Проблемы и ограничения использования анимаций и 3D-моделей в школьном биологическом образовании

Проблемы и ограничения использования анимаций и 3D-моделей в школьном биологическом образовании

Төкіш Нұрбек Темірханұлы

магистрант 1 курса Муждународного университета «Астана»,

г.Астана

Аннотация

В условиях стремительной цифровизации образования и перехода к визуально-ориентированным методам обучения особое значение приобретает применение анимаций и трёхмерных (3D) моделей в школьном биологическом образовании. Эти технологии позволяют сделать невидимые, абстрактные и сложные для восприятия биологические процессы более наглядными, доступными и интерактивными для школьников. Современные исследования подтверждают высокую дидактическую ценность визуализации: она способствует формированию пространственного мышления, повышению учебной мотивации, углублению понимания и лучшему запоминанию учебного материала. Особенно эффективны такие средства при изучении тем, связанных с клеточной структурой, молекулярными механизмами, физиологией человека и генетикой.

Однако несмотря на потенциал и перспективность применения, практика внедрения анимаций и 3D-моделей в школьную биологию сталкивается с целым рядом серьёзных проблем и ограничений. В статье предпринята попытка системного анализа таких трудностей на основе междисциплинарных и эмпирических источников. Обнаружено, что наиболее распространёнными барьерами являются: слабая материально-техническая база образовательных учреждений, отсутствие методических разработок и готовых адаптированных визуальных материалов, низкий уровень ИКТ-компетентности и визуальной грамотности у педагогов, а также отсутствие системной подготовки учителей к работе с цифровыми средствами обучения. Немаловажным остаётся и психолого-педагогический аспект: визуальный перегруз, когнитивные искажении, иллюзия понимания без глубокого осмысления материала.

Таким образом, эффективное использование визуализации требует не только оснащения школ современными средствами, но и разработки комплексных подходов к обучению педагогов, пересмотра дидактических стратегий и создания научно обоснованных методик визуально-цифрового преподавания биологии. Статья подчёркивает актуальность формирования национальных и региональных образовательных политик, направленных на интеграцию визуальных технологий как полноценного компонента биологического образования.

Ключевые слова: визуализация, 3D-моделирование, анимация, биология, школьное образование, ограничения, когнитивная нагрузка, цифровые технологии.

Введение

Визуализация как дидактический инструмент становится одним из ключевых элементов современного образования в условиях цифровой трансформации. Особенно ярко её значимость проявляется в преподавании естественнонаучных дисциплин, таких как биология, где значительное количество понятий и процессов носит абстрактный, пространственный и микромасштабный характер. Современные школьники — представители цифрового поколения (поколения Z) — характеризуются клиповым мышлением, высокой восприимчивостью к визуальному контенту и потребностью в интерактивном взаимодействии с учебными материалами. Это требует пересмотра традиционных подходов к преподаванию и расширения арсенала визуально-цифровых средств.

Анимации и трёхмерные (3D) модели становятся всё более распространёнными инструментами для повышения наглядности биологических процессов и структур. Эти средства позволяют визуализировать клеточное деление, работу органов, движение молекул, взаимодействие генов и прочие сложные биологические явления в динамике, создавая условия для лучшего понимания и усвоения материала. Как показывают современные исследования (Bogner & Mierdel, 2019; Wu et al., 2017; Richardson & Richardson, 2006), визуализация способствует активации когнитивных процессов, повышению мотивации и вовлечённости учащихся, а также формированию устойчивых знаний.

Однако вместе с тем растёт и число исследований, акцентирующих внимание на ограничениях и рисках, связанных с использованием анимаций и 3D-моделей в школьной практике. Среди них — методические просчёты при внедрении, перегрузка когнитивной системы учащихся, недостаток педагогической подготовки, техническая неоснащённость школ, а также сложности с объективной оценкой эффективности визуализации. Отмечается также, что визуальные инструменты могут вызывать иллюзию понимания, особенно при отсутствии вербального сопровождения или направляющей педагогической поддержки (Berney & Bétrancourt, 2016; Simbirtseva, 2020).

В условиях усиливающегося акцента на цифровую грамотность и формирование функциональных навыков XXI века вопрос о грамотной и научно обоснованной интеграции визуализации в образовательный процесс становится особенно актуальным. Биология, как предмет, обладающий высокой визуальной нагрузкой, нуждается в чётко структурированных методиках внедрения анимаций и 3D-моделирования, ориентированных не только на технологические возможности, но и на психолого-педагогические особенности школьников.

Настоящая обзорная статья посвящена всестороннему анализу существующих проблем и ограничений, связанных с применением анимаций и 3D-моделей в школьном биологическом образовании. Целью работы является выявление ключевых барьеров и разработка рекомендаций, способствующих более эффективному и целесообразному использованию визуализации в преподавании биологии.

1. Методические ограничения и ошибки в применении визуализации

Несмотря на признанные дидактические преимущества анимаций и 3D-моделей, их внедрение в школьную биологию нередко сопровождается методическими ошибками. Прежде всего, проблема заключается в отсутствии у многих педагогов чётко сформированных представлений о том, когда, как и с какой целью использовать те или иные визуальные средства. Визуализация, будучи мощным когнитивным инструментом, требует дидактической настройки под возрастные и интеллектуальные особенности учащихся. Однако, как показывают исследования Berney и Bétrancourt (2016), некорректное использование анимаций — без соответствующих пояснений, временной паузы, контроля внимания — может привести к перегрузке рабочей памяти, снижению концентрации и даже затруднению усвоения материала.

Отдельную сложность представляет отсутствие унифицированных методик подбора визуализации под конкретные темы школьного курса биологии. Так, 3D-модель, использованная без постановки проблемного вопроса или предварительного обсуждения, может восприниматься как «мультфильм», не провоцируя глубинного осмысления. Исследования Förtsch et al. (2018) и Wu et al. (2017) подчёркивают: только при наличии у преподавателя педагогического видения и стратегии визуальные инструменты способствуют формированию понятийного мышления. В противном случае — они лишь подменяют содержание формой.

Также важно понимать, что разные типы визуализации требуют разных подходов. Простые 2D-иллюстрации обеспечивают статическую опору, анимации — динамику, 3D-модели — пространственное представление, а VR и AR — эффект присутствия. Каждому формату — своя функция, и попытка заменить один другим «в угоду современности» без педагогической логики может оказаться бесполезной или даже вредной (Погорелов и Прасол, 2024). Более того, учащиеся без предварительной визуальной подготовки часто испытывают трудности в интерпретации абстрактных цифровых моделей, что подтверждается и данными Симбирцевой (2020) о важности визуальной грамотности как базового навыка обучения.

2. Техническая и кадровая неготовность образовательной среды

Технологическая сложность 3D-моделирования и анимационного контента создаёт высокий порог входа для учителей и школ, особенно в массовом сегменте. Не каждая школа располагает компьютерами с поддержкой необходимого программного обеспечения, интерактивными досками, VR-очками, стабильным интернетом. Даже базовые платформы вроде Labster, Peppy, CellexalVR или Corinth требуют подписки, обучения персонала и постоянной технической поддержки. Как отмечает Inisheva (2022), даже внедрение виртуальных экскурсий требует заранее продуманной логистики, наличия ИКТ-кадров и времени на подготовку, что делает такие проекты редкостью, а не нормой.

Педагогическая неготовность также остаётся критическим барьером. Современные студенты педвузов не всегда получают должную подготовку в области визуальных технологий. Большинство из них знакомы с PowerPoint, но не умеют использовать специализированные платформы или создавать собственные интерактивные ресурсы. Даже на уровне базовой ИКТ-компетентности наблюдается нехватка навыков настройки, синхронизации и анализа визуального контента. Это делает процесс внедрения визуализации в биологическое образование точечным и стихийным, а не системным и методически выверенным.

Дополнительную проблему составляет языковой и культурный барьер — большая часть качественного визуального контента (анимации, симуляции, 3D-модели) создана на английском языке. Это особенно остро ощущается в неанглоязычных странах, где школьники не всегда владеют достаточным уровнем языковой подготовки, а учителя вынуждены адаптировать материалы вручную. Как следствие — снижается эффективность восприятия, теряются нюансы, возникает когнитивный диссонанс.

3. Психологические и когнитивные ограничения визуального восприятия

Одним из часто недооцениваемых барьеров является ограниченность человеческого восприятия. Как отмечает Simbirtseva (2020), визуальное восприятие — не просто физиологический процесс, а когнитивная операция, требующая интерпретации, сопоставления и анализа. Для школьника это может быть затруднительно, особенно при насыщенных деталями и динамикой анимациях, в которых сложно выделить главное. При отсутствии специальных навыков визуального чтения и интерпретации учащийся может получить ложное ощущение понимания, при этом не обладая ни понятийной структурой, ни навыками применения.

Кроме того, у разных учеников — разные стили восприятия информации. Некоторые лучше воспринимают текстовую информацию, другие — аудиальную, третьи — визуальную. Визуализация не является универсальным решением. Исследования Berney & Bétrancourt (2016) показывают, что у 60% учащихся анимации не дали статистически значимого прироста по сравнению с контролем (Hedges’ g = 0.23), а значит, в отсутствии адаптации и индивидуализации визуальный контент может оказаться малоэффективным.

Отдельно стоит рассмотреть парадокс визуального интереса: визуальный контент часто воспринимается как развлекательный. Особенно это касается 3D-анимаций и игровых платформ. Ученики могут концентрироваться не на сути, а на эффектности подачи. В таких условиях визуализация подменяет собой содержание — ученики "впечатлены", но не усвоили сути (Wu et al., 2017). Это также связано с эффектом "перегрузки" визуальной рабочей памяти, когда одновременно подаётся слишком много визуальных стимулов.

Ещё одной серьёзной проблемой является ограниченная универсальность анимаций и 3D-моделей. Несмотря на обилие ресурсов, доступных на международных платформах, большая их часть создаётся в отрыве от конкретных учебных программ, возрастных особенностей и культурного контекста учащихся. Модель, идеально подходящая для объяснения молекулярной биологии в старших классах, может оказаться слишком сложной и перегруженной для учеников среднего звена. Визуализация должна учитывать уровень абстракции, когнитивную зрелость и структуру курса — в противном случае она не будет работать эффективно.

Существующие ресурсы часто не локализованы: они содержат термины, системы обозначений или образы, не принятые в конкретной стране или школьной программе. В результате — учащиеся затрудняются в интерпретации, а педагогу приходится адаптировать каждую модель вручную. Это снижает мотивацию к постоянному использованию визуальных инструментов и сводит на нет эффект «доступности», который часто приписывается 3D и анимации.

Кроме того, анимации и 3D-модели редко охватывают весь спектр тем школьного курса. Визуальные решения доступны, как правило, для наиболее популярных тем (например, строение клетки, фотосинтез, дыхание), в то время как темы, связанные с экосистемами, эволюцией или генетикой, визуализируются значительно реже. Это делает использование визуализации фрагментарным, лишая преподавателя возможности применять их системно.

5. Оценка эффективности: методологические пробелы и недоверие к результатам

Наконец, одной из самых острых проблем остаётся отсутствие универсальных и достоверных критериев оценки эффективности анимаций и 3D-моделей. В педагогической практике до сих пор не выработано единых стандартов, позволяющих объективно зафиксировать влияние визуализации на понимание, запоминание и применение знаний. В большинстве исследований используется сравнение результатов pre- и post-тестов, однако это не всегда позволяет уловить глубинные изменения в познавательной структуре ученика.

Например, в мета-анализе Berney & Bétrancourt (2016) подчёркивается, что даже при наличии положительной динамики большинство эффектов остаются на низком уровне значимости. Это может быть связано с короткой продолжительностью экспериментов, отсутствием методически выверенных инструментов диагностики и влиянием субъективных факторов — таких как харизма преподавателя, новизна контента, интерес к визуальным эффектам. В ряде случаев (Höffler & Leutner, 2007) было установлено, что визуализация работает только в случае высокого соответствия между визуальным материалом и когнитивной стратегией ученика.

Наконец, преподаватели зачастую не доверяют цифровым ресурсам как полноценному образовательному инструменту. Они воспринимают визуализацию как «дополнение» к традиционной подаче, а не как самостоятельную дидактическую единицу. Без смены парадигмы оценивания и внутренней методической перестройки такие установки будут продолжать снижать потенциал использования 3D и анимаций в школьной биологии.

Заключение

Анализ отечественных и зарубежных исследований позволяет сделать вывод, что несмотря на несомненные преимущества визуализации в школьном биологическом образовании — такие как повышение мотивации, наглядность сложных процессов, развитие пространственного мышления и вовлечённость учащихся — её практическое применение сопровождается целым рядом серьёзных ограничений. Эти ограничения охватывают методический, технический, когнитивный и организационный уровни и препятствуют полноценной интеграции визуальных инструментов в образовательный процесс.

В большинстве случаев эффективность анимаций и 3D-моделей напрямую зависит от профессиональной готовности педагога, наличия инфраструктуры, соответствия визуального контента учебным целям, а также способности учащихся критически воспринимать и интерпретировать визуальные образы. Без решения этих проблем даже самые современные визуальные технологии могут остаться на уровне поверхностного восприятия и не привести к устойчивым образовательным результатам

Список использованной литературы

1. Berney, S., & Bétrancourt, M. (2016). Does animation enhance learning? A meta-analysis. Computers & Education, 101, 150–167. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2016.06.005

2. Höffler, T. N., & Leutner, D. (2007). Instructional animation versus static pictures: A meta-analysis. Learning and Instruction, 17(6), 722–738.

3. Bogner, F. X., & Mierdel, J. (2019). Visualizing Molecular Genetics in an Outreach Laboratory: A Comparison of Hands-On and Observational Learning. Journal of Biological Education, 53(1), 37–48.

4. Wu, J., Lee, J., Chang, Y., & Liang, J. (2017). Integrating physical and virtual modeling for learning cell structures. Proceedings of the International Conference on Computers in Education (ICCE).

5. Richardson, D. C., & Richardson, J. S. (2006). Teaching molecular 3-D literacy. Biochemistry and Molecular Biology Education, 34(1), 20–24.

6. Liwanag, B. A. (2022). The Influence of 3D Model Biological Systems in Understanding Cellular Diversity. International Journal of Innovation in Science and Mathematics Education, 30(2), 1–12.

7. Babalola, E. O., et al. (2022). The Effectiveness of 3D Models in Teaching the Digestive System in Nigerian Schools. African Journal of Educational Research, 26(3), 44–58.

8. Förtsch, S., et al. (2018). The impact of physical model use on students’ conceptual learning and teacher content knowledge in biology. International Journal of Science Education, 40(12), 1455–1476.

9. Simbirtseva, N. A. (2020). Визуальный текст как объект когнитивной лингвистики. Philological Sciences, 3(61), 95–99.

10. Inisheva, L. I. (2022). Виртуальные экскурсии как средство визуального обучения в биологии. Современные проблемы науки и образования, 3.

11. Pогорелов, С. В., & Прасол, С. А. (2024). Компьютерная визуализация как средство формирования познавательной активности учащихся. Современные образовательные технологии, 2(41), 14–21.

12. Mierdel, J., & Bogner, F. X. (2019). Students’ preconceptions of gene expression before and after a bioinformatics learning program. Journal of Biological Education, 53(3), 350–364.