Головокружение от успехов: что на самом деле может, и чего не стоит ждать от смартфона shperk's blog / 29.06.2013 Эти строки я пишу в вагоне поезда, который везет меня в Москву, где в рамках Летней школы «Наноград» будет проходить мастерская «Смартфон как физическая лаборатория». Тема смартфонов за последний год заняла прочное место на «Галактике». Многие обдумывают способы применения их в учебном процессе, придумывают идеи экспериментов и учебных проектов. Однако в погоне за новыми идеями фантазия может завести слишком далеко – не все функции, кажущиеся на первый взгляд очевидными, могут быть реализованы и использованы.Более того, зачастую даже наличие приложений, якобы использующих интересующие нас возможности, не дает гарантий от провала: в лучшем случае погрешность измерений не позволит учащимся произвести анализ результатов исследования, в худшем – сама программа может оказаться розыгрышем, искусно имитирующем «настоящий научный прибор», а на самом деле - измеряющим неизвестно что.Помочь справиться со всем этим может только знание. Попробуем разобрать несколько мифов, понимая суть которых, мы сможем более критично относиться к идеям проведения физических экспериментов.1. Ньютон и смартфонПервый миф, с которым я столкнулся при исследовании датчиков смартфона, заключается в том, что координаты и скорость перемещения смартфона в любой момент может быть легко измерена.К сожалению, это не совсем точно. В смартфоне, как правило, есть два датчика, которые «отвечают» за измерения, связанные с перемещениями в пространстве: это GPS и акселерометр.Датчик GPS фиксирует при помощи спутника координаты точки, где в настоящий момент находится смартфон. Точность этих измерений может колебаться, как правило, от (минимум) нескольких метров до нескольких десятков, и даже пары сотен метров.Во время наших прошлогодних экспериментов в Казани пять одинаковых смартфонов, движущихся одновременно по одной траектории, давали координату с разбросом в 30-50 метров. При этом надо понимать, что работает датчик GPS, как правило, только на открытом воздухе: в помещении он практически бесполезен.С помощью акселерометров можно измерять ускорение, с которым движется телефон по каждой из трех пространственных осей. Датчики используются для того, чтобы отследить короткие перемещения телефона: повороты, небольшие резкие смещения. Если телефон все время движется с ускорением, то рассчитать пройденное расстояние можно по простой формуле. Темы учебных проектов, связанные с исследованием такого движения наиболее просты в реализации и могут быть рекомендованы прежде всего. Однако акселерометры бессильны, если телефон движется с постоянной скоростью. Помните закон Ньютона? Для акселерометра телефон, движущийся равномерно, ничем не отличается от покоящегося на месте.Есть и еще один момент. Измерение ускорения производится дискретно, поэтому пройденное расстояние будет результатом множества измерений, при этом накапливается существенная ошибка, в разы превышающая сам результат измерений.2. Измеряем расстояния в попугаях?Одной из самых любопытных тем для проектов является измерение высоты удаленных предметов. Такие измерения производятся на основе хорошо известного свойства подобных треугольников, и, кажется, что никаких «подводных камней» тут возникнуть не может. На самом деле они есть, и связаны, прежде всего, с погрешностью измерений. На маленьком экране смартфона, который, к тому же, не зафиксирован надежно, а держится в руках, очень трудно совместить «прицел» с нужными точками. При этом миллиметр погрешности на маленьком треугольнике приводит к ошибке в несколько метров (или даже десятков метров) на большом. Вследствие этого значимость данного метода резко понижается.3. Дайте больше света!Самый простой эксперимент, с которого мы начинаем программу нашей физической лаборатории – это исследование зависимости освещенности от расстояния до источника. Я не стал бы даже и рассказывать об этом, если бы не одно «но». Точность измерения датчика освещенности смартфона оказалась равна 5000 люкс. Это, конечно, очень грубый прибор. Проводить при помощи датчика освещенности какие-либо измерения весьма сложно. Но еще сложнее интерпретировать полученный результат – вследствие погрешности полученные данные могут сильно отличаться от теоретических.4. А в действительности все было не так, как на самом деле…Последнее, о чем хотелось бы рассказать – это о программах-розыгрышах. К сожалению, среди мобильных приложений часто можно встретить программы, которые работать не могут в принципе или используют столь странную интерпретацию измеряемых данных, что говорить всерьез о том, что они что-то измеряют, не приходится.Классический пример программы-розыгрыша – это «раздевающий сканер», программа, которая якобы может сфотографировать человека без одежды. Программа основана на том факте, что матрица камеры телефона чувствительна к ИК лучам (и на этом принципе построен ряд действительно интересных экспериментов, к примеру, с фотографированием сигнала от пульта управления телевизором). Более того, некоторые сканеры в аэропортах (позднее снятые из-за возможных злоупотреблений) действительно «раздевали» человека, буквально заглядывая ему под одежду. Приложения же, о которых идет речь, при использовании попросту заменяли реальную фотографию компьютерной графикой. Никакого отношения к реальному физическому принципу повышенной чувствительности матрицы к ИК диапазону спектра это не имеет.Другой пример – посложнее. Есть такая программа – анемометр, прибор для измерения силы (скорости) ветра. Обычно для измерения используется вертушка, по частоте вращения которой эта скорость и измеряется (кстати, такие «девайсы» для смартфона также имеются).Но автор программы придумал очень остроумный ход: любой ветер «свистит». И, если выставить смартфон на ветер и измерить микрофоном шум ветра, то с большой долей вероятности мы можем померить силу ветра. Остроумно? Да. Можно ли сказать, что мы действительно таким образом можем померить силу ветра? Сомнительно. Даже с учетом долгих рассказов автора о том, что он применяет уникальные и очень сложные алгоритмы пересчета шума ветра в скорость, подобные исследования только вызывают улыбку.Хотя – если у вас есть настоящий отторированный прибор для измерения скорости ветра – почему бы не попробовать проверить?И тут мы приходим, пожалуй, к самой важной теме использования смартфона в качестве физической лаборатории.Ни один смартфон не может заменить настоящий измерительный прибор. Но даже если смартфон что-то измеряет с огромной погрешностью или не измеряет вовсе – все равно полезно экспериментировать. Поскольку самое главное, что могут дать такие эксперименты – это понимание ограниченности использования бытовых приборов в научных исследованиях и необходимость учитывать их особенности при планировании работы. Задействуя смартфон, мы привлекаем к научным исследованиям тех, для кого он до сих по был мощной игрушкой и не более того. Но, «вкусив науки» с любимым «гаджетом», учащийся должен понимать, что для настоящих исследований его игрушки может оказаться недостаточно.Ссылки по теме: Возможности и невозможности мобильных устройств [Мобильная разработка]Тестирование точности работы программ трекеров для разных спортивных активностейКак работать с акселерометром и другими датчиками на Android мобильное обучение парковый урок смартфон смартфон как физическая лаборатория телефон