Экспериментальный макет тренажера с имитацией эффектов физических воздействий в условиях виртуальной реальности для подготовки спасателей-пожарных

Иван Иванович Полевода; Виталий Николаевич Рябцев; Алексей Олегович Лихоманов; Олег Дмитриевич Навроцкий; Александр Владимирович Грачулин; Дмитрий Владимирович Гапанюк; Артем Александрович Морозов; Василий Михайлович Климовцов; Георгий Владимирович Винярский; Кирилл Евгеньевич Шинкоренко; Игорь Сергеевич Гусаров; Илья Владимирович Бобарика

doi:10.33408/2519-237X.2022.6-3.339

Авторы

Иван Иванович Полевода Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0003-2469-3553
Виталий Николаевич Рябцев Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0002-2830-591X
Алексей Олегович Лихоманов Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0002-9374-1486
Олег Дмитриевич Навроцкий Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0002-4137-2519
Александр Владимирович Грачулин Министерство по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь; 220030, Беларусь, Минск, ул. Революционная, 5 https://orcid.org/0000-0003-3832-8258
Дмитрий Владимирович Гапанюк Белорусский государственный технологический университет; 220006, Беларусь, Минск, ул. Свердлова, 13А https://orcid.org/0000-0001-6792-7896
Артем Александрович Морозов Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0001-8079-2578
Василий Михайлович Климовцов Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий»; 129366, Россия, Москва, ул. Бориса Галушкина, 4 https://orcid.org/0000-0002-3705-3128
Георгий Владимирович Винярский Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0003-4962-7763
Кирилл Евгеньевич Шинкоренко Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0003-4946-9339
Игорь Сергеевич Гусаров Университет гражданской защиты МЧС Беларуси; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0002-0665-8212
Илья Владимирович Бобарика Университет гражданской защиты МЧС Беларуси; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25 https://orcid.org/0000-0002-9229-3730

DOI:

https://doi.org/10.33408/2519-237X.2022.6-3.339

Ключевые слова:

виртуальная реальность, дополненная реальность, тренажер, имитация физических воздействий, аварийно-спасательные работы, спасатель-пожарный, VR-костюм, VR-гарнитура, VR-шлем

Аннотация

Цель. Разработать экспериментальный макет тренажера для подготовки спасателей-пожарных, включающий программное обеспечение и элементы имитации эффектов физических воздействий на обучающегося в условиях виртуальной реальности, а также исследовать влияние эффектов обратной тактильной связи на обучающихся.

Методы. Общая методология работы предусматривала использование теоретических методов исследования (анализ, синтез, сравнение). Влияние эффектов обратной тактильной связи на обучающихся определено методом измерения частоты их сердечных сокращений в ходе рандомизированного исследования с двумя параллельными группами.

Результаты. На основе анализа опыта применения технологий виртуальной и дополненной реальности в образовательной деятельности сформулированы назначение, состав, структура и функции экспериментального макета тренажера с имитацией эффектов физических воздействий в условиях виртуальной реальности для подготовки спасателей-пожарных (ЭМТ). Разработанный ЭМТ, включающий VR-гарнитуру (для управления симуляцией и передачи визуальных и звуковых эффектов), VR-костюм (для обеспечения обратной тактильной связи за счет электростимуляции нервно-мышечных структур) и оригинальное программное обеспечение, позволяет погружать обучающихся в виртуальную среду, имитирующую условия чрезвычайной ситуации (пожар в квартире жилого дома) и воздействие на них опасных факторов пожара. С использованием ЭМТ исследовано влияние эффектов обратной тактильной связи на обучающихся. Показано, что применение ЭМТ позволяет снизить количество ошибок, совершаемых обучающимися при ликвидации пожара в квартире жилого дома в виртуальной симуляции, от 2,5 до 4,0 раз по сравнению с использованием технологий виртуальной реальности без применения эффектов обратной тактильной связи.

Область применения исследований. Результаты работы могут быть применены для создания тренажера с имитацией эффектов физических воздействий в условиях виртуальной реальности с целью его использования в образовательном процессе для подготовки спасателей-пожарных.

Биографии авторов

Иван Иванович Полевода, Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

руководители, начальник университета; кандидат технических наук, доцент

Виталий Николаевич Рябцев, Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

кафедра автоматических систем безопасности, начальник кафедры; кандидат технических наук, доцент

Алексей Олегович Лихоманов, Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

кафедра автоматических систем безопасности, доцент; кандидат технических наук

Олег Дмитриевич Навроцкий, Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

кафедра автоматических систем безопасности, доцент; кандидат технических наук, доцент

Александр Владимирович Грачулин, Министерство по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь; 220030, Беларусь, Минск, ул. Революционная, 5

руководители, начальник отдела; кандидат технических наук, доцент

Дмитрий Владимирович Гапанюк, Белорусский государственный технологический университет; 220006, Беларусь, Минск, ул. Свердлова, 13А

проректор по воспитательной работе; кандидат физико-математических наук, доцент

Артем Александрович Морозов, Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

кафедра ликвидации чрезвычайных ситуаций, старший преподаватель

Василий Михайлович Климовцов, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий»; 129366, Россия, Москва, ул. Бориса Галушкина, 4

учебно-научный комплекс пожарной и аварийно-спасательной техники, начальник комплекса; кандидат технических наук, доцент

Георгий Владимирович Винярский, Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

кафедра ликвидации чрезвычайных ситуаций, старший преподаватель

Кирилл Евгеньевич Шинкоренко, Государственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

кафедра автоматических систем безопасности, преподаватель

Игорь Сергеевич Гусаров, Университет гражданской защиты МЧС Беларуси; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

факультет предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, курсант

Илья Владимирович Бобарика, Университет гражданской защиты МЧС Беларуси; 220118, Беларусь, Минск, ул. Машиностроителей, 25

факультет предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, курсант

Библиографические ссылки

Sobolev V.Yu., Kiseleva O.V. Interaktivnye metody obucheniya kak osnova formirovaniya kompetentsiy [Interactive teaching methods as the basis for the formation of competencies]. Vysshee obrazovanie segodnya, 2014. No. 9. Pp. 70–74. (rus). EDN: https://www.elibrary.ru/TAAHDZ.

Andrushko D.Yu. Primenenie tekhnologiy virtual'noy i dopolnennoy real'nosti v obrazovatel'nom protsesse: problemy i perspektivy [Application of virtual and augmented reality technology in educational process: issues and perspectives]. Scientific Review. Pedagogical science, 2018. No. 6. Pp. 5–10. (rus). EDN: https://www.elibrary.ru/YVRGBV.

Herron J. Augmented reality in medical education and training. Journal of Electronic Resources in Medical Libraries, 2016. Vol. 13, Iss. 2. Pp. 51–55. DOI: https://www.doi.org/10.1080/15424065.2016.1175987.

Kamphuis C., Barsom E., Schijven M., Christoph. N. Augmented reality in medical education? Perspect Med Educ, 2014. Vol. 3. Pp. 300–311. DOI: https://www.doi.org/10.1007/s40037-013-0107-7.

Kelly D., Hoang T.N., Reinoso M., Joukhadar Z., Clements T., Vetere F. Augmented reality learning environment for physiotherapy education. Physical Therapy Reviews, 2018. Vol. 23, Iss. 1. Pp. 21–28. DOI: https://www.doi.org/10.1080/10833196.2018.1447256.

Iqbal J., Sidhu M.S., Wang S. A review on making things see: Augmented reality for futuristic virtual educator. Cogent Education, 2017. Vol. 4, Iss. 1. DOI: https://www.doi.org/10.1080/2331186X.2017.1287392.

Turan Z., Meral E., Sahin I.F. The impact of mobile augmented reality in geography education: achievements, cognitive loads and views of university students. Journal of Geography in Higher Education, 2018. Vol. 42, Iss. 3. Pp. 427–441. DOI: https://www.doi.org/10.1080/03098265.2018.1455174.

Grinshkun A.V. Ob effektivnosti ispol'zovaniya tekhnologiy dopolnennoy real'nosti pri obuchenii shkol'nikov informatike [On the effectiveness of the use of augmented reality at teaching students computer science]. MCU Journal of Informatics and Informatization of Education, 2016. Vol. 35, No. 1. Pp. 98–103. (rus). EDN: https://www.elibrary.ru/VTIIHV.

Kir'yanov A.E., Yylmaz R.M., Maslov D.V., Masyuk N.N., Vorob'ev B.A. Tekhnologii dopolnennoy real'nosti v sfere obrazovaniya [Technology of augmented reality in education]. Innovations, 2020. No. 5. Pp. 81–88. (rus). DOI: https://www.doi.org/10.26310/2071-3010.2020.259.5.011. EDN: https://www.elibrary.ru/SBPTSB.

Wang Y.-H. Exploring the effectiveness of integrating augmented reality-based materials to support writing activities. Computers & Education, 2017. Vol. 113. Pp. 162–176. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.compedu.2017.04.013.

Mumtaz K., Iqbal M.M., Khalid S., Rafiq T., Owais S.M., Al Achhab M. An E-assessment framework for blended learning with augmented reality to enhance the student learning. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 2017. Vol. 8, No. 13. Pp. 4419–4436. DOI: https://www.doi.org/10.12973/eurasia.2017.00938a.

Chang H.-Y., Hsu Y.-S., Wu H.-K. A comparison study of augmented reality versus interactive simulation technology to support student learning of a socio-scientific issue. Interactive Learning Environments, 2016. Vol. 6, No. 24. Pp. 1148–1161. DOI: https://www.doi.org/10.1080/10494820.2014.961486.

Domínguez E.R. Educating urban designers using augmented reality and mobile learning technologies. RIED – Revista Iberoamericana de Educación a Distancia, 2017. Vol. 20, No. 2. Pp. 141–165. DOI: https://www.doi.org/10.5944/ried.20.2.17675.

Montoya M.H., Díaz C.A., Moreno G.A. Evaluating the effect on user perception and performance of static and dynamic contents deployed in augmented reality based learning application. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education, 2017. Vol. 13, Iss. 2. Pp. 301–317. DOI: https://www.doi.org/10.12973/eurasia.2017.00617a.

Fabiani Bendicho P., Efren Mora C., Añorbe-Díaz B., Rivero-Rodríguez P. Effect on academic procrastination after introducing augmented reality. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education, 2017. Vol. 13, Iss. 2. Pp. 319–330. DOI: https://www.doi.org/10.12973/eurasia.2017.00618a.

Salinas P., Pulido R. Understanding the conics through augmented reality. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education, 2017. Vol. 13, Iss. 2. Pp. 341–354. DOI: https://www.doi.org/10.12973/eurasia.2017.00620a.

Carrera C.C., Asensio L.A.B. Landscape interpretation with augmented reality and maps to improve spatial orientation skill. Journal of Geography in Higher Education, 2017. Vol. 41, Iss. 1. Pp. 119–133. DOI: https://www.doi.org/10.1080/03098265.2016.1260530.

Martin-Gonzalez A., Chi-Poot A., Uc-Cetina V. Usability evaluation of an augmented reality system for teaching Euclidean vectors. Innovations in Education and Teaching International, 2016. Vol. 53, Iss. 6. Pp. 627–696. DOI: https://www.doi.org/10.1080/14703297.2015.1108856.

Cheng K.-H. Reading an augmented reality book: An exploration of learners’ cognitive load, motivation, and attitudes. Australasian Journal of Educational Technology, 2017. Vol. 33, No. 4. Pp. 53–69. DOI: https://www.doi.org/10.14742/ajet.2820.

Juan M.C., Alexandrescu L., Folguera F., García-García I. A mobile augmented reality system for the learning of dental morphology. Digital Education Review, 2016. No. 30. Pp. 234–247.

Harley J.M., Poitras E.G., Jarrell A., Duffy M.C., Lajoie S.P. Comparing virtual and location-based augmented reality mobile learning: Emotions and learning outcomes. Educational Technology Research and Development, 2016. Vol. 64, No. 3. Pp. 359–388. DOI: https://www.doi.org/10.1007/s11423-015-9420-7.

Bulgakov V.V. Immersivnaya forma podgotovki: aktual'nost' i perspektivy vnedreniya v obrazovatel'nyy protsess vuzov MChS Rossii [Immersive Form of Training: Relevance and Prospects of Implementation in the Educational Process of Higher Education Institutions of the Ministry of Emergency Situations of Russia]. MCU Journal of Informatics and Informatization of Education, 2020. Vol. 54, No. 4. Pp. 68–78. (rus). EDN: https://www.elibrary.ru/FBWWEO.

Halson Sh.L. Monitoring Training Load to Understand Fatigue in Athletes. Sports Medicine, 2014. Vol. 44. Pp. 139–147. DOI: https://www.doi.org/10.1007/s40279-014-0253-z.

Agafonova M.E. Metody kontrolya i kriterii funktsional'noy podgotovlennosti, primenimye v usloviyakh trenirovochnykh zanyatiy i sorevnovaniy [Methods of control and criteria for functional readiness applied in the conditions of training ses-sions and competitions]. Sovremennye modeli mediko-biologicheskogo soprovozhdeniya vysokokvalifitsirovannykh sportsmenov [Modern models of medical and biological support for highly qualified athletes]: collection of articles. Minsk: Belarusian State University of Physical Education, 2021. Pp. 3–12. Availavle at: https://www.sportedu.by/wp-content/uploads/2019/10/Nauchno-prakticheskij-seminar-8_6.04.pdf (accessed: July 1, 2022). (rus)