Физиолого-гигиеническая оценка функционального состояния старшеклассников при работе с мультимедийным образовательным контентом в различных видах учебной деятельности

Введение

Современный этап развития общества характеризуется стремительной цифровизацией всех сфер жизни, в том числе системы образования. Активное внедрение в образовательный процесс электронных платформ и цифровых инструментов трансформирует традиционные форматы обучения: изменяются структура урока и характер учебной деятельности. Вместе с тем на фоне роста внедрения цифровых инноваций в образовательный процесс сохраняются тревожные тенденции ухудшения здоровья школьников. Результаты научных исследований последних лет свидетельствуют о таких негативных последствиях нерегламентированного использования компьютерной техники, как накопление зрительного и общего утомления, увеличение статических нагрузок, усугубление гиподинамии [1–7].

Известно, что в формировании утомления учащихся при реализации обучения в цифровой среде ключевая роль принадлежит качеству контента, подаваемого на цифровые устройства [1, 2, 8]. В настоящее время проведены исследования, обосновывающие необходимость гигиенической оценки офтальмоэргономичности шрифтового, цветового, иллюстративного и слайдового оформления визуальных материалов, демонстрируемых на электронных средствах обучения при реализации образовательного процесса у младших школьников [9].

При создании образовательного контента для старшеклассников при освоении сложных предметов (математика, физика, химия) и подготовке к ЕГЭ необходимо учитывать при гигиенической оценке учебного материала такие его свойства, как мультимедийность (аудиовизуальный синтез) и интерактивность (управление – обратная связь). Освоение нового материала, упражнения для формирования практических навыков и контроль усвоенного материала различаются по типу когнитивной нагрузки (перцептивно-мнемическая, операционно-регуляторная, стрессорно-оценочная), что определяет использование различных паттернов и реакций центральной нервной системы (ЦНС) и зрительного анализатора [10], поэтому приобретает особое значение работа с мультимедийным учебным контентом. Например, допустимая продолжительность и требования к эргономике для напряжённой контрольной работы на цифровой платформе будут принципиально иными, чем при просмотре обучающего видео, содержащего новый материал. Анализ научной литературы показал, что к настоящему времени недостаточно изучено влияние различных видов учебной деятельности (усвоение теории, выполнение упражнений, контроль знаний) с использованием мультимедийного контента на функциональное состояние организма и когнитивные функции старшеклассников. Таким образом, разработка дифференцированных гигиенических требований к образовательному контенту для разных видов деятельности – обязательное условие обеспечения оптимальной когнитивной нагрузки и сохранения здоровья обучающихся.

Материалы и методы

Проспективное когортное исследование в условиях натурного эксперимента проводилось в период с февраля 2023 г. по март 2025 г. на базе государственных бюджетных образовательных организаций Санкт-Петербурга. В исследование были включены 75 учащихся старших классов (15–17 лет), не имеющих патологий зрительного анализатора и относящихся к I и II группам здоровья. Каждый участник был протестирован по семи учебным дисциплинам различной трудности (русский язык, математика, физика, история, биология, обществознание, английский язык) с замерами физиологических показателей до и после урока с мультимедийным контентом (презентации, видео, интерактивные платформы) и без мультимедийного контента (учебник, доска, тетради).

На каждом уроке активность структурировалась по трём видам образовательной деятельности: теория (ознакомление с материалом), упражнения (отработка навыков) и контроль (тестирование). Уроки проводились в середине второй учебной четверти в дни высокого уровня работоспособности (вторник, среда, четверг), несдвоенным вторым или третьим уроком по расписанию, исключительно в первую смену. Занятия у всех участников проводились одними и теми же учителями. Электронное средство обучения (ЭСО) активировалось в середине урока и по продолжительности использования не превышало регламентируемых показателей. Во всех случаях используемая цифровая образовательная среда и мультимедийный контент соответствовали действующим гигиеническим требованиям и рекомендациям с учётом таких свойств цифрового контента, как мультимедийность (синтез аудио- и визуальных элементов) и интерактивность (степень обратной связи и управления)¹^,²^,³^,⁴^,⁵.

Уровень мультимедийности (УМ) контента количественно оценивался по наличию в интерактивных образовательных модулях (ИОМ) медиаэлементов: символьной информации, статического реалистичного визуального ряда, динамического реалистичного и синтезированного визуального ряда (видео, анимация и звуковой ряд) [11].

Уровень интерактивности оценивался по следующим критериям:

• уровень I (минимальный) – условно пассивные формы взаимодействия, характеризующиеся односторонним воздействием учащегося;
• уровень II (умеренный) – активные формы взаимодействия, характеризующиеся простым взаимодействием учащихся с контентом на уровне элементарных воздействий и откликов;
• уровень III (максимальный) – деятельностные формы, характеризующиеся конструктивным взаимодействием учащихся с учебными объектами/процессами по заданному алгоритму.

В анализ были включены следующие формы взаимодействия:

• наличие письменного компонента (ввод текста, заполнение форм);
• управление аудиокомпонентом (регулировка громкости, отключение звука);
• управление видеокомпонентом (пауза, перемотка);
• наличие системы горячих кнопок для подсказок;
• возможность скачивания дополнительных учебных материалов;
• инструменты для синхронного или асинхронного взаимодействия с педагогом.

В исследовании учитывали длительность непрерывного взаимодействия учащихся с экраном, чередование цифровых и традиционных (неэкранных) форм активности.

Оценка влияния мультимедийного контента на функциональное состояние ЦНС

1. Простую сенсомоторную реакцию оценивали с помощью комплекса КПФК-99М «Психомат» – определяли среднее латентное время (СЛВ, мс) и моторное время (МВ, мс) реакции на звуковой стимул. Каждое исследование включало пять измерений. Увеличение латентного периода хотя бы одной реакции рассматривалось как нарушение равновесия между процессами возбуждения и торможения [12]. Вариабельность значений СЛВ свидетельствовала об устойчивости реакции ЦНС. При оценке индивидуальной реакции ЦНС учитывали нормативные значения для подростков 15–17 лет и величину σ [13–16].

2. Функциональное состояние зрительного анализатора определяли методом измерения уровня критической частоты слияния световых мельканий (КЧССМ) (бинокулярно) на красный стимул (Гц). Каждое исследование включало три измерения. Для данной возрастной группы нормативный диапазон КЧСМ при предъявлении импульсного света составляет примерно 37–42 Гц (появление мельканий) и 37–40 Гц (слияние мельканий) [8, 17, 18]. Значения ниже 30 Гц могут свидетельствовать о функциональных нарушениях или утомлении зрительного анализатора [19, 20].

Все процедуры соответствовали этическим стандартам Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации (ред. 2013 г.), Директивы ЕС 8/609EC. Исследование было одобрено локальным этическим комитетом ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова» Минздрава России (протокол № 9 от 12.10.2022 г.). Получено информированное согласие от участников и их законных представителей.

Данные анализировали с использованием стандартных методов описательной статистики (средние значения, стандартные отклонения). Для проверки значимости различий использовали критерий Уилкоксона и критерий согласия Пирсона.

Результаты

Анализ динамики функционального состояния центральной нервной системы и зрительного анализатора старшеклассников при реализации теоретических образовательных модулей на уроках обществознания и биологии представлен в табл. 1.

На уроке обществознания с использованием интерактивной доски демонстрировался видеофильм с максимальным уровнем мультимедийности (УМ = 11) и минимальным уровнем интерактивности (УИ I). Ученики просматривали материал, а учитель периодически ставил видео на паузу для записи терминов с экрана, что сопровождалось переключением взора с интерактивной доски на тетрадь. После урока установлено достоверное снижение среднего латентного времени (СЛВ) на 24,4% (p = 0,001) и моторного времени (МВ) на 19% (p = 0,004). При этом зафиксировано ухудшение функции зрительного анализатора: снижение КЧСМ на 10,1% (5 Гц; p = 0,002).

При изучении теоретического материала на уроке обществознания с использованием учебника, рабочей тетради и меловой доски зафиксировано достоверное улучшение показателей ЦНС: снижение СЛВ на 16,6% (p ≤ 0,004) и МВ на 29,8% (p = 0,002). Показатели зрительного анализатора не изменились.

На уроке биологии использовалась презентация с минимальным уровнем мультимедийности (УМ = 3) с минимальным уровнем интерактивности (УИ I). Учащиеся одновременно воспринимали информацию со слайдов и вели конспектирование в тетрадях. При данном формате занятия были отмечены положительные изменения показателей ЦНС, не имеющие статистической значимости (p > 0,05). Состояние зрительного анализатора также осталось практически без изменений (p > 0,05), что свидетельствует об адекватной зрительной нагрузке.

На традиционном уроке биологии наблюдалась характерная для продуктивной учебной деятельности динамика (закономерное утомление центральной нервной системы, выразившееся в незначительном ухудшении показателей ЦНС, при сохранении стабильной функции зрительного анализатора), свидетельствующая об адекватной реакции на образовательную нагрузку при использовании традиционных форматов обучения.

Анализ индивидуальных реакций ЦНС учащихся на учебную нагрузку выявил высокую вариабельность показателей СЛВ, что указывает на нестабильную работу нервной системы 84% учащихся независимо от формата обучения. Данный результат подтверждает, что тип подачи информации на уроке обществознания при изучении нового материала (мультимедийный или традиционный) не оказывает существенного влияния на стабильность реакций ЦНС.

Сравнение динамики показателей после демонстрации мультимедийного контента при реализации теоретических образовательных модулей различного уровня мультимедийности показывает, что риск формирования нестабильного функционирования нервной системы возрастает в 7,2 раза (RR = 7,2; 95%-й ДИ 1,78–29,15; p = 0,002). Одновременно установлено, что вероятность возникновения зрительного утомления при работе с высокомультимедийным контентом возрастает в 3,4 раза (OR = 3,4; 95%-й ДИ 1,2–9,8; p = 0,021) по сравнению с низкомультимедийными аналогами. Полученные данные подтверждают комплексное негативное влияние высокой мультимедийной нагрузки, показывают связь повышенной когнитивной напряжённости и нестабильности работы ЦНС со зрительным утомлением, обусловленным высокой мультимедийностью и необходимостью частого переключения взора с ИД на тетрадь.

Сравнительный анализ воздействия мультимедийного и традиционного форматов обучения выявил неодинаковое влияние на функциональное состояние учащихся. В показателях ЦНС значимых различий не обнаружено (RR = 1,14; p = 0,77), однако для зрительного анализатора выявлен статистически значимый эффект: риск развития зрительного утомления при использовании высокомультимедийного контента повышается в 1,22 раза (χ² = 0,98; p = 0,32), что подтверждает его существенное негативное воздействие именно на зрительную систему.

В табл. 2 представлен анализ динамики показателей функционального состояния учащихся при выполнении упражнений с мультимедийным контентом, демонстрирующий комплексное воздействие различных образовательных форматов на центральную нервную систему и зрительный анализатор.

На уроке истории демонстрировался контент с минимальным уровнем мультимедийности (УМ = 3) и интерактивности (УИ I), учащиеся выполняли самостоятельную работу: вопросы были представлены в виде презентации, ответы записывались в тетрадь с последующим обсуждением. Показатели функционального состояния ЦНС демонстрировали снижение СЛВ на 27,8% (p < 0,001) и МВ на 13% (p = 0,004). В то же время установлено достоверное ухудшение функции зрительного анализатора: снижение КЧСМ на 16,5% (p = 0,002) свидетельствовало о развитии зрительного утомления. На уроке истории традиционный формат обучения демонстрирует положительное влияние на состояние ЦНС учащихся. Зафиксировано достоверное улучшение физиологических показателей: снижение СЛВ на 5,6–31% и нормализация МВ на 2,5–30,9% (p < 0,001), что свидетельствует об оптимальности психофизиологической нагрузки при использовании классических методов обучения. Критическая частота слияния мельканий также была стабильной.

Особого внимания заслуживает распределение показателей вариабельности СЛВ: при использовании мультимедийного контента нестабильность работы нервной системы наблюдалась у 68% (p > 0,05) учащихся, тогда как при традиционном формате этот показатель достигал 89% (p > 0,05), что свидетельствовало о большей напряжённости ЦНС при выполнении упражнений в традиционном формате обучения.

На уроке английского языка демонстрировался учебный материал с высоким уровнем мультимедийности (УМ = 10) при минимальной интерактивности (УИ I). Видеокомпонент содержал звуковое сопровождение, не относящееся к теме урока. На занятии отмечалась неформальная атмосфера, форма общения учащихся с педагогом была свободной. Демонстрация видеофильма прерывалась паузами для фиксации ответов в тетрадях. У учащихся наблюдалось умеренное улучшение показателей ЦНС: снижение СЛВ на 9,4% и МВ на 5% (p > 0,05). При этом состояние зрительного анализатора осталось стабильным, что может быть связано с эффектом периодических длительных зрительных пауз во время остановок видео.

Динамика показателей ЦНС, демонстрирующая отсутствие статистически значимых изменений, позволяет предположить, что данная нагрузка не оказала тренирующего воздействия на когнитивные функции учащихся, а свободная атмосфера занятия при позитивном влиянии на эмоциональное состояние не компенсировала отсутствия структурированной учебной деятельности, что в совокупности свидетельствует о недостаточной эффективности использования высокомультимедийного контента без его чёткого соответствия учебным целям.

На уроках английского языка применение традиционного формата обучения показало значительное улучшение ЦНС и функционального состояния зрительного анализатора. Зафиксировано увеличение критической частоты слияния мельканий (КЧСМ) на 19–25% (p < 0,001), что свидетельствовало об отсутствии зрительного утомления в процессе занятий.

Анализ индивидуальных реакций ЦНС учащихся на уроке английского языка позволил установить значительные различия (p = 0,005; RR = 0,29) воздействия мультимедийного и традиционного форматов обучения на стабильность функционирования ЦНС учащихся. При использовании мультимедийного контента высокая вариабельность показателей СЛВ, свидетельствующая о нестабильной работе нервной системы, наблюдалась лишь у 29% учащихся, а традиционный формат обучения сопровождался высокой вариабельностью СЛВ у 100% учащихся.

На уроке математики использовался контент с минимальной мультимедийностью (УМ = 3) и интерактивностью (УИ I) в виде презентации с примерами решения тригонометрических задач у доски и в тетрадях. Установлено достоверное улучшение показателей ЦНС: снижение СЛВ на 13,2% (p = 0,003) и тенденция к улучшению МВ на 7,5% (p > 0,05). Отмечено незначительное ухудшение функции зрительного анализатора – снижение КЧСМ на 6,4% (p > 0,05), не достигшее уровня статистической значимости.

На уроках математики применение традиционного формата обучения показало комплексное положительное воздействие на функциональное состояние учащихся. Зафиксировано достоверное улучшение показателей центральной нервной системы на фоне увеличения критической частоты слияния мельканий (КЧСМ) на 19–25% (p < 0,001). Полученные данные свидетельствуют об оптимальной психофизиологической нагрузке при решении математических задач с использованием традиционных средств обучения (учебника, тетради и меловой доски), что обеспечивает одновременное улучшение как когнитивных функций, так и зрительной работоспособности учащихся.

На уроках математики сравнительный анализ вариабельности показателей СЛВ выявил различия воздействия на функциональное состояние ЦНС учащихся в зависимости от используемого формата обучения. При использовании мультимедийного контента высокая вариабельность СЛВ, свидетельствующая о нестабильной работе нервной системы, наблюдалась у 46% учащихся. В традиционном формате обучения данный показатель был значительно выше: 69% учащихся демонстрировали высокую вариабельность СЛВ (p > 0,05).

На основании анализа данных табл. 2 выявлена чёткая зависимость между характером организации учебной деятельности, риском развития утомления зрительного анализатора и нестабильности функционирования ЦНС у старшеклассников. Установлено, что высокая вариабельность показателей СЛВ, отражающая нестабильность работы нервной системы, была меньшей при использовании высокомультимедийного контента по сравнению с низкомультимедийными материалами. Хронометраж показал, что на уроке истории постоянное переключение взора между проектором и тетрадью создавало не только интенсивную зрительную нагрузку, но и когнитивную напряжённость, тогда как на уроке математики однократное списывание примера с ИД минимизировало как визуальный контакт с экраном, так и когнитивную нагрузку. Полученные данные свидетельствуют о приоритетном влиянии типа педагогического сценария и связанного с ним характера учебной деятельности учащихся на развитие утомления, поэтому изолированная оценка отрицательного влияния высокомультимедийного контента без учёта организационного контекста не имеет практического смысла.

В группе с мультимедийным контентом улучшение показателей среднего латентного времени составило 15,6% (p < 0,001), в то время как в традиционной группе улучшение было более выраженным – 23,4% (p < 0,001). Различия в динамике моторного времени между группами были менее значительными, но также в пользу традиционного формата выполнения упражнений. Проведённый сравнительный анализ выполнения упражнений с использованием мультимедийного контента и в традиционном формате выявил статистически значимые различия в воздействии на функциональное состояние учащихся. В группе с мультимедийным контентом ухудшение показателей критической частоты слияния мельканий было зафиксировано у 68,3% учащихся, а в группе традиционного выполнения упражнений этот показатель составил 38% (χ² = 9,84; p = 0,002), что свидетельствует о существенном влиянии формата выполнения упражнений на развитие зрительного утомления. Использование мультимедийного контента при выполнении упражнений повышает вероятность развития зрительного утомления в 1,8 раза (95%-й ДИ: 1,32–2,45) по сравнению с традиционным форматом из-за частого перевода взора с интерактивной доски на тетрадь.

В табл. 3 представлены показатели функционального состояния ЦНС и зрительного анализатора учащихся при выполнении контрольной работы по русскому языку на онлайн-платформе. Формат заданий представлял собой тест с выбором готовых ответов без необходимости их вписывания. Перед началом работы педагог проводил инструктаж по использованию платформы. Интерфейс платформы не содержал интерактивных подсказок (горячих кнопок). Тест не был ограничен по времени, учащиеся имели возможность возвращаться к предыдущим вопросам для изменения ответов. Контент был представлен в текстовом формате; аудио- и видеокомпоненты, а также рекламные интеграции отсутствовали.

По показателям центральной нервной системы наблюдается статистически достоверное снижение СЛВ на 33,4% (p < 0,001), что свидетельствовало о значительном снижении когнитивного напряжения и улучшении скорости обработки информации после выполнения контрольной работы. К концу урока установлено снижение МВ на 35,2% (p < 0,001), отражающее повышение эффективности моторных реакций.

По показателям зрительного анализатора зафиксировано достоверное ухудшение функционального состояния. Критическая частота слияния мельканий снизилась на 15,1% (p = 0,001), что объективно подтверждает развитие выраженного зрительного утомления в процессе работы с онлайн-платформой при контроле знаний.

Анализ динамики физиологических показателей при выполнении контрольной работы на уроке русского языка с применением традиционных обучающих технологий не выявил статистически достоверных изменений функционального состояния учащихся, СЛВ увеличилось на 14,2% (p > 0,05), МВ – на 8,45% (p > 0,05), а критическая частота слияния мельканий снизилась на 5,32% (p > 0,05). Полученные данные свидетельствуют о сохранении стабильного функционального состояния ЦНС и зрительного анализатора в рамках физиологической нормы, что подтверждает адекватность учебной нагрузки при традиционном формате проведения контрольных работ.

Установлено, что на уроке русского языка при традиционном формате обучения у всех учащихся наблюдается стабильная работа ЦНС, тогда как использование мультимедийного контента сопровождается высокой вариабельностью СЛВ у 75% учащихся (p = 0,003).

Результаты статистического анализа демонстрируют значимые различия воздействия цифрового и традиционного форматов контроля на функциональное состояние зрительного анализатора учащихся (χ² = 8,93; p = 0,0028). Оценка относительного риска показала, что использование онлайн-платформы повышает вероятность развития зрительного утомления в 2,09 раза (RR = 2,09; 95%-й ДИ: 1,32–3,28) по сравнению с традиционным форматом. Данный результат свидетельствует, несмотря на лучшие показатели состояния ЦНС учащихся, о существенном негативном воздействии цифрового формата на зрительную систему.

Обсуждение

Изучение динамики функционального состояния центральной нервной системы и зрительного анализатора старшеклассников при работе с мультимедийным образовательным контентом при различных видах учебной деятельности позволило установить высокий риск развития утомления зрительного анализатора. Это обусловлено комплексом факторов: необходимостью постоянной перефокусировки зрительного анализатора при восприятии динамического контента, повышенной световой нагрузкой и длительной фиксацией на экране. Важно, что интерактивная составляющая урока (запись материалов, работа с тетрадью) выполняет компенсаторную функцию, обеспечивая необходимые зрительные паузы и снижая кумулятивную нагрузку на аккомодационный аппарат глаза.

Для теоретических занятий оправдан высокий уровень мультимедийности, обеспечивающий лучшее усвоение материала. Для практических упражнений предпочтительны традиционные форматы или умеренный уровень интерактивности. При организации контрольных мероприятий в цифровом формате необходима оптимизация временных параметров для снижения зрительной нагрузки. Полученные данные подчёркивают важность сбалансированного сочетания цифровых и традиционных технологий в образовательном процессе для минимизации психофизиологической нагрузки на учащихся.

Интегральный анализ позволяет сделать вывод о необходимости дифференцированного подхода к использованию мультимедийного контента.

Полученные данные подтвердили, что традиционные формы организации учебного процесса обеспечивают более физиологичные условия обучения, характеризующиеся меньшим уровнем стрессового реагирования и большей стабильностью функционального состояния учащихся. Результаты исследования подчёркивают необходимость рационального дозирования и чередования цифровых и традиционных форматов работы в образовательном процессе для минимизации психофизиологической нагрузки на организм учащихся.

Заключение

Один из основных результатов проведённого исследования – выявление разнонаправленного физиологического воздействия мультимедийного образовательного контента на функциональное состояние старшеклассников: выраженная положительная динамика показателей центральной нервной системы сопровождается значительным напряжением зрительного анализатора. Установлено, что риск развития зрительного утомления определяется не только уровнем мультимедийности, но и характером организации учебной деятельности, в том числе частотой переключения взора между экраном и тетрадью. Полученные данные обосновывают необходимость физиологически регламентированного использования цифровых образовательных технологий с учётом выявленных гигиенических закономерностей для достижения образовательных результатов и сохранения здоровья учащихся, особенно в период подготовки к государственной итоговой аттестации.

¹ СанПиН 1.2.3685–21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов окружающей среды» (табл. 7.12).

² ИСО 9241–11:1998 «Эргономические требования к офисным работам с использованием видеодисплейных терминалов (VDT). Часть 11. Руководство по пригодности использования».

³ ИСО 14915–1 «Эргономика программного обеспечения мультимедийных пользовательских интерфейсов. Часть 1. Принципы проектирования и структура».

⁴ ИСО 14915–2 «Эргономика программного обеспечения мультимедийных пользовательских интерфейсов. Часть 2. Навигация и управление мультимедийными средствами».

⁵ ИСО 14915–3 «Эргономика программного обеспечения мультимедийных пользовательских интерфейсов. Часть 3. Выбор и объединение форм представления информации».