Учебное экспериментирование в виртуальной реальности

Учебное экспериментирование ввиртуальной реальности

Данилов Олег Евгеньевич, кандидат педагогических наук, доцент

Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко

Предлагается использовать системы виртуальной реальности для проведения в них экспериментов, которые ранее могли проводиться только умозрительно. В качестве примера рассмотрен случай вертикального движения тела в поле тяжести Земли вблизи ее поверхности, демонстрирующий справедливость закона сохранения полной механической энергии.

Ключевые слова: информационные ресурсы учебного назначения, закон сохранения полной механической энергии, законы механики, обучение физике, виртуальная среда, виртуальный эксперимент, виртуальная реальность, учебно-методический комплекс, физический симулятор, Algodoo

Компьютерная модель реальности (виртуальная реальность) — это созданный техническими средствами мир объектов, передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, обоняние, осязание и др. Виртуальная реальность имитирует как воздействие, так и реакции на воздействие. Для создания убедительного комплекса ощущений реальности компьютерный синтез свойств и реакций виртуальной реальности производится в реальном времени. Объекты виртуальной реальности (модели) обычно ведут себя близко к поведению объектов материальной реальности. Пользователь может воздействовать на эти объекты для того, чтобы убедиться в согласии происходящего в виртуальном мире с законами физики (наличие гравитации, столкновение с предметами и т. п.) [2; 4]. Существует также технология дополненной реальности. Ее отличие от виртуальной реальности заключается в том, что виртуальная полностью конструирует искусственный мир, а дополненная реальность лишь вносит отдельные искусственные элементы в восприятие реального мира.

Наибольшую ценность, на наш взгляд, использование виртуальной реальности в обучении физике может иметь в случае применения обучающим и обучающимися компьютерного моделирования, позволяющего обнаружить физические закономерности [1; 2]. Любые физические законы носят абстрактный характер, так как их формулировки предполагают некоторое отстранение от реальных условий окружающего мира и погружение в некоторую идеализированную (вымышленную, но в то же время упрощенную по сравнению с реальной) субстанцию, в которой мог бы находится наблюдатель, исследующий то или иное физическое явление. Именно такой и может быть среда виртуальной реальности, а преимущества компьютерных экспериментов перед мысленными будут заключаться в том, что все происходящее в такой среде будет визуально доступно обучающимся [4]. А, как известно, визуальные образы являются наиболее запоминающимися и доступными для понимания.

Рис. 1. Движение тела под действием силы тяжести

Закон сохранения полной механической энергии тела в поле консервативной силы (школьная форма записи) может быть представлен в виде:

где Е — полная механическая энергия тела, Е_{п —} потенциальная энергия тела, Е_{к —} кинетическая энергия тела. Для простоты тело будем считать материальной точкой. Допустим, что это тело свободно падает, ударяется абсолютно упруго о горизонтальную поверхность и отскакивает от нее (рис. 1). Если тело начинает движение из состояния покоя, а в момент удара о поверхность имеет некоторую скорость v, отличную от нуля, то говорят, что сначала тело имело механическую энергию E = mgh (равную только потенциальной энергии тела), а затем E = mv²/2 (равную только кинетической энергии тела). Обе эти энергии будут равны. После удара о поверхность тело начнет движение вверх до тех пор, пока его скорость вновь не станет равной нулю. После чего подъем вновь сменится падением, и такой процесс будет продолжаться бесконечно. Иными словами, в верхней точке траектории, потенциальная энергия тела всегда будет максимальна, а кинетическая равна нулю (минимальна), и, наоборот, в нижней точке траектории кинетическая энергия максимальна, а потенциальная равна нулю (минимальна). Во всех остальных точках полная энергия E тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергий, имеющих значения, находящиеся в промежутке от нуля до максимального значения.

Поставить натурный эксперимент, подобный тому, который был рассмотрен выше, не представляется возможным, в силу того, что невозможно исключить присутствующие в реальности диссипативные силы. Поэтому до появления систем виртуальной реальности у учителя физики был только один вариант рассмотрения таких ситуаций — мысленный (умозрительный) эксперимент. Учащиеся должны были «поверить на слово» учителю или статичным иллюстрациям учебника, либо провести многочисленные рутинные расчеты, используя математическую модель описанного выше процесса. Сейчас на помощь учителю приходят системы виртуальной реальности. Продемонстрировать виртуальный эксперимент можно, например, в физическом симуляторе Algodoo (рис. 2).

Рис. 2. Проведение эксперимента в виртуальной среде

На рис. 2 показан кадр, демонстрирующий информационное окно физического симулятора Algodoo, в котором учащиеся имеют возможность наблюдать движение тела и графики зависимостей потенциальной, кинетической и полной энергии тела от времени. Им прекрасно видно, что полная энергия тела в случае движения, показанного на рис. 1, остается неизменной величиной.

Как правило, информационные ресурсы образовательного назначения, подобные представленному в этой статье (иногда их называют динамическими сценами), мы включаем в состав учебно-методических комплексов физических дисциплин [5].

Литература:

1. Данилов О. Е. Компьютерная визуализация полей физических величин в учебном процессе / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 6. — С. 97–106.
2. Данилов О. Е. Моделирование газа в физическом симуляторе / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2015. — № 4. — С. 20–26.
3. Данилов О. Е. Модельный характер представления физических знаний в процессе обучения / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2016. — № 4. — С. 107–113.
4. Данилов О. Е. Создание систем виртуальной реальности для обучения физике / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2015. — № 4. — С. 20–27.
5. Данилов О. Е. Создание электронного учебно-методического комплекса дисциплины для дистанционного обучения / О. Е. Данилов, О. Г. Поздеева // Инновационные педагогические технологии: материалы II междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2015 г.). — Казань: Бук, 2015. — С. 186–189.