Full text
В связи с появлением в жизни человека нового элемента или инструмента, в данном случае смартфона, происходит процесс перестройки его деятельности. Так, Л.С. Выготский [1] писал о том, что включение инструмента в процесс поведения человека вызывает к жизни целый ряд новых функций, связанных с использованием данного инструмента и управлением им, делает ненужным целый ряд естественных процессов, работу которых теперь выполняет инструмент, видоизменяет протекание психических процессов и их интенсивность, длительность, последовательность, замещает одни функции другими, т.е. перестраивает всю структуру поведения. Эти положения полностью относятся к таким инструментам, как гаджеты. Слово гаджет – от англ. Gadget — штуковина, приспособление, устройство, безделушка - небольшое устройство, предназначенное для облегчения и усовершенствования жизни человека. Следует подчеркнуть, что нередко гаджеты называют девайсами – от англ. Device — прибор, устройство — это самостоятельное устройство, не требующее дополнительных подключений к другим устройствам, которое используется во многих областях и предназначено для выполнения частной, специальной задачи. В русскоязычной традиции так сложилось, что эти понятия тесно переплетаются, но это нельзя сказать об их использовании в английском языке. На английском языке термин «девайс» имеет более широкое распространение, и те устройства, которые мы будем рассматривать, а именно смартфоны, в английском варианте, скорее всего, назывались бы девайсами. Но в русскоязычной практике чаще применяется понятие гаджет, которое широко вошло в наш лексический оборот. Из всего огромного мира современных гаджетов, имеющих множество полезных назначений, целесообразно рассмотреть отдельно применение смартфонов и их использование непосредственно в учебном процессе. Для этого есть немало оснований, начиная от их широкой распространенности в студенческой среде, мобильности, компактности, универсальности их функций, и заканчивая широчайшим спектром программного обеспечения для этих устройств. Обзор отечественной и зарубежной литературы по теме исследования Как и любое другое социальное явление, применение гаджетов, по словам Голицына И.Н., Половникова Н.Л. [2] имеет и положительные, и отрицательные стороны. Возможность активного взаимодействия и работы в группе, наличие сенсорного экрана, компактность, использование беспроводной сети, отсутствие привязки к конкретному месту, возможность дистанционного обучения, быстрый поиск необходимой информации – положительные аспекты использования смартфонов, а небольшой экран, ограниченность возможностей, необходимость подзарядки – отрицательные. В статье А.М. Таунсенд "Жизнь в городе реального времени: мобильные телефоны и городской метаболизм" [3] высказывается мнение о том, что пользователи смартфонов и сети Интернет должны быть достаточно образованы, чтобы иметь возможность максимально эффективно использовать возможности новых технологий. Именно эффективность применения данных девайсов и их рациональное использование делают эти устройства столь полезными в образовательных целях. Анализ применения гаджетов студентами в образовательном процессе был проведен Протопопова С.В. и Макаренко Т.А. путем анкетирования более пятидесяти студентов бакалавриата, проживающих в общежитиях СВФУ (Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова). Результаты таковы: большинство студентов пользуются гаджетами в качестве шпаргалок, что нельзя считать позитивным. Только 37% студентов пользуются гаджетами во время занятий для учебных целей. Не используют гаджеты в учебном процессе только 2%. С помощью девайсов студенты получают информацию, готовятся к занятиям, записывают лекции, просматривают методические материалы и учебники - это положительные моменты их использования. Однако, возможность подсмотреть ответ или решение во время контрольных и самостоятельных работ, пребывание в социальных сетях во время занятий являются отрицательными примерами использования смартфонов. Анкетирование 48-ми студентов 1-го курса ФГБОУ ВО МГУПП по вопросу их осведомленности об оснащении их девайсов датчиками для наблюдения и отслеживания различных процессов показало, что примерно 29 % (14 человек) смогли назвать только датчик GPS, ещё 6 % (3 человека) добавили к нему датчик отпечатка пальца, плюс 10 % (5 чел.) вспомнили о датчике освещенности, 2 % добавили датчик приближения. Некоторые ответы звучали как курьёзы. Так в качестве датчика был назван фонарик, датчик положения телефона, а не гироскоп, датчик автоблокировки, шагомер, лупа. Таким образом, просматривается недостаточная осведомленность, а также путаница в понятиях – инструмента (датчика) и программного продукта. Напрашивается вывод: с одной стороны, современный человек не может обходиться без гаджетов, в том числе в процессе обучения, а с другой стороны, использует лишь незначительную часть функций, предоставляемых этими устройствами и программными приложениями для них. Необходимость идти в ногу со временем, связанная с повышением конкурентоспособности и профессиональной компетентности специалистов, настоятельно требует и от преподавателей, и от студентов освоения новых технологий профессиональной деятельности. Последнее обстоятельство приобрело особое значение в период дистанционного обучения. Исходя из вышесказанного, целью настоящей работы является раскрытие потенциальных свойств мобильных гаджетов с точки зрения возможности их применения в качестве мощного инструмента для измерения и фиксации различных физических величин и использования результатов этих измерений в творческих работах студентов, что, в свою очередь, должно способствовать формированию самостоятельных высококвалифицированных специалистов различных направлений подготовки, способных применять полученные знания и навыки в своей профессиональной деятельности. Среди основных задач данного исследования следует указать: Изучение данных об оснащении смартфонов датчиками и применении различных датчиков для измерения физических величин. Изучение материалов о применении различных программных продуктов - мобильных приложений для измерения физических величин. Ознакомление с опытом применения смартфонов как измерительных комплексов для физических измерений. Поиски программных продуктов для обработки результатов экспериментов. Проверка на опыте применения смартфона для физических измерений в творческих работах студентов. В методической литературе [4, 5, 6, 7, 8] рассмотрен целый ряд аспектов применения современных гаджетов в образовательных целях. В данной работе рассматривается применение гаджетов в качестве мощного исследовательского инструмента в ходе практических и лабораторных занятий по общей физике. В технических ВУЗах курс общей физики, как правило, включает в себя как практические занятия, так и лабораторные работы. В силу явной политехнической направленности курса физики приобретение практических навыков выполнения эксперимента, измерений, фиксации и обработки результатов имеют принципиальное значения для будущей профессиональной деятельности инженеров и развития кругозора и компетенций студентов других специальностей. Лабораторные работы играют важнейшую учебно-познавательную роль в образовательном процессе, развивают навыки самостоятельной работы, индуктивного мышления, доказательной защиты полученных результатов, навыки математической, в том числе графической интерпретации результатов, и, главное, дают синергетический эффект, то есть умножение знаний, умений, навыков при включении их в учебный курс. К тому же, что немаловажно, они имеют серьезное психологическое воздействие на студентов, вызывая у них прилив энтузиазма и желание самостоятельного познания в процессе выполнении эксперимента. Лабораторные практикумы составляются опытными профессионалами, и сами по себе являются научной работой, ведущей студентов по стезе познания. Вместе с тем, в силу ряда обстоятельств база лабораторных работ в ВУЗах страны в последние годы слабо развивается, оборудование устаревает морально и физически, выходит из строя. Независимо от этих негативных факторов, было бы методически верно и полезно предложить студентам провести самостоятельное исследование при помощи гаджетов, используя их как средства измерения и фиксации результатов. Ведь само содержание политехнической подготовки должно отражать состояние современной техники и информационных технологий, вызывать у студентов непосредственный интерес и желание расширить пределы применения любимых девайсов во всех сферах жизнедеятельности. Так как преподаватель больше не единственный источник информации, его роль изменяется. Современный преподаватель обязан использовать такие педагогические и информационно-коммуникационные технологии, которые бы способствовали развитию у студентов учебно-познавательной активности, а также формированию и развитию ключевых компетенций. Одна из таких технологий – технология мобильного обучения с использованием принципа BYOD в процессе обучения. BYOD (Bring Your Own Devices – «возьми свое собственное устройство») – это принцип активного использования для учебных занятий смартфонов, ноутбуков, планшетов и других цифровых устройств. Он активно применяется во многих учреждениях высшего образования, в том числе и в ФГБОУ МГУПП. В настоящее время преподаватели вузов создают учебный контент на сайтах образовательных учреждений, таким образом осуществляется принцип гуманизации образования и создание единой информационной образовательной среды. И действительно, на сайте ФГБОУ ВО МГУПП располагается аналогичный контент - e-learning, широко применяемый преподавателями и студентами. Также следует отметить, что применение гаджетов, в основном смартфонов, при выполнении измерений для проверки физических законов в корне может поменять отношение студентов к этим устройствам. Оно может претерпеть кардинальную трансформацию – от рассмотрения гаджетов как средств связи и устройств для потребления игрового и музыкального контента, а также общения в соцсетях – к фактору on-line образования, и далее – к осознанию наличия в руках мощного инструмента исследований, измерений, фиксации данных. При этом следует учитывать, что для овладения инструментарием различных девайсов сначала необходимо подчинить свои действия логике, запрограммированной в этих устройствах, а затем уже применить их для решения целей и задач своей деятельности. Такой подход обеспечит новые возможности в достижения результатов деятельности. Следовательно, на первом этапе средство или ресурс выступает предметом учебной деятельности, в ходе которой приобретаются знания о работе средства, изучаются приемы взаимодействия с ним, усваиваются навыки работы [9]. На втором этапе данный ресурс превращается в средство решения учебных или профессиональных задач. Это превращение предмета учебной деятельности в средство определяет развитие мышления человека, перестройку привычных действий, форм и способов деятельности. Следовательно, можно высказать гипотезу, что переосмысление функции смартфона и его превращение из средства связи и развлечений - в исследовательский инструмент, приведет студентов к пониманию необходимости глубокого изучения этого мощного инструмента с целью его применения в профессиональной деятельности. Использование смартфонов в качестве цифровых измерительных комплексов формирует ценностное отношение к ним как к инструментам различных исследований [10, 11]. Современные смартфоны и планшеты – это мощные и сложные устройства с большим количеством датчиков, использование которых позволяет провести многочисленные исследования. Можно не просто измерять различные физические параметры, но и проводить анализ и статистическую обработку результатов исследований с помощью специальных программ [12]. Для того, чтобы превратить смартфон в настоящую измерительную лабораторию, нужно установить специальное программное обеспечение, которое предоставило бы доступ пользователю к использованию датчиков. Смартфон при установке соответствующего программного обеспечения может быть использован для замены таких физических приборов как секундомер, метроном, стробоскоп, генератор звука, барометр, акселерометр и многих других. Результаты Смартфоны оснащены изрядным количеством датчиков, которые обеспечивают разнообразие их функций, а именно: акселерометр или G-сенсор служит для измерения ускорения устройства по трём осям, совместно с ним применяется гироскоп. В отличие от акселерометра, гироскоп может определять положение в пространстве (угол наклона по трём осям) даже неподвижного девайса. Погрешность откалиброванного гироскопа в современных смартфонах, как правило, не превышает 1-2 градусов [13]. Практически в каждом смартфоне имеется магнитометр. Этот датчик реагирует на магнитное поле Земли и позволяет таким образом определять стороны света. Магнитометр - чувствительный сенсор, а потому смартфоном, оснащенным магнитометром, можно, например, искать проводку в стене, если она замурована неглубоко - достаточно скачать приложение, которое будет считывать показания датчика. Смартфоны также не обходятся без датчика приближения. Сенсор представляет собой инфракрасный излучатель с приёмником, спрятанный под фронтальным стеклом устройства. Он может определять наличие предмета перед собой на расстоянии около пяти сантиметров. Достаточно поднести смартфон к уху во время звонка, и благодаря этому датчику дисплей автоматически отключится или включится. Оснащают смартфоны и датчиками освещённости. В более продвинутых гаджетах можно встретить и другие сенсоры. Один из них - барометр. Скачав одно из многих бесплатных приложений, можно использовать барометр и по его прямому назначению - узнавать атмосферное давление в паскалях или миллиметрах ртутного столба. Также возможно использование барометра в качестве альтиметра - прибора, измеряющего высоту над уровнем моря. В некоторых смартфонах можно также найти термометр, гигрометр, и даже дозиметр. Практически любой современный смартфон оснащён минимум пятью разными датчиками, а в топ–версиях их количество достигает двенадцати. Для реализации возможностей датчиков смартфонов и проведения с ними различных экспериментов рассмотрим одно из многочисленных приложений для смартфонов. Оно уникально тем, что написано специально для целей проведения физических экспериментов - Physics Toolbox Sensor Suite (Набор инструментов для применения сенсоров смартфонов в физике). Идея создания данного приложения принадлежит супружеской паре Кристиану и Ребекке Виера (Chrystian Vieyra, Rebecca Vieyra), закончившим Иллинойский Университет и живущим в штате Колумбия [14]. Следует отметить, что приложение Physics Toolbox Sensor Suite дает возможность проводить измерения одновременно несколькими сенсорами - опция Multi report (мульти отчет). Это огромное преимущество, так как позволяет осуществлять большое разнообразие экспериментов. Данные измерений собираются и записываются в этом приложении после выбора одного – двух датчиков и нажатия кнопки «+» - запись (рис. 4). Потом результаты измерений сохраняются в файле формата CSV (от англ. Comma-Separated Values - значения, разделённые запятыми - текстовом формате, предназначенном для представления табличных данных), который можно скачать на компьютер и планшет (переслать с телефона на почту), и далее файл может быть проанализирован с помощью подходящего программного обеспечения. В последние годы было предложено множество физических экспериментов, осуществляемых с помощью смартфонов [15, 16]. Примечательно, что эксперименты, фокусирующиеся на свете и оптике, а особенно те, которые используют сенсор освещенности, получили незначительное внимание по сравнению с экспериментами, фокусирующимися на механике, колебаниях или магнетизме. В иностранных источниках имеется описание подобных экспериментов [17, 7, 14]. Одновременное использование двух сенсоров, таких как гироскоп и акселерометр было предложено, чтобы установить связь между угловой скоростью, центростремительным и тангенциальным ускорением. В другом эксперименте датчик давления и GPS были использованы синхронно, чтобы найти связь между атмосферным давлением и высотой над уровнем моря. Одно из интереснейших применений смартфонов с одновременным использованием сразу двух датчиков можно видеть на примере проверки закона Малюса. Идея этого эксперимента принадлежит группе ученых из Университета Республики Уругвай – Мартину Монтеро, Сесилии Стари, Сесилии Кабеза и Артуро Марти. Однако, необходимо привести более серьезное теоретическое обоснование, а для получения достоверного результата - усовершенствовать методику проведения измерений. С помощью поляризатора из естественного света получают плоскополяризованный свет. Анализ же характера поляризации может быть произведен с помощью поляризатора, называемого в этом случае анализатором. Поляризатор свободно пропускает колебания светового вектора, параллельные плоскости поляризатора, и полностью задерживает колебания, перпендикулярные к этой плоскости. Рис. 1. Пропуск поляризационного света через анализатор [18] Если пропустить плоскополяризованный свет через анализатор, то при вращении анализатора вокруг направления луча интенсивность проходящего света будет изменяться от максимального значения до нуля, причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол α ꞊ π/2 (за один полный оборот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности). Интенсивность прошедшего через анализатор света J связана с интенсивностью падающего плоскополяризованного света Jo по закону Малюса: J= Jocos2α (1) где  - угол между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью анализатора. Если эти плоскости взаимно перпендикулярны, то интенсивность прошедшего света будет равна нулю, т.е. будет наблюдаться полное затемнение. В курсе общей физики в ФГБОУ ВО МГУПП проводится лабораторная работа по изучению поляризации света с проверкой закона Малюса и построением в полярных координатах графика измеренных значений силы фототока (интенсивности света) в относительных величинах J/Jo в зависимости от угла , и на этой же координатной сетке строят график функции cos2 , где  - угол между плоскостями поляроидов. Далее сравнивают этот график с графиком, построенным по экспериментальным данным. Проверка данной закономерности с помощью смартфона с последующим построением графиков может стать прекрасным творческим заданием для студентов. Будучи знакомыми с закономерностью, они получат возможность проделать самостоятельную творческую работу с помощью простейших средств, не требующих специальной экспериментальной базы. Оборудование и процедура исследования. Для эксперимента необходимы: источник поляризованного света, поляризатор, фотометр и способ измерения углов. Источник линейного поляризованного света – это плоский компьютерный монитор (или LCD телевизор), излучающий белый свет. Сенсор освещенности любого Android смартфона, расположенный рядом с фронтальной камерой (рис.2), используется как фотометр, а датчик наклона смартфона используется для измерения углов. Рис. 2. Сенсор освещенности любого Android смартфона, расположенный рядом с фронтальной камерой Небольшой фрагмент поляризатора (квадрат 1х1 см), в качестве которого можно применить поляризационную пленку для экрана смартфона (имеется в свободной продаже по символической цене), был расположен поверх сенсора освещенности (Рис. 3). Рис. 3. Фрагмент поляризатора Датчик освещенности работает как линейный фотометр и измеряет освещенность, то есть поток света, падающий на единицу поверхности [19]. В тоже время, как в законе Малюса релевантная переменная - интенсивность излучения, то есть сила света. Освещенность в определенной точке на поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, определяется как отношение силы света к квадрату расстояния от этой точки до источника света. Если данное расстояние мы примем за d, то это отношение можно выразить следующей формулой: E = Id2 (2) Это отношение называется "закон обратных квадратов" и позволяет считать интенсивность света пропорциональной освещенности поверхности при условии неизменного расстояния от этой поверхности [17]. Именно поэтому интенсивность плоскополяризованного света от монитора компьютера измеряется посредством датчика освещенности смартфона с крошечным поляризатором - анализатором, прикрепленным к нему, в то время, как угол между плоскостью поляризации света монитора и плоскостью поляризации поляризационного преобразователя, прикрепленного к смартфону, измеряется посредством датчика наклона [20]. Одновременное использование этих двух сенсоров позволяет упростить дизайн (техническое устройство) эксперимента и выполнить ряд измерений всего за несколько минут. Экспериментальные результаты измерения интенсивности света как функции от угла показывают отличное соответствие закону Малюса [21]. В процессе проведения данного эксперимента с участием студентов I первого курса МГУПП выяснилось, что приложение Physics Toolbox Sensor Suite для различных смартфонов имеет разные конфигурации. В частности, для iPhone отсутствует возможность одновременного использования двух сенсоров, что явно приводило к изменению и усложнению дизайна всего эксперимента. Но постановка нестандартного, хоть и не сложного эксперимента, вызвала к жизни творческую энергию студентов, и они практически немедленно предложили решение – скрепить вместе два гаджета, которые таким образом будут производить измерения, каждый с помощью одного датчика – или только освещенность, или только угла наклона, но синхронно. Таким образом, эксперимент был поставлен двумя способами, давшими аналогичные результаты. Процедура исследования - следующая: так как приложение Physics Toolbox Sensor Suite для Android дает возможность одновременно измерить освещенность и угол, мы воспользовались опцией Multi report (мульти отчет), в которой выбрали используемые сенсоры. В нашем случае - сенсор освещенности и датчик наклона (рис.4). После запуска приложения смартфон с закрепленным на нем поляризатором располагают прямо перед монитором, как показано на рис. 5. Следует обращать внимание, чтобы расстояние до монитора не изменялось, и интенсивность света была постоянна. Рис. 4. Сенсор освещенности и датчик наклона Рис. 5. Расположение смартфона с закрепленным на нем поляризатором Важным моментом дизайна эксперимента является то, что угол наклона смартфона должен совпадать с углом между осью поляризации света от экрана и осью анализатора, как показано на рис. 6. Рис. 6. Совпадение угла смартфона Чтобы это сделать, необходимо начать эксперимент с ориентации смартфона. Для этого будем вращать поляризатор-анализатор в поисках минимальной интенсивности света, проходящего от экрана через поляризатор. В этой позиции поляризатор-анализатор прикрепляется небольшим кусочком скотча поверх сенсора освещенности смартфона, расположенного вертикально. В результате ось анализатора перпендикулярна оси поляризации света от экрана монитора, как показано на рис.5. Далее мы нажимаем на кнопку «+» и записываем данные с помощью приложения, аккуратно вращая смартфон перед экраном монитора как минимум четверть полного круга. Из-за симметрии закона Малюса сбор данных из более широкого диапазона приведет к дублированию данных. Как только данные собраны и записаны, приложение Physics Toolbox сохранит их в файле формата csv. Файлы csv, собранные из нескольких столбцов (показывающих переменные от выбранных сенсоров), разделенные запятой или другим знаком, не представляют сложности в обращении с ними. В этом эксперименте мы использовали только столбцы, соответствующие углу наклона и освещенности. Ниже в таблице (табл. 1) приведен csv-файл, сделанный при наименьшей скорости записи. Таблица 1. Данные с csv-файла, сделанного при наименьшей скорости записи Time, с J Pitch Угол, о cos 2ϴо 0,794 3 -86,052 86,052 0,00474 0,966 3 -87,067 87,067 0,002618 1,808 4 -68,522 68,522 0,134061 1,967 5 -64,227 64,227 0,189057 2,796 38 -44,028 44,028 0,516961 2,976 42 -40,599 40,599 0,57651 3,795 71 -29,984 29,984 0,750242 3,969 69 -26,159 26,159 0,805639 4,796 75 -14,582 14,582 0,936614 4,969 79 -13,665 13,665 0,944188 5,796 86 -1,861 1,861 0,998945 5,969 79 -2,361 2,361 0,998303 6,796 83 -2,248 2,248 0,998461 А график, приведенный ниже, построен по данным csv–файла, сделанного на максимальной скорости записи данных, и содержащего 490 строк. Этот график, построенный с помощью инструментов Excel (рис. 7), хорошо согласуется с законом Малюса. Рис. 7. Графическое представление по данным csv–файла, сделанного на максимальной скорости записи данных, и содержащего 490 строк   Результаты эксперимента Экспериментальные данные, полученные с помощью измерений смартфоном, приведены на рис. 7. График функции cos2ϴ от угла между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью анализатора и график отношения I/Io как функции от угла, хорошо совпадают. Показатели, полученные в результате эксперимента, полностью согласуются с ожидаемыми. Благодаря одновременному использованию двух наименее часто используемых сенсоров в смартфоне возможно доказать закон Малюса максимально доступным для студентов способом, который позволяет им проявить самостоятельность и вовлеченность в творческий процессе. Заключение В результате проведения такого творческого задания происходит развитие навыков самостоятельной творческой работы, пополняется арсенал знаний в различных областях науки и техники [22]. Так, студенты познакомятся с различными углами наклона, применяемыми для ориентации смартфона – азимут, тангаж, крен. Изучат теоретический материал по светотехническим величинам, выявят связь освещенности и интенсивности света, познакомятся с «законом обратных квадратов», связывающим освещенность и интенсивность света, с методами обработки и графической интерпретации результатов, подробнее вникнут в такой широко применяемый, в частности в экономических расчетах, инструмент как Excel, и научатся обрабатывать с его помощью результаты и строить графики. Данная работа ещё не закончена и требует поисков наиболее оптимальной реализации. Именно на нахождение наиболее технологичного автоматизированного способа обработки результатов и будут направлены дальнейшие исследования, так же как и на углубление теоретического обоснования эксперимента. Однако, можно заключить, что главная цель достигнута - раскрыт потенциал смартфонов как измерительного инструмента, сформированы навыки самостоятельной творческой деятельности студентов, получены знания и навыки, которые могут быть перенесены в профессиональную деятельность. Задача высшего образования – формирование самостоятельных высококвалифицированных специалистов по различным направлениям подготовки, способных перенести на другие виды деятельности навыки логического и научного мышления, которые приобрели при выполнении творческих работ. Усвоение навыка переноса произойдет с большим эффектом, если студент получит интеллектуальное удовольствие от научного подхода, творческой деятельности, осознает ценность полученного опыта для дальнейшего обучении в университете, в будущей профессиональной деятельности. Одним из самых действенных методов для достижения поставленной цели, на взгляд автора, являются творческие работы с элементами научных исследований, особенно если они осуществляются с помощью современных девайсов, применение которых приобретает новый практический смысл.