Иммерсивные образовательные среды: психофизиологический аспект

проект № FZNS-0657-2020-0009 «Разработка педагогических условий
применения VR/AR, AI технологий в образовательном процессе» в рамках
государственного задания Минобрнауки России в сфере научной деятельности

Введение

Трансформация образовательного пространства, которая началась в 90-х годах, и продолжается до сих пор, одной из важных задач ставит разработку и внедрение новых образовательных технологий и методов, основанных на интеграции и взаимодействии человека с компьютерной системой (human-computer interaction, HCI) ^{[1, c. 174]}. При этом, данный подход основан на использовании различных человеко-машинных интерфейсов, которые позволяют создать эффект трехмерного окружения, где пользователь взаимодействует с виртуальными объектами, а не с изображениями данных предметов. Технологически это раскрывается через использование технологий дополненной и виртуальной реальности ^{[2, c. 385]}.

Данные технологии могут быть объединены в единый подход, который подразумевает переход от мультимедийного восприятия к мультимодальному, то есть восприятие событий с предельно возможной детализацией и погружением. Как отмечает А. Романова, с точки зрения психологического обоснования данного процесса, он может быть раскрыт в качестве такого подхода, как иммерсивное моделирование ^[3]. В обозначенном подходе основной технологией реализации процесса иммерсивности и его моделирования выступает технология виртуальной реальности, то есть создания интерактивной среды погружения, которая помимо зрительного восприятия, включает в себя еще слуховое и тактильное, что позволяет оказывать воздействие на большинство модальностей.

Таким образом, реализация иммерсивного подхода основана на механизмах воздействия на сенсорные системы организма. Понимание психофизиологических процессов работы сенсорных систем человека, погружаемого в данную среду, его реакций дает возможность оценить полноту погружения в виртуальную среду с учетом различных индивидуальных психофизиологических аспектов функционирования организма, выявить положительные и отрицательные аспекты данного процесса, а также определить возможные риски для лиц различного возраста, прежде всего для детей. Следует учитывать необходимость формирования чувства меры, осознания целеполагания использования имерсивных сред, прежде всего при использовании подобных технологий в общем образовании. Однако на сегодня отсутствуют работы, в которых отражается комплексный подход к оценке психофизиологических факторов, как положительных, так и отрицательных при погружении человека, прежде всего ребенка, в иммерсивную образовательную среду.

Феномен присутствия в иммерсивной образовательной среде

Одним из важных факторов эффективности взаимодействия в иммерсивной среде, по мнению большинства исследователей, является феномен присутствия. Под присутствием понимается чувство реальности взаимодействия, часто выражающееся в иллюзии физического переноса в иммерсивное пространство. Однако, как показывают исследования зарубежных исследователей ^[4,5], погружение взрослого в подобные условия сопряжено с чувством безопасности, о чем свидетельствует ряд психофизиологических реакций организма (сердечный ритм, показатель кожно-гальванической реакции). Дети же наоборот, демонстрируют иные реакции, которые могут свидетельствовать о более глубоком процессе погружения и восприятия иммерсивной среды как реально существующей. Как следствие, влияние контекста иммерсивной среды могут оказывать гораздо значительное как положительное, так и отрицательное воздействие.

Стоит отметить, что при обсуждении феномена присутствия важно учитывать, что сам феномен является двухкомпонентным и включает в себя погружение и вовлеченность ^[6]. Мы считаем возможным предполагать, что погружение является компонентом первого порядка, включая в себя набор психофизиологических характеристик, формируемых у человека в процессе погружения в иммерсивную среду. Данный тезис можно обосновать рядом факторов, которые проявляются в погружении: изоляция, включение себя в среду, взаимодействие и контроль, восприятие движения. Изоляция подразумевает восприятие человеком только тех стимулов, которые генерируются используемым программными и техническими средствами, и полное переключение сенсорных систем с отключением внимания на стимулы реального мира – звуки, зрительные стимулы, кинестетическое восприятие. Включение в иммерсивную среду является процессом интеграции работы сенсорных систем по восприятию той среды, которая демонстрируется человеку, данный процесс создает обсуждаемый выше феномен присутствия, а также побуждает человека к взаимодействию с виртуальными объектами и вовлекает его в происходящие события. Качество демонстрируемой иммерсивной среды, наличие приближенных к естественным стимульных объектов (освещение, возможность перемещения в пространстве, четкость объектов и их реалистичность) оказывают воздействие на процессы как взаимодействия, так и контроля. Чем выше качество, тем ниже процессы контроля, но выше процессы взаимодействия. В данном случае мы понимаем под контролем осознанность погруженного человека о том, что он находится в иммерсивной среде, что ведет к контролю его поведения (понимание границ иммерсивной среды, взаимодействие с объектами как не-реально существующими). Еще одним фактором является кинестетическое восприятие (проприорицепция), которое включает в себя ощущение перемещения в иммерсивной среде и может реализовываться как физически, так и виртуально (перемещение с помощью программного обеспечения).

Психофизиологический ответ при погружении в иммерсивную образовательную среду

Указанные факторы погружения представляют собой совокупность физиологических реакций организма в ответ на те воздействия, которые создаются иммерсивной средой. При этом каждая из реакций имеет индивидуальные половозрастные особенности, которые следует учитывать при использовании иммерсивных сред, в том числе и в учебном процессе. В качестве примера можно привести роль вестибуло-окулярного рефлекса при восприятии иммерсивной среды. Данный рефлекс позволяет при перемещении в реальном пространстве воспринимать предметы как неподвижные, что возможно благодаря стабилизации изображения на сетчатке глаза как во время движений головы при ходьбе, так и иных перемещениях ^[7]. Однако, как указывают ряд разработчиков программного и технического обеспечения, при разработке иммерсивных сред указанный рефлекс не генерируется естественным путем при проекции пространства через дисплеи, вмонтированные в шлемы виртуальной реальности или иные технические средства вывода изображения. Технически изображение, которые передается на средство вывода, следует движению головы и иным кинестетическим реакциям, что служит причиной того, что иммерсивная среда поворачивается в том же направлении, куда движется голова человека. На сегодня решением данной проблемы служит регистрация движения головы во время погружения и создание эффекта движения иммерсивной среды в направлении, которое противоположно движению головы посредством смены изображения на средствах вывода. При этом достижение максимально качественной замещающей реакции вестибуло-окулярного рефлекса возможно при точной координации кинестетических реакций человека и проецируемого изображения как во времени, так по амплитуде и направлению. Нарушение координации служит причиной ощущения дискомфорта, головокружения, боли в глазах, а в некоторых случаях и тошноты ^[8]. С учетом того, что повышенная двигательная активность у детей по сравнению со взрослым населением носит физиологически предрасположенный характер, обусловленный потребностью в изучении нового пространства и адаптационных процессах, координация кинестетических реакций и иммерсивной среды должна быть гораздо четче, что не всегда технически возможно. Это служит возможной причиной проявления негативных психофизиологических реакций, указанных выше, во время погружения в иммерсивную среду.

Киберболезнь как проявление негативного психофизиологического ответа

Ряд авторов объединяют негативный психофизиологический ответ при погружении в иммерсивную среду в единый синдром, который получил название киберболезнь ^{[9, 10]}.

При этом на настоящий момент фокус внимания с киберболезни как заболевания, требующего лечения, смещается на изучение данного феномена в качестве естественного физиологического ответа организма на помещение в иммерсивную среду и появление необычных сенсорных стимулов, требующих соответствующей реакции со стороны организма.

Стоит отметить, что изучение киберболезни относится к одному из новых и до конца не изученных явлений, возникших посредством развития программного обеспечения и технических устройств и их распространения как инновационных технологий, прежде всего в образовательном пространстве. Это послужило причиной того, что данный синдром получил изначально сравнительную физиологическую теорию возникновения, основанную на сравнении психофизиологических и физиологических реакций при погружении в иммерсивную среду с морской болезнью. В обоих случаях происходит нарушение работы сенсорных систем, что дало возможность проведения сравнения данных синдромов. При описании морской болезни в основу положено предположение, что существуют филогенетические реакции на отравление организма, которые проявляются в комплексной реакции организма, состоящей из различных сенсорных реакций, таких как зрительные, вестибулярные и иные. Интеграция данных сенсорных реакций имеет своей целью создание единой физиологической системы дальнего обнаружения отравления и избавления организма от содержимого желудка как защитной реакции. Нарушение в получаемых зрительной и вестибулярной системами сигналов при морской болезни расценивается организмом как возможное отравление, что ведет к появлению таких симптомов как тошнота, рвота и иное. Cуществует ряд замечаний, не позволяющих полностью принять данный сравнительный подход. Прежде всего, проявление одних и тех же физиологических реакций у лиц с киберболезнью, как и при морской болезни, наблюдается не всегда и может состоять лишь из отдельных симптомов, что не позволяет объединить их в единый синдром. Кроме этого, у данного подхода нет возможности построить прогноз, это лишь возможность фиксации наблюдаемых реакций. В аспекте обсуждения использования иммерсивных сред в процессе обучения детского населения данная теория имеет свои преимущества ввиду того, что согласно исследованиям, более половины детей страдают морской болезнью в ее классическом проявлении, и соответственно могут демонстрировать симптомы киберболезни довольно часто ^[11].

Cуществует также теория постуральной неустойчивости, которая сейчас активно обсуждается в аспекте киберболезни. Данная теория также связана с проведением аналогии наблюдаемой симптоматики при погружении в иммерсивную среду с морской болезнью. В общих чертах можно сказать, что постуральная неустойчивость – это нарушение в удержании равновесия, возникающие в определенной позе (при фиксации в статике) или при ее смене (при фиксации в динамике). В основе наблюдаемого симптома лежит нарушение в работе экстрапирамидной системы головного мозга, одной из функций которой является регуляция тонуса мышц с целью сохранения устойчивого положения в любой занимаемой человеком позе. В иммерсивной среде возникает нарушение информации, поступаемой от различных сенсорных систем. Демонстрация эффектов ускорения или поворота ведет к тому, что человек воспринимает эту информацию как истинно существующую ввиду поступления данной информации от зрительного и иногда слухового рецепторов. Однако происходит рассогласование, так как кинестетическая информация свидельствует о том, что человек стоит в устойчивой позе. Согласно зависимости интенсивности получаемого от зрительного и слухового анализаторов ощущения по сравнению с кинестетическими ощущениями и силой самого предьявляемого стимула (аудио-визуального ряда в иммерсивной среде), человек больше ориентируется на первые два ощущения, потому что они гораздо сильнее ^[12]. Это становится причиной покачиваний, неоправданных наклонов головы и туловища при динамическом аудио-визуальном ряде. В зависимости от силы эффекта возможны падения на устойчивой поверхности, резкие головокружения, тошнота и иные проявления киберболезни. При использовании иммерсивных сред в учебном процессе данное наблюдение является существенным при разработке программных продуктов с возможностью динамического перемещения – необходимо учитывать скорость и угол нахождения тела ребенка, который перемещается в иммерсивном пространстве для сохранения баланса между поступающими от сенсорных систем стимулами.

На основе озвученных выше теорий, связанных с психофизиологической и физиологической природой киберболезни, можно выделить ряд основных факторов, которые могут быть симптомами указанной болезни. Данная симптоматика наиболее часто проявляется у детей при их погружении в иммерсивные среды, что связано с процессами формирования различных корковых и подкорковых структур головного мозга, а также несовершенностью сенсорных систем ввиду их функционального созревания.

Прежде всего важно понимать о сенсорных ошибках, которые возникают в процессе отслеживания положения тела и головы. Это может быть вызвано тем, что проецируемое изображение не синхронизируется с кинетическими реакциями организма и идет с небольшими колебаниями, которые вызваны особенностями программного обеспечения и используемыми техническими средствами вывода и не контролируются со стороны человека, который погружен в иммерсивную среду. Это служит причиной возникновения противоречия с кинетическими ощущениями неподвижности собственного тела, что в конечном итоге ведет к головокружению и потере концентрации внимания.

Еще одним фактором можно назвать задержку ответной реакции иммерсивной среды и находящихся в ней объектов взаимодействия при воздействии на них человека. Показатель временного интервала и в целом разрыв в действиях человека и ответной реакцией иммерсивной среды на его активность может стать причиной возникновения тревожности, что в дальнейшем может послужить пусковым механизмом негативных психофизиологических реакций.

Важным фактором также может выступить эффект мерцания, который возникает на средствах вывода. Чем выше частота обновления экрана у используемого средства вывода, тем меньше наблюдаемый эффект мерцания. Однако при использовании некачественных технических средств и программного обеспечения может служить причиной возникновения эффекта мерцания. Данный эффект служит причиной формирования у человека таких негативных психофизиологических реакций, как усталость в глазах, что в свою очередь является одним из проявлений киберболезни.

Обозначенные выше факторы, влияющие на проявление симптомов киберболезни, напрямую зависят от того программного обеспечения, которые используется для создания иммерсивной среды (возможность перемещения, активность человека при перемещении в различных плоскостях), а также тех технических средств вывода, которые влияют на качество воспринимаемой сенсорными системами человека иммерсивной среды. Таким образом, очень важно приводить оценку как программного обеспечения, так и тех технических средств вывода, которые планируются к использованию в учебном процессе в целях предотвращения проявлений киберболезни у детского населения.

Индивидуальные особенности психофизиологического ответа

Отдельное внимание стоит уделить тем индивидуальным особенностям, которые характерны детям при их погружении в иммерсивную среду. Данные особенности в настоящий момент изучены недостаточно полно и подобные исследования могут оказать важное влияние на развитие технологий использования иммерсивной среды в образовательном процессе. Ширина индивидуальных полей зрения каждого глаза (при этом поле зрения здорового человека образуется наложением полей зрения обоих глаз) связана с восприятием эффекта мерцания, возникающего при проецировании иммерсивной среды. Чем шире у человека поле зрения, тем больше вероятность возникновения у него негативных психофизиологических реакций от данного эффекта, так как периферия глаза наиболее чувствительна и на границе поля зрения сенсорная зрительная система может распознавать мерцание наиболее четко ^[13]. Важно понимание самочувствия человека, который погружается в иммерсивную среду. Такие физиологические состояния организма, как усталость (при использовании иммерсивной среды во второй половине дня либо после уроков с повышенной когнитивной или физической нагрузкой), эмоциональный стресс, вызванный различными причинами, а также такие нарушения в работе организма как расстройства желудка, заболевания, такие как грипп или насморк, боль в ушах или горле могут послужить основой для формирования негативных психофизиологических реакций, свойственных для киберболезни. Значение имеет и то положение, которое занимает человек при погружении в иммерсивную среду. Большинство программного обеспечения направлено на взаимодействие с иммерсивной средой в положении стоя или сидя. При этом использование программного обеспечения, проецирующего иммерсивную среду с учетом положения стоя не всегда возможно в условиях образовательного процесса. Зачастую данный фактор не учитывается, несмотря на то, что это приводит к постуральной неустойчивости, теория которой описана выше, ввиду несогласованности поступающей информации от различных сенсорных систем, и проявлению всей симптоматики киберболезни. Возможность контролировать происходящую в иммерсивной среде ситуацию может оказывать воздействие на проявление киберболезни. При пассивном нахождении в иммерсивной среде без возможности перемещения в пространстве, взаимодействия с объектами среды и проведения каких-либо действий, создающих обратную связь, возможны возникновения симптомов киберболезни.

Выводы

Таким образом, можно сделать отдельные выводы, связанные с психофизиологическими особенностями использования иммерсивной среды как мультимодальной технологии, оказывающей влияние на различные сенсорные системы организма. По нашему мнению, именно такой подход позволяет провести оценку воздействия, которые данная технология оказывает на человека, погруженного в данную среду, в том числе и на ребенка в условиях образовательного процесса. При этом стоит выделить две важных группы факторов: программное обеспечение и технические характеристики используемого оборудования, а также индивидуальные психофизиологические и физиологические характеристики организма человека. При этом координация взаимосвязи данных факторов даст возможность использовать иммерсивную среду в наиболее оптимальных условиях и создавать такие среды, в которые возможно максимальное снижение негативных психофизиологических факторов, которые характеризуют симптомокомплекс киберболезни.