Стаття.docx

1. Реалізація STEM-підходу в освітньому процесі.
Факультатив «Розробка програмних засобів віртуальної
та доповненої реальності»
Анотація. У статті розглянуто використання засобів доповненої
реальності в рамках концепції STEM-освіти та запропоновано навчальний курс
для проєктування об’єктів віртуальної та доповненої реальності, адаптований
для учнів 9-11 класів.
Для досягнення мети дослідження було вирішено такі завдання:
1. Проведено аналіз досвіду використання інструментів доповненої
реальності для проєктування навчальних матеріалів.
2. Визначено програмне забезпечення для проєктування об’єктів
доповненої реальності навчального призначення та схарактеризовано
технологічні вимоги до факультативу «Розробкапрограмнихзасобів віртуальної
та доповненої реальності».
3. Розроблено окремі компоненти навчального комплексу з проєктування
об’єктів віртуальної та доповненої реальності.
Вступ
Школа сьогодення має закласти підґрунтя для подальшого розвитку
дитини та надати їй сучасні знання, що стануть базою для подальшого
успішного навчання, працевлаштування та кар’єрного зростання. Мінливий
світ вимагає від учителів бути більш обізнаними із новими технологіями та
особливостямиїхзастосування. Це забезпечить надання учням затребуваних на
сьогодні знань, дозволить сформувати в них різнобічні технічні навички, які
можна застосовувати в різних сферах людської життєдіяльності.
Розроблена програма буде перш за все корисною для вчителів
інформатики та природничих дисциплін. Її можна використовувати на гуртках,
факультативах, в дослідницькій діяльності учнів. Здобувачі освіти отримають
відповідні знання, оволодіють новими уміннями та навичками у процесі
опанування технологій доповненої реальності та прикладних програм.
На нашу думку, реалізація STEM-підходу у навчанні забезпечить
належний рівень одержання сучасних знань з використанням новітніх
технологій. В запропонованій нами програмі факультативу акцентуємо увагу на
природничо-дослідницькому компоненті в поєднанні з технологічними
новинками.
Використовуючи STEM-підхід ми орієнтуємо учнів на практичнийаспект,
який має місце застосування в багатьох сучасних інноваційних галузях, таких
як: програмування, інженерія, робототехніка. Що ще раз підкреслює
універсальність STEM, як поєднання науки, технологій інженерії та
математики.
Дуже цікавим та перспективним інструментом в реалізації STEM-освіти є
застосування технологій доповненої реальності. Їх використання має дуже
широкий спектр застосування, особливо під час вивчення природничо-

2. математичних та інформатичних дисциплін.
З метою впровадження нових технологій в освітній процес сучасних шкіл
нами було створено курс «Розробка програмних засобів віртуальної та
доповненої реальності».
Технологія доповненої реальності, що стала відомою широким колам
населення не так давно, вже багато років знаходиться під пильною увагою
аналітиків компанії Gartner. Станом на 2020 рік Gartner Hype Cycle for Emerging
Technologies відображав зростання уваги до таких технологій, як Доповнений
дизайн та розробка [Error! Reference source not found.] (рис. 1).
Рис. 1. The Gartner Hype Cycle for Emerging Technologies 2020
В освіті на доповнену та віртуальну реальність покладаються дуже великі
надії. На жаль, в Україні технологія доповненої реальності в освітньому
просторі підготовки практично відсутня, незважаючи на її значний потенціал,
виявлений для підготовкидо лабораторних занять з природничо-математичних
дисциплін у середній та вищій школі [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], у позашкільній
навчально-дослідницькій діяльності учнів [14, 15] і навіть для навчання
глобального читання дошкільників з розладами спектру аутизму [16].
Ці та інші питання обговорювались на Міжнародних семінарах
«Доповненареальність в освіті», що відбувалися у Кривому Розі [17], [18], [19].
Виходячи з наявного досвіду використання технологій віртуальної та
доповненої реальності в освіті та перспектив виходу їх «у маси» в найближчі 5-
10 років, необхідно замислились над проблемою використання цих
інноваційних технологій в навчальних закладах – адже вже через кілька років
сьогоднішні учні повинні будуть спрямовувати цей процес: спочатку як

3. студенти, потім як фахівці різних галузей. Тому головною метою нашого
дослідження стала розробка навчального курсу з використанням технологій
віртуальної та доповненої реальності при викладанні STEM-дисциплін,
адаптованого до здобувачів середньої освіти та поточного рівня розвитку
технологій.
Презентація основного матеріалу дослідження
У контексті дослідження доповненареальність розуміється насамперед як
синтетичне середовище – різновид віртуального середовища, у якому реальні
об’єктидоповнюються їхкомп’ютернимимоделями. Це визначає такі вимогидо
розробників засобів доповненої реальності, як володіння технологіями:
комп’ютерного моделювання, комп’ютерного програмування, комп’ютерної
графіки та комп’ютерної ергономіки.
На сучасному етапі розвитку інформаційних технологій провідними
засобами реалізації доповненої реальності є мобільні Інтернет-пристрої –
мультимедійні мобільні пристрої, що надають бездротовий доступ до
інформаційно-комунікаційних Інтернет-послуг зі збирання, систематизації,
зберігання, опрацювання, передавання, подання всеможливих повідомлень і
даних.
Використання технології доповненої реальності у мобільно
орієнтованому середовищі навчання закладу освіти:
– розширює можливості традиційних засобів навчання;
– робить доступними системи високої складності та вартості, які
традиційно були доступні лише фахівцям;
– мотивує учнів до експериментальної та навчально-дослідницької
роботи.
Надалі під AR будемо розуміти здатність пристрою, зокрема мобільного
пристрою або веб-браузера, відстежувати зображення або відображати 3D-
об’єкт поверх цього зображення. Головна ідея AR полягає в тому, щоб
відобразити комп’ютерну модель у реальному часі та реальному просторі з
метою взаємодії між користувачем у реальному просторі та 3D-моделі у
віртуальному.
AR може бути як маркерною, так й безмаркерною. У маркерній AR
пристрій відстежує 2D-маркер: коли він знаходиться, на ньому фактично
відображається 3D-об’єкт. У безмаркерному варіанті пристрій буде шукати
плоску поверхню (стіл, підлогу тощо), і розташовуватиме 3D-об’єкт на ній.
Використовуючи камеру пристрою, AR надає можливості відображення
комп’ютерно згенерованих об’єктів в ігрових, маркетингових та інших
програмах – наприклад, для розстановки меблів у вітальні або примірки одягу
перед їх покупкою. Це дійсно велика можливість для бізнесу – показати, як
виглядає продукція, перш ніж будь-який споживач дійсно її купує.
Для AR розробляються спеціальні пристрої, як правило, у вигляді
шоломів та гарнітур, що надають можливість занурення користувачау модельне
середовище.
AR доповнює реальний світ 3D-моделями, якими можна керувати за

4. допомогою мобільного пристрою в будь-якому місці. Віртуальна реальність
(Virtual Reality – VR) занурює користувача у модельний світ, для чого, як
правило, необхідні наголовні дисплеї (Head Mounted Devices – HMD).
Інтерактивність у програмах для AR і VR забезпечується дуже схоже. Так,
наприклад, VR фактично використовує контролери, а у деяких випадках й
відстеження рук, що надає змогу користувачеві взаємодіяти з 3D-об’єктами
всередині сцени, у якій вони знаходяться.
До головних небезпек використання HMD для роботи у VR відносяться:
– напруження очей;
– запаморочення і головні болі після використання HMD.
На відміну від VR, AR не має таких значних ризиків для здоров’я. Тим не
менш, викликає занепокоєння можливість користувачів залишатися
зосередженимина тому, що вони роблять, під час використання AR – зокрема, з
причин безпеки.
Серед засобів розробки віртуальної та доповненої реальності відзначимо
як умовні «старі» Wikitude SDK (з 2008 року), так й відносно новий (з 2017
року) засіб від Apple – SDK ARKit використовує апаратну програму iPhone /
iPad, датчикируху, камеру для активації засобів доповненої реальності. Поточна
версія ARKit надає можливість розробляти багатокористувацькі ігри з
доповненою реальністю.
ARCore – відносно новий(березень 2018 року) засіб від Google, своєрідна
відповідь на ARKit. Підтримувані платформи: Android 7.0 та вище, iOS 11 та
вище. ARCore поставляється з трьома основними можливостями об’єднання
віртуальних і реальних світів: 1) відстеження положення телефону щодо
оточення; 2) «розуміння навколишнього середовища» надає можливість
телефону визначати розмір та розташування горизонтальних поверхонь;
3) оцінка освітленості надає можливість телефону оцінити реальні умови
освітлення.
ARtoolKit – найстаріший (з 1999 року) японський SDK для розробки
засобів доповненої реальності, що підтримує платформи Android, iOS, Linux,
Windows, Mac OS, «розумні окуляри».
Maxst – SDK від іншого азіатського розробника, з Південної Кореї,
пропонує розвинені інструменти для розпізнавання зображень та середовищ.
Maxst вільно поширюється для некомерційного використання, причому вільна
версія відрізняється від платної лише водяним знаком.
Vuforia є однією з найпопулярніших платформ для розробки доповненої
реальності. SDK реалізує наступні функціональні можливості: розпізнавання
різних типів візуальних об’єктів (коробка, циліндр, площина), розпізнавання
тексту і оточення, VuMark (комбінація зображення і QR-коду). За допомогою
Vuforia Object Scanner можна сканувати і створювати об’єкти-маркери. Процес
розпізнавання може бути реалізований з використанням бази даних (локальне
або хмарне сховище). На відміну від інших SDK, Vuforia підтримує як 2D-, так і
3D-типи маркерів, включаючи безмаркерні Image Target, тривимірні Multi-
Target, а також реперні маркери, які виділяють в сцені об’єкти для їх
розпізнавання.

5. Результатом нашого дослідження став факультатив «Розробкапрограмних
засобів віртуальної та доповненої реальності». Його програма розрахована на
учнів 9-11 класів загальноосвітніх шкіл, які вже мають певний набір навичок
використання комп’ютерних технологій. На опанування програми відводиться
36 годин. Програма передбачає використання спеціальних додатків, інтернет-
сервісів, периферійних пристроїв, та основ HTML.
№
п/п
Теми
факультативу
Кількість годин
усього теорія практика
1. Вступне заняття 1 1 –
2. Віртуальна реальність, поняття,
особливості
2 2 –
3. Програмидля розробкидоповненої
реальності
2 1 1
4. Апаратна складова 1 – 1
5. Побудовасцени 2 1 1
6. Опрацювання подій та створення
маркерів
2 1 1
7. Основи мови HTML 12 3 9
8. Програмування та налаштування засобів
доповненої реальності
13 3 10
9. Підсумкове заняття 1 1 –
Разом 36 13 23
ЗМІСТ ПРОГРАМИ
Вступне заняття (1год)
Мета, завдання та зміст роботи факультативу. Розгляд організаційних
питань. Техніка безпеки при роботі на комп’ютері.
Віртуальна реальність, поняття, особливості (2 год)
Віртуальна реальність. Різниці між віртуальною та доповненою
реальністю. Напрямки застосування. Світові освітні тенденції. Приклади
програм із доповненою реальністю.
Програми для розробки доповненої реальності (2 год)
Аналіз програм. Особливостізастосування. Ключові поняття. Схожість та
відмінність функціоналу. Сайти розробників. Приклади застосування.
Апаратна складова (1 год)
Роль камери при налаштуванні взаємодії. Вимоги до ПК. Периферійні
пристрої. Особливості налаштування. Приклади застосування. Демонстрації.
Формування практичних навичок.
Побудова сцени (2 год)

6. Інтерфейс користувача. 3D-візуалізація. Поняття сцени та її побудова.
Формування практичних навичок.
Опрацювання подій та створення маркерів (2 год)
Поняття маркеру. Особливості створення та застосування. Події.
Формування практичних навичок.
Основи мови HTML (12 год)
Базові поняття мови. Особливості застосування при розробці програм із
використанням доповненої реальності. Приклади. Практичні заняття.
Програмування та налаштування засобів доповненої реальності (13
год)
Створення об’єктів доповненої реальності. Дослідження різних
комбінацій. Створення сцен, додавання текстур, надання руху об’єктам,
створення маркерів та їх використання. Виконання практичних завдань.
Підсумкове заняття (1 год)
Підведення підсумків роботи факультативу. Вручення сертифікатів за
проходження курсу.
Висновки
Технології доповненоїреальності, безперечно, стануть складовою нашого
життя та навчального процесу в ближньому майбутньому. Результати наших
досліджень вказують про вже досить широкий спектр можливостей
застосування технологій AR та наявні програмні засоби для роботи в цьому
напрямку. В нашій країні ця технологія знаходиться ще на етапі становлення і
привертає до себе великий інтерес вітчизняних науковців, педагогічних
працівників, учнів. Розробка курсу з використанням засобів доповненої
реальності є першим кроком на шляху впровадження технології AR в освітнє
середовище.
Реалізація принципів STEM освіти забезпечує сучасний підхід у навчанні
та надає можливість різнобічної самореалізації учнів та вчителів. Використання
такого підходу цілковито відповідає напрямкам розвитку української школи та
сприятиме переходу освіти на якісно новий рівень.
Список використаних джерел
1. Gartner Identifies Five Emerging Trends That Will Drive Technology
Innovation for the Next Decade (2020), https://www.gartner.com/en/newsroom/press-
releases/2020-08-18-gartner-identifies-five-emerging-trends-that-will-drive-
technology-innovation-for-the-next-decade/.
2. Семеріков, С.О., Литвинова, С.Г., Мінтій, М.М. Впровадження курсу з
розробки програмних засобів віртуальної та доповненої реальності для
майбутніх викладачів STEM-дисциплін, Сучасні інформаційні технології та
інноваційні методики навчання у підготовці фахівців: методологія, теорія,
досвід, проблеми 57, 55-63 (2020)
3. Nechypurenko, P.P., Soloviev, V.N.: Using ICT as the Tools of Forming the
Senior Pupils' Research Competencies in the Profile Chemistry Learning of Elective

7. Course "Basics of QuantitativeChemicalAnalysis", CEUR Workshop Proc. 2257, 1-
14 (2018)
4. Nechypurenko, P.P., Starova, T.V., Selivanova, T.V., Tomilina, A.O., Uchitel,
A.D.: Use of Augmented Reality in Chemistry Education, CEUR Workshop Proc.
2257, 15-23 (2018)
5. Komarova, O.V., Azaryan, A.A.: Computer Simulation of Biological
Processes at the High School, CEUR Workshop Proc. 2257, 24-32 (2018)
6. Hruntova, T.V., Yechkalo, Yu.V., Striuk, A.M., Pikilnyak, A.V.: Augmented
Reality Tools in Physics Training at Higher Technical Educational Institutions,
CEUR Workshop Proc. 2257, 33-40 (2018)
7. Merzlykin, O.V., Topolova, I.Yu., Tron, V.V.: Developing of Key
Competencies by Means of Augmented Reality at CLIL Lessons, CEUR Workshop
Proc. 2257, 41-52 (2018)
8. Buzko, V.L., Bonk, A.V., Tron, V.V.: Implementation of Gamification and
Elements of Augmented Reality During the Binary Lessons in a Secondary School,
CEUR Workshop Proc. 2257, 53-60 (2018)
9. Shapovalov, V.B., Atamas, A.I., Bilyk, Zh.I., Shapovalov, Ye.B., Uchitel,
A.D.: Structuring Augmented Reality Information on the stemua.science, CEUR
Workshop Proc. 2257, 75-86 (2018)
10. Rashevska, N.V., Soloviev, V.N.: Augmented Reality and the Prospects for
Applying Its in the Training of Future Engineers, CEUR Workshop Proc. 2257, 192-
197 (2018)
11. Morkun, V.S, Semerikov, S.O., Morkun, N.V., Hryshchenko, S.M., Kiv,
A.E.: Defining the Structure of Environmental Competence of Future Mining
Engineers: ICT Approach, CEUR Workshop Proc. 2257, 198-203 (2018)
12. Zelinska, S.O., Azaryan, A.A., Azaryan, V.A.: Investigation of
Opportunities of the Practical Application of the Augmented Reality Technologies in
the Information and Educative Environment for Mining Engineers Training in the
Higher Education Establishment, CEUR Workshop Proc. 2257, 204-214 (2018)
13. Mintii, I.S., Soloviev, V.N.: Augmented Reality: Ukrainian Present
Business and Future Education, CEUR Workshop Proc. 2257, 227-231 (2018)
14. Popel, M.V., Shyshkina, M.P.: The Cloud Technologies and Augmented
Reality: the Prospects of Use, CEUR Workshop Proc. 2257, 232-236 (2018)
15. Zinonos, N.O., Vihrova, E.V., Pikilnyak, A.V.: Prospects of Using the
Augmented Reality for Training Foreign Students at the Preparatory Departments of
Universities in Ukraine, CEUR Workshop Proc. 2257, 87-92 (2018)
16. Kolomoiets, T.H., Kassim, D.A.: Using the Augmented Reality to Teach of
Global Reading of Preschoolers with Autism Spectrum Disorders, CEUR Workshop
Proc. 2257, 237-246 (2018)
17. Kiv, A.E., Soloviev, V.N. (ed.) CEUR Workshop Proc. 2257 (2018).
18. Kiv, A.E., Soloviev, V.N. (ed.) CEUR Workshop Proc. 2547 (2019).
19. Kiv, A.E., Soloviev, V.N. (ed.) CEUR Workshop Proc. 2731 (2020).