STEAM – підхід і доповнена реальність у проекті “Хмарочоси світу”.

STEAM – підхід і доповнена реальність у проекті “Хмарочоси світу”.

Мацокін Д. В., Пахомова І.М.

Розроблено мобільний додаток доповненої реальності «Skyscrapers AR», який містить 3D моделі п’ятьох хмарочосів світу. Цей додаток використано у проектній діяльності «Хмарочоси світу» у позашкільний час у STEAM-лабораторії при кафедрі фізики кристалів Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна.

Ключові слова: доповнена реальність, метод проектів, STEAM-освіта.

Доповнена реальність — ситуація, коли реальні об'єкти інтегруються у віртуальне середовище, або віртуальні об’єкти інтегруються у реальне середовище. Технології доповненої реальності (AR- augmented reality) - це нова течія в індустрії освіти. Ця технологія дозволяє оживляти об'єкти в прямому сенсі цього слова, використовуючи вже звичні для нас мобільні пристрої (смартфони, планшети). AR - це поєднання реального світу із віртуально інтегрованими у нього віртуальними ‎зображеннями –2D та 3D об’єктами). ‎

«STEAM - лабораторія» на базі ХНУ імені В.Н. Каразіна презентувала мобільний додаток з функцією доповненої реальності, який працює без наявності постійного Інтернет-підключення «Skyscrapers AR» [1]. Тепер проектна діяльність учнів за темою «Хмарочоси світу» може відбуватися за допомогою інноваційної технології, яка зробить навчальний процес ще більш захоплюючим і, що найважливіше – сучасним та ефективним. Додаток містить п’ять 3D моделей хмарочосів світу із різних країн світу.

Мета проекту: знайти інформацію та проаналізувати будову деяких хмарочосів світу, з’ясувати їх висоту та конструкційні особливості будівель, місце їх розташування. Познайомитись із технологією доповненої реальності на прикладі 5 хмарочосів. Розв’язати задачі про Ейфелеву вежу та зробити висновки про особливості будови цієї вежі. Із простих матеріалів побудувати власний хмарочос (командне змагання).

Самостійне здобування знань, їх систематизація, можливість орієнтуватися в інформаційному просторі, бачити проблему і приймати рішення все це відбувається саме через метод проектів. Тому така форма роботи була залучена до занять у STEAM – лабораторії.

До заняття було розроблено мобільний додаток [1]. У статті надаються усі ключові картинки, на які реагує мобільний додаток «Хмарочоси».

Покрокова інструкція використання мобільного додатку на уроках:

1. Роздрукуйте зображення 1, 4, 5, 7, 8, які наведено у статті. (можна використовувати як чорно-білий, так і кольоровий друк).
2. Завантажте додаток за посиланням [1] на планшет або смартфон.
3. Увімкніть додаток, наведіть камеру на роздруковане зображення і побачите 3D модель хмарочоса на екрані смартфона або планшета.

Інформаційний блок «Хмарочоси».

Люди думали про міцність своїх осель ще з давніх часів. Міцність споруди забезпечується, в першу чергу, конструкцією, яка використовується в якості основи при його будівництві. А конструкція споруди безпосередньо пов'язана з тією геометричною формою, яку вона має. Тобто з математичної точки зору, важлива геометрична форма, в яку вписується будівля. Потрібно ретельно розрахувати сили, із якими частини споруди будуть взаємодіями одна із іншою.

Єгипетські піраміди є досі найміцнішими архітектурними спорудами, незважаючи на сучасний розвиток науки і техніки. Саме їх форма правильних чотирикутних пірамід забезпечує найбільшу стійкість за рахунок великої площі основи. Крім цього, форма піраміди забезпечує зменшення маси споруди у міру збільшення висоти над землею.

Інша проблема – це сторонні сили, наприклад сила вітру. Через висоту і велику площу фасадів хмарочосів швидкість вітру, який оточує будівлю, збільшується в рази. Вітер створює завихрення і з ще більшою силою тисне на прямокутний будинок, але вільно обтікає округлий. За допомогою комп’ютерного моделювання можливо прогнозувати поведінку фасадів будівель при поривах вітру.

Саме від форми хмарочоса залежить тиск вітру на нього. Найкраща - кругла: повітря добре обтікає, не створюючи завихрень. Друге місце - форма овалу, краплі, трикутника з округленими кутами. На третьому місці - ромб, квадрат; на четвертому - спарені висотки (зазвичай круглі), на п'ятому - Г-і Н-образні форми. Найбільша парусність у ефектного хмарочоса в формі пластини або хвилі.

Вежі Петронас Тауерс в Куала-Лумпурі, Малайзія, що входять в трійку найвищих будівель світу, примітні своїм зовнішнім виглядом - силует запам'ятовується завдяки «Небесному мосту», що зв'язує обидві будівлі в єдиний архітектурний ансамбль. Кожна з башт містить по 88 поверхів, а висота споруди сягає 452 метри (рис. 1).

Вежі-рекордсменки «тримаються» на величезних палях, довжина кожної становить майже 119 метрів. Для того щоб знизити ймовірність відхилення будови від своєї осі, ввели в структуру 23-метрові стрижні, виконані з армованого бетону.

Рис. 1. Доповнена реальність вежі «Петронас Тауерс» в Малайзії.

В основу структури хмарочоса покладена зірка (рис. 2), яка має вісім кутів - один із символів мусульманської культури. Саму будівлю вінчають купола, контури яких приблизно нагадують обриси мечетей. Верхня частина веж обладнана потужними елементами, які випромінюють сяйво, видиме здалеку - це зроблено для безпеки літаків. Хмарочос багаторазово витримував урагани, завдяки спеціально розробленим циліндричним формам.

Рис. 2. Схематичне зображення веж «Петронас Тауерс» в Малайзії [3].

Знаменитий 2-х поверховий Небесний Міст (SkyBridge), розташований між 41-м і 42-м поверхами хмарочосів є сполучною «ниткою» між вежами близнюками. У довжину SkyBridge простягнувся на 58 метрів, вага всієї конструкції становить 750 тонн, при цьому збирався міст на землі, а потім його підняли нагору і зміцнили сталлю. Цікаво, що міст закріплений не жорстко, а в особливих шарнірах, що дозволяють вежам розгойдуватися в деяких межах. Вежі спираються на 16 несучих колон. Згідно з проектом, будівля повинна зберегти стійкість навіть при втраті 3 з них, тобто має досить значну межу міцності.

Бурдж Халіфа - найвища будівля світу на цей момент. Його висота 828 метрів.

Хмарочос Бурдж-Халіфа будувався за принципом "місто в місті". Будівля абсолютно автономна. У неї знайшлося місце не тільки під численні офіси і житлові квартири, а й під бульвари, парки та магазинчики! Будівництво хмарочоса тривало протягом 5-ти років.

Форма хмарочоса асиметрична. Вежа складається з трьох елементів, що оточують центральне ядро. Підстава будівлі утворює форму трилисника (рис. 3). У міру віддалення від фундаменту відбувається звуження по уступчастій спіралі кожних з трьох елементів. Всього будівля має 27 таких уступів або терас, по 9 на кожному елементі. У вершині будівлі стає видним центральне ядро, яке набирає форму шпиля. Такий дизайн покликаний уберегти будівлю від зайвого вітрового навантаження, адже найвища точка будівлі розгойдується при сильному вітрі з амплітудою півтора метра.

Рис. 3. Схема розташування поверхів у будівлі Бурдж-Халіфа [4].

Спеціально для «Бурдж-Халіфа» в Дубаї була розроблена особлива марка бетону, що витримує температуру до плюс 50 градусів. Бетонну суміш для досягнення міцності укладали виключно вночі, додаючи в розчин лід. На рівні 160 поверху загальнобудівельна конструкція поступилася монтажу шпиля з металевих швелерів. Ключове зображення для використання мобільного додатку доповненої реальністі – хмарочос «Бурдж-Халіфа» рис. 4.

Ліппо-центр, гонконгський офісний комплекс, побудований у вигляді двох веж (48-поверхова Lippo Tower і 44-поверхова Peregrine Tower). Раніше був відомий як Бонд-центр. Висота Lippo Tower складає 186 метрів, Peregrine Tower - 172 м. Це єдині однакові хмарочоси в Гонконзі (рис. 5).

Спочатку вежами-близнюками володіла компанія Bond Corporation, але після її банкру́тства хмарочоси перейшли до індонезійської корпорації Lippo Group. Будинки Lippo Centre в народі називають «Будинок з коалами», тому що їх форма нагадує коал, які охоплюють лапами стовбур, щоб залізти на дерево.

Хмарочоси були спроектовані австралійським архітектором Полем Рудольфом, який вирішив зменшити традиційну строгість стін таких висоток, зробивши поверхи з виступаючими вікнами. Хмарочос побудований зі сталевого каркасу та має скляні фасади щоб зменшити вагу та надати будівлі футуристичного вигляду.

Рис. 4. Доповнена реальність хмарочос Бурдж-Халіфа.

Рис. 5. Доповнена реальність Ліппо-центр, гонконгський офісний комплекс.

Сама незвичайна висотка Європи.

На березі протоки Ересунд розташувався Turning Torso «Закручений торс» - хмарочос в Мальме, Швеція. Висота його рівно 190 метрів, він має 54 поверхи. Його проектував іспанський архітектор Сантьяго Калатрава, який використовував свою скульптуру «Закручений торс» за прообраз (рис. 6). Вона виконана з білого мармуру і зображує повернуту набік людину.

Рис. 6. Хмарочос «Закручений торс» та модель скульптури Сантьяго Калатрава.

Сам Turning Torso розділений на дев'ять елементів. Кожен з них - це п'ятиповерховий п'ятикутник. У міру піднесення елементи повертаються за годинниковою стрілкою, а самий верхній сегмент щодо першого поверху розгорнуто на 90 градусів. Створюється відчуття обертання цих п'ятикутників навколо вертикального стрижня, що підтримує зовнішню сталеву конструкцію (рис. 7).

Найвідомішу пам'ятку Парижа, та й Франції в цілому, називають також «залізної леді», «дамою Ейфеля», «пастушкою мостів», «мереживом металу» і вже зовсім непоетично - «купою заліза». Висота разом з новою антеною становить 324 метри (2000 рік).

Вежа складається з 18 038 металевих деталей, скріплених 2 500 000 заклепками. Фундамент зведений з бетонних масивів. Щоб спорудження зберігало відмінний зовнішній вигляд, його перефарбовують кожні сім років тільки в коричневий колір і його відтінки.

Нижня чвстина — це піраміда з квадратом в основі (кожна сторона в основі має 124,9 м), утворена 4 колонами, які з'єднуються на висоті 57,63 м арочним склепінням; над яким розміщена перша платформа Ейфелевої вежі (рис.8 ).

Рис. 7. Доповнена реальність – хмарочос «Закручений торс».

Рис. 8. Доповнена реальність Ейфелева вежа.

Задача. Вежу Ейфеля в Парижі, висотою 300 м, зроблено із заліза, якого пішло на неї 8 000 000 кг. Якщо зробити зменшену копію вежі з такого саме металу масою 1 кг, якою вона висоти?

Відповідь: Модель вагою 1 кг має висоту 1,5 метра! Справді, модель менше самої вежі за масою в 8 000 000 разів. Значить, висота моделі менше висоти вежі в таке число раз, яке, будучи двічі помножено саме на себе, складе 8 000 000. Цій умові задовольняє число 200. Розділивши висоту Ейфелевої вежі, 300 м, на 200, отримаємо 1,5 м. Результат досить дивний. 1,5-метровий залізний виріб важить всього 1 кг. Це пояснюється тим, що Ейфелева вежа - при своїх великих розмірах є спорудженням надзвичайно легким, як кажуть, ажурним.

Рис. 9. Задача про розплавлену Ейфелеву межу.

Ейфелева вежа неймовірно добре виконує те, для чого зроблена. Бути високою і стійкою при мінімумі використаного матеріалу. Замість того, щоб ховати свою роботу за фасадом, Ейфель виставляє напоказ скелет свого шедевра. Він розкрив "приховані правила гармонії". Схожі правила вірні і для нашого скелета, створюють його невагому міцність.

Щоб зрозуміти винахідливий задум Ейфеля, давайте вирішимо загадку. Уявіть, що хтось розплавив весь метал вежі і зробив кулю. Наскільки великим буде діаметр цієї кулі? (рис. 9)

Правильна відповідь - D. Якщо ви зробите так, то отримаєте кулю всього 12 метрів в діаметрі. Для своєї величезної висоти (324 метра), вежа неймовірно легка. Ось ще один приклад для порівняння. Якщо з усього заліза вежі зробити паралелепіпед з підставою, рівною основі вежі, він вийде всього 6 сантиметрів заввишки.

І останній приклад, щоб проілюструвати легкість Ейфелевої вежі. Уявіть найменший вертикальний циліндр, в який можна вписати вежу. А тепер подумайте ось про що. Маса повітря в такому циліндрі переважить масу самої вежі (рис. 10).

Рис 10. Задача про Ейфелеву межу.

При побудові вежі Ейфель скористувався будовою кісток людини.

Хмарочоси України. Першим хмарочосом, що з'явився за часів вже незалежної України став 97-метровий Будинок Національної телекомпанії України у Києві, що будувався з 1983—1992 роки. Сьогодні в ньому працюють три телеканали: «1+1», «УТ-1» і «ТРК Україна». У Харкові – це Держпром, він вражав своїм масштабом (на той час) — 13 поверхів, 68 метри заввишки і 12 ліфтів.

Завдання для учнів: спроектувати та побудувати хмарочос із простих матеріалів (бумага та скрепки).

Висновки.

Усі хмарочоси мають елементи, які повторюються. Конструкція складається із багатьох елементів та шарів. Геометричні фігури, які зустрічаються у хмарочосах: трикутники, багатокутники, прямокутники.

Форма будівлі – еліпс, прямокутник, квадрат, трикутник і інші.

Вікна – прямокутник, квадрат.

При проектуванні потрібно враховувати тиск вітру на фасади.

Завдяки тому, що AR дозволяє візуалізувати інформацію, наприклад, показати 3D-‎модель хмарочосів, ми зможемо отримувати інформацію уже в готовому для сприйняття вигляді і не будемо витрачати час і когнітивні зусилля на її інтерпретацію. Діти опанували методику побудови конструкцій із елементів, які повторюються. 3D моделі допомогли розвинути абстрактне мислення та допомогли учням вирішити поставлену задачу, та побудувати власні «хмарочоси».

Проектна діяльність, побудована на STEAM – підході при залученні доповненої реальності, стимулює розвиток та формування ключових компетентностей. У проекті було проаналізовано будову декількох високих будівель планети: вежі Петронас Тауерс, хмарочос Бурдж-Халіфа, Ліппо-центр у Гонконзі, «Закручений торс» у Швеції та елегантну Ейфелеву вежу Виявлені характерні елементи конструкцій. Самостійно на основі здобутих знань спроектовано та побудовано конструкції із простих матеріалів.

Використані ресурси:

1. Мобільний додаток доповненої реальності “Skyscrapers AR”

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.dmatsokin.skyscrapers

2. Використання проектної технології https://ru.osvita.ua/school/lessons_summary/edu_technology/33260/

2. Что общего у ваших костей и Эйфелевой башни? https://prazdniknauki.ru/eifel-tower-bones-wired/

2. Интересные факты об Эйфелевой башне Источник: https://kvn201.com.ua/eifelleva_bashnja.htm

3. http://actravel.ru/sight.php?n=32

4. https://www.factroom.ru/life/burj-khalifa

5. Вікіпедія  https://www.wikipedia.org/

Існує три перешкоди у навчанні: незрозумілі слова, відсутність маси та градієнт. Перша перешкода в навчанні: занадто крутий градієнт

Градієнт – це поступовий підхід до чого-небудь, здійснюваний сходинка за сходинкою, рівень за рівнем; при цьому на кожну нову сходинку або на кожен новий рівень можна піднятися, так що врешті-решт можна відносно легко опанувати вельми складні і важкі види діяльності.

Читаючи чи слухаючи незрозуміле слово учень вимикає мозок на подальше сприйняття інформації, тому потрібно використовувати досить зрозумілі слова та повторювати терміни протягом всіх уроків теми. Перешкода «градієнт» це перескок між інформаційними потоками, наприклад із 3 класу перейти до 5 або 6 або між темами в межах одного класу. Інформаційний потік повинен бути послідовним. ДР видаляю другу перешкоду, перед очима учня постає реальний об’єкт, який має тривимірні геометричні розміри.

1 Будівництво, як правило, починається з копання ями, яка буде тримати фундамент. Глибина шахти залежить від того, наскільки глибоко внизу фундамент і скільки фундаменту буде будівля. Щоб запобігти рух навколишнього грунту та закупорювати воду з навколо фундаменту, перед виїмкою ями може бути зведена стінка діафрагми. Це робиться шляхом копання глибокої, вузької траншеї навколо периметру запланованої ями; як виритий траншеї, він заповнений шламом (водяниста глина), щоб стіни не рушили. Коли ділянка траншеї досягає потрібної глибини, в неї згорнута клітина армування. Потім бетон закачується в траншею, витісняючи легку суспензію. Суспензію відновлюють і знову використовують в інших ділянках траншеї.

    2 У деяких випадках корінь залежить від поверхні. Грунт на верхівці корінної породи знімається, і достатньо поверхні грунтової поверхні знімається, щоб утворити гладку рівну платформу, на якій будувати фундамент будівлі. Підстилки (отвори, в яких опорні стовпчики будівлі можуть бути закріплені) підірвані або пробурені в корінці. Сталеві або залізобетонні колонці розміщені в фундаменті.

    3 Якщо глибина залягання дуже глибока, скупчення (вертикальні балки) просочуються через грунт, поки вони не вкладені в коріння. Одна методика передбачає забивання сталевих палів на місце, неодноразово скидаючи важкі ваги на вершини. Інша техніка включає в себе свердління шахт через грунт і в коріння, вкладання сталевих армуючих прутків, а потім наповнення валів бетоном.