Цифровая трансформация системы образования. Проектирование ресурсов для современной цифровой учебной среды как одно из ее основных направлений

ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВОМ ТРАНСФОРМАЦИИ СИСТЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ

УДК 004.9 ББК 420.253

Д.А. Антонова, Е.В. Оспенникова, Е.В. Спирин

ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ СИСТЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕСУРСОВ ДЛЯ СОВРЕМЕННОЙ ЦИФРОВОЙ УЧЕБНОЙ СРЕДЫ КАК ОДНО ИЗ ЕЕ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ

Рассматривается проблема цифровой трансформации системы общего среднего образования. Обсуждаются понятийный аппарат и этапы данной трансформации. Показано, какое влияние на каждом этапе оказывает внедрение средств ИКТ на сложившуюся в отечественном образовании модель учебно-воспитательного процесса. Настоящий этап характеризуется как этап начала ее качественных преобразований, для которого характерны «гибридные» технологии обучения.

В контексте тенденции цифровой трансформации системы образования обсуждаются направления реализации проекта «Цифровая школа». С целью демонстрации масштаба данного проекта, охватывающего процессы преобразования различных направлений работы современной школы, выполнен анализ проблемы цифровой трансформации одного из ее видов -учебной деятельности (на примере организации экспериментальных исследований учащихся). Указаны направления применения цифрового формата учебного эксперимента в школьной практике. Раскрыты этапы и методические аспекты его проектирования. Приведены примеры моделей цифрового физического эксперимента, разработанные с применением современных средств ИКТ, показаны объем и сложность работы по их созданию. Очевидно, что разработка цифровой образовательной среды для сопровождения всего комплекса видов учебной работы школьников - задача глобального масштаба. Качественный результат ее решения определяется не только профессионализмом 1Т-специалистов, но и наличием доступных средств и технологий проектирования объектов виртуальной среды, которыми может воспользоваться самый «массовый и заинтересованный разработчик»: учитель средней школы, преподаватель вуза, педагог дополнительного образования.

Ключевые слова: цифровая трансформация образования, учебный эксперимент как объект цифровой трансформации, интерактивные модели учебного эксперимента по физике, технологии виртуальной и дополненной реальности в моделировании.

1. Компьютеризация, информатизация, «цифровизация» образования

Последние два десятилетия большое внимание уделяется внедрению в систему общего среднего образования информационно-коммуникационных технологий. Период сравнительно небольшой, но тем не менее включающий как минимум три этапа их освоения и применения в образовательном процессе. Содержание данных этапов имеет существенные отличия, поскольку связано с изменениями в составе и качестве данных технологий, а также с обновлением педагогических стратегий их использования.

Каждая новая ступень в развитии средств ИКТ преобразует образовательный процесс и так или иначе оказывает влияние на его результативность, включая ее личностную, метапредмет-

© Антонова Д.А., Оспенникова Е.В., Спирин Е.В., 2018

ную и предметную составляющие. Дать объективную оценку меры этого влияния достаточно проблематично, поскольку контент и инструментарий современной информационно-образовательной среды хотя и, безусловно, значительные, но не единственные факторы воздействия на качество образования. Осознать в некоторой мере тенденции продуцируемых данными средствами изменений поможет ретроспективный анализ опыта их применения в средней школе.

В преддверии данного анализа отметим, что цифровой контент и технологии работы в современной цифровой информационной среде являются сравнительно новыми составляющими накопленного человечеством социального опыта. Начало их формирования относится к середине прошлого века и связывается с появлением первого электронного цифрового компьютера (Д. Атанасов. К. Берри, США, 1942 г.). Спустя всего несколько десятилетий «цифра» становится практически лидером среди носителей информации, а современная виртуальная среда - одним из важных ее источников. Согласно отчету аналитической фирмы IDC (International Data Corporation), занимающейся изучением мирового рынка информационных технологий и телекоммуникации, объем цифровых данных к 2020 г. достигнет 40 зеттабайт. Прогноз на 2025 г. -более 160 зеттабайт. Скорость генерирования новой информации, технологические мощности ее сбора и обработки продолжают расти стремительными темпами, что может в итоге изменить прогнозируемые значения в сторону их увеличения [17].

Каждый вновь освоенный человечеством носитель информации меняет структуру и содержание социальной деятельности, определяет появление и развитие в обществе ее новых составляющих. Чтобы убедиться в этом, достаточно мысленно исключить тот или иной носитель и соответствующие ему средства хранения, обработки и передачи информации из сферы их актуального применения (например, материальные объекты культуры, устные коммуникации и печатное слово, книги, радио или телевещание) и представить на мгновение образовавшиеся вследствие этого изъятия «деформации» жизнедеятельности общества.

Обновление носителей информации на каком-либо этапе исторического развития общества - фактор, определяющий существенные преобразования его культуры в целом. Это происходит благодаря революционным изменениям информационной культуры (ИК), которая является важной составляющей культуры социума. Каждый очередной скачок в развитии ИК возникает вследствие информационного кризиса, порождаемого противоречием между содержанием и объемом накопленной информации, с одной стороны, и способами ее эффективной обработки, хранения и трансляции - с другой. Фактически это конфликт «содержания» и «формы. Кризисная ситуация всегда стимулирует интенсивное развитие имеющихся и возникновение новых способов информационного обмена. Это приводит значительному ускорению информационных процессов в социуме, расширению фронта информационного взаимодействия его субъектов и, как следствие, к информационному обогащению общества.

Очередной информационный кризис, имевший место в прошлом столетии, привел к возникновению компьютерных технологий организации информационного обмена. Появились принципиально иные - цифровые - носители информации. В течение полувека стремительно менялась их информационная емкость, совершенствовались способы и нарастали скорости обработки и передачи информации. Многие информационные процессы стали автоматизированными и далее роботизированными.

В настоящее время накопленный социокультурный опыт сохраняется как на традиционных, так и на новых носителях информации. Уживаются рядом и используются во взаимосвязи все источники и все формы освоенного человечеством информационного обмена. Их многообразие обеспечивает возросшие потребности человечества в информационном потреблении.

Современная виртуальная среда является не только носителем большого объема информации, но и обладает специфическими инструментальными возможностями. В ней моделируются или воспроизводятся все ранее освоенные человечеством формы и способы потребления и обработки информации, а также появляются новые. Это стало возможным благодаря уникальному потенциалу цифровых технологий, за которыми будущее.

Процессы «цифровой трансформации» охватывают разные области жизнедеятельности социума и протекают весьма активно. Идет осознание сущности этих процессов, вводятся понятия и термины их характеризующие, формируются, но пока еще разнятся подходы к их толкованию. В работе А. Прохорова и Л. Коника обсуждается понятие «цифровая трансформация» [16]. Данное понятие является наиболее общим, поскольку охватывает своим содержанием все сферы деятельности человека. Авторы приводят одно из первых его значений как перехода от аналоговых данных к цифровым (узкий смысл). Процесс этого перехода длится уже несколько десятилетий. При этом начало «цифровой революции» связывается с 2002 г., когда объем хранимых в мире цифровых данных впервые превысил совокупный объем аналоговых. Считается, что доля аналоговых данных к 2020 г. будет сведена практически к нулю, что будет означать завершение процесса цифровизации как способа хранения и передачи данных.

В широком толковании «цифровая трансформация» жизнедеятельности социума как понятие рассматривается в трех контекстах:

- применение цифровых технологий с целью автоматизации различных процессов деятельности компаний, предприятий, учреждений; при этом каждое обновление технологий определяет начало новой стадии цифровой трансформации этой деятельности;

- использование комплекса цифровых технологий высокого уровня, возникших на определенном этапе развития социума и определяющих возможность появления цифровых компаний, в основе работы которых лежит принципиально новая модель организации профессиональной деятельности, практически не связанная с использованием «нецифровых активов»;

- внедрение в деятельность компании, предприятия или учреждения комплекса цифровых технологий высокого уровня с целью построения такой модели профессиональной деятельности, которая будет базироваться на эффективном применении этих технологий для решения профессиональных задач; нецифровые активы деятельности компании при этом сохраняются; в разных профессиональных средах набор цифровых технологий, определяющих эффективную модель работы компании, будет отличаться [16].

В настоящее время понятийный аппарат цифровой трансформации как социального явления и ее механизмы развиваются преимущественно в области теории и практики бизнес-процессов. В качестве цели и следствия такой трансформации определяется становление цифровой экономики социума. В предисловии к книге А. Прохорова и Л. Коника «Цифровая трансформация. Анализ, тренды, мировой опыт» [16], посвященной анализу цифровизации бизнес-процессов, Д. Марков предпринимает попытку раскрыть содержание понятия «цифровая эконо-

мика». Отмечается, что суть данного понятия, введенного в 1995 г. Н. Негропонте, может быть раскрыта через определение трех составляющих его содержания. К ним относятся: 1) цифровые технологии, 2) цифровая инфраструктура, 3) люди (^-специалисты и ^-пользователи как потребители информационных услуг).

В течение последних 3-4 десятилетий процесс цифровой трансформации наблюдается и в сфере образования. Высказываются мнения, что цифровое образование будет неминуемо реализовано, поскольку является неотъемлемой составляющей цифровой экономики [22]. Отрицать необходимость применения цифровых технологий в образовании уже невозможно. Уникальные особенности виртуальной информационной среды (мультимедиа, моделинг, «коммуникативность», интерактив, «интеллектуальность», производительность) определяют бесспорную эффективность ее применения в любой сфере человеческой деятельности. Вместе с тем анализ обозначивших себя тенденций цифровой трансформации системы отечественного образования порождает две группы вопросов.

1 группа. Как используются свойства виртуальной среды в современной образовательной практике? Какова продуктивность их влияния на формирование личности ребенка (его обучение, развитие, воспитание)? Как будет меняться это воздействие в ближайшем будущем в условиях стремительного развития средств ИКТ (каковы тенденций развития ситуации)?

2 группа. Какой смысл на современном этапе развития цифровых технологий вкладывается в содержание понятия «цифровое образование» («цифровая педагогика»)? В какой мере развитие цифровых технологий окажет влияние на содержание и структуру традиционной модели образовательного процесса? Какими должны быть приоритетные направления в проектировании модели современного образования в условиях его цифровой трансформации? Какой должна быть эта модель на разных уровнях образования в ближайшее десятилетие?

Как уже отмечалось, цифровизация образования является составляющей более общего процесса - цифровой трансформации жизнедеятельности социума. В этом процессе выделяют три основных этапа:

1) внедрение отдельных цифровых компонентов;

2) применение цифровых компонентов во взаимосвязи («связность компонентов»);

3) внедрение интеллектуальных программных и аппаратных решений с целью управления деятельностью и эффективного решения ее различных задач [16].

Как видно, для каждого этапа характерна своя степень цифровой трансформации модели деятельности.

Рассмотрим этапы внедрения средств ИКТ в систему общего среднего образования в логике указанных выше этапов цифровой трансформации.

Первый этап охватывает практически четверть века. Его начало связывается с принятием в 1984 г. Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР о введении предмета «Основы информатики и вычислительной техники» в средней школе. Это период массовой компьютеризации отечественного образования, когда были выделены значительные средства на производство школьных компьютеров и их поставку в учебные заведения, активно велась подготовка учебных пособий и переподготовка учителей с целью обеспечить достойное качество преподавания нового школьного предмета.

В 1990-е гг. были реализованы еще две федеральные программы развития отечественной школы: «Электронная Россия» и «Дети России». В начале нового века был принят к исполнению очередной федеральный проект «Развитие единой образовательной информационной сре-ды»(2001-2005 гг.). В процессе реализации этих проектов основное внимание по-прежнему было сосредоточено на технических аспектах информатизации образования. Ее главным результатом являлось совершенствование преподавания курса информатики в средней общеобразовательной школе, а также в вузах страны.

Вслед за компьютеризацией отечественной школы в этот же период началось формирование базы цифрового учебного контента для системы среднего и высшего образования. В частности, для средней школы было подготовлено несколько десятков цифровых ресурсов на электронных носителях. Приведем примеры некоторых наиболее популярных из них, созданных на данном этапе для учебного процесса по физике.

1. Физика в картинках. Версия 6.2. - М.: ООО «Физикон»: ООО «Образ», 1993 (CD).

2. Физика для школьников и абитуриентов в тестах, решениях и демонстрациях. - СПб.: ИНТОС: Курс-88: СПбИТМО: Росучприбор, 1997 (CD).

3. От плуга до лазера 2.0: энцикл. - М.: Новый диск : ДорлингКиндерсли, 1998 (CD).

4. Боревский Л.Я. Курс физики. Механика. Для школьников и абитуриентов. - М.: МедиаХауз, 1999 (CD).

5. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Уроки физики Кирилла и Мефодия. 5-6 класс. - М.: Кирилл и Ме-фодий, 1999 (CD).

6. 1С: Репетитор. Физика. - М.: АОЗТ 1С, 1998-2001 (CD).

7. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Уроки физики Кирилла и Мефодия. 7-8 класс. - М.: Кирилл и Мефо-дий, 2000 (CD).

8. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Уроки физики Кирилла и Мефодия. 9 класс. - М.: Кирилл и Мефо-дий, 2000 (CD).

9. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Уроки физики Кирилла и Мефодия. 10 класс. - М.: Кирилл и Мефо-дий, 2000(CD).

10. Виртуальная школа «STRATUM 2000» / Д.В. Баяндин, О.И. Мухин. - Пермь: РЦИ ПГТУ, 2000 (CD).

11. Дракоша, занимательная физика. - М.: Медиа-Сервис, 2000 (CD).

12. Физика. Обучающая программа для 9-11 классов. - СПб.: ТПО «Северный очаг», 2001 (CD).

13. Физика& UMS (Universal Mathematical Solver).- СПб.: ТПО «Северныйочаг», 2001 (CD).

14. Репетитор по физике КиМ. - М.: Кирилл и Мефодий, 2002 (CD).

15. Видеозадачник по физике. Части 1, 2, 3.- М.: Кирилл и Мефодий, 2002 (CD).

16. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Репетитор по физике Кирилла и Мефодия. - М.: Кирилл и Мефо-дий, 2002

17. Живаяшкола. Живаяфизика. (Interactive Physics) MSC. Working Knowledge. - М.:ИНТ, 2002(CD).

18. Открытая физика 2.5. В 2 ч. / под ред. С.М. Козела. - М.: ООО «Физикон», 2002 (CD).

19. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. - М.: Кирилл и Мефодий, 2002 (8 CD).

20. 1С: Репетитор. Физика + Варианты ЕГЭ. - М.: ЗАО 1С, 2000-2005 (CD).

21. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Уроки физики Кирилла и Мефодия. 11 класс. - М.: Кирилл и Мефо-дий, 2002 (CD).

22. Боревский Л.Я. Курс физики XXI века. Полная теория в иллюстрациях + 210 моделей. - М.: МедиаХауз, 2003

(CD).

23. Физикус: обучение с приключением (от 9 до 16 лет). - М.: МедиаХауз, 2003 (CD).

24. Физика: Просвещение. Основная школа: 7-9 классы. Ч. I. Мультимедийное учебное пособие нового образца. - М.: Просвещение - МЕДИА, 2003(CD).

25. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Медиатека по физике. - М.: Кирилл и Мефодий: Нью Медиа Дже-нерейшн, 2003 (CD).

26. 1С: Школа. Физика 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий / под ред. Н.К.Хананова. - М.: OOO «Дрофа», 2004 (CD).

27. 1С: Школа. Физика 10-11 классы. Подготовка к ЕГЭ / под ред. Н.К.Хананова. - М.: ЗАО «1C», 2004 (CD).

28. Лабораторные работы по физике (виртуальная физическая лаборатория). 7-11 классы. - М.: ООО «Дрофа», 2006

(6 CD).

Это был первый опыт создания отечественного цифрового учебного контента с использованием имеющихся в тот период технологий проектирования учебных объектов виртуальной среды. Были разработаны и представлены на образовательном рынке достаточно качественные для этого времени мультимедиаресурсы, включающие небольшие фрагменты учебных текстов, задачи, тесты, тренажеры, видеоматериалы, анимации, простые интерактивные модели учебных объектов и процессов. Информация в виде текста целенаправленно ограничивалась, поскольку считалось, что у цифровых ресурсов как новых средств обучения совсем иное назначение. Их содержание не должно формироваться по принципу школьного учебника. Главной задачей при подготовке таких ресурсов являлось дополнение материала учебника разнообразными средствами цифровой наглядности. Некоторые ресурсы включали учебные объекты достаточно высокого уровня интерактивности. В этих ресурсах было реализовано управление познавательной деятельностью учащихся, решались задачи развития их познавательной самостоятельности и творческой активности (Живая школа. Живая физика. (InteractivePhysics). MSC. Working Knowledge ИНТ; Виртуальная школа «STRATUM 2000» (Пермь, РЦИ ПГТУ)). Такой подход при создании ресурсов оценивался как инновационный.

Несмотря на негативное отношение к большим объемам текстовой цифровой информации в педагогической печати, тем не менее, начали обсуждаться проблемы разработки электронных учебников [8, 9, 15].

Отметим, что оснащение образовательных учреждений компьютерной техникой и появление первого поколения цифровых учебных ресурсов позволяет определить первый (подготовительный) этап цифровой трансформации системы образования как этап внедрения отдельных цифровых аппаратных и программных компонентов в профессиональную педагогическую деятельность.

Второй этап. В октябре 2004 г. взял старт новый государственный проект - «Информатизация системы образования» (ИСО) (2005-2008 гг.). Данный проект готовился большой группой международных и российских экспертов. Финансовым гарантом проекта выступал Международный банк реконструкции и развития. Авторы проекта ИСО характеризуют его как « ... самую масштабную и системную за прошедшие 20 лет попытку решать вопросы информатизации школы в тесной связи с повышением качества учебного процесса, изменением парадигмы образования, обновлением способов педагогической деятельности» [18, с.20]. Процессы информатизации школы в рамках данного проекта непосредственно связываются с обновлением содержания, методов и организационных форм обучения, с достижением новых учебных результатов, с модернизацией всех сторон жизни общеобразовательной и профессиональной школы,

с использованием компьютера в преподавании всех учебных предметов, с формированием в массовом порядке ИКТ-компетентности учителей-предметников. Главная цель проекта -« ... запуск процесса изменений, обеспечение условий его необратимости и формирование механизмов поддержки. Изменения эти, базируясь на информационных и коммуникационных технологиях, должны захватывать и содержание образования по всем предметам, и уклад школы» [18, с. 20].

При реализации проекта основное внимание было сосредоточено не только на развитии ресурсной и инструментальной базы виртуальной образовательной среды. Была поставлена весьма масштабная цель: связать систему разработанных цифровых образовательных ресурсов с педагогической моделью работы школы и обеспечить тем самым их комплексное и результативное применение. В состав цифровых ресурсов были включены:

1) цифровые информационные источники;

2) цифровые учебно-методические материалы (комплексы), ориентированные на достижение качественно новых образовательных результатов;

3) цифровые инструменты учебной деятельности;

4) информационные системы поддержки учебной, общественной и административной деятельности школы (специализированное программное обеспечение для учителей, методистов и школьных администраторов).

В итоге в рамках проекта ИСО была создана общедоступная коллекция цифровых информационных источников для средней школы, содержащая свыше 75 тыс. объектов по основным учебным предметам, в том числе и по физике. В ее состав вошли элементарные и простые источники учебной информации, а также источники сложной информационной структуры (ИИСС), предназначенные для поддержки отдельных инновационных видов познавательной и практической деятельности школьников [13с. 27]. Источники коллекции были систематизированы по школьным предметам, основным содержательным линиям и дидактическим единицам школьного образовательного стандарта.

Весьма важным и продуктивным решением проекта стала разработка учебно-методических материалов (комплексов), ориентированных на достижение качественно новых образовательных результатов. Создание таких материалов было реализовано двумя способами.

Первый способ был связан с разработкой цифровых образовательных ресурсов (ЦОР) к используемым в средней школе полиграфическим предметным учебно-методическим комплектам (УМК). ЦОР этого назначения (узкий смысл)1 жестко привязаны к данным УМК, что позволяет учителю сохранять освоенную им ранее методику обучения на основе использования традиционных учебников и при этом успешно применять цифровые учебные материалы.

Второй способ решения поставленной задачи включал разработку инновационных учебно-методических комплексов (ИУМК), обеспечивающих организацию учебного процесса по предмету (разделу, теме) на всех его этапах: предъявление учебного материала, его отработку и контроль усвоения. ИУМК были ориентированы на новые формы представления знаний, новые педагогические технологии обучения и новые способы организации учебного процесса. Важной

1 В широком смысле с понятием «цифровой образовательный ресурс» связывается любой объект виртуальной среды образовательного назначения.

особенностью ИУМК являлась их открытость. Учителю предоставлялась возможность использовать материалы и инструменты инновационного комплекса при создании собственных ресурсов, связывать посредством ссылок самостоятельно подготовленные материалы с материалами ИУМК, расширяя тем самым возможности использования последнего в учебном процессе. Такой инновационный комплекс являлся заменой традиционного учебника и был предназначен как для применения на уроке, так и для организации домашней работы учащихся. Это достигалось за счет наличия в ИУМК большого числа информационных источников: текстов, иллюстраций, упражнений и тренажеров, виртуальных лабораторий, вопросов и задач для самоконтроля, тестовой системы контроля знаний, элементов мониторинга и пр. ИУМК были предназначены для творчески работающих учителей, готовых самостоятельно строить учебный процесс. В частности, по физике и естествознанию в рамках проекта «ИСО» были разработаны следующие ИУМК:

1. Физика в системе Д.Б. Эльконина - В.В. Давыдова. 7-9 классы (авторы: В.А.Львовский, В.Ю. Грук, П.Г. Нежнов; ЗАО «1С Акционерное Общество, 2008).

2. Физика. 10 класс (авторы: Д.Б. Баяндин, О.И. Мухин, Н.Н. Медведева и др.; ЗАО «Просвещение-Медиа», 2008).

3. Физика. 10 класс (авторы: А.А. Шаповалов, А.А. Веряев, А.Н. Крутский и др.; ООО «Физикон», 2008).

4. Физика. 7-9 классы

5. Глобальная школьная лаборатория. Интегрированный курс естествознания для 5-6 классов (авторы: Барбара Тинкер, Чен Жи, Эмми Паллант и др.; Образовательный консорциум «Конкорд», 2008).

6. Естественнонаучное образование для основной школы. 5-6 классы (авторы: Е.М. Африна, Н.В. Шаронова, Т.П. Горидченко и др.; ЗАО «Просвещение-Медиа», 2008).

При разработке цифровых образовательных ресурсов большое внимание уделялось использованию эффектов мультимедиа. Существенно возросло качество средств визуализации учебных объектов. Значительные усилия на данном этапе были предприняты в создании интерактивных ресурсов, в том числе стимулирующих творческую деятельность школьников в виртуальной среде.

Вполне закономерно, что в этот период стала формироваться система инструментов учебной деятельности. Дополнительно к стандартным инструментальным программам (MSWord, MS Excel, MS РР и др.), которыми учащиеся пользовались ранее, были созданы специальные программные продукты: 1С: Измеритель, 1C: Математический конструктор,1С: Конструктор интерактивных карт (компания 1С, Москва, 2007); ОС3 Хронолайнер (компания ОС3, Москва, 2008) и др. К инструментам учебной деятельности были отнесены программные среды для проведения виртуальных лабораторных работ. В частности, по физике были подготовлены следующие ресурсы: «Лабораторные работы по физике. 7-11 классы» (ООО «Дрофа», ООО «Квазар», М., 2006); «Активная физика» (Программно-методический комплекс для обучения школьников 7-10 классов. Компания Pi-LogicResearchGroup); Виртуальные лабораторные работы по физике. 7-9 классы («Новый диск», М., 2007); «Интерактивные лабораторные работы. 7-11 классы (ООО «Физикон», М., 2008) и др.

В рамках данного проекта серьезное внимание было уделено разработке информационных систем поддержки учебной, общественной и административной деятельности школы. Создавалось и внедрялось в практику работы средних школ специализированное программное

обеспечение для учителей, методистов и школьных администраторов. Это ресурсы для ведения цифровой школьной документации (составления штатного расписания, расписания учебных занятий, регистрации результатов учебного процесса, ведения электронного журнала, хранения работ учащихся и т.п.), а также цифровые инструменты для подготовки учебных занятий, разработки и хранения методических материалов. Примерами таких инструментов являются: «КМ-Школа». Образовательная среда для комплексной информатизации учреждений образования (Компания «Кирилл и Мефодий», М., 2005); «1С:ХроноГраф Школа 2.5». Информационная система администрирования деятельности образовательного учреждения (компания 1С, М., 2007); «Хронограф 3.0 Мастер». Редактор расписания занятий учреждения образования (ООО «Хронобус», М., 2007); Информационная система «Школа». Среда поддержки управления процессами и информацией (Региональный центр новых информационных технологий, Карелия, 2007) и др. Следует отметить, что данные ресурсы технологически были еще весьма несовершенны, и попытки их массового внедрения в большинстве случаев не увенчались успехом. Тем не менее это был важный опыт, который приобрели и разработчики данных ресурсов, и потребители. На его основе были уточнены направления дальнейшего совершенствования цифровых систем поддержки и сопровождения деятельности образовательных учреждений.

На заключительном этапе проекта ИСО (2008-2010 гг.) были поставлены задачи внедрения разработанных ресурсов и инструментов в практику работы образовательных учреждений, распространения накопленного опыта информатизации учебно-воспитательного процесса и систем управления образовательными организациями.

Анализ содержания разработанных в рамках проекта ИСО ресурсов информационно-образовательной среды и инструментов программной поддержки образовательного процесса, а также результатов их применения в массовой практике позволяет определить второй этап цифровой трансформации системы образования как этап применения в педагогической деятельности цифровых компонентов в их взаимосвязи («связности цифровых компонентов»).Однако, несмотря на масштабность заявленных задач, на данном этапе все же не произошло принципиального обновления модели образовательного процесса. В этой связи второй этап цифровой трансформации системы основного среднего образования (как и первый) может быть определен по составу своих характеристик только как подготовительный.

Третий этап. Первые два подготовительных этапа цифровой трансформации системы образования в историческом контексте ее развития были обозначены как этапы компьютеризации и информатизации. Эти названия достаточно условны и отражают лишь превалирующие процессы, свойственные каждому этапу. Реализованные в эти периоды задачи составили основу для перехода к третьему этапу цифровой трансформации образования, начало которого заявлено на федеральном уровне в 2016 г. в связи с запуском нового приоритетного проекта «Современная цифровая образовательная среда в Российской Федерации» (2016-2021 гг.). Включение данного проекта в портфель Правительства Российской Федерации является демонстрацией важности задач развития новых образовательных технологий. Цель проекта: создать к 2018 г. условия для системного повышения качества и расширения возможностей непрерывного образования для всех категорий граждан за счет развития российского цифрового образовательного пространства.

В декабре 2017 г. на заседании президиума Совета при Президенте Российской Федерации по стратегическому развитию и приоритетным проектам был анонсирован новый проект «Цифровая школа», рассчитанный на период 2018-2025 гг. [22]. В рамках данного проекта в средних общеобразовательных школах должна быть создана необходимая инфраструктура.

Планируется разработка цифровой платформы и информационного ресурса «Цифровая школа», которые обеспечат возможность интеграции и использования уже представленных на информационном рынке электронных журналов и дневников. Ставится задача создания специального программного обеспечения с открытыми исходными кодами, гарантирующего необходимое качество онлайн-обучения, достоверную оценку его результатов, включая контроль прохождения процедуры оценки, а также передачу достоверных результатов обучения в электронные информационно-образовательные среды вузов. На базе данной программной среды будут реализованы системы тестирования, созданы симуляторы, тренажеры, виртуальные лаборатории и интерактивные игровые ресурсы, станут возможными организация проектной работы и «посещение» виртуальных экскурсий, различные виды коммуникации между обучающимися, а также онлайн-трансляции образовательных мероприятий (турниров, состязаний, олимпиад и т.п.). Будет выполнен перевод содержания учебников и дополнительных материалов для школьных занятий в электронную форму, созданы онлайн-курсы по различным предметам, в том числе для дополнительного образования. Школьникам будет обеспечен свободный доступ к контенту цифровой образовательной среды, в том числе через мобильные устройства, для активной самостоятельной работы над содержанием учебного материала.

Решение поставленных задач обеспечит возможность построения для учащихся в цифровой образовательной среде индивидуальных траекторий обучения. Согласно проекту средствами данной среды будет реализован учет индивидуально-психологических особенностей учащихся и их готовность к обучению. Как отмечается в паспорте проекта, для каждого обучающегося на основе результатов диагностики его способностей и предпочтений будут формироваться рекомендации по программе обучения, уровню ее сложности, выбору информационных ресурсов, а также возможности участия в профильных конференциях, проектах, грантах и олимпиадах.

«Цифровая школа» заявлена как часть проекта «Современная цифровая образовательная среда в РФ», утвержденного в 2016 г. Отметим, что задачи, поставленные в данных проектах, являются не просто масштабными, но и весьма сложны для исполнения. Решение ряда из них будет связано с разработкой интеллектуальных программных и аппаратных решений по управлению деятельностью обучаемых (диагностика состояния субъекта обучения по разным критериям и его мониторинг, автоматизация выбора и сопровождения индивидуальных траекторий и их корректировки, реализация гибких технологий управления различными видами учебной деятельности, обеспечение разнообразия форм и средств образовательной коммуникации, организация хранения и обработки больших массивов данных с целью управления образовательным процессом и пр.).

В случае успешного решения этих задач можно будет говорить о завершении подготовительных этапов цифровизации и переходе системы общего образования в основную фазу цифровой трансформации. Главным показателем данного перехода должно стать обновление на основе применения современных цифровых технологий модели образовательного процесса в средней школе, включая изменения роли его субъектов, содержания и механизмов их взаимодейст-

вия, технологий управления различными составляющими деятельности образовательной организации: базовыми (учебно-воспитательная деятельность) и вспомогательными (организационно-административная работа). Эти процессы уже идут в системе высшего образования, однако формирующийся опыт его «цифровизации» не может быть спроектирован на среднюю школу без его существенной корректировки.

В анонсе проекта «Цифровая школа» модель образовательного процесса для средней школы нового типа пока не раскрыта в необходимом объеме. Говорится лишь о модификации роли учителя и обновлении его функций, об увеличении самостоятельной работы учащихся с элементами содержания обучения, представленными в цифровом формате. Анализ усматриваемых в проекте некоторых характеристик модели цифровой школы показывает, что пока не предусмотрено исключение из ее работы нецифровых форматов обучения школьников. Представляется, что это будет все-таки смешанная образовательная модель. К принятию данной модели в наибольшей мере готова педагогическая общественность. Сторонники модели электронного обучения (eLearning) и защитники традиционного классического образования (Brick and Mortar Education) движутся в направлении построения модели смешанного обучения (Blended Learning), включая разработку его различных модификаций.

На каждом этапе цифровой трансформации используются технологии, характерные для актуального исторического периода развития социума. При внедрении данных технологий их состав формируется с учетом профиля профессиональной деятельности организации (компании, предприятия) и ее текущих задач. На настоящем этапе исторического развития имеется возможность использования технологий так называемой третьей платформы (мобильные устройства и приложения, мобильный ШПД, социальные сети, облачные услуги, BigDate Аналитика, умные решения). Анализ опыта работы различных компаний и предприятий показывает, что, как правило, качественный скачок в преобразовании модели их профессиональной деятельности дает комплексное применение технологий третьей платформы [16].

Представляется важным при разработке проекта цифровой трансформации системы общего образования первоначально определить оптимизирующий образовательную деятельность учреждения эффект применения современных ИКТ (для отдельного учащегося, школы, учреждений дополнительного образования, системы образования в целом). Далее на этой основе необходимо разработать модель образовательного процесса, в которой будут показаны цифровые трансформации его базовых и вспомогательных составляющих. Можно допустить, что в условиях данной трансформации какие-то элементы классической модели образования будут заменены на их цифровые аналоги или вообще исключены. Другие элементы могут и должны существовать как цифровые, так и как нецифровые активы.

На рис. 1 приведена модель учебного процесса, которая является лишь составляющей более общей образовательной модели. Даже из поверхностного ее анализа видно, что в сравнительно недалеком будущем в принципе является возможным перевод всех ее составляющих в цифровой актив. Технологии современной (третьей) платформы позволяют это сделать практически в полном объеме. В результате такой трансформации ученик окажется полностью погруженным в мир виртуального образования. Конечно, у учащегося будет возможность увидеть «живых» учителей в их «телеверсии» и даже изредка консультироваться с ними, в том числе

в режиме онлайн. Различные форматы цифровой коммуникации со сверстниками - это для современных школьников уже сейчас привычное дело.

Рис.1. Обобщенная модель учебного процесса

Итак, допустим, что перевод на «цифру» всех составляющих учебного процесса состоялся. Представим себе эту ситуацию в деталях и в контексте этих представлений вспомним (хотя это нужно было сделать несколько раньше), что является целью образования. В самом общем

случае

это присвоение молодым поколением накопленного социального опыта в различных

16

сферах жизнедеятельности и формирование у него готовности к сохранению и дальнейшему развитию всех составляющих социальной культуры. При этом важно отметить, что культура социума не является и никогда не будет являться цифровым активом, как и окружающая нас природа (рис. 2). Конечно, цифровая составляющая социальной культуры весьма значима, но это всего лишь часть этой культуры. Сказанное является основанием для следующего утверждения: в процессе цифровой трансформации системы образования не должен быть нанесен ущерб тем реальным видам учебной деятельности и социальной практики обучающихся, без которых невозможно формирование у них необходимого комплекса компонентов социальной культуры.

Замена составляющих реальной образовательной жизнедеятельности школьника их цифровыми аналогами чревата последствиями, которые важно предусмотреть. Авторы многочисленных публикаций, появившихся в печати и на сайтах Интернета, указывают на неизбежные образовательные «потери» предстоящей цифровизации школьного образования:

— частичная утрата навыков письма;

— падение уровня читательской компетенции, что связано, с одной стороны, со сложностью работы с пространными текстами в их цифровом формате, с другой - с характерным для цифровой среды акцентом на наглядные формы представления учебного материала в ущерб его последовательному и развернутому письменному изложению;

— снижение качества устной речи и готовности к вербальной коммуникации в различных формах (рассказ, объяснение, диалог как основа обсуждения, дискуссии, полемики);

— низкий уровень готовности к социальному взаимодействию и, как следствие, оскудения вербальной техники обучаемых;

— снижение уровня интеллектуального развития и, как результат, отставание в развитии речевой практики;

— падение качества практических умений и навыков из-за невысокого объема работ с натурными учебными объектами и реальными объектами социальной культуры;

— разрушение системы методологической подготовки учащихся (совершенно очевидно, что нельзя познавать природу только через ее модельные образы в виртуальной среде; такие модели при условии их достаточно высокого качества могут стать лишь одним из средств обучения);

— низкий уровень техносоциализации (адаптации к жизнедеятельности в реальной современной техносреде).

Перечислены далеко не все «минусы» цифрового образования. Есть еще духовная составляющая развития личности (идеалы и ценности, мотивы, культура поведения и деятельности, мораль, эмоциональная сфера непосредственного общения и т.п.), содержание и процесс формирование которой тоже не могут быть переведены в цифровой формат. Много опасений высказывают психологии, врачи, работники различных социальных служб [21, 23]. Особая концентрация этих опасений имеет место при обсуждении проблем цифровизации начальной школы.

Рис.2. Структура социокультурного опыта [13]

Сказанное выше не является основанием для того, чтобы препятствовать движению педагогического сообщества в направлении цифровой трансформации образования. Эти процессы не остановить, поскольку они являются вполне закономерными. В этой связи следует согласиться с американским специалистом в области информационных технологий Н. Негропонте (Массачусетский технологический институт), который отметил: «Все, что может быть переведено в цифру, будет цифровым» [Цит. по: 16]). Вместе с тем своевременно расставленные акценты на возможных «потерях» при реализации проекта цифровой школы очень важны, поскольку указывают наиболее значимые направления глубокой проработки ее будущей модели с целью предупреждения негативных следствий «цифровизации». Предстоит определить:

1)элементы модели учебно-воспитательного процесса, которые могут быть в полном объеме переведены с цифровой формат с целью обеспечения более высокого образовательного результата (eLearning, mLearnng);

2) элементы, требующие смешанного или «гибридного» подхода к реализации цифровой трансформации (Blended Learning или Hybrid Learning), при котором наряду с обучением в классе (Face-To-Face Learning) применяется разнообразная компьютерная аппаратная техника, в том

числе мобильные устройства, а также локальные и сетевые ресурсы и инструменты виртуальной среды;

3) элементы, которые должны фактически остаться в своем классическом варианте (Brick and Mortar Education), а ИКТ будут применяться в этом случае лишь в ограниченной ресурсной или инструментальной форме как технологии, усиливающие наглядность и информационную насыщенность обучения.

Понятно, что с развитием цифровых технологий (например, с появлением их «четвертой платформы») модель трансформации будет уточняться развиваться, преобразовываться.

2. Цифровая трансформация учебной деятельности отдельных видов

Вышеизложенные общие рассуждения попробуем перевести в практическую плоскость и рассмотреть вопросы цифровой трансформации отдельных видов учебной деятельности на примере выполнения учащимися экспериментальных исследований явлений природы (см. рис. 1, работа учащихся с дидактическим комплексом материальных объектов и процессов в школьной лаборатории).

Деятельность учащихся по выполнению натурного эксперимента исторически является одним из первых объектов цифровой трансформации. Очевидно, что данная деятельность не может быть в полном объеме перенесена в виртуальную среду. Ее трансформация должна носить гибридный характер, в противном случае учащиеся не смогут освоить в необходимой мере опыт выполнения натурных экспериментальных исследований явлений природы.

Насколько важным является дополнение натурных опытов их цифровыми версиями? Оснований для этого несколько и они не первый год обсуждаются в педагогической печати [3, 4, 6,11, 13, 14, 19, 20]. Обратим внимание в данной статье только на самые общие направления применения цифрового формата организации учебного эксперимента, имеющие ярко выраженный дидактический потенциал.

1. Демонстрация видеозаписей:

- натурных экспериментов (научных, учебных) с целью дополнения (расширения) их базового перечня новыми видами;

- природных явлений и результатов наблюдений за природными процессами;

- серий тематических опытов (экспериментов, наблюдений), которые в необходимом объеме невозможно выполнить в условиях школьной практики (результаты этих опытов используются для последующего анализа, систематизации, обобщения или объяснения на основе известных учащимся законов и теоретических представлений).

2. Применение интерактивного видео натурного учебного эксперимента с широким спектром приемов организации его просмотра и контроля усвоения содержания видеоматериала.

3. Организация работы учащихся в удаленных лабораториях натурного эксперимента с применением сервисов Интернета.

4. Демонстрация анимации и виртуальных моделей фундаментальных научных экспериментов (например, опыта Резерфорда, опыта Штерна, опыта Кулона с крутильными весами и др.), которые являются недоступными для показа в условиях школьной среды.

5. Моделирование и визуализация в виртуальной среде микрообъектов и микропроцессов, исследуемых в эксперименте.

6. Применение интерактивных моделей учебного демонстрационного эксперимента, реализованных средствами современной компьютерной графики. Акцентированная визуализация наиболее значимых элементов установки и устройства ее отдельных блоков, существенных характеристик исследуемых объектов и процессов, техники и методики постановки эксперимента, его основных результатов.

7. Использование в обучении интерактивных моделей лабораторного эксперимента как средства формирования у учащихся представлений об экспериментальном методе изучения явлений природы и отработки отдельных экспериментальных умений. Выполнение интерактивных виртуальных лабораторных работ (в классе, в домашних условиях) с целью обогащения практики подготовки учащихся в области самостоятельных экспериментальных исследований.

8. Освоение метода моделирования как метода познания. В данном контексте являются полезными для учащихся задания, связанные:

- с тестированием уже «готовых» виртуальных моделей природных процессов и экспериментальных установок для их исследования (проверка корректности работы модели);

- с исследованием на «готовой» виртуальной модели закономерностей протекания явлений при различных условиях, с последующей проверкой полученных результатов в натурном эксперименте;

- с самостоятельным моделированием в учебных инструментальных средах исследуемых в эксперименте процессов и объектов.

9. Применение виртуальных интерактивных экспериментальных заданий повышенной сложности как средства подготовки наиболее способных учащихся к решению нестандартных экспериментальных задач.

Не исключены и другие направления цифровой трансформации учебного эксперимента. По каждому из указанных направлений может быть сформирован соответствующий цифровой контент. Обсудим методические аспекты разработки такого контента на примере создания виртуальных моделей физического эксперимента. Отметим, что в ряде случаев подготовленные модели могут быть ориентированы на реализацию нескольких дидактических целей. В нашем случае ведущей дидактической целью разработки является организация выполнения учащимися виртуальных лабораторных работ в качестве средства формирования представлений о физическом эксперименте как методе познания и отработка экспериментальных умений (конкретных, обобщенных). Рассмотрим этапы создания таких моделей по учебной теме «Закон сохранения импульса» (9-й класс).

Первый этап разработки связан с анализом предшествующего опыта создания моделей учебного физического эксперимента по данной учебной теме.

На современном образовательном рынке представлены разнообразные анимации и достаточное число интерактивных моделей, иллюстрирующих содержание эксперимента по проверке закона сохранения импульса. Их отдельные примеры приведены на рис. 3-5. Преимущественно это модели первого поколения, для которого характерны специфический (художественный) стиль визуализации, кнопочно-анимационный интерфейс, невысокий уровень интерактивности, наличие минимума текстовой информации, в ряде случаев звуковое сопровождение и организация контроля усвоения школьниками учебного материала. Модели просты в работе и в целом полезны для применения на занятиях по физике.

Рис. 3. Модель «Закон сохранения импульса»

Рис. 4. Модель «Импульс тела. Закон сохранения импульса»

с V Collision Carti 5 start

_ ш

"5 г

Initial Velocity Initial Velocity

Л  ~ 0 m/s ~ ^ 0 m/s ^

Mass: 1 kg Mass: 3 kg

Elastic Collision Inelastic Collision Explosion

Рис. 5. Модель «Collision Carts»

Широкий класс моделей (около 20) по теме «Закон сохранения импульса» представлен в инструментальной среде «Интер@ктивная физика» (разработка Института инновационных технологий, г. Пермь) [5]. Данные модели предназначены для предъявления учебного материала, его отработки и контроля усвоения. Это видеодемонстрации, интерактивные модели взаимодействия тел, конструкторы для самостоятельного проектирования данного взаимодействия, модели для иллюстрации применения закона в технике и его проявлений в живой природе, репетиры, тесты. Предложенный в ресурсе набор моделей помогает школьникам изучить в интерактивном режиме разнообразные случаи взаимодействия не только пары тел, но и их более сложных систем. Авторами разработаны абстрактные и конкретные модельные ситуации. На их основе сформулирован широкий класс экспериментальных задач, решение которых позволяет школьникам основательно как на теоретическом, так и практическом уровнях проработать материал данной учебной темы (рис. 6-9).

б

Рис. 6. Конструктор «Механика». Взаимодействия шаров: а - «маятник Ньютона» - центральные удары; б - нецентральное соударение

а

Скорость маятника 2 ед. Угол отклонения 19 0 Высота центра масс 4 ед. Нач. энергия системы 5000 ед. Кин. энергия системы 23 ед. Пот. энергия системы 435 ед. Потери энергии 4545 ед. Время 22 ед.

Рис. 7. Учебная тема «Импульс тела»: а - модель «Баллистический маятник»; б - модель «Определение скорости полета пули методом баллистического маятника»

Законы сохранения в механике Лобовые соударения пары тел

Рис. 8. Модель «Законы сохранения при лобовых соударениях пары тел»

а б

Рис. 9. Учебная тема «Импульс тела»: а - модель «Движение за счет отдачи при стрельбе»; б - модель «Движение автомобилей на пароме»

В последние несколько лет на отечественном рынке появились модели виртуальных физических экспериментов, разработанные с применением 3D-технологий проектирования экспериментальной установки и функции «drag&drop» при работе с ее объектами. Такие модели представлены в ресурсе «Виртуальные лабораторные работы по физике» компании «Проект-Сервис» [7] и в проекте «Образовательный комплекс по физике» компании «Увлекательная реальность» [10]. К сожалению, в демонстрационных версиях этих образовательных продуктов модели по теме «Закон сохранения импульса» не приведены. Представление о подходах авторов к разработке виртуальных моделей физического эксперимента можно получить только на основе анализа других, доступных для просмотра, версий.

Компания «Проект-Сервис» предлагает комплект интерактивных трехмерных лабораторных экспериментов, реализованных с достаточной степенью реалистичности (рис. 10). Дизайн рабочих окон весьма непривлекателен, но при этом на лабораторном столе есть все необходимое для самостоятельной работы учащихся в виртуальной среде. Поскольку в анонсе продукта представлены лишь статичные иллюстрации 3Б-моделей, оценить уровень их интерактивности не представляется возможным.

Рис. 10. Виртуальные лабораторные работы по физике [7]: а - изучение колебаний пружинного маятника; б - изучение явления электромагнитной индукции

«Образовательный комплекс по физике» компании «Увлекательная реальность» предназначен для проведения интерактивных 3D-уроков по физике в 7-11-х классах. Разработчики делают акцент на ярких мультимедиа эффектах, нередко в ущерб реалистичности отображения демонстрируемых объектов (рис. 11). В рекламируемом комплексе представлены виртуальные модели по ключевым темам школьного курса физики. Это трехмерные анимации (более 70), в том числе в формате 3D-стерео, и около 30 виртуальных лабораторных работ [10]. Имеется функция выбора отображения 3D-моделей в виртуальной (У^ или дополненной реальности (AR). При выборе AR обеспечивается эффект более глубокого эмоционального включения учащегося в процесс исследования за счет проецирования виртуальной экспериментальной установки на объекты окружающей учебной среды (например, на реальный лабораторный стол) (рис.12). В ресурсе реализованы элементы интерактивного обучения: управление компонентами среды и всплывающие подсказки. Собственно в виртуальной среде развернутое текстовое сопровождение экспериментов отсутствует. Методические рекомендации и инструктивные указания к работе представлены в печатном пособии для учителя и учащихся.

Рис. 11. Образовательный комплекс по физике «Увлекательная реальность» [10]: а - тема «Механика»; б - тема «Электрические явления»

Рис. 12. Принцип действия электромагнитного реле (функция AV - дополненная реальность).

Образовательный комплекс по физике «Увлекательная реальность» [10]

Представляют интерес зарубежные разработки трехмерных интерактивных моделей, в частности, образовательный продукт «Physics 3D Virtual Experiments» компании LablnApp [24]. Целью компании являются революционные преобразования в обучении естественным наукам с помощью трехмерной компьютерной графики. Разработчики создали кросс-платформенный программный продукт в среде Unity в виде виртуальной лаборатории для проведения экспериментов по физике (рис. 13). Подход к разработке ресурса обозначен в трех коротких позициях: Laboratoryat Your Fingertips (Лаборатория на кончиках ваших пальцев), Learn By Doing (Учись, делая), Anytime. Anywhere. Any Device (В любой момент. В любом месте. Любое устройство). При проведении виртуальных экспериментов реализованы различные приемы взаимодействия учащегося с объектами лаборатории (перемещение по классу, работа с различными элементами установки). Настройка параметров эксперимента выполняется в ниспадающем меню, что, возможно, помогает пользователю работать с моделью в мобильных приложениях, но является недостаточно удобным при работе с ресурсом на персональных компьютерах.

Рис. 13. Трехмерная интерактивная модель «Математический маятник («Physics 3D Virtual Experiments»,

компания LabIn App) [24]

Анализ современных программных продуктов показывает, что авторы применяют разные подходы к проектированию моделей физического эксперимента и технологии их реализации в виртуальной среде. Систематизация и обобщение данных подходов позволяет выделить основные характеристики проектируемых моделей. К ним относятся:

25

1) вид модели (по назначению): демонстрационная модель (анимационная или интерактивная), интерактивный виртуальный лабораторный эксперимент для самостоятельной работы учащихся;

2) состав реализуемых дидактических функций (одна преимущественная функция, полифункциональная модель);

3) вид моделируемого эксперимента (абстрактный, конкретный);

4) наличие изменяемых параметров модели (характеристик исследуемых объектов и процессов, внешних воздействий на исследуемые явления, состав приборов для экспериментальной установки);

5) уровень интерактивности (условно-пассивный, активно-операционный, активно-действенный, активно-деятельностный) [13, с. 360-371];

6) тип обучающего сценария («жесткий»; «полужесткий», допускающий некоторую свободу в выборе последовательности действий; «свободный», основанный на разнообразии состава и последовательности действий и операций пользователя с объектами модели, в том числе допускающий возможность самостоятельного конструирования установки на основе предложенного оборудования);

7) уровень реалистичности визуализации экспериментальной установки (обеспечение лишь принципиального сходства модели с реальной установкой; максимально реалистичный интерфейс) и взаимодействия с ее объектами (традиционный кнопочно-анимационный интерфейс, реализация квазиреалистичных действий пользователя в рабочем поле модели; игровые технологии взаимодействия с объектами; смешанные технологии взаимодействия);

8) технологии управления и поддержки учебной деятельности: меню, навигация, всплывающие подсказки, голосовое сопровождение, видеоинструкция, текст (гипертекст) с инструктивными указаниями на экране и/или печатное пособие, наличие инструментов учебной деятельности для обработки информации (автоматизация заполнения таблиц, построение графиков, «письменные принадлежности», калькулятор, виртуальный планшет и пр.);

9) способ получения модели (работа с «готовой» моделью, создание модели из базовых элементов на основе учебного конструктора, разработка модели «с нуля» в учебной инструментальной среде);

10) ориентация на разные уровни самостоятельности учащихся (вариативность уровней сложности заданий по работе с моделью и управляющих учебной деятельностью технологий: от организации инициативной исследовательской работы до реализации пошаговых инструктивных указаний);

11) уровень сложности учебного материала, составляющего основу модели (общеобразовательный, углубленный);

12) принцип проектирования учебного контента модели (предъявление материала, его отработка, контроль или самоконтроль усвоения): поэлементный, модульный;

13) способы и технологии графического представления: 2Б, 3Б (УК) и 3Б(УК.)-СТЕРЕО, 3Б (АК);

14) языки и технологии программирования (открытые профессиональные инструментальные среды и приложения; специальные учебные инструментальные среды и приложения);

15) версии: локальные, сетевые, мобильные, универсальные.

Данный перечень не является исчерпывающим, тем более что система характеристик интерактивных учебных моделей непрерывно развивается. Каждая проектируемая модель обладает, как правило, особым набором взаимосвязанных характеристик. Их состав должен обеспечивать реализацию заложенных в модель дидактических функций.

Второй этап работы над моделью связан с определением ее дидактической функции или их некоторого состава. Строгому выполнению этого требования авторы не всегда уделяют должное внимание. Это существенно влияет на точность определения разработчиком базовых характеристик модели и, соответственно, на результативность контроля ее качества. Перечень функций целесообразно указать в аннотации к модели по завершении ее разработки. Это позволяет учителю осуществлять целенаправленный выбор ресурсов данного вида для учебных занятий.

В нашем случае ставится задача разработки интерактивной модели физического эксперимента по теме «Закон сохранения импульса» (9-й класс). Данная модель может быть использована как дополнительное средство формирования у учащихся представлений об экспериментальном методе познания явлений природы и отработки у них отдельных экспериментальных умений. Интерактивная виртуальная лабораторная работа, выполняемая школьниками на основе данной модели, является средством расширения практики их подготовки в области самостоятельных экспериментальных исследований.

Фасетная формула проектируемой модели, составленная на основе приведенных выше ее обобщенных характеристик, будет следующей: 1) назначение - интерактивный виртуальный лабораторный эксперимент; 2) одна преимущественная дидактическая функция; 3) вид эксперимента - конкретный; 4) изменяемые параметры модели: масса тел, сила их упругого взаимодействия; состав оборудования в установке не меняется; 5) уровень интерактивности - активно-действенный; 6) тип обучающего сценария - «полужесткий»; 7) максимально реалистичный интерфейс и реализация квазиреалистичных действий пользователя с объектами установки; 8) технологии управления и поддержки учебной деятельности: меню, навигация, всплывающие подсказки, текст с инструктивными указаниями на экране, инструменты учебной деятельности для обработки информации (таблицы для записи данных, калькулятор); 9) работа с «готовой» моделью; 10) вариативность заданий отсутствует; работа организуется по инструкции или на основе самостоятельного планирования учащимися хода эксперимента; 11) уровень освоения учебного материала - базовый; 12) реализован модульный принцип организации учебного контента; 13) способы и технологии графического представления: 2D, 3D (VR), 3D (AR); 14) модель создана в трех версиях с применением сред программирования AdobeFlash, Unity, а также разработанной на языке Java авторской среды визуализации и реализации интерактивных элементов экспериментальной установки, выполненных с применением трехмерного графического редактора Blender;15) версии модели - локальная и сетевая.

Итак, в цифровом проекте физического эксперимента по изучению закона сохранения импульса отличительными признаками разрабатываемых моделей являются высокий уровень интерактивности и максимально реалистичный интерфейс, обеспечивающие качественную визуализацию лабораторного оборудования, квазиреалистичность действий учащихся с лабораторной установкой, а также со вспомогательными учебными объектами и принадлежностями. Базовые

манипуляции в рабочем поле модели осуществляются с применением технологии «drag&drop»

27

и обеспечивают выполнение всех экспериментальных действий и операций, необходимых для проведения аналогичного натурного эксперимента. Модель реализована в составе дидактического модуля, включающего: теоретический материал, освоение учащимися содержания и отработку на модели основных экспериментальных действий, самоконтроль усвоения учебного материала на основе теста. Предполагается, что такие характеристики интерактивной модели обеспечивают впоследствии бесконфликтный «перенос» действий, прошедших начальную стадию формирования в виртуальной среде, в реальную среду школьной лаборатории [2].

Третий этап работы над моделью следует определить как методический. Разработка учебной модели должна осуществлять в опоре на систему профессиональных знаний в области теории и методики учебного физического эксперимента. Укажем основанные составляющие данной области: оборудование школьного кабинета физики; требования к лабораторному и демонстрационному экспериментам; содержание учебной деятельности, связанной с проведением физического эксперимента; методика формирования у учащихся экспериментальных умений и навыков (конкретных, обобщенных); направления и способы применения средств ИКТ при проведении эксперимента; современные требования к разработке интерактивных учебных моделей; методика формирования у учащихся умений и навыков работы с компьютерными моделями (конкретных, обобщенных); организация учебных исследований школьников в виртуальной среде [1,11, 12,13]. Не должно быть исключено из поля зрения содержание и методика изучения учебной темы школьного курса физики, для сопровождения которой разрабатывается интерактивная модель физического эксперимента. Предварительное изучение этих вопросов позволит создать качественный образовательный ресурс.

Четвертый этап - это этап проектирования интерфейса модели, включая дизайн ее рабочего поля. Спектр возможностей в разработке качественного интерфейса определяется используемыми технологиями (выбором среды разработки ресурса в целом и его отдельных компонентов, а также языка программирования).

Ниже приведены интерфейсные решения интерактивной модели виртуальной лабораторной работы по теме «Закон сохранения импульса» (средняя общеобразовательная школа, 9-й класс), разработанные студентами и магистрантами на базе Лаборатории ЦОР и педагогического проектирования Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета.

Первая модель разработана с применением мультимедийной платформы компании Adobe для создания веб-приложений или мультимедийных презентаций Macromedia Flash. Данная платформа уже не относится к современным средствам создания цифровых ресурсов, но пока еще не утратила своей практической ценности. Технология работы с ней не является слишком сложной, с ее помощью возможно создание качественной анимации и ее воспроизведение на веб-страницах, работа с видео- и аудиоматериалами. Разработчикам предлагается целый ряд полезных инструментов для создания и редактирования графического контента. Возможна разработка сложного графического приложения. Adobe Flash оптимизирован под большинство Windows-платформ для получения хорошей производительности.

Модель физического эксперимента для изучения закона сохранения импульса включена в состав учебного модуля. Его титульная страница и оглавление приведены на рис. 14, а рабочее окно модели - на рис. 15.

В рабочем окне модели представлена лабораторная установка, включающая две легкоподвижные тележки, пружины разной жесткости, набор грузов и секундомеры. На доске приведены интерактивная таблица для записи результатов эксперимента. Предусмотрен контроль ее заполнения. Имеется калькулятор для выполнения расчетов. Всплывающие подсказки информируют учащегося о некоторых параметрах экспериментальной установки. В случае затруднений в работе учащийся может обратиться к рабочей тетради, в которой имеются инструктивные указания к работе. В начале инструкции дается анализ виртуальной модели как средства учебной деятельности. Далее раскрывается содержание основных этапов эксперимента в соответствии с его обобщенным планом [13, с. 649]. Работа с инструкцией может быть заблокирована, если учитель считает, что учащийся должен работать с моделью на более высоком уровне самостоятельности.

Министерство образования и науки РФ Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет Физический факультет Кафедра .мультимедийной дидактики и информационных технологий обучения

Закон сохранения импульса

учебный мадуль

Лвтор-рафвботчик:

студент M82J группы

Саарм Евгений Валентинович

Руководитель:

я-р педлаук. профессор

Оспенникова Елена Васильевна

Оглавление

Теоретические сведения

Модель

Инструктивные указания

Самоконтроль

Об авторе -—-.————----

taada  - Ш

Рис. 14. Титул и оглавление учебного модуля по теме «Закон сохранения импульса»

Рис. 15. Интерфейс модели лабораторного эксперимента по теме «Закон сохранения импульса»

Управление объектами экспериментальной установки осуществляется с применением технологии «drag&drop». Реалистичная прорисовка учебных объектов и квазиреалистичность действий в рабочем поле модели обеспечивают быструю адаптацию учащихся к работе в данной виртуальной среде. Итогом работы является самостоятельная формулировка учащимся вывода по результатам эксперимента. Текст вывода вводится в одно их активных окон модели. Осуществляется самоконтроль справедливости вывода на основе его сравнения с формулировкой, заложенной в управляющей программе. После завершения лабораторной работы учащимся предлагается выполнить несколько тестовых заданий. В режиме самоконтроля доступно многократное прохождение теста.

Вторая модель создана с применением межплатформенной среды разработки компьютерных игр Unity. Данная среда позволяет создавать приложения, работающие под более чем 20 различными операционными системами и на различных типах устройств (компьютеры, консоли, смартфоны и т.д.). Программирование может быть выполнено на языках C# или Java Script (модификация). Редактор данной среды включает инструменты для создания анимации. Реализована поддержка физики твердых тел. Как среда разработки компьютерных игр Unity имеет отдельные недостатки, которые практически в полном объеме проявляют себя и в проектировании интерактивных моделей физических экспериментов. Тем не менее в данной среде, реализующей передовые технологии виртуальной (VR), дополненной (AR) и смешанной реальности (MR), могут быть созданы вполне качественные учебные модели, базирующиеся на квазиреалистичном взаимодействии пользователя с 3Б-объектами школьной физической лаборатории.

При разработке сценария и создании виртуальной модели лабораторной работы по закону сохранения импульса в среде Unity использовался тот же дидактический подход, что и в среде Adobe Flash. Однако результат за счет новых возможностей среды Unity получился несколько иной (рис. 16, 17).

Инструментарий Unity позволяет «поместить» учащегося в виртуальный класс, где имеется возможность передвижения (с помощью клавиш на клавиатуре «Т» - вперед, «^» - назад, «^» - влево, «^» - вправо или соответственно буквенных обозначений W, S, A, D). Имеются функции обзора пространства (за счет движения мыши при зажатой правой клавише) (рис.16, 17а), приближения к объектам экспериментальной установки и удаления от них (рис. 17б). Управление объектами осуществляется с применением технологии «drag&drop».

В нижней части экрана на панели интерфейса представлены активные «кнопки» модели:

«Старт» - запуск движения тележек;

«Сброс»- возвращение тележек в исходное состояние;

«Рабочая тетрадь» (в виде изображения) с инструктивными указаниями к лабораторной работе;

«Таблица» (в виде изображения фрагмента рабочей тетради) для записи результатов опыта;

«Калькулятор» (в виде изображения) - запуск калькулятора;

«Главное меню» (в виде изображения) - для возврата в меню выбора.

Все интерактивные элементы модели (объекты, кнопки) «снабжены» всплывающими окнами, которые содержат информацию об их назначении или физических характеристиках. Управление объектами модели интуитивно понятно. Порядок работы с моделью представлен в инструкции, которой учащийся может воспользоваться при желании

30

а

Рис. 16. Интерфейс модели лабораторного эксперимента по теме «Закон сохранения импульса»

б

Рис. 17. Интерфейс модели лабораторного эксперимента по теме «Закон сохранения импульса»

При создании учебной модели в среде Unity может быть реализована технология дополненной реальности. Эта задача решается на основе платформы AR Vuforia. Используются стандартные компоненты платформы Vuforia: AR Camera, Ground Plane, Plane Finder, которые отве-

чают за сканирование и отображение реального мира, поиск «маркера» и проецирование на данный «маркер» объектов виртуальной модели (рис.18а). Функционал данных объектов сохраняется в полном объеме. Однако окружающей средой интерактивного лабораторного эксперимента служит уже не виртуальный класс, а изображение реального мира, получаемого с помощью подключенной к компьютеру камеры (рис.186). Благодаря развитию средств компьютерной обработки видео стало возможным отображение на экране в реальном времени не только объектов окружающей среды, но и взаимодействий учащегося с этими объектами, а также добавление к ним виртуальных объектов. Так, например, за счет проекции виртуальных тележек на реальный рабочий стол с помощью реальной линейки и виртуальных секундомеров мы можем измерить скорости движения тележек и рассчитать их импульсы после взаимодействия.

Эффекты виртуальной и дополненной реальности, безусловно, повышают привлекательность учебной работы, стимулируют познавательную активность школьников при выполнении экспериментальных заданий.

б

Рис. 18. Применение технологии AR в реализации модели лабораторного эксперимента по теме «Закон сохранения импульса»

а

Технологии УЯ и AR, а также смешанной реальности (МЯ) активно разрабатываются в настоящее время. Сегодня мы имеем дело с применением лишь элементов этих технологий в системе образования.

Виртуальная реальность (УЯ) учебного назначения - это результат создания техническими средствами трехмерного компьютерного мира, воспринимаемого учащимся пока только через зрение и слух. УЯ блокирует реальный мир и погружает пользователя в цифровой. УЯ-проекты физического эксперимента - это фактически ЗБ-симуляторы, эффективность применения которых определяется грамотностью разработки учебного сценария, качеством технологий визуализации объектов трехмерной сцены и технологий реализации взаимодействия учащегося с данными объектами. Эффект погружения в среду школьной лаборатории (особенно при наличии ЗБ-стерео) и отсутствие жестких временных ограничений в работе с симулятором помогают школьнику изучать материал в необходимом для него темпе и с требуемой для усвоения повторяемостью учебных действий.

На рис.19 приведена еще одна версия модели экспериментальной установки для изучения закона сохранения импульса, выполненная с применением технологии УЯ.

б

Рис. 19. Реализация трехмерной сцены лабораторного эксперимента по теме «Закон сохранения импульса» с применением 3D редактора В1еМег

Сравнение двух версий визуализации экспериментальной установки (рис.17 и 19) показывает, что собственно технологии и искусство их применения в проектировании VR-объектов будут в дальнейшем только совершенствоваться.

Дополненная реальность (AR - от англ. augmented reality) - результат введения в поле восприятия окружающей действительности элементов цифрового мира (виртуальных объектов, текстов), с которыми учащийся может взаимодействовать наряду с объектами окружающего мира. AR не отделяет учащегося от реального пространства, а расширяет и обогащает его восприятие (рис.18).

Для реализации данных технологий создаются специальные приложения. Пример работы мобильного приложения дополненной реальности, созданного для работы с учебником физики, приведен на рис. 20. С помощью такого приложения могут быть созданы трехмерные иллюстрации к учебному пособию. Изображения физических объектов в пособии являются графическими маркерами. Назначение маркера состоит в фокусировке камеры мобильного устройства на этом изображении и обеспечении проецирования в данную область 3D-модели соответствующего физического объекта. К сожалению, такие объекты пока не обдают, как правило, свойством интерактивности.

Рис. 20. Пример работы мобильного приложения дополненной реальности «AR physics book»

Технологии смешанной реальности (MR - от англ. мixed reality) - обеспечивают внедрение в реальный мир виртуальных объектов с целью расширения его функциональных возможностей, а также взаимодействия реальных и виртуальных объектов в режиме реального времени путем взаимного дополнения и трансформации. Применяемые в качестве прототипов в современных фантастических фильмах данные технологии находятся в стадии активной разработки. Их образовательные эффекты еще только предстоит оценить.

3. Заключение

В ходе анализа проблемы цифровой трансформации системы среднего образования были рассмотрены некоторые практические аспекты формирования виртуальной учебной среды. Ставилась задача продемонстрировать многоплановость и трудоемкость работы по созданию отдельных ее элементов, в частности интерактивных моделей учебного эксперимента для сопровождения отдельных учебных занятий по физике. Разработка некоторого комплекса таких моде-

34

лей для изучения темы или раздела учебного курса потребует значительно больше усилий. Создание системы виртуального физического эксперимента по курсу в целом - еще более грандиозная задача. Включение в эту систему элементов виртуальной и дополненной реальности -следующий этап нарастания сложности ее решения. Тем не менее создание такого ресурса дидактически целесообразно, поскольку виртуальная среда учебного эксперимента является одним из важных дополнительных средств обучения, обеспечивающих расширение и обогащение практики подготовки учащихся в области методологии экспериментального исследования. Важно отметить, что на первом и втором этапах цифровой трансформации накоплен весьма ценный опыт сценарных и интерфейсных решений в разработке ЦОР данного назначения. Этот опыт должен быть непременно востребован и обогащен за счет применения новых технологий моделирования цифровых учебных объектов.

В рамках проекта «Цифровая школа» поставлена цель создания цифровой образовательной среды для сопровождения различных видов учебной работы школьников. На фоне сказанного эта цель представляется более чем масштабной. Ее достижение возможно лишь при условии консолидации усилий специалистов разных профилей. Необходимо применение современных и уже зарекомендовавших себя на практике моделей и стратегий решения сложных и трудоемких задач (кастомизация, краудсорсинг, консьюмеризация (BYOD, BYOA) и др.). Качество результата и сокращение временных интервалов его получения в значительной мере зависят от развития доступных технологий проектирования объектов виртуальной среды и наличия современной аппаратной техники, которыми может воспользоваться самый «массовый и заинтересованный разработчик»: учитель, преподаватель вуза, педагог дополнительного образования. Привлечение к решению поставленной задачи активной части педагогической общественности является не только фактором, обеспечивающим нарастание темпов наполнения цифровой образовательной среды качественными ресурсами, но и эффективным средством формирования нового поколения педагогов и преподавателей, ориентированных на инновационное обновление современной школы в контексте ее цифровой трансформации.

Список литературы

1. Антонова Д.А. Организация проектной деятельности студентов по разработке интерактивных учебных моделей по физике для средней школы // Преподавание естественных наук, математики и информатики в вузе и школе: сб. материалов X Междунар. науч.-практ. конф. (31 октября - 1 ноября 2017 г., ТГПУ). - Томск, 2017. - С. 77-82.

2. Антонова Д.А Принципы проектирования интерактивных учебных моделей физического эксперимента с применением технологии максимально реалистичного интерфейса // Вестник ПГГПУ. Серия «ИКТ в образовании». - Пермь: ПГГПУ, 2017. - Вып.13. -С. 64-74.

3. Баяндин Д.В. Дидактические аспекты применения интерактивных компьютерных технологий в лабораторном практикуме // Образовательные технологии и общество. - 2015. - Т. 18, № 3. - С. 511-533.

4. Баяндин Д.В. Классификация интерактивных компьютерных моделей и структура процесса познания в физике // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2. -С. 311.

5. Баяндин Д.В. Реализация концепции полнофункциональной предметно-ориентированной среды обучения // Образовательные технологии и общество. - 2015. - Т. 18, № 4. - С. 574-601.

6. Баяндин Д.В. Учебные исследования на основе модельных конструкторов // Вестник ПГГПУ. Серия «ИКТ в образовании». - Пермь: ПГГПУ, 2016. -№12.-С. 30-45.

7. Виртуальные лабораторные работы по физике» компании «Проект-Сервис» [Электронный ресурс]. - URL: http://proekt-service.com/zakazat_on-line1/folder/fizika-1 (дата обращения: 17.11.2018).

8. Виштак О.В. Критерии создания электронных учебных материалов//Педагогика.- 2003. - №8.

9. Иванов А. Учебник будущего // Высшее образование в России. - 2001.- №1.

10. Образовательный комплекс по физике компании «Увлекательная реальность» [Электронный ресурс]. - URL:https://funreality.m/lp/physic/?ydid=7373286672063541308 (дата обращения: 17.11.2018).

11. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Виды компьютерных моделей и направления использования в обучении физике // Вестник Томского государственного педагогического университета. - 2010. - № 4 (94). - С. 118-124.

12. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Формирование у учащихся обобщенных подходов к работе с компьютерными моделями // Известия Южного федерального университета. Педагогические науки. - 2009. - № 12. - С. 206-214.

13. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: метод. пособие. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. - 655 с.

14. Оспенникова Е.В. Методологическая функция виртуального лабораторного эксперимента // Информатика и образование. - 2002. - № 11. - С. 83-89.

15. Оспенникова Е.В.Электронный учебник: каким ему быть? // Наука и школа. - 2003. -

№ 5.

16. Прохоров А., Коник Л. Цифровая трансформация. Анализ, тренды, мировой опыт[Электронный ресурс]. - URL:https://books.google.ru/books?id=JQx2DwAAQBAJ&printsec= frontcover&hl=ru#v=onepage &q&f=false (дата обращения: 17.11.2018).

17. Рост объема информации - реалии цифровой вселенной [Электронный ресурс].- URL: http://lib.tssonline.ru/articles2/fix-corp/rost-obema-informatsii--realii-tsifrovoy-vselennoy (дата обращения: 17.11.2018).

18. Сборник информационно-методических материалов о проекте «Информатизация системы образования» / И.Д.Фрумин, Е.Н.Соболев, С.М.Авдеева, В.П. Кашицин и др. - М.: Локус-Пресс, 2005. - 52 с.

19. Старовиков М.И. Становление исследовательской деятельности школьников в курсе физики в условиях информатизации обучения: моногр. - Барнаул: Барнаул. гос. пед. ун-т, 2006. - 318 с.

20. Теория и методика обучения физике в средней школе. Избранные вопросы. Школьный физический эксперимент в условиях современной информационно-образовательной среды: учеб.-метод. пособие / Е.В. Оспенникова, Н.А. Оспенников, Д.А. Антонова, А.А. Оспенников; под общ. ред. Е.В. Оспенниковой; Перм. гос. гуманит.-пед. ун-т. - Пермь, 2013. - 368 с.

21. Технологии притупляют интеллект. Дети и гаджеты [Электронный ресурс]. - URL: https://narasputye.ru/archives/3710 (дата обращения: 17.11.2018).

22. Трубников С., Трубников А. Цифровизация российской школы [Электронный ресурс]. - URL: https://rossaprimavera.ru/article/336d883e?gazeta=/gazeta/281 (дата обращения: 17.11.2018).

23. Цифровизация образования, все минусы электронной школы. Что будет с детьми? [Электронный ресурс]. - URL: https://narasputye.ru/archives/4469 (дата обращения: 17.11.2018).

24. LablnApp «Physics 3D Virtual Experiments» [Электронный ресурс]. - URL: http://labi napp. com/ (дата обращения: 17.11.2018).