Физика в концептах информатики через NUI взаимодействие с датчиком Intel RealSense

Полнота по Тьюрингу позволяет обосновать возможность выполнения любой вычислимой функции на машине, если на этой машине можно реализовать абстрактный вычислитель - машину Тьюринга. Т.е. на одном исполнителе можно написать программу симулирующую другой исполнитель. Например, на Pascal написать интерпретатор Prolog или наоборот.

Аналогично можно с помощью системы понятий информатики описать элементы школьной физики. Похожие метафоры рассматриваются в теории концептуального смешивания (conceptual blending), которая позиционируется как теория познания. Согласно этой теории элементы различных областей смешиваются, в результате чего происходит смешение ментальных пространств в подсознании человека и более глубокое понимание их концептов.

Понятие смешивание эквивалентно понятию сопоставление. Любое дедуктивное или индуктивное умозаключение с психологической точки зрения есть умственный акт сопоставления соответствующих суждений. И.М. Сеченов определил умственное сопоставление как основной и как самый общий «элемент мысли». Сопоставление эквивалентно операции унификации в Prolog  и таким образом представлено в информатике.

Изучая физику через информатику мы подкрепляем ранее изученные концепты информатики и изучаем новые понятия физики. Междисциплинарные связи позволяют добавить в картину мира учащегося множество новых ассоциаций, закрепляющих базовые концепты информатики в их приложении к физике. Не углубляясь в теорию, рассмотрим возможность описания понятий школьного курса физики в понятиях информатики.

Наиболее очевидным способом применения знаний информатики для изучения физики является проведение вычислительного эксперимента в виде алгоритмически описанной интерактивной физической модели. В итоге развиваем алгоритмические навыки и изучаем, например, законы движения тела в гравитационном поле.

Более интересным является представление размерности системы физических величин в виде целочисленных векторов фиксированной длины. Для примера рассмотрим механику. В этом случае достаточно использовать трехмерные векторы. Компоненты вектора, определяющего размерность единицы измерения, будут отвечать за показатель степени времени, расстояния и массы – (t,h,m). В таком представлении масса имеет размерность обозначаемую вектором (0,0,1), время (1,0,0), площадь (0,2,0), скорость (-1,1,0), сила (-2,1,1), работа/энергия (-2,2,1), мощность (-3,2,1) и т.д.

Теперь можно написать программу проверки корректности формул физики (с точностью до констант!). Например, кинетическая энергия E = m*V^2/2:

(0,0,1)+(-1,1,0)*2 = (-2,2,1) => получили размерность энергии.

Более сложный вариант программы может сгенерировать нам все соотношения физических величин. Причем, компоненты формулы легко переносятся в левую часть путем изменения знака степени компоненты.

Таким образом, учащийся изучает переборный алгоритм и познает целостность системы единиц и физических законов.

Мы использовали данный подход для реализации тренажера решения физических задач и сделали прототип интерфейса с использованием NUI (Natural User Interface). Основной интерфейс реализуется через мультитач и позволяет манипулировать формулами и физическими величинами на мобильных устройствах или интерактивной классной доске.

Расширенное управление тренажером с помощью технологии Intel RealSense позволяет получить новый опыт взаимодействия ученика с моделью решаемой задачи (User Experience).

Голосовой ввод обеспечивает быстрый доступ к физическим законам, справочнику констант, а жестовое управление дает возможность пользователю манипулировать формулами физических законов, входящим в них физических величин, а также значениями физических величин заданных в условии задачи.

Рассмотренный выше способ представления размерностей физических величин позволяет выявлять множество ошибок ученика в процессе решения физической задачи, а также проверять корректность приведения единиц измерения к СИ.