Трехмерная графика на примере урока физики

 

Физика - один из тех учебных предметов, где понятия "узнать" и "понять" очень близки по значению словам "пощупать" и "потрогать". Но, как уже было сказано выше, не всегда школьный кабинет физики располагает достаточными ресурсами оборудования. Например, мало найдется школьный кабинет физики, располагающий простейшим механическим гироскопом, тогда как очень просто изобразить гироскоп, используя средства трехмерной графики:

 

 

 

 

Демонстрация приборов может носить как статический, так и динамический характер. Минимальная динамика объекта обеспечивается его перемещением или вращением.

 

 

 

 

 

Что замечательно, графические средства позволяют не только создавать модели реальных приборов, но и наделять создаваемые приборы определенными свойствами, которые помогут точнее, полнее описать строение, способы работы оборудования. Так, например, вместо стандартного гофрированного сосуда, используемого для изучения термодинамических изопроцессов, можно предложить сосуд с поршнем (основное свойство - изменение объема - сохраняется), имеющего прозрачные стенки.

 

 

Демонстрация приборов не является доминирующей проблемой, решаемой графическими средствами. Ее можно назвать скорее вспомогательной, так как моделирование физических приборов необходимо для демонстрации физических явлений, процессов, происходящих в природе или в лабораторных экспериментах.Основной вопрос, который должен для себя решить преподаватель, имеющий возможность создания и использования трехмерных моделей: в каких случаях использование виртуальных моделей, компьютерного эксперимента является оправданным, целесообразным и, возможно, остро необходимым? Данный вопрос не может иметь однозначного решения, и каждый учитель, помещенный в определенные условия, должен решить его самостоятельно. Нам же представляются наиболее приемлемыми три варианта условий использования компьютерного моделирования:

 

1. Если нет необходимого для демонстрации оборудования и его нельзя воспроизвести за достаточно ограниченное время (купить или собрать самостоятельно).

2. Если необходимо отобразить процесс, происходящий либо в очень больших масштабах (динамика астрономических объектов), либо в очень мелких (процессы микромира).

 

Раньше данные проблемы решались при помощи учебного кино. В связи с моральным устареванием базы школьных кинотек, образовалась информационная ниша, которая, к сожалению, не была полностью закрыта учебными видео материалами. Данный факт дополнительно актуализирует использование трехмерного моделирования физических процессов.

 Наиболее простой вариант моделирования физического процесса - создание видеоролика, фильма, отображающего протекание процесса во времени. В данном случае созданный в графическом редакторе клип мало чем отличается от обычного учебного фильма, воспроизводимого с видеокассеты.

 Предположим, нам необходимо продемонстрировать движение заряженной частицы, влетающей в плоский конденсатор параллельно его пластинам. Сама по себе задача не представляет особой сложности, тогда как демонстрация процесса движения в условиях школьной лаборатории представляется практически неосуществимой. Средствами программы 3ds max проблема демонстрации решается элементарно.

 

Такой способ использования средств трехмерной графики представляется методически наиболее простым. Несколько более сложный и более интересный способ - создание ряда видеороликов (что невозможно, если использовать стандартный видеофрагмент на пленке) для их сравнительной демонстрации.

Например, вариант демонстрации хаотического движения тождественных частиц (газ с разной концентрацией, но при одной температуре и в одном объеме). (1) (2)

 

 

Здесь можно менять и число частиц, и их скорость, и их размер, моделируя тем самым изменение концентрации, температуры, состава газа. Таким образом, достигается расширение круга решаемых методических задач, решаемых проблем, демонстрируемых эффектов.Мы не будем останавливаться на методах создания подобных анимационных роликов. Единственное, что хочется отметить, они (собственно, один является параметрической модификацией другого) создаются в течение 5-15 минут, в зависимости от уровня подготовки пользователя.

Существенно больше времени занимает преобразование модели 3ds max в видеоклип (так называемый "рендеринг"). В зависимости от мощности процессора это может занять от 1 до 30 минут (для 100 кадров, примерно 3-4 секунды). Данные фрагменты проходят преобразование в течение 1 минуты (процессор Duron 1000), так как для большей наглядности кубу просто придали свойство прозрачности. Если же использовать текстуру стекла, то время обсчета может увеличиться в десятки раз.Для эффективного создания трехмерных моделей физических процессов необходимо иметь некоторую базу виртуальных физических приборов. Это следует сделать в целях облегчения процесса моделирования большого количества явлений с использованием одних и тех же приборов.

Например, если мы объединим уже известный нам сосуд с поршнем и модель манометра:

 

 

то полученная модель становится вполне пригодной для демонстрации зависимости давления газа от занимаемого им объема.

 

 

 

Аналогичная же схема может быть использована для демонстрации различных вариантов зависимостей основных термодинамических характеристик от внешних условий.

 Данный пример хорошо демонстрирует возможность синтеза модели физического процесса на основе двух моделей (существующих обособленно) приборов. Из этого можно сделать вывод об эффективности создания и использования именно базы виртуальных приборов. Чем более организованным у преподавателя складывается набор инструментов, приборов, тем большую область может он охватить путем демонстраций.

 Количество приборов для демонстрационных экспериментов по одному из разделов, одной из тем школьной физики достаточно ограничено. Например, набор оборудования для реализации темы "Электростатика" может быть помещен в рамки следующей таблицы.

 

 

Данный набор выгодно отличается от реального (материального) оборудования тем, что для проведения демонстрации на компьютере достаточно иметь по одному экземпляру необходимого прибора, подобные приборы размножаются обычным копированием, тогда как в реальном эксперименте надо иметь полный набор пусть даже десятка одинаковых приборов.Наконец, следует отметить еще один момент в организации виртуальной базы моделей физических приборов. Поскольку один отдельно взятый учитель будет прорабатывать полный набор инструментов для моделирования достаточно долго, то есть смысл в организации общей постоянно дополняемой и обновляемой базы под эгидой какой-либо организации. При этом пользователи могли бы как создавать сами новые приборы и экспериментальные установки, так и использовать уже готовые модели.

 

Все перечисленные выше возможности не исчерпывают всего спектра приложения графических методов к проблемам преподавания физики в школе. В подтверждение этого можно привести еще один простой пример. Трехмерная графика позволяет создавать прекрасные схемы, рисунки для описания условий задач. Здесь может присутствовать текст, можно использовать цвет, в отличие от работы на доске.

 

  

Таким образом, трехмерная графика фактически может выступить в качестве своеобразного иллюстративного материала к урокам физики. Но в более полной мере данное свойство реализуется на уроках математики.