Актуальність. Обов’язковим елементом уроку фізики є лабораторний та демонстраційний експеримент, який повинен формувати в учнів необхідні життєві компетентності та слугувати підтвердженням наукових законів. Але не завжди можливо заздалегідь спрогнозувати вдале дослідження у зв’язку з неточним застарілим обладнанням. Однією з тенденцій удосконалення та розвитку шкільного фізичного експерименту та демонстрацій є впровадження в навчальний процес цифрових лабораторних комплексів та засобів віртуальної реальності.

Мета тез. Показати можливість та перспективи використання вимірювальних комплексів та окулярів віртуальної реальності на уроках фізики, як інструменту для оновлення та модернізації навчального процесу.

Виклад основного матеріалу.

Як зробити так, щоб фізика стала зрозумілою і близькою для учнів? Як на уроках фізики дати їм не лише знання, а й підготувати до життя в сучасних умовах, озброївши відповідними компетентностями? На допомогу вчителю приходить фізичний експеримент, знання міжпредметних зв’язків, ігрові елементи, зв’язок з життям і, звичайно, ж новітні технології. Зараз вже нікого не здивуєш відеофрагментом, презентацією, а тим паче, друкованими таблицями чи схемами. Фізична наука цікавить своєю природою саме за допомогою явищ і експериментів, розкриваючи в них застосовність знань і формуючи відповідні компетентності.

Чи можливо сформувати необхідні вміння і навички за допомогою експерименту, в якому далеко не завжди можна отримати підтвердження фізичних законів?

Досить часто вчителі стикаються з проблемами невідповідності обладнання вимогам проведення експерименту чи демонстрації, пояснюючи відхилення систематичними похибками застарілих приладів. При непрямих вимірюваннях необхідної фізичної величини сумарне відхилення значення від істинного суттєво збільшується і про точність говорити вже не приходиться.

У зв’язку із загальною інформатизацією освіти і швидким розвитком цифрових засобів обробки інформації назріла необхідність впровадження в освітній процес сучасного демонстраційного і лабораторного обладнання з використанням цифрових приладів та вимірювальних комплексів.

Цифрові лабораторії  – це високотехнологічне електронне обладнання для зчитування, реєстрації  цифрової обробки і візуалізації результатів вимірювань, проведених у рамках експериментів і досліджень, демонстраційних і лабораторних робіт. Вони надають можливість проводити різні природничо-наукові експерименти, здійснювати навчально-дослідні проекти та наукові дослідження. Вимірювальні комплекси дозволяють активізувати пізнавальну діяльність учнів, сприяють розвитку інтересу до вивчення предметів природничого циклу[1].

У порівнянні з традиційним обладнанням, Цифрові комплекси мають певні технічні переваги [2]:

• широкий діапазон вимірюваних величин;
• збільшення кількості об’єктів, що контролюються під час експерименту;
• швидкодія та висока точність вимірювання величин;
• відтворення даних експерименту у вигляді графіків і таблиць;
• можливість автоматичного калібрування та введення поправки для зменшення систематичної похибки, усереднення результатів вимірювання для зменшення випадкових похибок.

Окрім технічних, вони мають також дидактичні переваги:

• скорочення часу підготовки до експерименту та його проведення;
• можливість дослідження швидкозмінних або довготривалих процесів;
• відсутність впливу суб'єктивного чинника на якість відтворення показів приладу;
• підвищення інформативності дослідження;
• зменшення часу на обробку та систематизацію даних[3].

Рис.1. Вимірювання ЕРС найпростішого гальванічного елемента цифровим вимірювальним комплексом Einstein.

Цифрові навчальні лабораторії, як правило, мають у своїй основі спеціалізоване програмне забезпечення, реєстратори даних, а також певний набір датчиків, що дозволяють отримувати необхідні дані. Реєстратори бувають із інтегрованим дисплеєм для відображення результатів та дискретні у яких відображення даних транслюється на екран монітора ПК або смартфону.  Програмне забезпечення представляє собою потужний інструмент, як для моніторингу експериментальних даних, так і для глибокого аналізу з можливістю виведення математичних закономірностей, ведення журналу наукових спостережень і спільної роботи з іншими учасниками експерименту.

Серед нового покоління популярних шкільних цифрових лабораторій, призначених для проведення демонстраційних дослідів, лабораторних і практичних робіт, організації навчальних досліджень, можна виділити такі:

• «Einstein»;
• «Pasco»;
• «COBRA З» і «COBRA 4»;
• «LabDisc»;
• «SenseDisc»;
• «Vernier»;
• «NeuLog».

Застосування цифрових засобів реалізації навчального фізичного експерименту можливо при вивченні практично всіх питань курсу фізики, обмеження існують лише для вивчення оптичних і квантових явищ.

Використання цифрового вимірювального обладнання в освітньому процесі вимагає від учителів навичок роботи з таким обладнанням та додаткових знань методик його використання в лабораторній та дослідницький практиці. Також необхідно враховувати, що не для кожного вимірювального комплексу розроблені інструкції практичних, лабораторних та демонстраційних робіт, що створює додаткові труднощі під час постановки експерименту[1].

Далеко не всі розділи та теми шкільного курсу фізики піддаються експериментальному чи демонстраційному представленню. Інколи, все ж таки доводиться використовувати різного роду комп’ютерні моделі, ілюстрації та відео у поясненні матеріалу, що стосується об’єктів, які неможливо проспостерігати в шкільній аудиторії. Сучасним та новітнім у сфері удосконалення освітнього процесу є використання доповненої та віртуальної реальності на різних етапах навчальної діяльності.

Доповнена реальність (Augmented Reality, AR) являє собою звичайну реальність, в якій додана цифрова графіка. AR використовує середовище навколо нас та просто накладає поверх його зображення певну віртуальну інформацію, наприклад, графіку, текст, відео, аудіо, 3D-моделі та реакцію на взаємодію з ними. Ця інформація використовується як додатковий корисний інструмент, що забезпечує допомогу в повсякденній реальності.

Основний момент при використанні доповненої реальності – це накладення віртуальних об'єктів на реальність, тобто їх комбінування. У цьому істотна відмінність доповненої реальності від віртуальної.

Доповнена реальність дозволяє доповнити світ віртуальними об'єктами, звуками, образами [4].

Віртуальна реальність (Virtual reality, VR, штучна реальність) – створений технічними засобами світ, який передається людині через його відчуття: зір, слух, дотик та інші. Віртуальна реальність – ілюзія дійсності, створювана за допомогою комп’ютерних систем, які забезпечують зорові, звукові та інші відчуття.

Найпоширенішим засобом занурення у віртуальну реальність є спеціалізовані шоломи / окуляри. На розташований перед очима користувача дисплей виводиться відео в форматі 3D. Прикріплені до корпусу гіроскоп і акселерометр відстежують повороти голови і передають дані в обчислювальну систему, яка змінює зображення на дисплеї в залежності від показань датчиків. В результаті користувач має можливість «озирнутися» всередині віртуальної реальності і відчути себе в ній, як в реальному світі.

Найпростішим і найбюджетнішим засобом віртуальної реальності є VR-окуляри для смартфонів. В них роль екрана грає дисплей мобільного пристрою, який вставляється в корпус. Якість зображення залежить від розширення та матриці дисплея смартфона.

У віртуальному просторі без перешкод можна деталізовано розглянути будь-який процес або об’єкт, що значно цікавіше, ніж дивитися на картинки у підручнику. Цей спосіб пізнання світу стає незамінним під час вивчення складних процесів і явищ в межах STEM-проєктів.

У віртуальному середовищі людина не відволікається на зовнішні подразники, що дає змогу повністю сфокусуватися на матеріалі.

Технології віртуальної реальності надають можливість повністю контролювати та змінювати сценарій подій. Учень може стати свідком історичних відкриттів, власноруч провести дослід з фізики, побувати біля ядерного реактора, зануритись у надра Сонця чи зір, провести віртуально експеримент із небезпечними речовинами не завдавши собі шкоди, вирішити задачу в ігровій та доступній для розуміння формі [5].

Використання систем віртуальної реальності в галузі освіти - це новий підхід до подачі і засвоєння наукового і методичного матеріалу.

Але, незважаючи на поширення даної технології в якості одного з експериментальних методів навчання, а також засобів і технологій навчання одночасно, реальних досліджень віртуальної реальності в педагогіці здійснюється вкрай мало. Це можна пояснити складністю, високими матеріальними витратами даних досліджень, причому не лише в нашій країні, а й за кордоном.

Проблеми віртуальної освіти розглянуті в теоретичних і прикладних дослідженнях А. Н. Петриці, С. Г. Литвинової, А. А. Засєкіна, Н. М. Гнедко та ін.[6].

На сьогодні у вільному доступі існує лише невелика кількість додатків віртуальної реальності які можна використовувати на уроках фізики, їх можна завантажити із плеймаркета Goole додавши в рядку пошуку абревіатуру «VR».

Наприклад, для вивчення астрономії зручними є програмні засоби: Star Tracker VR, VR Solar System, The Planets VR. На уроках ядерної фізики зручно використати VR Jaderna elektranta, Energia Nuclear 360 та ін.

Рис.2. Зовнішній вигляд відео з підтримкою VR.

Особливу увагу слід звернути на додаток Mozaik 3D app, який на відміну від попередніх підтримує українську мову та має 3D анімаці з різних навчальних предметів.

Цікавими для учнів є віртуальні подорожі та відео, які можна здійснювати на різних етапах уроку. Для цього необхідно встановити на смартфон VR Player або скористатися додатком You Tube та відшукати необхідне відео з підтримкою VR, video 360 або відповідною позначкою, запустити перегляд та помістити телефон до окулярів віртуальної реальності.

Висновки. Оскільки зараз ми живемо в період стрімкого інформаційного та технічного прогресу, необхідно враховувати даний фактор при побудові системи сучасної освіти в Україні. Застарілими формами, методами та засобами навчання вже нікого не зацікавиш і не здивуєш, тому потрібно формувати «сучасного» вчителя, який нарівні з вихованцями буде володіти новітніми технічними засобами та буде впроваджувати їх у навчальний процес, спонукаючи до нових відкриттів. Впровадження в навчання цифрових комплексів наближує учнів до сучасної фізики, та формує в них ті професійні компетентності, які враховують сьогоднішні потреби, а не потреби 20-ти річної давності. Стосовно ж використання віртуальних засобів навчання, то вони вже активно впроваджуються у прогресивних країнах світу майже у всіх закладах освіти. З їх допомогою навчають не тільки школярів, але й медиків, пілотів, електриків, космонавтів, операторів різних складних установок, та інших професій.

Тому фінансування освіти і забезпечення шкіл сучасними засобами навчання є важливим чинником у формуванні майбутнього освіченого суспільства.

Література

1. STEM освіта та використання цифрових лабораторій в освітньому процесі [Електронний ресурс] / – Режим доступу: https://ele.zp.ua/sites/stem-osvita/
2. Давиденко С.М., Кнорозок Л.М., Руденко М.П. Цифрові вимірювальні прилади у навчальному фізичному експерименті в середній школі. //Вісник Чернігівського національного педагогічного університету. Серія: Педагогічні науки. 2016. Вип. 138. С. 51-53.
3. Методичні рекомендації щодо особливостей використання цифрових вимірювальних пристроїв в освітньому процесі з фізики [Електронний ресурс] / – Режим доступу: http://soippo.edu.ua/images/Новини/2020/03/12/novina4/метод%20реком.pdf
4. Доповнена реальність на уроках фізики [Електронний ресурс] / – Режим доступу: https://fs.naurok.com.ua/uploads/files/323689/120492.pdf
5. Віртуальна реальність: принципи роботи та переваги для навчання [Електронний ресурс] / – Режим доступу: http://teach-hub.com/virtualna-realnist/
6. VR-технології як метод і засіб навчання / Ю. В. Трач // Освітологічний дискурс. – 2017. – № 3-4. – С. 309-322. – Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/osdys_2017_3-4_26