Смена приоритетов: виртуальное техническое творчество
Все описанные формы технического творчества существуют и по сей день, хотя и менее ярко, менее востребовано среди школьников и их родителей.
Этому есть несколько причин.
Смена социального уклада6
Государственный капитализм с развитой сферой социального обеспечения, именуемый «советским строем», мог выстроить иерархическую систему отбора будущих перспективных рабочих и инженеров, мотивируя школьников не столько экономически, сколько чувством причастности к созданию лучшего будущего.
Экономический надлом советской модели, приведший сперва к формированию экономики «натурального обмена», а затем к формированию экономики с отчётливо выделенными секторами добывающей и перерабатывающей промышленности и сферы услуг, поставил под вопрос необходимость инженерной и технической грамотности как массового качества.
Поэтому в дополнительном образовании становятся более востребованы качества, связанные с социальной мобильностью, личностной гибкостью и адаптивностью, способностью к соорганизации независимо от предмета совместной деятельности — и, наоборот, качества, связанные с умением понимать ситуацию, строить модель, обнаруживать смысл, определять себя в мире и в своём социальном окружении.
Качества, которые традиционно связываются с гуманитарным образованием — языковым, психологическим (массовая мода на тренинги), культурологическим, религиозным, философским (потребность в смысле и определении себя в координатах смысла).
Смена технологического уклада.
Независимо от мифологемы «пост-индустриального общества», родившейся в странах первой волны индустриализации как неадекватное отражение переноса всех сложных производств в страны догоняющего развития с сохранением прежних центров управления, можно зафиксировать:
1. Классический индустриальный уклад сменяется «когнитивным»: доля в эксплуатационных характеристиках современных технических устройств (не только информационных в традиционном смысле, таких, как телевизор, телефон, компьютер), но и унаследованных из прежних укладов (автомобиль, самолёт) «информационной» составляющей непрерывно возрастает.
2. Разработчик превращается из создателя машин и механизмов в создателя «умной» начинки этих машин и механизмов (начиная от аналоговых адаптивных систем и заканчивая — ли? — программами чипов, встроенных едва ли не в любое современное устройство). В ведущих отраслях машиностроения обнаруживается, что технические решения не обновляются десятилетиями, в то время как информационные решения обновляются непрерывно.
Поэтому разработчик должен владеть не столько классическими инженерными дисциплинами, сколько технической информатикой и соответствующей математикой, никак не связанной с математикой, преподаваемой в школе (прежде всего, математической логикой).
3. Даже в развитой индустриальной фазе инфраструктуры играли вспомогательную роль (за небольшими исключениями, они представляли собой статичные инженерные решения, которыми пользователь мог распоряжаться по своему усмотрению: классический пример — автобаны). Наличие диспетчеров на железных дорогах и на авиатрассах было связано, скорее, с наличием «узких мест» в инфраструктуре.
Сейчас именно диспетчер (в отличие от «оператора», «машиниста») становится ключевой фигурой в обеспечении совместного использования инфраструктур. Одновременно принципиально важной становится разработка инфраструктур (а не единиц техники) с заведомой оптимизацией «узких мест».
Как разработчик, так и диспетчер должны владеть законами природы, определяющими ограничения отдельных технических устройств; но точно также они должны владеть такими областями математики, как исследование операций и теория оптимизации.
Существующая система технического творчества школьников весьма слабо отвечает на эти вызовы (как, впрочем, и система школьного образования в целом).
Переход в виртуальность
С переходом на цифровые технологии обнаружилось, что легче «сосчитать», чем сделать. Хотя бы потому, что любое вычисление требует одного типа устройства, желательно с быстрым процессором, хорошим монитором и принтером, в то время как изготовление чего бы то ни было в материале требует издержек на каждую деталь.
Отсюда — попытка предложить вместо традиционного технического творчества, связанного с выполнением результата «в материале», к техническому творчеству цифровому, результат которого существует в виде модели на экране.
Напомним, что модель может быть не только натуральным, но и символическим подобием прототипа. То есть — в наиболее развитой форме это математическая модель — описывает не столько натурально наблюдаемые особенности прототипа, сколько описываемые (желательно в математических формулах, как минимум, в логических и структурных зависимостях) основные принципы и закономерности его поведения.
Математические модели в науке и в инженерных разработках применяются либо тогда, когда натуральная модель не может быть построена в принципе, либо тогда, когда нужно с минимальными издержками проанализировать возможные сценарии поведения прототипа.
Классикой является математическая модель планетного движения, построенная Кеплером и Ньютоном и развитая математиками и астрономами XVIII-XIX веков. Такие наглядные изображения планетного движения, как теллурий и планетарий, возможны лишь постольку, поскольку основные закономерности уже описаны математически.
Отметим, что все расчёты возможных моделей космического полёта (начиная с Циолковского) были выполнены заведомо до запуска первого спутника.
То, что математические модели не наглядны, требуют значительной культуры математического рассуждения и одновременно математического воображения, в значительной степени не позволяло использовать их в кружках технического творчества, в особенности для подростков. В самом деле, куда проще (нагляднее) создать макет космического корабля будущего, чем описать возможную модель его полёта.
Цифровые технологии (не столько технологии расчётов, все необходимые расчёты в истории инженерных практик выполнялись на логарифмических линейках, арифмометрах, потом — на настольных калькуляторах, сколько технологии визуализации) позволяют преодолеть этот барьер и снять противоречие между символической и натуральной моделью.7
Рассмотрим наиболее интересные направления.
Виртуальная инженерия.
Позволяет описывать, моделировать, визуализировать наиболее интересные перспективные сценарии развития технических устройств.
В том числе устройств, с которыми современный школьник не может столкнуться в принципе и которые представляют собой передний край развития современных инженерно-технических дисциплин:
— устройств на альтернативных источниках энергии (как и самой альтернативной энергетики в целом);
— устройств, предназначенных для эксплуатации в экстремальных средах — в космосе, под водой, в условиях высокой радиации;
— миниатюрных устройств, таких, как роботы, предназначенные для починки кровеносных сосудов и доставки лекарства к конкретному поражённому органу.
По аналогии с натуральными моделями, роль «законов природы», которые являют себя непосредственно в модели, выполненной в материале, в виртуальной модели играют сложные, тщательно математически проработанные уравнения динамики, школьнику, в основном, не явленные.
Его задача — задать основные параметры устройства и схемы управления. А затем посмотреть, что получится, сделать качественный вывод в случае неудачи и продумать другой вариант параметров и схем управления.
Виртуальные симуляторы.
В отличие от виртуальной инженерии, виртуальный симулятор позволяет проанализировать возможные параметры и схемы управления конкретного (в том числе и невозможного в реальности) технического устройства.
Исторически виртуальные симуляторы имели слабое отношение к образованию (за исключением тренажёров, применявшихся при профессиональной подготовке). В зависимости от технического решения, это были либо видеоигры с предельной степенью условности, либо игровые модели реальных процессов с минималистическим текстовым интерфейсом, подразумевавшим непосредственный ввод цифровых параметров управления.
По мере развития элементной базы вычислительных устройств (в том числе возможностей реалистического динамического моделирования и реалистической визуализации), подобные симуляторы стали использоваться как полноценные замены действительности для тех, кто «не воевал, не плавал, не летал».
Вплоть до того, что в педагогике, педагогической психологии и медицине возникло и стало массовым опасение, что подростки уйдут в виртуальную реальность и не вернутся оттуда.
Независимо от опасений, подобные виртуальные симуляторы позволяют:
— изучить режимы управления различными устройствами до того, как скорость реакции оператора станет критичной (в реальной ситуации);
— изучить эволюцию технических устройств одного класса и режимов управления ими, что позволяет лучше понять современные технологические решения и перспективы их развития (например, «пройти» все самолёты от первых аэропланов до современных истребителей и аэробусов, перед тем, как сесть за штурвал);
— научиться различать фатальные и не фатальные ошибки в управлении, а так же фатальные и не фатальные сбои в оборудовании.
Всё это в совокупности позволяет сформировать интуицию «оператора» до того, как этой интуиции что-либо будет зависеть критически.
Отметим один побочный эффект таких виртуальных тренажёров. Практика введения «дронов»8 в вооружённых силах различных стран показала, что подростки, увлекающиеся играми-авиасимуляторами, учатся эффективному управлению такими устройствами значительно быстрее, чем профессиональные пилоты.
Можно предполагать, что с появлением в современных технических системах дистанционных схем управления (с максимально реалистической визуализацией) именно те, кто увлекался в подростковом возрасте виртуальными имитаторами, будут максимально эффективны.
Виртуальные конструкторы
Основной принцип виртуального конструктора — создание системы, умеющей «вести себя» определённым образом, из стандартного набора деталей, каждая из которых обладает своими правилами поведения.
В простейшем случае — это конструирование схемы поведения простого устройства с заданным набором правил, на основе заданных правил конструирования сложных схем поведения.
В целом это определение совпадает с общими принципами программирования цифровых систем. Но при использовании таких систем в обучении — поскольку принцип наглядности, по очевидным причинам, не отменяется — необходимо, чтобы каждый шаг жизни устройства не только представлял собой изменение состояния регистров данных, внутренней и внешней памяти, а и отражался во внешнем поведении. Говоря метафорически, оставлял след во внешнем мире.
Первым виртуальным конструктором была, видимо, «черепашка-ЛОГО»9. В концепции ЛОГО метафора «следа во внешнем мире» воплощена буквально: перемещаясь, «черепашка» может рисовать.
Исходные команды — поднять перо; опустить перо; двигаться (с указанием шагов движения); повернуть (с указанием градусов поворота). Далее, конечно, возможны более сложные команды, характерные для всех языков программирования, в том числе вычислять значения для количества шагов и углов поворота.
Первая модель представляла собой материальную «черепашку», с которой дети могли возиться, задавать программу переключателями под её панцирем, отправлять в свободное плавание.
В дальнейшем, с развитием визуальных сред, «черепашка» стала виртуальной. Благодаря ей школьники, конструируя разные последовательности команд, могут не только рисовать узоры и орнаменты произвольной сложности. Возможность вычислять параметры рисования позволяет имитировать сложные физические, химические, экономические процессы, превращая описания графиков основных параметров в команды рисования для «черепашки».
Возможность задавать отдельные параметры поведения для каждого фрагмента — вместе с прогрессом микроэлектроники — привела к появлению «сборных» роботов, построенных по принципу ЛЕГО — каждая деталь имеет свои параметры, свои узлы стыковки.
Экспериментируя с ЛЕГО–роботами, заставляя их решать практические задачи, школьник получает возможность не только осваивать не только азы программирования, но и основы физики.
В отличие от виртуальных, ЛЕГО–роботы действуют в реальном физическом мире, с его заведомо данной инерцией, силой тяжести, сопротивлением материала. Двигатель робота развивает определённую (и ограниченную базовыми параметрами) мощность, аккумулятор может обеспечить работу двигателя с заданной мощностью в течение определённого срока.
Решая задачу управления таким роботом, будущий инженер или программист должны учитывать одновременно логические и физические характеристики движения, будущий рабочий–сборщик — характеристики узлов и их соединений.
Более того, ЛЕГО–роботы позволяют чётко обозначить два различных вектора современных инженерных технологий:
— разработка, создание, программирование отдельных узлов (модулей), как специализированных, так и универсальных;
— «сборка» устройств под конкретные задачи из отдельных узлов, с учётом того, что после выполнения задачи те же узлы могут включиться в конструкцию совсем другого устройства.
|
