7. Moksliniai pagrindai papildytosios realybės integravimui lazerinės diagnostikos mokyme

7.1 Kognityvinė samprata: Nematomo vizualizavimas optikoje ir biofotonikoje

Lazerių diagnostika apima iš prigimties nematomus arba submikroskopinius reiškinius: audinių sklaidą, fotonų absorbciją, koherentiškus bangos frontus ir lūžio rodiklio pokyčius. Šiuos procesus vidurinių mokyklų mokiniams sunku įsivaizduoti naudojant tradicines 2D diagramas ar statinę mediją. Papildyta realybė (AR) užpildo šią spragą, leisdama įkūnytai, erdvinei ir realaus laiko šviesos–audinių sąveikų vizualizacijai.

Remiantis dvikodės teorija (Paivio, 1991) ir pažintinės apkrovos teorija (Sweller ir kt., 1998), sudėtingi moksliniai procesai geriau suprantami, kai žodinė informacija derinama su dinaminiais vaizdiniais atvaizdais. Papildyta realybė leidžia sumažinti dėmesio išskaidymą, nes vizualizacijos įterpiamos tiesiai į vartotojo suvokimo lauką, pavyzdžiui, projektuojant, kaip lazerio spindulys lūžta per sluoksniuotus audinius, arba rodant, kaip poliarizuota šviesa sukasi susidūrusi su išsirikiavusiomis kolageno skaidulomis navikuose. Toks erdvinės ir konceptualios informacijos kontekstinis susiejimas reikšmingai pagerina žinių išlaikymą ir perkėlimą (Cheng & Tsai, 2013).

7.2 Mokslinis pagrindimas: lazerio ir audinio sąveika bei optinės simuliacijos papildytoje realybėje

Naujausi realaus laiko optinės fizikos atvaizdavimo pasiekimai leidžia techniškai tiksliai simuliuoti lazerio ir audinių sąveikas papildytoje realybėje (AR). Tai apima:

• Spindulių sekimo algoritmus, pritaikytus mobilioms AR platformoms, kurie gali parodyti, kaip lazerio spinduliai elgiasi daugiasluoksnėje biologinėje terpėje, įskaitant atspindį, lūžį ir sklaidą ribose (pvz., ragena-tinklainė, oda-riebalai-raumenys).
• Monte Karlo šviesos sklidimo modelius, tradiciškai naudojamus medicininio vaizdinimo tyrimuose, kurie dabar gali būti supaprastinti ir integruoti į AR variklius, siekiant simuliuoti fotonų absorbcijos gylį, fluenso greitį ir optinį kelio ilgį esant skirtingiems bangos ilgiams (Jacques, 2013).
• Simuliuojamo diagnostinio vaizdinimo, tokio kaip OCT ar fotoakustinio vaizdinimo atvejais, studentai gali vizualizuoti spindulio fokusavimą, koherentinį vartojimą ir audinio signalo grįžimą, taip gilindami supratimą apie signalo formavimąsi ir vaizdo raišką.

Naudojant AR šių sąveikų vizualizavimui, studentai gali eksperimentuoti su kintamaisiais (pvz., bangos ilgiu, audinio tipu, spindulio kampu) taip, kaip tai būtų neįmanoma mokyklos laboratorijose — suteikiant virtualų, bet moksliškai pagrįstą modelį, kaip šviesa sąveikauja su biologinėmis sistemomis.

7.3 Empiriniai įrodymai: AR optikos ir biomedicinos mokymesi

Augantis empirinių tyrimų kiekis patvirtina AR efektyvumą mokant apie šviesą susijusio turinio:

• Dünser ir kt. (2012) nustatė, kad vidurinių mokyklų mokiniai, besimokantys optikos su AR moduliais, parodė žymiai pagerėjusį erdvinį mąstymą ir konceptualų tikslumą, palyginti su tais, kurie naudojo tradicines mokymo priemones.
• Ibáñez ir kt. (2014) parodė, kad AR integravimas į fizikos mokymą, ypač bangų ir interferencijos modelių temose, pagerino mokinių gebėjimą vizualizuoti abstrakčias sąvokas ir taikyti jas realiuose biomedicinos kontekstuose.
• Ferrer-Torregrosa ir kt. (2016) atliktas tyrimas biomedicinos inžinerijos mokyme parodė, kad AR pagrindu sukurtos optinių technikų, tokių kaip konfokalinė mikroskopija ir lazerinis skenavimas, simuliacijos padidino diagnostinio interpretavimo tikslumą ir įsitraukimą, ypač studentams, turintiems mažai išankstinių žinių.
• Naujausi tyrimai apie STEM žaidybinimą ir XR mokymą (De Miguel & Martínez, 2023) pabrėžia, kaip interaktyvios AR diagnostinių prietaisų simuliacijos – tokios, kokios naudojamos BIOS4You – didina studentų motyvaciją ir lemia gilesnę konceptualinę integraciją tarp fizikos, biologijos ir technologijų.

7.4 Įgyvendinimo aspektai: ištikimybė ir pedagoginis suderinamumas

Kad AR integracija būtų moksliškai efektyvi lazerinės diagnostikos mokyme, būtina laikytis dviejų pagrindinių principų:

1. Modelio tikslumas: Simuliacijos turi tiksliai atspindėti fizikinę optiką – t. y. spindulio išsisklaidymą, kampinį kritimą, audinių anizotropiją – net jei tai supaprastinta. Žemo tikslumo vizualizacijos gali skatinti klaidingus supratimus (pvz., pastovų spindulio prasiskverbimo gylį ar neteisingą šviesos sklidimą nevienalyčiuose audiniuose).
2. Pedagoginis suderinamumas: AR veiklos turi būti susietos su tyrimais grįstu mokymusi, kai studentai formuluoja hipotezes, keičia kintamuosius ir interpretuoja diagnostinius rezultatus, o ne pasyviai stebi animacijas.

Pavyzdžiui, naudojant AR lazerio prasiskverbimo simuliacijai sveikoje ir vėžinėje odoje, mokiniai gali keisti bangos ilgį ir stebėti gylio bei išsklaidymo skirtumus, taip gilindami optinės biopsijos principų supratimą.