На правах рукописи

Марийский Государственный Технический Университет

Фоминых Михаил Александрович

РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ СОВМЕСТНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ТРЁХМЕРНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ МИРАХ

Специальность: 05.13.11 - «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Йошкар-Ола

2009 г.

Аннотация

Трёхмерные многопользовательские виртуальные миры могут быть определены, как сетевые приложения, в которых пользователи передвигаются и взаимодействуют посредством аватаров в симулированных коллективных трёхмерных пространствах. Такие виртуальные миры имеют широкую сферу применения, так как они дают пользователям возможность работать в общем пространстве, преодолевая барьеры физического мира. Применение подходов социального программного обеспечения в трёхмерных виртуальных мирах позволяет объединить преимущества эффективных Интернет сервисов и трёхмерных пространств. Социальное программное обеспечение, созданное по принципам web 2.0, оформленное в отдельное направление лишь в 2005 году, стремительно развивается и привлекает всё большее количество пользователей. Социальные инструменты: блоги, социальные сети и другие сервисы – стали одним из самых популярных направлений развития сети Интернет.

В данной диссертационной работе на основе исследования в предметной области предложен способ использования социальных инструментов в виртуальном мире. В работе также разработана формальная математическая модель виртуального мира, включающая описание основных элементов и принципов, разработаны сценарий и модель управления вычислительным процессом в трёхмерных виртуальных мирах для совместной образовательной деятельности в трёхмерных виртуальных мирах. В рамках работы реализованы модели управления вычислительным процессом в трёхмерных виртуальных мирах в виде программных модулей для образовательных программных систем, а также проведены экспериментальные исследования с применением системы, построенной на основе предложенных моделей.

Abstract

Three-dimensional multi-user virtual worlds can be defined as network applications, in which users move and interact via avatars in simulated three-dimensional shared spaces. These virtual worlds have a broad scope, as they give users the opportunity to work in a common space, overcoming the barriers of the physical world. Approaches of social software in three-dimensional virtual worlds can combine the advantages of effective Internet services and three-dimensional spaces. Social Software, grounded on the principles of web 2.0, has been formulated as a unique direction only in 2005. However it is developing rapidly and attracting a growing number of users. Social software tools: blogs, social networks and other services have become one of the most popular areas of the Internet.
In this thesis is suggested using social software tools in the virtual world based on research in the subject area.

In the dissertation work was developed a formal mathematical model of the virtual world, including the description of the basic elements and principles to develop scenarios and a management model of the computing process in three-dimensional virtual worlds for collaborative educational activities in the three-dimensional virtual worlds. The management model that implements the computing process of three-dimensional virtual worlds is realized in the form of software modules for educational software systems. Pilot studies of using a system built on the basis of the proposed models have also been conducted.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 12

Теоретические подходы к образованию и проектированию обучающих систем 12

Трёхмерные виртуальные многопользовательские пространства 16

Парадигмы приложений Интернет технологий 18

Концепция «Трёхмерный Интернет» 19

«Экранные» виртуальные миры 20

Платформы виртуальных миров 21

Дилемма «серьёзных» виртуальных миров 24

Социальное программное обеспечение 25

Проблемы диссертационного исследования 28

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВИРТУАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА И ЕЁ АДАПТАЦИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ЦЕЛЕЙ. 30

Типичный сценарий возможного виртуального мира 30

Ключевые концепции 31

Математическая модель виртуального мира 32

Спецификация модели 38

Обобщение 40

Глава 3. РАЗРАБОТКА СЦЕНАРИЯ И МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ ПРОЦЕССОМ В ТРЁХМЕРНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ МИРАХ. 41

Способы использования социальных инструментов для совместной деятельности в трёхмерных виртуальных мирах 43

Модель достижения цели при совместной деятельности в виртуальном трёхмерном мире 50

Модель совместной деятельности по сценарию в трёхмерном виртуальном мире 53

Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ ПРОЦЕССОМ В ТРЁХМЕРНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ МИРАХ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. 55

Реализации модели управления вычислительным процессом в трёхмерных виртуальных мирах 55

Экспериментальные исследования 60

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 65

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы использование трёхмерных виртуальных миров в различных сферах значительно возросло. Виртуальные миры имеют многообещающий потенциал, так как они дают пользователям возможность работать в общем пространстве, преодолевая барьеры физического мира. Виртуальные миры позволяют людям взаимодействовать особым способом, отличающимся эффектом присутствия, недостающего при использовании других средств медиа. Социальное программное обеспечение, созданное по принципам web 2.0, оформленное в отдельное направление лишь в 2005 году, стремительно развивается и привлекает всё большее количество пользователей. Социальные инструменты: блоги, социальные сети и другие сервисы – стали одним из самых популярных направлений развития сети Интернет. Инновационным направлением считается использование социальных инструментов в трёхмерных виртуальных мирах. Один из принципов социального программного обеспечения – привлечение пользователей к созданию контента – используется в виртуальном мире Second Life, что во многом обеспечивает успешность этого проекта. На данный момент основной проблемой теоретиков и разработчиков в этой области является наиболее эффективное использование преимуществ трёхмерных виртуальных миров. Как показывает анализ последних исследований, основные усилия разработчиков направлены на адаптацию в виртуальном мире различных видов деятельности, используемых в реальном мире. Уникальные же преимущества виртуальных трёхмерных миров ещё только начинают описываться теоретиками и частично использоваться в реальных проектах. В решении данной проблемы подходы социального программного обеспечения могут послужить мощным инструментом, связывающим технологию виртуальных миров и теоретические разработки социального конструктивизма, теории деятельности, а также прикладных направлений, таких как: человеко-машинное взаимодействие и совместная работа в компьютерных средах. Вопросы виртуальной реальности и виртуальных миров рассмотрены в работах: И.Т. Фролова, Е.А. Федосова, С.В. Клименко, М.Л. Махер, Е. Праслова-Фёрланд, Д. Талманн. Проблемы информатизации образования и электронного обучения рассматриваются в работах: А.А. Андреева, С.А. Бешенкова, А. Ю. Уварова, Г. Сименс, Л. Нил, Н. Уайт.

В адаптации виртуальных миров для образовательных целей полезным можно считать не только преимущества дистанционного обучения, но и расширенные возможности для совместной работы, обмена знаниями, хранения и использования различных видов образовательных ресурсов. Актуальной проблемой в этой области является организация эффективного взаимодействия и совместной работы с контентом в общем пространстве. Такая организация должна учитывать и максимально использовать как преимущества технологии трёхмерных виртуальных пространств, так и подходов социального программного обеспечения. Данная проблема была выбрана основной проблемой диссертационного исследования. Для решения указанной проблемы возникает необходимость разработки моделей, описывающих виртуальное пространство, взаимодействие и совместную работу пользователей с использованием социальных инструментов.

В связи с этим, целью исследования диссертационной работы является повышение эффективности образовательного программного обеспечения путем решения задачи по разработке модели совместной учебной деятельности с использованием социальных инструментов в трёхмерных виртуальных пространствах. В соответствии с указанной целью в работе сформулированы, обоснованы и решены следующие задачи:

1. Исследование существующих моделей и систем трёхмерных виртуальных миров. Исследование сценариев и моделей совместной учебной деятельности в виртуальных мирах.
2. Разработка эффективного способа использования социальных инструментов в виртуальном мире.
3. Разработка математической модели виртуального пространства и её адаптация для образовательных целей.
4. Разработка сценария и модели управления вычислительным процессом в трёхмерных виртуальных мирах для совместной учебной деятельности с использованием социальных инструментов.
5. Реализация модели управления вычислительным процессом в трёхмерных виртуальных мирах в виде программных модулей для образовательных программных систем.
6. Экспериментальные исследования совместной учебной деятельности с применением программного продукта, разработанного на основе предложенных моделей.

Объектом исследования является использование инструментов социального программного обеспечения в трёхмерных виртуальных мирах для совместной деятельности и обучения.

Предметом исследования являются программное обеспечение социального назначения и его характеристики, позволяющие повысить эффективность организации совместной образовательной деятельности в трёхмерных виртуальных пространствах с использованием социальных инструментов.

В ходе выполнения работы были использованы классификационные, экспертные и экспертно-статистические методы анализа данных, Теория деятельности, концепция проектирования систем User Experience (UX) и концепция проектирования ПО User-centered design (UCD). Исследование опирается на материалы работ в Лаборатории систем мультимедиа МарГТУ (Марийский государственных технический университет), в NTNU (Norwegian University of Science and Technology), а также специальную литературу по теме исследования.

Наиболее значительными результатами, полученными в диссертационном исследовании, являются:

1. Исследованы существующие модели и системы трёхмерных виртуальных миров. Исследованы сценарии и модели учебной деятельности в виртуальных мирах, а также существующие модели совместного обучения. Исследованы возможности совместной деятельности с использованием социальных инструментов.
2. Предложен способ использования социальных инструментов в виртуальном мире в качестве его неотъемлемой части, позволяющей объединить преимущества эффективных Интернет сервисов и трёхмерных пространств.
3. Разработана формальная математическая модель виртуального мира, включающая описание основных элементов и принципов. Модель определяет базовые понятия виртуального мира и позволяет проектировать системы для любых технических платформ.
4. Разработаны сценарий и модель управления вычислительным процессом в трёхмерных виртуальных мирах. Сценарий и модель описывают процессы совместного обучения в трёхмерных виртуальных мирах с использованием социальных инструментов. Модель позволяет проектировать системы, реализующие совместную деятельность пользователей в трёхмерных виртуальных мирах.
5. Реализованы модели управления вычислительным процессом в трёхмерных виртуальных мирах в виде программных модулей для образовательных программных систем.
6. В результате экспериментальных исследований с применением системы, построенной на основе предложенных моделей, показана эффективность использования социальных инструментов в виртуальных трёхмерных мирах.

Материалы исследований, а также сценарии и модель совместной деятельности в трёхмерных виртуальных пространствах могут быть использованы при разработке образовательного программного обеспечения, с использованием технологий исследуемой и смежных областей. Результаты работы над диссертацией использовались в Лаборатории систем мультимедиа, Марийского государственного технического университета (МарГТУ) при реализации многопользовательских образовательных интернет ресурсов. Результаты работы внедрены в Норвежский Университет Науки и Технологии (Norwegian University of Science and Technology, NTNU), а именно приняты в эксплуатацию разработанные программные модули, реализующие социальные инструменты в виртуальном трёхмерном мире, для использования в образовательных курсах. Результаты экспериментальных исследований, статистические данные и их анализ могут быть использованы для дальнейших исследований в области повышения эффективности образовательного программного обеспечения.

Работа выполнена в Лаборатории систем мультимедиа, МарГТУ; с октября 2007 года исследования также велись автором в Норвежском Университете Науки и Технологии (NTNU) по исследовательской программе «Обучение с ИКТ (Lring med IKT)». Исследования, представленные в диссертации, использовались при разработке многопользовательских виртуальных миров с элементами социального программного обеспечения в МарГТУ и NTNU.

Работа состоит из 4-х глав основного текста. В первой главе представлен обзор и анализ научной литературы, теоретических и технических подходов в предметной области исследования. Рассматриваются вопросы использования социальных инструментов в трёхмерных виртуальных пространствах. Во второй главе диссертации представлена разработанная математическая модель виртуального мира, элементы которого адаптированы для целей совместного обучения. В трётьей главе представлены разработанные сценарий и модель управления вычислительным процессом в трёхмерных виртуальных мирах. Сценарий и модель описывают процессы совместного обучения в трёхмерных виртуальных мирах с использованием социальных инструментов. Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям с применением системы, построенной на основе предложенных моделей.

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В этой части диссертации приводится обзор и анализ научной литературы, теоретических и технических подходов в предметной области исследования. Рассматриваются вопросы повышения качества образования с использованием различных теоретических подходов и технологий. Проведён анализ теоретических подходов к образованию с фокусом на проектировании обучающих систем, анализ использования виртуальных трёхмерных миров для обучения, вопросы применения подходов социального программного обеспечения в обучающих системах, а также вопросы создания и использования образовательного контента с фокусом ресурсах в виртуальных мирах.

Теоретические подходы к образованию и проектированию обучающих систем

Основными теоретическими подходами к образованию являются Бихевиоризм, Когнитивная психология, Конструктивизм и Социальный конструктивизм [1-3]. Рассмотрим эти подходы с точки зрения их применения в разработке обучающих систем. С точки зрения бихевиоризма, ученик это пассивный потребитель, тогда как учитель – активный распространитель знания. Данный подход является основным в традиционной системе образования, а также использовался в большинстве обучающих систем в XX веке. Когнитивная психология рассматривает ученика как модуль обработки информации, который обучается посредством решения поставленных учителем проблем и критического анализа информации. Этот подход стал оказывать влияние на образовательные практики примерно с 70х годов XX века. Учёные когнитивного направления представляют, что компьютер и человек обрабатывают (получают, хранят, вспоминают) информацию схожим образом. Эта аналогия позволяет программировать компьютер так, чтобы он «думал» как возможный пользователь – создавать искусственный интеллект. Когнитивная психология использовался и используется в обучающих системах, появившихся позднее, имеющих интерактивные интерфейсы, более сложную функциональность и обратную связь. Бихевиоризм и когнитивная психология анализируют задание, разбивая его на понятные части, определяя, таким образом, задачи, на основе которых проходит оценка знаний. Значимым сдвигом в идеологии образовательных практик подход конструктивизма, с более открытой моделью обучения, где методы и результаты не так легко поддаются определению и измерению и могут быть неодинаковы для всех обучающихся. Конструктивизм разрабатывает идею, что ученик познаёт мир посредством получения опыта, путём создания понимания явлений на основе уже имеющихся идей. Этот подход используется в инновационных системах, предлагающих пользователю высокую степень вовлечённости в явление или предметную область, через реализацию симуляций и демонстраций, высокую степень интерактивности и реалистичности. Социальный конструктивизм рассматривает обучение как социальный процесс, при котором ученики конструируют глубокое понимание понятий посредством взаимодействия и общения друг с другом, а учитель лишь содействует этому процессу. Данный подход, выдвинутый впервые Л. С. Выготским [2, 4], является базовым в разработке современных инновационных образовательных систем, использующих сетевые технологии и предлагающих многопользовательские коллективные пространства для обучения. Идеи обучения и знаний, лежащие в основе педагогических подходов тесно связаны с природой знаний как процесса обучения. В своих работах В.Г. Вилсон описывает взаимосвязь между подходами к пониманию знания и характеристиками обучающих систем [5]. Это описание резонирует с описанными теоретическими подходами к разработке обучающих систем.

Таблица 1. Взаимосвязь между подходами к пониманию знания и характеристиками обучающих систем.

Подходы к пониманию знания	Характеристики обучающих систем
Знания это определённое количество контента, предназначенное для передачи ученику	Электронные материалы для самообучения, распространяемые посредством различных медиа.
Знание это когнитивное состояние, отраженное в индивидуальных навыках ученика	Комбинация обучающих стратегий, целей и средств для изменения схемы мышления ученика. Обучающие программы.
Знание это мнение ученика, сконструированное при взаимодействии с его окружением	Рабочее пространство, включающее коллекцию инструментов и ресурсов, где ученик действует, окруженный массой ресурсов и стимулов.
Знание это процесс приобщения к культуре или адаптации коллективного способа видения и действия	Участие в ежедневных практиках в рамках сообществ. Пространства для совместной работы, все перечисленные инструменты.

Социальный конструктивизм является основным теоретическим подходом в диссертационном исследовании, так как наилучшим образом подходят для описания исследуемых процессов и разрабатываемых моделей.

Теория деятельности деятельностный подход, выдвинутый впервые А.Н. Леонтьевым [6], опирается на идеи социального конструктивизма и представляет собой систему методологических и теоретических принципов в психологии и педагогике. Теория деятельности была дополнена и поддержана многими учёными [7-9], которые показали её применимость и полезность в таких областях как проектирование коллективных компьютерных сред, обучающих систем, человеко-машинное взаимодействие и других. Основным предметом исследования согласно подходу является деятельность. Модель деятельности формулируется как: «Высший уровень коллективной деятельности направлен на объектно-ориентированный мотив; средний уровень индивидуального или коллективного действия направлен на цель; нижний уровень направлен на конкретные условия и инструменты» [7]. В модель деятельности входят также такие элементы как правила, сообщество и разделение труда. Модель деятельности графически представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Модель теории деятельности

Эта модель деятельности является самой распространённой. В модели субъект отождествляется с индивидуумом или группой; объектом является цель деятельности. Инструменты отождествляются с внутренними или внешними артефактами посредничества, с помощью которых достигаются результаты деятельности. Сообщество состоит из людей, разделяющих общие цели. Правила определяют действия и взаимодействия в системе деятельности. Разделение труда определяет, как задачи распределяются между членами сообщества. Ключевым понятием теории деятельности является посредничество с помощью артефактов или инструментов. Артефакты могут быть широко определены как инструменты, обозначения, язык и машины, при посредничестве которых происходит деятельность [10]. Идея посредничества артефактов позволяет рассматривать работу с программным обеспечением как «деятельность посредством компьютера», а не «человеко-машинное взаимодействие», что даёт возможность рассматривать явления с другой точки зрения. В рамках теории деятельности разработан мощный понятийный аппарат, позволяющий описывать широкий круг явлений и процессов. Система понятий является достаточно широкой, чтобы описывать на общем языке явления как педагогики и психологии, так и проектирования и техники.

Трёхмерные виртуальные многопользовательские пространства

Область многопользовательских виртуальных миров является достаточно молодой – началом их развития можно считать появление первых текстовых Многопользовательских миров (Multi User Dungeons – MUDs) в конце 70х – начале 80х годов. Многопользовательский мир – это текстовая многопользовательская компьютерная игра, в которой присутствуют элементы ролевой игры, hack-and-slash, interactive fiction и чат, как правило, разделённый на каналы. Первыми разработками в рамках этой технологии можно считать проекты: Colossal Cave Adventure (1975), Zork (1977), Multi-User Dungeon (1978). В 1990 году появилось новое понятие в области многопользовательских миров – Объектно-ориентированные многопользовательские миры (MUD, object oriented – MOO). Объектно-ориентированные многопользовательские миры могут быть определены как текстовые сетевые системы виртуальной реальности, в которых пользователи соединены в режиме реального времени. Развитие технологий многопользовательских миров и объектно-ориентированных многопользовательских миров привело к появлению принципов, многие из которых перешли в технологию виртуальных трёхмерных миров. Основные принципы многопользовательских миров и объектно-ориентированных многопользовательских миров [11]:

1. Несколько пользователей могут играть одновременно;
2. Пространство разделено на виртуальные подпространства, так что объекты одного подпространства не могут напрямую взаимодействовать с объектами другого подпространства;
3. Взаимодействие происходит в текстовом формате;
4. Коммуникация уставляется с помощью TCP сокетов;
5. Комбинация объектов, подпространств и возможностей навигации позволяет создавать игровые задачи;
6. Некоторые многопользовательские миры и объектно-ориентированные многопользовательские миры создаются для серьёзных целей;
7. Пользователи виртуально разделяют общее пространство, где происходит социальное взаимодействие;
8. Архитектура программного обеспечения основана на множестве клиентов, подключённых к единому серверу (см. рисунок 2.)

Рис.2 Архитектура многопользовательского мира

Развитие технологий аппаратных средств и расширение возможностей компьютерной графики, начиная с 90х годов, позволили технологии виртуальных миров перейти от текстового описания сцен к описанию графическому, трёхмерному. Это привело к появлению трёхмерных многопользовательские виртуальных миров – сетевых приложений, в которых пользователи передвигаются и взаимодействуют посредством аватаров в симулированных коллективных трёхмерных пространствах [12-25].

Парадигмы приложений Интернет технологий

В историческом контексте интерес представляют две парадигмы приложений Интернет технологий: парадигма документов и парадигма виртуальных миров [11]. Парадигма документов родилась в середине 90х годов при стандартизации и бурном развитии технологии гипертекста, что породило огромное количество WWW-документов. Эти документы (часто активные, способные отвечать на действия пользователя) доступны на одном или нескольких серверах, а клиентские приложения могут взаимодействовать с ними. Обычно каждый пользователь копирует конкретный документ на свою локальную машину и не взаимодействует с другими пользователями, обращающимися к этому же документу. Пользователь, в частности, не модифицирует оригинальный документ. Лежащая в основе парадигмы документов метафора – это большая книга со ссылками, главное достоинство которой – это распределенная архитектура с огромным количеством серверов во всем мире.

Более фантастическим на сегодняшний день выглядит киберпространство, состоящее из соединённых виртуальных миров, населённых в реальном времени миллионами пользователей, представленных аватарами и осознающими присутствие и действия других пользователей в конкретной локации. В таком пространстве, если пользователь взаимодействует с объектом, другие пользователи, находящиеся в данном пространстве, могут видеть это действие и принять в нём участие. Такое представление соответствует парадигме виртуальных миров. Киберпространство делает шаг вперёд, уходя от простых связанных ссылками документов, к социальным и открытым пространствам, к сообществам. Использование киберпространства для преодолений издержек и ограничений реального физического мира на протяжении многих лет представлялось научной фантастикой, однако с технологией виртуальных миров это становится возможным.

Концепция «Трёхмерный Интернет»

В рамки парадигмы виртуальных миров укладывается концепция «Трёхмерный Интернет» (3D Internet). Сторонники этой концепции считают следующим этапом в развитии сети Интернет её превращение в глобальный виртуальный мир. Одним из преимуществ введения дополнительного измерения называется то, что для человека более естественно ориентироваться и действовать в трёхмерном мире. Создание трёхмерных пространств обходится дороже двухмерных и требует больших ресурсов при использовании, однако, современные компьютерные технологии позволяют воплотить в жизнь идеи трёхмерного интернета. В работе [26] приводится возможная схема трёхмерного интернета, в адаптированном варианте схема показана на рисунке 3.

Рис. 3 Схема возможной организации трёхмерного Интернета

В данной схеме клиенты – это приложения, работающие на стороне пользователя, похожие на браузеры, способные отображать виртуальный мир. Сервер виртуального мира предоставляет пользователям ресурсы, организованнее в трёхмерные места (вместо веб-сайтов), координирует взаимодействие пользователей в этих местах и предоставляют различные возможности, такие как различные виды коммуникаций. ID сервер управляет информацией о виртуальных пользователях, их характеристиках, инвентарях. Глобальный сервер локаций управляет локационными данными с помощью системы похожей на DNS. В целом концепция Трёхмерный Интернет является важным элементом теоретической базы диссертации. Исследование во многом ориентировано на расширение использования трёхмерных виртуальных миров, в работе разрабатываются идеи и концепции, обозначающие развитие науки в направлении Трёхмерного Интернета.

«Экранные» виртуальные миры

С развитием технологий виртуальной реальности появилось огромное количество направлений развития многопользовательских виртуальных миров. В данной работе рассматривается одно из таких направлений – трехмерные многопользовательские виртуальные миры, относящиеся к категории «Экранных» (Desktop) виртуальных миров. Это предполагает, что пользователь воспринимает виртуальную реальность посредством экрана компьютера (и других стандартных средств ввода-вывода) без каких либо дополнительных устройств (шлема виртуальной реальности, симуляторов различных ощущений). Трёхмерные многопользовательские виртуальные миры могут быть определены, как сетевые приложения, в которых пользователи передвигаются и взаимодействуют в симулированных разделяемых «экранных» трёхмерных пространствах [13, 25, 27-30]. В таких пространствах пользователи представлены аватарами – трёхмерными анимированными персонажами, которые позволяют пользователям выразить свою индивидуальность, присутствие, местоположение и вид деятельности [31-34]. При помощи аватаров пользователи передвигаются в пространстве и взаимодействуют с другими пользователями, агентами и виртуальными объектами. Коммуникационные возможности в таких мирах представлены обычно текстовым чатом, набором жестов и иногда – голосовой связью. Примеры успешных трёхмерных многопользовательских виртуальных миров такого типа включают: Second Life (http://www.secondlife.com/), Active worlds (http://www.activeworlds.com/), Wonderland (https://lg3d-wonderland.dev.java.net/), There.com (http://www.there.com/), Croquet (http://www.croquetconsortium.org/) и другие.

Платформы виртуальных миров

В данном диссертационном исследовании все разработки и идеи носят универсальный характер и не привязаны к конкретным платформам, однако некоторым технологическим решение может быть отдано предпочтение ввиду нескольких причин. Виртуальный мир Second Life является на 2009 год самым популярным виртуальным миров среди подобных. С использованием данной платформы проведено большое количество исследований [12, 14-16, 19, 20, 35, 36] и издано научной литературы, а также этот виртуальный мир используется с 2009 года как платформа для Виртуального кампуса NTNU – проекта, в разработке которого автор принимает активное участие. Другим значимым примером технических платформ является Active worlds, которая была, во многом, инновационным проектом начиная с 1997 года. На описанные в научной литературе исследования [13, 22, 23, 37] в этом виртуальном мире также опираются исследования в данной работе. Основные параметры этих виртуальных миров, включая технические характеристики, описаны в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительная таблица виртуальных миров

Характеристика	Платформа ММЛаб	Second Life	Active Worlds
Продукт выпущен	платформа в разработке. Виртуальный город 2008	2003 Виртуальный мир	1997 Виртуальный мир
Насколько легко начать пользоваться	Относительно легко в освоении	Некоторые сложности в основном из-за потери ориентации	Относительно легко в освоении
Основная метафора	Миры	Острова	Миры
Текстовые коммуникации	Набрать текст в окне чата и нажать «Сказать»	Набрать текст в окне чата и нажать «Сказать»	Набрать текст в окне чата и нажать Ввод.
Поддержка звуковых файлов	Имеется	Имеется	Имеется
Поддержка видео файлов	Имеется	Имеется	Имеется
Возможность запуска стороннего ПО в мире	Можно проигрывать аудио и видео потоки и web в мире. Совместное использование приложений	Можно проигрывать аудио и видео потоки и web в мире	Возможен запуск браузера интернета в отдельном фрейме
Возможности модификации мира пользователями	Имеется. Строительство трёхмерных объектов	Имеется. Строительство трёхмерных объектов и программирования их поведения	Имеется. Строительство трёхмерных объектов
Основные настройки аватара	Можно выбрать мужчину или женщину, затем настроить кожу, волосы, лицо, тело	Можно выбрать из 4х мужчин и 4х женщин, затем настроить кожу, волосы, лицо, тело	Можно выбрать мужчину или женщину. Для настройки необходима платная учётная запись
Аутентификация личности	Нет. Пользователь может изменить имя и адрес электронной почты в любое время	Нет. Пользователь может иметь несколько учётных записей	Нет. Пользователь может изменить имя и адрес электронной почты в любое время
Способ передвижения	Передвижение при помощи клавиатуры и/или мыши	Передвижение при помощи клавиатуры	Передвижение при помощи клавиатуры и/или мыши
Передвижения между локациями	Телепортация между локациями при помощи специальных URL. Телепорт при клике мыши на мини карте	Пользователь может телепортироваться, набирая адрес SURL, или при помощи функции поиска находить локацию и телепортироваться	Телепортация по нажатию Teleport и набиранию имени мира либо сохранённой закладки
Системные требования	Подключение 128 кб/с, RAM 512мб Видеокарта – 128мб, Windows, 2000/XP/Vista	Широкополосное подключение RAM 512мб Видеокарта – 128мб, Windows, 2000/XP/Vista	Широкополосное подключение Microsoft Windows 98, NT, Me, 2000, XP
Проблемы связи	Низкий уровень лага	Высокий уровень лага на островах с большим числом посетителей	Очень низкий уровень лага
Ориентация камеры	От 1го или от 3го лица, специальный вид для настройки аватара	От 1го или от 3го лица, специальный вид для настройки аватара	От 1го или от 3го лица
Взаимодействие с объектами	кликнуть мышью для использования. Клик правой кнопкой мыши для вызова контекстного меню	Клик правой кнопкой мыши для вызова контекстного меню	кликнуть мышью для использования. Клик правой кнопкой мыши для редактирования.
Запись событий в трёхмерном формате	Пользователь может записать всё происходящее в виртуальном мире, а затем воспроизвести запись	нет поддержки	нет поддержки
Специализированные образовательные инструменты	Поддержка встроенных инструментов для обучения	возможность создания инструментов имеющимися в мире средствами	возможность создания инструментов имеющимися в мире средствами
Социальная сеть	Встроенная в виртуальный мир социальная сеть	Независимая социальная сеть пользователей мира	Нет

Идеальный трёхмерный виртуальный мир, удовлетворяющий потребности всех групп пользователей и превосходящий все другие миры, пока не создан. Анализ некоторых из них уже показывает, что у всех есть свои преимущества и недостатки. Обилие и сложность различных инструментов в Second Life, в особенности для создания трёхмерных объектом и программирования их поведения, может быть названо достоинством этого мира, однако это создаёт сложности начинающим пользователям. В Active Worlds, напротив, более скромная функциональность и менее совершенная графика позволяют новичкам разобраться в системе намного быстрее, к тому же в системе практически отсутствует проблема лага.

Дилемма «серьёзных» виртуальных миров

Наличие в трёхмерных мирах возможностей и инструментов для обучения становится в последнее время всё более значимым фактором и, по словам S. de Freitas в отчёте о серьёзных виртуальных мирах [35], в недалёком будущем все виды виртуальных миров будут предлагать различные возможности для обучения. В последние годы использование трёхмерных виртуальных миров возрастало во многих областях и в том числе – в образовании [20, 38]. Однако множество проблем продолжают существовать в этой области. Основной дилеммой, рассматриваемой в диссертационном исследовании, является то, что виртуальные миры представляющие реальность с и высокой точностью, называемые «зеркальные миры» (mirror worlds) [27, 35] такие как: Google Earth (http://earth.google.com/), Planet Earth (http://sourceforge.net/projects/planet-earth/) и NASA World Wind (http://worldwind.arc.nasa.gov/) имеют низкий уровень поддержки социальных сервисов и обучения. С другой стороны социальные виртуальные миры [39] и виртуальные миры для обучения, такие как Second Life и Active Worlds имеют низкий уровень реалистичности и слабую связь с реальным миром. Конечно же, различные виды виртуальных миров предназначаются для различных видов деятельности, однако, как показывают исследования [40-42], сочетание точного отображения реальности с образовательными возможностями и обучающими инструментами открывает широкие возможности.

Социальное программное обеспечение

В последние годы Интернет сервисы, принадлежащие к новому классу социального программного обеспечения, приобрели значимую популярность среди пользователей глобальной сети. Платформы социального программного обеспечения спроектированы для поддержки обмена информацией в сетевых социальных сетях, предоставляя условия для поиска информации, публикации материалов в сети, коллективного хранения и использования информации, совместной систематизации информации в социальном контексте. Социальное программное обеспечение, созданное по принципам web 2.0, оформленное в отдельное направление лишь в 2005 году [43, 44], стремительно развивается и привлекает всё большее количество пользователей. Социальные инструменты: блоги, социальные сети и другие сервисы – стали одним из самых популярных направлений развития сети Интернет [45, 46]. Хотя словосочетание web 2.0 не является научным термином, понятие приобретает всё более точные контуры. По определению Тима О’Рейли, web 2.0 – это «методика проектирования систем, которые путём учета сетевых взаимодействий, становятся тем лучше, чем больше людей ими пользуются» [43]. Особенностью web 2.0 является принцип привлечения пользователей к наполнению и многократной выверке контента. В данном определении «лучше» стоит понимать «полнее», то есть речь идёт о наполнении информацией, однако вопросы её надёжности, достоверности, объективности остаются открытыми (Рис. 4).

Рис.4. Сравнение первого и второго поколений Интернет сервисов

Социальное взаимодействие в сети Интернет приобретает всё большую значимость, как глобальный медиум, способствующий межличностным коммуникациям и обмену информацией. Социальное программное обеспечение представляет значительную часть приложений, построенных на основе web 2.0. На данный момент социальное программное обеспечение включает различные классы программного обеспечения, как хорошо известные, так и новые (Рис. 5) [43, 44, 47].

Рис. 5. Классификация социального программного обеспечения

Широко известные социальные инструменты включают дискуссионные форумы (например, http://forum.citforum.ru/), сетевые дневники – блоги (например, http://www.livejournal.com/, http://www.blogger.com/), социальные сети (например, http://www.facebook.com/, http://www.linkedin.com/), сервисы социальных закладок (например, http://del.icio.us/), сервисы фото-обмена (например, http://www.flickr.com/) и множество других. Большую популярность приобретают сервисы мэшап (mashup) [48] – Интернет приложения, объединяющие данные из нескольких источников в один интегрированный инструмент. При проектировании и разработке социального программного обеспечения часто используется подход AJAX (Asynchronous JavaScript and XML) – это подход к построению пользовательских интерфейсов Интернет приложений, при котором web-страница, асинхронно загружает необходимые пользователю данные [49]. Использование подхода Ajax стало наиболее популярно после того как компания «Google» начала активно использовать его при создании своих сайтов, таких как «Gmail» и «Google Map». Иногда Ajax считают синонимом web 2.0, однако web 2.0 не зависит от какой-то одной технологии или даже набора технологий.

Социальное программное обеспечение используется для различных целей и особенно эффективно при необходимости предоставить пользователям инструменты совместной работы, совместной деятельности. В данной диссертационной работе рассматриваются возможности использования социального программного обеспечения в виртуальных трёхмерных мирах для повышения эффективности совместной деятельности пользователей и совместного обучения. Исследования в области применения социального программного обеспечения для целей образования рассматривается во многих научных работах [45, 50-54], где подчёркивается его полезность и эффективность для большого круга задач.

Проблемы диссертационного исследования

Представлены выявленные на основе анализа существующие проблемы в области исследования:

1. Понятие контента в трёхмерных виртуальных пространствах трактуется разработчиками узко, а, следовательно, представлен небольшой выбор типов ресурсов.
2. Не достаточна поддержка создания образовательного контента, слабо проработаны вопросы его хранения и сценарии использования в трёхмерных виртуальных пространствах.
3. Существующие модели совместной работы в виртуальных трёхмерных мирах не учитывают в полной мере возможности использования социальных инструментов, что снижает их эффективность.
4. Трёхмерные виртуальные пространства с высокой степенью реалистичности, имеют низкий уровень поддержки социальных сервисов и обучения.
5. Системы, реализующие сервисы для обучения, совместного обучения и социального взаимодействия в трёхмерных виртуальных пространствах, имеют низкий уровень реалистичности и слабую связь с реальным миром.

Выдвигаемые в диссертации идеи и разрабатываемые модели, основанные как на обобщении существующих теоретических знаний, так и на новых эмпирических данных, позволяют приблизиться к решению перечисленных основных проблем.

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВИРТУАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА И ЕЁ АДАПТАЦИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ЦЕЛЕЙ.

В этой части диссертации определяются все концепции вне зависимости от платформ, связанные с трёхмерными виртуальными мирами. Ключевые концепции определяются с помощью простого сценария, а затем с помощью формальной абстрактной математической модели.

Типичный сценарий возможного виртуального мира

В части приводится типичный сценарий возможного виртуального мира, разработанный на основе [11]. Основываясь на этом сценарии, определяются основные вовлечённые концепции.

Предположим, что имеется виртуальный мир, в котором хочет жить пользователь. Во время прогулок по виртуальному миру, он исследует различные его части, объекты, а также встречает других пользователей. Одним из обнаруженных объектов оказывается простой калькулятор с несколькими функциями; пользователь попробовал использовать его и произвести несколько вычислений. Затем пользователь обнаруживает место в виртуальном мире, где двое других пользователей играют в настольную игру и ещё несколько пользователей за ними наблюдают. Пользователь присоединяется к группе наблюдателей, но после небольшого промежутка времени, он спрашивает соседа, не хочет ли он поиграть с ним в эту игру. Они копируют настольную игру и перемещаются в другое место, чтобы поиграть. После окончания игры пользователь кладёт настольную игру в свою сумку и покидает это место.

Ключевые концепции

Пусть, что основными составляющими модели, основанной на данном сценарии, являются:

• Аватар. Пользователь нуждается в том, чтобы быть как-то представленным в виртуальном мире. Он персонифицируется посредством аватара. Посредством аватара пользователь может передвигаться в виртуально мире – ходить, исследовать мир – смотреть по сторонам, взаимодействовать с элементами виртуального мира и другими пользователями – манипулировать объектами, общаться и выполнять другие действия. Учитывая то, что мы имеем дело с трёхмерным виртуальным миром, аватар может принимать различные формы: от реалистично выглядящего человека, до любых абстрактных персонажей.
• Объект. В обсуждаемом виртуально мире существуют объекты. Это не простые пассивные куски данных, а активные объекты, которые можно использовать или запустить. Объекты могу также быть предназначены для использования группой пользователей. Объекты могут быть скопированы пользователем, а также над объектами могут быть произведены другие действия.
• Локация. Пользователи и объекты находятся в определённых локациях или локации. Эта концепция вытекает из возможности навигации в виртуальном мире и имеет географический смысл.
• Навигация. Эта концепция подразумевает возможность передвижения из одной локации в другую. Аватары могут передвигаться при помощи ссылок между локациями или напрямую – при помощи ходьбы.
• Подпространства. Каждая локация может быть представлена как подпространство виртуального мира. Таким образом, разделяемое виртуальное пространство состоит из различных подпространств.
• Событие. Пользователь должен осознавать, что происходит в окружающем его пространстве. Эта осознанность достигается при помощи концепции событий. В трёхмерном мире пользователь может видеть движение аватара, совершать ход в настольной игре, что является примерами событий. Событием может быть любое другое действие в виртуально мире.
• Источник события. Событие всегда имеет ресурс или источник, который производит его. Примером может быть игра, которая при окончании производит «Событие окончания игры».
• Объект события. Событие может быть направлено или перехвачено объектом действия, который реагирует на это событие соответствующим образом.
• Зона распространения события. События имеют зону распространения. Это определённое ограниченное пространство вокруг источника действия, в рамках которого объект события сможет осознать, что событие произошло.

Математическая модель виртуального мира

Все концепции, определённые выше нуждаются в объединении в математическую модель, разработанную на основе [11, 55-58]. Основные положения:

• В ядре модели находится виртуальное пространство . Это пространство имеет глобальную систему координат, которая позволяет подпространствам иметь позиции и размер.
• Подпространства населены аватарами и объектами, а также соединены границами. Подпространства имеют позиции и размеры в локальной системе координат, связанной с надсистемой.
• Дальнейшие аксиомы и правила определяют отношения между описанными выше концепциями.

Рассмотрим глобальное виртуальное пространство.

Определим как весь виртуальный мир, всё разделяемое виртуальное пространство. Он выглядит как направленный граф, состоящий из множества вершин и множества дуг . Дуга это упорядоченная пара вершин, выраженная, как:

, где (1)

Для данной дуги , определим как голову дуги, а - как хвост дуги. Это можно определить следующими функциями:

и (2)

это множество всех подпространств , составляющих виртуальный мир :

, где это множество индексов (3)

это множество всех ссылок между подпространствами :

(4)

- это пространство имён, используемое для адресации комнат.

Каждое подпространство имеет адрес, выражающийся формулой:

(5)

Каждое подпространство имеет положение (локацию) в , выражающееся формулой:

(6)

Каждое подпространство имеет размер в , выражающийся формулой:

(7)

это множество всех подпространств , это система координат. Должно существовать измерение (метрика) , определённое в системе координат в .

(8)

Два подпространства и являются смежными, если выполняется следующее условие:

и , где и (9)

Далее рассмотрим концепции: аватар, объект и транспортная точка.

Каждое подпространство это множество аватаров, объектов и транспортных узлов.

Пусть - это множество всех аватаров , живущих в подпространстве :

(10)

Пусть - это множество всех объектов , существующих в подпространстве :

(11)

Присвоим каждой ссылке значения точки отправления и точки прибытия:

это точка отправления для , где это точка прибытия для , где

(12)