«Механическая вселенная... и дальше» — это 52-серийный телекурс, снятый в Калифорнийском технологическом институте , который знакомит с физикой университетского уровня, охватывая темы от Коперника до квантовой механики . Сериал 1985-86 годов был создан Калифорнийским технологическим институтом и INTELECOM, некоммерческим консорциумом калифорнийских общественных колледжей, ныне известным как Intelecom Learning, [1] при финансовой поддержке Annenberg/CPB . [2] Сериал, который транслировался на партнерских станциях PBS , прежде чем был распространен на LaserDisc и в конечном итоге на YouTube , известен использованием компьютерной анимации .
Созданные с 1982 года, видео широко используют исторические драматизации и наглядные пособия для объяснения физических концепций. Последние были передовыми в то время, включая почти восемь часов компьютерной анимации, созданной пионером компьютерной графики Джимом Блинном вместе с помощниками Сильви Рюфф [3] и Томом Брауном в Лаборатории реактивного движения . [4] [5] Каждый эпизод открывается и заканчивается сегментами-форзацами, в которых профессор Калтеха Дэвид Гудштейн , выступая в лекционном зале, дает объяснения, «которые не совсем могут быть вложены в уста нашего приветливого, безликого рассказчика». [2] Спустя более четверти века сериал по-прежнему часто используется в качестве дополнительного учебного пособия из-за его ясного объяснения фундаментальных концепций, таких как специальная теория относительности . [6] [7] [8]
Сегменты на форзаце с участием Гудстейна были специально поставленными версиями настоящих лекций физики для первокурсников из курсов Физика 1a и 1b Калтеха. Организация и выбор тем для акцентирования в телешоу отражают недавний пересмотр вводной программы по физике Калтеха, первый полный пересмотр с тех пор, как был представлен The Feynman Lectures on Physics почти два десятилетия назад. В то время как Фейнман в целом искал современные примеры тем, более поздний пересмотр программы принес больше исторического фокуса:
По сути, более ранний курс Фейнмана стремился сделать физику захватывающей, связывая каждый предмет, где это возможно, с современными научными проблемами. Новый курс пошел по противоположному пути, пытаясь воссоздать историческое волнение первоначального открытия. Например, классическая механика — печально известный сложный и неинтересный предмет для студентов — рассматривается как открытие «нашего места во Вселенной». Соответственно, небесная механика является основой предмета, а его кульминацией является решение Ньютоном задачи Кеплера . [2]
В 22-м эпизоде была решена задача Кеплера, то есть продемонстрировано, что закон обратных квадратов гравитации подразумевает, что орбиты являются коническими сечениями , с использованием варианта вектора Лапласа-Рунге-Ленца , хотя и под другим названием. [9]
Комната, показанная в сегментах подставки для книг, — это лекционный зал Bridge в Калтехе. Многие из статистов были студентами из других школ, а первые ряды лекционного зала были намеренно заполнены большим количеством женщин, чем обычно можно было увидеть на лекциях Калтеха. [10] Команда телевизионного производства добавила в лекционный зал поддельные деревянные панели, чтобы он больше напоминал тот, что был показан в шоу The Paper Chase . Позже физический факультет Калтеха был настолько впечатлен результатом, что панели были установлены постоянно. [2] Многие сиденья в лекционном зале пришлось убрать, чтобы освободить место для камеры и студийного освещения. Чтобы запечатлеть это, позже были сняты дополнительные кадры реакции полного лекционного зала, чтобы при монтаже можно было создать иллюзию полной аудитории . В большинстве кадров самого Гудштейна присутствовало только два ряда студентов. [11]
Многие другие видеофрагменты были сняты на месте, например, на промышленном заводе Linde , который производил жидкий воздух . Исторические сцены часто делались общими, чтобы облегчить их повторное использование в нескольких эпизодах: «Молодой Ньютон прогуливается по яблоневому саду, старый Ньютон раздраженно отказывается от чашки чая от слуги и так далее». [2] Кадры с исторической реконструкцией Иоганна Кеплера были приобретены из телесериала Карла Сагана 1980 года «Космос: Личное путешествие » . [12]
Первоначально планировалось, что сериал будет состоять из 26 эпизодов. [13] [14] Позже это число было увеличено до 60 эпизодов, затем их количество сократилось до 52 из-за бюджета и графика производства. [2] [15]
Шоу не предполагало предварительного опыта работы с исчислением . Вместо этого основы дифференциального и интегрального исчисления преподавались в самом начале сериала. [13] Математик из Калтеха Том М. Апостол присоединился к команде по производству Mechanical Universe , чтобы гарантировать, что сериал не пострадает от качества представляемой им математики. Впервые увидев пример компьютерной анимации Блинна, Апостол убедился, что сериал может оживить математику «таким образом, который невозможно сделать в учебнике или у доски». [16] Когда тестовые просмотры студентов- гуманитариев показали, что их наибольшей трудностью в изучении исчисления является слабая подготовка по тригонометрии , Апостол написал учебник по этой теме, который должен был распространяться вместе с телекурсом. [2] После консультации по производству The Mechanical Universe Апостол решил, что аналогичный сериал, ориентированный на математику в старших классах, будет полезен. [17] Это стало более поздним сериалом Калтеха Project Mathematics! , в котором также использовалась компьютерная анимация Блинна. Некоторые анимации Блинна для «Механической Вселенной» были повторно использованы в новой серии, чтобы проиллюстрировать применение алгебры, геометрии и тригонометрии. [18]
Научно-фантастический боевик 1990 года « Вспомнить всё» использовал части заставки «Механической вселенной» в сцене, где главному герою (Дуглас Куэйд, которого играет Арнольд Шварценеггер ) предлагают виртуальные каникулы в местах по всей Солнечной системе . Анимация использовалась без лицензии, и, как следствие, Caltech и Intelecom подали в суд на Carolco Pictures на 3 миллиона долларов . [19]
Для того чтобы представить подробные выводы математических уравнений, шоу использовало технику, которую его создатели назвали «алгебраическим балетом». [4] Компьютерная анимация представляла выводы в пошаговых деталях, но быстро и с долей причудливости, например, алгебраические члены отменялись топающей ногой в стиле Монти Пайтона или рукой Бога из « Сотворения Адама » Микеланджело . Блинн считал, что Космос воспринимал себя «слишком серьезно», и поэтому он стремился включить больше юмора в анимации Механической Вселенной . [20] Цель состояла в том, чтобы избежать помещения «мозгов зрителей в 60-тактный гул », не жертвуя строгостью; создатели хотели, чтобы студенты могли узнать общую суть каждого вывода из анимации, а затем изучить детали, используя прилагаемый учебник. [2] Компьютерная анимация также использовалась для изображения идеализаций физических систем, таких как смоделированные бильярдные шары, иллюстрирующие законы движения Ньютона. Ранее Блинн использовал часть того же программного обеспечения для визуализации взаимодействия ДНК и ДНК-полимеразы для Cosmos . [21] Один из комментаторов посчитал эти анимации «особенно полезными для предоставления студентам субъективного понимания динамических трехмерных явлений, таких как магнитные поля ». [22]
Создание компьютерной графики, необходимой для визуализации физических концепций, привело Блинна к изобретению новых методов моделирования облаков, а также виртуальных «капельных объектов», известных как метаболы . [23] Блинн использовал координаты вершин правильных икосаэдров и додекаэдров, чтобы определить расположение линий электрического поля, исходящих от точечных зарядов. [24]
Большую часть повествования озвучил актер Аарон Флетчер, который также играл Галилео Галилея в исторических сегментах. Некоторые части, такие как объяснения конкретных технических деталей, были озвучены Салли Бити, исполнительным продюсером шоу . [2]
Более короткие версии эпизодов Mechanical Universe , продолжительностью от 10 до 20 минут, были созданы для использования в средних школах . Эта адаптация, для которой консультантами выступили дюжина учителей и администраторов средних школ, была поддержана грантом в размере 650 000 долларов от Национального научного фонда . [25] Эти видео были распространены вместе с дополнительными письменными материалами для учителей и предназначались для использования в сочетании с существующими учебниками. [12] Yorkshire Television позже выпустила версию, переупакованную для аудитории Соединенного Королевства, которая была выпущена в апреле 1991 года. [26]
Annenberg/CPB предоставили финансирование для производства «Механической Вселенной» . [27] Шоу было одним из первых двенадцати проектов, финансируемых из первоначального взноса в размере 90 миллионов долларов, который Фонд Анненберга передал Корпорации общественного вещания в начале 1980-х годов. [1] [2] [28] Общая стоимость проекта составила около 10 миллионов долларов. [29]
PBS и The Learning Channel начали трансляцию «Механической Вселенной» в сентябре 1985 года. [30] Осенью 1986 года около 100 станций PBS транслировали «Механическую Вселенную» , а к осени 1987 года более 600 высших учебных заведений приобрели ее или лицензировали эпизоды для использования. [2] В 1992 году Гудштейн отметил, что сериал транслировался через PBS более чем 100 станциями, «обычно в особые часы, когда невинные люди вряд ли случайно настроились на дифференциальное уравнение в процессе его решения». [29] Он заметил, что было трудно получить подробные данные о зрительской аудитории, но когда шоу транслировалось в Майами в субботние утра, продюсеры смогли получить рейтинги Нильсена .
Фактически, он занял второе место в своем временном интервале, обойдя детские мультфильмы на двух сетевых станциях. Только в округе Дейд было 18 000 преданных основных домохозяйств , средний возраст зрителей составлял 18 лет, и половина из них были женщинами. Однако мы редко получаем такую подробную информацию. [29]
Гудстейн и помощник директора проекта Ричард Оленик отметили:
Отдельные сведения в виде писем и телефонных звонков свидетельствуют об очень большом энтузиазме среди пользователей на всех уровнях: от случайных зрителей до учащихся старших классов и преподавателей исследовательских университетов, но также было и несколько острых разочарований, особенно когда администраторы учебного телевидения пытались обращаться с TMU как с обычным телекурсом. [2]
Аналогично, обзор 1988 года в Physics Today предположил, что программы не будут хорошо функционировать сами по себе как телекурс, но будут работать гораздо лучше в качестве дополнения к традиционному классу или более стандартному курсу дистанционного обучения, такому как Open University . [31] Рецензенты также посчитали «алгебраический балет» анимированных на компьютере уравнений слишком быстрым для понимания: «Спустя короткое время человек тоскует по живому профессору, заполняющему доску уравнениями». [31] Аналогично, обзор в American Journal of Physics , восхваляя «техническое мастерство фильмов», писал о манипуляциях анимированными уравнениями: «Как говорят студенты MIT , это все равно, что пытаться сделать глоток воды из пожарного шланга». [32] Значительно более восторженную оценку дал физик Чарльз Х. Холброу , который сказал Оленику: «Эти материалы будут составлять главный визуальный образ физики на протяжении десятилетий». [12] Рецензент, пишущий для Educational Technology, нашел анимацию «увлекательной для просмотра» и высказал мнение, что она была по крайней мере столь же эффективной, как то, что многие преподаватели могли бы сделать у традиционной доски. [33] Редакционная статья в Los Angeles Times назвала шоу «экстраординарным», а анимацию «великолепной», съязвив, что «если дифференциальное исчисление не является высшим тестом телевидения, оно, безусловно, попало бы в полуфинал любого соревнования». [34] Гудстейн и Оленик сообщили, что молодые зрители, как правило, наслаждались стилем «алгебраического балета» «гораздо больше, чем зрители постарше, которым некомфортно из-за алгебраических манипуляций, которые они не могут понять». [2]
В 1986 году «Механическая вселенная» использовалась как часть летней программы для одаренных детей и имела всеобщий успех. [35]
Исследование, проведенное в 1987 году в Индианском университете в Блумингтоне, использовало 14 эпизодов «Механической Вселенной» в качестве части вводного курса по ньютоновской механике и дало в целом положительные результаты:
[Эти] записи были особенно эффективны в представлении ньютоновской механики в исторической перспективе; драматизации исторического ниспровержения аристотелевских и средневековых идей; иллюстрации разнообразной природы ученых и научных усилий; стимулировании интереса и энтузиазма студентов; и, посредством превосходной анимации, иллюстрации временного измерения определенных концепций механики. Сопутствующий текст [...] был помещен в библиотечный резерв для курса, но не использовался студентами широко. [36]
Последующее исследование показало, что видео также могут быть полезны для объяснения физики профессорам в других областях. Отрицательные реакции, как правило, были связаны не столько с внутренним воспринимаемым качеством эпизодов, сколько со временем, которое материал по истории науки отнимал у контента, рассматриваемого как «критическое обучение по подготовке к экзамену». [37] Исследователь вспоминал:
[Некоторые студенты, думая, что видеоматериал не будет рассмотрен на тестах, направились к дверям, когда свет погас! Чтобы противостоять этой тенденции, я начал использовать несколько тестовых вопросов, основанных на исторических или литературных деталях, обсуждаемых в видеозаписях. Некоторые студенты были возмущены: «Что это, урок поэзии?» [38]
Использование в классах продолжалось до 1990-х годов. Образовательная программа меньшинства в Калифорнийском университете в Беркли использовала сегменты эпизода «Механической Вселенной» (на LaserDisc ) как часть групповых обсуждений. [39] В обзоре сериала 1993 года историк науки заявил, что он использовал эпизоды на своих занятиях в течение нескольких лет, назвав «Три закона Кеплера» и «Эксперимент Майкельсона–Морли» своими личными фаворитами.
Изюминкой фильма «Кеплер» является фрагмент, в котором нам показывают изысканную графическую реализацию того, как Кеплер на самом деле выяснил, что орбиты планет являются эллиптическими, а не круговыми. Явная сложность проблемы, с которой он столкнулся, и элегантность метода, который он применил для ее решения, совершенно очевидны. Я не могу представить себе лучшего способа представить это великолепное открытие, которое может легко показаться таким тривиальным. [40]
В колонке 2005 года в журнале The Physics Teacher предлагалось просмотреть «Механическую вселенную» в качестве подготовительного просмотра для преподавателей, впервые пытающихся преподавать физику. [41] The Physics Teacher также рекомендовал серию «в качестве обогащения или дополнительного задания для учеников с высокими способностями». [42] В своей статье для веб-сайта журнала Wired Ретт Аллейн привел серию в качестве примера видео, которые могли бы заменить некоторые функции традиционных лекций. [43]
В 1987 году «Преобразование Лоренца» (эпизод 42) было удостоено шестнадцатой ежегодной премии Японии за образовательное телевидение. [44] Другие награды, полученные «Механической вселенной» , включают Золотую награду 1986 года от Международного кинофестиваля в Бирмингеме, две награды «Синди» от Международной ассоциации аудиовизуальных коммуникаторов (1987 и 1988), Золотую награду (1985) и Серебряную награду (1987) от Международного кино- и телефестиваля в Нью-Йорке, Серебряную (1986) и Золотое яблоко (1987) награды от Национального образовательного кино- и видеофестиваля и Золотую табличку (1985) от Чикагского международного кинофестиваля. [45] [46]
Гудстейн получил медаль Эрстеда 1999 года за свою работу в области физического образования, включая «Механическую вселенную» . [47] За свой вклад в область компьютерной графики, включая анимацию для «Космоса» , «Механической вселенной» и проекта «Математика!» , Блинн получил стипендию Макартура в 1991 году, а также премию Стивена А. Кунса 1999 года . [48] [49]
Как и многие вводные тексты по физике, «Механическая вселенная» приводит в качестве примера резонанса впечатляющее крушение моста Такома-Нэрроус в 1940 году , используя кадры катастрофы в эпизоде «Резонанс». Однако, как подчеркивают более поздние изложения, катастрофические колебания, разрушившие мост, были вызваны не простым механическим резонансом, а более сложным взаимодействием между мостом и проходящим через него ветром — явлением, известным как аэроупругий флаттер . Это явление представляет собой своего рода «самоподдерживающуюся вибрацию», которая лежит за пределами режима применимости линейной теории внешнего простого гармонического осциллятора . [50] [51]
Вступительная последовательность, используемая для первых 26 эпизодов, указывает название шоу как «Механическая вселенная» , тогда как последние 26 эпизодов озаглавлены как «Механическая вселенная ... и за ее пределами» . [52] [53] Причина добавления объясняется Гудштейном в заключительном лекционном сегменте последнего эпизода:
В первой научной революции споры об интерпретации человеческого или божественного авторитета были заменены наблюдением, измерением, проверкой гипотез, и все это с мощной помощью количественного математического рассуждения. И результатом всего этого стала механическая вселенная, вселенная, которая неумолимо вершила свою судьбу в соответствии с точными, предсказуемыми, механическими законами. Сегодня мы больше не верим в эту вселенную. Если я знаю точное положение какой-то частицы в какой-то момент времени, я не могу иметь никакого представления о том, куда она движется или с какой скоростью. И не имеет никакого значения, если вы скажете: «Хорошо, вы не знаете , куда она движется, но куда она движется на самом деле ?» Это именно тот тип вопросов, который научно бессмыслен. Такова природа мира, в котором мы живем. Такова квантово-механическая вселенная. [54]
Сериал можно приобрести в Caltech или транслировать из онлайн-источников видео, включая официальный канал Caltech на YouTube . [55] Caltech также разместил на YouTube серию коротких видеороликов, сделанных Блинном, для демонстрации компьютерной анимации шоу на конференциях SIGGRAPH .
{{cite web}}
: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )