Аннотация 2
Перечень условных обозначений, символов, сокращений, терминов 6
Введение 7
1. Обзор учебно-методических материалов курса физики 7-9 классов и средств
разработки VR лабораторий 8
2. Разработка VR лаборатории 16
2.1. Разработка 3й-моделей лабораторной комнаты 16
2.2. Разработка библиотек материалов и приборов 18
2.3. Разработка пользовательского интерфейса 20
2.4. Разработка системы мониторинга данных приборов 22
2.5. Разработка системы динамического поля сборки 23
2.6. Интеграция и адаптация технологий Unreal Engine 5 24
2.6.1. Lumen 24
2.6.2. Nanite 26
2.6.3. Niagara 28
3. Разработка лабораторных работ 29
3.1. Разработка тестовой лабораторной работы “Определение плотности
твёрдого тела с помощью весов и измерительного цилиндра” 29
3.2. Исследование тестовой лабораторной работы и её программно-методическая
корректировка 43
3.3. Разработка набора лабораторных работ для школьников 7-9
классов 43
4. Исследование тестовой лабораторной работы 47
4.1. Разработка экспериментального образца программы физической
лаборатории в виртуальной реальности 47
4.2. Тестирование экспериментального образца программы физической
лаборатории 53
Заключение 56
Список использованных источников и литературы 57
Приложение А Дополнительные иллюстрации к работе
Задача создания виртуальной школьной лаборатории по физике является весьма актуальной. Это связано с тем, что в сегодняшней ситуации необходимость подобного решения появляется при невозможности очного обучения и перехода к дистанционному. Также подобное решение является решением проблемы отсутствия необходимого для проведения лабораторных работ оборудования как в школе, так и дома. Целью работы, описанной в отчёте, является разработка элементов моделирования для виртуальной лаборатории (которая будет решением проблем, описанных выше) по физике для школьников. Уже существуют подобные решения. Например: https://www.virtulab.net/ и т.п.
Они имеют недостатки, которые в данной ситуации будут решены: отсутствие статистики и мониторинга успехов учеников, недостаточная реалистичность и недостаточный уровень интерактивности при проведении работ. При разработке подобной лаборатории необходимо обеспечить максимальную реалистичность и уровень погружения, т.е. разрабатываемая система должна передавать опыт, впечатления и знания, приближенные к тем, которые обучающийся получает во время выполнения лабораторных работ в реальной жизни. Это возможно обеспечить за счет более качественной реализации визуального представления лаборатории, процесса управления, физических взаимодействий всех компонентов системы, а также проработанного VR режима.
Разработка проводилась на ПК со следующими характеристиками:
• Процессор Intel(R) Core(TM) i7-10750H CPU @ 2.60GHz 2.59 GHz
• Оперативная память 16,0 ГБ (доступно: 15,8 ГБ)
• Видеокарта: Geforce RTX 2070
• ОС: Windows 11
• Доступное место на диске: 200 ГБ
• Разрешение: 1920x1080
В результате проделанных работ был разработан экспериментальный образец программы виртуальных лабораторных работ по физике.
Были разработаны методические указания к 20 лабораторным работам 7-9 классов, сами работы, оборудование для них. Также был создан сетевой режим с поддержкой вплоть до 10 человек, распределением ролей “учитель/ученик” и просмотром 5 статистик каждого ученика. Были созданы базы данных приборов, материалов, инструменты для создания/чтения отчётов, а также было реализовано тестирование ученика по теоретической части. Приборы имеют точность, приближенную к приборам в реальной жизни.
В программу были внедрены новые технологии: RTX, современные графические эффекты, а также поддержка VR. Производительность при этом высокая даже при запуске на компьютере с минимальными системными требованиями, благодаря проведённой работе над оптимизацией кода и визуальной части.
Таким образом, поставленные задачи были выполнены в полном объёме. Разработанный прототип уже может использоваться для проведения лабораторных работ по физике в виртуальной реальности.
Внедрение подобной системы в систему образования позволило бы ускорить процесс цифровизации образования, а также в перспективе позволило бы сэкономить много средств, которые тратятся на содержание оборудования.
