CC BY
21УДК 53 + 004.946 ББК 22.3 + 378
DOI 10.7442/2071-9620-2021-13-4-90-97
С.А. Кондаков
(Международный Институт Дизайна и Сервиса, г. Челябинск, Россия)
АКТИВИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ
ЧЕРЕЗ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ВИРТУАЛЬНОМ МИРЕ
В статье рассматриваются основные тенденции в развитии информационных технологий в мире в XXI в. Показаны основные различия в толковании таких терминов, как «виртуальная реальность», «дополненная реальность», «ВР-технологии». Описаны суть и методика введения и использования в информационных технологиях «физического движка». Раскрывается технология проблемы использования основного элемента познания - моделирование в виртуальном пространстве через призму активизации физических знаний в реальном мире. Подробно описана сущность и содержание понятий: «модель», «моделирование». Определена сущность компьютерного моделирования, которая заключается в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели.
Ключевые слова: обучающиеся, информационное пространство, виртуальная реальность, компьютерная игра, моделирование, физические знания, демонстрационный эксперимент.
S.A. Kondakov
(International Institute of Design and Service, Chelyabinsk, Russia)
ACTIVATING PHYSICAL KNOWLEDGE THROUGH SIMULATION IN THE VIRTUAL WORLD
The article examines the main trends in the development of information technology in the world in the 21st century. The main differences in interpretation are shown in terms such as: virtual reality, augmented reality, BP-technologies. The essence and methods of introduction and use of the «physical engine» in information technologies are described. The technology of the problem of using the main element of cognition - modeling in virtual space, is revealed. The essence and content of the concepts: «model», «modeling» are described in detail. The essence of computer modeling is determined, which consists in obtaining quantitative and qualitative results according to the existing model.
Keywords: students, information space, virtual reality, computer game, modeling, physical knowledge, demonstration experiment.
Развитие информационных технологий, развитие языков и технологий программирования, расширение использования искусственного интеллекта в жизнедеятельности человека, а также средств взаимосвязи с ним - все это стало причиной того, что наш мир уже давно не привязан только к физическим, материально существующим пространствам.
В научно-популярной литературе стало обыденным термины: «виртуальная реальность», дополненная реальность», «ВР-системы» и «ВР-технологии».
Если человек до появления компьютеров в ХХ веке жил в мире реальных отношений, то сейчас люди из круга бытия с преобладанием материальных, социальных параметров погрузились в информационное пространство нового времени, для которого характерна «виртуализация реальности» - соединение двух реальностей: виртуальной и реальной - более наглядным, ощутимым и одновременно более глубоким образом [9].
Другими словами, виртуальная реальность - мир, в котором оказывается человек в результате слияния компьютерной графики с возможностью непосредственного воздействия на события [1].
Очевидно, что за последние 5 лет все большее количество жителей в мире, особенно молодежи, а именно студентов, становится более и более зависимой от виртуальной (интернет- и игровой) реальности.
Технология разработки виртуальной реальности - одна из самых перспективных и быстро развивающихся отраслей XXI века и одновременно глобального сектора развлечений.
Компьютерные игры как элемент виртуальной реальности становятся обыденным явлением в нашем мире и порой становятся произведениями искусства по уровню сценария и воплощения.
Чего стоит только факт, согласно которому такие мега интернет-корпорации, как Apple и Google, в последние 10 лет все больше и больше внимания уделяют
разработке игровых онлайн-решений на своих платформах и маркетах.
По мнению экспертов, именно игровая индустрия становится проводником идей современного творчества и новаторства. Компьютерные игры давно проникли во все сферы массовой культуры, а многие из них стали ее атрибутами (такие как, Doom или серия Need for Speed).
Во многих странах компьютерные игры были признаны отдельным видом искусства. Было положено начало новой субкультуре со своим языком, иконами, уникальными событиями и мероприятиями. Гейминг становится высокооплачиваемой профессией [11].
Что касается технологий дополненной реальности как элемента виртуальной реальности, то эти решения, в основном, используются сейчас в рамках мобильных приложений и имеют большую перспективу для развития.
Параллельно с развитием игровой индустрии ярко выражен всплеск развития таких направлений, как киберспорт (в силу признания киберспорта национальным видом спорта с 2016 г.), стри-минг, мобильный гейминг, как в мире, так и в России.
На данный момент развитие виртуальной реальности тормозится отсутствием, в том числе, очень быстрого широкополосного интернет-канала, который могут обеспечить сети стандарта телекоммуникации нового поколения 5G/IMT 2020, быстро развивающейся в США, Европе, Китае, Австралии и Новой Зеландии. С помощью данной технологии связи самые требовательные игры можно будет запускать на мобильных устройствах, а это сможет стать дополнительным стимулом развития сегмента игр на основе VR-технологий.
В целом, если говорить о современном образовании (от дошкольного обучения до высшего профессионального), то здесь достаточно давно используются компьютерно-игровые решения. Некоторые компьютерные игры активно используются для получения определенных навыков в
ф
0
1 _0
го
ш
ш
ф
S I
го ш о
S
ц ф
ч
о
ф ф
т
I
го
I
о ф
т
к
S
J
го
m
о ^
го Ч х о
<t О
определенных областях научного знания (например, Мтесгай) [9].
Даже самые простые явления физического мира, наблюдаемые нами изо дня в день, на самом деле оказываются крайне сложными в реализации.
Ведь, в большинстве своем, серьезного прогресса в развитии виртуального мира и мира гейминга добились благодаря математическому моделированию основных законов и явлений физики, перенесенных из реального мира в мир компьютерных технологий.
Целью нашего исследования является активизация формирования физических знаний через моделирование в виртуальной (игровой) реальности.
В поисках новых средств изучения физики был выполнен следующий анализ технологий и научной литературы: методологические аспекты использования и конструирования в обучении физики [12], моделирования механизма оценки результатов обучения [5], применения технологии опережающего образования [9] и интерактивных форм учебных занятий [7].
Но проблема методики активизации учебно-познавательной деятельности студентов 1Т-направлений на занятиях по физике остается недостаточно изученной, в то время как ее разработка и реализация могут существенно повысить интерес к предмету, а следовательно, и качество подготовки в области физики [2].
Многие думают, что физика реального и виртуального мира сильно отличается, и основана на фантастике, чем на законах реального физического мира.
Но благодаря физическим законам, эмпирически и многократно повторенными в огромном количестве доказывается реалистичность или не реалистичность многих физических явлений и процессов, которые представлены нам в виртуальной (игровой) реальности.
В общепринятом понимании, физику в виртуальном мире называют «физическим движком». Рассмотрим вкратце основные аспекты данного понятия. Фи-
зический движок (англ. physics engine) -компьютерная программа, которая производит компьютерное моделирование физических законов реального мира в виртуальном мире с той или иной степенью аппроксимации. Чаще всего физические движки для физического моделирования используются не как отдельные самостоятельные программные продукты, а как составные компоненты (подпрограммы) других программ.
Все физические движки условно делятся на два типа: игровые и научные.
Первый тип используется в компьютерных играх как компонент игрового движка.
В этом случае, он должен работать в режиме реального времени, то есть воспроизводить физические процессы в игре с той же самой скоростью, в которой они происходят в реальном мире.
Вместе с тем, от игрового физического движка не требуется точности вычислений. Главное требование - визуальная реалистичность, и для его достижения не обязательно проводить точную симуляцию. Поэтому в играх используются очень сильные аппроксимации, приближенные модели и другие способы.
Научные физические движки используются в научно-исследовательских расчётах и симуляциях, где крайне важна именно физическая точность вычислений [4]. С точки зрения программирования, физические движки позволяют упростить процесс симуляции поведения объекта в игре. Физический движок позволяет опираться на уже разработанную систему взаимодействия тел и систему знаний унифицированных законов жизни игрового мира.
На данный момент физические движки смогли симулировать лишь несколько физических явлений и состояний, связанных с изменением размеров абсолютно твердого тела, абсолютно мягкого тела, динамикой жидкостей и газов.
Благодаря использованию закономерностей, выявленных в физических законах, можно создать определенное
виртуальное пространство (т.е. модель), которую можно наполнить виртуальными статическими и динамическими объектами и указать для них некие общие законы взаимодействия тел и среды, в той или иной мере приближенных к физическим, задавая при этом характер и степень взаимодействий (импульсы, силы и т. д) [6].
Все больше и больше обучающихся совершенно не владеет навыками моделирования и эксперимента в «реальной среде». В чем же преимущество моделирования и для чего оно необходимо?
Модель - это физический или информационный аналог объекта, функционирование которого по определенным параметрам подобно функционированию реального объекта [9].
Например, для того, чтобы узнать путь, пройденный телом за время ^ можно всякий раз делать замеры времени, скорости и расстояния, но это довольно трудоемкий процесс, причем измерения не будут отличаться высокой точностью, поэтому быстрее и точнее использовать для таких расчетов модель - уравнение.
Использование моделей для получения информации о самом оригинале позволяет экономить средства или время, или получить более точную и качественную информацию. Модели нужны, чтобы получить информацию о строении, свойствах, поведении или функционировании объекта - оригинала. Так как любая модель строится с целью получения информации об объекте - оригинале, то моделирование, по своей сути, является методом познания окружающей действительности. Моделирование есть процесс перехода из реальной области в виртуальную (модельную) посредством формализации.
Компьютерное моделирование - это метод научного познания действительности с помощью построения компьютерных моделей и проведения с ними компьютерного эксперимента.
Суть компьютерного моделирования заключается в получении количествен-
ных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства сложной системы: ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. [10].
Компьютерные модели физических процессов построены на основе математических моделей.
Главная особенность моделирования как метода познания состоит в том, что это метод опосредованного познания действительности с помощью объектов-заместителей. Модель в нем выступает как инструмент познания, с помощью которого изучается этот объект.
Компьютерные модели физических процессов, построены на основе математических моделей, поэтому рассмотрим этот тип моделирования.
Основные виды математических моделей, которые используются на стыке физики в создании виртуальной реальности:
1) Математическая модель равноускоренного движения тела (в виртуальном мире используется данная модель при изучении физики твердого и мягкого тела).
2) Математическая модель свободного падения тела (например, падение парашютиста в первые секунды до раскрытия парашюта является свободным падением).
3) Математическая модель падения тела в среде с сопротивлением. (Падение снаряда или пули - отличный пример анимации в подобных играх).
4) Математическая модель колебаний пружинного маятника (модель гармонических колебаний).
5) Математическая модель полета тела, брошенного под углом к горизонту, в среде без сопротивления (модель движения тела по параболе, определение максимальной высоты подъема тела в процессе полета).
ф
0
1 _0
го
со
ш
ф
^ I
го ш
о ^
ц ф
ч
о
ф ф
т
I
го
I
о ф
т
к го
m
о ^
го Ч х
о <
О
6) Математическая модель полета тела, брошенного под углом к горизонту, в среде с сопротивлением (все игры, в которых присутствуют элементы баллистического движения, в том числе игры-шутеры).
Все вышеперечисленные математические модели реализуются в компьютерных моделях, например, при создании компьютерных игр.
Рассмотрим использование моделирования физических процессов в различных направлениях игровой реальности.
Например, пересечение физического и виртуального мира на примере мегапо-пулярной в свое время игры Angry Birds (Angry Birds (angry с англ. - «сердитые», «рассерженные»), суть которой состоит в том что, игрок с помощью рогатки выстреливает птицами по зелёным свиньям, расставленным на различных конструкциях.
Предполагается, что разработчики постарались воспроизвести механику полета, столкновений и равновесия твердых тел как можно ближе к реальности. Основные физические явления и вещества, моделируемые в игре - это: 1) гравитация; 2) центр силы притяжения на земле; 3) вакуум; 4) вода; 5) пар; 6) ледяная поверхность; 7) ветер; 8) огонь; 9) лава.
Особого внимания заслуживает серия игр Call of Duty и Sniper Elite. Для расчета выстрела из какого-либо орудия, игроку необходимо принимать в расчет определенный набор данных на основе законов физики: баллистику пуль, скорость и направление ветра, диапазон, перемещение цели, источник света, температуру, давление и эффект Кориолиса.
Серия игр - гонки. Физические явления и законы, которые закладываются при моделировании в физический движок, как правило, немного упрощены (дрифтинг и контакт колес с дорожным покрытием).
Почти во всех гоночных играх заложены принципы улучшения управляемости автомобиля, за счет ограничения
максимального угла поворота передних колес. В целях улучшения зрелищности игры, подход, основанный только на законах физики, используемый в гоночных симуляторах, приводил бы к большой сложности управляемости авто с точки зрения законов механики, так и навыков игрока. Ведь во многих гоночных симу-ляторах не предполагается учет знаний игроком таких факторов, как механика подвески, сцепление и баланс шин, импульс развиваемого автомобиля, скорость и тормозной путь его.
Очень часто для упрощения геймин-га при создании игр данного направления пренебрегается реалистичная физика, основанная на моделировании.
Моделирование при создании игр можно использовать в качестве источника огромного количества задач по физике [8].
В самой науке физике заложены основные методы исследования: теоретические (формализация, идеализация, моделирование и т.д.) и эмпирические (наблюдение, эксперимент).
Учебный физический эксперимент, организованный с использованием реального физического оборудования и приборов, можно гармонично дополнить виртуальным физическим экспериментом (физическими компьютерными анимациями и моделями).
При необходимости он может быть использован:
а) для многократного повторения наблюдаемого явления в замедленном или ускоренном (уменьшенном, увеличенном) режимах;
б) для демонстрации (в процессе моделирования) только тех свойств изучаемого явления (процесса), которые невозможно было продемонстрировать и изучить в условиях реальной действительности;
в) для анализа и обобщения результатов реального и демонстрационного эксперимента.
Описанные подходы к организации моделирования эксперимента, в частности, позволяют расширять представле-
ния обучающихся об экспериментальном методе познания, позволяют осуществить экспериментальное исследование явления или процесса в различных видоизменённых условиях, развивают самостоятельность обучающихся в постановке и решении практической задачи, реализуют межпредметные связи физики и информатики, активизируют познавательную деятельность обучающихся, повышают внимание путем работы с ними одновременно в двух средах - виртуальной и реальной.
При организации моделирования демонстрационного эксперимента нельзя отдавать абсолютное предпочтение исключительно виртуальным опытам, необходимо рационально использовать и сочетать возможности реального и виртуального эксперимента [1]. Библиографический список:
1. Дементьев А.С. Связь реального демонстрационного эксперимента с виртуальным // Материалы V Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» [Электронный ресурс] // V Международная студенческая научная конференция - 2013. - Режим досту па: http s: // scienceforum .ru/2013/ article/2013004884
2. Информационные технологии и вычислительные системы: Математическое моделирование. Вычислительные системы. Нанотехнологии. Прикладные аспекты информатики / Под ред. С.В. Емельянова. - М.: Ле-нанд, 2012. - 108 с.
3. Кадубец Т.П. Педагогическая среда виртуальной реальности как средство развития личности школьника [Электронный ресурс]. - Режим до-сту па: http s://lib.herzen. spb. ru/text/ kadubets_102_190_194.pdf
4. Мухина Ю.Р. Вычислительный эксперимент на занятиях по физике как средство активизации учебно-познавательной деятельности студентов IT-направлений: дисс. ... канд. пед. наук. - Челябинск, 2012. - 251 с.
5. Некоторые аспекты освоения курса общей физики в рамках высшей школы // Мавлютовские чтения. Всероссийская молодежная научная конференция: материалы конференции. - 2014. - Т.3. - С. 502-505
6. Овсяницкая Л.Ю. Об опыте реализации опережающего образования для подготовки бакалавров цифрового общества // Современная высшая школа: инновационный аспект. - 2020. - Т. 12. - № 4. С. 62-68.
7. Портал Федеральных государственных образовательных стандартов [Электронный источник]. - Режим доступа: www.fgosvo.ru.
8. Проект «Физика в компьютерных играх [Электронный ресурс] // Педагогическое сообщество Урок РФ -2019. - Режим доступа: https://xn--j1ahfl.xn--p1ai/library_kids/fizika_v_ kompyuternih_igrah_095715.html
9. Седых И.А. Индустрия компьютерных игр. Национальный исследовательский университет. Высшая школа экономики, 2020. - 74 с. [Электронный ресурс] // Центр развития. Режим доступа: https://dcenter.hse.ru/
10. Сляднева Н. А. Современный человек в виртуальном мире: проблема информационно-аналитической культуры личности [Электронный ресурс] // Факт: информ.-аналит. электронный журн. [М.] 1997-2004. - Режим доступа: http://www.fact.ru/www/arhiv9s12. htm
11. Статистика интернет-зависимости у российских подростков. [Электронный ресурс] // Безопасность в интернете - 2010. - Режим доступа: http://security.mosmetod.ru/internet-zavisimosti/127-statistika-internet-zavisimosti-u-rossijskikh-podrostkov
12. Тайницкий В.А., Капралов А.И. Методологические аспекты использования моделирования и конструирования в обучении физике // Учебная физика. - 2012. - № 1. С. 32-36.
Поступила 01.12.2021
ф
0
1 _0
го
ш
ш
ф
S I
го ш о
S
ц ф
ч
о
ф ф
т
I
го
I
о ф
т
к
S
J
го
m
о ^
го Ч х
о ü
<t О
Об авторе:
Кондаков Сергей Александрович, доцент кафедры математики и информатики,
ЧОУВО Международный институт дизайна и сервиса (г. Челябинск, Россия), кандидат
педагогических наук, ksa76_2004@mail.ru
Для цитирования: Кондаков С.А. Активизация физических знаний через моделирование в виртуальном мире // Современная высшая школа: инновационный аспект. -
2021. - Т. 13. - № 4. С. 90-97. DOI: 10.7442/2071-9620-2021-13-4-90-97
References:
1. Dementyev A.S. Connection of a real demonstration experiment with a virtual one. «Student Scientific Forum». Conference proceedings [Electronic resource] // V International Student Scientific Conference - 2013. - Available at: https://scienceforum.ru/2013/article/ 2013004884 [in Russian]
2. Information technology and computing systems: Mathematical modeling. Computing systems. Nanotechnology. Applied Aspects of Informatics. Ed. by S.V. Emelyanova. -M.: Lenand, 2012. - 108 p. [in Russian]
3. Kadubets T.P. Educational environment of virtual reality as a means of development of the student's personality [Electronic resource]. - Available at: https://lib.herzen.spb.ru/ text/kadubets_102_190_194.pdf [in Russian]
4. Mukhina Yu. R. Computational experiment in the classroom in physics as a means of enhancing the educational and cognitive activity of students of IT-directions. Diss. ... kand.ped.nauk. - Chelyabinsk, 2012 .251 p. [in Russian]
5. Some aspects of mastering the course of general physics in the framework of higher education // Mavlyutovskie chteniya. Conference proceedings. - 2014. - Vol. 3. P. 502-505 [in Russian]
6. Ovsyanitskaya L.Yu. On the Experience of Realizing Advanced Education for Training Digital Society Bachelors // Contemporary Higher Education: Innovative Aspects. -2020. - Vol. 12. - No. 4. [in Russian]
7. Portal of Federal State Educational Standards [Electronic source]. - Available at: www.fgosvo.ru. [in Russian]
8. Project «Physics in computer games» [Electronic resource] // Pedagogical community Lesson RF. - 2019. - Available at: https://xn--j1ahfl.xn--p1ai/library_kids/fizika_v_ kompyuternih_igrah_095715.html [in Russian]
9. Sedykh I.A. Industry of computer games. National Research University. Higher School of Economics, 2020. - 74 p. [Electronic resource] // Development Center. -Available at: https://dcenter.hse.ru/data/2020/07/27/1599127653/%D0%98%D0%BD%D0 %B4%D1%83%D1%81%D1%82%D1% 80% D0% B8% D1% 8F% 20% D0% BA% D0% BE% D0% BC% D0% BF% D1% 8C% D1% 8E% D1% 82% D0% B5% D1% 80% D0% BD% D1% 8B% D1% 85% 20% D0% B8% D0% B3% D1% 80-2020.pdf [in Russian]
10. Slyadneva NA Modern man in the virtual world: the problem of information and analytical culture of the individual [Electronic resource] // Fakt: inform.-analyt. electronic journal. [M.] 1997-2004. - Available at: http://www.fact.ru/www/arhiv9s12.htm [in Russian]
11. Statistics of Internet addiction among Russian adolescents [Electronic resource] // Security on the Internet. - 2010. - Available at: http://security.mosmetod.ru/internet-zavisimosti/127-statistika-internet-zavisimosti-u-rossij skikh-podrostkov [in Russian]
12. Taynitskiy V.A., Kapralov A.I. Methodological aspects of the use of modeling and design in teaching physics // Uchebnaya fizika. - 2012. - No. 1. S. 32-36. [in Russian]
About the author:
Kondakov Sergey Aleksandrovich, Associate Professor, Department of Mathematics and Computer Science, International Institute of Design and Service, Chelyabinsk, Russia, Candidate of Pedagogy, Email: ksa76_2004@mail.ru
For citation: Kondakov S.A. Activating physical knowledge through simulation in the virtual world // Contemporary Higher Education: Innovative Aspects. - 2021. -Vol. 13. - No. 4. P. 90-97. DOI: 10.7442/2071-9620-2021-13-4-90-97
<u
о x _0
ro
m m <u s x ro m о ü s
<u
о
<u <u
T
к
s j
ro
