CC BY
89КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ В СРЕДНЕЙ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ
УДК 53 (07): 004
А.Р. Сарманаева
РАЗРАБОТКА НА БАЗЕ ANDROID STUDIO ЦИФРОВОГО МОБИЛЬНОГО ПРИЛОЖЕНИЯ К УЧЕБНИКУ ФИЗИКИ 7 КЛАССА (УЧЕБНАЯ ТЕМА «ГИДРО - И АЭРОСТАТИКА»)
Обсуждается проблема разработки мобильных цифровых образовательных ресурсов для дидактического сопровождения уроков физики в средней школе. В качестве примера представлен обучающий модуль по теме «Закон Архимеда». Модуль включает теоретический материал, аудио- и видеоконтент, интерактивную модель физического эксперимента, задания для проведения опытов в домашних условиях, игровое задание (квест) и задания для самоконтроля в форме теста. Разработка мобильных приложений к учебным занятиям по физике рассматривается как средство реализации принципа «обучение здесь и сейчас».
Ключевые слова: обучение физике, электронные образовательные ресурсы, мобильное учебное приложение, мобильное обучение, Android Studio.
Введение
В век высоких технологий книги, учебные пособия в традиционном печатном виде используются все реже и реже. На их место пришли электронные версии учебных материалов, работать с которыми намного проще и удобнее. Электронные книги не теряются, они всегда под рукой. Электронные девайсы «невесомы», а их материальные носители занимают мало места.
С 2015 г., в соответствии с Федеральным законом № 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации», в российских школах началось внедрение в образовательную практику электронных учебников [9]. Учебники нового поколения включают не только текст, но и красочные иллюстрации, анимацию, видеоролики, интерактивные лабораторные задания, тесты. Активная работа по созданию электронных учебников ведется авторскими коллективами федеральных учебных комплектов по физике (Н.С. Пурышева, Н.Е. Важеевская; О.Ф. Кабардин; В.В. Белага, И.А. Ломаченков, Ю.А. Панебратцев; А.А. Алексеев; А.В. Перышкин, З.В. Александрова, В.Н. Анатольев, Л.В. Артеменко и др.), преподавателями вузов и представителями IT-компаний. Важно отметить, что такие цифровые учебные пособия, как правило, предназначены для работы на стационарных компьютерах, что в организационном плане не всегда целесообразно. Невозможно оснастить всю школу таким количеством компьютеров, чтобы их хватало на всех обучающихся.
В формате мобильных приложений, которыми может воспользоваться каждый учащийся, представлены пока лишь отдельные учебные ресурсы: справочники по физике, электронные книги (сканированные страницы печатного издания), конспекты по физике, видеоматериалы, тесты, ЕГЭ-тренажеры [1, 2, 6].
© Сарманаева А.Р., 2019
Подходы к разработке электронных учебников и цифровых мобильных приложений по физике
В развитии практики создания электронных учебников прослеживается несколько этапов. На начальном этапе информатизации образования электронные учебники преимущественно создавались на CD-дисках для персональных компьютеров. При этом не предполагалось подключение компьютеров к Глобальной сети. Такие цифровые пособия включали небольшое количество мультимедиаобъектов (тексты и формулы, иллюстрации, анимацию, видеоролики).
На следующем этапе стали создавать скан-копии традиционных печатных учебников и размещать их на образовательных сайтах (рис. 1).
Рис. 1. Учебник «Физика.7 класс» (А.В. Перышкин) [7]
По мере формирования различных концепций содержания электронного учебника развивалась система медиаформатов представления его структурных элементов. Первоначально учебные медиаресурсы размещались на специализированных образовательных сайтах. Наиболее популярным из них является сайт «Класс!ная физика всегда рядом» (рис. 2).
Рис. 2. Сайт «Класс!ная физика всегда рядом» [1]
На страницах этого сайта представлены тексты, формулы, большое количество иллюстраций, включая анимацию и видеоролики. Учащийся имеет возможность самостоятельно провести различные эксперименты, решить задачи и записать полученные данные в специальную электронную форму. Некоторые из виртуальных моделей экспериментальныхустановок позволяют реализовать в деятельности учащихся элементы исследования [3] Для самоконтроля качества усвоения материала на сайте представлены проверочные работы. Отметим, что проект «Класс!ная физика всегда рядом» работает только при наличии подключения к сети Интернет.
Особенностью настоящего этапа в создании электронных учебных пособий является разработка их мобильных версий. Это обусловлено в значительной мере появлением мобильных цифровых устройств и их широким распространением среди пользователей. Первый опыт разработки мобильных приложений для учебного процесса уже имеет место. Одной из последних разработок компании «Интернет для жизни» является мобильное приложение для сопровождения учебника «Физика. 7 класс» (авторы: В.В. Белага, И.А. Ломаченков, Ю.А. Панебратцев) (рис. 3). Это электронный учебник физики с дополненной реальностью, созданный с целью «оживления» страниц печатного издания. Приложение включает видео- и аудиоматериалы, анимированные 3D-сцены физических процессов и явлений, практические работы, графики и диаграммы, встроенные презентации, таблицы и формы для ввода данных, встроенные тесты и системы контроля знаний.
Рис. 3. Учебник «Физика. 7 класс» с дополненной реальностью (авторы: В.В. Белага, И.А. Ломаченков, Ю.А. Панебратцев) [6]
Еще одним примером электронного приложения к учебнику является проект «Увлекательная реальность». Приложение создано для 8 разделов физики и содержит более 70 демонстраций и 35 лабораторных работ. К данному проекту прилагаются специальные маркеры. При наведении на маркер на экране персонального компьютера или мобильного устройства воспроизводят-
ся 3D-модели учебных объектов. Возможно проведение учащимися отдельных виртуальных физических экспериментов (рис. 4).
Рис. 4. Образовательный комплекс «Увлекательная реальность» (https://www.youtube.com/channel/UCOe4JEsKTlctoU2vDHeQCtg)
Это весьма полезные цифровые учебные пособия. Однако не менее важной является разработка комплексных мобильных ресурсов, основанных на реализации модульного подхода к обучению. В такие мобильные образовательные ресурсы должны быть включены наиболее важные материалы, обеспечивающие завершенный цикл обучения по конкретной теме, например: учебный текст, анимация, аудиосопровождение, видеоматериалы, виртуальные лабораторные работы и задания для самоконтроля, в том числе представленные в игровой форме. Такие мобильные приложения могут быть относительно самостоятельными и применяться как средства дополнительной дидактической поддержки учебного процесса по предмету. Важной целью их разработки является реализация принципа «обучение здесь и сейчас».
Перед тем как начать процесс разработки мобильных учебных приложений, важно выяснить, устройствами какой операционной системы в настоящее время больше всего пользуются потребители. По данным исследования «Gatner» 2016 г., самым продаваемым являются мобильные устройства на базе Android - 87,8 %. Операционная система IOS занимает второе место по продажам - 11,5 %, на третьем месте Windows - 0,4 %, и другие - 0,3 % [10]. Стоимость мобильного устройства тоже является одним важных критериев его выбора для личного пользования. Анализ рынка мобильных устройств показал, что самыми бюджетными из них являются смартфоны на базе Android. Именно поэтому нами было принято решение разрабатывать приложение для смартфонов и планшетов с операционной системой Android на платформе Android Studio. Отметим, что данная платформа выбрана компанией Google в качестве основной для разработки мобильных приложений [11].
Структура и содержание мобильного приложения к учебнику физики по теме «Закон Архимеда»
В рамках нашего исследования с целью совершенствования практики цифрового обеспечения учебного процесса по физике создано мобильное приложение, поддерживающее самостоятельную работу учащихся по конкретной учебной теме. Приложение устанавливается
на смартфоне и может быть использовано учащимся в любое удобное для него время (в домашних условиях, по дороге в школу, на обычной прогулке и даже в путешествии).
При запуске программа выводит на экран главную страницу приложения, на которой представлена информация о пользователе, указаны разделы курса физики 7-го класса, включающие учебные модули по различным учебным темам, а также имеются вкладки «Справка» и «Личный кабинет (рис. 5). Учебные модули каждого раздела содержат: теоретические сведения, домашний физический эксперимент, игротеку как средство закрепления учебного материала, задания и вопросы для самоконтроля. «Личный кабинет» аккумулирует информацию об освоенных учащимся учебных темах и качестве его учебной работы. В разделе «Справка» дан перечень ресурсов Интернета, которыми обучающийся может дополнительно воспользоваться при необходимости.
Рис. 5. Рабочее окно мобильного приложения «Физика. 7 класс. Оглавление»
Рассмотрим кратко содержание одной из учебных тем раздела «Давление твердых тел, жидкостей и газов», а именно темы «Закон Архимеда», представленной в данном приложении.
Учебный материал темы в приложении не является копией текста традиционного учебника. Предполагается, что при необходимости учащийся для детального ознакомления с содержанием учебного материала может обратиться по ссылке к соответствующим интернет-источникам. Основной задачей теоретического блока темы является систематизация ранее приобретенных знаний. Основаниями для построения такой системы являются обобщенный план изучения физического закона [5]. План изучения физического закона включает следующие пункты: 1) имя ученого, открывшего закон, и его краткая биография; 2) формулировка закона; 3) математическое выражение закона; 4) опыт, подтверждающий справедливость закона; 5) границы применимости; 6) способы практического использования. Подготовка систематизированного изложения содержания закона Архимеда на основе данного плана осуществлялась с учетом материала соответствующего параграфа учебника физики для 7-го класса А.В. Перышкина [7].
На рис. 6 показан фрагмент систематизированного изложения материала по обобщенному плану. В начале текста представлена иллюстрация «Эврика», нажав на которую ученик мо-
жет перейти на страницу с видеороликом «История об Архимеде». В данном ролике рассказывается о том, как Архимед пришел к открытию закона (рис. 7). После просмотра ролика возврат на предыдущую страницу осуществляется по кнопке «Назад».
Закон Архимеда
1ПППГ
История об Архимеде
Архимед (Архгц^Зп?; 287 -212 до н. э.)
1. Имя ученого, открывшего закон. Краткая биография
Архимед - древнегреческий математик, физик и инженер из Сиракуз. Родился на острове Сицилия. Обучался в Александрии Египетской, где трудились великие умы того времени.
Сделал множество открытий в области геометрии. Заложил основы механики, гидростатики, был автором ряда важных изобретений. Изложил теорию рычагов и успешно ее применял на практике.
Рис. 6. Фрагмент страницы «Теоретический материал» по теме "Закон Архимеда"»
« ► ►►
Рис. 7. Ссылка на интернет-ресурс «История об Архимеде» [2]
По окончании работы с учебным текстом школьник может просмотреть видеоролик «Демонстрация опыта "Закон Архимеда"» (рис. 8).
Демонстрация опыта «Закон Архимеда»
Рис. 8. Видеозапись демонстрационного опыта «Закон Архимеда»
После просмотра учебной демонстрации учащийся имеет возможность обратиться к более детальному ее изучению с помощью ресурса «Интерактивное видео». При нажатии на соответствующую кнопку ученик попадает на сайт, созданный с помощью демоверсии конструктора WIX (рис. 9).
Интерактивное видео состоит из 5 html-страниц, на которых последовательно представлены видеофрагменты учебной демонстрации «Закон Архимеда» и вопросы по их содержанию. При правильном ответе на вопрос школьнику становится доступным переход на следующую страницу. Чтобы выйти обратно в приложение, достаточно закрыть браузер.
Интерактивное видео «Закон Архимеда»
Архимед
Какое оборудование и материалы используются в опыте?
ведерко Архимеда
• пружина
с указателем
• динамометр
• мерный цилиндр
• отливной сосуд
• стакан
• подъемный столик
• штатив
Рис. 9. Окно «Интерактивное видео»
Иконка «Интерактивный опыт» направляет учащегося на страницу с виртуальным лабораторным экспериментом по проверке закона Архимеда (рис. 10) [5] . Ученику при выполнении эксперимента необходимо убедиться, что архимедова сила равна весу жидкости, вытесненной телом. Для проведения опыта учащимся предлагается пошаговая инструкция.
Интерактивный опыт
Цель работы: доказать, что тело, находящееся в жидкости, теряет в своем весе столько, сколько весит жидкость в объеме, вытесненном телом.
Полученные данные:
Возьми груз и прикрепи его к крючку динамометра
ПОМОЩЬ I НАЗАД
Рис. 10. Окно «Интерактивный опыт»
Далее школьнику предстоит выполнить два домашних опыта «Шар в воде» и «Картезианский водолаз».
В первом опыте необходимо опередить вес конструкции в трех случаях (рис. 11): 1) когда шар находится в ведре с водой; 2) когда шар крепится к крючку безмена; 3) когда шар находиться в ведре с водой, но нить прикреплена к отдельному крючку. После проведения опыта необходимо объяснить полученные результаты.
А I В В |
Рис. 11. Иллюстрация к заданию «Шар в воде» [8]
Во втором опыте пипетка, частично наполненная водой, опускается в бутыль с водой. При надавливании на боковые стенки бутыли, пипетка отпускается на дно (Рабиза Ф. Опыты без приборов. М., 1988). Необходимо объяснить наблюдаемое перемещение пипетки.
Для каждого опыта в приложении указаны цель и порядок работы, обозначены поля для ввода ответов на вопросы, указана область для загрузки фотоотчета в приложение (по желанию) (рис. 12). После выхода из раздела введенные школьником данные сохраняются.
Домашний физический эксперимент «Шар в воде»
Цель: определить вес заполненного водой ведра с шаром в трех случаях: А) когда шар подвешен на ннтн. Б) когда шар на дне ведра. В) когда шар подвязан к безмену.
Оборудование: ведро, шар. домашний динамометр (безмен), нить.
Примечание: домашний динамометр (безмен) измеряет вес подвешенного к нему тела, при этом динамометр проградуирован в единицах масс. Для того чтобы определить вес тела, необходимо показание динамометра умножить на 9.8 Н/кг. так как вес тела на неподвижном подвесе определяется по формуле: Р=Рм»=т*§
Ход работы:
1. Наполните ведро водой, измерьте его вес Р1Цр, с „до«.
2. Определите вес шара Рщра
3. Поместите подвешенный шар в воду (рнс. А) п измерьте вес конструкции Рь
4. Поместите шар на дно ведра (рис. Б), и вновь измерьте вес конструшш Р;.
5. Закрепите подвешенный шар к безмену (рнс. В), и определите вес конструкции Рз.
Рис. 12. Домашний физический эксперимент «Шар в воде»
Таблица
Р(ведра с водой), Н
Р(шара), Н Р1,Н Р2, Н РЗ,Н
Уровень усвоения учебного материала контролируется с помощью теста, в который включены задания с выбором ответа и задания открытого типа (рис. 13). Для составления теста
использовались материалы методического пособия А.В Чеботаревой [8]. По окончании тестирования при нажатии кнопки «Проверить» выводится результат и дается оценка качества знаний учащегося. Тест можно проходить неоднократно. Результаты тестирования сохраняются в личном кабинете учащегося.
...больше плотность тела О ...больше плотность жидкости ... больше масса тела
Вопрос №5. Когда тело массой 10 кг опустили в жидкость, оно потеряло в весе 25 Н. Каким стал вес тела в жидкости (ответ запишите в Ньютонах)
ГОТОВО
СОХРАНИТЬ РЕЗУЛЬТАТ
ОТПРАВИТЬ РЕЗУЛЬТАТ НАЗАД
Рис. 13. Окно «Тест»
Итоговой и весьма интересной составляющей модуля по теме «Закон Архимеда является учебная игротека. Учащимся предлагается популярный в настоящее время вид игры - квест. Цель игры - пройти все ее уровни и узнать буквы кодового слова для замка, открывающего доступ к сокровищу. Квест состоит из 5 уровней.
Первый уровень. Необходимо разгадать два ребуса и ответить на один вопрос из раздела «История об Архимеде». Ответы вписываются учащимися в специальные окна ввода. При нажатии кнопки «Проверить» в случае правильных ответов программа позволяет игроку перейти на следующий этап, в противном случае на экране появляется оповещение об ошибке.
Второй уровень. Предлагается выполнить задание на установление соответствия трех карточек, которые находятся на игровом поле (рис. 14). Если три карточки собраны в группу верно, то они исчезают с игрового поля. Если подбор карточек неверный, то появляется сообщение об ошибке. Этап считается пройденным успешно, если на поле не останется ни одной карточки.
Третий уровень. Необходимо оценить выталкивающую силу, которая действует на человека в Мертвом море. Все необходимые данные для расчета приведены на стартовой странице квеста во вкладке «Табличные значения».
Вопрос №1 .Формула Закона Архимеда О Р=9.8 Н/кг рV
О Р=9,8 Н/кг рУ
О Р=9,8 Н/кг т
О
Вопрос №2.На какое из тел действует наименьшая выталкивающая сила?
1- 1 <5 wzz : m Ni -
О Шарик N-1 О Шарик №2 О Шарик №3 ) На все одинаково
Четвертый уровень. Дается задание просмотреть отрывок из фильма «Гарри Поттер», где главный герой с помощью заклинания увеличивает объем тела своей тетушки Мардж (рис. 15). Ученику требуется ответить на вопрос: «Во сколько раз нужно увеличить объем тела тетушки Мардж, чтобы она взлетела?». То есть необходимо найти отношения конечного объема к первоначальному. На данном этапе имеется возможность использовать подсказку.
Рис. 14. Второй уровень квеста
Рис. 15. Четвертый уровень квеста
Пятый уровень. На этом уровне требуется повторить интерактивный эксперимент по проверке закона Архимеда. Пользователю в этом случае является недоступной вкладка «Помощь».
Квест считается пройденным, если ученик составит из букв кодовое слово, введет его и получит доступ к сокровищу.
Время игры не ограничено. Игру можно проходить неоднократно.
Разработанное мобильное приложение по теме «Закон Архимеда» является не только источником учебной информации, но средством для ее повторения, закрепления и систематизации, формирования познавательных умений, а также контроля успешности учащихся в ее освоении. Принцип «обучение здесь и сейчас» позволяет школьнику неоднократно в любое время обращаться к содержанию ресурса, уточнять и повторять учебный материал, работать над заданиями в компании своих сверстников или совместно с родителями. Учебный материал, находящийся всегда «под рукой», лучше запоминается и успешнее применяется в дальнейшем.
Список цитируемых источников
1. Классная физика всегда рядом [Электронный ресурс]. - URL: https://www.youtube.com/user/ClassFiz (дата обращения: 14.04.2019).
2. Мультики студии «Союзмультфильм» [Электронный ресурс]. - URL: https://www. youtube.com/user/ClassicCartoonsMedia/featured (дата обращения: 18.04.2019 ).
3. Оспенникова Е.В.Методологическая функция виртуального лабораторного эксперимента // Информатика и образование. - 2002. - № 11. - С. 83-89.
4. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Виды компьютерных моделей и направления использования в обучении физике // Вестник Томского гос. пед. ун-та. - 2010. - № 4 (94). - С. 118124.
5. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Формирование у учащихся обобщенных подходов к работе с компьютерными моделями // Известия Южного федерального университета. Педагогические науки. - 2009. - № 12. - С. 206-214.
6. Открытый урок с «Просвещением». Физика. 7 класс [Электронный ресурс]. - URL: https://www.youtube.com/watch?v=cf8Med_p_A (дата обращения: 14.04.2019).
7. Перышкин А.В. Физика. 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. - 2-е изд., стер. -М.: Дрофа, 2013. - 221 с.
8. Чеботарева А.В. Тесты по физике: 7 класс: к учебнику А.В. Перышкина «Физика. 7 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений». - 3-е изд., стер. - М.: Экзамен, 2010. - 159, [1] с. -(Сер. «Учебно-методический комплекс»).
9. Электронные учебники: кто будет платить? [Электронный ресурс]. - URL: http://www. ug.ru/archive/61521 (дата обращения: 18.04.2019).
10. Gartner Says Chinese Smartphone [Электронный ресурс]. - URL: https://www.gartner. com/newsroom/id/3516317
11. OpenNews: Компания Google представила среду разработки Android Studio и добавила поддержку PHP в App Engine [Электронный ресурс]. - URL:https://www.gartner.com/ news-room/id/3516317 (дата обращения: 18.04.2019).
