ОПЫТ РАЗРАБОТКИ ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ "ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА" Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

Литература:

1. Харитонова, А.А. Методика проектно-исследовательской деятельности учащихся на уроках физики / А.А. Харитонова, Л.А. Ипкаева, А.А. Мишина // Современные исследования социальных проблем (электронный научный журнал). - 2018. - Т. 9, № 3-1. - С. 127-139

2. Милинский, А.Ю. Межфакультетский технопарк универсальных педагогических компетенций как средство профессиональной ориентации школьников на педагогические профессии / А.Ю. Милинский // Ученые записки университета им. П.Ф. Лесгафта. - 2022. - № 4(206). - С. 247-251

3. Лабутина, В.А. Преемственность развития проектных компетенций обучающихся в условиях технического творчества в дошкольном и школьном образовании / В.А. Лабутина // Информатика и образование. - 2018. - № 5(294). -С. 38-40

4. Давиденко, А.А. Творческие проекты учащихся в образовательном процессе по физике / А.А. Давиденко // Учебный эксперимент в образовании. - 2019. - № 4(92). - С. 64-70

Педагогика

УДК 373

доктор физико-математических наук, профессор Милинский Алексей Юрьевич

Благовещенский государственный педагогический университет (г. Благовещенск); техник-программист Шароян Рафаэл Сергеевич

Благовещенский государственный педагогический университет (г. Благовещенск)

ОПЫТ РАЗРАБОТКИ ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ «ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА»

Аннотация. В статье указывается на необходимость использования мобильных устройств в образовательном процессе с целью популяризации науки и уменьшения интернет-зависимости у современных молодых людей. Приводится опыт разработки мобильного приложения «Исследование колебаний математического маятника», позволяющего определять основные характеристики колебаний. Акцент статьи сделан на методические рекомендации по разработке мобильного приложения, при этом не приводится листинг программы. Разработанное приложение может являться альтернативой физическому эксперименту в лаборатории в случае отсутствия обучающегося по каким-либо причинам.

Ключевые слова: физика, цифровизация образования, мобильное приложение, математический маятник, характеристики колебаний.

Annotation. The article points out the need to use mobile devices in the educational process in order to popularize science and reduce Internet addiction among modern young people. The experience of developing a mobile application "Investigation of oscillations of a mathematical pendulum", which allows to determine the main characteristics of oscillations, is given. The emphasis of the article is on guidelines for the development of a mobile application, while the listing of the program is not given. The developed application can be an alternative to a physical experiment in the laboratory in case of impossibility of the presence of the student for any reason.

Key words: physics, digitalization of education, mobile application, mathematical pendulum, oscillation characteristics.

Введение. Нынешние студенты вузов рождены в эпоху массового использования мобильных устройств в процессе межличностной коммуникации, образования, развлечения и т.д. Недавно опубликованные результаты социального опроса указывают, что массовое распространение смартфонов привело к интернет-зависимости современных молодых людей [1]. Авторы работы [1] сформулировали рекомендации, призванные снизить у них влечение к интернету. В первую очередь необходимо активизировать включенность в интересную, полезную и значимую для них реальную деятельность. В качестве подобной деятельности может выступать образование, в процессе которого предполагается использование смартфонов в качестве инструмента при проведении экспериментальных работ по естественнонаучным дисциплинам, в частности по физике. Так, авторы [2] разработали мобильное приложение «Количество теплоты» для выполнения лабораторной работы по физике по определению количества теплоты при частично упругом ударе металлического шара о горизонтальную поверхность. Смартфон в этом случае выполняет роль прибора, предназначенного для измерения физических величин и обработки результатов эксперимента. Использование смартфонов для проведения физического эксперимента может помочь решить актуальную на сегодняшний день проблему - падение интереса среди молодежи к физике и к инженерным направлениям подготовки [3].

Активная цифровизация образовательного процесса привела к развитию новых методов и форм обучения [4]. Наблюдается трансформация образовательных технологий, все чаще в образовательном процессе используются мобильные электронные устройства, которые призваны расширить возможности и повысить качество обучения. Важность использования информационных технологий заявляется на федеральном уровне в «Стратегии развития информационного общества Российской Федерации на 2017-2030 годы».

Лабораторный физический практикум в вузе чаще всего проходит в виде натурного эксперимента [5], и такой подход вполне оправдан - обучающиеся должны учиться проводить измерения физических величин при помощи реальных физических приборов. Однако, как показывает опыт, студенты, в особенности направлений подготовки, связанных с информационными системами, больший интерес проявляют к лабораторным работам, в которых комбинируются классический подход и использование мобильных устройств. Так, авторами работы [6] продемонстрирована эффективность использования мобильных устройств при выполнении студентами вуза лабораторных работ по физике.

Для расширения возможностей обучения физике авторами было разработано приложение для смартфона по курсу «Физика» раздела «Механика». Цель статьи - привести методические рекомендации по созданию мобильного приложения «Исследование колебаний математического маятника» и продемонстрировать его возможности для проведения физического эксперимента.

Изложение основного материала статьи. Известен метод визуализации механических колебаний математического маятника при помощи потенциометра [7] и двигателя постоянного тока [8]. Однако, в этих случаях эксперимент может быть проведен только в физической лаборатории. Для устранения этого недостатка было разработано мобильное приложение для смартфона «Исследование колебаний математического маятника». Приложение позволяет визуализировать механические колебания математического маятника и определять основные характеристики колебаний, такие как коэффициент затухания, период, частота, логарифмический декремент затухания и добротность колебательной системы. Ниже приведены методические рекомендации и детальное описание работы приложения.

Для анализа затухающих колебаний используется смартфон с установленным приложением и внешнее устройство -микроконтроллер ESP32, соединенный с потенциометром в режиме делителя напряжения. Микроконтроллер в данном случае также выполняет роль источника напряжения 3.3 В для потенциометра. Данный контроллер оснащён модулем беспроводной связи Bluetooth версии 4.2. До тех пор, пока беспроводной модуль не сопряжён с каким-либо устройством, контроллер находится в режиме ожидания сопряжения. Если внешнее устройство установило сопряжение с микроконтроллером, он переходит в режим ожидания команд. При получении команды на отправку данных контроллер устанавливает текущий момент времени как нулевой. Далее с частотой 20 раз в секунду он считывает напряжение на среднем выводе потенциометра. Так как аналого-цифровой преобразователь контроллера имеет погрешность около 0,01 В, опрос контакта происходит не однократно, а десять раз, после чего усредняется полученное значение. Далее формируется пакет для отправки на сопряжённое устройство, включающий в себя код пакета, значение напряжения, время и спец-код окончания пакета. Параллельно формированию пакетов контроллер проверяет состояние сопряжения, а также наличие новых поступивших команд, таких как, например, стоп, сброс, разрыв соединения.

В приложении при переходе в окно проведения эксперимента с затухающими колебаниями показывается информационное окно, содержащее краткую теорию и информацию о последовательности действий. При переходе далее приложение проверяет доступ к беспроводному модулю смартфона, и в случае отсутствия запрашивает его. Затем проверяется, включен ли Bluetooth на телефоне: если выключен, приложение проинформирует пользователя об этом. При условии включенного Bluetooth приложение начинает попытки подключиться к внешнему устройству по его MAC-адресу (MAC-адрес устройства находится на его корпусе, в случае замены устройства на другое в настройках приложения необходимо поменять адрес для сопряжения по умолчанию).

Так как контроллер оценивает напряжение на контакте в битах диапазоном 0-4095, где 0 бит означает, что напряжение равно нулю, а 4095 бит означает максимальное напряжение, равное 3,3 В, то происходит преобразование бит в В по формуле

U = 3,3

4095

где Ьвх - это количество бит, пришедшее от микроконтроллера. В силу того, что такое преобразование является операцией над числами с плавающей запятой, оно не лишено погрешности. Чтобы минимизировать погрешность при многократном преобразовании входных значений, а также снизить нагрузку на процессор смартфона, при успешном подключении в памяти телефона единожды формируется ассоциативный массив напряжения, где индекс элемента равен количеству пришедших бит, а значение, посчитанное по формуле, выше напряжения. Таким образом, происходит избегание ситуаций, где для одинаковых входных данных, из-за погрешности расчёта, было посчитано разное значение напряжения. Также благодаря тому, что время взятия элемента из массива по индексу является постоянным, то есть не зависит от размера массива, мы получаем улучшение производительности, так как для входящих пакетов не происходит преобразования из бит в В, а производится взятие напряжения из массива по индексу.

Далее, по команде пользователя (рис. 1), происходит отправка спец-сигнала контроллеру, который означает, что смартфон готов принимать значения, после чего создаётся отдельный поток, который принимает и анализирует входные пакеты.

Рисунок 1. Окно приложения перед началом эксперимента

Если пакет не был поврежден, то из него извлекаются данные о количестве бит и времени фиксации, которые сохраняются в ОЗУ смартфона и отправляются на главный графический поток приложения для отображения на графике (рис. 2).

■10 -5 0 5 10 15

Рисунок 2. График колебания математического маятника

При запросе пользователя производится анализ всех полученных данных. Происходит отсекание лишних данных, выявление уровня плато напряжения, нахождение точек локальных максимумов колебания и их дальнейшая аппроксимация (рис. 3).

Рисунок 3. Аппроксимация локальных максимумов колебания экспоненциальной зависимостью

Аппроксимация амплитудных точек производится степенной функцией:

y = ,

где b - коэффициент затухания колебаний, А - амплитуда напряжения в начальный момент времени, y - амплитуда напряжения в момент времени t = x. Аппроксимация производится методом наименьших квадратов, то есть подбирается функция с наименьшими квадратами разности отклонения от исходной функции. При желании пользователь может экспортировать данные в документ Microsoft Excel для дальнейшего самостоятельного анализа и расчета основных характеристик затухающих колебаний.

Выводы. Таким образом, в статье даны подробные методические рекомендации по разработке приложения «Исследование колебаний математического маятника», позволяющего визуализировать колебания математического маятника, а также определять основные характеристики колебательного процесса. Приложение может быть использовано для проведения лабораторной работы в курсе «Физика», для проектной работы школьников и студентов, а также в домашних условиях, когда нет доступа к физическим лабораториям.

Литература:

1. Скобликова, Т.В. Интернет-зависимость в молодежной среде как одна из проблем современного общества / Т.В. Скобликова, Е.В. Скриплева // Современные проблемы науки и образования. - 2020. - № 2. - С. 83.

2. Милинский, А.Ю. Опыт разработки и применения в лабораторном практикуме курса общей физики приложения для мобильных устройств "Количество теплоты" / А.Ю. Милинский, Р.С. Шароян // Проблемы современного педагогического образования. - 2022. - № 76-4. - С. 209-212

3. Пипич, П.В. Стимулирование изучения физики в колледже информатики / П.В. Пипич // Научно-педагогическое обозрение. - 2022. - № 4(44). - С. 62-71

4. Стариченко, Б.Е. Цифровизация образования: иллюзии и ожидания / Б.Е. Стариченко // Педагогическое образование в России. - 2020. - № 3. - С. 49-58

5. Леонтьева, Н.В. Применение ИКТ в натурном эксперименте лабораторного практикума по физике / Н.В. Леонтьева // Молодой ученый. - 2013. - № 6(53). - С. 700-703

6. Милинский, А.Ю. Оценка эффективности лабораторного практикума с использованием мобильных устройств в обучении физики студентов вуза / А.Ю. Милинский, Е.П. Процукович // Ученые записки университета им. П.Ф. Лесгафта. -2022. - № 7(209). - С. 271-276

7. Монахов, В.В. Исследование колебаний маятника в поле силы тяжести / В.В. Монахов, О.В. Огинец. - СПб: Издательство СПбГУ, 2006 (Учебно-методическое пособие). - 24 с.

8. Милинский, А.Ю. Исследование затухающих колебаний математического маятника при помощи цифровой лаборатории Releon / А.Ю. Милинский // Физика в школе. - 2023. - № 2. - С. 34-38