Исследование влияния дополненной реальности на усвоение биологических концепций в школьном образовании

Актуальность исследования

Современные технологии, в частности дополненная реальность (AR), стремительно проникают в различные сферы жизни, в том числе и в образование. В последние годы AR активно используется для создания интерактивных и визуализированных образовательных материалов, что значительно расширяет возможности традиционного преподавания. Биология, как наука, требует глубокой визуализации и понимания процессов, происходящих в живых организмах, что делает её отличной кандидатурой для применения технологий дополненной реальности.

Несмотря на перспективы, применение AR в школьном образовании, и, в частности, в обучении биологии, пока не получило достаточного эмпирического обоснования. Важность визуализации биологических процессов, например, процессов обмена веществ, роста клеток или взаимодействия экосистем, очевидна, но применение AR для улучшения усвоения таких концепций остаётся недостаточно исследованным. Исследования, посвящённые влиянию AR на обучение в контексте биологических наук, являются актуальными, поскольку позволяют выявить новые методы и подходы, которые способствуют лучшему усвоению учебного материала и повышению мотивации учащихся.

Таким образом, возникает необходимость изучения влияния AR на усвоение биологических концепций в школьном образовании, что позволит не только повысить эффективность обучения, но и подготовить школьников к современным вызовам цифрового мира.

Цель исследования

Цель данного исследования – определить влияние использования дополненной реальности на усвоение биологических концепций у школьников.

Материалы и методы исследования

Для проведения исследования был использован экспериментальный метод с участием двух групп учащихся старших классов, изучающих биологию. Экспериментальная группа обучалась с использованием технологий дополненной реальности, в то время как контрольная группа продолжала обучение с применением традиционных методов.

1. Участники: 120 учащихся, из которых 60 человек составляли экспериментальную группу и 60 человек – контрольную группу.
2. Методы сбора данных:

• Тестирование уровня усвоения биологических концепций до и после эксперимента.
• Опросы и анкеты, оценивающие восприятие AR-технологий учащимися и преподавателями.
• Наблюдения за поведением учащихся в процессе обучения.

1. Анализ данных. Для оценки статистической значимости различий в результатах между группами был использован t-критерий Стьюдента.

Результаты исследования

Дополненная реальность (AR) представляет собой технологию, которая позволяет интегрировать виртуальные объекты в реальное окружение, что создает иллюзию их совместного существования в одном пространстве. В отличие от виртуальной реальности (VR), AR не заменяет физическую реальность, а дополняет её цифровыми слоями, предоставляя пользователю возможность взаимодействовать с окружающим миром, обогащённым дополнительной информацией. Для реализации AR часто используются устройства с возможностью отображения виртуальных объектов на реальной поверхности, такие как смартфоны, планшеты, а также специализированные очки или шлемы.

В образовательной сфере AR обеспечивает возможность визуализации сложных процессов, таких как биологические явления, что делает её эффективным инструментом в обучении. Технологии AR позволяют учащимся «видеть» процессы, которые невозможно наблюдать в реальной жизни, например, микроскопические клеточные изменения или молекулярные взаимодействия. Это открывает новые горизонты в изучении сложных биологических концепций, требующих подробной визуализации для лучшего усвоения.

Использование AR в образовательном процессе стало предметом множества исследований, которые демонстрируют её потенциал в различных областях знаний. Например, исследования в области медицины показывают, что AR способствует более глубокому пониманию анатомических структур, а в химии AR помогает визуализировать молекулярные структуры и химические реакции. В биологии AR позволяет учащимся изучать анатомию, экосистемы, физиологические процессы и другие аспекты, которые трудно понять без практических примеров и визуализаций.

Использование AR в образовательных целях позволяет учащимся не только наблюдать, но и активно взаимодействовать с учебным материалом. Это улучшает понимание биологических процессов и способствует их закреплению. Гибкость AR-программ позволяет адаптировать материалы под разные возрастные группы, обеспечивая дифференцированный подход к обучению. Например, для младших школьников можно использовать простые визуализации и анимации, а для старших – сложные модели с возможностью взаимодействия и манипулирования объектами.

Исследования в области психологии и педагогики подтверждают, что использование визуальных и интерактивных средств в обучении значительно повышает мотивацию учащихся. Согласно теории когнитивного развития Жана Пиаже, учащиеся старшего школьного возраста способны оперировать абстрактными концепциями, но их понимание этих понятий значительно улучшится, если они смогут наблюдать и взаимодействовать с ними в реальном времени. AR в этом контексте является мощным инструментом, поскольку позволяет учащимся «видеть» абстрактные процессы, такие как взаимодействие экосистем или биохимические реакции, что способствует лучшему пониманию материала [1, с. 109].

Теория активного обучения также подчеркивает важность взаимодействия учащегося с обучающим материалом. Использование AR способствует активному вовлечению студентов в учебный процесс, что подтверждается многочисленными исследованиями. Студенты, использующие AR-программы, показывают лучшие результаты в тестах по биологии, чем те, кто обучается традиционными методами. Визуализация абстрактных понятий с помощью AR снижает когнитивную нагрузку и способствует лучшему усвоению учебного материала.

Биология, как научная дисциплина, охватывает широкий спектр тем, от молекулярных механизмов до экосистем и биологических процессов, которые происходят на различных уровнях организации жизни. Внедрение AR в преподавание биологии позволяет студентам наблюдать процессы, происходящие на молекулярном или клеточном уровне, а также взаимодействие биологических систем в реальном времени. Например, технологии AR могут демонстрировать рост растений или процессы фотосинтеза, делая эти явления доступными для восприятия.

Технология AR дает возможность учащимся проводить виртуальные лабораторные работы, например, изучать строение клеток, взаимодействие молекул или анализировать экологические процессы в их естественной среде. Эти возможности значительно расширяют традиционные методики обучения, позволяя студентам лучше понимать и усваивать сложные биологические концепции. Важно, что AR может быть интегрирована в учебные планы без значительных изменений в инфраструктуре учебных заведений, что делает её доступной для широкого применения в образовательных учреждениях [3, с. 67].

Несмотря на очевидные преимущества, внедрение AR в школьное образование сопровождается рядом проблем и ограничений. Во-первых, технологические барьеры, такие как высокая стоимость оборудования и программного обеспечения, могут ограничить доступность AR в образовательных учреждениях, особенно в развивающихся странах. Во-вторых, существует потребность в квалифицированных педагогах, которые способны эффективно интегрировать AR в процесс обучения. Это требует дополнительной подготовки учителей и разработки новых методических материалов.

Кроме того, некоторые исследования указывают на возможные негативные последствия чрезмерного использования технологий в обучении, такие как излишняя зависимость от цифровых устройств или ухудшение внимания учащихся в случае неправильного использования AR. Таким образом, необходим баланс между использованием традиционных методов и современных технологий, чтобы избежать перегрузки когнитивных функций учащихся [2, с. 89].

Для проведения данного исследования был выбран экспериментальный метод, который является наиболее подходящим для оценки влияния технологии дополненной реальности на усвоение биологических концепций школьниками.

В исследовании приняли участие 120 учащихся старших классов (возраст 15-17 лет), обучающихся в средней школе. Учащиеся были случайным образом разделены на две группы:

1. Экспериментальная группа (n = 60) – учащиеся, использующие AR-технологии для изучения биологии.
2. Контрольная группа (n = 60) – учащиеся, обучающиеся традиционными методами (лекции, учебники, лабораторные работы).

Ключевыми критериями для включения в выборку были:

• Участники должны были иметь схожий уровень базовых знаний по биологии, который проверялся с помощью предварительного тестирования.
• Учащиеся не должны были ранее использовать AR-технологии в обучении биологии.

Этапы исследования:

1) Подготовительный этап: Разработка и адаптация AR-программы, подготовка методических материалов, обучение преподавателей.

2) Этап проведения эксперимента:

• Введение учащихся в курс биологии с использованием AR в экспериментальной группе.
• Преподавание традиционными методами в контрольной группе.
• Проведение тестирования и наблюдений в процессе обучения.

3) Этап сбора данных: После завершения обучения учащиеся в обеих группах прошли пост-тесты. Проводился анализ данных, полученных от AR-программы, а также результаты опросов и интервью.

4) Этап анализа и обработки данных: Проведение статистического анализа и интерпретация результатов.

По завершении эксперимента и проведении анализа собранных данных были получены следующие результаты, которые позволяют оценить эффективность использования AR-технологий в образовательном процессе.

1. Тестирование знаний.

После окончания курса, учащиеся из обеих групп прошли итоговые тесты, целью которых было измерить уровень усвоения биологических концепций. В таблице 1 приведены результаты тестирования.

Таблица 1

Результаты тестирования уровня усвоения биологических концепций

Как видно из таблицы 1, учащиеся, использующие AR, продемонстрировали значительно более высокие результаты в тестах, что свидетельствует о положительном влиянии технологии на усвоение биологических концепций.

2. Опросы и анкеты.

В процессе опросов и анкетирования учащиеся отметили, что использование AR значительно повысило их мотивацию к обучению и сделало процесс усвоения биологических понятий более увлекательным. В частности, 80% учащихся в экспериментальной группе сообщили, что визуализация биологических процессов в 3D помогла им лучше понять сложные концепции (например, механизмы фотосинтеза и деления клеток). В контрольной группе этот процент составил всего 55%. Результаты анкеты учащихся представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты анкеты учащихся

Ответы учащихся из экспериментальной группы показывают высокий уровень удовлетворенности и восприятия AR как полезного и эффективного инструмента обучения.

3. Наблюдения за учащимися.

В ходе наблюдений за учащимися было установлено, что учащиеся из экспериментальной группы демонстрировали большую активность и вовлеченность в учебный процесс. Использование AR-технологий способствовало не только улучшению понимания биологических концепций, но и повышению интереса к предмету. Примером такого вовлечения является то, что учащиеся часто задавали дополнительные вопросы и стремились исследовать биологические процессы в AR-программе за пределами учебной программы.

4. Качество выполнения заданий.

В процессе выполнения заданий и лабораторных работ, учащиеся из экспериментальной группы проявляли большую точность и детальность в ответах, связанных с визуализацией биологических процессов. В контрольной группе также наблюдался прогресс, но в меньшей степени, что подтверждается результатами их работы.

5. Статистический анализ.

Для объективной оценки полученных данных был проведен t-критерий Стьюдента, чтобы определить статистическую значимость различий в уровне усвоения материала между группами. Результаты показали, что различия между экспериментальной и контрольной группами имеют статистическую значимость при уровне α = 0,05 (p-value < 0,05). Это подтверждает, что использование AR-технологий оказывает существенное влияние на улучшение усвоения биологических концепций.

Изменение уровня знаний в контрольной и экспериментальной группах показано на рисунке ниже.

Рис. Изменение уровня знаний в контрольной и экспериментальной группах

Результаты исследования подтвердили гипотезу о положительном влиянии дополненной реальности на усвоение биологических концепций учащимися старших классов. Учащиеся, обучавшиеся с использованием AR-технологий, продемонстрировали значительное улучшение в понимании сложных биологических процессов, таких как фотосинтез, деление клеток, экосистемы и анатомия человека. Средний процент правильных ответов в экспериментальной группе увеличился на 16%, в то время как в контрольной группе – только на 4%. Эти данные подтверждают, что AR-технологии могут существенно повысить эффективность образовательного процесса по сравнению с традиционными методами обучения.

Один из наиболее заметных эффектов, выявленных в ходе исследования, – это повышение мотивации и вовлеченности учащихся, использующих AR в учебном процессе. Интерактивность и наглядность, которые предоставляет AR, делают процесс обучения более увлекательным и доступным для учащихся, особенно в случае сложных и абстрактных концепций.

Примечательно, что в контрольной группе только 55% учащихся заявили, что традиционные методы обучения способствовали повышению их интереса к предмету. Это подчеркивает важность интеграции современных технологий, таких как AR, в образовательный процесс для повышения мотивации учащихся.

Использование AR значительно способствовало улучшению понимания учащимися сложных биологических концепций. Особенно это касается тех тем, которые трудны для восприятия в традиционном формате, например, молекулярные процессы или анатомические структуры. Визуализация этих процессов в AR дала учащимся возможность не только увидеть их в реальном времени, но и взаимодействовать с ними, что сделало материал более доступным и понятным.

Кроме того, использование AR позволило учащимся «проникнуть» внутрь биологических процессов, наблюдать их из разных точек зрения, что невозможно при использовании только текстового или иллюстративного материала. Например, изучение клеточного деления в AR обеспечивало глубокое понимание его механизмов через анимацию и моделирование, что значительно улучшало усвоение материала.

Несмотря на положительные результаты, исследование имеет несколько ограничений, которые стоит учитывать при интерпретации полученных данных.

• Размер выборки. Хотя выборка из 120 учащихся предоставляет достаточно данных для анализа, для более универсальных выводов следовало бы использовать более крупную и разнообразную выборку, включая учащихся из разных регионов, школ с различным уровнем образовательных ресурсов и с разными социально-экономическими условиями.
• Технические проблемы. Некоторые участники столкнулись с техническими трудностями при использовании AR-программ, такими как сбои в приложениях или проблемы с устройствами (смартфоны, планшеты), что могло повлиять на их взаимодействие с программой. Эти технические барьеры могут быть особенно актуальны в школах с ограниченным доступом к современным технологиям.
• Краткосрочность эксперимента. Эксперимент проводился в течение одного учебного семестра, что не позволило исследовать долгосрочные эффекты использования AR-технологий в обучении. Для более точной оценки эффективности AR требуется проведение более долгосрочного исследования, которое поможет понять, насколько прочными являются полученные знания и как технология влияет на усвоение материала в долгосрочной перспективе.

Использование AR-технологий в обучении не только повлияло на учащихся, но и оказало влияние на методику преподавания. Преподаватели биологии отметили, что AR позволил сделать занятия более интерактивными и динамичными, снизив нагрузку на объяснение сложных тем. 92% преподавателей в экспериментальной группе сообщили, что использование AR повысило их уверенность в преподавании, а также улучшило качество обратной связи с учащимися. Это свидетельствует о том, что AR может быть полезным инструментом не только для учащихся, но и для учителей, улучшая общий процесс обучения.

Для дальнейшего изучения влияния AR на обучение можно предложить следующие направления:

• Долгосрочные исследования: Оценка долгосрочных эффектов AR-технологий на усвоение биологических и других дисциплинарных концепций в разных возрастных группах учащихся.
• Исследование влияния на разные типы учащихся: Проведение исследования среди учащихся с различными стилями обучения, включая студентов с особыми образовательными потребностями, для изучения, как AR влияет на разные группы учеников.
• Сравнение с другими цифровыми инструментами: Исследование эффективности AR в сравнении с другими образовательными технологиями, такими как виртуальная реальность, геймификация, или использование интерактивных симуляторов.

Выводы

Таким образом, использование дополненной реальности в обучении биологии оказывает положительное влияние на усвоение биологических концепций школьниками. Эксперимент показал, что технологии AR значительно повышают уровень знаний учащихся, а также их мотивацию и вовлеченность в процесс обучения. Результаты исследования подтверждают эффективность AR как инновационного инструмента в школьном образовании, особенно при изучении сложных биологических тем, требующих визуализации и глубокого понимания. Внедрение AR в образовательный процесс имеет большой потенциал для улучшения качества обучения, и его использование следует активно развивать в образовательных учреждениях.