Как в школах и вузах учат с помощью виртуальной и дополненной реальности

Технологии виртуальной (VR) и дополненной (AR) реальности внедряются в российские школы и вузы медленно. Причина и в высоких ценах на оборудование, и в ограничениях СанПиН, и в нехватке подходящего для образовательных задач VR- и AR-контента.

Для работы в дополненной реальности во многих случаях достаточно приложения на смартфоне. Телефоны в образовательных целях использовать в школах, правда, нельзя. Кое-где их уже начинают заменять планшетами, которые выдают ученикам специально для учёбы, но процесс это небыстрый.

С виртуальной реальностью всё ещё сложнее. VR-гарнитуры и подходящие для работы с ними компьютеры есть далеко не в каждой школе. В скольких именно — оценить сложно.

В центре Национальной технологической инициативы по направлению «Нейротехнологии, технологии виртуальной и дополненной реальности» на базе Дальневосточного федерального университета (Центр НТИ ДВФУ) пришли к осторожному выводу, что школ с VR-оборудованием по стране «более тысячи». Большинство получили оборудование вместе с открытием в школе «Точки роста». Кроме того, VR-шлемы и сопутствующее оборудование есть в детских «Кванториумах», «IT-кубах» и других центрах дополнительного образования.

Что касается вузов, оснащение есть и развивается в первую очередь там, где действуют профильные лаборатории по разработке «железа» и софта для VR.

Конечно, «оборудование есть» — не то же самое, что «оборудование используется». Среди учителей, которые сообщили в опросе Центра НТИ ДВФУ, что в их школах есть VR‑шлемы, 45% не смогли назвать даже их марку. Впрочем, в ближайшем будущем и оснастить школы оборудованием станет сложнее. Как пишут «Известия», из-за трудностей с импортом рынок VR может просесть на 30–40%.

А вот контента в VR и AR для российского образования больше, чем можно предположить по данным о скудной технической оснащённости школ и вузов. По большей части он, правда, далеко не такой впечатляющий, как виртуальные миры в фантастических фильмах. Разберёмся подробнее.

Детализация и интерактив: как применяют AR

Один из самых популярных видов AR-приложений в школьном образовании — «ожившие иллюстрации» для учебников. Такое решение разработала, например, компания Modum Lab для школьной биологии. Достаточно навести камеру смартфона на иллюстрацию, чтобы увидеть вместо двумерных картинок объёмные модели органов.

Аналогичное приложение для одного из учебников по физике для 7-го класса можно бесплатно скачать на сайте другого разработчика — компании «Увлекательная реальность». Всего в нём 18 анимированных 3D-моделей. С помощью камеры смартфона на страницах бумажного учебника оживают физические опыты и даже условия задач.

А компания XReady Lab предлагает AR-приложение, которое помогает ученикам увидеть объём в чертежах стереометрических фигур в учебнике геометрии. Согласитесь — полезная штука для тех, у кого не очень хорошо с пространственным воображением.

Есть AR-приложения с виртуальными помощниками — например, у той же Modum Lab. Так, в сборке робота и программировании на Arduino ученику помогает 3D-кот:

Необычное AR-решение не для индивидуального пользователя, а для целого класса разработали в лаборатории систем мультимедиа Поволжского государственного технологического университета (Йошкар-Ола). Правда, в дополненной реальности тут работает только учитель — ученики всего лишь пишут ответы в чат. Our Minds AR — приложение для сбора ответов и обратной связи учеников. Учитель не только получает ответы в чате, но и видит их тексты в «облачках» над головами ответивших в AR, как в комиксе.

Как рассказал на одном из вебинаров Центра НТИ ДВФУ для учителей руководитель лаборатории ПГТУ Михаил Морозов, основной эффект приложения в том, что оно позволяет каждому в классе быть услышанным.

Ещё одно решение от тех же разработчиков — приложение для распознавания химических формул и редактирования молекул AR VR Molecules Editor. У него две версии — для VR-гарнитур и AR-приложение для мобильных устройств. В дополненной реальности можно увидеть 3D-модель молекулы, направив камеру на карточку с записанной химической формулой. В VR-версии — сложить молекулу из атомов.

Виртуальные лаборатории и путешествия

Главное преимущество VR — возможность оказаться в таком месте или выполнить такие действия, которые невозможны или труднодоступны в реальной жизни. Это и диктует варианты образовательных приложений в виртуальной реальности. Иногда VR используется просто для визуализации того, что нельзя или слишком трудно увидеть, иногда — для запоминания алгоритмов.

Но есть и более необычные варианты применения VR. Например, разработка компании Neiry совмещает квизы в виртуальной реальности и нейроинтерфейс: это позволяет ребёнку концентрироваться не на нажимании кнопок, а на обдумывании правильного ответа. Прибор сам уловит электрические импульсы мозга и отметит вариант ответа.

Перечислим самые массовые категории VR-приложений.

Погружение в микромир

VR-симуляции с погружением внутрь живых клеток есть у XReady Lab. Можно посмотреть, из чего состоит грибная, животная или бактериальная клетка и как проходит её деление.

Особенность решения XReady Lab в том, что оно поставляется в составе VR-класса и может использоваться для групповых занятий — все ученики окажутся в виртуальной среде и смогут выполнять в ней задания учителя. Зафиксировать результаты урока поможет программа.

Погружение в микромир может быть и темой игры, как показывает опыт компании Luden.io. Среди её разработок есть игры в VR. Например, в In Cell игрок защищает клетку от вирусов. А во второй версии In Mind — исследует мозг подростка:

Обе игры вышли, кстати, больше пяти лет назад.

Виртуальные лаборатории

Один из ярких примеров такого VR-решения — VR Chemistry Lab. Сейчас программа распространяется, в частности, через Центр НТИ ДВФУ.

Это уже не просто визуализация, а виртуальный аналог школьной химической лаборатории. В ней можно воспроизвести работы из школьного курса химии.

Главный плюс в том, что в виртуальной реальности действуют те же химические и физические законы, что и в реальном мире: все условия и взаимодействия просчитаны командой педагогов и учёных. То есть ошибка ученика приведёт к реалистичным последствиям — реакция не пойдёт, образуется осадок или случится возгорание. Но, в отличие от реальной химической лаборатории, все последствия останутся виртуальными.

Центр НТИ ДВФУ предлагает аналогичную программу, разработанную вместе с Modum Lab, и по школьному курсу физики — пока с меньшим числом лабораторных работ:

Аналогичный комплекс, наряду с AR-приложением по школьному учебнику, есть и у компании «Увлекательная реальность».

Также несколько десятков VR-уроков по химии и физике предлагает компания MEL Science, больше известная доставкой реагентов для реальных химических опытов. Среди них есть и лабораторные работы, и визуальные погружения, больше похожие на путешествия по живым клеткам, о которых мы рассказывали выше.

О разработке нескольких готовых лабораторных работ в VR-формате сообщает и издательство «Физикон».

Кроме физики и химии, интерактивные VR-лаборатории создают и для курса геометрии. Виртуальную реальность охотнее всего применяют для изучения объёмных объектов в стереометрии. В обычном классе фигуры можно только начертить, рассмотреть в виде модели или сложить из бумаги. А VR даёт больше свободы действий, что в перспективе поможет ученикам лучше разобраться в сложной теме. Вот как об этом рассказывают в ДВФУ (решение VR Space разработано в Центре НТИ):

Аналогичное предложение есть и у компании DreamPort.

Путешествия куда угодно

Виртуальные экскурсии — сравнительно простой и очень распространённый формат VR-контента. Например, на нём основана популярная во многих странах платформа ClassVR — уроки в ней представляют по большей части опыт погружения в необычную среду, а не лабораторные работы или задачи.

Формат экскурсий не предполагает активной работы учеников, но вау-эффект обеспечивает. В этом ролике ученики смотрят в VR-формате контент от Google Expeditions (очки-кардборд, в которые вставляется смартфон для погружения в VR, при этом российские от компании Boxglass Education):

Собственные виртуальные экскурсии предлагает также Modum Lab. Из развлекательных и образовательных VR-фильмов состоит каталог компании Altairika.

Есть и более реалистичные проекты, например, для образовательных задач можно использовать пространство «Терра Тех» от проекта Atlas VR. Это цифровой двойник Земли, на который пользователи могут добавлять свои объекты.

Образовательные путешествия за пределы Земли тоже доступны в VR. Например, вот разработка DreamPort по школьному курсу астрономии:

Этот курс создан по заказу Московского центра качества образования. Известно и о других аналогичных разработках. Например, студенты Астраханского госуниверситета выиграли грант на развитие похожей идеи на всероссийском конкурсе «УМНИК — VR».

Виртуальная машина времени

В VR можно путешествовать не только по Земле и космосу, но и во времени. Виртуальная реальность позволяет создавать реконструкции прошлых эпох и событий.

Пожалуй, самый заметный из последних — «Объёмная история» от «VRT — Иммерсивные технологии для бизнеса». Его разработки — погружения в исторические мини-фильмы, и какой-либо активности ученика они не предполагают. Вот, например, тизер ролика о строительстве русского флота Петром I:

Как рассказал представитель проекта Константин Негачев на одном из вебинаров Центра НТИ ДВФУ, главная задача — вовлечь школьников в изучение истории, сделать её более яркой и визуально привлекательной, чем в старых фильмах или картинках учебников. В учебный процесс это вносит разнообразие.

Визуализацией остался и красивый проект с реконструкцией жизни города Болгара в XIV веке:

Его разработала команда Digital Media Lab из Института информационных технологий и интеллектуальных систем Казанского федерального университета. Предполагалось, что в интерактивную игру в VR школьники Татарстана будут играть в курсе по истории родного края. Но массового распространения и продолжения идея не получила.

Ещё один проект с визуализацией прошлого — VR Science от компании Digital Oxygen. Он находится на стыке дисциплин и позволяет, в частности, выучить теорему Пифагора под руководством виртуальной копии древнегреческого математика.

Языковая практика без реальных собеседников

Для изучения английского языка в VR в Центре НТИ ДВФУ разработан модуль Varvara на платформе российской компании VR Supersonic. Обучение происходит в серии симуляций, где ученику нужно выполнить заданные действия, общаясь с ботами-собеседниками. Например, зарегистрироваться в отеле или познакомиться с одноклассниками. Как утверждают разработчики, материал в модуле ориентирован на школьную программу и позволяет практиковать разговорные навыки на уровнях А1–А2.

Кроме того, Центр НТИ поддержал разработку «VR-азбуки тофаларского языка». На этом вымирающем языке сейчас говорят не более сотни человек в Иркутской области. VR-приложение создано для учеников школ, которые изучают тофаларский язык как родной. Но фокус в нём, в отличие от Varvara, сделан не на симуляции повседневных ситуаций, а на пейзажах Тофаларии и культуре её народа.

Чрезвычайные ситуации без последствий

В промышленности тренинги по технике безопасности — одна из самых популярных категорий VR-контента. В школьном образовании VR-курсы по «Основам безопасности жизнедеятельности» тоже оказались востребованными. Например, в ходе программы апробации VR-приложений, которую проводил Центр НТИ ДВФУ, VR-продукт для ОБЖ занял третье место по частоте скачиваний.

Продукт VR-ОБЖ разработала компания «Цифровое пространство» из Нижнего Новгорода. Это короткие интерактивные сценарии, в которых школьники оказываются участниками происшествия и должны спасти пострадавших и обеспечить собственную безопасность. Вот, например, превью сценария «Пожар в школе»:

Разработки компании не ограничиваются ОБЖ. Также у них есть интерактивные сценарии по физике, химии и биологии. Это не VR-лаборатории и не экскурсии, а короткие игры, в которых ученикам нужно применить знания по предмету. Например, в сценарии по физике необходимо сконструировать летательный аппарат для другой планеты.

Собственные разработки школьников

Особое место среди VR-решений для школы занимают решения, в которых ученики сами могут разрабатывать проекты в виртуальной реальности. Например, учебный комплекс Varwin Education — это и уроки по визуальному программированию, и библиотека 3D-объектов и сцен, из которых школьники собирают свои миры. Предполагается, что работа над такими идеями должна быть междисциплинарной. Например, с учителем истории ученик планирует VR-проект о путешествии в древнюю крепость и разрабатывает приложение на уроке информатики.

Опасные места, сложные объекты и профессиональные алгоритмы: VR для вузов

В вузах виртуальная реальность реже используется для вау-эффекта и гораздо чаще — для отработки сложной практики в безопасной среде. Учиться методом проб и ошибок (и никому при этом не навредить) необходимо, например, будущим инженерам и медикам.

Работа со сложным оборудованием в VR

Студенты вузов, как и работающие профессионалы, должны освоить основы безопасной работы со сложным оборудованием. И, конечно, представление о том, как всё устроено в ядерном реакторе или на нефтедобывающей скважине, необходимо получить ещё до выхода на такие объекты. VR позволяет сформировать знания в безопасных симуляциях.

В Томском политехническом университете разработка виртуальных тренажёров поставлена на поток. В VR студенты обслуживают резервуары нефти и учебный ядерный реактор, знакомятся с аппаратами компьютерной томографии, работают в цеху рудоподготовки с радиоактивными веществами и даже защищают дипломы.

При этом большинство виртуальных тренажёров ТПУ можно проходить и на обычном мониторе, без VR-шлема. Погружение в иную реальность оказывается не таким ярким, зато обучение обходится дешевле.

Другие примеры VR-тренажёров для обучения студентов технических специальностей — виртуальная биотехнологическая лаборатория от команды из КФУ и симулятор работы на станках с ЧПУ и 3D-принтерах от студентов Волгоградского государственного технологического университета.

Платформу для обучения в VR предлагает компания VR Concept, которая также создаёт решения для промышленности и строительства. В виртуальной реальности студенты вузов — партнёров компании работают с 3D-объектами вместе с преподавателями. На платформе можно, например, собрать или разобрать любое устройство или пройтись по спроектированному зданию.

Решения VR Concept используются в детском технопарке «Кванториум» в Технологическом университете города Королёва. В виртуальной реальности дети изучают конструкции космических кораблей и разрабатывают свои проекты.

Обучение врачей на виртуальных пациентах

В медицинском образовании сегодня тоже преобладает подход, при котором будущих врачей предпочитают потренировать на манекенах и виртуальных моделях, прежде чем пускать к настоящим пациентам.

При этом в медицине границы VR для обучения очевидны: даже в самой реалистичной симуляции пока нельзя включить осязание и по-настоящему натренировать мелкую моторику. Но и в обучении хирургии VR-тренажёры считают полезными. Как подчеркнула на одном из вебинаров в Центре НТИ ДВФУ руководитель отдела виртуальных технологий в Самарском государственном медицинском университете Айкуш Назарян, виртуальная реальность помогает запоминать алгоритмы медицинских процедур, в том числе хирургических операций. По оценке специалистов СамГМУ, в плане запоминания алгоритмов обучение в VR на 25% эффективнее традиционного заучивания.

СамГМУ, кстати, — один из самых активных в разработке и внедрении VR-тренажёров медицинский вуз России. Список его разработок впечатляет: это симуляторы нескольких хирургических операций, осмотра глазного дна, хирургической обработки ран, осмотра пациентов докторами разного профиля и работы скорой помощи.

Кроме того, в активе СамГМУ есть и VR-тренажёры для пациентов, например, для реабилитации при неврологических нарушениях.

Аналогичные тренажёры используют и в других медицинских вузах: например, в Южно-Уральском медицинском университете в VR тренируют навыки сердечно-лёгочной реанимации. В Сеченовском университете, где тоже разрабатывают много собственных VR-тренажёров, студенты с их помощью не только отрабатывают хирургические операции и осмотры, но и изучают фармацевтические производства. Об этих разработках рассказал руководитель отдела виртуальной и дополненной реальности Сеченовского университета Станислав Грибков на экспертной дискуссии в Иннополисе.

У коммерческих компаний тоже есть разработки для медицинского образования. Например, симулятор лапароскопических операций от VR-APP, тренажёр для офтальмологов NOE-VR или виртуальная клиника от резидента «Сколково» MEDVR.

Обучение будущих разработчиков

Даже для школ есть продукты, в которых ученики самостоятельно разрабатывают VR‑контент. А в вузах обучение на VR-разработчика уже проводится профессионально.

В этих и других вузах студенты сами разрабатывают VR-продукты, в том числе для образования. Так, в Томском госуниверситете студенты и сотрудники вместе с IT-компанией Rubius сделали платформу для создания образовательных курсов и обучения в режиме VR/AR UniVRsity. Аналогичный конструктор для преподавателей сейчас тестируют в Иркутском национальном исследовательском техническом университете. А в МГУ имени М. В. Ломоносова обучают разработке VR-уроков и школьных учителей.

В целом эксперты отрасли оптимистично смотрят на перспективы VR и AR в образовании. Например, руководитель методического отдела стартапа XReady Lab Леонид Змиевский уверен, что ключевые проблемы — недостаток качественного VR-контента и способных работать с ним IT‑специалистов — вполне преодолимы.

А основатель и генеральный директор компании VR Concept Денис Захаркин считает, что в образование VR будет внедряться по мере того, как общество привыкнет к этой технологии так же, как это произошло с компьютерами и смартфонами. Просто в какой-то момент виртуальная реальность станет ещё одним доступным практически всем видом медиа.