При преподавании геометрии в старших классах необходимо, уделять внимание формированию основных знаний курса стереометрии. Одновременно следует находить возможность восстанавливать базовые знания курса планиметрии. При преподавании геометрии важно использовать наглядность, больше внимания уделять вопросам изображения геометрических фигур, формированию конструктивных умений и навыков, применению геометрических знаний к решению практических задач.

В федеральном государственном образовательном стандарте среднего (полного) общего образования по математике закреплено, что в результате изучения геометрии ученик должен уметь распознавать на чертежах и моделях пространственные формы; соотносить трехмерные объекты с их описаниями, изображениями; анализировать в простейших случаях взаимное расположение объектов в пространстве; изображать основные многогранники и круглые тела, выполнять чертежи по условиям задач; строить простейшие сечения куба, призмы, пирамиды.[6]

Объектом нашего исследования явилась рабочие программы курсов геометрии 10 и 11 классов при изучении предмета на базовом уровне. Среди прочих мы выделили объекты, при изучении которых есть смысл использовать визуализацию некоторых процессов или операций. В качестве таковых мы рассматриваем процесс построения сечения параллелепипеда, тетраэдра и процессы введения понятий вектора, равенства векторов и выполнения операций над векторами. [5] На первом этапе мы уточнили, что учащиеся должны знать: что такое параллелепипед, его свойства, свойства прямой параллельной плоскости, что такое проекция точки и прямой на плоскость, свойства параллельных плоскостей; понятия вектора в пространстве, равенства векторов, правила сложения и вычитания векторов.

Сегодня, благодаря самым современным компьютерным технологиям, геометрия получила новый толчок к развитию как образовательный предмет и как наука. Например, компьютерная графика используется как визуальная, образная среда для отображения процесса создания, обработки и вывода изображений разного рода. Работа с компьютерной графикой невозможна без соответствующего программного обеспечения (ПО). В образовательной сфере, как правило, используются программы для презентаций и  научной визуализации. Последние дают  более широкие возможности для обучения.

В последнее время было разработано огромное количество компьютерных обучающих программ, новых наглядных пособий, презентаций способных максимально заинтересовать школьников. Многие программы, содержащие большое количество иллюстраций и анимационных рисунков, в основном ориентированы на средний школьный возраст. Для старших классов программ разработано мало. Тем более, работа с некоторыми из них представляет сложности и большинство программ в настоящее время платные.[7]

В среде flashdevelop нами разработан програмный комплекс, предназначенный для демонстрации процесса построения сечений параллепипеда (или его частных случаев) и наглядного представления векторов в пространстве. Данный комплекс, основывается на принципе динамической геометрии и разработан с учетом требований, предъявляемых российской школой, российской традицией преподавания математики и накопленным авторами опытом работы с аналогичными программами. В отличие от рисунков на бумаге или на классной доске, демонстрационные обьекты в данном комплексе дают объемное наглядное представление о предмете, позволяют покрутить его, отследить его состояние и внешний вид на каждом этапе, в различных положениях и проекциях.

Рассмотрим демонстрацию приложения на примере простого трехмерного сечения.

Шаг 1

Шаг 2

Шаг 3

Шаг 4

Созданный нами программный комплекс содержит экземпляры множества классов, написанных на объектно-ориентированном языке программирования actionscript 3. [4] Основные из них:

• Класс «Cube» – рисует на экране трехмерный куб.
• Класс «Dot» – создание и управление точкой в трехмерном пространстве.
• Класс «Line3D» – создание и управление прямой (отрезком) в пространстве.
• Класс «Dekart» – создание и прорисовка осей декартовой системы координат.
• Класс «Vectors3D» – создание и управление векторами. Данный класс рисует вектор по заданным координатам. Его функция-конструктор может принимать в себя значения переменной matrix3dVector класса «Dekart», что позволяет синхронизировать анимацию поворота и перемещения вектора с осями координат.
• Класс «VectorWorld» – создание основной сцены «Векторы в пространстве». Это один из самых массивных классов программы.
• Класс «SectionCube» – создание основной сцены «Сечение куба».
• Классы  «Menu» и «SecondaryMenu» – отвечают за меню приложения.

Следует отметить, что все классы в программе основывались на библиотеке классов flex_sdk_4.6, без которой в принципе была бы невозможна реализация данного приложения.

Данный программный комплекс представляет собой дополнительное средство обучения, которое возможно использовать наряду с традиционными средствами и методами по усмотрению преподавателя полностью или частично.

В процессе проведения данной работы, мы рассмотрели материал, основанный на работах Мартина Кржвинского. Мартин Кржвинский изучая число Пи визуально представил его в красочных моделях. В результате получилось достаточно наглядное представление важного математического понятия. Лекция [6], изученная нами, представлена на английском языке. Мы сделали перевод материала и в данной статье предлагаем лишь основные положения, необходимые для интерпретации одной из фундаментальных математических абстракций – числа π.

Перевод:

Визуализация данных является способом представления информации творческим, интересным, занимательным путем, с помощью которого ученые могут представлять графики с разбросанными черно-белыми скучными кружочками. Но если вы хотите рассказывать об информации и данных публике, вы должны быть находчивыми, вы должны быть интересными, а информация и данные – красочными. И мы подумали, что мы могли бы взглянуть на работы такого ученого, как Мартин Кржвински( Krzywinski). Сегодня мы посмотрим на его многочисленные творческие работы. Мы посмотрим на то, как он находит красоту, можно сказать, артистизм в хаотичности числа Пи.

Рис. 1 – Визуальное представление числа Пи

Это одна из самых простых форм изображения, которую он создал. Всё, что он сделал – взял число Пи и каждой из цифр, его составляющих, присвоил собственный цвет. Итак, он начал с 3, и 3 – это оранжевый, далее 1 – это красный, 4 – это желтый, снова 1 – красный, затем 5 – это зеленый, и, наконец, 9 – это фиолетовый. Эти узоры отражают полную хаотичность числа Пи. Но на этом он не остановился. Он начал закрашивать центр кружков, используя цвет следующего числа. Это выглядит так:

Рис. 2 – Группировка чисел одного цвета

Вы можете увидеть, что он соединил цифры на этой картинке, которые имеют одинаковые цвета, т.е. имеет одинаковое число. Они создают разъединённую сеть. В связи с тем, что последовательность цифр в числе Пи оказывается нарезанной на длинные куски, равные ширине прямоугольника, которым оно представлено, то этот способ напоминает Пифограммы А.А.Зенкина. Другой способ представления числа – это отображения числа Пи в спирали, как здесь.

Рис. 3 – Спиральное представление числа Пи

Он пошёл ещё дальше и получил следующее:

Рис. 4 – Визуальная модель числа Пи

Он соединил цифры между собой. Итак, начнем с трёх. Соединим тройку с единицей, затем соединим единицу с четверкой, затем вернемся к единице, теперь соединим с пятеркой, с девяткой, и всё соединяется подобным образом. И при этом каждое число имеет свой цвет. Т.е. это похоже на путь, который соединяет числа в круге от 0 до 9. И получается путь, который создаёт этот красивейший круг, частицу искусства.

Поговорим о серьезной математике. О таком предмете, как комбинаторика, которая очень наглядна. Изображать математику можно в картинках, диаграммах и других подобных вещах. Пример, который мы имеем, теперь можно рассмотреть с другой стороны. Итак, мы думаем, что Пи довольно хаотично. Мартин сравнил Пи с несколькими случайно полученными (сгенерированными) числами.

Рис. 5 – Сравнение Пи со случайно сгенерированным числами

Т.е., сгенерировав все эти Пи, эти случайно полученные числа, он отобразил их подобным образом, и вы можете наблюдать одинаковые типы оттенков. Пи имеет вид случайно полученного числа.

Другое отображение числа Пи Мартином имеет ту же идею круговых путей, но с использованием маленьких точек на внешней стороне круга, чтобы показать нам, где линия входит внутрь окружности и выходит за ее пределы. Это напоминает меру Лебега или точнее меру Жордана, в которой есть внутренняя и внешняя границы.

Рис. 6 – Модель числа Пи с использованием точек на внешней стороне круга

Т.е. если у нас 3.1, то из тройки идет в единицу, затем за тройкой отображается маленькая точка, говорящая нам, что путь пошел в единицу. За единицей отображается точка, что значит – путь пришел из тройки. Почти все они имеют одинаковые размеры. Но посмотрите на эти две большие фиолетовые точки. Фиолетовый цвет говорит о том, что это цифра 9. Это демонстрирует определенную последовательность числа Пи – последовательность 9 (9999) или точка Фейнмана.

    Анализ работы Крживнского.

Основным недостатком данной работы является тот факт, что автор не сформулировал цель своей работы. Он просто проделал большую работу, используя существующую десятичную систему счисления и записи чисел, в котором используется алфавит из 10 символов, которые он заменил на разные цвета точек. И далее пытался вскрыть закономерности, которые должны присутствовать в результатах такого анализа при помощи получаемых образов. Его работы можно назвать исследованием, проведенным на удачу. Кроме этого, он прошел мимо весьма интересного результата, представленного на рис. 7, который просто подталкивает к проведению аналогии с более развитой математической конструкцией – мерой Жордана (см. рис. 7).

Рис. 7 – Интерпретация меры Жордана

Мера Жордана – один из способов формализации понятия длины, площади и n-мерного объема в n-мерном евклидовом пространстве. Можно считать интересным результат, представленный на рис.5, который показывает, что образы, полученные на круговых путях, очень похожи для любых сгенерированных случайных последовательностей. Автор делает вывод о том, что число Пи случайное. Но, пожалуй, более важно здесь то, что это число есть некое разбиение бесконечной последовательности натурального ряда, которое можно использовать в качестве качественной шкалы, связывающей количество с качеством.

Ведь, что такое число π? Это число, получаемое как результат отношения измеряемых характеристик длины окружности и ее диаметра. В силу того, что КСС является визуализацией различных отношений, задаваемых с различной точностью при помощи значений ее параметров, то появляется надежда на то, что ее можно использовать в качестве процесса, обобщающего это число, путем его вычисления и визуализации скрываемых в нем закономерностей, связанных с точностью задания. Мы преследовали цель показать, что КСС способна порождать структуры, аналогичные тем, которые получил автор анализируемой работы.

На основе рассмотренного материала мы попытались интерпретировать визуальное представление числа Пи с помощью КСС.

Для получения в КСС образа, воссоздающего представленную выше визуализацию числа Пи, были проведены следующие опыты:

Изначально мы определили, что подобный образ можно создать с помощью КСС первого уровня сложности организации, так как именно в ней есть возможность исследовать отношения значений параметров, а число π есть ни что иное, как отношение:

Рис.8 –Фрагмент динамично-существующего образа КСС 1-ого уровня сложности организации (стационарное состояние)

Сразу же стало очевидно, что изобразительный примитив «точка», стоящий по умолчанию, не отвечает нашим требованиям к визуализации. Тогда мы предположили, что примитив «локальный луч» сможет реализовать данную задачу с большей вероятностью:

Рис. 9– Фрагмент динамично-существующего образа КСС с примитивом рисования «локальный луч»

На данном образе, созданным КСС, отображается 658 точек, в отличие от образа числа Пи, который имеет лишь 10 точек от 0 до 9: В связи с данной разницей в количестве точек сделаем несколько экспериментов с уменьшением точек-следов образа первого уровня КСС. Для начала мы взяли число Пи, которое равно 3.14159265359 и попробовали сделать шаг приращения равным данному числу. Тем самым мы получили следующий образ КСС первого уровня:

Рис. 10 – Фрагмент динамично-существующего образа КСС 1-ого уровня с шагом приращения = 3.14159265359

Мы видим, что при f = p изображающие точки образа поменялись местами. Далее мы попробовали уменьшить число ИТ КСС умножив число Пи на 10:

Рис. 11 – Сравнение образа числа Пи и образа КСС

Здесь мы можем увидеть определенное сходство образов, хотя и не полное.

Для достижения полного сходства мы попробовали полученное число (31,141592..) умножить на 2, тем самым ещё сократив число точек:

Рис. 12 – Фрагмент динамично-существующего образа КСС образа 1-ого уровня с шагом приращения = 62,283

На полученном образе мы видим, что ярко выраженных «пучка» точек осталось четыре, что не соответствует нашей задаче.

В последующих экспериментах, пытаясь различными способами подобраться к воссозданию точной копии образа числа Пи, которое было получено в [6] мы получали огромное количество разных, уникальных и при этом неповторимых образов, в том числе образ, близкий к спиральному представлению числа Пи:

Рис. 13 – Фрагмент динамично-существующего образа КСС образа 1-ого уровня, приближенный к спиральному представлению числа Пи

После множества удивительных по своей уникальности и красоте экспериментов, мы не смогли подойти к образу числа Пи ближе, чем при f1 и f2 равных 31,141592…:

Рис.14 – Фрагмент динамично-существующего образа КСС образа 1-ого уровня, приближенный к визуальной модели числа Пи

В данной работе нами были исследованы материалы зарубежных ученых, описывающие число Пи и его образы. Мы рассмотрели сравнение числа Пи с другими важными математическими величинами. С помощью образов КСС мы провели интерпретацию числа Пи. Эксперименты, проведенные в процессе работы, помогли достичь желаемого результата и получить образ, приближенный к визуальной модели числа Пи. Таким образом, КСС, будучи «живой» системой [7], помогло детально визуализировать рассматриваемые модели числа Пи. И наметить план дальнейшей работы по использованию КСС. В частности более подробно рассмотреть подход и представления К. Жордана, который внес огромный вклад в развитие математики, и далее использовать КСС для формализации более важных отношений, в частности экономических, что сегодня является до сих пор непреодолимой проблемой при построении информационных систем управления бизнес-процессами.

Современное промышленное производство характеризуется высоким уровнем автоматизации поддержки принятия решений, широкой и постоянно меняющейся номенклатурой выпускаемой продукции, мелкосерийным типом производства и высокими требованиями к качеству конечного результата. Чтобы быть конкурентоспособным, сегодня производство должно быть эффективным, гибким, высокотехнологичным. Применение систем и технологий сквозного (комплексного) автоматизированного проектирования, производства и управления в промышленных процессах убедительно показывает их эффективность в  достижении качественного результата в сжатые сроки с оптимальными ресурсными затратами.

В условиях перехода к информационной экономике современное профессиональное образование всё больше приобретает черты современного промышленного производства: широкая и часто меняющаяся номенклатура основных и дополнительных образовательных программ, небольшая численность групп обучающихся, высокие требования к профессиональным компетенциям выпускников, компьютеризация обучения и управления образовательным процессом. Компьютерное обучение (E-learning),к  которому современный студент сегодня достаточно легко адаптируется, всё более активно преобразует  российское образовательное пространство, формируя основу для реализации новой образовательной парадигмы – «Образование через всю жизнь». E-learning сегодня – это обязательный этап для перехода к Smart Education, которое во многих странах стало стандартом де факто и основой Smart-экономики [1]. Сегодня многие преподаватели инженерных дисциплин ощущают нарастающий разрыв (противоречие) между уровнем организации, IT-обеспечения  и осуществления производственных и бизнес-процессов в промышленных компаниях и IT-обеспечением процесса обучения по фундаментальным дисциплинам профиля подготовки. Чтобы соответствовать требованиям современности,  профессиональное образование (особенно техническое) должно обрести черты непрерывного, быстро «переналаживаемого», гибкого, открытого, автоматизированного «производства». Уже многие преподаватели убедились, что применение автоматизированных средств и технологий в образовании также позволяет качественно изменить содержание, методы и организационные формы обучения, способствует раскрытию индивидуальных способностей студентов, повышает мотивацию и интерес к изучаемым знаниям.

Как уже было сказано выше, создание автоматизированных (компьютерных) обучающих систем по техническим дисциплинам, визуализирующих в достаточной мере объект изучения, представляет собой очень сложную программную, дидактическую, методическую задачи с достаточно высокими сроками и стоимостью создания. Это является причиной того, что до сих пор обучение по техническим дисциплинам может осуществляться на основе традиционных наглядно-иллюстративных методов и средств обучения. Вместе с тем уже есть информационные системы, в которых задача программной (мультимедийной) реализации динамической визуализации технических систем и технологических процессов уже решена. Это системы автоматизированного проектирования (САПР). Безусловно, изначально эти системы создавались не как обучающие системы. Но возможности манипулирования объектами в режиме реального времени, построение цифровых 3D моделей объектов от простых деталей до сложных машин, моделирование кинематических движений объектов и  различных видов их нагружения (динамическое, статическое, циклическое, термическое и др.)  делает возможным использовать САПР как мультимедийное дидактическое средство обучения. То есть САПР можно попытаться использовать как обучающую систему для «проведения» (демонстрации) компьютерного «эксперимента» над моделью реального объекта или процесса.

Как полагают авторы, актуальность данной работы определяется недостаточным пониманием преподавателями технических дисциплин дидактических возможностей  современных  САПР для обучения студентов по дисциплинам профилизации и, как следствие, отсутствием широкого применения мультимедийных возможностей САПР в учебном процессе (как в аудиторных занятиях, так и самостоятельной работе студента). Другими словами, сейчас в рамках общетехнических и специальных дисциплин по автоматизированному проектированию студентов на конкретных примерах учат тому, как работать в различных САПР, и, практически, мало учат тому, как использовать эти мощные информационные системы для получения новых знаний о технических объектах и технологических процессах при изучении инженерных дисциплин профилизации.

Компьютерные обучающие системы

Компьютерная обучающая система – это комплекс программно-аппаратных средств, электронных учебных, контрольных и методических материалов, которые обеспечивают взаимодействие преподавателей и обучаемых в процессе изучения дисциплины.

Основное назначение любой обучающей системы (в том числе и компьютерной) состоит в том, чтобы наиболее оптимально организовать процесс (желательно личностно-ориентированный и адаптивный) передачи обучаемому необходимых для формирования его профессиональной компетентности знаний, а также организовать эффективный (также личностно-ориентированный и адаптивный) процесс контроля в зависимости от степени подготовленности обучаемых и их способности усваивать полученную информацию. Достижения в области искусственного интеллекта позволяют сегодня перейти к созданию и использованию в профессиональном образовании экспертных обучающих систем [2] и кибер-преподавателей [3].

Как правило, все компьютерные обучающие системы применяют мультимедийные технологии обработки и отображения информации. По данным ЮНЕСКО при аудиовосприятии усваивается 12% информации, при визуальном около 25%, а при аудиовизуальном до 65% воспринимаемой информации [4]. Цель разработки и применения компьютерных обучающих систем (как любой автоматизированной  системы) – повышение качества обучения. Однако если индивидуальное отношение пользователя к компьютерным методам и средствам обучения или к конкретным программам равнодушное или отрицательное, то и эффективность обучающей программы резко снижается.

C точки зрения управления процессом обучения компьютерные обучающие системы можно разделить на две группы:

• к группе 1 можно отнести обучающие системы, в которых «системой управления» процессом обучения является сам обучаемый. Такие системы, чаще всего, имеют иерархическую структуру, в них учебный материал излагается линейно, в соответствии с логикой дисциплины, а разделы и темы содержат вопросы или тесты текущего (тематического, рубежного и т.д.) контроля. Так как программно «система управления» процессом обучения отсутствует, то за качество усвоения учебного материала отвечает сам обучаемый, и переход к последующим темам может быть осуществлен вне зависимости от результатов усвоения предыдущим тем. К этой группе можно отнести гипертекстовые учебники и пособия, электронные энциклопедии, лекции-презентации, видео- и аудио лекции.
• к группе 2 можно отнести те компьютерные обучающие системы, в которых программно встроена «система управления» процессом обучения. Такие системы, чаще всего, имеют сетевую структуру.  В конце каждого блока учебной информации обучаемому предоставляются проверочные компьютерные вопросы и задания. В отличие от систем первой группы, в данных системах ответы и действия обучаемого определяют дальнейшую траекторию его движения (обучения). Управление процессом обучения в компьютерных системах этой группы напрямую зависит от возможности адаптации системы под конкретного обучаемого. Обучающие системы данной группы бывают с линейной моделью обучения; с разветвленной моделью;  с адаптацией по форме изложения материала; с адаптацией по логике изложения материала; с адаптацией по объекту и целям обучения и др.

Как любые информационные системы компьютерные обучающие системы (КОС) имеют следующие виды обеспечения: техническое, программное и математическое, лингвистическое, информационное, методическое, организационное, правовое.

Техническое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность технических средств (различные виды ЭВМ, сетевой оборудование, периферийные устройства), используемых для реализации процесса обучения и контроля в автоматизированном режиме без непосредственного взаимодействия преподавателя и обучаемого.

Программное обеспечение КОС – системно организованная совокупность общесистемных и прикладных программ, обеспечивающих автоматизированную реализацию процесса обучения и контроля результатов этого процесса.

Математическое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность математических моделей и алгоритмов процессов обучения и контроля, формализованное описание технологии автоматизированного обучения и контроля.

Лингвистическое обеспечение КОС – системно организованная совокупность языков программирования, используемых в процессе разработки и эксплуатации  компьютерной обучающей системы для автоматизированного информационного обмена между обучаемым и системой.

Информационное обеспечение КОС – это системно организованная совокупность баз и банков данных, банков знаний, содержащих необходимую для обучения и контроля учебную, справочную и методическую информацию.

Методическое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность документов (руководств), описывающих условия  эффективной и надёжной работы пользователей (преподавателей, методистов, администраторов, обучаемых) с обучающей системой.

Организационное обеспечение КОС -  это системно организованная совокупность административных документов, устанавливающих функции и права подразделений, взаимодействующих с обучающей системой.

Правовое обеспечение КОС – совокупность нормативно-правовых документов, определяющих создание, юридический статус и функционирование компьютерной обучающей системы, регламентирующих порядок получения, преобразования и использования учебной информации.

Особое место в компьютерных обучающих системах отводится графической визуализации учебного материала – схемы, анимированные модели, видеоролики. Это связано с тем, что, во-первых, визуальная информация, как было сказано выше, воспринимается лучше обычного текста или аудио информации (потому что является более “концентрированной”), а во-вторых, с тем, что всё увеличивающиеся объемы учебной информации в обычной текстовой форме просто “перегружают” мозг любого обучаемого и приводят к естественной защите – снижению и отключению внимания. Визуализация — это процесс представления данных в виде адекватного изображения с целью максимального удобства их понимания; придание зримой формы любому мыслимому объекту, субъекту, процессу и т. д.[5]. При визуализации учебного материала следует учитывать, что наглядные образы сокращают цепи словесных рассуждений и могут синтезировать схематичный образ большей «емкости», уплотняя тем самым информацию[5]. Особо серьёзное значение визуализация имеет в изучении технико-технологических дисциплин при моделировании различных технических систем, технологических процессов и процессов управления.

Системы автоматизированного проектирования

САПР – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования [6, с.4]. Цель применения САПР – повышение качества проектирования изделий и процессов в условиях промышленного производства. САПР изначально создавались и создаются до сих пор для автоматизации различных видов инженерной деятельности, снижения трудоёмкости, себестоимости и цикла изготовления выпускаемого изделия.

Как любые информационные системы, САПР также имеют следующие виды обеспечения: техническое, программное и математическое, лингвистическое, информационное, методическое, организационное, правовое.

Техническое обеспечение САПР – комплекс технических средств, служащих для реализации автоматизированного проектирования: подготовка и ввод данных, передача данных, обработка и защита данных; хранение и запись данных; отображение данных и результатов проектирования.

Программное обеспечение САПР – совокупность общесистемных и прикладных программ, осуществляющих и обеспечивающих процесс автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов в полном объёме.

Математическое обеспечение САПР – это математические модели объектов проектирования, математические методы и алгоритмы решений задач, связанных с проектированием, а также формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Информационное обеспечение САПР – это совокупность баз и банков данных, необходимых для автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов (ГОСТы, обозначения, материалы и их свойства, оборудование и его технические характеристики, инструменты и технологическая оснастка, технологические режимы и т.д.).

Лингвистическое обеспечение – совокупность языков программирования, необходимых для реализации процесса автоматизированного проектирования.

Методическое обеспечение САПР – совокупность документов (справочные системы, обучающие видео ролики, руководства пользователей) , подробно описывающих действия различных категорий пользователей при работе в конкретной САПР.

Организационное обеспечение САПР – это совокупность руководящих документов, устанавливающих функции и права различных подразделений компании или предприятия, взаимодействующих с САПР.

Правовое обеспечение САПР – совокупность нормативно-правовых документов, устанавливающих юридический статус, разработку, передачу пользователям  и эксплуатацию САПР в рамках существующей законодательной системы.

Сегодня студенты машиностроительных специальностей технических вузов изучают следующие виды САПР:

• CAD-системы (Computer Aided Design Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования изделий (3D модели, чертежи, конструкторская документация).
• CAE-системы (Computer Aided Engineering Systems) – информационные системы автоматизированных инженерных расчетов (прочность, деформации, вибрации и т.д.).
• CAPP-системы (Computer Aided Process Planning Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления изделий и подготовки технологической документации.
• CAM-системы (Computer Manufacturing Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и подготовки программ для этих станков.

Работая в CAD-системе, студент создаёт цифровые макеты (3D модели) проектируемых деталей, которые, возможно, в натуральном исполнении ещё не видел в своей жизни и поэтому даже не представлял, как они выглядят. Современные CAD-системы позволяют манипулировать 3D моделью детали в режиме реального времени, проанализировать внешнюю форму детали, сделать простые, сложные или местные разрезы и увидеть внутренне строение детали.  Особенно эффективно создание цифрового макета (3D модели) сборочного узла. Сегодня при отсутствии достаточной довузовской технико-технологической подготовки (особенно в школах) многие студенты не представляют устройство даже самых простых и типовых деталей и механизмов машин, не говоря уже о какой-то специальной технике. При создании и анализе компьютерной 3D модели сборочного узла студент лучше, чем на обычном плакате, понимает место и назначение каждой детали в сборке, её взаимодействие с другими деталями. А наличие в CAD-системах встроенных модулей анимации позволяет смоделировать и лучше понять работу спроектированных (но ещё несуществующих) деталей и  узлов. С помощью анимации можно анализировать поведение кинематических механизмов и взаиморасположение деталей сборочных конструкций. Поэтому преподаватели общетехнических и профильных дисциплин, в которых изучаются детали машин, основы проектирования и конструирования, технологическое оборудование и оснастка и др., должны обязательно иметь навыки работы в современных CAD-системах  для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Работая в CAE-системе, студент лучше изучает расчётные методы (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) решения инженерных задач, а динамическая визуализация результатов расчетов позволяет оценить, как «поведёт себя» компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации (нагружение, нагревание, вибрации), помогают убедиться в работоспособности изделия. Возможность перемещения и вращения модели детали на экране монитора ПК позволяет визуализировать и проанализировать будущее эксплуатационное состояние изделия более подробно. Традиционные области анализа включают в себя: анализ напряжений в деталях и сборках методом конечных элементов, анализ тепловых и жидкостных потоков методами вычислительной гидрогазодинамики, анализ кинематики механизмов, моделирование динамических механических взаимодействий, моделирование производственных операций (литье, прессование и проч.). Потому преподаватели общетехнических и профильных дисциплин, в которых изучаются теоретическая механика, сопротивление материалов, детали машин, работоспособность технологических систем и т.д., должны обязательно иметь навыки работы в современных CAE-системах  для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Работая в CAPP-системе, студент создает модель технологического процесса изготовления изделия для производственных условий конкретного предприятия. Современные CAPP-системы имеют библиотеки оборудования, инструмента и оснастки (технические характеристики, фотографии, цифровые макеты, видеоролики). Выбирая станок, инструмент, оснастку студент визуально лучше представляет производственное технологическое оснащение, что способствует закреплению теоретических знаний по специальным дисциплинам. Для работы в CAPP-системе студент должен уметь работать в CAD-системах, так как цифровые макеты (3D модели) деталей машин помогают студенту лучше понять технологию изготовления этих деталей.

Работая в CAM-системе, студент создаёт модель процесса обработки изделия на станках с ЧПУ. Анимация компьютерных геометрических моделей обрабатываемой детали и инструмента позволяет студенту визуализировать и лучше понять перемещения инструмента в процессе обработки, смоделировать возможные столкновения инструмента и механизмов рабочей зоны станка с ЧПУ,  проанализировать свои технологические решения и достаточно быстро получить управляющую программу для конкретных стоек систем ЧПУ.

Следовательно, преподаватели технологических дисциплин должны обязательно иметь навыки работы в CAD/CAPP/CAM-системах для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Заключение

Сегодня наибольший интерес в образовательном процессе представляют проблемно ориентированные программные комплексы, которые могут использоваться как инструмент формирования проектного решения. Как было показано выше, системы автоматизированного проектирования имеют аналогичную структуру, мощные средства динамической визуализации, как компьютерные обучающие системы. Во всех современных САПР есть встроенная, достаточно объемная, справочная система, а во многих – встроенные «азбуки» проектирования. В САПР автоматизированное проектирование выступает как инструмент закрепления старых и получения новых знаний по дисциплинам специализации (профилизации), а динамически визуализированные объекты проектирования сродни визуализированным объектам учебного материала в компьютерных обучающих системах. Таким образом, можно сказать, что современные системы автоматизированного проектирования в определенной мере выполняют функции компьютерных обучающих систем, за исключением функции автоматизированного контроля полученных знаний и навыков.

3D моделирование -  получение трехмерной проекции с использованием формы и цвета. 3D изображение не просто рисунок, а модель реального пространства. И спроектировать возможно всякие предметы, начиная от табуретки и заканчивая сложными зданиями.  Можно создавать внутреннее убранство комнат домов, сами дома, а также целые жилые комплексы. Применительно к строительству жилых домов, при использовании современных технологий с помощью 3D графики, возможно, очень точно воспроизвести, как в окружении уже существующих домов на заданном рельефе местности будет выглядеть вновь построенное здание. И все это при помощи 3D модели. Также можно воспроизвести несколько вариантов постройки объекта или создания дизайна помещений, для того, чтобы, в конечном счете, клиент мог выбрать приглянувшейся. Задача любого дизайнера донести свою идею, свое видение объекта до заказчика. С помощью 3D графики возможно максимально правдоподобно, объемно и ярко отразить объект, и не важно – реально построенный он или только спроектированный.

Визуализация интерьера зданий интересна не только исполнителям, но и заказчикам дизайнерских проектов. Трёхмерное моделирование внутреннего убранства помещения должно отражать все требования заказчика. Проработать несколько возможных вариантов дизайн проектов с использованием визуализации в 3D модели гораздо дешевле, чем построить объект, создать внутренне убранство помещений, которые не будет соответствовать пожеланиям клиента.

Визуализация с помощью 3-D моделирования  для дизайнера помогает решить следующие задачи:

1. Помогает получить качественный дизайн проект, так как разработка проекта идет в 3D пространстве и в реальном времени.

2. Как можно точнее и быстрее согласовать дизайн проект с заказчиком и получить дальнейшие рекомендации для разработки утвержденного варианта.

3. Способствует взаимопониманию и помогает избежать недовольства клиента конечным результатом и лишних переделок.

4. Привлекает заказчиков, поскольку наглядность дизайн проектов воплощает все пожелания клиентов и задумку дизайнера.

5. Облегчает общение с подрядными организациями: от поставщиков материалов до строителей. Наглядность 3D изображения помогает объяснить некоторые функции материалов и комплектующих.

Чем нагляднее и качественнее исполнена визуализация дизайн проекта, тем быстрее и проще согласовать ее с заказчиком. Ведь с ее помощью можно достаточно достоверно показать все важные делали и акценты в естественном свете, в правильных материалах и текстурах.

Подача изображения в 3D модели лучше всего иллюстрирует работу дизайнера — тот результат, за который заказчик и платит деньги. Также проектируемый объект можно отразить в разных ракурсах, с разным освещением в разное время суток.

Для реализации трехмерного проекта интерьера квартиры или дома в настоящее время на рынке представлено множество графических редакторов. Описание некоторых из них представлено ниже:

1. Графический редактор 3ds Max, разрешает реализовывать любую визуализацию различных проектов, накладывать тени, свет и прочие специальные эффекты, позволяющие создать впечатление реалистичного образа. С использованием 3d max моделирование можно изобразить любую дизайнерскую задумку.

2. С помощью инструментальных средств пакета Data Becker 3D пользователь может создавать интерьер вполне реальной или виртуальной квартиры, обклеить обоями стены, расположить мебель и потом даже увидеть результат изнутри.

3. 3D Apartment and Condo Designer поможет отразить дизайн вашего будущего здания – от обычной комнаты, до большого дома. С его помощью можно проектировать как внутреннее убранство, так и наружное убранство.

Данная программа оснащена 2D интерфейсом для получения проекта, в котором можно создать планировку здания: комнаты, оконные проемы, двери и так далее.

В программе предусмотрена галерея, в которой находятся множество объектов, которые можно просто выбрать из списка и перетащить его в проект. Среди них предусмотрены объекты для разных комнат: мебель для спален, гостиных, детских и т.д.

4. Broderbund 3D Home Architect Professional – это программа, которая позволяет достаточно удобно и быстро создать ваш виртуальный дом. Кроме того программа обладает мощными 3D возможностями, с помощью которых вы сможете его увидеть.  Программа 3D Home достаточно проста в использовании. В программе заложены специальные функции, с помощью которых автоматически выскакивает предупреждение о неправильном расположении предметов, например, если вы случайно поставили кровать на комод.

5. Пакет 3D Home Architect Home Design Deluxe предназначен для проектирования помещений. Практически это “набор домашнего архитектора”. Он предоставляет большие наборы инструментов для дизайна, расцветок обоев и макетов предметов обстановки и т. п.; а также, представлены типовые планировки одно-двухэтажных домов. Кроме того, программа 3D Home удобна в использовании.

6. Cadsoft Envisioneer – это приложение для 3D моделирования в архитектуре. В нем имеется большая база стандартных изделий.

Данная программа преобразует нарисованный двухмерный план дома, включая такие объекты как стены, окна, двери, крышу и лестницы, в трехмерную модель. После 3D-рендеринга дом можно подвергнуть рассмотрению с разных ракурсов, а также изменить режим просмотра от реалистичного текстурного вида до прозрачного каркаса. Кроме “строительства” каркаса дома, доступна функция расстановки и некоторых предметов обстановки.

Некоторые полагают, что компьютерная визуализация помещения  – это скорее дань моде и игрушка, чем насущная потребность, потому что дизайн проект также можно сделать эскизом на бумаге. Однако эскиз, выполненный от руки, или даже двумерный точный план дизайна помещения, не сможет достаточно четко отразить всю полноту картины как трехмерное моделирование интерьера помещения. Современные архитекторы и дизайнеры это прекрасно понимают и все чаще используют в своей работе 3D графику.

В заключении хотелось бы отметить основные  преимущества 3D моделирование интерьера:

Во-первых, 3D моделирование интерьера затрачивает у дизайнеров значительно меньше времени, чем качественная ручная работа по визуализации дизайн проекта. Проектировщик, при получении 3D дизайна интерьера пользуется уже созданными по необходимым ему параметрам объектами: стенами, дверьми, окнами и мебелью, а не просто линиями, из которых эти объекты состоят. Не смотря на то, что проектирование 3D модели достаточно трудоемкий и затратный по времени процесс, но данные трудности компенсируются впоследствии легкостью внесения изменений в освещении, расположении предметов и т.д. Внести подобные изменения в эскиз, сделанный от руки  практически неосуществимо.

Во-вторых, 3D визуализация - это не только красивая картинка, но и уже готовые планы и точные расчеты, так как пакеты приложений и программ, в которых создается 3D модель интерьера, реализуют их автоматически. Причем, если где-то в проекте производят изменения, то и все планы и расчеты так же автоматически изменяются.

В-третьих, визуализация интерьера – это уникальная возможность воссоздать полную 3D презентацию нового облика дома. Проектировщик может с самых выгодных сторон показать сотворенный им 3D интерьер и фактически провести клиента по всем и х помещениям и комнатам внутри виртуального дома.

Они представляют собой особую технику визуализации мышления в виде древовидной схемы. Или другими словами, это определённое схематичное изображение, на котором заключены основные мысли и ключевые слова.  В отличие от обычного сплошного текста при создании ментальной карты, главная тема располагается в центре листа, а от неё отходят ветви с ключевыми мыслями, выраженными в словах (рисунок 1).

Рисунок 1 – Интеллектуальная карта

Благодаря ментальным картам лучше усваивается информация. Высокая эффективность данной схемы объясняется особенностью человеческой психологии – воспринимать информацию в целостном виде, как бы сканируя. Такой способ подачи информации наиболее подходит для эффективного восприятия, так как всё самое важное видно сразу, и мозг сразу фиксирует это. А подкрепляют информацию визуальные образы, то есть картинки. Поэтому привычные нам километры бесполезного текста на лекциях в обычных конспектах так быстро утомляют и надоедают.

Для того, что бы составить ментальную карту, не нужно много усилий и средств, достаточно ручки, листа бумаги и желания. Но так же существуют и онлайн сервисы, такие как: Coggle, Xmind, Mapul, MindMeister. Все эти программы, позволяют выполнять майндмэппинг в цифровом режиме.

Ментальные карты могут применяться в различных областях нашей жизни: от повседневных построений планов на день, до записи конспектов в учебных заведениях.

Данные схемы незаменимы в учебном процессе. Изучение и понимание материала можно ускорить, если отображать основные мысли и идеи в древовидной форме. Все записи можно подкреплять тематическими рисунками, которые автоматически подбирают сервисы для построения карт.

А поскольку вся информация упорядочивается  в виде в многоуровневую систему, то время, затраченное на поиск и сортировку данных значительно сокращается.

Ментальные карты продолжают развиваться и набирать популярность во всем мире. Она поможет как с решением повседневных задач, так и с целями в профессиональном плане. Как уже выяснили, главной достоинством этого метода является простота и схематичность изложения мысли. А также ментальные карты позволяют с творчеством подойти к планированию, и научиться рисовать красивые майндмэпы. Ведь одна картинка может заменить тысячу слов.

В мировой образовательной практике широко используются различные виртуальные платформы, основанные на игровом сценарии и ориентированные на различные возрастные категории пользователей, например, World of Classcraft (WoC) в ней монстры − это домашние задания, сражения с боссами − контрольные и тесты, а классная комната − пространство для игры, добавляющей ученикам мотивации, желания учиться и стать «воином самого высокого уровня» в классе; MinecraftEdu (разработчик TeacherGaming LLC) – по состоянию на декабрь 2013 года, приложение MinecraftEdu вошло в учебную программу почти 1000 школ в США и стало обязательным в одной из шведских школ; в приложении Zombie-Based Learning традиционный учебник заменен графическими материалами с зомби, а уроки содержат элементы игры; и т. д.

Виртуальный мир vACADEMIA создан на базе открытой платформы OpenSimulator (или OpenSim). Сервер OpenSim обслуживает один или несколько участков виртуальной земли (регионов, симов) и может быть запущен как отдельно (standalone mode), так и в составе сети серверов (grid mode). Подключенные к серверу пользователи представлены в виде своих 3-х мерных виртуальных образов – аватаров.

Интернет ресурс vACADEMIA предоставляет нам большой выбор формата проведения лекций, конференций, семинаров и т.п. Их можно вести на разных локациях, в любое время. Все действия происходят в виртуальном мире, а люди – это аватары созданные пользователем ресурса. Программа обеспечивает широкий набор инструментов для преподавания и совместной учебной деятельности: интерактивные доски; указки; инструменты для рисования на доске; презентации (Созданные в пакете Microsoft Office); систему голосования; квесты и т.д.

Основным удобством, этого образовательного ресурса является возможность удаленного доступа к файлам, рабочему столу, приложениям. Пользователи программы имеют возможность обмениваться информацией, показывать её, при этом находясь в разных городах или странах.

Используемые в vACADEMIA квесты представляют собой задания, при выполнении которого обучаемый получает требуемые знания и умения. Преподаватель, назначающий занятия, может устроить начальную проверку знаний своему ученику с помощью квестов.

Связь между учеником и учителем может происходить с помощью веб-камер, тем самым создавая эффект присутствия, как на живом, аудиторном занятии. Помимо классических уроков, в программе можно разыгрывать ролевые сценки, например, судебное дело, в котором будет участвовать судья, подсудимый, прокурор, адвокат и т.д.

Основным преимуществом vACADEMIA перед другими образовательными виртуальными ресурсами является способность выполнять 3D записи занятий (вирткасты), что позволяет создавать новый тип образовательного контента.

Программа vACADEMIA имеет все, что необходимо для эффективного обучения. Она хорошо оптимизирована для начинающего пользователя, имеет доступный, интуитивно понятный интерфейс, воспринимаемый широким кругом пользователей.

К недостаткам программа vACADEMIA можно отнести отсутствие функционала, обеспечивающего учет успеваемости обучаемых. Для повышения мотивации обучающихся к повышению качества обучения, а также с целью обеспечения открытости образовательного процесса целесообразно разработки модуля учета успеваемости обучающихся. Функционал используемой открытой платформы OpenSimulator так же не позволяет в полной мере реализовать систему учета и отображения успеваемости.

В рамках решения этой задачи на платформе “1С: Предприятие 8″ разработан модуль “Учет успеваемости обучающихся”. Основные задачи модуля:

- ввод оценок;

- формирования экзаменационных ведомостей и листов (групповых и индивидуальных);

- определение тем курсовых и дипломных проектов и работ;

- формирования отчетности по результатам обучения.

В основу разрабатываемого модуля положена событийная технология ввода данных, то есть любой бумажный документ, порождающий или сопровождающий событие, должен быть зафиксирован в системе .

Таким образом, разработанный модуль “Учет успеваемости обучающихся”, позволяющий документировать обучение на платформе OpenSimulator, предлагается использовать в программе vACADEMIA.

Локтевич Екатерина Вячеславовна

кандидат филологических наук, доцент БГУ

Современная медиареальность побуждает интернет-издания осваивать новые форматы, отвечающие запросам эпохи. Средства массовой информации стараются учитывать горизонт ожиданий аудитории, адаптируя контент для последующего удобного, эффективного и креативно-диалогового усвоения. Складывается «идея кроссплатформенного контента, направленная на активизацию поведенческих моделей аудитории», что позволяет воспринимающему сознанию самостоятельно создавать актуальную повестку дня [1]. Использование СМИ новых приемов и техник (ре)презентации текста позволяет приблизиться к интересам потребителя культурного события.

Интерактивность и мультимедийность Интернета связаны с философией постмодернистской эпохи, которая «отличается стремлением к получению удовольствия за счет развлечений» [1]. Аспект игры становится доминирующим в характеристике виртуальной аудитории и связан с работой массмедиа: «Любая информация, — подчеркивает Е.С. Дорощук, — должна приносить максимум удовольствия вне зависимости от содержания» [1]. Поиск новых форм предоставления контента помогает справиться с двумя задачами: удовлетворить большую часть запросов пользователей и повысить информативность создаваемого для них материала.

Игра с аудиторией заключается в возможности дать почувствовать читателю себя в активной роли, например, посредством создания собственного медиапространства. Поэтому появляется необходимость «в использовании новых медиаформатов трансляции контента на различных платформах» [1], что объясняет актуализацию подкаста, расширяющего представления о взаимодействии традиционных и новых жанров. Жанр в медиа определяет структуру и особенности подачи информации. Таким образом, материал конструируется в соответствии с целевой аудиторией издания. Выделяют следующие признаки медиажанра: ориентирование на целевую аудиторию, повторяемость, протяженность во времени, программируемость, учитывание актуальных общепринятых правил подачи информации [1].

Подкаст в классификации А.А. Тертычного относится к мономедийным интернет-жанрам, так как его посредством информация подается в аудио-формате [2]. Однако в современной практике появились и видеоподкасты, когда для подачи материала используются звучащие слова, изображения или их комплекс. В качестве центральных исследователи выделяют такие черты подкаста, как разговорный стиль изложения и упрощенность подачи информации [1], что подразумевает возможность высказать личную точку зрения, основанную на собственном опыте. Такая коммуникация будет строиться на диалоге ведущего и приглашенного. В качестве гостя может выступать эксперт, но, несмотря на это, разговор даже на самую сложную тему осуществляется в более «мягкой» и доступной форме. Эти возможности подкаста помогают в достижении эффекта образования через игру, развлечения, соответствующего постмодернистским принципам.

Подкаст обладает следующими особенностями [2]:

1. Возможность оперативного реагирования на событие. Большинство подкастов тесно связаны с темой и проблемами, которые освещаются в основном издании.
2. Расширение аудитории. Читателей привлекает разнообразие мнений, что «достигается широким экспертным контентом» [2], причем формат беседы позволяет использовать прием спонтанности, ситуативности.
3. Удерживание внимание. Для подкаста выбирается конкретная, точно и креативно сформулированная тема, выбор которой осуществляется с учетом интересов аудитории, что делает материал востребованным. Активные пользователи, создающие собственную повестку дня, могут распространить информацию среди других реципиентных групп. Еще один фактор, делающий подкаст значимым для пользователей: возможность обсуждения темы с точки зрения социальной значимости.
4. Персонификация. Использование этого приема в создании подкастов помогает выстроить связь с аудиторией, так как пользователь олицетворяет получаемую информацию с собой.
5. Интерактивность. Специфика разговорного контента роднит подкаст с блогом, потому как реципиента привлекает возможность свободного обмена мнениями.
6. Доступность. Благодаря подкасту СМИ имеют возможность сделать потребление контента аудиторией более удобным, особенно если печатный текст предполагает большой объем. Поэтому, например, издания, которые избрали одним из своих постоянных жанров лонгриды, используют в практике формат подкастов.

Подкасты являются довольно популярным жанровым форматом в интернет-изданиях, развитие подкастинга привело к появлению различных тематик. Выделяются следующие виды подкастов: музыкальные специализированные (беседы о музыке, композиторах, исполнителях и др.), спортивные специализированные, литературно-художественные специализированные (аудиолекции, аудиоблоги, аудиокниги), геймерские специализированные, образовательно-познавательные, информационно-новостные, документальные, дневниковые (путешествия, здоровый образ жизни и др.), нишевые подкасты разных тематик (история, экономика и др.) [2].

Технология подкастинга широко используется в СМИ различной направленности. Спектр тем может быть довольно разнообразен: обсуждение актуальных общественных и культурных вопросов, социальные проблемы (карьера, финансы, история искусства) и др. Формат подкаста используют и специализированные интернет-издания. Например, интернет-журнал об искусстве «Арзамас», который активно развивает направление подкаста [3], в аудиоформате подает лекции, интервью, обсуждения, отдельно озвученные материалы, включает раздел с подкастами для детей [4], куда также входят короткие аудиолекции, радиоспектакли и пр.

Среди белорусских СМИ также можно выделить некоторые примеры подкастинговой активности. Например, на портале «Онлайнер» есть отдельный спецпроект «Прослушка» — подкасты о киноиндустрии [5], журнал «34travel» выпускает подкасты об истории Беларуси [6], в аудиоформате рассказывают о литературе («Кніжная Шафа» [7] и «Белліт» [8]). Важно то, что интеренте-издания стараются распространять подкасты на разных платформах для аудиоматериалов, что помогает значительно расширить круг аудитории, подстроиться под предпочтения разных групп пользователей. Вместе с тем белорусские литературно-художественные издания не всегда стремятся к развитию в своей практике подкастинговое направление. Это может быть аргументировано несколькими причинами: психологическая неготовность редакции, введение нового формата предполагает повышение технических затрат и обновление человеческих ресурсов, направленность на узкую целевую аудиторию. Так, журналы «Полымя» и «Неман» больше ориентируются на круг профессиональных литераторов, читателей старшего поколения. Однако журнал «Маладосць», с нашей точки зрения, мог бы актуализировать формат подкаста, ведь молодых пользователей привлечет разнообразие контента. Также необходимо учитывать, что основная версия белорусского литературно-художественного журнала — печатный номер. Полагаем, что интернет-портал выступает сегодня только как дополнительное вспомогательное направление традиционного печатного издания, поэтому подкастинговая активность существенно могла бы стимулировать рост читательской аудитории.

Современные интернет-издания уже успели освоить графическую визуализацию. Визуальные образы оказывают стремительное и эмотивно-устойчивое воздействие на сознание читателя. В отличие от печатных текстов, они запоминаются человеком гораздо лучше, ведь «визуализация — это наглядность, доказательность и убедительность» [9, с. 91]. Визуализация делает материалы доступнее, создает привлекательное оформление, что удерживает внимание аудитории и, соответственно, расширяет ее. Для авторов это важный инструмент для работы с информацией. Визуализация расширяет содержание материала, насыщает его важными деталями, оказывает влияние на эмоциональную сферу пользователя. При этом иллюстрации не предполагают упрощение. С помощью графики можно раскрыть даже самую сложную тему, так как визуализация сделает ее понятнее широкому кругу читателей. Поэтому иногда в материалах СМИ используется инфографика: любую информацию человек готов постичь быстрее через визуализацию.

Визуализировать можно любой материал, особенно это очевидно в реконструкции хода событий, при наглядной демонстрации каких-либо тенденций и объяснении «самых запутанных ситуаций» [9, с. 92]. Иллюстрации, являясь формальной частью текста, позволяют авторам более точно выразить творческий замысел и переосмыслить жанровые «пределы» готовящегося к публикации материала. Типы графической визуализации разнообразны: фотографии, рисунки, инфографика, анимация, видеовставки. Глобальное пространство создает огромное количество вариантов оформления материалов. Иллюстрации участвуют в формировании моно- и мультимедийных жанров и таким образом воздействуют на фокус восприятия всех уровней текста. Графическая визуализация выполняет функцию документа, передает эмотивные настроения, оказывает воздействие на читателя и в этом существенно преуспевает (хорошее оформление текста привлекает аудиторию). Также фотография дает лучшее понимание материала, точнее раскрывает его содержание, служит наглядным подтверждением того, о чем говорится в публикации. Визуализация раскрывает авторский замысел, может стать частью творческого эксперимента.

Включение в печатный текст графического материала — распространенный пример креолизации, который формирует жанровую парадигму интернет-медиа. Современные издания уже освоили данный способ и активно используют его в своей практике. Характер используемых иллюстраций часто зависит от характера СМИ. Например, в публикациях массовых изданий более выражена экспрессивная функция, тогда как специализированные СМИ используют визуальный материал как документальную часть текста. Иллюстрация также формирует структуру текста, играя роль «разделителя»: таким образом, печатная публикация становится удобнее для чтения — чередуется тип восприятия информации пользователем.

Белорусские литературно-художественные издания в качестве графической визуализации чаще используют фотографии. Это могут быть портреты героев журналистского материала, обложки книг, страницы документов и др. Иллюстрируется то, о чем ведется речь в тексте, что реализует демонстрационную функцию. «Неман» и «Полымя» используют фотографии в статьях, научных эссе как документальное подтверждение написанному [10; 11]. Таким образом, сложный для восприятия жанр становится доступнее. При этом визуальный контент не применяется для построения четкой структуры, разделения на смысловые текстовые блоки — это осуществляется за счет врезок, смены начертания шрифта. Журнал «Маладосць» пользуется визуальными элементами как дополнением к рецензиям [12], и в данном случае авторы стараются встроить их в единую структуру. Также, например, фотографии авторов публикуемых литературных произведений, используются как обложки. «Літаратура і Мастацтва» применяет графическую визуализацию для своих рецензий в формате репортажа, с помощью чего достигается эффект непосредственного присутствия [13]. Можно сказать, что иллюстративные элементы в той или иной форме используются в публикациях всех жанров, адаптируя традиционный печатный текст для условий интернет-среды.

Однако стоит отметить, что белорусским литературно-художественным журналам все-таки иногда не хватает экспрессивности, разнообразия визуального контента. Использование сложной композиции, сюжетности, что придает выразительности, авторских иллюстраций и сохранение документальности — может быть успешным сочетанием для продвижения литературного события в интернет-среде. Достойная графическая визуализация создает больше возможностей для реализации творческий способностей автора, привлекает аудиторию и удовлетворяет ее потребность в информативности медиа.

Коммуникация в Интернете является важной частью существования современного общества. Принципиально дать каждому возможность общаться свободно, найти единомышленников. В виртуальном пространстве пользователи объединяются в группы по общим интересам, конструируют собственную информационную среду. Общение воспринимается как своего рода досуг, стираются формальные рамки. Возникновение социальных сетей вывело межличностные отношения на глобальный уровень [14, с. 64]. Данный формат медиа наиболее актуален за счет связи со спецификой интернет-пространства: обмен информацией между пользователями происходит непрерывно, и общение происходит в неформальной обстановке. Таким образом, «социальные медиа — это разновидность массмедиа, основанных на интернет-технологиях, позволяющих общаться, создавать контент и обмениваться им в виртуальных группах и сетях» [14, с. 65].

Социальные сети — это особая коммуникационная среда, где происходит синтез устной и письменной речи [14, с. 65]: взаимодействие происходит через печатный текст, который уподобляется разговорному. Предполагается, что реакция пользователей должна быть быстрой, и это влечет за собой изменения в языке: незаконченность, сокращения, редукцию (запись слов, словосочетаний аббревиатурой) [14, с. 65]. Сочетаются разные языковые системы: для выражения эмоций в текст включаются графические элементы, используется сокращение слов, заменяются сочетания букв цифрами, близкими по звучанию. Социальная сеть имеет сложную структуру, складывающуюся из двух сторон: организаторами взаимодействия и его непосредственными участниками [14, с. 65]. Пользовательское общество довольно разнородно: состоять оно может из высокообразованных людей, представителей субкультур и др. Но в условиях Интернета все оказываются равными, так как связь формируется через общие ориентиры. Виртуальное пространство преобразует личность человека на основе его коммуникативных способностей. При этом в сообществах социальных сетей существует определенная иерархия и правила, нормы, регулирующее общение. Верхний «этаж» этой иерархии составляют люди, которые следят за эффективной работой интернет-площадки.

Социальные сети «предоставляют новые возможности для реализации социальных потребностей» [14, с. 68], они совмещают разные практики (ре)презентации информации. Характерная для социальных сетей интерактивность порождает синтез элементов разных медиа, требует включения игровые элементов (геймификации) как способа привлечения внимания пользователей. Так как виртуальное пространство основано, прежде всего, на коммуникации, то ярче выражается диалоговое начало. Все эти тенденции в разной мере перенимают интернет-издания.

Многие из современных средств массовой информации создают свои аккаунты в социальных сетях в дополнение к основному интернет-порталу. Список используемых платформ оказывается довольно разнообразным: так издания стараются подстроиться под широкую аудиторию, создать для нее наиболее оптимальные условия взаимодействия. Современные СМИ не ограничиваются только одним видом медиа и используют в своей практике печатный текст, фото-, видео- и аудиоформаты. Аккаунты в социальных сетях нередко используются как возможность мгновенной и свободной коммуникации с аудиторией. Отдельные СМИ переходят в мессенджеры, где создают специальные чаты с участниками. В большинстве сообществ открыты комментарии: пользователи могут быстро поделиться мнениями, выразить реакцию на информационное сообщение. Открытость интернет-изданий усиливает лояльность аудитории. В социальных сетях СМИ чаще публикуют анонсы, оповещающие пользователей о появлении нового материала. Однако могут быть опубликованы и отдельные информационные сообщения, зачастую в форме коротких заметок, так как в виртуальных сообществах взаимодействие происходит в более скоростном режиме. Форма текста адаптируется под условия интернет-коммуникации, изменяются стилистические особенности жанра: уменьшение объема, включение графических элементов, неформальный характер.

Белорусские литературно-художественные журналы имеют довольно узкий спектр используемых социальных сетей. Некоторые не имеют аккаунтов, кроме официального сайта («Полымя», «Неман»). «Маладосць» ранее имела сообщество в сети «Вконтакте» и на платформе «Инстаграм»*, но на данный момент они прекратили свою деятельность. Газета «Літаратура і Мастацтва» функционировала в «Вконтакте» [15], более активно проявляла себя на «Фейсбуке»* [16]. В «Фейсбуке»* газета публикует контент, близкий содержанию печатных номеров, который также размещается и на сайте, — интервью, рецензии, репортажи, статьи. Издание использует свое сообщество как дополнительную платформу распространения материалов.

Особенность белорусских литературно-художественных журналов заключается в том, что они входили в единый холдинг. На сайтах даются прямые ссылки на разные социальные сети, но все они переходят на сообщество издательства «Звязды». Предположительно, это был основной источник связи с редакциями, и там же публиковались анонсы материалов, короткие заметки. Однако такой способ организации не совсем эффективен: пользователь испытывает неудобства в поиске интересующей его информации. Некоторые аккаунты современных белорусских литературно-художественных изданий помогают сегментировать аудиторию, разделить ее в соответствии с интересами. Выход на разные платформы способствует расширению влияния СМИ. Очевидно, что дальнейшее осмысление путей обновления жанровой парадигмы интернет-версии белорусского литературно-художественного издания необходимо для составления приоритетных направлений в развитии современных СМИ, ориентированных на совершенствование диалогических возможностей «текста» в новых условиях динамики культуры.

Предобработка данных — это неотъемлемая часть процесса машинного обучения, которая включает в себя подготовку и очистку данных перед их использованием в моделях. Качество данных оказывает непосредственное влияние на точность и производительность моделей. Недостатки в данных, такие как пропуски, дубликаты и выбросы, могут привести к неправильным выводам и ухудшению результатов обучения.

Важность предобработки данных становится особенно актуальной в условиях больших объемов информации, с которыми сталкиваются современные системы машинного обучения. Эффективные методы предобработки позволяют не только улучшить качество входных данных, но и оптимизировать обучение моделей, что в конечном итоге приводит к более точным прогнозам и выводам. Таким образом, понимание основ предобработки данных и применение правильных методов является ключевым фактором для успешной реализации проектов в области машинного обучения.

Понимание данных

Понимание структуры и характеристик данных — это первый шаг на пути к их эффективной предобработке. Этот этап включает в себя анализ и визуализацию данных, что позволяет исследовать их распределение, выявлять аномалии и лучше понимать связи между признаками.

Для анализа данных часто используются библиотеки Python, такие как Pandas и Matplotlib.
При помощи Pandas можно удобно манипулировать данными, используя такие методы, как describe(), который предоставляет статистическую информацию о числовых столбцах, и info(), который позволяет получить общее представление о DataFrame. Визуализация данных с помощью Matplotlib и Seaborn помогает графически представить распределение данных, выявить потенциальные аномалии и выявить паттерны, которые могут быть полезны для дальнейшей предобработки.

Применение инструментов для визуализации данных, таких как гистограммы, диаграммы рассеяния и ящики с усами, позволяет лучше понять распределения и зависимости между переменными. Например, гистограммы могут показать распределение отдельных признаков, а диаграммы рассеяния помогут выявить взаимосвязи между двумя количественными переменными.

Очистка данных

Очистка данных — это важный этап предобработки, который включает в себя несколько ключевых процессов: обработку пропусков, удаление дубликатов и обработку выбросов. Каждый из этих процессов необходим для повышения качества данных и, как следствие, улучшения работы моделей машинного обучения.

Обработка пропусков

Пропуски в данных могут возникать по различным причинам: ошибки при сборе данных, некорректные записи или технические сбои. Обработка пропусков может выполняться различными методами:

1. Удаление строк/столбцов:

• Если в определенной строке или столбце слишком много пропусков, имеет смысл удалить их. Например, если в столбце содержится более 30% пропусков, его можно исключить из анализа, так как такой объем недостающих данных может сильно исказить результаты. Удаление строк с пропусками также может быть уместным, особенно если потеря информации не критична.

2. Импутация значений:

• Импутация — это процесс заполнения пропусков определенными значениями [1]. Существует несколько подходов:
  • Среднее значение: наиболее распространенный метод, при котором пропуски заполняются средним значением по этому столбцу. Это удобно, но может быть неэффективно, если данные имеют выбросы.
  • Медиана: лучше подходит для данных с выбросами, так как менее чувствительна к экстремальным значениям. Заполнение пропусков медианой помогает сохранить распределение данных.
  • Модальное значение: этот метод используется для категориальных данных, когда пропуски заменяются наиболее часто встречающимся значением в столбце.

Удаление дубликатов

Дубликаты в данных могут привести к искажению результатов анализа и моделирования. Методы для обнаружения и удаления дубликатов:
1. Обнаружение дубликатов:

• Для выявления дублирующихся строк используется специальный механизм, который сравнивает значения всех или определённых столбцов. Это позволяет быстро находить записи, которые полностью идентичны или имеют схожие характеристики.

2. Удаление дубликатов:

• После выявления дубликатов необходимо принять решение о том, как с ними поступить. Обычно удаляется повторяющаяся запись, оставляя только одну, что помогает предотвратить искажение статистики и моделей. Это особенно важно, когда дублирующиеся данные могут привести к переоценке или недооценке значимости определённых признаков.

Обработка выбросов

Выбросы — это аномальные значения, которые значительно отличаются от остальных данных. Они могут возникать как следствие ошибок измерений или же представлять собой настоящие вариации в данных. Методы для выявления и удаления выбросов:
1. Визуализация:

• Используйте графики для выявления выбросов. Гистограммы и диаграммы размаха помогут вам наглядно увидеть, какие значения значительно отклоняются от остальных.

2. Удаление по порогу:

• Установите логические границы для ваших данных и удалите значения, которые их превышают. Например, если у вас данные о возрасте, и вы знаете, что не должно быть людей старше 120 лет, удалите эти значения.

3. Замена выбросов:

• Если выбросы были обнаружены, замените их на медиану или другое приемлемое значение, чтобы сохранить общее распределение данных.

Преобразование данных

Преобразование данных — это процесс подготовки и изменения исходных данных таким образом, чтобы они стали удобными и полезными для машинного обучения и анализа.

Нормализация

Нормализация — это приведение числовых признаков модели к одинаковому масштабу или диапазону. Данный процесс используют для того, чтобы все признаки (переменные) в данных были “на одном уровне”. Это предотвращает влияние на модель таких ситуаций, когда один признак выражается в тысячах, а другой — в единицах. [2]

Самым простым случаем нормализации является Min-Max Scaling.

Min-Max Scaling — это метод нормализации данных, при котором каждый элемент данных преобразуется в новое значение в определённом диапазоне, обычно от 0 до 1. Формула для применения Min-Max Scaling следующая:

где:

• x – исходное значение данных;
• - нормализованное значение;
• min(x) — минимальное значение в выборке;
• max(x) — максимальное значение в выборке.

Представим визуализацию примера использования данной нормализации на Рисунке 3.

Как мы видим, интервал значений преобразовался от [0;70] до [0;1].

Стандартизация

Нормализация используется, когда возникает необходимость привести данные к одинаковому для всех признаков диапазону (например, [0, 1]).

Стандартизация же, в свою очередь, используется, когда данные имеют разные распределения или когда важно сохранить среднее и стандартное отклонение.

Стандартизация — это процесс, при котором данные преобразуются таким образом, чтобы каждый из признаков имел среднее значение 0 и стандартное отклонение 1.

При применении данного действия признаки принимают одинаковую “масштабируемость” и одинаково влияют на модель, независимо от того, в каком диапазоне они находятся.

Примером стандартизации является Z-score Normalization.

Z-score — это метод нормализации данных, который помогает привести данные к стандартному нормальному распределению, где среднее значение μ равно 0, а стандартное отклонение σ — 1. Такой подход используется, когда нужно, чтобы данные были “приведены к одинаковому масштабу”, но с сохранением их распределения. Формула данной стандартизации следующая:

где:

• x — исходное значение;
• z — нормализованное значение (Z-score);
• μ — среднее значение выборки;
• σ — стандартное отклонение выборки.

Пример стандартизации представлен на Рисунке 4.

Заметим, что при стандартизации значения как-бы сравниваются со средним выборки, показывая, какое количество стандартных отклонений находится между конкретным значением и средним.

Преобразования категориальных переменных

Категориальные переменные — это такие переменные, которые представляют собой категории или группы. Например, “цвет” может быть категориальной переменной с такими значениями как “красный”, “синий” и “зелёный”.

При работе с категориальными переменными закономерно возникает вопрос: каким образом провести их непосредственный анализ. Для этого как правило производят преобразование категориальных переменных в числовые. Ниже представлен пример преобразования:

Создание новых признаков

Создание новых признаков — это процесс, при котором мы извлекаем дополнительную информацию из исходных данных, чтобы помочь модели лучше делать предсказания.

Приведем пример: если у нас есть количество покупок, которые клиент делает в месяц, мы можем создать новый признак, умножив это число на 12, чтобы получить количество покупок в год. Таким образом новый признак позволяет создать предсказания на протяжении долгого времени.

Уменьшение размерности

Уменьшение размерности — это важная техника в машинном обучении, которая используется для сокращения количества признаков в данных без потери значимой информации. Эта техника особенно полезна, когда в наборе данных много признаков (что может привести к таким проблемам, как проклятие размерности или разреженности), а также для улучшения скорости обучения моделей и уменьшения риска переобучения.

Иными словами, уменьшение размерности помогает упростить данные, оставив только самую важную информацию, которая будет полезна для предсказаний.

Рассмотрим основные методы уменьшения размерности.

• PCA — это линейный метод, который преобразует данные в новое пространство, выбрав новые оси (компоненты), которые максимизируют вариацию (дисперсию) данных. Эти новые оси называются главными компонентами.
• t-SNE — это метод уменьшения размерности, который хорошо работает с данными, имеющими нелинейные зависимости. Основная цель t-SNE — сохранить локальную структуру данных, то есть сохранять расстояния между похожими точками в низкоразмерном пространстве.
• UMAP — это метод уменьшения размерности, который похож на t-SNE, но с рядом преимуществ. Он предназначен для сохранения как локальной, так и глобальной структуры данных, при этом он более эффективен по времени и может работать с более большими наборами данных.

Балансировка классов

При работе с несбалансированными данными, где одна категория наблюдений значительно превышает по численности другую, модели машинного обучения могут стать предвзятыми и переоценивать большинство. Проблема дисбаланса классов особенно актуальна в задачах бинарной классификации, таких как обнаружение мошенничества или выявление редких заболеваний.

Существует несколько стратегий для борьбы с дисбалансом:

1. Oversampling (увеличение меньшинства) – заключается в увеличении числа примеров меньшинства. Один из популярных методов – SMOTE (Synthetic Minority Over-sampling Technique), который синтетически создает новые примеры на основе имеющихся данных. [3]
2. Undersampling (уменьшение большинства) – уменьшение числа примеров большинства, чтобы сбалансировать распределение классов. Этот метод уменьшает выборку класса, который доминирует, тем самым уменьшая общий объем данных.

Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки. Oversampling может привести к переобучению, так как модель увидит несколько “клонированных” примеров, а undersampling рискует потерять важную информацию из большинства.

Данные до и после балансировки

На изображении представлено распределение данных до и после применения методов балансировки. До балансировки видно значительное преобладание основного класса, из-за чего модель плохо распознаёт редкий класс. После балансировки, с использованием методов, таких как SMOTE и RandomUnderSampler, оба класса представлены более равномерно. Это улучшает способность модели распознавать примеры редкого класса, что особенно важно для задач с несбалансированными данными.

На столбчатой диаграмме показано, как балансировка данных с помощью SMOTE и RandomUnderSampler улучшает Recall и F1-score для редкого класса по сравнению с результатами без балансировки. Без балансировки модель демонстрирует низкий Recall (0.18) и F1-score (0.29), что отражает её слабую способность распознавать редкий класс, поскольку основная масса предсказаний относится к более частому классу.

После применения SMOTE Recall увеличивается до 0.69, а F1-score — до 0.35, что показывает улучшение точности и полноты для редкого класса. Метод RandomUnderSampler повышает эти показатели ещё больше, до 0.71 и 0.37 соответственно. Оба подхода значительно улучшают классификацию редкого класса, что особенно важно в задачах, требующих точного выявления малочисленных категорий, таких как аномалии или медицинская диагностика.

Практические советы:

• SMOTE подходит для данных с высоким количеством признаков, так как создает новые синтетические данные. Однако его следует использовать осторожно в задачах, где важна интерпретируемость данных, так как сгенерированные примеры могут усложнить их анализ.
• Undersampling рекомендуется применять, когда количество данных велико, и потеря части выборки не приведет к значительной потере информации. Он может быть особенно полезен при ограниченных ресурсах для обучения модели.

Заключение

Балансировка классов – важный шаг в предобработке данных, который позволяет улучшить качество моделей машинного обучения в задачах с дисбалансом данных. Использование методов oversampling и undersampling дает возможность корректировать несбалансированные выборки, что положительно сказывается на результатах.

Однако, важно помнить, что выбор метода балансировки зависит от типа задачи и характеристик данных. Кроме того, документирование всех шагов и использованных методов – неотъемлемая часть процесса, позволяющая сделать модель более воспроизводимой и понятной для других исследователей.

В статье рассматриваются основные направления использования информационных технологий в неврологии, их влияние на диагностику и лечение заболеваний нервной системы. Обсуждаются как текущие достижения, так и перспективы дальнейшего развития этих технологий, которые открывают новые возможности для улучшения качества медицинского обслуживания и повышения точности диагностики.

Обзор литературы

• Достижения в диагностических инструментах. За последние десятилетия развитие диагностических инструментов, поддерживаемых ИТ, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография (КТ) и функциональная нейровизуализация, значительно улучшило точность диагностики неврологических заболеваний. Эти технологии позволяют получать детализированные изображения мозга и спинного мозга, что помогает врачам точно выявлять отклонения.
• Телемедицина в неврологии. Телемедицина позволяет неврологам проводить консультации удаленно, что особенно полезно для пациентов, находящихся в сельских районах или имеющих проблемы с передвижением. Исследования показывают, что телемедицина способствует более быстрому диагнозу и лечению, особенно в случае инсульта.
• Электронные медицинские записи (ЭМЗ). Внедрение ЭМЗ в неврологическую практику значительно упростило управление данными пациентов, улучшив координацию между медицинскими учреждениями. ЭМЗ позволяют неврологам в реальном времени получить доступ к истории болезни пациента, результатам анализов и данным о предыдущих обследованиях.

Материалы и методы. В статье проводится обзор существующих практик и технологий, применяемых в неврологических отделениях больниц, которые интегрировали ИТ. Рассматриваются данные клинических испытаний, исследовательских статей и отчеты из учреждений здравоохранения, где эти технологии уже применяются.

• Современные методы визуализации и диагностики. Для диагностики неврологических заболеваний часто требуются сложные и высокоточными методы визуализации. МРТ, КТ и ПЭТ, дополненные анализом с использованием ИИ, позволяют значительно повысить точность в выявлении таких заболеваний, как опухоли мозга, дегенеративные заболевания и инсульты. Алгоритмы ИИ помогают быстро и точно анализировать изображения, поддерживая врачей в процессе принятия решений.
• Телемедицина и удаленный мониторинг. Телемедицина играет важную роль в неврологии, предоставляя возможность удаленной консультации и мониторинга состояния пациентов. Это особенно полезно при хронических неврологических заболеваниях, таких как эпилепсия, рассеянный склероз и болезнь Паркинсона. Устройства для удаленного мониторинга, включая носимые технологии, позволяют передавать данные о состоянии пациентов в реальном времени для непрерывного наблюдения.
• ЭМЗ и управление данными пациентов. ЭМЗ изменили методы хранения и обмена информацией о пациентах. Для неврологических пациентов это означает, что вся информация о прошлом лечении, лабораторных результатах и визуализациях может быть доступна быстро и удобно для врачей, улучшая качество предоставляемого ухода.

Заключение. Информационные технологии оказывают значительное влияние на диагностику, лечение и управление неврологическими заболеваниями. Внедрение таких технологий, как ИИ в диагностику и телемедицину, поможет предоставить более персонализированный и эффективный уход для пациентов. Развитие и дальнейшая интеграция ИТ в здравоохранение улучшат результаты лечения и повысят эффективность практики неврологии.

Эксперимент в химии является неотъемлемой частью учебного процесса. Но нередко проведение эксперимента сталкивается с различными объективными трудностями: процесс может протекать слишком быстро или, напротив, слишком медленно. Тогда протекание реакции не удается наблюдать в рамках лабораторной работы или демонстрационного эксперимента. Кроме того, продукты реакции могут быть ядовиты, иметь неприятный резкий запах, реагенты могут быть дороги или дефицитны. В подобных случаях непосредственное проведение экспериментов курсантами и студентами становится затруднительным или невозможным.

Решением этой проблемы может стать создание информационных, наглядных презентаций, слайдов, видеороликов, видеофильмов.

Перед нами была поставлена задача создания видеофильма, посвященного демонстрационным экспериментам, используемым преподавателями химии КамчатГТУ при чтении лекций по различным разделам химии.

Решить проблему планировалось в несколько этапов:

• подобрать эксперименты, удовлетворяющие требованиям наглядности, поучительности и иллюстрирующие действие фундаментальны законов химии;
• провести их видеосъемку;
• осуществить монтаж видеофильма с привлечением комментариев преподавателей и приведением уравнений химических реакций, протекающих в экспериментах.

Поставленная задача была успешно решена, был создан видеофильм «Опыты от древности до современности». В этом фильме химические опыты рассмотрены с позиций эволюции химии как науки от примитивных опытов, используемых древним человеком, через алхимию до современного уровня экспериментальной химии.

Введение. Развитие веб-технологий привело к возможности использования трёхмерной графики непосредственно в интернет-браузерах. Стандарт WebGL обеспечивает доступ к аппаратному ускорению графики, однако его использование требует глубоких знаний в области компьютерной графики. В связи с этим широкое распространение получили высокоуровневые библиотеки, упрощающие процесс создания 3D-сцен.
Одной из наиболее популярных библиотек является Three.js, предоставляющая удобные средства для создания и визуализации трёхмерных объектов. Целью данной работы является демонстрация применения библиотеки Three.js для визуализации простого геометрического объекта и анализа основных этапов построения трёхмерной сцены.
Для реализации трёхмерной визуализации были использованы следующие технологии:

1. Язык гипертекстовой разметки HTML5;
2. Язык программирования JavaScript;
3. Библиотека Three.js версии r128;
4. Графический API WebGL;
5. Модуль OrbitControls для управления камерой.

Использование CDN-подключений позволяет обеспечить корректную работу приложения на различных платформах без дополнительной установки программного обеспечения.

Приложение построено по классической архитектуре Three.js и включает следующие основные элементы:

1. Сцену (THREE.Scene), содержащую все объекты визуализации;
   
2. Перспективную камеру (THREE.PerspectiveCamera);
   
3. Рендерер (THREE.WebGLRenderer), осуществляющий вывод изображения;
   
4. Источники освещения;
   
5. Трёхмерную модель объекта;
   
6. Средства пользовательского управления камерой.
   

Подобная структура обеспечивает модульность и возможность дальнейшего расширения функциональности.

Построение трёхмерной модели. Модель креста формируется из двух параллелепипедов, созданных с использованием класса BoxGeometry. Вертикальный элемент имеет размеры 6×60×3, горизонтальный — 40×6×3 и смещён относительно центра по оси Y.
Для объединения элементов используется объект THREE.Group, позволяющий рассматривать модель как единое целое. В качестве материала применяется MeshPhongMaterial, обеспечивающий корректное освещение и визуальное восприятие формы объекта.

Освещение сцены реализовано с помощью двух источников света: рассеянного (AmbientLight) и направленного (DirectionalLight). Такое сочетание позволяет добиться равномерной освещённости и визуального подчёркивания формы объекта.
Для управления камерой используется модуль OrbitControls, обеспечивающий вращение сцены, масштабирование и плавное перемещение точки наблюдения. Это повышает интерактивность и удобство работы с трёхмерной моделью.

HTML код приложения:

<!DOCTYPE html>

<html lang=”ru”>

<head>

    <title>three.js — Простой крест</title>

    <meta charset=”utf-8″>

    <meta name=”viewport” content=”width=device-width, initial-scale=1.0″>

</head>

<body>

<div id=”info”>Простой крест</div>

<script src=”https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/three.js/r128/three.min.js”></script>

<script src=”https://cdn.jsdelivr.net/npm/three@0.128.0/examples/js/controls/OrbitControls.min.js”></script>

<script>

    var camera, scene, renderer;

    var controls;

    init();

    animate();

    function init() {

        scene = new THREE.Scene();

        scene.background = new THREE.Color(0xf0f0f0);

        camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000);

        camera.position.set(0, 0, 100);

        renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });

        renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);

        document.body.appendChild(renderer.domElement);

        var ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.6);

        scene.add(ambientLight);

        var directionalLight = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 0.8);

        directionalLight.position.set(1, 1, 1);

        scene.add(directionalLight);

        createSimpleCross();

        controls = new THREE.OrbitControls(camera, renderer.domElement);

        controls.enableDamping = true;

        controls.dampingFactor = 0.05;

        window.addEventListener(‘resize’, onWindowResize, false);

    }

    function createSimpleCross() {

        var group = new THREE.Group();

        var verticalGeometry = new THREE.BoxGeometry(6, 60, 3);

        var verticalMaterial = new THREE.MeshPhongMaterial({ color: 0xffff00 });

        var vertical = new THREE.Mesh(verticalGeometry, verticalMaterial);

        group.add(vertical);

        var horizontalGeometry = new THREE.BoxGeometry(40, 6, 3);

        var horizontalMaterial = new THREE.MeshPhongMaterial({ color: 0xffff00 });

        var horizontal = new THREE.Mesh(horizontalGeometry, horizontalMaterial);

        horizontal.position.y = 8;

        group.add(horizontal);

        scene.add(group);

    }

    function onWindowResize() {

        camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;

        camera.updateProjectionMatrix();

        renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);

    }

    function animate() {

        requestAnimationFrame(animate);

        controls.update();

        renderer.render(scene, camera);

    }

</script>

</body>

</html>

В результате выполнения программы в браузере отображается интерактивная трёхмерная модель простого креста. Пользователь может изменять ракурс обзора и масштаб, что позволяет детально рассмотреть объект с различных сторон.

Рисунок 1. Интерактивная трёхмерная модель простого креста

Полученные результаты подтверждают, что библиотека Three.js является эффективным инструментом для визуализации простых и сложных трёхмерных объектов в веб-приложениях, включая образовательные и демонстрационные системы.

Заключение. В работе рассмотрен пример использования библиотеки Three.js для создания интерактивной трёхмерной визуализации. Показано, что применение высокоуровневых средств позволяет существенно упростить процесс разработки 3D-графики в веб-среде. Рассмотренный пример может служить основой для дальнейших исследований и разработки более сложных визуальных моделей.

В современных условиях реформирования системы высшего медицинского образования особое значение приобретает повышение качества преподавания фундаментальных дисциплин, формирующих научное мышление и профессиональные компетенции будущего врача. Одной из таких дисциплин является биофизика, изучающая физические основы процессов, протекающих в биологических системах организма человека. Биофизика служит методологической базой для понимания механизмов функционирования клеток, тканей и органов, а также принципов работы диагностической и лечебной медицинской аппаратуры.

Несмотря на значимость биофизики в структуре медицинского образования, практика преподавания данной дисциплины показывает наличие ряда устойчивых проблем. К их числу относятся высокая степень абстрактности теоретического материала, сложность физико-математического аппарата, недостаточная визуализация изучаемых процессов и слабая связь учебного содержания с клиническими дисциплинами. Указанные факторы нередко приводят к снижению учебной мотивации студентов и формальному усвоению знаний, что негативно отражается на качестве профессиональной подготовки.

Современные требования к выпускнику медицинского вуза ориентированы не только на усвоение теоретических знаний, но и на формирование клинического мышления, способности анализировать и интерпретировать физиологические процессы, использовать научные знания в практической деятельности. В этой связи возникает необходимость пересмотра традиционных подходов к преподаванию биофизики и внедрения методик, основанных на компетентностном и интегративном подходах.

Особую актуальность приобретает интеграция биофизики с физиологией, биохимией, функциональной диагностикой и клиническими дисциплинами. Такой подход позволяет рассматривать биофизические явления не изолированно, а в контексте реальных медицинских задач. Использование клинических примеров, практико-ориентированных заданий, компьютерного моделирования и визуализации способствует более глубокому пониманию учебного материала и формированию устойчивых профессиональных компетенций.

В связи с вышеизложенным актуальной является задача совершенствования методики преподавания биофизики в медицинских вузах на основе современных педагогических технологий, направленных на повышение познавательной активности студентов и практической значимости изучаемой дисциплины.

Биофизика является одной из фундаментальных дисциплин в системе медицинского образования, поскольку изучает физические процессы, протекающие в биологических системах организма человека. Знания по биофизике необходимы для понимания механизмов функционирования клеток, тканей и органов, а также для освоения методов функциональной диагностики и современных медицинских технологий [1].

Вместе с тем практика преподавания показывает, что у студентов медицинских вузов нередко возникают трудности при изучении биофизики. Это обусловлено высокой степенью абстрактности теоретического материала, использованием математического аппарата и недостаточной связью учебного содержания с будущей профессиональной деятельностью врача [2, с. 45]. В связи с этим актуальной является задача совершенствования методики преподавания биофизики с учетом современных педагогических подходов.

В ходе исследования было установлено, что интегративный подход, основанный на междисциплинарной связи биофизики с физиологией, биохимией и клиническими дисциплинами, способствует формированию у студентов целостного научного представления о процессах, происходящих в организме человека. Использование клинических примеров и ситуационных задач позволяет показать практическую значимость биофизических знаний и повышает интерес студентов к изучаемой дисциплине [3, с. 78].

Особое значение в процессе обучения имеет применение методов визуального моделирования, компьютерных симуляций и графического представления биофизических процессов. Данные методы облегчают понимание сложных явлений и способствуют развитию аналитического мышления. Практико-ориентированные задания, направленные на анализ диагностических методов и медицинских приборов, формируют у студентов профессиональные компетенции и навыки применения теоретических знаний на практике.

Таблица 1. Методы преподавания биофизики и их педагогическая эффективность

Заключение

Проведенное исследование позволяет сделать вывод о том, что совершенствование методики преподавания биофизики является важным условием повышения качества подготовки будущих врачей. Анализ педагогического опыта показал, что традиционные формы обучения не в полной мере обеспечивают осознание студентами практической значимости биофизических знаний и их связи с клинической деятельностью.

Установлено, что применение интегративного подхода, основанного на междисциплинарной связи биофизики с физиологией, биохимией и клиническими дисциплинами, способствует формированию у студентов целостного научного мировоззрения и клинического мышления. Практико-ориентированные задания, анализ клинических ситуаций и использование визуальных моделей позволяют повысить уровень усвоения учебного материала и развить навыки применения теоретических знаний в профессиональной деятельности.

Особое значение имеет внедрение методов визуализации и компьютерного моделирования, которые облегчают понимание сложных биофизических процессов и способствуют развитию аналитических и исследовательских умений студентов. Результаты исследования подтверждают, что использование данных методов положительно влияет на учебную мотивацию и активность обучающихся.

Таким образом, усовершенствованная методика преподавания биофизики, основанная на интегративном, компетентностном и практико-ориентированном подходах, является педагогически обоснованной и эффективной. Ее внедрение в образовательный процесс медицинских вузов позволяет повысить качество фундаментальной подготовки, обеспечить связь теории с практикой и сформировать у будущих врачей профессиональные компетенции, необходимые для успешной клинической деятельности.

Архитектура современных решений в этой области базируется на мощных графических ядрах и облачных вычислениях, способных обрабатывать видеопотоки высокого разрешения без задержек. Обучение нейронных сетей для распознавания жестов и ориентации в пространстве является ключевым этапом разработки интеллектуальных интерфейсов. В высших учебных заведениях технического профиля уделяется огромное внимание изучению подобных инноваций для подготовки кадров нового поколения. Студенты учатся проектировать системы, которые объединяют физический и цифровой миры в единую рабочую среду. Такое слияние технологий способствует развитию цифровой экономики и общего научно-технического прогресса человечества.

Использование дополненной реальности в дистанционном формате позволяет преодолеть географические барьеры, обеспечивая доступ к элитарному образованию из любой точки мира. Преподаватель может демонстрировать работу сложных механизмов, разбирая их на виртуальные детали прямо перед глазами студента. Это исключает необходимость закупки дорогостоящего натурного оборудования для каждого филиала университета, значительно снижая затраты на материально-техническую базу. Интерактивные подсказки помогают учащимся самостоятельно справляться с практическими заданиями любой сложности. Мотивация студентов при использовании таких игровых механик обучения возрастает в несколько раз.

Психологическая адаптация пациентов также проходит легче, когда врачи могут наглядно объяснить этапы предстоящего лечения с помощью визуальных моделей. Прозрачность и информативность процесса повышают доверие больного к медицинскому персоналу и выбранной стратегии терапии. В реабилитационный период игровые упражнения с элементами дополненной реальности помогают пациентам быстрее восстанавливать двигательную активность. Программное обеспечение фиксирует малейшие успехи и корректирует нагрузку в зависимости от индивидуальных показателей здоровья. Персонализированный подход становится стандартом современной высокотехнологичной медицины.

Для реализации подобных систем требуется разработка специализированных алгоритмов компьютерного зрения, способных точно привязывать виртуальный контент к точкам реального пространства. Процесс калибровки датчиков должен происходить мгновенно, чтобы избежать дискомфорта у пользователя при движении. Разработчики постоянно совершенствуют методы трекинга объектов, используя искусственный интеллект для компенсации шумов и помех. Качество освещения и текстура поверхностей уже не являются серьезным препятствием для стабильной работы современных AR-приложений. Технологическая база становится все более надежной и доступной для массового внедрения.

Безопасность передачи конфиденциальных медицинских данных в таких сетях обеспечивается за счет использования современных методов шифрования и блокчейн-технологий. Доступ к виртуальным манипуляционным комнатам строго регламентирован, что исключает возможность несанкционированного вмешательства в процесс лечения. Защита личной информации пациентов является приоритетной задачей при проектировании архитектуры любых телемедицинских систем. Юридическая база в этой сфере также совершенствуется, адаптируясь к новым вызовам цифровой эпохи. Ответственное отношение к данным формирует надежный фундамент для развития инноваций.

В образовательной среде внедрение подобных технологий требует переподготовки педагогического состава и разработки принципиально новых учебных планов. Преподаватели должны не только владеть предметом, но и уметь управлять виртуальным контентом в режиме реального времени. Создание качественного трехмерного наполнения для курсов химии, физики или архитектуры — это трудоемкий процесс, требующий участия дизайнеров и программистов. Однако долгосрочные выгоды от повышения качества знаний полностью оправдывают первоначальные инвестиции. Выпускники, обучавшиеся с помощью иммерсивных технологий, быстрее адаптируются к реальным производственным задачам.

Экологический аспект дистанционного обучения с применением дополненной реальности связан с сокращением необходимости в перелетах и длительных поездках специалистов. Снижение углеродного следа за счет виртуализации присутствия отвечает глобальным целям устойчивого развития нашей планеты. Цифровая трансформация позволяет оптимизировать использование ресурсов и сократить количество отходов при проведении лабораторных опытов. Многие химические реакции, опасные для проведения в реальности, могут быть детально изучены в безопасной виртуальной среде. Это делает науку более гуманной и ориентированной на сохранение окружающей среды.

Междисциплинарный характер исследований в области дополненной реальности объединяет усилия физиков, программистов, медиков и педагогов. Создание универсальных стандартов обмена данными позволит различным системам эффективно взаимодействовать между собой. Открытость технологий и развитие сообществ разработчиков стимулируют появление новых стартапов в этой высокотехнологичной нише. Каждая новая итерация программного обеспечения приносит улучшение эргономики и комфорта для конечного пользователя. Инновационный процесс в данной сфере носит непрерывный и глобальный характер.

Демократизация доступа к технологиям дополненной реальности позволит жителям сельских районов получать те же образовательные возможности, что и жителям мегаполисов. Это способствует социальному равенству и равномерному распределению интеллектуального потенциала внутри страны. Смартфон с камерой становится окном в мир сложных знаний, доступных каждому желающему при наличии интернет-соединения. Государственные программы по цифровизации регионов обязательно включают пункты о развитии иммерсивных форматов обучения. Внимание к деталям и потребностям каждого пользователя делает систему по-настоящему инклюзивной.

Анализ больших данных, собираемых в процессе использования AR-систем, позволяет выявлять наиболее трудные темы для понимания и корректировать учебный процесс. Педагоги получают объективную картину успеваемости, основанную не на оценках, а на реальных навыках взаимодействия с виртуальными объектами. Искусственный интеллект может давать персональные рекомендации каждому студенту, указывая на пробелы в знаниях. Такой подход минимизирует субъективность и делает образование более справедливым. Технологии помогают человеку учиться быстрее и качественнее.

В медицине катастроф дополненная реальность может использоваться для быстрой сортировки раненых и оказания первой помощи неспециалистами под руководством профессионала. Наглядные инструкции, отображаемые поверх реального объекта, исключают возможность двоякого толкования команд в стрессовой ситуации. Это позволяет спасать жизни там, где время идет на секунды, а квалифицированных врачей недостаточно. Мобильность современных гарнитур позволяет использовать их в полевых условиях без привязки к стационарным серверам. Надежность оборудования проверяется в ходе регулярных учений и симуляций.

Перспективы развития отрасли связаны с созданием тактильных интерфейсов, позволяющих пользователю «чувствовать» виртуальные объекты. Сочетание визуального ряда и осязания выведет реалистичность медицинских тренажеров на принципиально новый уровень. Хирург сможет ощущать сопротивление тканей при проведении дистанционной операции, что критически важно для успеха вмешательства. Обучение таким навыкам потребует еще более сложных архитектурных решений и методов обработки сигналов. Мы стоим на пороге величайших открытий в области взаимодействия человека и машины.

Постоянное снижение стоимости оборудования делает технологии дополненной реальности доступными для массового потребителя и небольших клиник. Переход от громоздких шлемов к легким и стильным очкам расширяет сферу их повседневного применения. В будущем дополненная реальность станет таким же привычным инструментом, как сегодня смартфон или персональный компьютер. Образовательный контент будет создаваться самими пользователями, что приведет к появлению огромных библиотек знаний. Интеграция в глобальные цифровые экосистемы обеспечит бесшовный доступ к информации.

 Заключение

Завершая статью, важно отметить, что успех внедрения новых технологий зависит от сбалансированного подхода к инновациям и традициям. Постоянный поиск и стремление к прогрессу остаются главными двигателями развития человечества. Мы с уверенностью смотрим в завтрашний день, опираясь на достижения современной науки и техники. Использование дополненной реальности — это не просто дань моде, а осознанный выбор в пользу качества и эффективности. Наша работа направлена на благо общества и процветание науки.

WebGL – это программная библиотека для JavaScript, которая позволяет создавать 3D графику, функционирующую в браузерах. Данная библиотека основана на архитектуре OpenGL. WebGL использует язык программирования шейдеров GLSL, имеющий C-подобный синтаксис. Особенность WebGL заключается в том, что код моделируется непосредственно в браузере с использованием элемента canvas, введенного в HTML5.

Работа с WebGL и шейдерами в частности — довольно трудоемкий процесс, требующий описания каждой точки, линии и грани. Для визуализации необходимо прописывать объемные фрагменты кода. Чтобы ускорить разработку, была создана библиотека Three.js, которая представляет собой набор готовых классов для создания и отображения интерактивной 3D графики. Three.js для WebGL — это как jQuery для JavaScript: библиотека предлагает декларативный синтаксис и абстрагирует разработчика от сложностей, связанных с 3D в браузере.

Для создания сцены с геометрическими фигурами мы использовали современный подход с импортом модулей:

javascript

import * as THREE from ‘three’;

import { OrbitControls } from ‘three/addons/controls/OrbitControls.js’;

Такой способ подключения (с использованием import maps) является более чистым и предпочтительным в современных веб-приложениях.

Инициализация сцены и основных компонентов

Первым шагом мы создаем сцену, камеру и рендерер:

javascript

const container = document.createElement(‘div’);

document.body.appendChild(container);

camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 5000);

camera.position.set(300, 500, 1200);

renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });

renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);

container.appendChild(renderer.domElement);

Камера установлена на оптимальном расстоянии (1200 единиц), чтобы хорошо видеть оба ряда фигур. Параметр antialias включает сглаживание для более плавных краев объектов.

Освещение сцены

Для корректного отображения цветов и теней мы добавили два типа освещения:

javascript

ambientLight = new THREE.AmbientLight(0×404040, 2.0);

light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1.5);

light.position.set(1, 2, 1);

Фоновый свет (AmbientLight) обеспечивает базовое освещение всех поверхностей, а направленный свет (DirectionalLight) создает объем и подчеркивает форму объектов.

Управление камерой

Для интерактивного взаимодействия с пользователем подключены контроллеры OrbitControls, позволяющие вращать камеру вокруг сцены, приближать и отдалять изображение:

javascript

controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);

controls.rotateSpeed = 0.5;

controls.enableZoom = true;

controls.minDistance = 300;

controls.maxDistance = 2000;

controls.enableDamping = true;

Размещение фигур в пространстве

Для организации фигур мы использовали Декартову систему координат и расположили объекты в два ряда. Каждая фигура имеет свои координаты position.set(x, y, z):

javascript

// Параметры расположения

const spacingX = 300;       // расстояние между фигурами по X

const startX = -450;        // начальная координата X

const row1Z = -200;         // координата Z для первого ряда (задний)

const row2Z = 200;          // координата Z для второго ряда (передний)

Создание геометрических фигур

В нашей сцене представлены различные типы геометрических тел, созданные с помощью встроенных классов Three.js:

1. Прямоугольник (BoxGeometry)

javascript

const geomBox = new THREE.BoxGeometry(300, 200, 220);

const box = new THREE.Mesh(geomBox, new THREE.MeshPhongMaterial({ color: 0xFFFF00 }));

2. Цилиндры и призмы (CylinderGeometry)

Класс CylinderGeometry универсален и позволяет создавать различные фигуры путем изменения параметров:

• Цилиндр (равные радиусы сверху и снизу, много сегментов)
• Треугольная призма (равные радиусы, 3 сегмента)
• Пятиугольная и шестиугольная призмы (равные радиусы, 5 и 6 сегментов)

3. Пирамиды и конусы

Установка верхнего радиуса в 0 превращает цилиндр в пирамиду или конус:

• Четырехугольная пирамида (верхний радиус 0, 4 сегмента)
• Шестиугольная пирамида (верхний радиус 0, 6 сегментов)
• Конус (верхний радиус 0, много сегментов для гладкости)

Цветовое оформление

Для каждой фигуры подобран индивидуальный цвет, делающий композицию яркой и наглядной:

• Желтый прямоугольник (0xFFFF00)
• Синий цилиндр (0x0000FF)
• Красная треугольная призма (0xFF0000)
• Зеленая шестиугольная пирамида (0x00FF00)
• Голубая пятиугольная призма (0x87CEEB)
• Салатовая четырехугольная пирамида (0x90EE90)
• Розовая шестиугольная призма (0xFFC0CB)
• Золотой конус (0xFFD700)

Визуализация и анимация

Для непрерывной отрисовки сцены используется цикл анимации:

javascript

function animate() {

    requestAnimationFrame(animate);

    controls.update();

    render();

}

function render() {

    renderer.render(scene, camera);

}

Обработчик изменения размера окна обеспечивает корректное масштабирование сцены:

javascript

window.addEventListener(‘resize’, onWindowResize, false);

Результат

В результате выполнения кода мы получаем интерактивную 3D-сцену с двумя рядами геометрических фигур (всего 8 объектов), расположенных на сером фоне со вспомогательной сеткой. Пользователь может свободно вращать камеру, приближать и рассматривать каждую фигуру с разных ракурсов, что делает данное решение отличным демонстрационным материалом для изучения возможностей Three.js и WebGL.