Сергей Дунин
Ваш собственный необъятный двор
"Ведь это все – мой собственный необъятный двор", – сказал он вслух.
К. Саймак. Необъятный двор.
Чего всегда не хватает физику-экспериментатору? Площади и оборудования. Будь это учитель, которому хотелось бы лаборантскую побольше, а в нее – еще приборов и материалов, будь ученик, который интересуется физикой – проблемы те же. Не может ли помочь здесь столь полюбившаяся авторам компьютерных и околокомпьютерных статей виртуальная реальность? Может, решили представители калифорнийской фирмы Knowledge Revolution, создатели программы Interactive Physics, локализованная версия которой распространяется Институтом Новых технологий образования под названием Живая Физика (ЖФ). Надо только, чтобы эта виртуальная реальность была достаточно реальна – включала в себя запас материалов и инструментов, позволяющих создавать компьютерные модели, ведущие себя в соответствии с законами нашего реального мира. Тогда только быстродействием вашего компьютера и объемом его памяти будет ограничен тот "необъятный двор", который, как в одноименном рассказе Клиффорда Саймака, развернется на вашем дисплее. Вы сможете ставить компьютерные эксперименты на Земле и в космосе, на Луне и на Марсе, в среде с сопротивлением движению и в вакууме. Любую экспериментальную установку, созданную вами, вы сможете сохранить, сможете передать другу, оставив ее одновременно и у себя любая "поломка" будет обратимой.
Конечно, у ЖФ есть свои ограничения: моделировать можно только "плоскую" механику, да еще частично – электростатику и магнитные поля. Но зато большую часть работы по созданию компьютерных экспериментов можно провести вообще ничего не зная о программировании. Хотя если вы умеете хоть немного программировать, вам будет легко освоить встроенный в программу макроязык, позволяющий значительно расширить ее возможности.
Как же выглядит "программирование без программиста" применительно к созданию компьютерных физических экспериментов?
ГраФизический редактор, или "нарисуем – будет жить!"
…достал блокнот, карандаши, удобно разложил все под рукой.
К. Саймак. Дом обновленных
Маловероятно, чтобы калифорнийские авторы программы знали русскую присказку "Нарисуем – будем жить!", но когда запускаешь программу, создается впечатление, что действовали они именно по ней.
Действительно, после запуска "Живой Физики" мы увидим на дисплее ее окно, с первого взгляда похожее на окно простенького графического редактора. Нарисуем в нем маятник, выбрав сначала инструмент для рисования "диска", а затем – "веревочку", на которую мы этот диск подвесим (см. рис. 1).
Если эта штука придет в движение…
К. Саймак. Однажды на Меркурии
А теперь – пусть он "будет жить"! Нажмем на панели инструментов кнопку "Старт". Наш маятник придет в движение и начнет качаться, как и полагается грузу, подвешенному на нити. Еще несколько движений мышки, и на экране возникает график колебаний маятника, который строится непосредственно в ходе эксперимента, а груз маятника оказывается "снабжен" изображениями векторов скорости и ускорения. Добавим к этому требование, чтобы маятник при движении оставлял "следы" на экране, и мы получим нечто подобное изображенному на рис. 2.
Панель инструментов ЖФ позволяет включать в создаваемую модель тела прямоугольной формы, круглые тела и тела в виде многоугольников, нарисованных пользователем. В модели могут быть заданы и различные виды связей – от уже упомянутого "троса" до шатунов и ползунов, двигающихся по направляющим произвольной формы, моторов и "цилиндров с поршнем", что позволяет, например, моделировать различные технические устройства (рис. 3).
Авторы программы предусмотрели в ней многочисленные настройки, позволяющие менять условия моделирования, методы и точность работы расчетных алгоритмов, по-разному отображать моделируемые объекты и менять их свойства. Можно, например, для уже описанной модели маятника создать регулятор массы груза – и убедиться, что период колебаний от массы не зависит. А можно – изменить значение ускорения свободного падения, и выяснить, как от него зависит этот же период.
Замечательной особенностью ЖФ является наличие в ней средств для создания силовых полей произвольного вида. Это позволяет смоделировать целый ряд не предусмотренных в ЖФ заранее природных явлений, типа порывов ветра, а если надо – использовать "фантастическую физику", невозможную в нашем мире. Например, создать модель планетной системы, в которой законы гравитации таковы, что сила притяжения между телами обратно пропорциональна не квадрату, а кубу или любой другой степени расстояния.
ЖФ в школе и дома
Если ты хочешь иметь представление о чем-нибудь, то познай это на собственном опыте… Можно научиться строить собственными руками что угодно, даже космические корабли.
К. Саймак. Куш
Если в распоряжении учителя на уроке есть Живая Физика и проекционный дисплей, то он может использовать компьютерный эксперимент (заготовленный заранее, или создаваемый непосредственно перед учениками для иллюстрации нового материала, для проверки правильности решения задач, для их постановки и так далее. Работая в дисплейном классе, он может предложить учащимся заранее приготовленные компьютерные лабораторные работы, тренажеры, компьютерные модели изучаемых явлений, или дать им возможность создавать компьютерные эксперименты самостоятельно.
Ученик, работая дома, может продолжить изучение физических явлений, создавая свои собственные эксперименты, моделируя задачу из задачника и проверяя ее "обычное" (аналитическое) решение. Очень хороша ЖФ для моделирования тех задач, которые не удается решить аналитически, используя "школьную математику".
ИНТ и ЖФ
Аудитория учебного заведения с хорошими традициями.
К. Саймак. Детский сад
Институт новых технологий образования распространяет локализованные версии программы ЖФ как для "Макинтоша", так и для IBM PC. В комплекте поставки есть ряд уже готовых экспериментов, включенных в него создателями программы.
ИНТ, однако, этим не ограничивается. Уже несколько лет ведется работа по созданию комплектов компьютерных экспериментов, специально ориентированных на российскую школу. Созданы комплекты "Колебания", "Электростатика", комплект экспериментов для 7 го класса, начинается работа над самым сложным комплектом – для 9 го класса.
Уже не первый год каждый четвертый четверг месяца в ИНТе собирается клуб учителей, работающих с ЖФ. На заседаниях клуба учителя обмениваются опытом работы, узнают о новых экспериментах. Клуб, при содействии ИНТа, провел первый фестиваль проектов ЖФ, разрабатываемых учащимися, и надеется сделать его ежегодным.
С проектами, которые были представлены на фестиваль, можно ознакомиться на Web-сайте ИНТа по адресу
www.school.edu/int, там же можно получить демо-версию программы, а узнать о работе клуба или об условиях покупки ЖФ – по телефону (095) 915-72-48. Новости Knowledge Revolution ищите на
www.krev.com.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ:
Дунин Сергей Михайлович – старший преподаватель физического факультета МПГУ, работает с программой "Живая Физика" в школе № 345.