Еспериментарій сучасного  вчителя та учня на уроках фізики

Застосування Arduino для створення дослідницьких установок

Розвиток сучасного освітнього середовища для вивчення фізики  можна визначити як епоху створення комп’ютерних цифрових лабораторій.

 У будь-якій з цих лабораторій виділяються певні сегменти, які продовжують постійно вдосконалюватись:

1. сприйняття зовнішньої інформації певним сенсором
2. перетворення отриманої інформації  у цифровий сигнал для  подальшого опрацювання інформаційно-технологічним засобом
3. представлення у формі, зручній для пізнавальної діяльності та адаптованій до його попереднього досвіду – візуальній, табличній або графічній.

 Проте не в кожній школі присутня сучасна цифрова лабораторія, а проведення досліду в віртуальному середовищі значно погіршує рівень отриманих знань. В гімназії відсутня цифрова лабораторія та обладнання для демонстраційного експерименту. Для виходу з даної ситуації я  використовую саморобні прилади, зокрема  з використанням мобільних телефонів, персонального комп’ютера,  Arduino тощо.

Сучасний смартфон оснащений багатьма корисними датчиками,котрі можна використати для вимірювання ряду фізичних величин:

• Сенсор освітленості
• Сенсор наближення
• Сенсор магнітного поля
• Гіроскоп
• Акселерометр

Наявність сенсорів в телефоні не перетворює його у засіб вимірювання фізичних величин, оскільки сенсори конструктивно мають інше цільове призначення , визначене виробником телефону. Для використання в наукових цілях вказаних сенсорів необхідно встановити на сматфон спеціалізоване програмне забезпечення(Smart Kit, Toolbox, Google Science Journal,Датчики вимірювання і т.д.).

Персональний комп’ютер, як засіб навчання,  використовую на уроках фізики:

1. Як засіб мультимедіа
2. Як засіб використання спеціального програмного забезпечення
3. Як засіб використання хмарних технологій та веб-орієнтованих технологій
4. Як вимірюючий пристрій ряду фізичних величин через підключення відповідних датчиків( зокрема мікрофон – аналізатор спектру та амплітуди звукових коливань)

  Використання Arduino з відповідними датчиками надає можливість створити будь-який вимірювальний пристрій. В залежності від поставленої задачі потрібно лише підібрати необхідний датчик до платформи та написати необхідний код.  Середовище програмування  Arduino досить просте, також на спеціалізованих форумах і сайтах є дуже велика кількість  написаних програм з детальним поясненням. 

Розглянемо приклади застосування сучасного інструментарію для проведення фронтальної лабораторної роботи №5 «Дослідження коливань нитяного маятника»  у курсі фізики 7 класу. Мета роботи - визначити амплітуду і період коливань нитяного маятника; переконатися на досліді, що період коливань маятника не залежить від амплітуди його коливань і маси тягарця, проте залежить від довжини нитки. Робота проводиться в три етапи: дослідження залежності періоду коливань від амплітуди,  маси грузика маятника та від довжини нитки маятника. В всіх трьох випадках необхідно час 20 повних коливань. Для даних вимірювань можна використовувати  Мобільного додатку Google Science Journal або ж платформи Arduino.

Google Science Journal

 Виготовляли маятник(рис. 1). Спочатку потрібно надійно зафіксувати мобільний телефон в шальці, щоб телефон не зміщався.

Рисунок 1.Нитяний маятник із смарфоном в якості важка

 Далі на мобільному телефоні вмикали додаток Google Science Journal. В налаштуваннях обирали сенсор акселерометр з відповідною віссю. Потрібно враховувати, що в телефоні 3-х осьовий акселерометр фіксую прискорення тіла за трьома осями: X, Y, Z. Напрям осей зафіксовано до телефону. В залежності від положення телефону – необхідно вибрати  акселерометр з віссю X або Y. Щоб демонструвати зображення з мобільного додатку для всього класу  - було використано трансляцію на ноутбук, а уже  ноутбука на проектор. Надалі відхиляємо смартфон на задану кількість градусів(задану амплітуду). Вмикаємо запис досліду і відпускаємо смартфон. Після 20 коливань зупиняємо запис і отримаємо графік коливань( рис. 2)

Рисунок 2. Результати вимірювання прискорення нитяного маятника

Учні переконались, що коливання маятника затухаючі. Пояснюємо, що слід обрати ділянку графіку, щоб амплітуда була приблизно однаковою. Цю ділянку обрізали(рис 3)

Рисунок 3. Вибір ділянки з однаковою амплітудою

 Визначили проміжок часу між двома сусідніми гребнями. В ході обговорення з дітьми  обговорили питання – як знаючи різницю в часі між гребнями обчислити період коливань нитяного маятника. Після обговорення, методом евристичної бесіди підводимо учнів до розуміння того, що період коливань модна знайти як подвоєний добуток часу між гребнями. Надалі вимірювання проводяться з різними параметрами :з різною амплітудою, з різною масою, для різної довжин нитки. Результати вимірювань учні заносять до відповідних таблиць в лабораторних зошитах.

Arduino

 На базі платформи Arduino було зібрано 2 варіанти необхідних пристроїв для вимірювання:

1. На основі акселерометра
2. На основі ІЧ щілинного датчику.

Перший пристрій працює по аналогії з акселерометром мобільного телефону – вимірює значення прискорення(якщо бути біль точнішим  - не самого прискорення  - а зміну величини електричного струму на каналі зв’язку). Він аналогічно будує графік зміни прискорення з часом.

Рисунок 5. Графік зміни кута нахилу маятника з часом

Другий варіант пристрою працює на  основі проходження між джерелом лазерного пучка на приймачем(рис.6).

Рисунок 6. Загальний вигляд ІЧ щілинного датчику

Рисунок 7. Монітор COM- порта

 На моніторі COM- порт середовища Arduino IDE поступає час проходження важка маятника з точністю до мілісекунд(). Надалі можна будувати графік і знайти необхідні величини з дуже великою точністю, або ж з самого началу прописати подання вихідних даних в графіку.

 Великою перевагою середовища Arduino є його невисока ціна за саму платформу та за датчики до нього. Окрім цього – їх взаємозаміняємість. Зокрема  - при відсутності щілинного датчика можлива перебудова пристрою з підручних засобів – лазерного модуля та приймача ІК.