Реферат: Разработка виртуальной химической лаборатории для школьного образования
Отмечается, что педагогические агенты способствуют повышению степени доверия учащихся к учебному материалу. Они повышают мотивацию учащихся и увеличивают время, которое учащиеся проводят, работая с обучающими программами (Lester J. et al., 1997). Для усиления степени доверия к агенту используются специальные средства, подчеркивающие его индивидуальность. Программа может генерировать набор спонтанных движений, изменяя визуализацию синтезированной в реальном времени трехмерной модели. Кроме этого, для моделирования поведения персонажа используется широкий набор поз, жестов, движений головы и выражений лица.
5. Разработка виртуальной лаборатории
Каким образом удалось сократить время и затраты на создание образовательной среды, состоящей более чем из 150 высоко-интерактивных экспериментов, большого количества сложных трехмерных объектов (химическая стеклянная посуда, химические растворы и различное оборудование), а также содержащей анимированного в реальном масштабе времени педагогического агента? Чтобы добиться этого, при разработке виртуальной лаборатории были использованы два современных похода к созданию многофункциональных мультимедиа насыщенных приложений.
Во-первых, был применен метод скриптов, в последнее время широко распространенный для описания сложного мультимедиа контента с высокой интерактивностью. Этот подход предоставляет широкий набор средств для описания необходимой структуры контента и способов взаимодействия пользователя с объектами в виртуальной среде, а также обеспечивает максимальную гибкость при разработке мультимедиа продуктов. Для формирования скрипта продукта был использован объектно-ориентированный язык высокого уровня NML, входящий в состав авторской среды NATURA.
Модель презентации в авторской среде NATURA представляется иерархической структурой, состоящей из сцен, мультимедиа объектов и их композиций (рис. 4).
Рис. 4. Иерархия мультимедиа объектов в NML.
Описание мультимедиа презентации в сценарии на языке NML ведется в следующем порядке. В начале сценария определяются константы, затем шаблоны мультимедиа объектов, композиций и сцен, далее описываются сами сцены. Для каждой сцены задается ее имя, описываются ее мультимедиа объекты, композиции и обработчики событий. В Таблице 1 представлен перечень базовых мультимедиа объектов, используемых в языке MNL.
Таблица 1. Мультимедиа объекты в языке NML.
| Image | Статическое изображение |
| Anim | Анимация |
| Audio | Звук |
| Video | Видео |
| Html | html-документ |
| Object3d | Трехмерный объект, основанный на сеточной модели. |
| Motion | Описание движения трехмерного объекта. |
| Speech | Реплика трехмерного персонажа |
| Camera | Камера в трехмерном мире |
| Light | Освещение |
Воспроизведение мультимедиа объектов в соответствии со сценарием производится презентационной программной оболочкой, состоящей из нескольких взаимосвязанных модулей - менеджеров: менеджер приложения, менеджер сцен, менеджер вывода графики, менеджер звука и менеджер ресурсов. Структурная схема авторской программной среды представлена на рисунке 5.
Презентационная программная оболочка функционирует следующим образом. Менеджер приложения проводит инициализацию графических библиотек, создает основное окно, проводит инициализацию остальных менеджеров и передает управление менеджеру сцен. Менеджер сцен загружает сценарий стартовой сцены, запускает потоки загрузки мультимедиа элементов и производит их инициализацию. Далее управление передается менеджеру вывода графики, который запрашивает у менеджера сцен список видимых элементов, объединяет их и выводит на экран. По мере воспроизведения, графические динамические мультимедиа элементы передают менеджеру вывода графики сообщения о необходимости обновления их изображения. Тот, в свою очередь, запрашивает у менеджера сцен список всех графических элементов, которые перекрываются с данным элементом, соединяет их изображения и результат выводит на экран.
Рис. 5. Схема авторской программной среды NATURA.
При команде перехода на другую сцену менеджер сцен останавливает работу менеджера вывода графики и менеджера звука, а затем удаляет из памяти сценарий сцены и все ее мультимедиа объекты. После этого загружается новая сцена и все ее мультимедиа объекты, выполняется их инициализация и запускаются менеджер вывода графики и менеджер звука.
Для визуализации многообразных графических элементов экранного пространства был использован многослойный подход, когда различные двумерные и трехмерные объекты размещаются в нескольких разных слоях, расположенных заданным способом (рис. 6). При формировании изображения на экране эти слои объектов с учетом прозрачности накладываются друг на друга, обеспечивая необходимое динамическое представление графической информации.
Рис. 6. “Сэндвич” из слоев презентации.
6. Заключение
Создание образовательных сред для активного обучения, повышающих мотивацию учащихся, является неотъемлемой частью успеха в стратегии внедрения электронных образовательных ресурсов. Программное обеспечение для таких продуктов так же, как для описанной в этой статье виртуальной лаборатории, основано на моделировании и использовании насыщенного мультимедиа контента. Техническая сложность и значительная стоимость таких проектов является основным препятствием на пути широкого распространения виртуальных обучающих сред. Необходимы новые подходы для решения этой проблемы. Для создания таких систем мы предлагаем описанный в данной статье подход, основанный на применении авторской среды NATURA, использующей специальный язык для описания скриптов и позволяющей легко сочетать синтезированную в реальном масштабе времени трехмерную графику, с другими графическими и анимационными компонентами. Как было показано, этот подход позволил обеспечить эффективную разработку многофункциональной виртуальной химической лаборатории. Мы полагаем, что данный подход может быть полезен при создании других виртуальных обучающих сред.
Список литературы
[Anderson T. et al., 2004] Anderson, Terry; Elloumi, Fathi (eds.),"Theory and Practice of Online Learning”, Athabasca University, 2004.
[Brian F., 2003] Brian F. Woodfield, Merritt B. Andrus, Virtual ChemLab for Organic Chemistry , Prentice Hall, September 2, 2003.
[Carnevale D., 2003] Carnevale, Dan, “The Virtual Lab Experiment”, Chronicle of Higher Ed, January 31, 2003, p. A30.
[Dalgarno B., 2003] Dalgarno, Barney; Bishop, Andrea and Bedgood, Danny, “The potential of virtual laboratories for distance science education teaching: reflections from the initial development and evaluation of a virtual chemistry laboratory”, Proceedings of theImproving Learning Outcomes Through Flexible Science Teaching, Symposium, The University of Sydney, October 3, 2003, pp. 90-95.
[Dori Y. et al., 2001] Dori, Y.J. and Barak, M. (2001), “Virtual and Physical Molecular Modeling: Fostering Model Perception and Spatial Understanding”, Educational Technology & Society, 4(1), pp. 61-74.
[Lester J. et al., 1997] Lester, J., Voerman, J., Towns, S., Callaway, C., "Cosmo: A Life-Like Animated Pedagogical Agent with Deictic Believability," in Notes of the IJCAI '97 Workshop on Animated Interface Agents: Making Them Intelligent, Nagoya, Japan, 1997, pp. 61-70.
[Nijholt А., 2001] Nijholt, A., “Agents, Believability and Embodiment in Advanced Learning Environments”, Proc. IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT 2001), T. Okamto, R. Hartley, Kinshuk & J.P.Klus (eds.), 2001, pp. 457-459. [Prensky M., 2000] Prensky, Мark, Digital Game-Base Learning, McGraw-Hill, 2000.
[Robinson J., 2003] Robinson, Jamie, “Virtual Laboratories as a teaching environment: A tangible solution or a passing novelty?”, 3rd Annual CM316 Conference on Multimedia Systems, based at Southampton University. http://mms.ecs.soton.ac.uk/mms2003/papers/5.pdf.
[Virtual chemistry] Virtual chemistry. www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/
[Yaron D. et al., 2001] Yaron, D., Freeland, R., Lange, D., Karabinos, M., Milton, J., and Belford, R., “Uses of Flexible Virtual Laboratory Simulations in Introductory Chemistry Courses”, CONFCHEM 2001.
[Дорофеев М.В., 2002] Дорофеев М.В. Информатизация школьного курса химии//Химия. Издательский дом «Первое сентября». 2002. № 37. С. 2-4.
[Морозов М.Н. и др., 2002] Морозов М.Н., Танаков А.И., Быстров Д.А. Педагогические агенты в образовательном мультимедиа для детей: виртуальное путешествие по курсу естествознания//Proceedings of International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT), Казань. 9-12 сент. 2002. - Казань: КГТУ, 2002. - С.69-73.