Навігація в майбутнє: як спільна віртуальна реальність змінює землевпорядну і геодезичну освіту

  До численних заходів ініційованих цією авторитетною організацією, що насамперед стосуються впровадження кращих практик і досягнень у професійній освіті, регулярно долучаються провідні вчені університету – декан факультету землевпорядкування, професор Тарас Євсюков і завідувач кафедри землевпорядного проектування, професор Андрій Мартин. Однією із постійних ініціатив, запроваджених FIG, стала рубрика «стаття місяця». У лютому 2024 року такою статтею була публікація, підготовлена співробітниками Університету штату Пенсильванія та Військової академії США у Вест-Пойнті на тему «Спільна віртуальна реальність для геодезичної/землевпорядної освіти» (Collaborative Virtual Reality for Surveying Education) (авторський колектив – Дімітріос Болкас, Меттью О'баніон, Джеффрі Чіамп та Джордан Лафлін). Оригінал і повний текст публікації можна знайти за посиланням https://www.fig.net/resources/monthly_articles/2024/bolkas_et_al_february_2024.asp). Пропонуємо читачам офіційного сайту ознайомитися з головними тезами цієї статті, адже стосується вона інноваційних методів навчання фахівців у сфері геодезії та землеустрою, і тому може бути корисною нашим колегам та студентам. 

  Імерсивні технології, тобто технології навчання із глибоким «зануренням» у віртуальне середовище чи його елементи, останніми роками зазнали швидкого прогресу, активного поширення і впровадження в інженерній освіті. Наразі така реалізація відбувається за двома відмінними підходами до навчання, а саме – «навчання, що базується на досвіді» та «ситуаційне пізнання/навчання при роботі в групах». У першому випадку студенти беруть участь у віртуальному досвіді і навчаються на практиці, а в другому навчаються через спілкування та пошук рішень у команді. Командна робота в інженерії дедалі стає важливою навичкою сучасного інженера. Наочний приклад командної роботи у віртуальній реальності, при виконанні геодезичних інженерних робіт, показано на рис. 1.

 

  Імерсивні технології візуалізації, або технології занурення, зазвичай включають доповнену реальність (Augmented Reality – AR), змішану реальність (Mixed Reality – MR) і віртуальну реальність (Virtual Reality – VR). Імерсивні технології зазнали швидкого прогресу та розвитку за останнє десятиліття, їх використовують у професійній діяльності геодезистів та у геодезичній освіті. У навчанні геодезистів варто виділити системи Trimble SiteVision та Leica vGIS. Це системи доповненої реальності, які дозволяють точно візуалізувати 3D-моделі в реальному світі, інтегруючи 3D-моделі з даними, зібраними в режимі реального часу.

  Віртуальна реальність і технології занурення в цілому знаходять все більше застосувань в навчанні. Завдяки їх швидкому прогресу ми можемо знайти приклади застосування в різних дисциплінах, починаючи від інженерії, медицини та хірургії, до соціальних наук, гуманітарних наук тощо. Наприклад, розроблені модулі за якими студенти використовують віртуальний тахеометр для збору топографічних даних. Окреме програмне забезпечення, дозволяє студентам збирати диференційовані дані про нівелювання в інтерактивній віртуальній реальності. Успішно функціонують модулі з навчальним програмним забезпеченням віртуального безпілотного літального апарату (БПЛА), щоб допомогти студентам підготуватися до польоту БПЛА з метою знімання території. Віртуальна реальність у геодезичній освіті використовується для підготовки студентів до практичних і лабораторних робіт, поєднання практичних і теоретичних концепцій, розвитку конкретних навичок і надання досвіду, який неможливо отримати в реальному світі через обмеження, пов’язані із високою вартістю, складністю доступу чи відповідальності.

  Впровадження віртуальної реальності має бути пов’язане з відповідною теоретичною основою, а викладачі повинні мати тверде обґрунтування для її використання та інтеграції в існуючу навчальну програму. Відсутність надійного зв’язку між застосуванням цих технологій та педагогічними принципами та концепціями призводить до неоптимального впровадження їх в освіту.

  Педагогічні підходи, які часто зустрічаються у віртуальній реальності передбачають:

  З перерахованих вище педагогічних підходів, навчання на досвіді часто використовується в дослідженнях віртуальної реальності, і воно відіграє першочергову роль у реалізації віртуальної реальності, що відкриває двері в середовища, які є важкодоступними, небезпечними, соціально чи культурно неприйнятними та/або дуже дорогими. Багато реалізацій віртуальної реальності, які використовують ситуаційне пізнання, походять із військової сфери, де солдатів навчають як реагувати на команду в різних ситуаціях. Такі поняття, як командна робота, участь у технічній дискусії, навчання від однолітків та/або інструкторів, а також спільне навчання є невід’ємною частиною інженерії та важливими аспектами акредитації Ради з акредитації техніки та технологій (ABET) для багатьох програм з геодезії та геоматики. Ситуаційне пізнання забезпечує засоби для контекстно-орієнтованого спільного навчання, передачі знань і навичок та імітує умови навчання в реальному світі. Імерсивні технології стають важливим інструментом для багатьох інженерних дисциплін (Piroozfar та ін. 2018), отже, інтеграція таких технологій у навчальну програму з геодезії є необхідною для підготовки майбутніх геодезистів.

  Лабораторії віртуальної реальності, які використовувалися в цій статті, спрямовані на виконання диференційованого нівелювання та використовували програмне забезпечення Surveying Reality (SurReal), яке моделює нівелювання в інтерактивній віртуальній реальності, також у майбутньому підтримуватиметься навчання з використанням віртуального тахеометра.

 

 

  Програмне забезпечення використовує засоби віртуальної реальності Oculus Rift для управління та для головного дисплея (HMD), а також може використовувати подібні пристрої Oculus, які можна підключати до персонального комп’ютера, наприклад Oculus Quest. Студенти можуть брати та переміщати віртуальний нівелір, встановлювати його в робоче положення, регулюючи ніжки триноги і гвинти трегера, а також виконувати вимірювання та записувати їх у віртуальний польовий журнал.

  Перед початком роботи із засобами віртуальної лабораторії студенти засвоюють теоретичний матеріал з нівелювання за допомогою традиційних засобів, тобто демонстрацій в аудиторії та презентацій. У віртуальному досвіді інструктор демонструє основні елементи управління та процес проходження циклу робіт диференціального нівелювання. Потім студенти самостійно проводять лабораторну роботу у віртуальній реальності, користуючись інструментом (нівеліром) та нівелірною рейкою, що дає їм повне розуміння процесу нівелювання. Здобувачі формують знання шляхом вирішення проблем, прийняття рішень, опитування, а також методом проб і помилок, вони можуть визначити свою помилку та краще зрозуміти свій досвід і прийняті рішення.

 

 

  У кожній команді з двох осіб один зі студентів брав на себе роль лідера та працював з нівеліром, тоді як інший взяв на себе роботу з нівелірною рейкою. Учасники могли мінятися ролями в будь-який момент протягом віртуальної вправи, і їм було запропоновано робити це після кожного налаштування приладу. Після спільного завершення вимірювання кожна команда мала змогу переглянути звіт про виконання вправ, де вони могли визначити будь-які допущені помилки та обговорити можливі напрями їх виправлення. Як згадувалося вище, у центрі уваги віртуальних вправ – навчання студентів шляхом співпраці, спілкування та взаємодії; однак ця вправа все ще зберігає елементи навчання через досвід, навчання через відкриття та конструктивізму.

  Восени 2021 року 14 студентів навчалися на курсі з геодезії в університеті Penn State Wilkes-Barre, із них 8 студентів були випадковим чином відібрані для проходження навчання у лабораторії віртуального нівелювання, сформовано 4 групи по 2 особи, а решта 6 студентів проходили віртуальну лабораторію в рамках індивідуального досвідного навчання.

  Що стосується досвіду роботи з віртуальною реальністю, частина студентів раніше використовували віртуальну реальність, вони вказали, що використовували її лише кілька разів як частину курсу або в комп’ютерних іграх. Студенти повинні вивчити технології віртуальної реальності, а потім мати можливість проходити заняття у віртуальній лабораторії. Порівняно з попередніми роками зросла кількість студентів, які познайомилися з технологіями візуалізації, що надихає для майбутніх впроваджень віртуальних лабораторій у навчання, оскільки студенти можуть бути більш підготовленими до використання цієї технології та зможуть зосередитися на віртуальному завданні.

  З 4 груп у спільній вибірці студентів дві групи досягли похибки замикання ходу на 5 мм або менше. У той час як дві групи мали вищі похибки на рівні кількох дециметрів. Для однієї групи це сталося через помилку вимірювання. Для іншої групи це було тому, що один студент забув привести інструмент в робоче положення під час одного з вимірювань. На відміну від студентів, які проводили лабораторну роботу індивідуально, команда з двох студентів досягли похибки менше 3 мм, двоє досягли похибки 2-4 см, а ще двоє студентів не замкнули хід при нівелюванні. Двоє студентів не закінчили лабораторну роботу тому, що вони перевищили дозволений ліміт часу (60 хвилин). Ми помітили, що групі ситуаційного пізнання потрібно було менше часу для виконання лабораторних робіт, ніж групі досвідного навчання.

  Після віртуальної лабораторії викладач продемонстрував студентам звіт, обговорив помилки та те, як у майбутньому покращити свої геодезичні роботи.

  У 2019 та 2021 роках студенти проводили лабораторні роботи у віртуальній реальності. Загалом ми відзначаємо позитивний ефект в оцінках студентів при використанні віртуальної реальності. Студенти краще підготовлені до реальної, фізичної геодезичної лабораторії, спочатку відвідавши дуже схожу віртуальну лабораторію.

  Головні висновки, які необхідно зробити стосуються перш за все нового рівня фахівця інженера землевпорядника/геодезиста. Нині це професія, яка постійно відчуває на собі технологічні досягнення. Технологія віртуальної реальності знайшла свій шлях до геодезичної професії та геодезичної освіти. Важливо, щоб інтеграція технологій занурення відбувалася в рамках теоретичної бази для визначення та досягнення конкретних педагогічних цілей. Ми представили та впровадили лабораторії віртуальної реальності, які дотримувалися двох різних підходів, а саме досвідного навчання та ситуаційного пізнання/спільного навчання. У першому підході студенти беруть участь у віртуальному досвіді та навчаються на практиці, тоді як у другому акцент робиться на спілкуванні та співпраці. Оцінка двох підходів показала, що обидві імерсивні реалізації здатні підтримувати геодезичну інженерну освіту та допомагати студентам у підготовці до реальних занять. Незважаючи на численні переваги проведення таких спільних лабораторних віртуальних занять, ми звертаємо увагу на важливе обмеження. Забезпечення одночасних дій багатьох користувачів у віртуальній реальності робить реалізацію складнішою, і існує більша ймовірність проблем із програмним забезпеченням, з якими ми зіткнулися під час нашого дослідження. Існують також проблеми, пов’язані з оновленням обладнання, програмного забезпечення та драйверів; таким чином, підтримання системи для навчання все ще вимагає значних зусиль.