УДК 372.8

ОБУЧЕНИЕ ТРЕХМЕРНОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ В UNITY3D

Ходос Олег Сергеевич1, Баженов Руслан Иванович2
1Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, ассистент кафедры информатики и вычислительной техники
2Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, кандидат педагогических наук, доцент, заведующий кафедрой информатики и вычислительной техники

Аннотация
В приведенной статье обосновано применение технологий сред виртуальной реальности в образовательном процессе, разработано содержание учебно-методического комплекса. Приводятся примеры заданий, направленных на вовлечение студентов в процесс обучения трехмерной графике и моделированию, формированию их профессиональной компетентности, на основе изучения среды виртуальной реальности Unity3D.

Ключевые слова: компетентность, компьютерная графика, компьютерное моделирование, методика обучения, среда виртуальной реальности, трехмерная графика, трехмерное моделирование


THE TRAINING OF THREE-DIMENSIONAL MODELING IN UNITY3D

Khodos Oleg Sergeyevich1, Bazhenov Ruslan Ivanovich2
1Sholom-Aleichem Priamursky State University, Assistant of the Department of Computer Science
2Sholom-Aleichem Priamursky State University, candidate of pedagogical sciences, associate professor, Head of the Department of Computer Science

Abstract
In the above article substantiates the use of technology virtual reality environments in the educational process, the content developed educational complex. Are examples of tasks aimed at involving students in the learning process of three-dimensional graphics and modeling the formation of their professional competence, based on the study of virtual reality environment Unity3D.

Keywords: 3D graphics, 3D modeling, competence, computer graphics, computer simulation, teaching methodology, Unity3D, virtual reality environment


Рубрика: 13.00.00 ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Ходос О.С., Баженов Р.И. Обучение трехмерному моделированию в Unity3D // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 6. Ч. 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/06/36167 (дата обращения: 28.09.2017).

Все чаще мы слышим такие слова, как трехмерная графика, виртуальная реальность, смысл которых уже понятен многим.  Многие до сих пор считают, что данное явление касается только игр, современных фильмов или характеристик аудио-видео техники, однако, элементы виртуальной реальности могут быть использованы в сфере образования и, кроме того, исследуя современный рынок труда, студенты могут видеть, что знания в области трехмерного моделирования и графики являются востребованными у работодателей. С внедрением ФГОС ВПО третьего поколения, основной акцент делается на то, что для обеспечения конкурентоспособности на этом рынке, выпускник в соответствии с целями основной образовательной программы и задачами профессиональной деятельности, должен обладать следующими компетенциями: универсальными (общенаучными, инструментальными, социально-личностными, общекультурными) и профессиональными компетенциями. Качество образования (образовательной программы) в данном контексте, определяется его востребованностью [1]. В образовательных стандартах второго поколения в области информационных систем и технологий были прописаны дисциплины «Инженерная графика» или «Компьютерная геометрия и графика». В ФГОС ВПО третьего поколения таковых в явном виде не указано [2].

Конкретная детализация содержания программ изучения дисциплин выполняется в рамках разработки основной образовательной программы вуза, в том числе разработки рабочей программы конкретной дисциплины. Поэтому содержание, что надо изучать, чем должны владеть студенты решается просто: что востребовано, то и имеет право на существование. Конечно, немаловажное значение имеет здесь и опыт предшествующей подготовки в области графики [3].  Существует проблема, решение которой видится в необходимости разработки и внедрения в образовательный процесс дисциплины, направленной на изучение возможностей компьютерной графики и моделирования, и востребованной на современном рынке труда.

Исследования, посвященные вопросам обучения компьютерной графике и моделированию, отражены в работах В.В. Александровой, А.Н. Костикова, О.А. Тарасовой, Н.В.Макаровой, Т.В.Черняковой, Э.Т.Селиванова, Ю.Ф. Титова, Ю.В. Сакулиной, И.В.Рожиной и др. В.В. Александрова, отмечала необходимость разработать методику обучения компьютерно-графическому моделированию, целью которой является создание логической связи между многообразными, но разрозненными знаниями по искусству моделирования [4]. В научных трудах А.Н.Костикова, Т.В.Черняковой, Ю.В.Сакулиной, И.В.Рожиной отражена проблема разработки методики обучения компьютерной графике, которая будет способствовать становлению и развитию профессиональной компетентности обучаемого [5-7]. О.А.Тарасова предлагает методику, включающую в себя два компонента: теоретический (рассмотрение алгоритмов трехмерной графики) и практический (освоение среды 3D Studio МАХ) [8].

Таким образом, требуется спроектировать методику обучения  моделированию в среде Unity3D.

Говоря об инструментах и программных продуктах, которые использовались методологами для достижения поставленных методикой целей обучения, хотелось бы отметить общепринятый, значительно увеличивающийся интерес к таким средствам как средам виртуальной реальности.

В своей работе, мы будем придерживаться позиции Д.В.Дмитриева, который называет виртуальной реальностью, компьютерную модель действительности, в которой человек имеет возможность осуществлять какие-то действия, наблюдать за чем-либо и т. п. [9].

В рамках научно-исследовательского эксперимента, для реализации практической части было принято решение об освоении программного продукта Unity3D. Unity3D предоставляет пользователям реалистичную среду виртуальной реальности, которая даёт возможность моделирования большого количества сценариев в рамках достижения той или иной профессиональной компетенции в соответствии с ФГОС ВПО третьего поколения.

Изучению Unity3D в качестве виртуальной образовательной среды, посвящены работы Л.С.Зеленко, Д.А.Загуменнова, А.О.Зинченко [10]. В исследованиях А.А.Думиньш, Л.В.Зайцева среда Unity3D рассматривается как один из инструментов для создания трехмерных компьютерных игр и возможности их использования и применения в обучении [11]. По мнению А.В. Катаева, применение компьютерных игр позволяет повысить мотивацию обучаемых, сохранив все преимущества электронного обучения [12].

Рассматривая Unity3D, как среду виртуальной реальности, способную мотивировать студентов к изучению основных свойств и компонентов трехмерной графики и моделирования, мы исходили именно из соображений привлечения внимания и вовлечения будущих специалистов в процесс обучения, направленный в свою очередь на становление профессиональных и как следствие предметных компетентностей будущих специалистов.

При обучении трёхмерному компьютерному моделированию, по нашему мнению, наиболее целесообразно использовать следующие формы обучения: информационная и проблемная лекции, лабораторное занятие и самостоятельная работа.

Нами был разработан курс «Трехмерное моделирование в среде виртуальной реальности Unity3D», включающий 12 лабораторных и 9 лекционных занятий.

Построение тем курса и их логическая взаимосвязь была проверена вместе с  З.В. Степчевой  в ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», и авторами при обучении студентов  в ФГБОУ ВПО «Приамурский государственный университет им. Шолом-Алейхема» в 2012-2013 учебных годах [13-17].

Как показал опытный эксперимент, проводимый в 2013-2014 учебном году наиболее эффективными методами обучения при изучении курса являются учебная и проблемно построенная лекции, проблемная беседа, наглядные, практические, репродуктивные, проблемно-поисковые, индуктивные, дедуктивные методы, методы формирования познавательного интереса (познавательные игры, учебные дискуссии, создание ситуации успеха в учебе) [18-23].

Остановимся подробней на некоторых из них, и объясним конкретную ситуацию и необходимость их применения при изучении определенных тем курса.

Индуктивные и дедуктивные методы обучения характеризуют исключительно важную особенность методов – способность раскрывать логику движения содержания учебного материала [24]. Применение методов означает выбор определенной логики раскрытия содержания изучаемой темы – от частного к общему и от общего к частному.

В ходе изучения курса, перед студентом ставилась проблемная ситуация, требующая самостоятельных рассуждений от частных положений к более общим выводам и обобщениям. Например, в ходе выполнения практического задания, направленного на изучение основ создания сложных управляемых персонажей, студент получал следующее задание:

  • сделать простой объект «куб» в среде Unity3D;
  • написать для этого куба скрипт, который будет отвечать за его управление с клавиатуры (вращение, перемещение), запуском анимации его взрыва. Все эти действия идут в тесном переплетении с уже ранее изученными темами, как лабораторные работы  «Создание простейших моделей твердых тел», «Создание объектов в режиме реального времени. Добавление компонентов с помощью скриптов. Основы движения объектов», «Основы построения анимации», при этом промежуточные работы, дают ему навыки для выполнения следующего подпункта, отвечающего за особенности визуализации и текстурирование объектов;
  • из проекта «куб» создайте модель детского кубика для изучения алфавита (здесь и возникает проблемная ситуация, отвечающая за особенности создания сложных объектов в среде виртуальной реальности, поскольку сам по себе объект «куб» является простейшим объектом, а применение различных текстур к одному объекту в среде невозможно). В ходе реализации задания, студенты самостоятельно находят два варианта выхода из сложившейся ситуации: 1) Создать иерархически сложный объект, состоящий из 6-ти плоских объектов и применить к ним соответствующую текстуру. Вместе с тем, любое представление объекта пользователю на экран, осуществляется путем отображения проекции с так называемых «камер», расположенных в среде. По умолчанию, присутствует только одна «камера» и если проекция этого объекта находиться в состоянии покоя (объект не вращается и не движется), то пользователь видит хорошую трехмерную картинку, однако если заставить объект вращаться, то проекции некоторых плоскостей пропадают, становясь точками или линиями вдоль осей X,Y,Z. 2) В поиске выхода из ситуации, студенты находят второй вариант построения сложной модели трехмерного куба, заменив одну из стенок на один простой «куб», изменив соответствующим образом размер объекта, проекция которого при вращении отображается так, как полагается быть реальной модели. Первая группа также находит выход из ситуации, увеличив одновременное пребывание камер на сцене до числа объектов в среде. Т.е. на один объект «камера» приходится один объект «плоскость», так чтобы при вращении объектов визуальный эффект не рассеивался.

Можно сказать, что метод индукции (проблемное задание) в рамках практического занятия, позволяет студенту самостоятельно размышлять над фактами и делать доступные выводы и обобщения. Как следствие, при успешном поиске решения для выхода из сложившейся ситуации, студента переполняют положительные эмоции по отношению к учебной деятельности, наглядно работает метод формирования познавательного интереса. В ходе выполнения задания, у преподавателя появляется возможность создать ситуации успеха у обучаемых, которые испытывают определенные трудности в учебе, что придало бы им уверенности в себе, и они могли продолжить учебную деятельность в более благоприятном темпе. Общеизвестно, что без переживания радости успеха невозможно по-настоящему рассчитывать на дальнейшие успехи в преодолении учебных трудностей.

Репродуктивные методы – методы повторения «Делай как Я», применение которых невозможно без использования ранее перечисленных теоретических и практических методов, которые являются как бы материальной основой для них. Практические работы репродуктивного характера отличаются тем, что в ходе их выполнения учащиеся применяют по образцу ранее или только что усвоенные знания. При этом, репродуктивные упражнения особенно эффективно содействуют при отработке практических умений и навыков, так как превращение в навык требует неоднократных действий по образцу.

В рамках реализации метода, каждое задание практической работы, предполагает создание объектов среды виртуальной реальности, отвечающих реальным физическим свойствам (указания типов веществ из которых состоит объект (вода, камень, лед, дерево, резина, металл и т.д.), добавления к ним массы, гравитации, силы трения, силы притяжения относительно земли), настройка источников света (луч солнца, либо свет от электрической лампы), работы со скриптами на языках программирования, для настройки реалистического поведения будущей модели и т.д.

Таким образом, применение репродуктивных методов в самом начале изучения позволяет облегчить содержание темы слишком сложного на первый взгляд материала, поскольку многие студенты могут утратить интерес к изучению среды, когда узнают, что программный продукт Unity3D обладает исключительно англоязычным интерфейсом и своей собственной терминологией, которая некогда ранее не была изучена ими в процессе обучения разделам трехмерной графике и моделированию. Кроме того, участники экспериментуемых групп изучали язык программирования Delphi, а C# или JavaScript, используемый для настройки физических и механических свойств модели, только в рамках самостоятельного обучения, либо и вовсе некогда не работали с ним. Unity располагает встроенным справочником функций, определенным набором разработанных скриптов, редактором объектно-ориентированного программирования Unity Mono Develop, который обладает весьма схожими чертами интерфейса аналогичного редактора на Delphi, применение которого способствует адаптации студентов и вовлечении их в образовательный процесс.

Вместе с тем, репродуктивные методы являются очень успешными, когда обучаемые еще не готовы к проблемному изучению темы. Например, до выполнения вышеописанного методом индукции задания, студенты знакомятся с возможностями текстурирование и визуализации объектов среды в лабораторных работах «Создание управляемого персонажа в среде виртуальной реальности Unity3D» и «Встроенные возможности визуализации объектов (создание модели земли)», но для реализации проблемного задания у них недостаточно навыков разработки сложных объектов. Поэтому описанный в практических заданиях метод «Делай как Я», позволяет выработать у них подход, в результате которого у специалиста появиться возможность самому разработать данное проблемное задание и поставить его на всеобщее обсуждение.

 

Рисунок 1 – Итоговый проект модели острова, с возможность передвижения объекта по морю на подводной лодке, студента А.Лобановой

Применение проблемно-поисковых методов, наиболее эффективно в середине и в конце обучения курса, после получения студентом навыков, закрепленных репродуктивными методами. Проблемно-поисковые упражнения применяются в том случае, когда обучаемые могут самостоятельно по заданию преподавателя выполнить определенные виды действий, которые подводят его к усвоению новых знаний. Такие упражнения могут применяться не только при подходе к усвоению новой темы, но и во время ее закрепления на новой основе, то есть при выполнении упражнений, углубляющих знания.

Методы обучения в той или иной степени взаимосвязаны, что можно проиллюстрировать следующим образом. Студентам предлагается выполнение работы  «Кватернионы, как метод вращения объектов в Unity3D». В его основе лежит построение реалистической модели аналоговых часов, стрелки которых, состоят из 3-х объектов «куб», имеющих разный размер. Текст лабораторной работы описывает основу создания сложного иерархически взаимосвязанного объекта, но при этом последовательность необходимых для решения поставленной задачи действий несколько размыта.

 

Рисунок 2 – Проект модели часов студента Т. Хабибулиной

 

Рисунок 3 – Проект модели часов на острове студента А.Винокурова

Таким образом, студенту необходимо самостоятельно найти недостающие данные для реализации проекта, а вместе с тем происходит вычленение и усвоение новых знаний, развивается мышление специалиста.

Как уже говорилось выше, наиболее значимой гарантией успешного достижения поставленной нами цели, является применение различных методов стимулирования учебной деятельности в процессе всего изучения курса. Знакомясь с особенностями трехмерного моделирования в среде Unity3D, студенты вовлечены в процесс обучения в игре, в учебных дискуссиях, для них создаются ситуации успеха, в процессе изучения учебного материала, они работают в группах для создания и защиты своего итогового проекта, выступают экспертами в области оценки соответствия внешних, физических и механических свойств модели.

При разработке структуры занятий основой являлось применение трехмерного моделирования не только для иллюстрации, но и как активного инструмента для решения различных графических задач. Данный подход к организации занятий по графическим дисциплинам, по мнению Н.В. Федотовой, позволяет учитывать развитие профессиональных компетенций будущих специалистов и потребности рынка труда [25].

Теоретические знания и практические умения, получаемые в ходе изучения курса трехмерного моделирования в среде Unity3D, преобразуются ими в деятельную систему, задействованы структурные, логические связи, сообщающие единство многообразным разрозненным знаниям для построения графически сложной и физически реалистичной модели.

По окончании курса, обучаемые желают продолжать и углублять свои знания в области среды виртуальной реальности, расспрашивают о возможности дополнительного изучения материала. Они готовы создавать свои проекты для публикации и общественного обсуждения, общаться в профессиональных блогах на различных Интернет-ресурсах, посвященным методике построения различных трехмерных моделей в среде виртуальной реальности Unity3D, таких как www.unity3dstudent.com, www.unity3d.ru, www.unity3d.com,  у них появляется запас компьютерных работ в области трехмерной графике, портфолио перед профессиональным трудоустройством.


Библиографический список
  1. Лачин В. И. Доклад профессора кафедры «Автоматики и телемеханики» о направлениях совершенствования государственной аккредитации вузов и практической реализации ФГОС III-го поколения // Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова». URL: http://www.npi-tu.ru/index.php?id=1348 (дата обращения: 22.06.2014).
  2. Федеральный государственный стандарт ВПО по специальности 230400 «Информационные системы и технологии» квалификация «Бакалавр» // Федеральный портал «Российское образование». URL: http://www.edu.ru/db/mo/Data/d_10/prm25-1.pdf (дата обращения: 22.06.2014).
  3. Столбова И.Д. Актуальные вопросы перехода на образовательные стандарты нового поколения // Международная Интернет-конференция КГП-2010 «Проблемы качества графической подготовки в техническом вузе в условиях перехода на образовательные стандарты нового поколения» в Пермском государственном техническом университете в марте-апреле 2010 года. URL: http://dgng.pstu.ru/conf2010/papers/69/ (дата обращения: 26.05.2014).
  4. Александрова В. В. Методика обучения компьютерно-графическому моделированию пространственных базовых форм: дис. … канд. пед. наук: 13.00.02. СПб., 2002.  139 с.
  5. Костиков А. Н. Методика обучения компьютерной графике будущих учителей информатики на основе компетентностного подхода: дис. … канд. пед. наук: 13.00.02.  СПб., 2003. 231 с.
  6. Чернякова Т. В. Методика обучения компьютерной графике студентов вуза: автореф. дис. … канд. пед. наук: 13.00.02. Екатеринбург, 2010.
  7. Сакулина Ю. В., Рожина И. В. Компьютерная графика как средство формирования профессиональных компетенций // Педагогическое образование в России. 2012. № 6. С. 76-80.
  8. Тарасова О. А. Методика обучения трехмерному компьютерному моделированию в курсе информатики профильной школы: автореф. дис. … канд. пед. наук: 13.00.02.  СПб., 2005.
  9. Толковый словарь русского языка / Под ред. Дмитриева Д. В. М.: АСТ, 2003. 1582 с.
  10. Зеленко Л. С., Загуменнов Д. А., Зинченко А.О. Основы построения виртуальной информационно-образовательной среды // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 7 (38). С. 46-53.
  11. Думиньш А. А., Зайцева Л. В. Компьютерные игры в обучении и технологии их разработки // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society). 2012. Т. 15. № 3. С. 534-544.
  12. Катаев А. В. Программно-информационная поддержка процесса разработки обучающих компьютерных игр: дис. … канд. техн. наук: 05.13.01. Волгоград, 2012. 147 с.
  13. Степчева З. В. Формирование профессионально-значимых компетентностей в условиях непрерывного профессионального образования машиностроительного профиля: монография. Ульяновск: УлГТУ, 2011. 154 с.
  14. Ходос О.С., Баженов Р. И. Совершенствование предметной компетентности студентов «информационных специальностей» // Сборник материалов II Межвузовской методологической конференции магистрантов и аспирантов. Биробиджан: ФГБОУ ВПО «ПГУ им. Шолом-Алейхема», 2011. С.32-37.
  15. Ходос О.С., Баженов Р. И. Выявление общих критериев совершенствования предметной компетентности студентов «информационных специальностей» в рамках курса по выбору «Трёхмерное моделирование в среде Unity» // Сборник избранных трудов VI Международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование» / под ред. проф. В.А. Сухомлина. М.: ИНТУИТ.РУ, 2011. С. 250-259.
  16. Ходос О.С., Баженов Р. И. Предметная компетентность студентов «информационных специальностей» в условиях реализации образовательных стандартов третьего поколения // Новые технологии в образовании. 2012. №1. С. 42-47.
  17. Основы геометрического моделирования в Unity3d: методические указания / сост.: З.В.Степчева, О.С.Ходос. Ульяновск: УлГТУ, 2012. 33 с.
  18. Ходос О.С. Формирование предметной компетентности у студентов в контексте среды виртуальной реальности // Вестник Бурятского государственного университета. 2014.  №1(2).  С. 82-86.
  19. Баженов Р. И., Векслер В. А. Формирование модели обучения взрослых основам информационных технологий: региональный аспект: монография.  Биробиджан: Изд-во ФГБОУ ВПО «ПГУ им. Шолом-Алейхема», 2014. 174 с.
  20. Баженов Р. И. Использование системы moodle для организации самостоятельной работы студентов // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2014. №3(93). С. 174-175.
  21. Баженов Р. И. Организация научно-исследовательской работы студентов по дисциплине «Теория автоматов» // Современная педагогика. 2014. №5. URL: http://pedagogika.snauka.ru/2014/05/2399 (дата обращения: 22.06.2014).
  22. Баженов Р. И. О методике преподавания дисциплины «Управление проектами информационных систем» // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 3. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/03/32980 (дата обращения: 22.06.2014).
  23. Баженов Р. И. Проектирование методики обучения дисциплины «Интеллектуальные системы и технологии» // Современные научные исследования и инновации. 2014. №5. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/05/34813 (дата обращения: 22.06.2014).
  24. Ситаров В. А. Дидактика: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / Под ред. В. А. Сластенина. М.: Академия, 2004. 368 с.
  25. Федотова Н. В. Трёхмерное моделирование в преподавании графических дисциплин // Фундаментальные исследования. 2011. № 12. С. 68-70.


Все статьи автора «Баженов Руслан Иванович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: