В рамках спецкурса под руководством ученых старшеклассники Экономического лицея собирают различные физические установки, пишут программы и создают компьютерные модели.
На протяжении почти 20 лет старший научный сотрудник Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН кандидат физико-математических наук Василий Александрович Дедок ведет в Экономическом лицее факультатив «Научно-проектная деятельность» для учеников старших классов. Ребята занимаются поиском, разбором и анализом научных идей, а также пытаются самостоятельно реализовать их на практике. «В течение года мы ищем интересные темы, например в книгах или научных журналах, а потом в рамках этой темы делаем какой-то проект. Изначально ученики занимались в основном теоретическими научными разработками в области математики, физики, хотя часто эти теоретические работы находили воплощение в рамках какой-то компьютерной программы. Тогда получалась целая компьютерная лаборатория, в которой можно было изучать какое-либо явление. А лет пять назад создаваемые лаборатории стали воплощаться в виде физических предметов. То есть результат можно уже не только представить на бумаге, в голове или компьютере — его можно потрогать руками, воспользоваться для решения какой-то конкретной задачи, — говорит Василий Дедок. — Весь курс обычно веду я один, но иногда подключаются и другие преподаватели. Обычно это физики, а вот в прошлом учебном году два проекта изначально были по математике и информатике, к которым мы впоследствии подключили учителя биологии, и они превратились в междисциплинарные, связанные с медициной и биоинформатикой. Современные технологии и инструменты предоставляют огромные возможности. Если в 2003 году нашему лицеисту, Дмитрию Скоблякову, в его проекте по диагностике предынфарктных состояний требовалось снятие ЭКГ на кардиографе, сканирование и распознавание кардиограммы с бумажного носителя, то 15 лет спустя все эти операции могут выполняться недорогим датчиком и микроконтроллером размером со спичечный коробок. И большую часть комплектующих можно в любой момент купить в ближайшем магазине радиодеталей без каких-либо ожиданий».
Модель смарт-очков, разработанная Дмитрием Григоренко и Дмитрием Кузевановым
В течение года Василий Дедок совместно с руководством лицея планирует создать музей научно-технического творчества в стенах учреждения. Там будут собраны и представлены в виде стендов все сделанные руками старшеклассников установки. Эти модели действующие, ими можно воспользоваться. За всё время существования «Научно-проектной деятельности» таких изобретений накопилось достаточно много, несколько десятков. «Василий Александрович тоже наш выпускник. Он полностью посвящает себя этой работе. Благодаря ему дети, которые посещали курс, даже поменяли направление своей профессиональной области, когда выбирали вуз для поступления», — комментирует заместитель директора МБОУ ЭКЛ Елена Сергеевна Бондаренко.
В работе над проектом есть и спортивная составляющая. Ребята участвуют в различных конкурсах и конференциях, где представляют свои проекты и соревнуются между собой: в первую очередь это Городская открытая научно-практическая конференция Новосибирского научного общества учащихся «Сибирь». «Мы стараемся не ограничиваться одним Новосибирском и, когда есть такая возможность, подаем заявки на все возможные мероприятия, проходящие в стране. Например, “Интел-Династия-Авангард”, в нем мы приняли участие в прошлом году; также “Открой в себе ученого”, “Путь в науку”, “Старт в науку” — это конкурсы, которые проводят ведущие вузы России. Есть еще конференция “Сахаровские чтения”, которая была организована академиком Жоресом Ивановичем Алфёровым, всероссийский конкурс научно-инновационных работ для старшеклассников компании Siemens, школьная секция Международной научной студенческой конференции, которая проходит в физико-математической школе при Новосибирском государственном университете», — рассказывает Василий Дедок.
Среди слушателей курса «Научно-проектная деятельность» как ученики 8—9 классов, так и старшеклассники. Например, Дмитрий Григоренко и Дмитрий Кузеванов из 11 класса сделали по прототипу Google Glass свою модель смарт-очков. Они распечатали на 3D-принтере пластиковый корпус, в который вошли батарейка, зеркало, линза, проекционный экран и восьмисегментный индикатор. Устройство представляет собой насадку, которая надевается на дужку любых очков. Она работает по принципу перископа: в приборе стоит индикатор, есть зеркало и экран, куда приходит проекция изображения. Такое устройство позволяет человеку получать дополнительную информацию визуальным способом. По словам мальчиков, если поставить в конструкцию более мощный дисплей, то можно проецировать данные гораздо сложнее. «Когда мы создавали проект, у нас была цель: передавать изображения с вольтметра на дисплей. Например, когда у человека заняты руки, ему не нужно лишний раз отвлекаться от работы, чтобы получить какую-то информацию с его измерительного прибора, за него это делает устройство. Это может быть также и помощник пилота или врача. Суть в том, что ты имеешь возможность в режиме реального времени получать дополнительную информацию»,— говорит Дмитрий Григоренко.
Примеры похожих устройств — это система проецирования данных спидометра на лобовое стекло автомобиля. «Чтобы усовершенствовать наше устройство, мы хотим добавить Bluetooth-модуль для дистанционной передачи данных. По радиоканалу любая дополнительная информация будет передаваться, к примеру, на смартфон. Также планируем поставить лучший дисплей, доработать сам корпус, спрятать торчащие провода. Идею придумали не мы. Подсмотрели случайно в интернете, но не просто скопировали, а вложили в нее и кое-что свое», — рассказывает Дмитрий Кузеванов.
Сейсмограф, разработанный Александром Сыпченко
Другой одиннадцатиклассник лицея, Алексей Легоньков, реализовал программу, помогающую ориентироваться в пределах здания. Его проект QR-reader — это написанная компьютерная программа-навигатор. «Сейчас в крупных торговых центрах установлено много информационных табло, по которым можно легко найти маршрут до нужного пункта. Эта идея показалась мне интересной», — объясняет лицеист. В обычном приложении GPS/GLONASS-навигатора есть определенные погрешности, на улице они могут быть незначительными, но для ориентирования в здании — критичными. Поэтому Алексей Легоньков предложил использовать QR-коды, в которых зашифровано местоположение точки старта человека, находящегося в помещении. В разработанном приложении отмечается точка, куда необходимо попасть. Заранее загруженные в приложение маршруты помогают быстро и точно сориентироваться, например в масштабах школы или больницы. В зависимости от запроса пользователя они выводятся на экран его смартфона. По словам Алексея, для этого не нужен Wi-Fi с доступом во всемирную паутину, всё делается локально: нужно просто заранее скачать приложение и навести камеру на QR-код. Если доступ к Сети всё же есть, то в теории приложение может получать какие-то дополнительные данные в режиме онлайн.
«Я подумал, вдруг у человека нет доступа к интернету? Тогда он может просто подключиться к заранее установленной переносной точке локально, где уже будет APK-файл (установочный файл), который можно скачать, не используя подключение к интернету», — говорит Алексей Легоньков. Приложение лицеист писал сам, для построения заранее прописанных маршрутов он разработал волновой алгоритм, который вычисляет любой необходимый путь. В ближайших планах Алексея — улучшить интерфейс приложения и уровень защищенности данных. Он хочет разместить разработку на площадке Google Play, а сам программный код для модернизации оставить следующим поколениям лицеистов.
Ученики помладше тоже активно придумывают и изобретают. Лев Квасников присоединился к факультативному курсу в восьмом классе. У коллег из Новосибирского государственного университета он и Василий Дедок нашли видеоролик, где был продемонстрирован двухподвесный маятник. Еще более эффектными и захватывающими являются ролики, в которых вместо простого грузика к такому маятнику привязывают банку с краской с отверстием в дне. Колебания такого объекта создают фантастические узоры и картины. Льву захотелось попытаться исследовать этот объект, сделав его самостоятельно. Этот проект посвящен созданию компьютерной модели, решающей основную задачу механики — определение положения груза.
Сначала он собрал модель, которая воспроизводит все физические свойства объекта. Однако далеко не всегда такую установку можно сделать и произвести полноценное исследование. В этом случае прибегают к математическому описанию. «Мы захотели на примере более простого одноподвесного маятника освоить технологию компьютерного моделирования, чтобы можно было имитировать произвольные системы, поддающиеся гравитационным силам. Методы, которые мы изучали, могут применяться в том числе и для расчета траекторий любых объектов, например ракет», — говорит Василий Дедок.
По факту в команде, не считая куратора, Лев Квасников один. Он полностью вручную делал свою установку. Программу для моделирования движения такого типа установки ему помогали писать преподаватели лицея. «Я хочу усовершенствовать разработку и в итоге научиться проектировать движения устройства с двумя подвесами. Это намного сложнее: одноподвесный маятник может двигаться только в одной плоскости, а степеней свободы у конструкции с двумя подвесами гораздо больше. С точки зрения написания кода тоже появляются свои сложности, над которыми я сейчас работаю. Этот проект плотно связан как с программированием, так и с физикой. В конечном итоге должна получиться компьютерная лаборатория, в которой можно будет задавать как простые параметры вроде длин подвесов, так и более сложные, такие как сила сопротивления воздуха», — комментирует Лев Квасников.
Идеи для своих изобретений ребята предлагают также сами. Например, в девятом классе Александр Сыпченко и Владислав Симоненко решили сделать однокатушечный металлоискатель индукционного типа, который управляется с помощью контроллера Arduino Uno. Его предназначение — поиск металлических предметов.
«Идея создания пришла после случая, когда Владислав потерял свои ключи в снегу. Нам пришла мысль найти способ решить это проблему быстрее, чтобы достаточно было провести металлоискателем по сугробу и сразу обнаружить потерю. Тогда и подумали, почему бы не попробовать сделать такое изобретение? Нашли, как можно реализовать эту идею, немного ее усовершенствовав», — рассказывает Александр Сыпченко.
Однокатушечный металлоискатель индукционного типа, разработанный Александром Сыпченко и Владиславом Симоненко
Режим занятий таков, что сначала обсуждаются все текущие проблемы, с которыми столкнулись мальчики, и дальше происходит поиск способов их решения. «Таких проектов в рамках курса три-пять, нужно каждому уделить внимание, чтобы осветить все проблемы. Ребята также стараются давать какие-то советы, искать пути модернизации», — объясняет Василий Дедок. Всего было несколько версий этого прибора: на начальном этапе при подаче электропитания установка мальчиков просто дымилась. Дальше Александр и Владислав учли ошибки и продолжили работать над металлоискателем.
«По своей специальности мы не электронщики, поэтому многим вещам приходится учиться на ходу. Еще одна версия начинала работать, но со сбоями. Оказалось, что во время паяния один из контактов был плохо припаян и при переноске устройства просто отсоединялся. Сейчас рабочий вариант, например, может распознать, что под столом лежит монета. Устройство начинает реагировать, зажигая лампочки», — говорит Владислав Симоненко.
Старшеклассники планируют увеличить дальность расстояния считывания металла и добавить возможность определения типа металла. Еще ребята хотят вставить в корпус прибора катушку, сделать длиннее провод, соединяющий катушку с платой, и добавить аккумулятор для того, чтобы устройство получилось компактным и переносным.
С этим проектом мальчики выступали на Городской научно-практической конференции НОУ «Сибирь» в секциях «Физика» и «Технология», где заняли призовые места. После выпуска ребята планируют оставить прибор в музее лицея.
Еще одно изобретение принадлежит отдельно Александру Сыпченко. В прошлом учебном году, в десятом классе, он занимался сейсмографом для измерения горизонтальных и вертикальных колебаний. Всё началось с того, что Александра привлек вопрос изучения и предугадывания землетрясений в Японии. В такой установке находятся магнит и катушка, в которой при возникновении колебаний образуется индукционный ток, подающийся на усилитель и контроллер. Все данные переносятся на компьютер, после чего на их основе Александр строил графики колебаний. «Этот проект интересен тем, что с его помощью можно изучать колебания с точки зрения как физики, так и технологии. Например, отслеживать колебания Коммунального моста, чтобы предсказывать ситуации, когда они становятся критичными», — добавляет Александр Сыпченко.
С этой установкой ученик лицея выступал на городской научно-практической конференции. Также его работа была отмечена на школьной секции МНСК на секции «Физика». «Я агитирую мальчиков поучаствовать в конкурсах на космическую тематику. Есть международный конкурс CanSat, где необходимо создать спутник размером с жестяную банку. Сам конкурс проходит в течение года. В нем мы, надеюсь, тоже проявим себя, — говорит Василий Дедок. — Сейчас у ребят есть множество прекрасных возможностей испытать себя. Их нельзя упускать».
Анастасия Федотова
Фото предоставлены Василием Дедком
