История возникновения симуляторов
Интерактивные симуляторы — это цифровые инструменты, моделирующие реальные научные ситуации. Например, вы хотите провести эксперимент и увидеть, как двигаются молекулы и атомы, или какое воздействие на вещество оказывает тепло, но у вас нет лаборатории и инструментов. В таком случае используются виртуальные симуляторы.
Они основаны на исследованиях в области образования и отражают опыт учёных, преподавателей, инженеров-программистов и самих учащихся. Все симуляторы интерактивны, то есть позволяют школьникам самим контролировать процесс эксперимента. Благодаря таким ресурсам люди учатся смотреть на науку не как на что-то волшебное, а как на то, что можно понять и объяснить.
Интерактивные симуляторы возникли вместе с развитием систем электронного обучения. Например, одна из первых таких систем — PLATO (Programmed Logic for Automated Teaching Operations) — представляла собой компьютеры, разработанные компанией Control Data Corporation, на которых и симулировались некоторые научные процессы. Так, на компьютере можно было смоделировать процесс конденсации, т. е. превращения пара в жидкость. В более поздних версиях появился многопользовательский авиасимулятор Airfight, в котором пользователи могли одновременно видеть горизонт, аэропорты и вражеские самолёты, а в нижней части экрана располагалась панель приборов с радаром и подробными данными, такими как курс, тангаж, крен, высота, топливо и т. д.
Авиасимулятор Airfight
С развитием интернета симуляторы стали доступны не только в виде программного обеспечения на компьютерах, но и в браузерах. Так, Митчел Резник создал «активное эссе»1 «Исследование эмерджентности» (Exploring Emergence), в котором объясняется идея эмерджентности2. Управляя включением и выключением изображений на экране и выполняя задания, пользователь исследует научные представления о создании и возникновении объектов.
Симулятор эмерджентности Митчела Резника. Источник: Playfulinvention, MIT
Профессор университета Колорадо Мартин Голдман создал библиотеку научных симуляторов Physics-2000. На сайте представлены симуляторы из различных областей физики, а цель проекта заключалась в популяризации физики и изложении достижений XX века с упором на образность и интерактивность. Каждый симулятор строится в виде диалога студента и профессора, которые объясняют физический закон или явление и предлагают пользователю провести небольшой эксперимент. К сожалению, в современных браузерах эти симуляторы не поддерживаются.
Страница симулятора Water and Friction проекта Physics-2000. Источник: факультет физики Белостокского государственного университета (Польша)
При сравнении новых симуляторов и Physics-2000 можно ясно увидеть одну из тенденций в развитии симуляторов за последние пару десятков лет — стремление к минимизации текстов. Если в этом проекте каждый материал напоминает скорее комикс или интерактивный учебник, то в современных симуляторах, как увидим далее, текст практически сведён к нулю. Объяснения даются в аудио- или видеоформате, а интерфейсы разработчики стараются сделать интуитивно понятными.
Что касается технологий, то в первых симуляторах использовался язык Java и плагин MicroWorlds Logo. Со временем компьютерная графика в браузерах становится всё более развитой, появляются программные интерфейсы типа WebGL, масштабируемая векторная графика (SVG), HTML5 canvas и т. д. Всё это открывает доступ к сложным симуляциям и позволяет делиться ими в соцсетях и встраивать в собственные сайты.
Также с самого начала была задана ещё одна тенденция — практически все симуляторы разрабатываются в области физики, химии, биологии, реже математики. Практически невозможно найти симуляторы для гуманитарных или социальных наук.
Примеры современных симуляторов
Сегодня создаётся гораздо больше симуляторов, они становятся сложнее и интерактивнее, и ниже представлен список и краткий обзор самых интересных, на наш взгляд, симуляторов.
PhET Interactive Simulations
В 2002 году в Колорадском университете в Боулдере лауреат Нобелевской премии по физике Крис Виман основал некоммерческий проект PhET (Physics Education Technology), команда которого создаёт бесплатные интерактивные симуляторы для изучения математики и естественных наук. По словам самого Вимана, «с самого начала целью PhET было стать максимально полезным инструментом и заполнить как можно больше ниш в образовании».
Сегодня команда проекта состоит из более чем 30 исследователей, инженеров и преподавателей. На сайте доступно более 170 симуляторов, разделённых на группы по предметам «Физика», «Математика и статистика», «Химия», «Биология», «Науки о Земле и космосе». При этом большинство переводится на разные языки, в том числе и на русский. Это выделяет PhET на фоне других проектов, потому что практически все остальные симуляторы доступны только на английском языке.
Помимо экранов самого симулятора каждая страница содержит ещё гайд по использованию (вкладка Teaching Resources), примеры различных заданий, варианты контрольных, лабораторных и домашних работ (вкладка Activities).
Цветоощущение
Вы когда-нибудь задумывались, как ваш глаз воспринимает разные цвета? Симулятор «Цветоощущение» (Color Vision) поможет вам узнать, какой цвет видит человек при различных сочетаниях красного, зелёного и синего света. Также с помощью цветовых фильтров вы можете понять, как меняется свет. Для моделирования предлагается два режима — одна светодиодная лампа или три лампы цветовой модели RGB. Помимо этого доступен режим отображения фотонов, в котором можно следить за рассеиванием и распределением этих частиц.
Использование симулятора «Цветоощущение». Источник: PhET. Interactive simulations
Режим ламп RGB в симуляторе. Источник: PhET. Interactive simulations
Баллистическое движение снаряда
Если вы хотели узнать, что происходит с футбольным мячом во время удара и как движется ядро, выпущенное из пушки, вам стоит воспользоваться симулятором «Баллистическое движение снаряда». Он моделирует, как каждый из параметров — начальная высота, начальный угол, начальная скорость, масса, диаметр и высота — влияет на траекторию движения объекта с учётом и без учёта сопротивления воздуха. В качестве объектов можно запустить тыкву, пушечное ядро, танковый снаряд, мяч для гольфа, бейсбольный и футбольный мячи, человека, рояль или машину. Также можно описать, как сила сопротивления влияет на скорость и ускорение или попробовать до запуска рассчитать, где приземлится объект в зависимости от заданных условий.
Запуск разных снарядов в симуляторе «Баллистическое движение снаряда». Источник: PhET. Interactive simulations
Травольтаж
Все желающие разобраться в физических законах могут изучить электростатику и электрическое напряжение в симуляторах «Травольтаж» (John Travoltage) и «Статическое электричество на воздушных шарах» (Balloons and Static Electricity). Для этого совсем необязательно разбираться в физике — симуляторы очень понятны и наглядны, поэтому, играя, вы одновременно понимаете сложные вещи. В первом симуляторе можно наэлектризовать об ковёр ногу Джона Траволты (отсюда и название: соединение английского voltage и фамилии актёра) и увидеть, как электрический заряд передаётся металлической дверной ручке.
Использование симулятора «Травольтаж». Источник: PhET. Interactive simulations
Второй симулятор моделирует известный эксперимент с воздушным шаром и свитером: когда вы трёте виртуальный шарик о свитер, часть электронов с него передаётся на шарик.
Симулятор «Статическое электричество на воздушных шарах». Источник: PhET. Interactive simulations
Biology Simulations
Симуляторы Biology Simulations LLC были созданы Джолин Паппас (Jolene Pappas), учительницей биологии из штата Огайо. Они предназначены для изучения биологии и развития навыков анализа данных. На сайте Паппас представлены готовые рабочие материалы для уроков (в разделе Blog), при этом ресурсы можно менять в зависимости от потребностей преподавателя, а также использовать для проведения исследований. Все симуляторы созданы с использованием HTML5 и JavaScript. Для создания и отображения большинства графиков используется CreateJS и plotly.js. Игры создаются с помощью Phaser 3.
Все симуляторы разделены на группы «Анатомия», «Клеточная биология», «Теория эволюции», «Экология» и «Наследственность». Также на сайте представлено несколько биологических игр.
Эволюция: 10,000
Если вас интересует вопрос, почему в ходе эволюции одни виды выжили, а другие нет, обратитесь к симулятору Evolution: 10,000, с помощью которого можно проследить эволюцию вымышленной популяции за 10 тыс. лет. После каждой тысячи лет ресурс будет сообщать о произошедших изменениях. В начале нужно выбрать общий состав фенотипов в исходной популяции, стартовую среду, общую температуру (тепло/холодно) и количество осадков (влажно/сухо), а также субстрат (камень/почва). Помимо прочего, в симулятор встроен ряд случайных компонентов, которые могут влиять на выживаемость и изменения в окружающей среде.
Так, если в качестве начального субстрата выбрать камень и во время моделирования произойдёт вулканическая активность, то со временем окружающая среда изменится на почву. Также ваш результат может измениться в зависимости от количества осадков, которые выпадают автоматически и случайно.
Выбор фенотипов в симуляторе Evolution: 10,000. Источник: Biology Simulations
Финальный экран, на котором отображаются изменения в популяции за 10 тыс. лет. Источник: Biology Simulations
Наследственность: цвет глаз и ушные раковины
Чтобы узнать, почему у вас один цвет глаз, а у вашего знакомого другой, смоделируйте наследственность в симуляторе Heredity IV: Eye Color and Pinna. Вы можете тестировать один признак за раз или оба — цвет глаз и наличие ушной раковины. В последнем случае можно смоделировать дигибридное скрещивание.
Результат скрещивания фенотипов в симуляторе Heredity IV: Eye Color and Pinna. Источник: Biology Simulations
Симуляторы проекта CK-12
CK-12 — это некоммерческая организация из Калифорнии. Большинство разработанных ею симуляторов предназначены для естественно-научного, технологического, инженерного и математического образования.
Каждый симулятор является ответом на научный вопрос, и если вы задумывались, как катится шар во время игры в боулинг или что особенного увидел Исаак Ньютон в падении яблока, то эти приложения точно для вас.
Все они организованы одинаково. Сначала пользователь смотрит небольшой озвученный ИИ анимированный ролик с объяснением темы, затем может перейти на экран симулятора. Например, в симуляторе «Ньютоновское яблоко» представлены два графика, которые показывают, как изменяется сила в зависимости от расстояния. При помощи мыши можно перетаскивать бегунок вверх или вниз, соответственно увеличивая или уменьшая расстояние по закону обратных квадратов (то есть при увеличении расстояния в два раза, сила уменьшится в четыре и т. д.) В нижней части симулятора есть два других ползунка, контролирующих расстояние от Земли до Луны и яблока.
Экран симулятора «Ньютоновское яблоко». Источник: interactives.ck12.org
Simbucket
Созданный в 2014 году проект Simbucket представляет собой библиотеку симуляторов научных явлений из области физики, химии и биологии, разработанных с использованием HTML5. Симуляторы Simbucket отличаются простой анимацией и не всегда интуитивно понятным управлением.
Но можно найти и интересные симуляторы. Так, симулятор «Строение атома» — это целый урок. В нём есть и короткая интерактивная справка по теме, и тест для проверки знаний. Основа симулятора — лупа, которую нужно навести на кончик карандаша, чтобы увидеть атомы. В финале же можно решить контрольную работу, доступную в разделе Go To The Problems.
Теория строения атома в симуляторе Simbucket. Источник: Simbucket.com
Тест на усвоение материала после чтения теории. Источник: Simbucket.com
Gizmos
Gizmos — собрание интерактивных математических и научных лабораторий и симуляторов для учащихся разных возрастов. Библиотека содержит около 550 объектов. Доступ к ним можно получить по платной подписке. При этом есть несколько симуляторов, открытых для бесплатного изучения на пять минут. Чтобы продлить доступ, предлагается создать аккаунт.
Например, если вы давно мечтали о своем метательном аппарате, то в симуляторе «Требушет» его можно сконструировать, а потом запустить снаряд в крепостную стену. При этом нужно вручную ввести каждый параметр в специальное поле в правой части симулятора. На втором экране симулятора вы сможете протестировать требушет, нажав на клавишу «Пуск». После каждого запуска демонстрируются показатели, по которым можно проанализировать свой аппарат и изменить первоначальные данные для более успешного запуска снаряда.
Экран симулятора «Требушет» для указания первоначальных параметров механизма. Источник: Gizmos
Экран тестирования и запуска снаряда в симуляторе «Требушет». Источник: Gizmos
Concord Consortium
Созданный в 1994 году Concord Consortium разрабатывает открытые образовательные ресурсы и проводит исследования по улучшению естественно-научного, математического и инженерного образования с помощью технологий. Компания создаёт симуляторы и модели, связанные с атомами и молекулами, химическими реакциями, работой с генами и ДНК, теорией эволюции, наукой о Земле и космосе и т. д. Также стоит отметить, что некоторые симуляторы на сайте компании доступны на русском языке.
Каждый инструмент не только моделирует эксперимент, но и содержит лабораторные работы, в которых можно закрепить теоретические знания. Например, с помощью симулятора «Взгляд на жидкость с точки зрения частиц» можно изучить её молекулярный состав и проследить движения атомов внутри.
Экран симулятора атомов жидкости. Источник: The Concord Consortium
Симуляторы делают науку наглядной
По словам разработчиков PhET, симуляторы не заменяют настоящую научную лабораторию, а только дополняют её и нацелены в первую очередь на концептуальное понимание предмета. Тем не менее, это не останавливает некоторых преподавателей от проведения настоящих экспериментов, как, например, в этом исследовании [2]. На базе симулятора «Модель атома водорода» учащиеся создали более масштабную компьютерную модель и провели сравнительный анализ различных сконструированных моделей.
Развивающиеся уже 20 лет интерактивные симуляторы помогают изучать науку более наглядно и формируют у учащихся представление о её природе. Это же подтверждают многие российские и зарубежные исследования. Так, исследование учёных из НИУ ВШЭ показывает, что одним из главных преимуществ симуляторов в образовании является высокая степень самостоятельности учащегося во время проведения эксперимента и формирование у него профессиональной идентификации [3]. Исследование учёных Уральского федерального университета говорит о том, что симуляторы повышают у учащихся мотивацию к изучению различных дисциплин [4]. А автор из Университета Квинсленда (Австралия) показал, что использование образовательных симуляторов способствует формированию более глубокого концептуального понимания физики у учащихся [5].
Обращаясь к симуляторам, ученик пробует себя в роли учёного, создаёт свои физические или химические модели или сравнивает результаты в зависимости от введённых изначально данных. В этом и цель разработчиков — вовлечь в интуитивно понятную игровую среду и обучить через исследования и эксперименты.
Источники
- Adams W.K., Reid S., LeMaster R. et al. A Study of Educational Simulations Part II — Interface Design [Электронный ресурс] // Journal of Interactive Learning Research. 2008. № 19(4). Pp. URL: https://www.learntechlib.org/primary/p/24364/ (дата обращения 04.12.2024).
- Clark T. M., Chamberlain J. M. Use of a PhET interactive simulation in general chemistry laboratory: Models of the hydrogen atom // Journal of Chemical Education. 2014. Vol. 91. № 8. Pp. 1198–1202.
- Дудырев Ф. Ф., Максименкова О. В. Симуляторы и тренажеры в профессиональном образовании: педагогические и технологические аспекты // Вопросы образования. 2020. №3. С. 255-276.
- Ковтонюк П. И., Столбов А. А., Новиков М. Ю. Использование цифровых образовательных игр в учебном процессе школьников // Международный научно-исследовательский журнал. 2022. № 8 (122).
- Fan X. Effectiveness of an inquiry-based learning using interactive simulations for enhancing students’ conceptual understanding in physics [Электронный ресурс] : PhD Thesis. School of Education, The University of Queensland. 2015. URL: https://espace.library.uq.edu.au/view/UQ:372336 (дата обращения 12.12.2024).
1Active essay — термин, который ввел Алан Кэй и под которым понимается более интерактивная форма взаимодействия с научным материалом, когда рядом с текстовым описанием научной концепции можно помещать анимации и симуляции.
2Эмерджентность — наличие у системы свойств, которые невозможно обнаружить у отдельных компонентов этой системы. Например, если разобрать на отдельные части портрет, то ни в одном из его элементов невозможно увидеть портрет целиком.