РАЗРАБОТКА БРАУЗЕРНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ИГРЫ ПО КВАНТОВЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Игровой формат в образовании 4
1.1 Геймификация и игровое обучение 5
1.2 Классификация существующих образовательных игр 5
1.3 Обзор существующих аналогов 6
2 Концепция разрабатываемой игры 22
2.1 Игровой цикл 22
2.2 Схема экранов 23
3 Инструменты реализации 26
4 Промежуточные результаты практической реализации 28
4.1 Теоретический материал по квантовым технологиям 28
4.1.1 Структурирование теоретического материала 28
4.1.2 Последовательности изучения теоретического материала 30
4.1.2.1 Математическое описание 30
4.1.2.2 Программная реализация 32
4.2 Реализация экранов игры 40
4.2.1 Главное меню. Экраны «О проекте», «Настройки» и загрузочный экран 41
4.2.2 Главный игровой экран и меню паузы 43
4.2.3 Экраны «Персональный компьютер» и «Теоретический материал» 46
4.2.4 Экраны «Магазин подсказок» и «Доска расследований» 53
4.3 Реализация примера задания к теме в формате мини-игры 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 61
ПРИЛОЖЕНИЕ А Диаграмма переходов конечного автомата 63
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Часть первая диаграммы переходов конечного автомата 64
ПРИЛОЖЕНИЕ В Часть вторая диаграммы переходов конечного автомата 65
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Часть третья диаграммы переходов конечного автомата 66
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Часть четвёртая диаграммы переходов конечного автомата 67
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Код, описывающий последовательность изучения теоретического материала обучающимся 68
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Результат тестирования кода, описывающего последовательность изучения теоретического материала обучающимся 76
ПРИЛОЖЕНИЕ И Программные коды «LoadScene», «Pause Menu» и «PC_Time» 87
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Игровой формат в образовании 4
1.1 Геймификация и игровое обучение 5
1.2 Классификация существующих образовательных игр 5
1.3 Обзор существующих аналогов 6
2 Концепция разрабатываемой игры 22
2.1 Игровой цикл 22
2.2 Схема экранов 23
3 Инструменты реализации 26
4 Промежуточные результаты практической реализации 28
4.1 Теоретический материал по квантовым технологиям 28
4.1.1 Структурирование теоретического материала 28
4.1.2 Последовательности изучения теоретического материала 30
4.1.2.1 Математическое описание 30
4.1.2.2 Программная реализация 32
4.2 Реализация экранов игры 40
4.2.1 Главное меню. Экраны «О проекте», «Настройки» и загрузочный экран 41
4.2.2 Главный игровой экран и меню паузы 43
4.2.3 Экраны «Персональный компьютер» и «Теоретический материал» 46
4.2.4 Экраны «Магазин подсказок» и «Доска расследований» 53
4.3 Реализация примера задания к теме в формате мини-игры 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 61
ПРИЛОЖЕНИЕ А Диаграмма переходов конечного автомата 63
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Часть первая диаграммы переходов конечного автомата 64
ПРИЛОЖЕНИЕ В Часть вторая диаграммы переходов конечного автомата 65
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Часть третья диаграммы переходов конечного автомата 66
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Часть четвёртая диаграммы переходов конечного автомата 67
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Код, описывающий последовательность изучения теоретического материала обучающимся 68
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Результат тестирования кода, описывающего последовательность изучения теоретического материала обучающимся 76
ПРИЛОЖЕНИЕ И Программные коды «LoadScene», «Pause Menu» и «PC_Time» 87
Начало XXI века ознаменовано стремительным развитием индустрии цифровых игр. Повторяя путь развития кинематографа, игровая индустрия развивается от практики, от самих игр, к теории, к науке об играх. Человечество постепенно осваивает новый игровой формат, предпринимает попытки использовать его в различных областях. Образование не является исключением. Использование игрового формата в образовании имеет ряд неоспоримых преимуществ - от психологических аспектов удержания внимания и мотивации обучающегося до визуализации теоретического материала и получения практических навыков. В игровом формате пользователем приоритет отдаётся не результату, а самому процессу, в то время как в образовании приоритетным, чаще всего, является именно результат, а процесс является непривлекательной необходимостью.
Целью данной работы является разработка обучающей игры по квантовым технологиям. На сегодняшний день квантовые технологии, в частности, квантовые коммуникации, являются бурно развивающейся отраслью науки и техники во всем мире. При этом остро встает вопрос подготовки высококвалифицированных кадров в данной области. Данная игра позволит школьникам, студентам, преподавателям в игровой форме получить определенные знания по квантовой физике, квантовым коммуникациям, волоконно-оптическим линиям связи и квантовым вычислениям.
Для достижения поставленной цели необходимо изучить опыт использования игрового формата в образовании, провести обзор существующих аналогов, разработать концепт игры, выбрать инструменты реализации, разработать структуру теоретического материала и последовательности его изучения, провести практическую реализацию последовательности изучения теоретического материала и практическую реализацию схемы экранов, на примере одной из структурных единиц теоретического материала реализовать задание в формате мини-игры.
Работа по разработке игры ведётся в рамках проекта «Исследование компонентов и программно-аппаратных комплексов систем квантовой коммуникации и квантовых компьютеров» в рамках программы Программа развития Томского государственного университета (Приоритет-2030).
Целью данной работы является разработка обучающей игры по квантовым технологиям. На сегодняшний день квантовые технологии, в частности, квантовые коммуникации, являются бурно развивающейся отраслью науки и техники во всем мире. При этом остро встает вопрос подготовки высококвалифицированных кадров в данной области. Данная игра позволит школьникам, студентам, преподавателям в игровой форме получить определенные знания по квантовой физике, квантовым коммуникациям, волоконно-оптическим линиям связи и квантовым вычислениям.
Для достижения поставленной цели необходимо изучить опыт использования игрового формата в образовании, провести обзор существующих аналогов, разработать концепт игры, выбрать инструменты реализации, разработать структуру теоретического материала и последовательности его изучения, провести практическую реализацию последовательности изучения теоретического материала и практическую реализацию схемы экранов, на примере одной из структурных единиц теоретического материала реализовать задание в формате мини-игры.
Работа по разработке игры ведётся в рамках проекта «Исследование компонентов и программно-аппаратных комплексов систем квантовой коммуникации и квантовых компьютеров» в рамках программы Программа развития Томского государственного университета (Приоритет-2030).
Идея использования игрового формата в образовании появилась довольно давно. Игра заключается в процессе, а не в результате. Игровой формат в обучении может представлять собой как отдельные игровые элементы (геймификация), так и цельную образовательную игру (игровое обучение). Игровые элементы в образовании, такие как балловая система, соревновательные элементы, позволяют структурировать образовательный процесс и повысить его эффективность. Цельная образовательная игра позволяет учесть психологические аспекты удержания внимания и мотивации обучающегося, а также открыть новые возможности визуализации теоретического материала и получения практических навыков. Цельные образовательные игры используют в качестве дополнительного материала высшие учебные заведения и школы по всему миру.
Квантовые технологии - бурно развивающая область, испытывающая нехватку в высококвалифицированных кадрах. Встаёт вопрос повышения интереса к данной работе у потенциальных работников. Возникла необходимость преподнести базовые знания по квантовым технологиям, в частности, по квантовым коммуникациям, в наиболее увлекательной и доступной форме.
В ходе выполнения дипломной работы «Разработка браузерной образовательной игры по квантовым технологиям» был изучен опыт использования игрового формата в образовании, рассмотрено две формы игрового формата в образовании - геймификации и игрового обучения, анализ которых показал эффективность использования игрового обучения, то есть обучения в рамках полноценной игры. Был изучен опыт использования игрового обучения в рамках образовательных программ школ и высших учебных заведений, так и вне их.
Был проведён обзор существующих аналогов, в результате которого были найдены только косвенные аналоги разрабатываемой в рамках данной дипломной работы игры, которые содержали образовательный материал, отличный от квантовых технологий.
На основе проведённого обзора существующих образовательных игр, был разработан концепт игры, был создан игровой цикл, определяющий основной игровой опыт игрока, а также схема экранов, описывающая расположение игровых объектов, структуру игры с точки зрения игровых областей.
В качестве инструмента реализации игры был выбран игровой движок Unity. Выбор данного движка был обусловлен его функционалом, подходящим под нужды данного проекта, а также соответствию стоимости финансовым возможностям данного проекта.
Была разработана структура теоретического материала вплоть до подразделов, состоящая из четырёх разделов: «Основы линейной алгебры и информатики», «Волновая и квантовая природы света», «Квантовые вычисления» и «Квантовые коммуникации». По разработанной структуре теоретического материала был построен конечный автомат, описывающий условия получения доступа к каждому подразделу. Был разработан алгоритм последовательности изучения теоретического материала, который задействовал ранее построенный конечный автомат, и который был реализован программно. Результаты тестирования разработанного программного кода показали, что при различных последовательностях изучения пользователем теоретического материала, программный код работает корректно, доступ к подразделам открывается в соответствии с конечным автоматом.
В Unity-проекте была проведена практическую реализацию схемы экранов. Были реализованы экраны, часть функционала каждого экрана и переходы между ними. На примере одной из тем теоретического материала радела «Квантовые вычисления» было реализовано задание к данной теме в формате мини-игры.
Таким образом, поставленные задачи были решены в полном объеме. В дальнейшем планируется интеграция кода последовательности изучения теоретического материала в Unity-проекты игры, разработка структуры материала вплоть до тем для каждого раздела, разработка теоретического материала и заданий к каждой теме, а также преобразование заданий в мини-игры, разработка сюжетной и визуальной составляющих игры, и их практическая реализация в Unity-проекте.
Квантовые технологии - бурно развивающая область, испытывающая нехватку в высококвалифицированных кадрах. Встаёт вопрос повышения интереса к данной работе у потенциальных работников. Возникла необходимость преподнести базовые знания по квантовым технологиям, в частности, по квантовым коммуникациям, в наиболее увлекательной и доступной форме.
В ходе выполнения дипломной работы «Разработка браузерной образовательной игры по квантовым технологиям» был изучен опыт использования игрового формата в образовании, рассмотрено две формы игрового формата в образовании - геймификации и игрового обучения, анализ которых показал эффективность использования игрового обучения, то есть обучения в рамках полноценной игры. Был изучен опыт использования игрового обучения в рамках образовательных программ школ и высших учебных заведений, так и вне их.
Был проведён обзор существующих аналогов, в результате которого были найдены только косвенные аналоги разрабатываемой в рамках данной дипломной работы игры, которые содержали образовательный материал, отличный от квантовых технологий.
На основе проведённого обзора существующих образовательных игр, был разработан концепт игры, был создан игровой цикл, определяющий основной игровой опыт игрока, а также схема экранов, описывающая расположение игровых объектов, структуру игры с точки зрения игровых областей.
В качестве инструмента реализации игры был выбран игровой движок Unity. Выбор данного движка был обусловлен его функционалом, подходящим под нужды данного проекта, а также соответствию стоимости финансовым возможностям данного проекта.
Была разработана структура теоретического материала вплоть до подразделов, состоящая из четырёх разделов: «Основы линейной алгебры и информатики», «Волновая и квантовая природы света», «Квантовые вычисления» и «Квантовые коммуникации». По разработанной структуре теоретического материала был построен конечный автомат, описывающий условия получения доступа к каждому подразделу. Был разработан алгоритм последовательности изучения теоретического материала, который задействовал ранее построенный конечный автомат, и который был реализован программно. Результаты тестирования разработанного программного кода показали, что при различных последовательностях изучения пользователем теоретического материала, программный код работает корректно, доступ к подразделам открывается в соответствии с конечным автоматом.
В Unity-проекте была проведена практическую реализацию схемы экранов. Были реализованы экраны, часть функционала каждого экрана и переходы между ними. На примере одной из тем теоретического материала радела «Квантовые вычисления» было реализовано задание к данной теме в формате мини-игры.
Таким образом, поставленные задачи были решены в полном объеме. В дальнейшем планируется интеграция кода последовательности изучения теоретического материала в Unity-проекты игры, разработка структуры материала вплоть до тем для каждого раздела, разработка теоретического материала и заданий к каждой теме, а также преобразование заданий в мини-игры, разработка сюжетной и визуальной составляющих игры, и их практическая реализация в Unity-проекте.
