Das mechanische Universum -The Mechanical Universe

Das mechanische Universum
Das mechanische Universum
Genre	Lehrreich
Erstellt von	David Goodstein
Mit	David Goodstein
Erzählt von	Aaron Fletcher, Sally Beaty
Themenmusikkomponist	Sharon Smith, Herb Jimmerson
Herkunftsland	Vereinigte Staaten
Ursprache	Englisch
Anzahl Jahreszeiten	1
Anzahl der Episoden	52
Produktion
Ausführender Produzent	Sally Beaty
Produzent	Peter Büffel
Kameraeinrichtung	Pat Allen
Laufzeit	30 Minuten
Veröffentlichung
Ursprüngliches Netzwerk	PBS
Bildformat	NTSC
Originalveröffentlichung	1985 – 1986;
Chronologie
Verwandte Shows	Projekt Mathematik!
Externe Links
	Webseite

The Mechanical Universe...And Beyond ist ein 52-teiliger Telekurs, der am California Institute of Technology gedreht wurde und in diePhysik auf Universitätsniveau einführt und Themen von Kopernikus bis zur Quantenmechanik abdeckt. Die Serie 1985-86 wurde von Caltech und INTELECOM, einem gemeinnützigen Konsortium kalifornischer Community Colleges, das heute als Intelecom Learning bekannt ist , mit finanzieller Unterstützung von Annenberg/CPB produziert .

Überblick

Die ab 1982 produzierten Videos nutzen historische Dramatisierungen und visuelle Hilfsmittel, um physikalische Konzepte zu erklären. Letztere waren damals State of the Art und beinhalteten fast acht Stunden Computeranimation, die vom Computergrafik- Pionier Jim Blinn erstellt wurden . Jede Episode beginnt und schließt mit Buchstützen-Segmenten, in denen Caltech-Professor David Goodstein in einem Hörsaal Erklärungen liefert, "die unserem umgänglichen, gesichtslosen Erzähler nicht ganz in den Mund gelegt werden können". Auch nach mehr als einem Vierteljahrhundert wird die Reihe wegen der anschaulichen Erläuterung grundlegender Konzepte wie der speziellen Relativitätstheorie häufig als ergänzendes Lehrmittel verwendet .

Die Buchstützen-Segmente mit Goodstein waren speziell inszenierte Versionen tatsächlicher Physik-Anfängervorlesungen aus den Caltech-Kursen Physik 1a und 1b. Die Organisation und die Auswahl der Themen, die in der Fernsehsendung hervorgehoben werden sollen, spiegeln eine damals kürzlich erfolgte Überarbeitung des einführenden Physiklehrplans von Caltech wider, die erste vollständige Überarbeitung seit der fast zwei Jahrzehnte zuvor durch die Feynman-Vorlesungen über Physik vertretenen . Während Feynman im Allgemeinen nach zeitgenössischen Beispielen für Themen suchte, brachte die spätere Überarbeitung des Lehrplans einen mehr historischen Fokus:

Im Wesentlichen hatte der frühere Feynman-Kurs versucht, die Physik spannend zu machen, indem jedes Fach, wo immer möglich, auf aktuelle wissenschaftliche Probleme bezogen wurde. Der neue Kurs schlug den umgekehrten Weg ein, indem er versuchte, die historische Aufregung der ursprünglichen Entdeckung nachzubilden. Zum Beispiel wird die klassische Mechanik – ein für Studenten notorisch schwieriges und wenig inspirierendes Fach – als die Entdeckung „unseren Platzes im Universum“ behandelt. Dementsprechend bildet die Himmelsmechanik das Rückgrat des Faches und ihr Höhepunkt ist Newtons Lösung des Kepler-Problems .

Produktionsdetails

Der Raum, der in den Buchstützensegmenten zu sehen ist, ist der Bridge-Hörsaal am Caltech. Viele der Statisten waren Studenten anderer Schulen, und die vorderen Reihen des Hörsaals waren bewusst mit mehr Frauen besetzt, als man normalerweise bei Caltech-Vorlesungen gesehen hätte. Das TV-Produktionsteam fügte dem Hörsaal eine künstliche Holzvertäfelung hinzu, damit er dem in der Show The Paper Chase ähnlicher war . Später war die Physikabteilung des Caltech vom Ergebnis beeindruckt, dass Platten fest installiert wurden. Viele Sitze im Hörsaal mussten entfernt werden, um Platz für die Kameraspur und die Studiobeleuchtung zu schaffen. Um dies abzudecken, wurden später zusätzliche Reaktionsaufnahmen eines vollen Hörsaals gedreht, damit im Schnitt die Illusion eines kompletten Publikums erzeugt werden konnte . Bei den meisten Aufnahmen von Goodstein selbst waren nur zwei Reihen von Schülern anwesend.

Viele weitere Videoausschnitte wurden vor Ort gedreht, zum Beispiel in einer Linde- Industrieanlage, die flüssige Luft produzierte . Historische Szenen wurden oft generisch gemacht, um ihre Wiederverwendung über mehrere Episoden hinweg zu erleichtern: "Der junge Newton schlendert durch einen Apfelgarten, der alte Newton lehnt eine Tasse Tee von einem Diener gereizt ab und so weiter". Filmmaterial mit historischen Nachstellungen von Johannes Kepler wurde aus Carl Sagans Fernsehserie Cosmos: A Personal Voyage von 1980 erworben .

Ursprünglich sollte die Serie 26 Episoden umfassen. Dies wurde später auf 60 Episoden erweitert, eine Anzahl dann aus Budget- und Produktionsplangründen auf die endgültige Gesamtzahl von 52 reduziert.

Die Show sollte keine Vorkenntnisse in der Infinitesimalrechnung erfordern . Stattdessen würden die Grundlagen der Differential- und Integralrechnung zu Beginn der Serie selbst gelehrt. Der Caltech-Mathematiker Tom M. Apostol trat dem Produktionsteam von Mechanical Universe bei, um sicherzustellen, dass die Serie keine Kompromisse bei der Qualität der präsentierten Mathematik eingeht. Als er zum ersten Mal ein Beispiel von Blinns Computeranimation sah, überzeugte Apostol, dass die Serie Mathematik "auf eine Weise zum Leben erwecken könnte, die in einem Lehrbuch oder an der Tafel nicht möglich ist". Als Testvorführungen für Studenten der Geisteswissenschaften ergaben, dass ihre größte Schwierigkeit beim Erlernen der Infinitesimalrechnung ein schwacher Hintergrund in der Trigonometrie war , schrieb Apostol eine Einführung zu diesem Thema, die mit dem Telekurs verteilt werden sollte. Nachdem er die Produktion von The Mechanical Universe beraten hatte , entschied Apostol, dass eine ähnliche Serie, die auf die Mathematik der Oberstufe ausgerichtet ist, von Vorteil wäre. Daraus entstand die spätere Caltech-Reihe Project Mathematics! , die auch Computeranimation von Blinn enthielt. Einige von Blinns Animationen für The Mechanical Universe wurden in der neuen Serie wiederverwendet, um Anwendungen von Algebra, Geometrie und Trigonometrie zu veranschaulichen.

Der Science-Fiction-Actionfilm Total Recall aus dem Jahr 1990 verwendet Teile der Titelsequenz des Mechanical Universe in einer Szene, in der dem Protagonisten (Douglas Quaid, gespielt von Arnold Schwarzenegger ) virtuelle Ferien an Orten rund um das Sonnensystem angeboten werden . Die Animation wurde ohne Lizenz verwendet, und folglich verklagten Caltech und Intelecom Carolco Pictures auf 3 Millionen US- Dollar.

Um detaillierte mathematische Gleichungsableitungen zu präsentieren, verwendete die Show eine Technik, die ihre Schöpfer als "algebraisches Ballett" bezeichneten. Computeranimation präsentierten Ableitungen in Schritt- für -Schritt - Detail, aber schnell und mit einem Hauch von Spleen, wie algebraischen Bedingungen durch einen abgesagten Python Monty -esque Stampfen Fuß oder die Hand Gott von Michelangelo ‚s Die Erschaffung Adams . Blinn hatte das Gefühl, dass Cosmos sich selbst "zu ernst" genommen hatte, und so wollte er mehr Humor in die Animationen des Mechanical Universe einbringen. Das Ziel war es, das "Gehirn der Zuschauer in ein 60-Zyklen-Summen " zu vermeiden , ohne auf die Strenge zu verzichten; Die Macher beabsichtigten, dass die Schüler den Gesamtinhalt jeder Ableitung aus der Animation lernen und dann die Details mithilfe des begleitenden Lehrbuchs studieren können. Computeranimationen wurden auch verwendet, um Idealisierungen physikalischer Systeme darzustellen, wie zum Beispiel simulierte Billardkugeln, die Newtons Bewegungsgesetze veranschaulichen. (Blinn hatte zuvor einige der gleichen Software verwendet, um die Interaktion von DNA und DNA-Polymerase für Cosmos zu visualisieren .) Ein Kommentator hielt diese Animationen für „besonders nützlich, um Schülern subjektive Einblicke in dynamische dreidimensionale Phänomene wie Magnetfelder zu geben “.

Die Erstellung der Computergrafik, die für die Visualisierung physikalischer Konzepte erforderlich ist, führte Blinn dazu, neue Techniken zur Simulation von Wolken zu erfinden, sowie die virtuellen "Klumpenobjekte", die als Metaballs bekannt sind . Blinn verwendete die Scheitelkoordinaten von regulären Ikosaedern und Dodekaedern , um die Anordnung der elektrischen Feldlinien zu bestimmen, die von Punktladungen wegstrahlen.

Der Großteil der Erzählung wurde von dem Schauspieler Aaron Fletcher geäußert, der auch Galileo Galilei in den historischen Abschnitten spielte. Einige Teile, wie zum Beispiel Erläuterungen zu bestimmten technischen Details, wurden von Sally Beaty, der ausführenden Produzentin der Show, kommentiert .

Kürzere Versionen von Mechanical Universe- Episoden mit einer Länge von 10 bis 20 Minuten wurden für den Einsatz in High Schools erstellt . Diese Adaption, für die ein Dutzend Lehrer und Verwaltungsmitarbeiter von Gymnasien als Berater fungierten, wurde von der National Science Foundation mit einem Zuschuss von 650.000 US-Dollar unterstützt . Diese Videos wurden zusammen mit ergänzendem schriftlichem Material zu Gunsten der Lehrer verteilt und sollten in Verbindung mit bestehenden Lehrbüchern verwendet werden. Yorkshire Television produzierte später eine für das britische Publikum neu verpackte Version, die im April 1991 veröffentlicht wurde.

Finanzierung

Annenberg/CPB stellte die Finanzierung für die Produktion von The Mechanical Universe zur Verfügung . Die Show war eines der ersten zwölf Projekte, das durch die anfängliche Zusage von 90 Millionen US-Dollar finanziert wurde, die die Annenberg Foundation Anfang der 1980er Jahre an die Corporation for Public Broadcasting gab. Die Gesamtkosten des Projekts beliefen sich auf rund 10 Millionen US-Dollar.

kritischer Empfang

Erste Antworten

PBS und The Learning Channel begannen im September 1985 mit der Ausstrahlung von The Mechanical Universe . Im Herbst 1986 trugen etwa 100 PBS-Sender The Mechanical Universe, und bis Herbst 1987 hatten über 600 Hochschulen es gekauft oder lizenziert benutzen. Im Jahr 1992 stellte Goodstein fest, dass die Serie über PBS von über 100 Sendern ausgestrahlt wurde, "normalerweise zu besonderen Zeiten, in denen es unwahrscheinlich war, dass unschuldige Menschen versehentlich eine Differentialgleichung einschalten, die gerade gelöst wird". Er stellte fest, dass detaillierte Zuschauerzahlen schwer zu erhalten seien, aber als die Show am Samstagmorgen in Miami ausgestrahlt wurde, konnten die Produzenten Nielsen-Einschaltquoten einholen .

Tatsächlich belegte es in seinem Zeitfenster den zweiten Platz und schlug die Kiddie-Cartoons auf zwei Netzwerkstationen. Allein in Dade County gab es 18.000 treue Kernhaushalte , das Durchschnittsalter der Zuschauer lag bei 18 Jahren und die Hälfte war weiblich. Allerdings bekommen wir selten so detaillierte Informationen.

Goodstein und der stellvertretende Projektleiter Richard Olenick bemerkten:

Anekdotische Informationen in Form von Briefen und Telefonaten zeigt sehr erhebliche Begeisterung bei den Nutzern auf allen Ebenen von Casual Zuschauer Gymnasiasten Universitätsprofessoren zu erforschen, aber es gibt auch eine Reihe von scharfen Enttäuschungen, vor allem , wenn Instructional Television Administratoren versucht haben , TMU wie einen herkömmlichen Telekurs zu handhaben.

In ähnlicher Weise deutete eine Rezension von 1988 in Physics Today darauf hin, dass die Programme allein als Telekurs nicht gut funktionieren würden, aber als Ergänzung zu einem traditionellen Klassenzimmer oder einem Standard-Fernstudium wie der Open University viel besser funktionieren würden . Auch das "algebraische Ballett" computeranimierter Gleichungen fanden die Gutachter zu schnell: "Nach kurzer Zeit sehnt man sich nach einem lebenden Professor, der die Tafel mit Gleichungen füllt". In ähnlicher Weise schrieb eine Rezension im American Journal of Physics , während sie die "technischen Fähigkeiten der Filme" lobte, über die animierten Gleichungsmanipulationen: "Wie die MIT- Studenten sagen, ist dies wie der Versuch, einen Schluck Wasser aus einem Feuer zu nehmen Schlauch". Eine wesentlich enthusiastischere Bewertung kam vom Physiker Charles H. Holbrow , der Olenick sagte: "Diese Materialien werden für Jahrzehnte das wichtigste visuelle Bild der Physik darstellen". Goodstein und Olenick berichteten, dass jüngere Zuschauer den Stil des „algebraischen Balletts“ „viel mehr genießen als ältere Zuschauer, denen die algebraischen Manipulationen, denen sie nicht ganz folgen können, unwohl fühlen“.

Nutzung im Klassenzimmer

1986 wurde The Mechanical Universe im Rahmen eines Sommerprogramms für hochbegabte Kinder mit großem Erfolg eingesetzt.

Eine Studie aus dem Jahr 1987 an der Indiana University Bloomington verwendete 14 Episoden des Mechanical Universe als Teil eines Einführungskurses in die Newtonsche Mechanik mit allgemein positiven Ergebnissen:

[Diese Bänder waren besonders effektiv, um die Newtonsche Mechanik in eine historische Perspektive zu stellen; Dramatisieren des historischen Sturzes der aristotelischen und mittelalterlichen Ideen; Veranschaulichung der Vielfältigkeit der Wissenschaftler und des wissenschaftlichen Strebens; Förderung des Interesses und der Begeisterung der Schüler; und durch hervorragende Animationen die zeitliche Dimension bestimmter Mechanikkonzepte veranschaulichen. Der Begleittext [...] wurde für den Kurs in die Bibliotheksreserve gestellt, aber von den Studierenden nicht ausgiebig genutzt.

Eine Folgestudie ergab, dass die Videos auch hilfreich sein könnten, um Professoren anderer Fachrichtungen Physik zu erklären. Negative Reaktionen hatten im Allgemeinen weniger mit der intrinsisch wahrgenommenen Qualität der Episoden zu tun als mit der Zeit, in der das wissenschaftshistorische Material von Inhalten abgelöst wurde, die als "kritischer prüfungsvorbereitender Unterricht" angesehen wurden. Der Ermittler erinnerte sich,

[Einige Schüler, die dachten, dass das Videomaterial bei den Tests nicht abgedeckt würde, gingen zu den Türen, als das Licht gedimmt wurde! Um dieser Tendenz entgegenzuwirken, begann ich, einige Testfragen zu verwenden, die auf historischen oder literarischen Details basieren, die in den Videobändern diskutiert wurden. Einige Schüler waren empört: "Was ist das, eine Poesieklasse?"

Die Nutzung im Klassenzimmer dauerte bis in die 1990er Jahre. Ein Bildungsprogramm für Minderheiten an der University of California, Berkeley, verwendete im Rahmen von Gruppendiskussionen Episodensegmente des Mechanical Universe (auf LaserDisc ). In einer Rezension der Serie von 1993 gab ein Wissenschaftshistoriker an, dass er mehrere Jahre lang Episoden in seinem Unterricht verwendet hatte, und nannte "Keplers Drei Gesetze" und "Das Michelson-Morley-Experiment" als seine persönlichen Favoriten.

Das Highlight des Kepler-Films ist ein Abschnitt, in dem uns eine exquisite grafische Umsetzung gezeigt wird, wie Kepler tatsächlich herausgefunden hat, dass die Umlaufbahnen der Planeten eher elliptisch als kreisförmig sind. Die schiere Schwierigkeit des Problems, mit dem er konfrontiert war, und die Eleganz der Methode, die er zu seiner Lösung anwendete, sind völlig klar. Ich kann mir keinen besseren Weg vorstellen, diese großartige Entdeckung zu präsentieren, die leicht so trivial erscheinen kann.

Eine Kolumne aus dem Jahr 2005 in The Physics Teacher schlug The Mechanical Universe als vorbereitende Betrachtung für Lehrer vor, die zum ersten Mal versuchen, Physik zu unterrichten. Der Physiklehrer hat die Reihe auch "als Bereicherung oder Nachfüllaufgabe für Leistungsstarke" empfohlen. Rhett Allain schrieb für die Website des Magazins Wired und nannte die Serie als Beispiel für Videos, die einige Funktionen traditioneller Vorlesungen ersetzen könnten.

Auszeichnungen

1987 wurde "The Lorentz Transformation" (Folge 42) mit dem sechzehnten jährlichen Japan-Preis für Bildungsfernsehen ausgezeichnet. Andere Auszeichnungen, die The Mechanical Universe erhielt, sind der Gold Award 1986 des Birmingham International Film Festival, zwei "Cindy" Awards der International Association of Audio Visual Communicators (1987 und 1988), ein Gold Award (1985) und ein Silver Award (1987). ) vom International Film and TV Festival of New York, Silver (1986) und Golden Apple (1987) vom National Educational Film and Video Festival und eine Goldplakette (1985) vom Chicago International Film Festival.

Goodstein erhielt 1999 die Oersted-Medaille für seine Arbeit in der Physikausbildung, darunter The Mechanical Universe . Für seine Beiträge auf dem Gebiet der Computergrafik, einschließlich seiner Animationen für Cosmos , The Mechanical Universe und Project Mathematics! , Blinn erhielt 1991 ein MacArthur-Stipendium sowie 1999 den Steven A. Coons Award .

Darstellung des Einsturzes der Tacoma Narrows Bridge

Wie viele einführende Physik-Texte zitiert The Mechanical Universe den spektakulären Einsturz der Tacoma-Narrows-Brücke im Jahr 1940 als Beispiel für Resonanz , wobei Filmmaterial der Katastrophe in der Episode "Resonance" verwendet wird. Wie neuere Ausstellungen jedoch betont haben, waren die katastrophalen Schwingungen, die die Brücke zerstörten, nicht auf einfache mechanische Resonanzen zurückzuführen, sondern auf eine kompliziertere Interaktion zwischen der Brücke und den durch sie hindurchströmenden Winden – ein Phänomen, das als aeroelastisches Flattern bekannt ist . Dieses Phänomen ist eine Art "selbsterhaltende Schwingung", die außerhalb des Geltungsbereichs der linearen Theorie des extern angetriebenen einfachen harmonischen Oszillators liegt .

Liste der Folgen

Die Eröffnungssequenz der ersten 26 Episoden führt den Titel der Show als The Mechanical Universe auf , während die letzten 26 Episoden den Titel The Mechanical Universe ...and Beyond tragen . Den Grund für die Ergänzung erklärt Goodstein im abschließenden Vortragsabschnitt der letzten Folge:

In der ersten wissenschaftlichen Revolution wurde die Disputation über die Interpretation menschlicher oder göttlicher Autorität durch Beobachtung, durch Messung, durch das Testen von Hypothesen ersetzt, und das alles mit der mächtigen Hilfe quantitativer mathematischer Argumentation. Und das Ergebnis all dessen war das mechanische Universum, ein Universum, das seine Bestimmung nach genauen, vorhersehbaren mechanischen Gesetzen unaufhaltsam ausarbeitete. Heute glauben wir nicht mehr an dieses Universum. Wenn ich die genaue Position eines Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt kenne, habe ich keine Ahnung, wohin es geht oder wie schnell es ist. Und es macht überhaupt keinen Unterschied, wenn Sie sagen: "Okay, Sie wissen nicht , wohin es geht, aber wohin geht es wirklich ?" Das ist genau die Art von Frage, die wissenschaftlich bedeutungslos ist. Das ist die Natur der Welt, in der wir leben. Das ist das quantenmechanische Universum.

Die Serie kann bei Caltech gekauft oder von Online-Videoquellen gestreamt werden, einschließlich des offiziellen YouTube- Kanals von Caltech . Caltech hat auf YouTube auch eine Reihe kurzer Videos von Blinn veröffentlicht, um die Computeranimation der Show auf SIGGRAPH- Konferenzen zu demonstrieren .