжить, что даст возможность провести достаточно длительное и комплексное изучение воздействия дидактической ВР-среды на определенную выборку.

3.   Методология исследования, построенная на системно-деятельностном подходе к изучению влияния дидактической ВР-технологии, позволяет: а) учитывать развитие в юношеском возрасте видов мышления (абстрактного, словесно-логического и теоретического), его гибкости и креативности; функции планирования и принятия решений; рефлексии, самоконтроля и саморегуляции [1; 5; 9; 10; 11; 14; 15; 16; 17]; б) учитывать формирование учебной и профессиональной мотивации [6; 8; 9; 11; 1 3; 26]; в) проследить характер взаимосвязи психометрических показателей интеллекта и креативности обучающихся с успешностью решения задач [7; 13; 18].

Цель данного исследования — обоснование эффективности дидактических ВР-программ в обучении студентов вузов технических направлений.

Задачи исследования:

1.    Провести сравнительный анализ уровня знаний по дисциплине при использовании дидактических ВР-программ и традиционных методов обучения.

2.    Выявить изменения состояний до и после работы с ВР.

3.    Определить ведущие мотивы учебной деятельности студентов, проследить динамику мотивов до и после работы с ВР.

4.    Зафиксировать сдвиг креативности до и после работы с дидактической ВР- программой.

Основной гипотезой представленного исследования является предположение, что работа в виртуальной среде положительно влияет на усвоение нового материала студентами, их состояние и креативность. Проверка данной гипотезы проводилась в первом эксперименте. Вторая гипотеза заключается в том, что работа в краткосрочных дидактических ВР- программах способствует формированию учебно-познавательной и профессиональной мотивации и повышает уровень креативности студентов.

Методы

В рамках научной работы проведено 3 эксперимента:

1.   Исследование изменений уровня теоретической подготовки и психического состояния студентов после работы в ВР-программе.

2.   Исследование изменения мотивации студентов после работы в дидактической ВР- программе.

3.   Исследование изменения уровня креативности студентов после работы в ВР-программе.

В качестве средства виртуальной реальности (независимая переменная) использовалась специально разработанная программа «Поверхности второго порядка» (автор - Е.А. Зикеева; программист - Е.М. Агафонов). Для данной программы был написан подробный (почти покадровый) сценарий специалистом- преподавателем высшей математики в вузе, затем осуществлена редакция его содержания дидактом, после этого все объекты формировались в программе 3D-Max, окончательная сборка и «озвучка» осуществлялась в мультиплатформенном инструменте для создания трехмерных изображений Unity. Просмотр и работа в таком программном продукте занимает по времени в среднем 8-15 минут. Программа готова к использованию в образовательном процессе как на обычных мониторах компьютеров, так и на 3D-MOHUTopax и ВР-шлемах vive.

Дидактическая ВР-программа содержит 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 данную тему. Возможность приближать и удалять фигуры, видеть различные сечения фигур, смотреть на них с разных сторон, вращать геометрическое пространство в любых отношениях обеспечивает широкую анимацию для активизации познавательной деятельности.

На рис. 1 и 2 показаны кадры из программы «Поверхности второго порядка» — эллипсоид и однополостный гиперболоид. В этом году ВР-программа адаптирована под шлемы vive, в ней фигуры — в человеческий рост, можно обойти каждую с разных сторон (достигается почти полный эффект присутствия и обеспечивается наглядность), есть инструмент для сечений («резак»), после его использования возникает формула площади сечения и т.д., что стимулирует самостоятельность, осознанность и активность при обучении в ВР-среде.

В представленных ниже сериях экспериментов использовались только 3D-MOHUTopbi.

 

Эксперимент № 1 (теоретическая подготовка и психические состояния студентов).

Выборку составили студенты 1 и 4 курсов очной формы обучения в количестве 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; по 23 студента в каждой группе учатся на 1 курсе, 7 - на 4 курсе.

В каждой группе испытуемых произведены два замера знаний теории линейной алгебры по теме «Поверхности второго порядка», два замера текущего психического состояния по методике САН.

Два теста по теории линейной алгебры разрабатывались совместно с преподавателями высшей математики и включали в себя 10 вопросов, из них 8 - с выбором ответа из предложенных и 2 - требующие развернутого ответа.

Методика САН (самочувствие, активность, настроение) разработана в 1973 г. Н.А. Лаврентьевой, М.П. Мирошниковым, В.А. Доскиным, В.Б. Шарай.

Схема эксперимента: 1) констатирующий этап; 2) формирующий этап; 3) контрольный этап. Во время констатирующего этапа участники всех групп проходят первый тест по теме «Поверхности второго порядка», а также опросник САН.

Во время формирующего этапа респонденты группы 1 (экспериментальной) работают в дидактической ВР-программе, респонденты группы 2 (контрольной) читают учебник по линейной алгебре, респонденты группы 3 (контрольной) отдыхают.

Во время контрольного этапа эксперимента участники всех групп проходят второй тест на знание теории по теме «Поверхности второго порядка» и снова опросник САН для определения актуального психического состояния.

Эксперимент № 2 (мотивация).

База для исследования: факультет «Программная инженерия»Российского технологического университета МИРЭА.

Выборка - студенты 3 курса очной формы обучения в количестве 90 человек от 19 до 22 лет. Респонденты разделены на 3 группы - экспериментальная и две контрольные по 30 человек в каждой.

Схема эксперимента: 1) констатирующий этап; 2) формирующий этап; 3) контрольный этап. На первом этапе участники всех групп прошли тестирование по изучению учебной мотивации студентов (А.А. Реан и В.А. Якунин, модификация Н.Ц. Бадмаевой).

Во время формирующего этапа респонденты группы 1 (экспериментальной) работали в дидактической ВР-программе, респонденты группы 2 (контрольной) читали учебник по линейной алгебре, респонденты группы 3 (контрольной) отдыхали.

На третьем  — контрольном этапе участники всех групп снова прошли тестирование по изучению учебной мотивации студентов (А.А. Реан и В.А. Якунин, модификация Н.Ц. Бадмаевой).

Эксперимент № 3 (уровень креативности).

Проведено длительное по времени исследование, в ходе которого участники еженедельно на протяжении месяца работали в программе виртуальной реальности «Поверхности второго порядка». База для исследования: факультет «Программная инженерия» Российского технологического университета МИРЭА.

Выборка - студенты 3 курса очной формы обучения в количестве 20 человек от 19 до 22 лет в составе одной группы. Схема эксперимента: 1) констатирующий этап; 2) формирующий этап; 3) контрольный этап.

В первую встречу с экспериментаторами участники заполнили опросник креативности Джонсона, адаптированный Е.Е. Туник (констатирующий этап).

Во время формирующего этапа испытуемые еженедельно на протяжении месяца работали в программе виртуальной реальности «Поверхности второго порядка».

На последней встрече в рамках данного эксперимента участники повторно заполнили опросник креативности Джонсона, адаптированный Е.Е. Туник (контрольный этап).

Результаты исследования

Для математического анализа данных применялся критерий Т-Вилкоксона. Для подсчета критерия использовался статистический пакет SPSS 21.

Результаты эксперимента № 1 (теоретическая подготовка и психические состояния студентов).

Для анализа результатов применялся критерий Вилкоксона (табл. 1), который выявил значимые различия по знанию теории в группах 1 и 2. Уровень значимости 0,05. На этом основании была принята гипотеза H1 - что работа в виртуальной среде положительно влияет на усвоение нового материала студентами. Согласно полученным данным, показатель «знание теории» улучшился в группах 1 и 2, в то время как позитивные сдвиги по показателю «состояние» выявлены только в группе 1.

Таблица 1

Результаты эксперимента (знание теории и состояние)

Зафиксирован сдвиг распределения по показателю «знание теории» у группы 1 (рис. 3). На нем и последующих рисунках по горизонтали указаны номера испытуемых, по вертикали - количество баллов за правильно выполненные задания. Среднее увеличилось с показателя 2,77 до 8,83 при изменении стандартного отклонения с 1,995 до 3,563. Из этого следует, что респонденты группы 1 стали значительно лучше знать теорию после работы в ВР-программе.

 

Также отмечен сдвиг распределения по показателю «знание теории» у группы 2, респонденты которой читали учебник (рис. 4). Здесь тоже среднее увеличилось, хотя меньше, чем у группы 1 (с 2 до 6,47), при изменении стандартного отклонения с 1,8 до 3,5. Данный эксперимент подтверждает эффективность одного из традиционных методов обучения, однако ВР-программе он немного проигрывает.

 

У группы 3 среднее тоже увеличилось, но незначительно (с 2,43 до 2,9 при стандартном отклонении 1,942 при первом тестировании и 2,295 при повторном) (рис. 5). Это было ожидаемо, поскольку участники этой группы во время формирующего этапа эксперимента № 1 отдыхали, учебной деятельностью и изучением по теме «Поверхности второго порядка» не занимались, со стороны экспериментаторов на их психику не оказывалось никакого целенаправленного влияния. Изменения показателей в этом случае связаны с обучающим компонентом выполнения заданий тестирования знания теории.

По показателю «психическое состояние» в результате эксперимента № 1 был выявлен сдвиг в положительную сторону в группе 1. В ранее представленной табл. 1 указано, что показатель имеет значимые различия только в ней. Из этого сделан вывод, что общее состояние респондентов улучшилось после работы в программе (рис. 6).

Опросник САН позволяет детализировать компоненты состояния и понять, что именно изменилось: самочувствие, активность или настроение (табл. 2).

 

Значимые различия по критерию Вилкоксона присутствуют только в группе 1 в параметре «Активность» (Т-критерий Вилкоксона=0,02; уровень значимости 0,05). Среднее группы 1 по параметру «Активность» возросло на 7,39%, что позволяет отметить положительный сдвиг, то есть после работы в дидактической ВР-программе активность участников увеличилась (рис. 7).

 

В ходе обработки результатов были выявлены повышение активности и качественное улучшение результатов, продемонстрированных студентами в ходе контрольного тестирования. Этот факт позволяет предположить, что также возможны положительные сдвиги в мотивационной составляющей учебной деятельности. Для проверки данного утверждения был организован эксперимент № 2.

Результаты эксперимента № 2 (мотивация).

Опросник по изучению учебной мотивации студентов (А.А. Реан и В.А. Якунин, модификация Н.Ц. Бадмаевой) дает возможность выявления учебной мотивации по шести шкалам. Результаты эксперимента № 2 показали, что значимые различия по критерию Вилкоксона в уровне мотивации заметны в группе 1 (табл. 3). В скобках указано значение критерия Вилкоксона. Уровень значимости 0,05.

Таблица 3

Результаты эксперимента № 2 (N=90)

 

В целом среднее по параметру «мотивация» выросло на 6,27%. Больше всего положительные изменения заметны у шкал: «мотивы творческой самореализации», «учебно­познавательные мотивы» и «профессиональные мотивы» (рис. 8). При этом по другим шкалам значимые изменения не выявлены, также как и в других контрольных группах изменений по всем шкалам данного опросника.

 

Таким образом, эксперимент № 2 подтверждает данные эксперимента № 1, что после работы в дидактической ВР-программе мотивация повышается по значимым для обучения и дальнейшего профессионального становления шкалам. Это важные достижения для подготовки специалистов в технической сфере - программистов, инженеров. Однако потребовались уточнения на сколько изменяется креативность обучающихся юношеского возраста при длительной работе с ВР-программами.

Результаты эксперимента № 3 (уровень креативности).

Поскольку в предыдущем эксперименте по исследованию мотивации значимых изменений в контрольных группах, обучающихся по традиционной методике и тех студентов, которые получали знания по теме, только проходя учебный тест, не наблюдалось, для проведения эксперимента № 3 была задействована только одна группа студентов. Временной промежуток исследования составил месяц при регулярных еженедельных занятиях с использованием дидактических ВР-программ. Результаты эксперимента № 3 позволили отметить, что работа в программах виртуальной реальности положительно и значимо повлияла на уровень креативности студентов. Так, средний показатель вырос на 5,69% (рис. 9).

 

Рис. 9. Гистограммы распределения показателя уровня креативности студентов до и после формирующего этапа эксперимента № 3

Различия между показателем уровня креативности до и после работы в обучающей ВР- программе значимые (рис. 10). Это говорит о том, что технологии ВР оказывают влияние на позитивное изменение показателей креативности.

Итоги по проверке гипотезы

Выводятся асимптотические значимости Уровень значимости равен .05

Рис. 10. Результаты эксперимента № 3

Обсуждение результатов

Увеличивающийся интерес и обращение к использованию технологий высшего уровня ВР в обучении ставят проблему их эффективности через рассмотрение изменения уровня усвоения знаний, изменений психических состояний пользователей, их познавательной мотивации и креативности во время и после работы в дидактических ВР-программах. В статье приведены результаты исследований влияния ВР-программ в юношеском возрасте на примере студентов инженерных направлений подготовки.

Недавние исследования В.В. Селиванова продемонстрировали более существенное изменение психических состояний после работы в дидактических ВР-программах в шлемах vive [13]. Непродолжительная работа субъекта с дидактическим материалом на гарнитуре ВР обеспечивала существенные изменения (увеличение показателей) по следующим шкалам - активации, тонуса, самочувствия, эйфории, при этом самочувствие, обычное настроение, спокойствие оставались устойчивыми в иммерсивной виртуальной среде. Вероятно, более высокие изменения определялись тем, что, во-первых, все испытуемые в указанных экспериментах впервые использовали шлемы, во-вторых, содержание их программ было более красочным, в-третьих, эксперименты проводились с участием студентов гуманитарных направлений подготовки, в-четвертых, для диагностики психических состояний В.В. Селивановым использовались другие тесты: АС - актуальное состояние (Л.В. Куликова) и «Общее настроение». Кроме того, В.В. Селивановым получены аналогичные данные о существенном увеличении креативности после погружения обучающихся в ВР [5; 14].

Схожие результаты изменений познавательной мотивации получены П.А. Побокиным [12]. Это обусловлено тем, что в его работе использовалась аналогичная по иммерсивности и продолжительности обучающая ВР-среда. Однако выборка в его исследовании была младше по возрасту - обучающиеся старших классов, т.е. старшие подростки. В этом эксперименте был применен авторский тест диагностики познавательной мотивации, который также показал существенные изменения в формировании учебно-познавательной мотивации.

Сравнение полученных результатов с исследованием мотивации к получению высшего образования, проведенным О.И. Крушельницкой и др., подтверждает значимость для студентов профессиональных мотивов. Однако авторы указывают, что эти мотивы не подкрепляются другими мотивами, что, по их мнению, говорит о недостаточности осознанного смыслового наполнения [8]. Проведенное исследование показывает, что приобщение студентов к использованию в обучении новейших технологий, в том числе ВР, позитивно сказывается на повышении креативности, учебно-познавательных мотивах и желании в дальнейшей трудовой деятельности применять технические новшества.

Выводы

Полученные результаты позволяют говорить о том, что для приобретения знаний, улучшения психических состояний по показателю «Активность» и развития креативности студентов средства виртуальной реальности могут быть не менее эффективными, чем традиционные методы обучения и самообучения.

На этом основании представляется возможным сделать следующие выводы:

1.    Применение дидактических ВР-программ в преподавании высшей математики в юношеском возрасте стимулирует познавательную активность, что проявляется в более высоком уровне знаний при тестировании по дисциплине, чем при обучении с помощью традиционных дидактических средств и методов. Работа в обучающих ВР-программах формирует учебно-познавательную мотивацию, интерес к обучению.

2.    Развивающий эффект дидактических программ в ВР определяется трехмерным изображением познаваемых объектов, возможностью осуществления действий с предметами (анимацией), эффектом присутствия, иммерсивностью, интерактивностью ситуации, осуществлением визуализации абстрактных моделей и др.

3.    Виртуальные обучающие программы оказывают положительное влияние на настроение испытуемых. Такие программы повышают уровень эйфорического настроения (состояния), показатели некоторых параметров психических состояний: самочувствие, активность, мотивация.

4.    Обучение с помощью дидактических ВР-программ у студентов благоприятно действует на мотивационную сферу: учебно-познавательные, профессиональные мотивы и мотивы творческой самореализации становятся более значимыми, что в свою очередь влияет на активизацию познавательных процессов, состояния, направленность личности.

5.    Успешное освоение знаний, полученных посредством дидактических ВР-программ, оказывает воздействие на мышление человека (что важно в обучении): возникновение новых нестандартных мыслей о связях условий и требований задачи; увеличение количества семантических связей в мышлении; расширение зоны поиска решения [28; 29]. Такое развитие мышления, в свою очередь, способствует развитию креативности у обучающихся. Поэтому представляется целесообразным применение ВР-технологий в преподавании высшей математики.

Следовательно, гипотеза исследования доказана: работа в виртуальной среде положительно влияет на усвоение нового материала, психическое состояние и креативность студентов (в юношеском возрасте). Относительно непродолжительная работа в дидактической ВР-программе способствует увеличению специфически познавательной мотивации, повышает активность и уровень креативности студентов.

Таким образом, свойства ВР-технологии позволяют решить образовательные задачи, в частности, обучения высшей математике студентов технических вузов. Так, анимация и иммерсия в информационном пространстве за счет трехмерности и динамичности обеспечивают высокую наглядность материала, которая является залогом успешного усвоения знаний. Интерактивность, дающая возможность постоянного контакта (идеального взаимодействия) пользователя с познаваемым объектом, стимулирует мыслительную деятельность, в которой объект включается в новые системы связей с другими объектами и демонстрирует свои характерные особенности (механизм анализа через синтез). Это свойство ВР соответствует принципам активности, сознательности и самодеятельности в обучении, способствует развитию креативности и мотивирует к познанию.