Компьютерный мини-планетрий для классной комнаты
КОМПЬЮТЕРНЫЙ МИНИ-ПЛАНЕТАРИЙ ДЛЯ КЛАССНОЙ КОМНАТЫ
Клыков Дмитрий Юрьевич, Кондакова Елена Владимировна, Филиппов Дмитрий Аркадьевич, Хондырев Вячеслав Константинович
Известно, что наглядность – одна из важнейших составляющих процесса преподавания астрономии. Наличие в сети Интернет большого количество качественного иллюстративного материала, а также компьютерных моделей и научно-популярных фильмов делает доступным его использования на уроках при наличии мультимедийной техники.
Предмет астрономии, возможно, единственный, который требует в ряде случаев единовременного показа большого сектора поля зрения, всего «купола» неба. Это возможно осуществить либо при помощи технологии виртуальной реальности, либо при использовании планетария. Купол планетария выгоден тем, что это модель небесной сферы, в которой может поместиться аудитория слушателей. Большинство моделей (армиллярная сфера, звездный глобус и т.д.) имеет небольшие размеры, при этом наблюдатель находится вовне. Учащийся должен представить, что он находится в центре этой модели, что также снижает наглядность (подробнее см. в [1]). В тех городах, где есть планетарий как отдельное учреждение, возможно проведение в нем одного или нескольких уроков. Некоторые планетарии даже специально разрабатывают серию лекций, призванные заменить некоторые уроки астрономии и других предметов (см. например, [2]). Возможна также установка небольших аппаратов планетария в школах, домах детского творчества, музеях. Еще с 50-х годов производством таких установок занимался Московский планетарий, данная традиция продолжается и поныне в рамках частного производства (см. рис. 2). Подобные аппараты создавали изображения звезд на подвешивающимся куполе диаметром 2-10 м. и представляли из себя глобус с отверстиями, просверленными в соответствии с расположением светил. Источником света служила лампа в центре глобуса. Угол наклона оси его вращения (оси мира) регулировался. Изображения Солнца, Луны и планет создавались дополнительными приспособлениями.
Рис. 2. Планетарий музея «Метеостанция Симбирск», г. Ульяновск
Изображения звезд были некачественными (на куполе диаметром 2,5 м. их размеры составляли до 3 см.). Но, как показал опыт эксплуатации Д.Ю. Клыковым такого аппарата в Ульяновском педагогическом государственном университете им. И.Н. Ульянова, даже простейший аппарат дает огромное преимущество в понимании понятий темы «Небесная сфера». Работа с ним ощутимо прибавляет интерес к изучению созвездий, условий видимости светил и в общем к астрономии, взращивает желание преподавать данный предмет после окончания вуза. Были поставлены лабораторные работы с использованием планетария. Также опыт показал, что крайне важно наличие купола. Это дает возможность работать не с абстрактным понятием, а с реальной моделью. Имеет смысл даже приобретение купола без аппарата планетария – светила можно показывать при помощи фонаря или осветителя теневой проекции [1, 3]
К середине текущего десятилетия в связи с распространением недорогих и мощных компьютеров и мультимедийных проекторов встал вопрос о создании компьютерного планетария. Авторы рассмотрели несколько вариантов, где данная задача была реализована по-разному.
В 2002 г. три крупнейшие фирмы Silicon Graphics, Carl Zeiss и Schneider создали аппарат с проекцией компьютерного изображения для большого купола. Первый чудо-планетарий Hayden заработал в Нью-Йорке (haydenplanetarium.org), затем столь же гигантский имитатор виртуальной реальности заработал и в Китае (Beijing Planetarium, см. [4]). Изображение создается в реальном времени рабочей станцией SGI Onyx 2 с 28 процессорами и семью визуальными подсистемами InfiniteReality 2, показывается при помощи нескольких проекторов. Возможности аппарата оказались просто чудесными! Оказалось, что при помощи компьютерной проекции можно показать все, что может нарисовать компьютер. Но приобрести такой аппаратный комплекс под силу далеко не всем городам – стоимость составляет примерно 6 млн. $.
Однако ничто в принципе не мешает проецировать изображение, нарисованное компьютером (рис. 4), на купол при помощи объектива типа «рыбий глаз» («fish-eye»). На протяжении нескольких лет авторы статьи и, независимо от них, специалисты американской фирмы Starlab и японской Goto создали программно-аппаратные комплексы подобного типа. В рамках американского проекта (www.starlab.com) создан аппарат «Digital Starlab» (рис. 5), работающий под управлением программы «Starry Night Small Dome» (модифицированный вариант известной программы «Starry Night»). Однако стоимость аппарата (48 000 $) вряд ли сделает доступным его массовое приобретение для школ и других образовательных учреждений. Аналогичный аппарат Virtuarium II SP2 создали и японцы [5].
Авторы статьи поставили задачу разработать и создать опытный образец относительно недорогого аппаратно-программного комплекса, предназначенного для массового использования в школах. Оптическая система, основу которой составляет мультимедийный проектор, разворачивает изображение, нарисованное компьютером в круге, на 180о, то есть на весь купол. Создан экспериментальный экземпляр, который проходит испытания в школе № 1903 г. Москвы со сворачивающимся полусферическим куполом диаметром 3 м., подвешенном в кабинете астрономии. Сам аппарат можно назвать переносным, по сути это доработанный компьютерный проектор. Система экологически и пожаробезопасна, защищена «от дурака», ее монтаж могут вести неспециалисты. Из недостатков можно отметить отсутствие возможности ручного поворота сферы звезд и регулировки угла широты места наблюдения, вследствие чего учащиеся не имеют возможности явно наблюдать расположение оси мира, самостоятельно осуществить поворот сферы звезд и руками почувствовать, а не только увидеть характер суточного движения светил.
Для формирования изображения для проекции применяется программа Planetarium Assistant, написанная Д.А. Филипповым. Первая версия программы позволяет показывать звезды и планеты, границы и рисунки созвездий, включать суточное движение в различной скоростью, изменять установки системы (координаты наблюдателя, предельную звездную величину и др.). Программа может использоваться в трех режимах: в ручном, когда управление сосредоточено в руках учителя, полуавтоматическом, когда учитель использует заранее созданные наборы команд – макросы, и автоматическом, когда воспроизводится заранее записанная лекция. Лекции могут быть составлены квалифицированными специалистами, их можно дополнительно копировать с сайта сопровождения, а включить воспроизведение может даже неподготовленный пользователь. По такой же системе в основном организована работа планетария Hayden в Нью-Йорке: в помещении работает только охрана и технические специалисты, включающие лекции подобно фильму в кинотеатре. «Живой» учитель или лектор, разумеется, всегда лучше, чем запись. Однако неудовлетворительный общий уровень преподавания астрономии объясняется в том числе дефицитом квалифицированных и заинтересованных учителей, отсутствием времени на подготовку к предмету, не входящему в основной цикл. Подобная технология позволит тиражировать опыт специалистов, частично компенсируя его нехватку в школах и других образовательных учреждениях.
Представляется разумным преподавание предмета астрономии не во всех школах, а лишь в некоторых, оснащенных кабинетами астрономии с планетариями. Уроки и дополнительные занятия в этих кабинетах может проводиться и для учащихся соседних школ. Этот способ, по мнению авторов, может в значительной мере решить вопрос нехватки квалифицированных кадров (поскольку лектора таких центров должны, скорее всего, преподавать только астрономию), так и вопрос нехватки учебных пособий и дидактических материалов.
Литература
- Клыков Д.Ю., Клыкова В.В., Кондакова Е.В., Ромашова Г.А. Методика преподавания темы «Видимое движение светил» в курсах астрономии для школ и педвузов // Современная астрономия и методика ее преподавания: материалы IV Всероссийской научно-практической конференции. 24-26 марта 2004. СПб., 2004. 152 с. С. 55-62.
http://www.astronet.ru/db/msg/1197730/17.html
- Петракова Н.А. Роль планетария в системе непрерывного естественнонаучного образования // Астрономия в системе современного образования: материалы II Всероссийской научно-практической конференции. 25-27 марта 1998. СПб., 1998. 145 с. С. 61-64.
- Клыков Д.Ю., Кондакова Е.В. Простейший «планетарий» из осветителя теневой проекции // «Физика в школе», 2004, № 7. С. 52-55.
- Beijing Planetarium to Install State-Of-The-Art Digital Planetarium Solution from SGI and Zeiss. http://www.silicongraphics.org/company_info/
newsroom/press_releases/2002/august/beijing.html
- Compact and Mobile Digital Planetarium System VIRTUARIUM II SP2.
