Структура и содержание научно-технического онлайн-курса OpenFabLab


Здесь я попытался, в первую очередь для себя сформулировать наполеоновский план что и в каком порядке должно быть в нашем учебном курсе. Кто не знаком с проектом OpenFabLab, могут прочесть его краткое описание тут.

Итак, наш курс состоит из сети знаний, переход между которыми происходит путем решения творческих задач (степень самостоятельности их решения отдается на выбор ученика). Какой же должна быть структура этого гигантского графа, состоящего из чередующихся вершин: задач и знаний и многочисленных связей между ними? Должен ли он представлять собой аморфный клубок или иметь иерархическую структуру?


Конечно, накопленный человечеством массив научного знания имеет свою структуру, в чем-то отражающую исторический порядок его добычи, в чем-то — результат предшествующей работы по упорядочению его в целях удобства последовательного изучения. Едва ли можно говорить об идеальной структуре графа, подходящей для каждого.

Во-первых, такая структура должна была бы следовать из самой природы вещей, а она параллельна. Граф лишь помогает сгладить противоречие между параллельной природой реальности и нашим последовательным восприятием информации, но отнюдь не устраняет его.

Впрочем, можно надеяться, что в будущем союз достижений нейрофизиологии и искусственного интеллекта позволит человеку параллельно (и более быстро) воспринимать и генерировать многоканальную научную и техническую информацию как сегодня мы весьма успешно параллельно обрабатываем сигналы от сотен рецепторов и управляем множеством мышц при ходьбе. Наше представление знаний в виде графа вполне подходит для многоканального восприятия, его освоение ограничено только скоростью Интернета и физико-технологических процессов, поэтому оно может быть востребовано и в те времена, если когда-либо техника снимет с нашего разума ограничения на быстродействие и мнгогозадачность. Едва ли человек будущего захочет довольствоваться зубрением учебников или выискиванием скудных крох ценного и достоверного знания в тоннах заумных журнальных статей. Способность добывать знание самостоятельно будет цениться намного выше самого знания, а высокая техническая оснащенность каждого человека сделает каждое научное знание актуальным, немедленно применимым для решения практических задач — то, что мы закладываем в основание курса с самого начала.

Во-вторых, важно чтобы у каждого был свой маршрут путешествий по этому графу. Если бы маршрут был детерминирован, его бы следовало искусственно рандомизировать чтобы получить большее разнообразие людей с уникальным опытом познания науки, смотрящих на еще не решенные проблемы с разнообразных точек зрения.

Мир все более пронизывается коммуникациями, копирование информации стало незаметной обыденностью, копирование материи неумолимо наступает. Ценность одинаковых индивидов — удобных для построения огромных бюрократий, занятых рутинными операциями - осталась в XX веке. Мы, еще робко, вступаем в век ценности оригинальности. Сегодня это еще плохо видно, сегодня ценятся оригинальные подходы к дизайну упаковки и тому подобное. Это некоторое опошление оригинальности. Настоящая ценность оригинальности наступит тогда, когда машины сделают человека в процессе переработки материи таким же неуместным, как сегодня в переработке энергии или информации. В детстве моего поколения умение считать на бумажке считалось чуть ли не основным. Сегодня трудно представить, какая часть вычислений в мире делается вручную. Может быть, одна триллионная доля одной триллионной или около того. Стоимость вычисления стала такой ничтожной, что большую часть времени персональные компьютеры просто простаивают.

После четырех миллиардов лет истерии по поводу пищи, воды, жилищ и прочих материальных объектов нам трудно представить, что это может производиться быстро, свободно и в изобилии, превышающем любой спрос. Однако это так. Сегодня люди, чтобы выжить и получить нужные им предметы, как бы затыкают собой дыры в изменчивом социуме. Ценностью является способность усмотреть нишу, быстро адаптироваться и встроиться в нее. Чем более пластичен человек и чем более он нуждается в ресурсах социума, тем лучше у него это получается. Однако так можно крутиться на месте тысячелетиями и так это и происходило. На самом деле это не соответствует интересам ни человека, вынужденного постоянно деформировать (зачастую, трагически) самого себя, ни социума в целом, прогресс которого неразрывно связан с личностями людей.

В мире будущего будет ценен не накрученный на потребление человек-амеба, готовый принять любую форму за те унылые ресурсы, за которые его покупает социум, а человек, развивающий свою индивидуальность, уходящий от всего шаблонного, чтобы внести свой неповторимый уникальный вклад в познание и развитие мира. Новые открытия и изобретения станут намного ценнее потому что еще быстрее смогут распространяться и тиражироваться автоматическими машинами. Речь вовсе не об утопии, просто об очередном драматическом этапе развития. В таком мире, конечно, будут и свои серьезные проблемы, наверняка, более серьезные, чем у нас сегодня, и способность к их решению тоже зависит от разнообразия. Никто не знает, где спрятано еще не открытое знание, еще не сделанное изобретение, поэтому каждый оригинальный человек — это шанс. Итак, жизненно важно иметь в нашем курсе разные траектории освоения знаний для формирования у разных людей разного опыта и разного взгляда на реальность, важно чтобы разные люди сами добавляли в курс все более разнообразные траектории.

Однако первоначальная моя попытка сделать граф полностью аморфным не удалась — сначала дело пошло замечательно, но на нескольких сотнях узлов стало крайне трудно осмысленно добавлять новые, особенно при работе с перерывами, когда мозг успевает забыть что там было к чему. Названия задач не могут раскрыть всего их содержания, приходится читать задачу целиком чтобы понять, куда она может вести.


Это вынуждает ввести некоторую упорядоченность графа, чтобы не затеряться в самом начале. Я принял решение разбить граф на тематические кластеры, так как в действительности оказалось много книг и статей, ходящих вокруг той или иной предметной области и почти не оказалось источников, затрагивающих несколько областей. Долгое изучение литературы привело к формированию нескольких сот тематических кластеров такой степени общности, как, например, “Ультразвук”, “Белки”, «Ускорители». В кластер входят знания не только о самих явлениях, но и о способах их получения и применения, исторических аспектах и т.п.

Кластеры соответствуют более-менее обособленным областям знания, поэтому по каждому из них удалось собрать десятки-сотни книг и статей. В существующих учебниках по темам кластеров знания уже выстроены более-менее линейно их авторами, и часто они могут быть взяты за основу структуры кластера. У каждого кластера есть точки входа и выхода. В точку выхода человек попадает, пройдя ключевые знания кластера, которые можно считать достаточными для понимания других кластеров, со входными точками которых соединена эта выходная точка. Будут ли эти точки задачами или знаниями — вроде бы не существенно, лишь бы однообразно и удобно.

Этот прием позволяет вычленить в кластере ядро — маршрут (обычно разветвленный), соединяющий входную и выходную точки, а также ореол - совокупность ответвлений скелета, не обязательных для прохождения кластера (попадания в выходную точку), но, например, интересных и полезных.

Важно чтобы кластеры были автономны, то есть для перехода от входной к выходной точке не требовалось знаний извне кластера. Поэтому он должен быть построен так, чтобы для его прохождения было достаточно знаний из кластеров, сходящихся во входную точку. Возможно и уместно сосуществование альтернативных кластеров и групп кластеров. Например, кластеры по радиоволнам: опирающийся на акустическую аналогию и не опирающийся. Или кластеры по цифровой технике с альтернативными подходами: от транзистора к процессору и наоборот. Чем больше будет таких альтернатив, тем большему числу людей с разным восприятием будет комфортнее учиться.

Межкластерные связи допускаются, но они не должны быть императивны. То есть, предположим, кластер «Акустика» содержит знание о резонансе. И в другом кластере, «Механика» есть задача, обучающая этому знанию. Нам надо включить в кластер «Акустика» хотя бы один путь к этому знанию не зависящий от сторонних кластеров. Тогда те кто приступил к «акустике» раньше «механики» смогут двигаться вперед, а те кто прошел уже «механику» смогут, вероятно, «срезать путь» за счет предварительного обладания этим знанием.

Попадание во входные точки некоторых кластеров требует предварительного прохождения многих других, а некоторые кластеры окажутся доступны с самого начала. Среди таких классические разделы естественных наук: «Электричество», «Магнетизм», «Оптика», «Биология», «Жидкости и газы», «Тепловые явления», «Вещество», «Конструирование», «Технология», «Методология НИОКР и ТРИЗ», «Математика», «Программирование», «Науки о Земле», «Астрономия», «Геометрия и механика», «Время и частота».

«Электричество», «математика» и «программирование» позволяют ученику измерять и задавать постоянные токи и напряжения, задавать между ними разнообразные программные взаимосвязи, преобразовывать электрические сигналы, строить базовые системы на базе ПК, микроконтроллеров, модульных макетных плат и лабораторных контроллеров, а также количественные математические модели. Здесь выводятся законы Ома и Кирхгофа и их обобщения. Это является основой для экспериментального и теоретического изучения всех кластеров.


«Геометрия и механика» изучаются на базе решения различных технических задач, конструирования автоматических устройств и роботов. Это достигается при помощи LEGO(R)-совместимых компактных электромоторов с I2C интерфейсом и обратной связью по положению и крутящему моменту. При этом всесторонне изучается ньютоновская физика, техническая механика, CAD (FreeCAD) понятия массы и гравитации, вращения, инерции и центробежной силы, тригонометрия, разнообразные технические приемы и конструкции. Экспериментальные установки выполняются с элементами как LEGO(R) конструкторов, так и специальных деталей, изготовляемых простейшими ручными инструментами: бормашиной, 3D-ручкой, паяльником, горелкой.


В развитие этих тем ученик строит и программирует координатные машины, пишет CAM программы и устанавливает бормашину и 3D ручку на собственноручно построенные ЧПУ фрезерный станок и 3D принтер, попутно знакомясь с характерными для этих машин задачами и их решениями. Здесь же изготавливаются настольные токарный, сверлильный и тому подобные станки и приспособления, открывая доступ к соответствующим кластерам: «токарное дело», «фрезерование», «сверление», «2D-печать» и «3D-печать» где уже подробно изучаются секреты соответствующих технологий и строятся серьезные станки, инструмент и оснастка к ним. Отсюда стартуют и кластеры «Метрология», «Упругость и тензометрия», «Материаловедение», «Давление в механике», «Теоретическая механика», «Шлифование и полирование и абразивы», «Механика гибких систем», «Клеи, композиты и эпоксиды», «Деревообработка», «Ручной инструмент», «Надежность», «Дизайн в технике». На определенном этапе ученик строит «Большой координатный станок» с рабочей зоной порядка 1.25х2.5 метра и автоматической сменой инструментов для разнообразных видов обработки. Тогда его возможности по изготовлению деталей заданной формы из разных материалов приближаются к заводским.


«Жидкости и газы» от наблюдений проводят ученик к количественным моделям, поверяемым системами датчиков. Здесь затрагивается широкий круг явлений гидравлики и пневматики, сила Архимеда, фазовые переходы, вихри, и т. п. Постепенно открывается доступ к кластерам «Газовые законы», «Вакуум», «Вязкость», «Поверхностное натяжение и капиллярность», «Абсорбция»

Изучение тепловых явлений постепенно становится количественным благодаря датчикам температуры, механизмам и электронагревателям (закон Джоуля-Ленца, механический эквивалент теплоты, электрогидравлический эффект). В попытках построения разного рода вечных двигателей выводятся законы сохранения энергии и начала термодинамики. Становятся доступными кластеры «Трение», «Энергетика», «Паровая техника», «Контактная сварка», «Литье пластмасс», «Электрическая дуга и сварка», «Электроискровая обработка», «Холод», а после него - «Криогеника», «Сверхнизкие температуры», «Сверхпроводимость», «Сверхтекучесть».

Электрохимическая и электроэрозионная обработка позволяют изготавливать прочные детали из толстых кусков металла, позволяя проводить (в малых масштабах) опыты из кластера «Высокое давление» и освоить такую полезную вещь как «Гидроабразивная резка».

После постоянного тока становится доступным «Конденсатор». Конструирование конденсаторов является хорошим поводом для выхода за пределы парадигмы Ома (близкодействующих зарядов в проводниках) в мир дальнодействующих сил Кулона — кластер «электростатических явлений, высокого напряжения, диэлектрических свойств» и тому подобного. Для этого служит лабораторный программируемый источник высокого напряжения. После «Геометрии и механики» можно поставить много интересных опытов, например программируемый переменный конденсатор для высокого напряжения (емкость изменяется мотором) или просканировать зондом на ЧПУ станке электрическое поле вокруг заряженной проводящей фигурки — и построить его трехмерную модель — и сличить ее с моделью, полученной теоретически на основе идей ученика. Или снять ВАХ сегнетоэлектриков и различных самодельных полевых транзисторов.

«Высокое напряжение» и «Вакуум» открывают путь к опытам с электронными и ионными лучами, кластерам «Электроны», «Ионы», «Рентген», «Разряды», «Плазма», «Высокие температуры», «CVD», «PVD». Эти опыты особенно обогащаются после прохождения кластеров «Магнетизм» и «ВЧ схемотехника». Становятся доступными самодельные «Полупроводники», «Термо- и контактное электричество», «Лазеры», «Наноматериалы».

«Магнетизм» начинается с простых опытов Гильберта и идет насколько это возможно независимо от электричества. Так же как и в электростатике здесь уместны опыты с цифровым механическим перемещением и вращением магнитом и построением отсюда теории магнетизма через компьютерную обработку данных. В какой-то момент кластеры электричества и магнетизма дают возможность перейти в кластер «электромагнетизм» - в мир электромагнитов, реле, электромоторов, генераторов и датчиков, индукции и взаимодействия токов, электродинамики Вебера и Ампера. Отсюда уходит тропинка в кластеры «магнитные свойства вещества» и «природа магнетизма», а также, конечно — в «электродинамику Максвелла». Кластер «Время и частота» посвящен конструированию разных часов, таймеров и изучению время-зависимых процессов. Вместе с «Геометрией и механикой» он открывает путь к кластерам «Вибрация», «Колебания», «Волны», важным для понимания электромагнитных и акустических явлений («Акустика», «Пьезоэлектроника», «Ультразвук»).

«Строение вещества» также плавно переводит ученика от качественного к количественному изучению природы окружающей материи. В этом помогает электрохимия (электролиз, законы Фарадея, теория Дальтона, электрохимическая размерная обработка, гальванопластика, гальванические покрытия, химические аккумуляторы и источники тока, уравнение Нернста) и классические наблюдения и опыты, формировавшие теорию атомизма и Периодическую систему. Становятся доступны «Физика твердого тела», «Кристаллы», «Производство материалов», «Минералы, руды, их идентификация и переработка», «Физическая химия», «Растворы», «Коллоидная химия», «Стеклодувное дело», «Электрофорез», «Адгезия», «Хроматография», «Химическое осаждение», «Покрытия», «Природа метеоритов».

Важно чтобы ученик самостоятельно получил и применил большое число как чистых химических и элементов, так и важнейших соединений. Этому служат кластеры «Молекулы и реакции», «Неорганический синтез», «Органический синтез», «Аналитическая химия», «Координационная и супрамолекулярная химия», «Полимеры». Далее можно двигаться к кластерам «Кинетика», «Катализ», «Хемотроника», «Жидкие кристаллы», «Горение и взрыв», «Химия твердого тела и поверхности». Это создает базу кластеров «Биохимия», «Белки». Отдельный кластер посвящен интересной задаче постройки машины для разделения любых веществ на простые элементы.

«Астрономия» и «науки о Земле» начинаются с вопросов, решаемых без специального оборудования (найти радиус Земли, измерить продолжительность солнечных и звездных суток и т. п.), затем начинается построение оптических приборов: телескопов, спектроскопов, на этой волне (а также в конструировании микроскопов) и на основе «геометрии и механики» изучается «Оптика». Можно и наоборот: изучать геометрию через оптику. Изучается «Аэрогидродинамика» (после достаточного знакомства со свойствами газов и жидкостей), строятся модели летательных аппаратов, в том числе атмосферные зонды с различными датчиками для выяснения состава атмосферы, температур и давлений на различных высотах, получения снимков Земли с высот до 40 км. Становится доступной «Компьютерная метеорология». Пользу здесь приносит и прохождение кластера «Вакуум». Строится компьютерная модель Солнечной системы для проверки соответствия Ньютоновской механики космическим масштабам. С освоением «Радио» появляется доступ к «Радиоастрономии». Подробно изучаются Луна и планеты, ближайшие звезды и другие интересные объекты. По мере технологического оснащения мастерской становится доступным кластер «Космонавтика», направленный на конструирование и практический запуск в космос самодельных миниатюрных аппаратов. Отсюда возникают вопросы, рассматриваемые в кластерах «Пространство и время», «Природа гравитации», «Теория относительности». Обсуждаются соответствующие вопросы в кластере «Машина времени и телепортация».

Постепенно вводятся кластеры «электронного» направления: «Диоды и светодиоды», «Транзисторы», «Усилители», «Обратная связь и операционные усилители» , «Мемристоры», «Импульсная техника», «Генераторы сигналов», за которыми следует углубленное изучение специального случая сигнала: переменного тока в кластере «Переменный ток». Этот кластер важен для последующего изучения акустики и оптики, так как переменный ток очень удобно подвергать различным опытам — источникам будущих аналогий. «Переменный ток» открывает путь к экспериментальной «Акустике», «RLC цепям и колебательному контуру», «Фильтрам и преобразователям», «Трансформатору», «Электромагнитным волнам», «Радио», а затем - к кластерам «ВЧ схемотехника, нагрев и индукционная печь», «Мазер, микроволны и СВЧ». Постройка печи открывает путь к литью и термообработке металлов и сплавов а также (в небольших масштабах) ковке металлов, открывает кластеры «Металлургия и металлопрокат», «Керамика и твердые сплавы». Новые возможности для производства металлов и керамики дают кластеры «Вакуум» и «Пресс», которые можно комбинировать меду собой и с печью и другими приборами в МТУ (многофункциональной технологической установке).


«Программирование», «математика», «электричество», «геометрия и механика» и упомянутые контроллеры и моторы в сочетании с растущими производственными и конструкторскими возможностям ученика - вот и вся необходимая почва для кластеров «Логика», «Кибернетика», «Роботы», «Машинное зрение», «Программирование (углубленное)», «Клеточные автоматы», «Фракталы», «Динамические системы», «Нейросети» (там даются матрицы и тензоры), «ИИ», «Моделирование», «Цифровая техника», «Аналоговая техника», «Теория игр», «Графы», «Статистика и теор. вер.», «Численные методы», «Телекоммуникации, навигация и локация», «Криптография», где-то там по мере необходимости раскрывается комбинаторика и теория чисел.


По мере необходимости, для решения прикладных задач вводятся фундаментальные методы математики «Ряды и пределы», «Основы матанализа», «Вариационное исчисление», «Операционное исчисление», «Функциональный анализ», «Топология», «Теория групп и симметрия».

По мере накопления трудностей классических концепций, ученик проходит вслед за учеными прошлого к квантовой картине мира — через излучение нагретых тел, электрические явления, фотоэффект. Оптика и химия открывают интереснейшие кластеры «Фотохимия», «Фотолитография», «Нелинейная оптика», «Нанолитография». Окончательное подтверждение атомной гипотезе ученик получает в кластерах, посвященных созданию электронного, атомно-силового и туннельного микроскопов. На переднем крае науки располагаются кластеры «Микроэлектромеханические системы», «Нанофотоника», «Молекулярная электроника», «Позиционный механосинтез». Дальнейшие кластеры той ветки идут в сторону создания наноробототехнических систем, роев и сетей. Создание искусственных микромашин идет параллельно с изучением естественных в кластере «Микробиология и биотехнология», «Морфогенез», «Синергетика». Где-то здесь идут кластеры «Физиология и медицина», «Био и нейроэлектроника».

Из химических и физических опытов раскрываются свойства протона. Кластеры «Радиоактивность» и «Радиохимия» показывают и нейтрон. Кластеры «Космические лучи» и «Ускорители», «Ядерная физика» открывают мир элементарных частиц. Наконец, мысль и опыт устремляются к великим задачам получения антивещества, нейтронной материи и термоядерного синтеза.

Конечно, каждому необязательно заходить во все ветки курса — наоборот, одна из задач его составления — предоставить кратчайший доступ к каждому знанию. Если человек пришел ради «Акустики» - пусть он придет к ней кратчайшим путем, но таким, чтобы он был поистине готов к ее восприятию. Путь того, что пришел за «Ускорителями» может быть совсем иным. Хотя я втайне надеюсь что курс будет столь необычным и увлекательным что трудно будет удержаться от того, чтобы пройти все что в нем только есть. По крайней мере, те немногие люди, которые прошли небольшой уже готовый фрагмент курса, написали эмоциональные письма на тему «а где же продолжение!».

Итак, мы имеем большой объем знаний, много тяжелой, «силовой» мозговой работы. Главное орудие, с помощью которого ученик сможет справиться с этим — это увлечение. Все изучается экспериментально, для этого и проектируются все эти конструкторы и лабораторные контроллеры. Все подвергается сомнению и обсуждается. Все практично и актуально — ни одного бесполезного знания или бессмысленной задачи. Все целенаправленно — всегда понятно, какую мы решаем задачу, для чего нужно то или иное. Все опирается одно на другое, все идет из самых основ, не допускается никаких упований на предшествующий опыт и знания ученика за пределами начальной школы. Все во взаимосвязи с историей, сегодняшним моментом и перспективами будущего. Каждый кластер «прокачивает» не только знания и опыт, но и оснащенность домашней лаборатории.

Вспомогательное орудие — это софт для решения научных и технических задач, который растет вместе с человеком. Прообраз его можно наблюдать здесь. А в идеале, каждый метод и прием в софте должен становиться доступным по мере ознакомления с ним применительно к решению той или иной задачи.

Курс задуман как спутник человека на всю жизнь, более того — как сеть для обмена отборнейшими знаниями и опытом. Ушел в своих исследованиях вперед — опиши это в виде нового кластера или хотя бы нескольких задач — проложи путь будущим ученикам и продолжателям твоего дела.

Кто-то скажет, что я незаслуженно презрел много важных и интересных разделов знания, а я не презрел, я лишь описал то, что вижу сам. Кто считает уместным что-то добавить — как всегда, пишите на openfablab@gmail.com.

Итак, вкратце, что сможет предложить такой курс ученикам:

Образовательная задача:

Возможности ученика (на выходе):

Возможности лаборатории ученика (на выходе):

Можно пофантазировать и на тему времени, затрачиваемого на прохождение курса:

Больше 4 часов в день на такую интенсивную творческую деятельность по освоению курса тратить можно разве что по сильному вдохновению. Да и потом, необходимо считаться с тем, что есть у человека много других дел.

Собственно, главные переходы это (обучение+практика решения задач), время условное: