Dajme študentom virtuálnu skúsenosť

Dajme študentom virtuálnu skúsenosť Alena Kovárová kovarova@fiit.stuba.sk Fakulta informatiky a informačných technológií Slovenská technická univerzita v Bratislave Väčšina elektronických vzdelávacích materiálov ponúka len množstvo faktov, ktoré sú vysvetlené najčastejšie textom, už menej často obrázkami, schémami alebo simuláciami a iba zriedka interaktívnymi vstupmi. A práve tieto vstupy môžu vytvárať virtuálnu skúsenosť. Navyše ak interaktívnu časť odbremeníme od textov a vzorcov, ktoré sú obsiahnuté už v mnohých iných zdrojoch, dostaneme ideálny a nevyhnutný doplnok týchto zdrojov. Ako príklad takéhoto doplnku sme vytvorili interaktívnu multimediálnu aplikáciu. Uvádzame jej opis so zameraním sa na interakciu. Keďže ide o simuláciu 4 fyzikálnych experimentov, môže slúžiť ako podpora pri vyučovaní fyziky. Naša aplikácia dáva študentovi možnosť hlbšie a intuitívnejšie pochopiť uvedené fyzikálne deje. 1. Motivácia Počas učebného procesu sa stáva, že niektoré veci sa nedajú dostatočne vysvetliť, mnohé veci sa nedajú ukázať a absolútna väčšina z nich sa nikdy nestane študentovou osobnou skúsenosťou. Každý vie, že vidieť je viac, než 100-krát počuť a môžeme ešte dodať, že vlastná skúsenosť je lepšia, ako 100-krát vidieť aj počuť. Teda je jasné, že ak má študent vlastnú skúsenosť, stáva sa pre neho chápanie učiva jednoduchším a intuitívnejším. Preto tu existuje nepopierateľná snaha dať študentom čo najviac skúseností, ale niekedy sa to nedá. Napríklad ako môžeme študentov nechať pocítiť alebo si uvedomiť rozdiel medzi gravitačným zrýchlením na Zemi a na Mesiaci? Len tým, že im povieme ten fakt? Alebo im vysvetlíme, že to vyplýva z nejakej rovnice? Ukážeme im nejaké simulácie, či videá? Toto nás motivovalo k tomu, aby sme vytvorili virtuálne fyzikálne laboratórium (simulujúce niekoľko základných dejov), ktoré je interaktívne, teda užívateľ môže zmeniť niekoľko fyzikálnych parametrov v každom deji. Prostredníctvom takejto interakcie študent získa virtuálnu skúsenosť, vďaka ktorej môžu jeho vedomosti dosiahnuť obdobnú hĺbku ako vedomosti podložené jeho vlastnou skúsenosťou. 2. Pohľad do minulosti efektívneho učenia Ak už chceme učiť, alebo robiť čokoľvek iné, vždy by sme sa mali najskôr zamyslieť nad najefektívnejším spôsobom. Pred tisíckami rokov, keď ešte nebola ani abeceda, existovali len 3 spôsoby, ako sa niečo naučiť. Buď človek počul alebo videl niekoho osobnú skúsenosť, alebo mal svoju vlastnú skúsenosť. Posledný z uvedených spôsobov bol najefektívnejší. Tieto spôsoby zdieľania vedomostí však boli neuspokojivé a tak, hneď ako to bolo možné, začali ľudia zaznamenávať písať svoje vedomosti. Pred stovkami rokov sa objavili abstraktné vedomosti. Bolo zložité ich zaznamenávať a keď sa to aj niekomu podarilo, ten, kto si to potom čítal, potreboval aspoň trochu predstavivosti, aby ich pochopil. Tento problém dal vzniknúť jednoduchým vzorcom a mnohým obrázkom. V tom čase sa vyššie vedomosti zdieľali hlavne čítaním a diskutovaním. Desiatky rokov dozadu už bolo na svete mnoho komplikovaných vzorcov a schém, všetko sa stále zapisovalo na papier a vďaka narastajúcej komplexnosti vedomostí bolo pre čitateľov stále náročnejšie ich pochopiť. Dnes už používame množstvo rozličných médií na zaznamenávanie našich vedomostí. Avšak trend klesajúcej chápateľnosti stále pokračuje a preto je pre dnešných študentov oveľa

náročnejšie pochopiť učivo, ktoré majú napísané v učebniciach, vedeckých časopisoch, či na Internete. Učiť sa dnes znamená čítať a snažiť sa to pochopiť. Toto nie je príliš efektívny spôsob, pretože takto sa mnohým študentom stáva, že učivu nerozumejú buď dostatočne do hĺbky alebo dostatočne intuitívne. Napríklad vedia, že majú vynásobiť rýchlosť časom, aby dostali vzdialenosť, ale keď sa ich spýtate, že prečo ich napríklad nevydelia, tak nevedia odpovedať. Samozrejme, že je potrebné čítať, počuť a vidieť všetky tie komplikované záznamy, lebo toto je jediný spôsob, ako zaznamenať vedomosti exaktne. Má to len jednu nevýhodu naša pamäť si nedokáže zapamätať všetko, čo sme videli, počuli a čítali (VPČ). Študenti si nepamätajú VPČ učivo ani veľmi dlho, ani do hĺbky. Ľudia zabúdajú VPČ vedomosti veľmi rýchlo a preto musíme znova zdôrazniť, že vlastná skúsenosť bola a stále je ten najefektívnejší spôsob učenia sa. 3. Rôzne prístupy náš a iné Našim cieľom bolo ukázať, že sa dá a má zmysel vytvoriť takú aplikáciu, ktorá by bola presným opakom dnešných vedomostných médií, teda aby sa v nej dalo všetko ľahko pochopiť a aby si človek zapamätal čo najviac VPČ. Naplniť tento cieľ znamenalo vypustiť všetky tie informácie, ktoré robia dnešné znalosti komplikovanými. Išlo hlavne o vypustenie rovníc, či vzorcov, schém a samozrejme sme sa snažili použiť čo najmenej textu. Pripomíname, že takáto aplikácia nemôže nahradiť celý učebný proces, ale v každom prípade ho môže veľmi vhodne obohatiť. Aby sme u užívateľov dosiahli čo najväčšiu motiváciu, snažili sme sa prebrať charakteristiky od počítačových hier multimediálnosť, peknú farebnú grafiku, interaktívnosť, jednoduchosť ovládania, že užívateľa nič nenúti zotrvať, či pokračovať, len ho motivuje, že nepotrebuje žiadneho učiteľa atď. Podobný prístup môžeme nájsť aj v knihe Alberta Einsteina [1]. Aby sme ukázali názorný príklad vyššie charakterizovanej aplikácie, motivovali sme sa myšlienkovými experimentmi z tejto knihy. Z nich sme vytvorili 4 fyzikálne experimenty, ktoré zachovali autorovu myšlienku, ako aj náš prístup. Každý z dejov bol naprogramovaný ako simulácia. Pretože v týchto experimentoch ideme simulovať skutočný svet, dbali sme aj o to, aby bol vizuálny výsledok po fyzikálnej stránke na nerozoznanie od reality. Všetky 4 simulácie sú interaktívne, a to takým spôsobom, že užívateľ môže zasiahnuť do simulácie, čosi zmeniť a tým ovplyvniť výsledný dej. Je nutné podotknúť, že niektoré zmeny, ktoré môže užívateľ urobiť v našej aplikácii, by v skutočnom svete boli buď nebezpečné, finančne náročné, alebo ideálne (t.j. nereálne, ale má zmysel o nich uvažovať). Interakcia je veľmi dôležitá, lebo vzťah medzi užívateľovou akciou a reakciou simulácie môže vytvoriť tak veľmi cennú užívateľovu skúsenosť, i keď len virtuálnu. Tento druh prístupu je potrebný hlavne pri vytváraní základných vedomostí. Vzhľadom na to, aké deje sme vybrali, je výsledná aplikácia určená 8-15-ročným deťom. Tomu sme prispôsobili aj grafické rozhranie. Čo sa týka iných prístupov, zatiaľ neexistuje žiadna taká aplikácia, ktorá by sa aspoň trochu podobala tomu, čo sme vytvorili my. Keď sa pozrieme na e-learningové materiály s fyzikálnym obsahom, zistíme, že je ich mnoho, no sú komplikované. Zamerajme sa v ďalšom len na tie interaktívne, na ich klady a zápory. Crocodile Physics [2] je aplikácia na CD, ktorá obsahuje veľké množstvo simulácií, grafov, meniteľných veličín, ale čo sa týka pochopiteľnosti, užívateľ sa môže cítiť stratený hneď od začiatku vďaka neintuitívnemu ovládaniu a neprebernému množstvu parametrov. Vyučovací proces si vyžaduje buď učiteľa alebo aby si užívateľ prečítal dlhý manuál. Je tam príliš schematická grafika. Didakta Fyzika [3] je český softvér, ktorý obsahuje niekoľko cvičení na precvičenie si výpočtov využívajúcich fyzikálne vzorce. Obsahuje niekoľko jednoduchých simulácií, ktoré môžu užívateľovi pomôcť trochu lepšie pochopiť dané deje. Ale hlavným cieľom je počítať a ono dôležité chápanie môže ostať nepovšimnuté.

Harnessing the Energy of the Stars [4] obsahuje množstvo obrázkov, niekoľko videí a neinteraktívnych animácií, neobsahuje veľa textu. Particle Physics [5] je skonštruovaná ako webová stránka. Obsahuje veľa textu, niekoľko obrázkov a pár neinteraktívnych animácií. Na konci každej kapitoly je test, ktorý môže učiaceho sa odradiť. General Physic Java Applets [6] je webová stránka. Jej grafika je nepríťažlivá príliš schematická. V každom aplete sa dá zmeniť len niekoľko parametrov. Je dosť zložité vyvodiť z týchto simulácií nejaké závery. Väčšina simulácií prezentuje deje z vyššej fyziky, nie zo základov. RedShift3 [7] simuluje vesmír so stovkami vesmírnych telies. Úvod obsahuje niekoľko animácií, ktoré vysvetlia základné znalosti o vesmíre a ako používať túto aplikáciu. Ovládanie je príliš komplikované. Je zložité používať túto aplikáciu tak, aby prehlbovala užívateľovo chápanie problematiky. A Satellite [8] obsahuje mnoho neinteraktívnych animácií, ktoré vysvetľujú deťom, čo je a ako funguje satelit. The Incredible Machine [9] je počítačová hra, ktorá simuluje niekoľko fyzikálnych objektov a užívateľ ich má správne použiť na to, aby dosiahol cieľ hry. Táto hra má mnoho vlastností, ktoré by sme aj my chceli obsiahnuť v našej aplikácii, ale TIM používa objekty, ktoré sú v reálnom svete vcelku zriedkavé a navyše niektoré z nich aj dosť nereálne. 4. Štruktúra Fyzikálne experimenty, ktoré sme si vybrali, sú: vozík na naklonenej ceste, kyvadlo na tyči alebo na pružine, vesmír a strieľajúce delo. Nasledujúce obrázky sú len z časti s delom. Užívateľ môže pracovať v niekoľkých úrovniach (pre každý experiment). Úroveň 0 je úvod (viď obr. 1.), ktorý je spoločný pre všetky 4 experimenty. Užívateľ si môže vybrať jazyk (slovenčinu, angličtinu, maďarčinu, nemčinu) a potom experiment, s ktorým sa chce hrať. Obrázok 1: Úroveň 0 Úvod Obrázok 2: Motivačné otázky Obrázok 3: Inštrukcie Úroveň 1 obsahuje motivačné otázky pre vybraný experiment (viď obr. 2), inštrukcie, ktoré užívateľovi vysvetlia ako interagovať so simuláciou (viď obr. 3) a samotnú simuláciu (viď obr. 4)

Úroveň 2 zahŕňa možnosti interakcie so simuláciou prostredníctvom objektov na scéne, gombíčkami alebo menu. Užívateľ interaguje s objektmi intuitívne jednoduchým chyť a ťahaj. Obrázok 5 nám ukazuje hlavné zmeny, ktoré môžu byť dosiahnuté interakciou. Posledná úroveň je tretia špeciálne menu s posuvnými gombíčkami (viď obr. 6). Je tam posuvný gombíček pre každý jeden meniteľný parameter fyzikálnu veličinu. Obrázok 4: Interaktívna simulácia Obrázok 5: Simulácia v pohybe spolu s viditeľným menu (hore) a vyčíslenými veličinami (dole). Obrázok 6: Špeciálne menu s posuvnými gombíčkami 5. Interaktivita a parametre Odhliadnuc od takej interaktivity ako klikanie na gombíčky, pomocou ktorého sa užívateľ dostane iba do inej časti aplikácie, vytvorili sme skutočne interaktívne prostredie, ktoré dovoľuje užívateľovi zmeniť fyzikálne veličiny v každom z uvedených dejov. Konkrétne parametre pre experiment so strieľajúcim delom sú uvedené v tabuľke č. 1. Tabuľka č. 1: Meniteľné fyzikálne veličiny miesto zmeny v simulácii v špeciálnom menu parameter rozpätie rozpätie hmotnosť 1 kg 20 kg 0.1 kg 50 kg pozícia telesa ako sa len dá - - rýchlosť veľkosť 1 m/s 100 m/s 0.1 m/s 150 m/s uhol -90 90-180 180 hustota prostredia - - 0 kg/m 3 1000 kg/m 3 rýchlosť prostredia - - -100 m/s 100 m/s gravitačné zrýchlenie - - 3 m/s 2 12 m/s 2 dĺžka 10 m - - 30 pixelov 260 pixelov časový krok - - 0.001 s 1 s

Základnú sadu parametrov je možné meniť priamo v simulácii klikaním myšou na objekty na scéne. Tento spôsob interakcie je veľmi intuitívny a užívateľ je ním aj oboznámený v prvej úrovni v časti inštrukcie. Rozšírená skupina parametrov (pre náročnejších užívateľov) je v špeciálnom menu a užívateľ ich môže meniť jednoduchým posunutím gombíčka v škále. Z fyzikálneho hľadiska je strieľajúce delo model, ktorý opisuje pohyb telesa v homogénnom gravitačnom poli a kde prostredie má svoju vlastnú hustotu (a teda aj odpor) a rýchlosť. Zvyšné tri experimenty predstavujú ďalšie 3 fyzikálne modely z oblasti mechaniky, ich podrobnejší opis možno nájsť v našom článku [10] zaoberajúcom sa týmito simuláciami. 6. Implementácia Na vytvorenie týchto experimentov sme si vybrali Macromedia Flash, pretože nám umožnil vytvoriť multimediálnu aplikáciu. Keďže má aj svoj vlastný programovací jazyk ActionScript, mohli sme ním naprogramovať interaktívne animácie, resp. simulácie. Všetky naše obrázky sú vektorová grafika, teda operačnú pamäť zaťažujú len minimálne a taktiež majú malú výpočtovú náročnosť. Prostredie Flashu ponúka prácu s časovou osou, základnými grafickými objektmi, pričom vytvorené objekty sa môžu zadefinovať ako graphic object, button, movieclip alebo component (ten je zložený z predchádzajúcich typov a dá sa parametrizovať). Objekty sa dajú vkladať do vrstiev. Samozrejme, my sme často používali movieclip a button, lebo práve tieto dva musia najskôr interagovať s myšou alebo klávesnicou, aby sa spustila ďalšia časť programu a tak nechala v užívateľovi virtuálnu skúsenosť. 7. Testovanie Našu aplikáciu sme testovali s piatimi skupinami detí približne po 15-tich deťoch. Prvé dve skupiny boli 14-15-ročné a druhé tri 9-10-ročné. Deti nemali žiadne problémy s interagovaním so simuláciami, ktoré sa im videli realistické, ale starším deťom sa zdala grafika príliš detská. Mladšie deti mali problém pochopiť závery vyvodené z vyčíslených fyzikálnych veličín. Tu treba však podotknúť, že úlohou užívateľa nie je pochopiť, že prečo je to tak, to im mali/majú vysvetliť učitelia. Úlohou je hrať sa, pozorovať, všímať si a potom na hodine fyziky rýchlejšie, hlbšie a intuitívnejšie chápať učivo. Testovali sme aj rôzne operačné systémy. Aplikácia bežala bez problémov pod OS Windows XP, 2000 a Red Hat Linux. Celkovo deti hodnotili našu multimediálnu aplikáciu ako zaujímavú a my budeme pokračovať v jej vývoji a testovaní, aby sme deťom pomohli ľahšie chápať fyziku. Demoverzia našej aplikácia je prístupná na http://www.fiit.stuba.sk/~kovarova/projects. 8. Záver Pretože ide o simuláciu reality, spadá naša aplikácia pod virtuálnu realitu alebo ju možno nazvať virtuálne fyzikálne laboratórium. Užívateľa však nenaučí žiadne vzorce, žiadne fyzikálne zákony, iba mu dá virtuálnu skúsenosť, teda vytvorí v ňom správnu predstavu toho, ako nejaký dej funguje, čo mu pomôže intuitívnejšie a hlbšie chápať učivo s tým spojené. Nezáleží na tom, či sa užívateľ už s týmto učivom stretol, alebo sa ešte len stretne, aplikácia pomáha v oboch prípadoch. A jediné, čo musí užívateľ robiť, je interagovať so simuláciami, pozorovať zmeny a trochu o tom všetkom premýšľať. Je množstvo spôsobov, ako vylepšiť našu aplikáciu. Od vytvorenia viacerých experimentov, zbavenia sa detského vzhľadu (aby to bolo príťažlivé aj pre staršie deti), cez preklad do ďalších cudzích jazykov až po vytvorenie simulácií z iných vedných disciplín. Naša aplikácia je živým príkladom toho, že je možné vytvoriť vzdelávací nástroj, ktorý ponúka novú dimenziu chápania virtuálnu skúsenosť. Vysvetlili sme, aký úžitok to

užívateľovi prináša, keď sa hrá s týmto typom aplikácie. Preto si myslíme, že každý e- learningový materiál by mal obsahovať takúto aplikáciu, ktorá pomáha ľahšie chápať práve preberané učivo. 9. Poďakovania Autorka by rada poďakovala Romanovi Kováčikovi z Ruhr-Universität Bochum v Nemecku za zdieľanie svojich vedomostí z fyziky. Tento projekt bol čiastočne podporený VEGA grantom s číslom 1/0161/03. Literatúra [1] Einstein, A., Infeld, L., Fyzika jako dobrodružství poznání, Orbis, Praha, 1971. [2] Crocodile Physics, Crocodile Clips Ltd., Edinburgh, 1998 2003, stiahnuté z http://www.crocodile-clips.com/crocodile/physics/ [3] Formánek D., Padrta D., Poštulka, A., Šiftař J., Zavadil L., Didakta Fyzika, Silcom CD- ROM & Multimedia s.r.o., Česká Republika, 2003, stiahnuté z http://www.silcommultimedia.cz/tituly/dfy/ [4] Harnessing the Energy of the Stars, EPFL-CRPP / Association Suisse-EURATOM. Switzerland. 2001 [5] ] Gillies J., Jacobsson R., Particle Physics A keyhole to the Birth of Time, European Organization for Nuclear Research, CERN, 2001, ISBN 92-9083-185-5 [6] Reddy B.S., General Physics Java Applets, 2004, stiahnuté z http://surendranath.tripod.com/applets.html [7] RedShift 3, Dorling Kindersley - DK Multimedia, 1998 [8] A Satellite, Alcatel Space in collaboration with eesa Direction de la communication, 1999 [9] The Incredible Machine 3.0, Sierra Entertainment, Inc., 1979-2004 [10] Kovárová, A., Czanner, S.: Interactive Simulations of Elementary Physical Experiments. zo zborníka First Central European International Multimedia and Virtual Reality Conference, Ed. C. Sik Lanyi, B. Oláh, Veszprém University Press, VE 16/2004, strany 109-116. ISBN 963 9495 46 8 Mgr. Alena Kovárová Slovenská technická univerzita v Bratislave Fakulta informatiky a informačných technológií e-mail: kovarova@fiit.stuba.sk