XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание модели строения оболочек атомов с применением технологии дополненной реальности
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В процессе изучения химии в 8 классе, приходится сталкиваться с различными трудностями, так как сложно представить что-то новое, если нет никакого опыта в изучении предмета. А в последние годы, освоение материала иногда приходится делать дистанционно, когда учитель не может использовать практические лабораторные элементы в обучении, ученику приходится разбираться самостоятельно, что еще больше усложняет процесс усвоения материала. Современные школьники привыкли воспринимать информацию через визуальные образы. И, в таком случае, на помощь могут прийти различные приложения. Психологами установлено, что человеческий мозг значительно лучше усваивает информацию, представленную не в текстовой форме, а в виде наглядных образов. Именно поэтому хорошо зарекомендовали себя различные виды наглядности и визуализации (опорные конспекты, таблицы, фреймовые модели и др.). Сегодня особую значимость приобретает использование элементов дополненной реальности, представляющих собой инфографику. Технологии дополненной реальности (AR) открывают новые перспективы в развитии методики обучения химии. Сегодня их разработка еще только начинается, но за ними будущее [2].
В разработанном приложении Атомы_AR представлено, как с помощью технологии дополненной реальности можно изучать тему: «Строение электронных оболочек атома». Ведь именно строение электронной оболочки атома определяет свойства химического элемента.
Гипотеза: Молекулы и атомы химических элементов можно смоделировать, используя технологии дополненной реальности.
Цель: Разработать приложение для Android, которое будет представлять визуальную картину электронных слоев атомов и электронную формулу химических элементов.
Задачи:
Изучить теорию по теме «Строение электронных оболочек атомов».
Создать текстуры для кнопок химических элементов периодической системы в программе Photoshop и разработать интерфейс приложения в программе Unity.
Разработать приложение для Android и создать метку для AR.
Провести итоговый опрос учеников и учителей об эффективности данной методики.
Объект исследования. Модели строения оболочек атомов.
Предмет исследования. Технологии дополненной реальности.
Работа состоит из двух глав, введения и заключения. В первой главе рассматривается теоретический аспект выбранной темы. Во второй главе описываются этапы создания приложения Атомы_AR.
I. Использование виртуальной и дополненной реальности при решении задач
1.1 Виртуальная и дополненная реальность в современной науке
«Расскажи мне, и я забуду,
Покажи мне, и я запомню,
дай мне попробовать, и я научусь»
(Древняя китайская пословица)
Истоки философских представлений о «виртуальной реальности» были созданы в античной философии (VI век до н.э.). В них реальность отождествлялась с различными видами вещества. В V веке до н.э. Платон вводит для обозначения реальности понятие «virtus», что в переводе с латинского означает «мнимый, возможный, предполагаемый». Аристотель, ученик Платона также употребляет понятие «virtus», как множество предметов, не имеющих никаких самостоятельных сущностей, пребывающих вне конкретных образований.
В ХХ веке термин «виртуальная реальность» был придуман в Массачусетском технологическом институте в конце 1970-х гг. XX в. для обозначения трехмерных макромоделей реальности, создаваемых при помощи компьютера и передающих эффект полного в ней присутствия человека. В дальнейшем этот термин в 1984 г. применил Дж. Ланье, глава американской фирмы по созданию компьютеров. В настоящее время термин «виртуальная реальность» получил широкое распространение в качестве маркетингового ярлыка и понятия массовой культуры.
История дополненной реальности (AR), какой мы ее знаем сейчас, берет начало из разработок, касающихся VR. Отцом виртуальной реальности считается Мортон Хейлиг. Он получил это звание за исследования и изобретения, сделанные в 1950-х и 60-х годах. 28 августа 1962 года он запатентовал симулятор Sensorama. Сам Хейлиг еще называл его театром погружения. Патент описывает виртуальную технологию, в которой визуальные образы дополняются движениями воздуха и вибрацией. [2]
Виртуальная реальность (англ. Virtual Reality, VR) – это некий иллюзорный мир, в который погружается и с которым взаимодействует человек-пользователь. [1]
Виртуальная реальность - это искусственно создаваемая информационная среда, которая фокусируется на замене привычного восприятия окружающей среды информацией, создаваемой на основе различных технических средств, передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, осязание и пр. Надевая VR-гарнитуру (шлем или очки), мы оказываемся в искусственно созданном мире.
Дополненная реальность (Augmented Reality, AR) – это виртуальные объекты, интегрированные в восприятии пользователя, как часть окружающей картины мира в режиме реального времени. Другими словами – это инструмент для отображения любых виртуальных объектов в реальном мире, при помощи привычных нам устройств. [1]
В дополненной реальности виртуальные объекты проецируются на реальное окружение. Чтобы получить изображение необходимо направить камеру устройства на объект, чтобы с помощью специальных алгоритмов ПО проанализировать видеопотоки. После этого, ПО добавит необходимый контент непосредственно на распознанный объект – маркер AR или «метка».
Появление в повседневной жизни VR и AR вызывает сильный эмоциональный отклик. В свою очередь, эмоции - это двигатель интереса людей. Вовлеченность и интерактивность способствуют повышению запоминаемости той или иной информации. [3]
Развитие интерактивных цифровых технологий существенно меняет современный мир, в том числе и сферу образования. В данный момент технологии AR в образовании находятся на этапе своего становления. На примере, созданного приложения Атомы_AR, попробуем разобраться насколько они эффективны.
Основные сведения о строении атома.
Мельчайшие частицы вещества, которые в процессе химических реакций практически не претерпевают изменений, а лишь по-новому соединяются между собой, называются атомами.
Атом — это мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.
Каждый атом состоит из так называемых субатомных частиц –протонов , нейтронов , и электронов . Электроны в электронной оболочке атома расположены слоями. Электроны в разных слоях различаются энергией взаимодействия с ядром атома. Чем дальше от ядра находится электрон, тем меньше энергия его взаимодействия с ядром. Число электронных слоев атома равно номеру периода химического элемента в таблице Менделеева. В 1м слое, у всех элементов, кроме водорода, находится 2 электрона ( ) Во 2м слое может находиться не больше восьми электронов. В 3м слое максимально может расположиться 18 электронов. В 4м слое максимально бывает 32 электрона.
Если N — максимальное число электронов на электронном слое с номером n, то для определения числа N можно воспользоваться формулой
N = 2n2
Существует правило, которое гласит, что электроны размещаются на уровнях и орбиталях не беспорядочно, а по принципу наименьшей энергии, т.е. чтобы сумма главного и орбитального квантовых чисел n+l была наименьшей. Это правило известно, как правило Клечковского. В случае, когда сумма равна, сначала идет заполнение энергетического уровня с наименьшим главным квантовым числом. Завершенный электронный слой — это слой в атоме, содержащий максимально возможное для него число электронов.
Заполнение орбиталей происходит в следующем порядке:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d
Зная максимальное число электронов в каждом электронном слое атома, можно составить схему расположения электронов по слоям в заданном элементе. Электронные слои атомов называют энергетическими уровнями.[7]
Обзор программного обеспечения, используемого создании AR приложений
В настоящее время существуют различные платформы для создания приложения с дополненной реальностью (AR).
Сделаем обзор некоторых из них:
- Unity позволяет создавать приложения, работающие под более чем 20 различными операционными системами, включающими персональные компьютеры, игровые консоли, мобильные устройства, интернет-приложения и другие. Редактор имеет простой интерфейс, который легко настраивать, состоящий из различных окон где можно производить отладку игры прямо в редакторе;
- ARKit позволяет разработчикам создавать AR‑приложения, которыми можно пользоваться вместе с друзьями. Разработка способна распознавать габариты окружающего пространства и учитывать условия освещения, чтобы максимально достоверно интегрировать виртуальные объекты в реальную жизнь. А совместимость с подавляющим большинством современных iOS-устройств делает ARKit самой массовой платформой дополненной реальности в мире, открывая новые возможности для работы, учёбы, игр и общения с окружающим миром;
Vuforia - платформа SDK помогает при создании в AR-формате приложений для смартфонов и планшетов на операционных системах iOS, Android. Позволяет в реальном времени отслеживать плоские изображения и простые объемные объекты, распознает цилиндрические маркеры и текст. [4]
Как один из способов реализации наибольшее развитие и распространение сейчас получил Web AR — дополненная реальность в вебе. Этому способствовало как развитие мощностей мобильных браузеров, так и мобильных устройств.
Что это значит? Пользователи могут получить доступ к просмотру контента в дополненной реальности, используя мобильный браузер. Для этого необходимо разместить ссылку на сайт, на котором размещен Web AR.
Механики отображения AR контента могут быть различными — например, вы можете “установить” объект на плоскость (пол, стена), или навести камеру на изображение, которое будет являться триггером для появления цифровой реальности [5].
Для создания своего приложения Атомы_AR я использовал Unity и библиотеку Vuforia.
II. Процесс создания приложения Атомы_AR
2.1 Возможности программы Photoshop для создания текстуры для кнопок и программы Unity для создания интерфейса приложения Атомы_AR
Возможностей у программы Photoshop много, например, можно создавать кнопки 3D. Чтобы создать кнопку 3D, понадобится горизонтальный документ:
высота 900 x 300 пикселей,
300 пикселей/дюйм,
цветовой режим RGB.
Чтобы создать 3D-кнопку, нажмите на инструмент Rounded Rectangle Tool в левой части экрана, показанный здесь красным. Вы также можете использовать ярлык U для доступа к нему.
Unity имеет возможности для создания мультимедиа, поддерживает более 30 платформ, в том числе мобильных и виртуальной реальности.
Когда Unity впервые откроется, то появится окно, которое имеет следующий вид (см. рис. 1):
Рис. 1 - Окно Unity
Для создания в Unity приложения с дополненной реальностью понадобится SDK Vuforia. Она включает в себя платформу дополненной реальности и инструментарий разработчика.
Vuforia является облачным приложением. А работа с Unity-3D осуществляется непосредственно на компьютере разработчика, т.е. локально.
Связь между облачным ведением проекта (в Vuforia) и локальной проработкой сцен Приложения дополненной реальности должна быть выполнена за счет импорта подготовленных объектов проекта из облака Vuforia в среду редактора Unity-3D. [6]
2.2. Этапы и описание модели строения оболочек атомов с применением AR.
Для того, чтобы создать приложение, в программе Photoshop рисуются кнопки (500х100) всех химических элементов (см. рис. 2) и создается фон (1920х1080).
Рис. 2 - Кнопка Ca
Далее в программе Uniny создается background фон для приложения (1080х1920). Загружаю текстуры и 3Д модели (см. рис. 3).
Рис. 3 - Текстура и 3Д модели
Кнопки (200х100) с химическими элементами размещаются на этом фоне и настраивается формат UI (см. рис. 4).
Рис. - 4. Формат UI
Настраивается интерфейс приложения: меню, описание, каталог (см. рис. 5).
Рис. 5 - Настройка интерфейса приложения.
За фоном размещается метка (см. рис. 6).
Рис. 6 - Метка
Запускается библиотека Vuforia. Производятся настройки работы приложения.
Для использования приложения Атомы_AR:
необходимо открыть приложение на своем смартфоне (появится периодическая система химических элементов);
навести на метку камеру смартфона;
нажать на кнопку с нужным химическим элементом.
На экране мы увидим электронные слои атомов, его энергетические уровни, количество электронов на них и электронную формулу этого элемента. Например: Сl, Na (см. рис. 7).
Рис. 7 - Элементы Сl, Na
Использование приложения Атомы_AR не требует приобретения дополнительных инструментов, таких как шлем или очки виртуальной реальности. Чтобы начать работать с ним, нужно распечатать метку, скачать приложение на свой телефон и при необходимости навести телефон на метку, нажать на нужный химический элемент и рассмотреть строение его электронной оболочки.
2.3. Проведение опроса учащихся 8А класса по использованию приложения Атомы_AR
Чтобы понять насколько приложение Атомы_AR удобно в использовании, помогает ли оно лучше понять тему, возникают ли трудности при его применении, проведен опрос учителей и учеников 8-9 классов МБОУ «СОШ № 59 им. Г.М. Мыльникова». Для этого были предложены следующие вопросы:
Знаете ли вы что такое дополненная реальность (AR)?
Приходилось ли вам когда-нибудь использовать приложения c AR?
Тема «Строение электронных оболочек атомов» была вам понятна сразу или пришлось использовать дополнительный материал, чтобы ее понять?
Помогло вам приложение Атомы_AR разобраться с темой «Строение электронных оболочек атомов»?
Возникли у вас какие-то трудности в использовании приложения? Если да, напишите какие?
Эти вопросы были размещены в гугл-форму: https://forms.gle/z6HgTXMTk4CSYcz98
Анализ результатов показал следующее: про дополненную реальность знают 71% опрошенных, но многие путают понятие дополненной и виртуальной реальности. Приложения с дополненной реальностью использовали только 43% опрошенных. Чтобы понять тему «Строение электронных оболочек атомов» 48% учеников использовали дополнительные источники. 86% ответили, что приложение Атомы_AR помогло понять эту тему. 91% никаких трудностей в использовании приложения не увидели. В результате использования приложения Атомы_AR ученикам стало легче представлять энергетические уровни химического элемента и порядок заполнения орбиталей. Кроме того, девятиклассники отметили, что если бы в восьмом классе они хорошо разобрались бы с этой темой, то последующий материал смогли бы понять без особых трудностей. Учителя будут применять приложение на своих уроках. Совершенно очевидно, что дополненная реальность открывает новые возможности для изучения теории и отработки практики. Виртуальные образы, делают учебный материал более наглядным, ярким и запоминающимся.
Заключение
В ходе выполнения проектной работы была изучена необходимая литература и электронные ресурсы, разработано приложение Атомы_AR для Android, которое поможет ученикам изучить тему «Строение электронных оболочек атома». Технология дополненной реальности (AR), дает возможность визуального восприятия строения атома, увидеть какие слои, уровни и электронная формула у конкретного элемента. Ученик может использовать это приложение самостоятельно дома и на уроке, что поможет понять тему и применять, полученные знания на практике.
Был проведен опрос учеников и педагогов об эффективности работы приложения и сделаны соответствующие выводы. Совершенно очевидно, что дополненная реальность открывает новые возможности для изучения теории и отработки практики. Виртуальные образы, делают учебный материал более наглядным, ярким и запоминающимся.
В дальнейшем я планирую продолжить разработку приложения, добавить к нему новые функции, помогающие в изучении новых тем.
Список использованных источников и литературы
12 платформ для создания приложений виртуальной и дополненной реальностью. Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/id/5c85493c07f8ae00b319d956/12-platform-dlia-sozdaniia-prilojenii-s-virtualnoi-i-dopolnennoi-realnostiu-5dc7ed924543b620b5b966a8 (дата обращения 10.02.2022). Текст: электронный.
Иванько, А. Ф. Дополненная и виртуальная реальность в образовании / А. Ф. Иванько, М. А. Иванько, М. Б. Бурцева. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 37 (223). — С. 11-17. — URL: https://moluch.ru/archive/223/52655/ (дата обращения: 13.02.2022).
Лабораторная работа № 2. Проект – разработка простого AR-приложения для Android устройства (смартфон, планшет и пр.). Режим доступа: http://www.a0601.narod.ru/LR02SimpleARAppl.pdf (дата обращения 10.02.2022). Текст: электронный.
Строение атома. Режим доступа: https://chemege.ru/stroenie-atoma-2/ (дата обращения 10.02.2022). Текст: электронный.
Толковый словарь терминов / В. С. Бабенко; ГУАП. – СПб., 2006. – с 19.
Хэмит Ф. Виртуальная реальность// Исследования по философии современного понимания мира. М.: 1995.
HSBC Bank WebAR Activation - by Unbnd. Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=jKahqyNaeN8&t=6s (дата обращения 10.02.2022). Текст: электронный.