SOVERShENSTVOVANIE PREPODAVANIYa TOPOGRAFIChESKOY ANATOMII S ISPOL'ZOVANIEM SREDSTV VIRTUAL'NOY REAL'NOSTI

Abstract

Full Text

Человечество стоит на пороге четвёртой индустриальной революции, прогнозируемого события, которое будет сопровождаться массовым внедрением киберфизических систем в производство. Основным драйвером её развития считаются технологии больших данных, квантовых вычислений, роботизации, в том числе виртуальной и дополненной реальности. Технологии дополненной и виртуальной реальности могут лечь в основу новой вычислительной платформы. В настоящее время виртуальная реальность (ВР) рассматривается как источник технологических возможностей в образовании и медицине [1, 3, 4]. Согласно графику цикла зрелости технологий, показывающему уровень ожиданий пользователей, ВР успела пройти «пропасть разочарования» и находится на стадии «склон просвещения», у неё формируется стабильная аудитория, разработчики приступают к коммерческому внедрению и активно ищут решения существующих проблем [2]. Прогнозируемое массовое внедрение технологии ВР ожидается в 2020-2023 г. Возможно, устройства ВР вскоре станут также популярны и функциональны, как мобильные телефоны. Цифровая революция, начавшаяся с массового использования персональных компьютеров и Интернета, меняет сознание обучающихся и ставит новые задачи использования современных цифровых подходов в преподавании [3]. Вместе с тем, применительно к анатомии методы, способы и технологии обучения в большинстве своём остаются такими же, как и многие десятилетия назад. В основе средств обучения сохраняются материальные объекты: демонстрационно-учебные мышечный и нервнососудистый трупы, музейные препараты, влажные фиксированные органы или сегменты тела, анатомические таблицы, лекции и учебники, другие средства настольно-печатного презентирования содержания образования. Им присущи, как физическим объектам, определённые ограничения: территориальная привязанность, низкая мобильность, ограниченный срок эксплуатации, следовательно, высокие амортизационные расходы, временная затратность и дороговизна [8]. Термин «виртуальная реальность» ввёл в обиход в 1989 г. Джарон Ланье (Jaron Lanier). ВР - созданный техническими средствами искусственный мир - иллюзия реальности. Компьютерные системы, воспроизводя свойства и поведение объектов реального мира, обеспечивают не только созерцание, но и взаимодействие с новым миром, контакт с объектами ВР. Специальная графика, видеоизображение и стереозвук придают реальность цифровой иллюзии. Современные технологии ВР основаны на использовании средств программирования, работают с трёхмерными анимационными объектами, взаимодействуют с субъектом в реальном времени, создают эффект погружения, ощущение реалистичности [3]. В человеческом мозге нейроны реагируют на виртуальные элементы так же, как и на элементы реального мира. Конкурируя и вытесняя реальные ощущения, ВР имитирует как воздействие, так и реакции на воздействие. Компьютерный синтез свойств и реакций ВР, производимый в реальном времени, свойства виртуальных объектов, близкие к реальным, придают ощущениям убедительность. Поэтому человек воспринимает виртуальную среду и реагирует на происходящие внутри виртуального мира события точно так же, как на имеющие место в реальности. При этом форм-фактор систем, т.е. способ отражения, не является отличительным признаком реального и виртуального: экран монитора с равным успехом может отражать и реальный, и виртуальный мир. Эволюция систем ВР идёт по пути все более «реалистичного» погружения в новый искусственный мир, уменьшения различий между действительной и виртуальной реальностью [8, 9]. Достигается это путём одновременного воздействия на различные органы чувств. В системах ВР (специальные шлемы, очки) улучшаются формирование и вывод изображения, создаётся иллюзия объёмности объекта. Многоканальные акустические системы позволяют пользователю ориентироваться в виртуальном мире с помощью слуха. Тактильный отклик при взаимодействии с объектами ВР используется для отработки практических навыков в медицине [5]. Имитация тактильных или осязательных ощущений нашла своё применение в устройствах с обратной связью, используемых в медицинских тренажёрах, в дистанционном управлении роботами. В перспективе появление систем, воздействующих не только на органы чувств или непосредственно рецепторный аппарат, но и на проводящие пути и корковый конец анализатора. Технологии прямого подключения к головному мозгу через мозговые интерфейсы уже нашли применение для замены утраченных чувствительных способностей. В образовании ВР используется в качестве особого информационного пространства от среды Интернет до технологий иммерсивных трёхмерных систем ВР [4, 7-9]. Вероятно, первой технологией ВР был кинематограф. Технология учебных фильмов и сейчас активно используется в образовательном процессе. Интересным видится создание виртуального музея-библиотеки, представляющего систематизированную и каталогизированную базу данных, содержащую оцифрованные текстовые и графические материалы, интерактивные обучающие курсы. Такая работа проводится в рамках создания вузовской электронной информационно-образовательной среды. Первым российским прототипом подобной анатомической базы данных можно считать интернет-ресурс «Анатомия живого человека. Русскоязычные материалы к дистанционному изучению анатомии живого человека», разработанный в рамках проекта РФФИ (грант № 01-07-90234) [10], до сих пор доступный по адресу: http://gw.yma.ac.ru/ anatomy/ind.html (дата обращения 28.03.2019 г.). Вместе с тем, современные технические возможности гораздо шире. Стремительное удешевление вычислительных мощностей и элементной базы компьютеров, резкий рост рынка мобильных устройств и приложений способствуют массовому распространению технологий ВР. Предполагается [7], что использование технологий ВР позволит резко снизить амортизационные расходы на средства обучения, заглянуть внутрь «виртуального» тела живого человека, что в работе с пациентом просто незаменимо. Это улучшит постановку правильного диагноза, позволит заранее отработать технику операции у конкретного пациента, в этом смысле наглядно представить неизведанное и невидимое. С помощью «виртуального кукловождения» оператор робота-хирурга может дистанционно перенести оптимальный виртуальный результат на живого человека, как вариант дистанционного оказания медицинской помощи. Необходимо признать, сегодня реальные технологии едва справляются с созданием виртуальных миров, но все меняется. Все чаще ВР рассматривают в рамках континуума гибридного мира. Концепция смешанной реальности («континуум реальности-виртуальности») является достаточно молодой. Её впервые описали в 1994 г. [11]. Смешанная реальность определена как система, в которой объекты реального и виртуального миров сосуществуют и взаимодействуют в реальном времени, в рамках виртуального континуума. Крайними вариантами модели авторы выделили полную реальность - привычный мир, который нас окружает, и ВР - цифровой мир, полностью созданный с помощью современных компьютерных технологий. Промежуточными звеньями в этой модели являются дополненная реальность - реальный мир, который «дополняется» виртуальными элементами и сенсорными данными, и дополненная виртуальность - виртуальный мир, который «дополняется» физическими элементами реального мира. Можно ли использовать технологии ВР в образовательной деятельности? В целом, вопрос риторический, если Интернет, коммуникация в социальных сетях, создание электронно-информационной образовательной среды - есть свершившийся факт. Несмотря на высокие темпы развития, прогнозируемые экспертами, рынок средств ВР достаточно молод и только начинает развиваться. Любые новшества встречаются настороженно, особенно в такой консервативной дисциплине, как анатомия. Насколько это оправдано? Возникает больше вопросов: от технических «как создать?» до методических «как применять?». Интерактивный анатомический стол «Пирогов» - единственная на данный момент российская разработка. Стол состоит из аппаратной части (мощный компьютер, плазменная панель с тактильным управлением) и программного обеспечения, реализующего функциональность и контент. Стол, представляя уникальный по своему анатомическому, топографическому и клиническому наполнению 3D-атлас анатомии человеческого тела, включает оригинальные и пионерские технические решения трёхмерного представления тела человека, не имеющие аналогов в мировой практике [6]. Имея опыт эксплуатации анатомического стола «Пирогов», мы можем высказать мнение о преимуществах и недостатках этой технологии ВР, определить организационно-педагогические условия его эффективного использования для совершенствования преподавания топографической анатомии. Мировой тренд в преподавании топографической анатомии состоит в дополнении традиционных подходов (использование анатомических таблиц, препарирование трупа) современными приёмами передачи информации: расширение доступности электронных библиотек, анатомических баз данных, появление совершенных анатомических симуляторов, моделирующих структуры тела человека по системному и топографическому принципу с возможностью построения плоскостных проекций и объёмных трёхмерных моделей тела [12, 13]. Известно, что использование трупного материала в учебных целях ограничено юридическими, организационными и финансовыми трудностями. Существующий оборот учебного трупного материала крайне низок и недостаточен для полноценного обучения. Приобретение, транспортировка, фиксация, хранение, препарирование требуют затрат, зачастую неподъёмных для вузов, делая этот вид средств обучения экономически неперспективным. В плюсе - непосредственная контактная работа с натуральным биологическим материалом. Пока никакая ВР не может дать ощущений натурального биоматериала. Навыки практического анатомического препарирования представляют особый самостоятельный интерес для отработки оперативных доступов и приёмов на биологических моделях. Анализ обучения с использованием стола «Пирогов» позволяет выделить следующие основные достоинства средств ВР: 1) наглядность - специальная трёхмерная графика позволяет выстроить разный масштаб изучения (макроскопический и микроскопический) и разную детализацию объекта, при этом степень наглядности определяется глубиной прорисовки текстур; 2) универсальность - наглядное и объёмное представление любой области, системы, органа, любых труднодоступных для препарирования объектов; различные приёмы диссекции, выделение, возврат удалённых структур, возврат в исходное состояние; 3) многофункциональность - расширение использования атласа за счёт встроенных «всплывающих» справочников; возможность фиксации сцен, проведения тестирования; 4) безопасность и экологичность - использование ВР не требует специальных техник фиксации биоматериала и связанных с ними ограничений; 5) погружение - активное вовлечение в обучение за счёт интерактивности; компьютер позволяет реализовать любой сценарий образовательной технологии; 6) встраиваемость в образование - может дополнять или полностью замещать традиционный поход. Очевидно, что современные средства ВР радикально преобразуют принцип наглядного содержания образования, особенно необходимый в анатомии. Создаётся подобие реальных объектов. Причём универсальность и многофункциональность виртуальных объектов могут дать обучающемуся больший жизненный опыт в восприятии, в осуществлении действий. Выявленные при эксплуатации стола недостатки условно поделили на группы: аппаратные средства, программное обеспечение, контентсодержание, безопасность. Аппаратное обеспечение - пространственная ограниченность при перемещении (немобильность); высокая стоимость. Контент - недостаточно профессионально разработанный контент: отсутствие возрастных моделей, неточности обозначений, ошибки при переносе реальных объектов в виртуальный мир; недостаточная детализация, схематичность некоторых органов и областей; технические ограничения. Безопасность - беззащитность перед вредоносными программами. Программное обеспечение - недостатки графики; отсутствие непосредственной совместимости с мобильными платформами и интеграции с программами медицинской визуализации; отсутствие сетевых решений, отсутствие мобильных решений. Использование технологий ВР в качестве полноценного учебного оборудования, конкурирующего с традиционными подходами, предполагает наличие обучающих программ. Имея сценарий, жёсткий алгоритм действий, обучающая программа выступает в роли образовательной технологии. Обучающие программы в настоящей виртуальной среде являются средством формирования мышления и обучения личности, способствуют познавательной мотивации и оптимальных психических состояний личности [7]. В их отсутствие только преподаватель может транслировать знания обучающемуся. Отсутствие у рассматриваемых средств ВР обучающих сценариев, соответствующих дидактическим единицам рабочей программы дисциплины, слабая проработанность реализации и применения вызывает педагогическую насторожённость и низкую эффективность внедрения. Как способ передачи и усвоения знаний путём взаимодействия субъектов учебновоспитательного процесса, технологии ВР предъявляют высокие требования к преподавательскому составу, без их активной компетентной позиции внедрить новые технологии не удастся. Можно предположить, что появление версий для мобильных устройств и сетевого программного обеспечения расширит средства ВР: даст возможность получать знания и навыки независимо от места и времени. Комфортными и привычными станут условия обучения для людей с ограниченными физическими возможностями, появится возможность самообучения. Интеграция с программами медицинской визуализации сделает реальным более раннюю адаптацию обучающихся к новым формам представления тела живого человека. Введение компьютеризации и автоматизации обучения трансформирует качество учебного материала, содержания образования. ВР даёт ощущения, подобные получению реального перцептивного опыта, что является основой обучения. Очевидно, новые технологии расширяют границы принципов наглядности и доступности, связи обучения с жизнью, усиливают эмоциональное воздействие. В то же время, цифровые технологии снимают многие традиционные проблемы анатомических кафедр. Существующие компьютерные анатомические столы создают полную иллюзию размеров, цвета, текстуры тканей и органов. Встроенные программные приложения позволяют «анатомировать» по системному принципу, выделяя элементы одной системной группы; по топографическому принципу, послойно «анатомируя» тело. Виртуальной модели несвойственны трудности использования натурального препарата: цифровая модель не токсична, не «стареет» и не портится от эксплуатации, легко восстанавливается в начальное состояние. Кроме базовых возможностей изучения анатомии, отражающих принципы разложения тела, виртуальный подход более универсален: позволяет объединять элементы, выделять органы из окружающих тканей и на срезах. Вместе с тем, главными факторами, препятствующими массовому распространению технологий, являются высокая стоимость и сложность внедрения, что в сочетании с недостатками специализированного контента и несовершенством устройств и их неочевидная польза вызывает сопротивление внедрению технологий со стороны руководства и педагогов. Таким образом, созданные средства ВР имеют высокий потенциал стимулирующего влияния на совершенствование преподавания топографической анатомии. Сегодня средства ВР не могут полностью заменить преподавание и преподавателя, их целесообразно использовать для дополнительного образования, а также для тренинга профессиональных навыков. С увеличением реалистичности, повышением профессионализма контента будет усиливаться развивающий эффект дидактических программ в системах ВР.