Способ обучения навыкам применения ручных инструментов

Изобретение относится к обучению навыкам применения ручных инструментов. Оно может быть использовано для повышения эффективности обучения, оценки умений детей, обучающихся разных возрастов и групп здоровья. Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности обучения навыкам применения ручных инструментов путем использования средств дополненной реальности для многовариантной визуализации требуемых данных и подсказок в режиме реального времени при выполнении простых и сложнокоординированных двигательных действий обучаемого. Результат достигается тем, что обучение ученика проводится при помощи программно-аппаратного комплекса (ПАК). В состав комплекса входит компьютер, аудиосистема, видеокамеры контроля и устройства, формирующие дополненную реальность, предъявляемую ученику в виде дополненных изображений плоских и объемных фигур заданной прозрачности или запрещенных световых зон. Причем особенным является то, что ПАК содержит заданное количество видеокамер, которые закреплены на голове ученика и/или на заданной высоте над рабочим местом ученика в заданном объеме рабочего пространства. При этом изображение с видеокамер передается в компьютер ПАК для программной обработки и/или на монитор обучающего для контроля над действиями ученика в режиме реального времени. Компьютер связан с видеокамерами и средствами дополненной реальности по радиоканалу или при помощи проводной связи. Из библиотеки программ ПАК обучающий педагог запускает программу выбранного этапа обучения, которая проецирует на средствах дополненной реальности ученика виртуальную модель с заданной прозрачностью и оптимальным пространственно-временным взаиморасположением обрабатываемого материала, инструмента и рук ученика. В программах обучения задаются разрешенные допуски на пространственно-временные отклонения от заданной виртуальной модели выполнения трудовой операции, при нарушении допусков ученику подаются звуковые и/или световые сигналы. ПАК показывает ученику опасные зоны для его частей тела, фиксирует в заданном объеме рабочей зоны действия ручного инструмента опасные ситуации и в случае нарушений техники безопасности подает предупреждающие световые и/или звуковые сигналы. ПАК фиксирует режимы работы с обрабатываемым материалом и ручным инструментом, при необходимости комментирует звуковыми или световыми подсказками или дополнительными слайдами процесс обработки материала.

 

Изобретение относится к обучению навыкам применения ручных инструментов. Оно может быть использовано для повышения эффективности обучения, оценки умений детей, обучающихся разных возрастов и групп здоровья.

Первоначальные умения и навыки владения некоторыми ручными инструментами школьники приобретают на уроках трудового обучения и дома. Внеклассные, внешкольные технические занятия дают возможность учащимся закреплять, развивать и совершенствовать уже имеющиеся у них практические умения и навыки работать с самыми разнообразными ручными инструментами. Во внеклассной, внешкольной работе значительно расширяется возможность расширить круг используемых школьниками ручных инструментов. Овладение навыками работы ручным инструментом тесно связано с соблюдением правил по технике безопасности.

Формирование новых знаний и навыков работы с применением ручных инструментов достаточно подробно представлено в многочисленной доступной литературе, включая источники информации [1, 2]. Известно также обучение первоначальным умениям и навыкам владения некоторыми ручными инструментами с применением видеофильмов [3].

Недостатком данных традиционных способов является их низкая эффективность.

Из уровня техники известны нашлемные системы целеуказания и индикации (НСЦИ)- обязательная принадлежность современных боевых самолетов и вертолетов [4]. НСЦИ проецирует изображение на прозрачный экран, находящийся перед глазами пилота и закрепленный на его шлеме. Так как экран прозрачен, пилот может одновременно наблюдать и внешнюю обстановку, и индицируемую информацию. Пилоту индицируются основные пилотажные параметры, тактическая и навигационная информация.

Для получения первоначальных умений и навыков работы с ручными инструментами наиболее перспективны компактные устройства отображения дополненной реальности. Среди известных устройств легкие очки дополненной реальности компании EpsonMoverio ВТ-200 или GoogleProjectGlass [5] и миниатюрные контактные линзы дополненной реальности компании Innovega (система iOptik). Инновационная система iOptik может работать в паре со специализированными очками. Ее пользователь фокусируется одновременно на нескольких объектах разной удаленности, причем одна цель не мешает другой [6].

По патенту [7] известно применение средств дополненной реальности при обучении детей младшего возраста, где обучение проводится с применением технических средств, формирующих световые объекты: визуально-информационные образы, которые наблюдает испытуемый на игровом поле, и в игровой форме испытуемому предъявляют в заданном порядке озвученные или визуально представленные вопросы. Во время предъявления вопроса на заданном расстоянии от испытуемого формируют заданное количество световых объектов, каждый из которых представляет отдельный визуально-информационный образ - вариант ответа, среди которых один или несколько являются правильным ответом на предъявленный вопрос. Испытуемый выбирает световой объект с ответом, который он считает правильным, и перемещается в сторону этого объекта, чтобы коснуться его площади, своим перемещением испытуемый показывает свой вариант ответа на поставленный вопрос. Если испытуемый в течение заданного времени стоит неподвижно и/или затрудняется с ответом или перемещается в сторону объекта с неправильным ответом, ему дается или не дается визуальная подсказка в виде мигания, изменения цвета, конфигурации или площади объекта с правильным ответом, или предъявляют следующий вопрос. Объекты с неправильными ответами неподвижны, а с правильными ответами - неподвижны и/или мобильны, причем мобильные объекты начинают свое перемещение с заданной скоростью по истечении заданного времени после начала перемещения испытуемого в сторону объекта с правильным ответом. Испытуемый определяет и догоняет мобильный объект с правильным ответом до тех пор, пока не коснется его площади. При контакте с этим объектом подается условный световой или звуковой сигнал.

По патенту [8] известно применение средств дополненной реальности в спортивной тренировке при помощи, которых формируют плоские и объемные фигуры заданной прозрачности, а также запрещенные и разрешенные светодинамические зоны. Изменение положения, формы и площади разрешенных зон и режимов тренировки задают вручную или программно-аппаратным комплексом (ПАК).

Однако такие способы и ПАК, включающий системы отображения дополненной реальности, не предназначены для обучения навыкам применения ручных инструментов. В связи с этим все выше обозначенные проблемы требуют новых технических решений.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности обучения навыкам применения ручных инструментов путем использования средств дополненной реальности для многовариантной визуализации требуемых данных и подсказок в режиме реального времени при выполнении простых и сложнокоординированных двигательных действий обучаемого.

Технический результат достигается тем, что обучение ученика проводится при помощи ПАК, в состав которого входит компьютер, аудио система, видеокамеры контроля и устройства, формирующие дополненную реальность, предъявляемую ученику в виде дополненных изображений плоских и объемных фигур заданной прозрачности или запрещенных световых зон. Причем новым является то, что ПАК содержит заданное количество видеокамер, которые закреплены на голове ученика и/или на заданной высоте над рабочим местом ученика в заданном объеме рабочего пространства. При этом изображение с видеокамер передается в компьютер ПАК для программной обработки и/или на монитор обучающего для контроля над действиями ученика в режиме реального времени. Компьютер связан с видеокамерами и средствами дополненной реальности по радиоканалу или при помощи проводной связи. Из библиотеки программ ПАК обучающий педагог запускает программу выбранного этапа обучения, которая проецирует на средствах дополненной реальности ученика виртуальную модель с заданной прозрачностью и оптимальным пространственно-временным взаиморасположением обрабатываемого материала, инструмента и рук ученика. Программами обучения ПАК задаются разрешенные допуски на пространственно-временные отклонения реального обрабатываемого материала, инструмента и рук ученика от заданной оптимальной виртуальной модели. При нарушении заданных допусков ученику подаются звуковые и/или световые сигналы. ПАК показывает ученику опасные зоны для его частей тела, фиксирует в заданном объеме рабочей зоны действия ручного инструмента опасные ситуации и в случае нарушений техники безопасности подает предупреждающие световые и/или звуковые сигналы. ПАК или обучающий фиксирует режимы работы с обрабатываемым материалом и ручным инструментом, при необходимости комментирует звуковыми или световыми подсказками или дополнительными слайдами процесс обработки материала.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизны".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условия " изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники и имеет значительный изобретательский шаг. Следовательно, заявленный способ соответствует условию " изобретательский уровень".

Технический характер решения подтверждается наличием технического результата, получаемого при осуществлении данного изобретения. Предложенный способ впервые указывает путь и комплекс технических, алгоритмических и программных ресурсов, при помощи которых поставленная задача может быть решена.

Предлагаемый способ обучения работе с ручным инструментом осуществляется следующим образом. На ученике размещают устройство, формирующее дополненную реальность. Обучающий педагог, из библиотеки программ программно-аппаратного комплекса, выбирает программу обучения работе с ручным инструментом. Ученику объясняется существо задания. Получив изображение чертежа на очках дополненной реальности, ученик изучает его, выявляет последовательность выполнения работ, которая может быть спроецирована на экране очков дополненной реальности в виде учебного фильма. Затем ученик подбирает соответствующий инструмент, при необходимости шаблоны или лекала, средства контроля размеров выполняемой детали, а также заготовку и место работы (стол, верстак и т.д.). При этом ПАК или обучающий педагог дистанционно, через средства дополненной реальности информирует ученика о правильности подбора материала заготовки, инструмента или места работы. После проведения подготовительных работ перед глазами ученика ПАК удерживает заданные программой обучения полупрозрачное виртуальное изображение заготовки, инструмента и рук ученика. Задача ученика совместить в объеме рабочего пространства виртуальные изображения заготовки, инструмента, рук с реальной заготовкой, инструментом и реальными руками, прочувствовать фиксацию тела, заготовки и инструмента. После этого ПАК демонстрирует на заданной минимальной скорости работу виртуального инструмента, амплитуду его действия, на данном этапе обработки заготовки, а также положение рук и заготовки. Затем скорость движения инструмента постепенно увеличивают до оптимальной скорости, при этом ПАК фиксирует отклонения реального инструмента от виртуального. При значительных отклонениях, которые выходят за поле допуска при выполнении данного задания, подается звуковой или световой сигнал. Данные сигналы подаются ПАК и при нарушении условий техники безопасности работы.

Пример. Ученику предложено выполнить учебное задание: отпилить кусок металлической трубы ножовкой по металлу. На ученике закрепляют очки дополненной реальности, с помощью которых воспроизводят чертеж заготовки с указанием диаметра трубы (20 мм) и ее длины (100 мм). ПАК демонстрирует изображение инструмента-штангенциркуля, которым ученик может измерить диаметр трубы и сделать риску по длине заготовки. Ученик выбирает из ящика инструментов штангенциркуль и выбирает заготовку трубы требуемого диаметра на стеллаже металлических заготовок. Затем ученику ПАК показывает слайд, как делается риска на заготовке и как правильно фиксировать ее в тисках на слесарном верстаке. Ученик фиксирует заготовку, ПАК или обучающий педагог дистанционно анализирует видеоизображение и подает одобрительный световой или звуковой сигнал. Далее ПАК или педагог воспроизводит слайдами несколько видов инструментов, которыми можно реализовать поставленную задачу и миганием изображения ножовки по металлу сообщает ученику наиболее рациональный вариант. Ученик берет ножовку двумя руками и совмещает свои руки и инструмент с изображением виртуального инструмента, демонстрируемого ПАК для того, чтобы прочувствовать исходное положение для выполнения задания. Дополнительным слайдом ПАК демонстрирует ученику правильное расположение ног, туловища и головы относительно рабочего места и заготовки. После принятия правильного исходного положения ПАК медленно воспроизводит видео с полупрозрачным изображением рук и ножовки, а ученик старается догнать виртуальное изображение своим инструментом и положением рук. При отсутствии грубых ошибок ученика скорость обработки детали увеличивают до оптимального режима. При чрезмерном заваливании режущего полотна ножовки в сторону или других нарушениях ПАК немедленно реагирует звуковым или световым сигналом.

При осуществлении заявляемого способа могут использоваться известные технические решения и средства. Для компьютерной обработки информации может быть использовано известное или оригинальное программное обеспечение.

Изобретение позволяет создавать условия, которые имеют педагогическое и методическое преимущество по сравнению с известными способами обучения навыкам применения ручных инструментов. Очевидна целесообразность применения вышеупомянутых средств дополненной реальности при самостоятельном и дистанционном овладении ручным инструментом, когда педагог не может присутствовать рядом с учеником. Способ позволяет сформировать эффективные педагогические подходы с комплексным применением инновационных динамично развивающихся средств дополненной реальности для решения актуальной задачи.

Заявляемый способ позволяет на качественно новом уровне организовать обучение навыкам применения ручных инструментов, интерактивно контролировать процесс, давать подсказки ученику в режиме реального времени, а также индивидуализировать программы обучения с различными целями и уровнем сложности заданий. Многовариантное применение средств дополненной реальности, представленное данным сочетанием объемных полупрозрачных изображений и звуковым сопровождением, обеспечивает синергетический эффект. Обучение максимально вариабельно, вписано в процесс выполнения конкретных трудовых заданий, обладает эффектом присутствия учителя, что способствует значительному повышению эффективности процесса обучения.

Таким образом, заявляемый способ обучения навыкам применения ручных инструментов обладает новыми свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта. Источники информации

1. Козлина, А.В. Уроки ручного труда в детском саду и начальной школе: Конспекты занятий Текст. / А.В. Козлина. - М.: Мозаика-Синтез, 2004. - 64 с

2. Шухардина, С.Б. Формирование технологических умений у детей старшего дошкольного возраста: Дисс. канд. пед. наук: 13.00.07 Текст. / С.Б. Шухардина. Екатеринбург, 2003. - 228 с.

3. https://www.youtube.com/watch?v=3ucfdR8jMTQ

4. Журнал «Электроника НТБ», 5/2003, стр. 66

5. https://plus.google.com/+projectglass/posts

6. http://innovega-inc.com/

7. Патент РФ 2657984, МПК А63В 69/00. Способ обучения детей младшего возраста / Стихиляс А.В. заявл. 09.10.2017, опубл. 18.06.2018. Бюл. №17

8. Патент Евразийский 027931, МПК А63В 69/00. Способ тактико-технической подготовки спортсменов / Афоньшин В.Е., Роженцов В.В., Рыбаков А.Е. заявл. 17.02.2014, опубл. 29.09.2017. Бюл. №9

Способ обучения навыкам применения ручных инструментов, где обучение ученика проводится при помощи программно-аппаратного комплекса, в состав которого входит компьютер, аудиосистема, видеокамеры контроля и устройства, формирующие дополненную реальность, предъявляемую ученику в виде дополненных изображений плоских и объемных фигур заданной прозрачности или запрещенных световых зон, отличающийся тем, что программно-аппаратный комплекс содержит заданное количество видеокамер, которые закреплены на голове ученика и/или на заданной высоте над рабочим местом ученика в заданном объеме рабочего пространства, при этом изображение с видеокамер передается в компьютер программно-аппаратного комплекса для программной обработки и/или на монитор обучающего для контроля над действиями ученика в режиме реального времени; компьютер связан с видеокамерами и средствами дополненной реальности по радиоканалу или при помощи проводной связи; из библиотеки программ программно-аппаратного комплекса обучающий педагог запускает программу выбранного этапа обучения, которая проецирует на средствах дополненной реальности ученика виртуальную модель с заданной прозрачностью и оптимальным пространственно-временным взаиморасположением обрабатываемого материала, инструмента и рук ученика; программами обучения задаются разрешенные допуски на пространственно-временные отклонения реального материала, инструмента и рук ученика от заданной оптимальной виртуальной модели; при нарушении заданных допусков ученику подаются звуковые и/или световые сигналы; программно-аппаратный комплекс показывает ученику опасные зоны для его частей тела, фиксирует в заданном объеме рабочей зоны действия ручного инструмента опасные ситуации и в случае нарушений техники безопасности подает предупреждающие световые и/или звуковые сигналы; программно-аппаратный комплекс или обучающий фиксирует режимы работы с обрабатываемым материалом и ручным инструментом, при необходимости комментирует звуковыми или световыми подсказками или дополнительными слайдами процесс обработки материала.