Механическая Вселенная -The Mechanical Universe

Механическая Вселенная
Механическая Вселенная
Жанр	Образовательные
Создано	Дэвид Гудштейн
В главной роли	Дэвид Гудштейн
Передал	Аарон Флетчер, Салли Битти
Композитор музыкальной темы	Шэрон Смит, Херб Джиммерсон
Страна происхождения	Соединенные Штаты
Исходный язык	английский
Кол- во сезонов	1
Кол- во серий	52
Производство
Исполнительный продюсер	Салли Бити
Режиссер	Питер Буффа
Настройка камеры	Пэт Аллен
Продолжительность	30 минут
Релиз
Исходная сеть	PBS
Формат изображения	NTSC
Оригинальный выпуск	1985 - 1986;
Хронология
Связанные шоу	Проектная математика!
Внешние ссылки
	Веб-сайт

«Механическая вселенная ... и дальше» - это телекурс из 52 частей, снятый в Калифорнийском технологическом институте , который знакомит с физикой университетского уровня, охватывая темы от Коперника до квантовой механики . Серия 1985-86 была произведена Caltech и INTELECOM, некоммерческим консорциумом общественных колледжей Калифорнии,ныне известным как Intelecom Learning , при финансовой поддержке Annenberg / CPB .

Обзор

В видеороликах, снятых с 1982 года, широко используются исторические драматизации и наглядные пособия для объяснения концепций физики. Последние были в то время самыми современными и включали почти восемь часов компьютерной анимации, созданной пионером компьютерной графики Джимом Блинном . Каждый эпизод открывается и завершается фрагментами книжной обложки, в которых профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Гудстейн , выступая в лекционном зале, дает объяснения, «которые невозможно вложить в уста нашего приветливого безликого рассказчика». По прошествии более четверти века серию по-прежнему часто используют в качестве дополнительного учебного пособия для ясного объяснения фундаментальных понятий, таких как специальная теория относительности .

Сегменты подставки для книг с участием Гудстайна представляли собой специально поставленные версии настоящих лекций по физике для первокурсников из курсов Калифорнийского технологического института Physics 1a и 1b. Организация и выбор тем, на которые следует обратить внимание в телешоу, отражают недавний пересмотр вводной учебной программы по физике Калифорнийского технологического института, первый полный пересмотр после той, которая была представлена лекциями Фейнмана по физике почти два десятилетия назад. В то время как Фейнман обычно искал современные примеры тем, более поздний пересмотр учебной программы привел к более исторической направленности:

По сути, предыдущий курс Фейнмана стремился сделать физику увлекательной, связав каждый предмет, где это возможно, с современными научными проблемами. Новый курс взял противоположный курс, пытаясь воссоздать историческое волнение первоначального открытия. Например, классическая механика - заведомо сложный и скучный предмет для студентов - рассматривается как открытие «нашего места во Вселенной». Соответственно, небесная механика составляет основу предмета, а ее кульминация - решение Ньютоном проблемы Кеплера .

Детали производства

Помещение, показанное в сегментах подставки для книг, - это лекционный зал Моста в Калтехе. Многие статисты были учениками других школ, и передние ряды лекционного зала были намеренно заполнены большим количеством женщин, чем обычно можно было бы увидеть на лекциях в Калтехе. Команда телепродюсеров добавила в лекционный зал фальшивые деревянные панели, чтобы он больше напоминал то, что было в шоу «Погоня за бумагой» . Позже физический факультет Калифорнийского технологического института был впечатлен результатом постоянной установки панелей. Многие сиденья в лекционном зале пришлось убрать, чтобы освободить место для трека камеры и студийного освещения. Чтобы скрыть это, позже были сняты дополнительные кадры реакции всего лекционного зала, так что при редактировании можно было создать иллюзию полной аудитории . На большей части видеозаписи самого Гудстайна присутствовали только два ряда студентов.

Многие другие видеофрагменты были сняты на месте, например, на промышленном предприятии Linde , производившем жидкий воздух . Исторические сцены часто делались общими, чтобы облегчить их повторное использование в нескольких эпизодах: «Молодой Ньютон гуляет по яблоневому саду, старый Ньютон раздраженно отказывается от чашки чая от слуги и так далее». Кадры с исторической реконструкцией Иоганна Кеплера были приобретены из телесериала Карла Сагана 1980 года « Космос: личное путешествие» .

Изначально планировалось, что сериал будет состоять из 26 серий. Позже это было расширено до 60 эпизодов, а затем их количество сократилось до 52 из соображений бюджета и графика производства.

Шоу предназначалось для того, чтобы не требовать предыдущего опыта в области математического анализа . Вместо этого основы дифференциального и интегрального исчисления будут изучаться в начале самой серии. Математик из Калифорнийского технологического института Том М. Апостол присоединился к производственному персоналу « Механической Вселенной» , чтобы гарантировать, что серия не ставит под угрозу качество представленной математики. Впервые увидев пример компьютерной анимации Блинна, Апостол убедился, что эта серия может оживить математику «так, как это невозможно сделать в учебнике или на классной доске». Когда тестовые показы для студентов- гуманитариев показали, что их самая большая трудность в изучении математического анализа - это слабый опыт в тригонометрии , Апостол написал учебник по этому предмету, который будет распространен с телекурсом. Посоветовав продюсировать «Механическую вселенную» , Апостол решил, что подобный сериал, ориентированный на математику средней школы, будет полезен. Это стало более поздней серией проектов математики Калифорнийского технологического института! , в котором также использовалась компьютерная анимация Блинна. Некоторые анимации Блинна для «Механической вселенной» были повторно использованы в новой серии, чтобы проиллюстрировать приложения алгебры, геометрии и тригонометрии.

В научно-фантастическом боевике 1990 года « Вспомнить все» использовались отрывки из заглавной части « Механическая вселенная» в сцене, где главному герою (Дугласу Куэйду в исполнении Арнольда Шварценеггера ) предлагается виртуальный отпуск в окрестностях Солнечной системы . Анимация была использована без лицензии, и , следовательно, Калифорнийский технологический институт и Intelecom иска Carolco Pictures за $ 3 миллиона людей .

Чтобы представить подробные выводы математических уравнений, в шоу использовалась техника, которую его создатели назвали «алгебраический балет». Компьютерная анимация представляла производные в пошаговых деталях, но быстро и с легкими нотками прихоти, например, с отменой алгебраических терминов топающей ногой в стиле Монти Пайтона или рукой Бога из « Сотворения Адама» Микеланджело . Блинн чувствовал, что Cosmos воспринял себя «слишком серьезно», и поэтому стремился включить больше юмора в анимацию Механической Вселенной . Цель состояла в том, чтобы не допустить, чтобы "мозги зрителей гудели в 60 циклов ", не жертвуя строгостью; создатели хотели, чтобы студенты могли изучить общую суть каждого производного от анимации, а затем изучить детали, используя прилагаемый учебник. Компьютерная анимация также использовалась для изображения идеализации физических систем, таких как симулированные бильярдные шары, иллюстрирующие законы движения Ньютона. (Блинн ранее использовал то же программное обеспечение для визуализации взаимодействия ДНК и ДНК-полимеразы для Cosmos .) Один из комментаторов счел эти анимации «особенно полезными для предоставления студентам субъективного понимания динамических трехмерных явлений, таких как магнитные поля ».

Создание компьютерной графики, необходимой для визуализации концепций физики, побудило Блинна изобрести новые методы моделирования облаков, а также виртуальные «объекты-пятна», известные как метабалы . Блинн использовал координаты вершин правильных икосаэдров и додекаэдров, чтобы определить расположение силовых линий электрического поля, исходящих от точечных зарядов.

Большую часть повествования озвучил актер Аарон Флетчер, который также играл Галилео Галилея в исторических отрывках. Некоторые части, такие как объяснения конкретных технических деталей, были озвучены Салли Бити, исполнительным продюсером шоу .

Укороченные версии эпизодов « Механической вселенной» , продолжительностью от 10 до 20 минут, были созданы для использования в средних школах . Эта адаптация, консультантами которой были десятки школьных учителей и администраторов, была поддержана грантом в 650 000 долларов от Национального научного фонда . Эти видеоролики распространялись вместе с дополнительными письменными материалами для учителей и предназначались для использования вместе с существующими учебниками. Позднее Yorkshire Television выпустили версию, переупакованную для аудитории Соединенного Королевства, которая вышла в апреле 1991 года.

Финансирование

Анненберг / CPB предоставил финансирование для производства «Механической Вселенной» . Шоу было одним из первых двенадцати проектов, финансируемых за счет первоначального обещания в размере 90 миллионов долларов, которое Фонд Анненберга дал Корпорации общественного вещания в начале 1980-х годов. Общая стоимость проекта составила около 10 миллионов долларов.

Критический прием

Первые ответы

PBS и Learning Channel начали транслировать «Механическую вселенную» в сентябре 1985 года. Осенью 1986 года примерно 100 станций PBS транслировали «Механическую вселенную», а к осени 1987 года более 600 высших учебных заведений приобрели ее или лицензировали эпизоды для использовать. 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 решения». Он заметил, что подробные данные о количестве зрителей получить сложно, но когда шоу транслировалось в Майами в субботу утром, продюсеры смогли получить рейтинги Nielsen .

Фактически, он занял второе место в своем временном интервале, обойдя детские мультфильмы на двух сетевых станциях. Только в округе Дейд насчитывалось 18 000 верных основных домашних хозяйств , средний возраст зрителей составлял 18 лет, а половину составляли женщины. Однако мы редко получаем такую подробную информацию.

Гудштейн и помощник директора проекта Ричард Оленик отметили:

Анекдотическая информация в виде писем и телефонных звонков свидетельствует об очень значительном энтузиазме среди пользователей на всех уровнях, от случайных зрителей до старшеклассников и профессоров исследовательских университетов, но также был ряд резких разочарований, особенно когда администраторы учебного телевидения пытались работать с TMU как с обычным телекурсом.

Аналогичным образом, обзор 1988 года в Physics Today предположил, что программы не будут хорошо работать сами по себе в качестве телекурса, но будут работать намного лучше в качестве дополнения к традиционным классным комнатам или более стандартным курсам дистанционного обучения, таким как Открытый университет . Рецензенты также сочли «алгебраический балет» компьютерно-анимированных уравнений слишком быстрым, чтобы следовать ему: «Спустя короткое время человек тоскует по живому профессору, заполняющему доску уравнениями». Точно так же в обзоре в American Journal of Physics , хвалящем «техническое мастерство фильмов», говорится о манипуляциях с анимированными уравнениями: «Как говорят студенты Массачусетского технологического института , это похоже на попытку выпить воды из огня. шланг". Гораздо более восторженный отзыв дал физик Чарльз Х. Холброу , который сказал Оленику: «Эти материалы будут составлять основной визуальный образ физики на десятилетия». Гудштейн и Оленик сообщили, что молодые зрители, как правило, наслаждались стилем «алгебраического балета» «гораздо больше, чем зрители старшего возраста, которые испытывают дискомфорт из-за алгебраических манипуляций, которым они не могут полностью следовать».

Использование в классе

В 1986 году «Механическая вселенная» была использована как часть летней программы для одаренных детей , и это принесло всеобщий успех.

В исследовании 1987 года, проведенном в Университете Индианы в Блумингтоне, использовались 14 эпизодов Механической Вселенной как часть вводного курса по механике Ньютона, с в целом положительными результатами:

Эти ленты были особенно эффективны при рассмотрении механики Ньютона в исторической перспективе; драматизация исторического ниспровержения аристотелевских и средневековых идей; иллюстрируя разнообразный характер ученых и научных усилий; стимулирование интереса и энтузиазма студентов; и с помощью отличной анимации, иллюстрирующей временное измерение определенных концепций механики. Сопутствующий текст [...] был помещен в библиотечный резерв для курса, но не получил широкого распространения среди студентов.

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, когда научно-исторический материал отделялся от содержания, рассматриваемого как «критическая инструкция по подготовке к экзамену». Следователь вспоминал,

[Некоторые] ученики, думая, что видеозаписи не будут покрыты тестами, направились к дверям, когда погас свет! Чтобы противостоять этой тенденции, я начал использовать несколько тестовых вопросов, основанных на исторических или литературных деталях, обсуждаемых в видеозаписях. Некоторые ученики возмутились: «Что это, урок поэзии?»

Использование классной комнаты продолжалось в 1990-е годы. Программа обучения меньшинств в Калифорнийском университете в Беркли использовала сегменты эпизодов « Механической Вселенной» (на LaserDisc ) как часть групповых обсуждений. В обзоре сериала 1993 года историк науки заявил, что он использовал эпизоды в своих классах в течение нескольких лет, назвав «Три закона Кеплера» и «Эксперимент Майкельсона-Морли» своими личными фаворитами.

Изюминкой фильма Кеплера является сегмент, в котором нам показывают изящную графическую реализацию того, как Кеплер на самом деле вычислил, что орбиты планет имеют эллиптическую форму, а не круговую. Абсолютная сложность проблемы, с которой он столкнулся, и изящество метода, который он применил для ее решения, совершенно очевидны. Я не могу представить лучшего способа представить это великолепное открытие, которое легко может показаться таким тривиальным.

Колонка 2005 года в «Учителе физики» предложила «Механическую Вселенную» в качестве подготовительного просмотра для преподавателей, впервые пытающихся преподавать физику. Учитель физики также рекомендовал эту серию «в качестве обогащения или макияжа для учеников с высокими способностями». В статье для веб-сайта журнала Wired Ретт Аллен привел серию в качестве примера видеороликов, которые могут заменить некоторые функции традиционных лекций.

Награды

В 1987 году фильм «Преобразование Лоренца» (серия 42) был удостоен шестнадцатой ежегодной премии Японии в области образовательного телевидения. Среди других наград, полученных «Механическая вселенная», - Золотая награда Бирмингемского международного кинофестиваля 1986 года, две награды «Синди» от Международной ассоциации аудиовизуальных коммуникаторов (1987 и 1988), золотая награда (1985) и серебряная награда (1987). ) на Международном кинофестивале в Нью-Йорке, Серебряная (1986) и Золотая (1987) награды Национального фестиваля образовательных фильмов и видео и Золотая доска (1985) на Чикагском международном кинофестивале.

Гудштейн получил в 1999 г. медаль Эрстеда за работу в области физического образования, в том числе «Механическая Вселенная» . За его вклад в область компьютерной графики, включая его анимацию для Cosmos , The Mechanical Universe и Project Mathematics! Блинн получил стипендию Макартура в 1991 году, а также премию Стивена А. Куна в 1999 году .

Изображение обрушения моста через пролив Такома

Как и во многих вводных текстах по физике, «Механическая вселенная» цитирует впечатляющее обрушение Такомского моста через пролив в 1940 году в качестве примера резонанса , используя кадры катастрофы в эпизоде «Резонанс». Однако, как подчеркивалось в более поздних экспозициях, катастрофические колебания, разрушившие мост, были вызваны не простым механическим резонансом, а более сложным взаимодействием между мостом и ветрами, проходящими через него - феноменом, известным как аэроупругое колебание . Это явление представляет собой своего рода «самоподдерживающуюся вибрацию», выходящую за рамки режима применимости линейной теории простого гармонического осциллятора с внешним управлением .

Список серий

В вступительной последовательности, используемой для первых 26 эпизодов, сериал назван «Механическая вселенная» , а последние 26 эпизодов - «Механическая вселенная ... и далее» . Причину добавления Гудштейн объясняет в заключительной лекции заключительного эпизода:

Во время первой научной революции споры по поводу толкования человеческого или божественного авторитета были заменены наблюдением, измерением, проверкой гипотез, и все это с мощной помощью количественных математических рассуждений. И результатом всего этого была механическая вселенная, вселенная, которая неумолимо определяла свою судьбу в соответствии с точными, предсказуемыми, механическими законами. Сегодня мы больше не верим в эту вселенную. Если я знаю точное положение какой-либо частицы в какой-то момент времени, я не могу иметь никакого представления о том, куда она движется и с какой скоростью. И совсем не будет никакой разницы, если вы скажете: «Хорошо, вы не знаете, куда он идет, но куда он идет на самом деле ?» Это как раз тот вопрос, который не имеет научного смысла. Такова природа мира, в котором мы живем. Это квантово-механическая вселенная.

Сериал можно приобрести в Caltech или транслировать из онлайн-источников видео, включая официальный канал Caltech на YouTube . Калтех также разместил на YouTube серию коротких видеороликов, снятых Блинном для демонстрации компьютерной анимации шоу на конференциях SIGGRAPH .