Інформаційна технологія Virtual-Reality (VR)

Гаврилюк М. С.

Об’єктивне існування концепції інформаційних технологій віртуальної реальності (Virtual-Reality – VR) у сфері науки, техніки й промисловості вагомо підтверджує, наприклад, те, що 1990 р було створено Віртуальний всесвітній консорціум VWC [1]. Його засновниками є тридцять провідних фірм світу, серед яких – Microsoft, Hewlett-Packard, Boeing, Philips, Samsung та ін. Консорціумом керує лабораторія Вашингтонського університету Human Interface Technology Laboratory (HITLab) [2]. Розпочав роботу перший віртуальний науковий інститут [3], в якому спілкуються науковці з різних навчальних закладів, проводять конференції та семінари, викладають лекції, навіть не зустрічаючись реально.

Віртуалізація в освітній сфері

Природно, факт реального існування концепції віртуальної реальності не міг не позначитися на характері освітнього процесу. У педагогіці з’явилися нові інноваційні проекти й відповідно – нові терміни: “Віртуальний лабораторний практикум” (ВЛП), “Віртуальний експеримент”, “Віртуальна лабораторія” (ВіртЛаб), “Віртуальна аудиторія”, “Віртуальний макет”. У пошукових засобах інтернету цим темам присвячено чимало посилань.

Поняття “віртуальний” інформатика широко і давно використовує там, де будь-що фізично реальне замінюється на абстрактний функціональний еквівалент (віртуальний процесор, віртуальна пам’ять, віртуальний монітор, віртуальна клавіша, віртуальна машина). Прикладом втілення віртуалізації в прикладних задачах інформатики можна вважати давно знайомі так звані емулятори, тренажери тощо. В телекомунікаційній термінології поняття “віртуальний” затвердилось також при імітації функціонування всієї системи або окремих її елементів без втрати функціональних можливостей чи спотворення кінцевих результатів (віртуальний абонентський пункт, віртуальний контейнер, віртуальний канал, віртуальний виклик тощо). Застосування віртуальних засобів допомагає в розв’язанні багатьох складних проблем автоматичного проектування мереж зв’язку, космічної техніки, в автомобілебудуванні, літакобудуванні, інших галузях промисловості.

В освітній сфері під поняттями “віртуальний макет”, “віртуальна лабораторія” розуміють принцип абстрагування, за яким студентам у лабораторіях надають функціональні еквіваленти фізичних засобів вимірювального експерименту у вигляді комп’ютерних імітаційних моделей. Надаються окремо або при взаємодії з реальними засобами. Зумовлено все це, крім уже зазначеного, докорінною в науковому світі зміною поглядів на вимірювальний експеримент взагалі і на вимірювальну техніку – зокрема: вимірювання розглядається як комп’ютерне розв’язання певного класу математичних задач, а фізичні й аналогові перетворення у вимірювальних експериментах замінюються по можливості на цифрові та обчислювальні або алгоритмічні перетворення.

З розвитком концепції віртуалізації нові професійні навички й дидактичні засоби їх передачі студентам значно ускладнюються і потребують більш високої спеціалізованої діяльності викладачів-професіоналів. Працівники освіти часто ставлять запитання: що педагогіка виграє і що втрачає при використанні віртуальних засобів модельного експерименту? Однозначної відповіді тут не існує. Якщо розглядати суто теоретичні предмети, то педагогіка матиме підвищення у студентів пізнавального інтересу і позитивних емоцій, плюс – усі переваги імітаційних моделей: можливість зосередитися на суттєвих теоретичних закономірностях і подіях, характеристиках у широкому діапазоні зміни аргументів і впливів. Втрачає педагогіка при цьому можливість надати студентові незаплановані уроки випадкового виведення з ладу реальних приладів, можливість відчути на собі вплив реального електричного струму чи реальної високої частоти і багато інших повчальних, проте небезпечних ситуацій. При вивченні інженерних предметів кількість стимулів, які впливають на пізнавальну активність студентів, збільшується за рахунок абстрактних елементів. Однак певні втрати можливі, коли з тих чи інших причин не забезпечено розумний баланс реальних і віртуальних засобів. Далеко не кожен вищий навчальний заклад спроможний забезпечити такий баланс, і не через відсутність усвідомлення, а через відсутність необхідного фінансового забезпечення.

Імітаційні та математичні моделі у навчанні

У віртуальних лабораторних макетах замість справжніх фізичних засобів лабораторного дослідження студенти користуються їх імітаційними моделями, відтворюючи (імітуючи) на комп’ютері всі або частину процесів функціонування і властивостей об’єкта лабораторного дослідження. З іншого боку, сам об’єкт лабораторного дослідження є математичною моделлю реального об’єкта. Математичне моделювання об’єкта полегшує процес вивчення предмета, дозволяє багатократно вивчати поведінку об’єкта у нештатних ситуаціях, спонукає студентів до здогадок, формує вміння робити висновки за аналогією, уміння перевіряти комп’ютерним експериментом ймовірнісне знання, допомагає набувати вкрай необхідні загальні продуктивні навички інтерактивного користувача інформаційних мереж і систем (Оn-line User).

Серед різноманітних дидактичних способів cтимулювання пошуково-пізнавальної активності студентів одне з чільних місць у фаховій освіті посідають саме методи математичного моделювання [5].

Математичне моделювання є специфічною формою наукового знання та професійної діяльності.

Взагалі математичне моделювання складається з кількох етапів: створення математичної моделі на основі синтезу, аналітичне або експериментальне дослідження створеної математичної моделі і, врешті-решт, – практичне втілення. Ми розглядаємо лише такий варіант, коли викладачі користуються раніше створеними наукою математичними моделями і для одержання необхідної інформації головну увагу зосереджують на етапі експериментального їх дослідження.

Реалізація концепції VR в програмному середовищі Agilent VEE

Для успішної реалізації концепції VR у навчанні необхідним є доступне і зручне середовище програмної підтримки обчислювального експерименту, за яким залишається останнє слово у дослідженні. Таким умовам, наприклад, відповідають популярні середовища мов графічного програмування (GPL – Graphical Programming Languages). На відміну від текстових мов програмування GPL для створення програм використовує замість тексту графічні символи (візуальні об’єкти), і процес виконання програм визначається не інструкціями, а потоками даних. Середовища GPL суттєво полегшують програмування, скорочують термін створення і налагоджування прикладних програм.

Особливий інтерес у багатьох зарубіжних престижних навчальних закладах викликало інтуїтивне візуальне середовище програмування Agilent VEE (Visual Engineering Environment) фірми Agilent Technologies Innovating the HP Way, про що свідчать освітні матеріали Agilent Educator’s Corner в інтернеті. Agilent VEE Education і Agilent VEE Student призначені спеціально для вишів. Середовище Agilent VEE дозволяє створювати програму шляхом складання інтуїтивної “схеми програмних об’єктів”. VEE програміст викликає програмні VEE об’єкти з випливного меню, редагує та з’єднує їх між собою провідниками, вказуючи таким чином необхідну послідовність виконання задач. Наявність багатьох прикладів і контекстно орієнтованих підказок допомагають початківцям та досвідченим програмістам однаково швидко розпочати роботу з високою продуктивністю. Подібні програми є зрозумілими для інших користувачів. Створені програми можуть автоматично документуватися.

Agilent VEE забезпечує швидкий шлях до комп’ютерного моделювання, аналізу та системотехнічного проектування у різноманітних прикладних застосуваннях. Цьому середовищу притаманний зручний інтерфейс користувача, розширений математичний апарат, широкі можливості конвертації форматів даних, можливість контролювати значне коло інструментів та інші переваги [6-8]. Інтегровані засоби аналізу й візуалізації MATLAB, підтримка технологій MSDN надають додаткові можливості дослідження. Останні версії середовища Agilent VEE набули багатьох властивостей алгоритмічних мов високого ґатунку.

Для експериментального інтерактивного дослідження математичних моделей (незалежно від обраного програмного середовища) зазвичай розробники програм створюють віртуальний лабораторний макет, роботу на якому можна вважати одним із шляхів спонукання студентів до пояснень результатів, тлумачень, обґрунтувань, висування гіпотез тощо.

Комп’ютерні програми віртуальних макетів передбачають виведення на екран комп’ютера виконуваних файлів (Executable File) віртуальних фронтальних панелей (Virtual Front Panel). Таких панелей в одному макеті може бути декілька. На панелях залишають пристрої керування та відображення інформації, засоби виклику інструкцій щодо керування макетом. Лабораторну роботу з однієї теми можна виконувати на кількох віртуальних макетах [11].

Фронтальна панель віртуального макету для проведення практичного заняття з вивчення чисел Фібоначчі та чисел золотої пропорції

Віртуальні макети характеризуються надзвичайною гнучкістю, що дозволяє викладачам-програмістам оперативно доповнювати чи розширювати зміст процедур, змінювати форму панелей цих макетів, змінювати кількість засобів введення/виведення даних, надавати будь-які додаткові інструкції.

Тут як приклад наведено лише один варіант головної фронтальної панелі віртуального макету для проведення практичного заняття з вивчення чисел Фібоначчі та чисел золотої пропорції [20].

Рис. 1 Панель користувача віртуальної лабораторної роботи
Числа Фібоначчі

З головної панелі передбачено перехід до двох допоміжних панелей ІНФОРМАЦІЯ та Sectio Aurea.

Рис. 2 Перша допоміжна панель
користувача віртуальної лабораторної роботи
Числа Фібоначчі

Рис. 3 Друга допоміжна панель
користувача віртуальної лабораторної роботи
Числа Фібоначчі

Крім того, додаткову інформацію надають ще дев’ять панелей користувача.

В рамках методичного проекту VirtLab, що саме тут розглядається [11], розроблено понад 100 авторських VEE комп’ютерних програм апаратних i віртуальних лабораторних макетів для навчання локального і дистанційного з різних дисциплін: Вимірювання в телекомунікації, Автоматика, Аналогова схемотехніка, Цифрова схемотехніка, Метрологія та вимірювальна техніка, Засоби відображення облікової інформації.

Методичний проект Віртуальна лабораторія

Реалізація методичного проекту VirtLab підвищує фаховий рівень освіти взагалі та якість спеціалістів, які користуються послугами обчислювальної техніки для одержання інформації чи розв’язання конкретних прикладних задач, – зокрема.

Шлях впровадження у навчальний процес ОНАЗ віртуальних засобів на базі візуального програмного середовища VEE та вимірювальних інформаційних систем на основі інтерфейсу МЕК-625.1 розпочався 1995 року з розробки віртуальних макетів лабораторного практикуму з теми “Вимірювальні інформаційні системи”. Результати цього впровадження вперше в Україні були представлені широкому фаховому загалу в 1997 році на регіональній науково-технічній виставці вишів в Одесі “Перспектива ХХІ” [4].

За активне впровадження в навчально-виховний процес нових технологій навчання методичний проект “Віртуальна лабораторія” нагороджено Дипломом IV Міжнародної виставки навчальних закладів 2001 р.

Педагогічна практика підтверджує, що використання сучасних інформаційних технологій пожвавлює і урізноманітнює навчальний процес, відкриває значні можливості для розширення освітніх рамок, несе в собі потужний мотиваційний потенціал і сприяє дидактичним принципам наочності навчання.