Имея всего лишь iPad, учащиеся в любом классе по всему миру вскоре смогут переосмыслить обычные диаграммы в любом учебнике физики, превратив эти статичные изображения в 3D—симуляции, которые бегут, прыгают или вращаются по странице.
Эти новые, живые учебники - детище команды компьютерщиков под руководством Рио Сузуки из Университета Колорадо в Боулдере. Исследование опубликовано в рамках материалов 37-го ежегодного симпозиума ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса.
"Обычно эти диаграммы фиксированы. Мы должны представить, что происходит", - говорит Сузуки, доцент Института ATLAS и кафедры компьютерных наук. "Но что, если бы мы могли взять любую статическую диаграмму из любого учебника и сделать ее интерактивной?"
Недавно он и его коллеги получили награду "За лучший доклад" за свою работу на 37-м ежегодном симпозиуме ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса, который состоялся в октябре этого года в Питтсбурге.
Представьте себе это: вы открываете свой школьный учебник физики и видите рисунок лыжника, балансирующего на вершине трамплина. Предполагается, что диаграмма поможет вам разобраться в таких темах, как кинетическая энергия, например, энергия лыжника, спускающегося с холма. Но лыжник на самом деле никогда не двигается. Он просто сидит там. До сих пор.
Для нового исследования команда Suzuki разработала инструмент, который позволяет студентам записывать эту диаграмму на свои iPad. Затем, после того как пользователи изменят некоторые настройки, инструмент использует искусственный интеллект, чтобы заставить лыжника двигаться по экрану. Он съезжает с горки, делает прыжок и взлетает. Это также научно обосновано: учащиеся могут регулировать трение снега, заставляя своего лыжника двигаться быстрее или медленнее несколькими движениями.
Сузуки рассматривает этот проект как шанс переосмыслить учебник, предоставив учащимся возможность не просто читать о физике, но и увидеть в действии такие темы, как импульс и электрические токи.
"Мы считаем, что будущее образования и обучения должно быть более интерактивным и персонализированным", - сказал Сузуки, который начинал проект в качестве исследователя в Университете Калгари в Канаде.
Адитья Гунтуру, первый автор исследования, вспоминает свои собственные дни, когда он изучал физику. В старших классах он часто сидел на уроке естествознания и думал, что должен быть лучший способ визуализировать темы, чтобы передать движение.
"Я был так расстроен", - сказал Гунтуру, студент магистратуры по компьютерным наукам в Университете Калгари. "Я хотел наглядно представить эти концепции".
Он не одинок: мать Гунтуру работает учителем биологии в Индии и часто рисует на доске, чтобы показать ученикам, например, как делятся клетки — явление, которое учебники могут запечатлеть только на снимках.
Изобретение команды, дополненная физика, могло бы помочь.
Инструмент основан на модели Segment Anything от технологической компании Meta. Это инструмент компьютерной визуализации, который позволяет пользователям щелкать по фотографии, чтобы выделить определенные объекты — собаку или, возможно, лицо. Аналогичным образом, с помощью дополненной физики учащиеся и преподаватели выбирают различные объекты на диаграмме, такие как лыжник и трамплин, и назначают им роли. Затем искусственный интеллект применяет некоторые базовые физические данные, такие как сила тяжести, чтобы заставить эти объекты двигаться.
Это также работает для нескольких различных типов диаграмм. Они включают в себя оптические схемы, чтобы учащиеся могли смоделировать, например, как призма преломляет солнечный свет, и электрические схемы, чтобы они могли видеть, как по проводам течет ток. Завершая цикл, исследователи протестировали свой инструмент на некоторых из тех же диаграмм, что и в учебнике физики Gunturu, опубликованном много лет назад.
Помимо физики
Команда также разработала свой продукт с учетом отзывов реальных студентов, изучающих физику, и преподавателей естественных наук. Один преподаватель был впечатлен способностью этого инструмента помогать учащимся проводить свои "собственные маленькие эксперименты".
Сузуки отметил, что этот инструмент еще не совершенен. Пока что он может превратить совершенно новую диаграмму в эффективное моделирование только в 60% случаев. Но команда работает над повышением этих показателей.
В конечном счете, исследователь и его коллеги хотели бы выйти за рамки физики и использовать подобную технологию для преобразования любой диаграммы в любом документе в яркий трехмерный мир, в который студенты могут окунуться с помощью очков дополненной реальности.
"Это наша цель — перейти от статичного 2D к интерактивному 3D миру", - сказал Сузуки.
Мама Гунтуру, тем временем, не может дождаться, когда он разработает инструмент, который будет использоваться в учебниках по биологии.
