Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech Obecná část

Název: Autor: Vydání: Počet stran: Určeno pro projekt: Číslo projektu: Vydavatel: Tisk:

Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech – Obecná část Mgr. Monika Halšková, RNDr. Libor Koníček, PhD. 1. vydání, 2010 79 Nové přístupy k využití ICT ve výuce přírodovědných předmětů na základních školách CZ.1.07/1.1.07/02.0047 Ostravská univerzita v Ostravě REPRONIS s.r.o.

© Mgr. Monika Halšková, RNDr. Libor Koníček, PhD. © Ostravská univerzita v Ostravě

Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 5 1

2

Úvod do počítačem podporovaných experimentů ......................................................... 7 1.1

Terminologie .............................................................................................................. 7

1.2

Úvod do problematiky počítačem podporovaných experimentů ............................... 8

Systémy pro počítačem podporované experimenty..................................................... 11 2.1

Technické aspekty .................................................................................................... 11

2.2

Měřicí systém ISES .................................................................................................. 13

2.3

Měřicí systémy IP-Coach, Coach-Lab2, ULAB ...................................................... 16

2.4

Měřicí systém PASCO ............................................................................................. 19

2.5

Měřicí systém Vernier .............................................................................................. 21

2.6

Měřicí systémy MF-DAQ CMC-S2, CMC-S3, eProDas ......................................... 23

3

Reálná laboratoř ............................................................................................................. 25

4

Vzdálená laboratoř ......................................................................................................... 27

5

Virtuální laboratoř ......................................................................................................... 30 5.1 5.1.1

Edison 4 CZ.......................................................................................................... 30

5.1.2

Excel ..................................................................................................................... 32

5.2

6

Programy pro modelování ve fyzice ........................................................................ 30

Programy pro měření z videosekvencí ..................................................................... 32

5.2.1

Digitální video v programu Tracker ..................................................................... 33

5.2.2

Digitálního video v prostředí Coach 6 ................................................................. 34

Jednoduchý systém na zaznamenávání dat Educational Laboratory Board (EdLaB) 35

7

Popis programu eProLab - využití modulu HiScope .................................................. 38 7.1

Otevření modulu HiScope ........................................................................................ 38

7.1.1

Tlačítka menu ....................................................................................................... 38

7.1.2

Vybrat připojená čidla .......................................................................................... 40

7.1.3

Vymezit proměnné ............................................................................................... 42

7.1.4

Vzorkovací čas a spouštění .................................................................................. 43

7.1.5

Graf y(t): výběr proměnné .................................................................................... 45

7.1.6

Graf y(t) – časová závislost proměnné y .............................................................. 46

7.1.7

Zobraz měřidlo ..................................................................................................... 47

8

Vlastnosti čidel ................................................................................................................ 49

9

Příklady – modelové úlohy ............................................................................................ 51 9.1

Příklad experiment – meteorologická stanice .......................................................... 51

9.1.1

Návod pro žáky .................................................................................................... 52

9.1.2

Návod pro učitele ................................................................................................. 63

10

Závěr ................................................................................................................................ 68

11

Popis softwaru eProLab - verze 04/2010 ...................................................................... 69 11.1

HiScope .................................................................................................................... 69

11.2

Editor senzorů .......................................................................................................... 70

11.3

Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eProLab .............. 71

11.4

Kalibrace nového čidla ............................................................................................. 71

11.5

Postup spuštění experimentu .................................................................................... 72

11.5.1

Pro jedno čidlo ................................................................................................. 72

11.5.2

Pro více čidel .................................................................................................... 73

Literatura ................................................................................................................................ 75

Úvod Vážení čtenáři, máte před sebou studijní text Nové přístupy k výuce přírodovědných předmětů s využitím ICT pomůcek na ZŠ, který je určen učitelům přírodovědných předmětů a všem zájemcům o využívání počítačů při výuce přírodovědných předmětů na základních a středních školách. Úvodní kapitola studijního textu je orientační a slouží pro seznámení se základní terminologií užívající se v souvislosti s počítačem podporovanými experimenty. Druhá kapitola je zaměřena na popis technických vlastností tří měřicích systémů, které jsou používány v České republice. Poslední tři kapitoly jsou zaměřeny na konkrétní příklady počítačem podporovaných experimentů i s komentářem.

Po prostudování textu budete znát: • základní pojmy týkající se počítačem podporovaných experimentů v přírodních vědách; • základní možnosti využití počítačem podporovaných experimentů ve výuce; • programy, které jsou využívány měřicími systémy s počítači; • požadavky na měřicí systémy. Po absolvování kurzu budete schopni: • připravit a optimalizovat počítačem podporovaný experiment; • zpracovat a předvést počítačem podporovaný experiment; • připravit vyučovací hodinu s využitím počítačem podporovaného experimentu. Získáte: • zkušenosti s přípravou počítačem podporovaných experimentů.

Úvod do počítačem podporovaných experimentů

7

1 Úvod do počítačem podporovaných experimentů Průvodce studiem. V této kapitole se dozvíte, nebo si zopakujete základní pojmy o počítačem podporovaných experimentech. Cílem je získat celkový přehled a orientovat se v této problematice. Po prostudování kapitoly budete umět: • Popsat proces měření pomocí počítače. • Popsat možnosti využití měřicích systémů v laboratoři. • Uvést, které parametry ovlivňují přesnost měření. Klíčová slova: reálný experiment, virtuální laboratoř, vzdálená laboratoř, simulace, modelování

1.1 Terminologie Pojmem počítačem podporované experimenty označujeme takové experimenty v přírodních vědách, kde se počítač podílí na sběru, zpracování a zobrazování naměřených dat. Existují tři základní možnosti využití počítačů: • Reálná laboratoř (CBL – Computer Based Laboratory, MBL – Microcomputer Based laboratory) • Vzdálená laboratoř (Remote Laboratrory) • Virtuální laboratoř (Virtual Laboratory) Reálná laboratoř, reálný experiment, počítačem řízený experiment – většinou se těmito pojmy rozumí využití počítače jako zařízení, které měří a získává data, popřípadě může experiment přímo řídit. Nejčastější je kombinace počítače a nějakého měřicího rozhraní, např. český systém ISES, nizozemský CMA CoachLab II+, slovinský CMC – S3, které budou podrobně popsány později. V reálné laboratoři žáci pracují přímo se skutečnými měřenými objekty a získávají reálná data. Vzdálenou laboratoří rozumíme takové využití počítače, že žák není přímo fyzicky účasten experimentu, ale může experiment řídit na dálku, např. prostřednictvím sítě Internet. Získaná data jsou reálná, byla získaná na skutečném zařízení, pouze komunikace s tímto zařízením je zprostředkovaná. Naopak ve virtuální laboratoři se často využívá simulací k získávání dat nebo k natrénování určitých činností, např. ovládání složitých a drahých přístrojů. Virtuální laboratoř lze také využít pro přípravu žáků před reálným měřením. Ve virtuální laboratoři lze ověřit i chování elektrických obvodů před jejich


8

reálnou realizací. Nevýhodou virtuální laboratoře je, že nerozvíjí manuální zručnost žáků a velmi záleží, jak kvalitní je simulace pro žáky.

1.2 Úvod do problematiky počítačem podporovaných experimentů

Fyzikální veličiny

Obrázek 1-1 Schéma měření pomocí počítače

analogové spojité působí

Fyzikální veličiny, které můžeme pozorovat a měřit ve svém okolí jsou spojitými (analogovými) veličinami, tj. mění se v čase Čidlo (tlaku, plynule. Příkladem může být okolní teplota, tlak, vlhkost,… teploty, vlhkosti, Při klasickém měření odečítáme hodnoty vodivosti, z teploměru, tlakoměru, vlhkoměru v určitých magnetické intervalech a s přesností odpovídající zvoleným indukce, měřicím přístrojům. Při měření pomocí počítače dochází nejprve elektrického pomocí čidla (senzoru) k převodu fyzikální převádí na elektrické napětí veličiny (teplota, tlak, vlhkost, elektrická vodivost, magnetická indukce, elektrický odpor, poloha, zrychlení,…) na elektrické A/D převodník To je přivedeno na A/D napětí. kvantizace analogově/digitální převodník. Úkolem A/D ( 8, 12, 16 bitů) převodníku je převedení napětí na jeho vzorkovací číslicově (binárně) vyjádřenou hodnotu. Důležitými parametry pro měření je binární data vzorkovací frekvence převodníku, tj. kolikrát za sekundu je schopen změřit napětí na vstupu. Některé systémy uvádějí časový interval (timer PC delay), který uplyne mezi dvěma měřeními. Vzorkovací frekvence se většinou vztahuje na jeden kanál. Pokud zároveň měříme ve více kanálech, musíme maximální vzorkovací frekvenci dělit počtem kanálů. U pomalých dějů můžeme volit vzorkovací frekvenci v jednotkách Hz. U rychlých dějů (přechodové jevy v elektřině a magnetismu, záznam hlasu) musíme zvolit vzorkovací frekvenci řádově kHz. Měření by mělo proběhnout aspoň desetkrát během periody měřeného signálu. Dalším důležitým parametrem je přesnost měření. Ta je dána jednak rozsahem vstupních měřených napětí – většina systémů pracuje v rozsahu 0 V až 5 V. Dalším parametrem je rozlišení převodníku (kvantizace) udává se v jednotkách bit. Příklad: Při rozlišení 8 bitů a vstupních úrovních napětí 0 až 5 V je přesnost 5 / 28 V = = 5 / 256 V = 0,02 V. Při 12 bitovém rozlišení už to je 5 / 4096 V = 0, 0012 V. Počítač může naměřená data (čísla) dále zpracovat (zobrazit jako graf, zobrazit formou tabulky, provádět s nimi další operace).


9

Nyní uvedu konkrétní příklad na pojem kvantizace. Na obr. 1.2 je zobrazen časový průběh signálu zaznamenaný s kvantizací 12 bitů, tj. 4096 úrovní a na druhém grafu je tentýž průběh zaznamenaný jen s kvantizací 4 bity, tj. se 16 úrovněmi.

Obrázek 1-2 Měřený signál s kvantizací 12 bitů

Obrázek 1-3 Měřený signál s kvantizací 4 bity

10


Poznámka: Měřicí systémy, které uvádím, nejsou jedinými A/D převodníky v počítači. Většina počítačů má zvukovou kartu. Parametry zvukových karet pro nahrávání zvuku v CD kvalitě: rozlišení 16 bitů, stereo (dva kanály), vzorkovací frekvence 44,1 kHz, datový tok je 176 kB/s. Někdy se při nahrávání zvuku z kamery používá vzorkovací frekvence 48 kHz. Otázky: 1. Popište převod analogové fyzikální veličiny na digitální data. 2. Objasněte pojem kvantizace. 3. Co vyjadřuje pojem vzorkovací frekvence?

Úloha č. 1: Uveďte experiment, kde je nutné použít vysokou vzorkovací frekvenci.

Úloha č. 2: Uveďte experiment, kde je možno použít nízkou vzorkovací frekvenci.

Systémy pro počítačem podporované experimenty

11

2 Systémy pro počítačem podporované experimenty Průvodce studiem. V této kapitole se seznámíte s měřicími systémy dostupnými v České republice a využitelnými na základní škole. Je zde uveden velký počet technických parametrů, ty si nemusíte pamatovat, slouží hlavně pro vaši orientaci. Dovednost měřit pomocí počítačem získáte na tutoriálu, kde budete mít možnost s uvedenými systémy pracovat a vyzkoušet si je. Cíl: • • • •

V této kapitole se dozvíte, jaké jsou možnosti připojení měřicího systému k počítači. Budete vědět, které měřicí systémy jsou nejvíce rozšířené v České republice. Budete umět popsat parametry jednotlivých měřicích systémů. Budete se schopni rozhodnout, který měřicí systém bude vhodný pro vaše měření.

2.1 Technické aspekty Existují dva možné způsoby připojení měřicích zařízení k počítači: • Interní • Externí Interní možnost připojení využívá sběrnic na základní desce počítače. Nejstarší sběrnicí je sběrnice označována ISA. Je buď krátká 8bitová nebo delší 16bitová. S uvedením modelů počítačů s procesorem Pentium 4 se na základních deskách nevyskytuje. Modernější sběrnicí je 32bitová sběrnice PCI, která je v současné době nahrazována sběrní s označením PCI-Express. Výhodou interních měřicích karet je vyšší rychlost a stabilita měření. Naopak velkou nevýhodou je, že jsou pevně spojena s jedním konkrétním stolním počítačem, takže takové zařízení není mobilní. Sběrnice uvnitř počítače zastarávají rychleji než vnějších sběrnice počítače. Externí měřicí systémy využívají nejčastěji tato tři rozhraní: • Paralelní port • Sériový port • USB – Universal serial bus Paralelní port – označovaný jako LPT se používá nejčastěji pro připojení tiskárny nebo skeneru. K portu lze připojit také měřicí systémy MF-DAQ, CMC-S3 a u nás dříve dostupný systém ADDA. Paralelní port je osmibitový a pro obousměrný přenos využívá dvacetipětižilový kabel.

12


V biosu počítače lze nastavit tři módy přenosu: • SPP – jednosměrný přenos od počítače k zařízení (většinou tiskárně) • EPP – obousměrný přenos • ECP – rozšířený obousměrný přenos Pro využití rychlého přenosu dat mezi počítačem a zařízením je třeba nastavit EPP nebo ECP mód. Přenosová rychlost je 100 kB/s. Sériový port – označovaný COM. Používá se k připojení pomalejších zařízení než na port paralelní – např. myš, modem, některé mobilní telefony,… Pro sériový port jsou navržena měřicí zařízení ISES-COM, Coach Lab 2. Přenosová rychlost sériového portu je 9,6 – 115 kb/s. USB – Universal serial bus – univerzální sériová sběrnice. Pro připojování externích periferií k osobnímu počítači vesměs platilo pravidlo „co jedno zařízení, to jeden speciální konektor“. Tuto nesjednocenost se snaží vyřešit právě USB, která umožňuje k počítači jednotně připojit veškerá běžná externí zařízení počítače (klávesnice, myš, reproduktory, tiskárna, skener, Web kamera, digitální fotoaparát, čtečky paměťových karet). Pro USB existuje měřicí systém MF-DAQ USB verze. Velikou výhodou USB rozhraní je, že systém sám zjistí, jaké zařízení je připojeno, a hned s ním začne pracovat. Tato funkce je podporována od Windows 98, plně USB využívají systémy Windows 2000 a XP. Přenosová rychlost je 12 Mb/s u verze 1.0 a 1.1 a 480 Mb/s u verze 2.0 rozhraní USB. Rychlejší USB zařízení lze využít i na pomalejším rozhraní, ale samozřejmě s nižší přenosovou rychlostí. USB byla navržena v roce 1995 s následujícími základními vlastnostmi: • rychlost 1,5 Mb/s nebo 12 Mb/s (480 Mb/s u verze 2.0) • až 127 připojitelných zařízení • připojování zařízení za chodu • automatická instalace zařízení – Plug’n’Play • hvězdicová topologie sběrnice • maximální délka kabelu mezi dvěma zařízeními 5 metrů • distribuce napájení pro zařízení jako myš či klávesnice V praxi to znamená, že kdykoliv je možné kterékoliv zařízení USB kdekoliv připojit či odpojit, přičemž instalace i odinstalování zařízení v operačním systému probíhá automaticky V současné době se jeví jako nejvhodnější sběrnice pro připojování měřicích zařízení k počítači sběrnice USB. Výhodou je, že je součástí všech nových počítačů včetně notebooků a je podporována i novými operačními systémy.


13

2.2 Měřicí systém ISES Měřicí systém ISES patří v naší republice mezi nejznámější a nejrozšířenější měřicí systémy. Bližší informace o systému najdete na www.ises.info. Z těchto stránek jsou následující technické údaje. Souprava ISES se vyrábí již 25 let a postupně se vyvíjí, tak jak se vyvíjejí počítače a operační systém. Souprava ISES je český výrobek. Soupravu ISES má 450 škol v ČR a na Slovensku. Současný trend je vybavování škol několika systémy ISES pro frontální práci ve třídě (ISESem je vybaveno 30 tříd s 5 až 12 instalacemi). Měřicí a laboratorní studio iSES je široká otevřená platforma, která umožňuje měření a řízení experimentů. Hlavními komponentami jsou měřicí souprava ISES PCI Professional (Inteligentní školní experimentální systém), resp. bezdrátová souprava ISES Blue. Dále samozřejmě senzory pro Fy Che a Bi a program ISESWIN32i pro lokální měření, případně softwarová stavebnice ISES WEB Control pro vzdálená měření přes Internet.

Obrázek 2-1 Panel, měřicí karta a čidla z měřicího systému ISES (http://www.ises.info/old-site/index1.html)

Systém ISES je otevřený modulární universální měřicí systém pro Fy, Che, Bi, elektrotechniku, elektroniku, automatizaci, měření, aj. Celkem je k dispozici 20 čidel (teploměr, ampérmetr, voltmetr, siloměr, sním ač polohy, optická závora, mikrofon, manometr, pH metr, konduktometr, relé, reproduktor, sonar, ohmetr, měřič kapacit, snímač srdečního tepu aj. Čidla mají autodetekci, mají lineární charakteristiku a pokud je to možné, tak diferenciální vstupy. Software ISESWIN je univerzální (pro všechna měření), intuitivní a umožňuje měření, ale i řízení a dále zpracování signálů na úrovni střední i vysoké školy. Zobrazení jsou grafická, číslicová, XY, případně kombinovaná. Výjimečná je i možnost on-line zpracování právě měřených signálů (např. měříme napětí a proud a ihned on-line vynášíme výkon – součin napětí a proudu). Data je možné ukládat do soborů, případně exportovat. Součástí naměřených dat může být i textová, případně multimediální příloha. K soupravě ISES je didaktická podpora ve formě 5 příruček s cca 200 experimenty a laboratorními úlohami. Dále je k dispozici internetová podpora na www.ises.info. Souprava ISES podporuje tvorbu vzdálených laboratoří pomocí softwarové stavebnice ISES WEB Control. Umožňuje vytvořit experimenty a laboratorní úlohy, které

14


jsou řízené přes internet pouhým standardním prohlížečem (Explorer, Mozilla aj. (viz. např. www.ises.info). Bezdrátová Souprava ISES Blue

Obrázek 2-2 Panel site/index1.html)

měřicího

systému

ISES

blue

(http://www.ises.info/old-

Souprava ISES Blue je novinkou roku 2010 a dovede snímat veličiny bezdrátově. To znamená, že volně pracujete se senzory a měřená data se bezdrátově, až na vzdálenost cca 10 metrů, přenášejí do libovolného počítače se vstupem Bluetooth. Na jeden učitelský počítač mohou být napojeny až 4 soupravy ISES Blue najednou, na centrální projekci programu ISES Blue jsou zároveň zobrazovány výsledky až 4 studentů, každá stanice může mít 2 kanály. Soupravu ISES Blue doporučujeme též jako doplněk k známým soupravám ISES PCI a ISES Professional. Souprava ISES Blue je technicky velice jednoduchá. Disponuje 2 analogovými vstupy, vzorkovací frekvence při bezdrátovém přenosu je 100 Hz. Má bateriové napájení, dobíjení přes USB konektor.Souprava ISES Blue ale může fungovat i jako USB měřicí stanice, potom má daleko větší vzorkovací frekvenci (100 kHz). Souprava ISES Blue pracuje též jako datalogger. Vzorkovací frekvence v režimu datalogger je 100 kHz. Data se zaznamenávají na SD kartu o velikosti 4 GB. Data se potom přenášejí do počítače off-line přes USB či Bluetooth. Souprava ISES Blue NEPOTŘEBUJE instalovat žádnou ADDA kartu do počítače! S počítačem komunikuje bezdrátově přes Bluetooth, resp. přes USB. Disponuje 2 analogovými vstupy. Do vstupů se zapojují všechny standardní vstupní moduly ISES. Univerzální program ISESWWIN32blue, resp. ISESWIN32i verze 5.0 (umí i ISES Blue, je stejný pro všechny soupravy ISES) je pro platformu Windows: Win 2000, XP, Vista i Win7.


15

Čidla jsou v systému ISES jako samostatné moduly, které transformují měřené fyzikální veličiny (teplotu, tlak, atd.) na úroveň napětí tak, aby bylo možné měřit tyto veličiny. Používaný modul musí být umístěn na zvolené pozici v ovládacím panelu. Součástí soupravy jsou následující moduly: Vstupní moduly: teploměr siloměr voltmetr ampérmetr snímač polohy optická závora mikrofon detektor pH-metr srdeční tep sonar EKG-metr manometr konduktometr akcelerometr TESLA metr

(-20 °C až +120 °C) (absolutní rozsah ± 10 N, diferenciální rozsah ± 1 N, max. citlivost 0.01 N) (10 V, 1 V, 100 mV, 10 mV, unipolární/bipolární vstup) (1 A, 100 mA, 10 mA, 1 mA, unipolární/bipolární vstup) (10-ti otáčkový mechanismus se třemi kladkami) (přijímač lze použít jako fotometr) (elektretový mikrofon s aktivním předzesilovačem) (snímání výšky hladiny) (0 - 14 pH ) (optická sonda pro měření srdečního tepu) (ultrazvukový detektor polohy) (snímání biologických signálů srdce) (měření tlaku plynů) (0.1 mS,1 mS,10 mS, 100 mS ) (měření zrychlení) (měřič magnetické indukce)

Výstupní moduly: booster relé reproduktor

(proudové posílení D/A výstupu do 1 A, napěťové zesílení 1x / 2x) (relé RP 210-12V-2P) (4W, 40Hz - 10kHz)

Na webových stránkách www.ises.info a v manuálu jsou ještě další informace o nastavení na zprovoznění systému na počítači a také podrobné informace o modulech a čidlech.

16


Obrázek 2-3 Obrazovka z měřicího systému ISES – volný pád (http://www.ises.info/oldsite/experimenty.html)

2.3 Měřicí systémy IP-Coach, Coach-Lab2, ULAB MBL Coach je otevřený víceúčelový systém pro přírodovědné a technické vzdělávání, který podporuje měření, zpracování dat a jejich analýzu, modelování, digitalizaci videosekvencí a řízení periferií. Jeho součástí jsou autorské nástroje pro přípravu studentských úloh, které obsahují návody, doprovodné obrázky a schémata, videosekvence, odkazy na WWW stránky, nastavení systému pro měření, nástroje pro zpracování a analýzu měření a modelování studovaného jevu. První měřicí karty se připojovaly do ISA slotu a měly označení AUR8 a AUR12, čísla označují kvantizaci karty v bitech. K sériovému portu se připojoval měřicí systém CoachLab 2. Současný model Coach Lab II+ obsahuje 12 bitový převodník se vzorkovací frekvencí 100 kHz na kanál. Vstupní impedance je 100 kΩ. Panel obsahuje 4 analogové vstupy, z toho 2 mají 4 mm konektory a 2 speciální konektory BT pro čidla. Dva vstupy mají rozsah 0 až 5 V, dva vstupy ±10 V. Přesnost měření je v řádech jednotek procent. Celková přesnost včetně přesnosti čidel a převodníků je do 5 %. Coach Lab II+ je připojován k počítači přes port USB a má vlastní napájecí adaptér. Samostatný měřicí systém ULAB má vlastní displej i napájení z akumulátoru, měření tedy může probíhat i mimo laboratoř.


17

Program Coach verze 6 umožňuje vykonávat tyto činnosti: • měření s čidly se vzorkováním řízeným automaticky nebo ručně • měření po krocích s čidly, vzorování je spouštěno signálem pomocného čidla • měření na videu • modelování • řízení periferií Program obsahuje podporu pro školské aplikace, pro samostatnou práci žáků a její přípravu učiteli či návrháři. Do samostatných jednotek nazývaných úlohami lze ukládat konfigurace systému a výsledků jednotlivých experimentů. Úlohy obsahují: • texty návodů • obrázky, schémata • videosekvence • nastavení parametrů měření (použitá čidla, doba měření, vzorkovací frekvence) • nastavení výstupu naměřených hodnot (přístroje, displeje, tabulky, grafy) • programovací nástroje pro modelování, řízení a simulaci • nástroje ukládání, tisk a export dat • záznamník textových poznámek • odkazy na informační zdroje Webu. Jednotlivé úlohy se sdružují do projektů. Projekty připravují autoři – návrháři v autorské konfiguraci prostředí Coach 6. Projekty řeší žáci v základní uživatelské konfiguraci s velmi omezenými právy úprav úlohy a volby nástrojů (mladší žák) nebo v rozšířené konfiguraci s širšími právy a bohatší nabídkou nástrojů zpracování (starší žák). Specifickou variantu tvoří projekty demonstrační (prezentační), které si autor připravuje pro zkvalitnění výuky. Uživatel komunikuje s MBL Coach prostřednictvím grafického uživatelského rozhraní a jeho obrazovek s aktivními prvky. Základní pracovní obrazovka je rozdělena na čtyři pevná pracovní okna, ve kterých je umístěn text návodu k úloze, videosekvence zachycující průběh pokusu, tabulka naměřených hodnot a jejich časová závislost vynesená do grafu. Počítačem řízený sběr dat je dnes naprosto běžným experimentálním postupem v základním výzkumu i technické praxi. Před měřením je zapotřebí nastavit dobu měření, frekvenci měření, spouštěcí (trigovací) podmínku. Frekvence měření je závislá na konkrétní použité měřicí kartě. Hraje velikou roli při studiu rychlých časových změn měřené veličiny, např. při studiu akustických signálů. Frekvence měření by měla být o řád větší než je frekvence měřených změn. Manipulace s velikými objemy dat je složitá, proto byl počet vzorků omezen na 2000. Dobu a frekvenci je třeba optimalizovat tak, aby naměřená závislost pokrývala co největší dobu trvání jevu a obsahovala co největší počet bodů (dobrá statistika) a aby byla dostatečně podrobná (zachytila studované rychlé změny). Částečným řešením je automatické spouštění záznamu měřených hodnot po splnění spouštěcí podmínky. Do měřeného souboru tak nejsou zařazeny hodnoty zjištěné před započetím studovaného jevu.

18


Načteným číselným hodnotám při měření musí být přiřazen význam, který odpovídá vlastnostem použitého čidla. Proto po připojení čidla musíme pro správnou interpretaci naměřených hodnot nastavit tyto parametry: • určení druhu čidla • přiřazení veličiny a její jednotky • kalibrace čidla • nastavení měřicího rozsahu Novější čidla jsou vybavena autodetekcí. Po připojení k panelu jsou rozpoznána a popis je použit pro práci. Programový nástroj kalibrace umožňuje zjistit kalibrační závislost každého analogového čidla. Pro rychlé nastavení vystačíme s přibližně lineární charakteristikou čidla. Pokud chceme přesné měření, musíme čidlo kalibrovat a kalibrační tabulku uložit. Přesnost kalibrace má vliv na celkovou přesnost měření, které ovlivňuje jako systematická chyba. Přesnost kalibrace pro převod měřené veličiny nemůže přesáhnout vlastní přesnost čidla, která je uváděna výrobcem v technické specifikaci. Při zadávání projektu a úloh si autor (učitel, pokročilý žák) volí potřebné měřicí součásti a čidla, jejichž parametry jsou uvedeny v knihovně prostředí Coach. Při měření vznikají šumy, které lze částečně omezit konstrukcí čidla a elektronickým zpracováním měřeného signálu. Naměřené závislosti lze dodatečně vyhladit numericky pomocí funkce Hlazení a filtrování závislosti. Naměřené hodnoty se průběžně ukládají v paměti počítače, ze které se zobrazují do tabulky či grafu a zapisují do souboru výsledků úlohy pro případné další zpracování.


19

Obrázek 2-4 Obrazovka experimentu elektromagnetická indukce v prostředí Coach 6.31

2.4 Měřicí systém PASCO Informace přejaty z www.pasco.cz. Společnost PASCO vyrábí již více než 40 let kompletní vybavení pro experimentální výuku přírodních věd. Svými vysoce kvalitními technologickými nástroji a neustálým vývojem výukových systémů a vzdělávacích materiálů, podněcuje PASCO zájem o přírodní vědy, inspiruje studenty i jejich pedagogy a propaguje aplikovanou vědu v hodinách fyziky, biologie, chemie, nebo environmentální výchovy. Pro všechny tyto předměty má PASCO nejen specializované sady měřících sond, senzorů a experimentálního příslušenství, ale také vypracované školní experimenty, včetně metodiky vedení seminářů pro lektory. (Tyto jsou k dispozici jak v českém, tak i v anglickém jazyce.) PASCO představuje univerzální edukační platformu pro experimentální výuku přírodních věd. Ve školství nachází své uplatnění zejména v hodinách fyziky, biologie, chemie nebo environmentální výchovy, pro které nabízí nejen specializované sady měřících sond, senzorů a příslušenství, ale také laboratorní práce a metodiky, zpracované v souladu s tradicí i potřebami našeho školství. Jedním ze zástupců měřicích rozhraní PASCO je -2002 Datalogger Xplorer GLX.


20

Obrázek 2-5 PS-2002 Datalogger Xplorer GLX

Technické specifikace Datalogger Xplorer GLX: • •

• •

Senzory: Do přístroje Xplorer GLX lze připojit všechny senzory řady PASPORT. Teplotní sondy: Do zdířek na připojení teplotních čidel lze připojit rychlereagující teplotní čidlo PASCO s rozsahem -10 °C až 70 °C nebo ocelovou teplotní sondu o rozsahu -10 °C až 135 °C. Voltmetr: Rozsah voltmetru přístroje Xplorer GLX je -10 V až 10 V. Zvukový senzor: V přístroji je zaintegrovaný mikrofon, pomocí kterého můžete sledovat parametry zvukových vln, sledovat hladinu hluku v decibelech nebo přístroj využít jako diktafonu k nahrávání audio poznámek k měření.


21

Obrázek 2-6 Měření se senzorem rozpuštěného kyslíku v prostředí DataStudio.

V nabídce firmy PASCO je i mnoho čidel pro měření v přírodních vědách pod názvem PASPORT. Úplný seznam čidel je na www.pasco.com, v češtině na http://www.pasco.cz/index.php?option=com_content&task=view&id=194&Ite mid=139 .

2.5 Měřicí systém Vernier Zde prezentované údaje jsou přejaty z www.vernier.cz a www.vernier.com Dalším zástupcem měřicích systémů, které se rozšiřují do českých škol jsou systémy americké firmy Vernier. V nabídce je několik měřicích rozhraní – LabQuest autonomní měřicí rozhraní do terénu využitelné i jako rozhraní mezi počítačem a senzory ve třídě nebo v laboratoři.

22


Obrázek 2-7 Rozhraní LabQuest firmy Vernier (http://www.vernier.cz/produkty/podrobne-informace/kod/LABQ)

Technická specifikace • barevný dotykový displej 7 cm x 5,3 cm (úhlopříčka 8,89 cm), 320 x 240 zobrazovaných bodů • hmotnost 350 g • 416 MHz Application Processor • podsvícení LED, dobře viditelný i na slunečním světle • stylus (plastové pero), dotykový displej usnadňující práci, kreslení grafů • 4 tlačítka pro nejčastěji používané funkce • 5 navigačních tlačítek • dotyková klávesnice na displeji (vysunuje se) • mnoho užitečných nástrojů jako je periodická tabulka prvků, stopky, kalkulačka nebo nástroje pro analýzu a zpracování naměřených dat • možnost vkládat vlastní pracovní instrukce pro žáky (včetně obrázků) Záznam dat a práce se senzory: • kompatibilní se všemi senzory Vernier • vzorkovací frekvence až 100 kHz • vestavěná paměť 40 MB může být rozšířena pomocí SD/MMC nebo USB flash • rozlišení 12-bit • vestavěný interní teploměr a mikrofon Konektory: • 2 digitální a 4 analogové pro senzory Vernier • USB Standard-A port • USB mini-AB port • DC power jack • slot na SD/MMC

Systémy pro počítačem podporované experimenty •

23

Audio In/Mic/Out

Napájení • vestavěný vysokokapacitní akumulátor (vystačí na několik hodin intenzivního provozu) • externí adaptér (neboli nabíječka) Odolnost • 0 - 70 °C • přežije polití vodou • pogumované okraje tlumící nárazy při pádu

Obrázek 2-8 Seznam čidel firmy Vernier (http://www.vernier.cz/produkty/senzory)

2.6 Měřicí systémy MF-DAQ CMC-S2, CMC-S3, eProDas Tyto systémy byly vyvíjeny v rámci projektu Leonardo „Počítačem podporovaná laboratoř při vyučování přírodovědných a technických předmětů“ (Computerised laboratory in science and technology teaching, "ComLabSciTech", číslo N° SI 143008). Cílem projektu bylo vytvořit měřicí systémy a návody k experimentům při výuce přírodovědných předmětů. Podrobné informace na www.e-prolab.com. Informace o projektu v češtině na http://www.e-prolab.com/cz/index.html. Charakteristika měřicího systému. K počítači se připojuje přes USB. Modul obsahuje 6 přepínaných analogových vstupů s rozlišením 10 bitů. Vstupy mají ochranu proti přepětí. Systém je napájen z USB, maximální napájecí proud je 0,5 A.

24


Vstupy jsou po použití redukce kompatibilní s analogovými senzory Vernier.

Měřicí modul eProDas SC-1 s konektory pro přímé připojení na piny procesoru. Obrázek 2-9

Software eProLab obsahuje několik nezávislých modulů: ▪ Testování systému s kontrolou napětí na vstupech a výstupech ▪ HiScope – modul digitálního osciloskopu, ve kterém lze nastavovat nejen časové závislosti veličin, ale i závislosti veličin na sobě. ▪ Sonic motion – modul pro měření s ultrazvukovým čidlem vzdálenosti ▪ Voltampérové charakteristiky – modul pro měření V-A charakteristik s jednoduchým nastavením ▪ Editor senzorů – modul detekce a kalibrace čidel, velmi užitečný pro definování vlastních čidel a kalibraci čidel. ▪ Introduction to data acquisition – úvod do měření, seznámení s principy měření pomocí počítače, převodem čísel z dekadické do binární soustavy, demonstrace analogově digitálního převodníku a digitálně analogového převodníku. Otázky: 1. Srovnejte jednotlivé měřicí systémy z hlediska připojení k počítači. 2. Které měřicí systémy mají i analogový výstup? 3. S jakou kvantizací a jakou maximální vzorkovací frekvencí systémy pracují?

Reálná laboratoř

25

3 Reálná laboratoř Průvodce studiem. V této kapitole se dozvíte, nebo si zopakujete základní pojmy o možnostech nastavení měřicích systémů a vlastnostech čidel. Cílem je získat celkový přehled a orientovat se v této problematice.

Po prostudování této kapitoly budete schopni: • Popsat, které parametry nastavení systému jsou potřebné pro provádění počítačem podporovaných experimentů. • Popsat, které vlastnosti čidel mohou významně ovlivnit chybu měření. V reálné laboratoři mají žáci k dispozici měřicí systém a počítač s vhodným ovládacím programem. Ovládací program by měl mít možnost nastavit alespoň tyto parametry: • Rychlost měření – vzorkovací frekvence, perioda • Doba měření – počet vzorků • Režimy spouštění – ručně, automaticky, po určité době • Zobrazování – závislost veličiny na čase, závislost dvou veličin na sobě Správné nastavení vzorkovací frekvence závisí na době trvání experimentu. Pro krátké a rychlé experimenty volíme vysokou vzorkovací frekvenci – např. pro analýzu hlasu volíme frekvenci řádově 10 kHz, naopak pro měření teploty je dostatečná frekvence jednotky Hz. Systém ISES dovoluje nastavit dobu experimentu přímo v sekundách, v systému EdLaB je doba měření dána jako součin počtu vzorků a časování. Přesnost měření velmi ovlivňuje i použití vhodného čidla. Při výběru čidla musíme vzít v úvahu tyto vlastnosti: • Rozsah čidla • Charakteristiky převodu – přesnost • Princip funkce • Konstrukce čidla – mechanická odolnost, odolnost vůči chemikáliím • Možnosti připojení O vlastnostech jednotlivých čidel zpravidla podrobně informuje výrobce. Nalezení těchto údajů je možné na internetu. Otázky: • Zjistěte na stránkách výrobců jednotlivých systémů, jaká čidla systémy podporují. • Srovnejte parametry stejných čidel různých měřicích systémů. • Srovnejte ceny a dostupnost stejných čidel.

Vzdálená laboratoř

27

4 Vzdálená laboratoř Průvodce studiem. Tato kapitola je věnována popisu možností vzdálené laboratoře. Jsou zde uvedeny dostupné programy a odkazy na fungující vzdálené laboratoře. Po prostudování kapitoly budete znát: • Základní pojmy týkající se vzdálených experimentů. • Základní možnosti využití vzdálených experimentů ve výuce. • Webové adresy, kde lze nalézt vzdálené experimenty. Po absolvování kapitoly budete schopni: • připravit vyučovací hodinu s využitím počítačem podporovaného experimentu. Nedílnou součástí fyziky jsou fyzikální měření. I pro přímá měření je dnes možné využít internet, byť jen omezeně, protože provoz tzv. vzdálených laboratoří, které umožňují ovládání pokusů a přímé měření jeho výsledků, je náročný. Řada laboratoří je součástí výukových kurzů a je k dispozici pouze jejich účastníkům. Jednou z laboratoří, která je přístupná volně, je vzdálená laboratoř na Katedře didaktiky fyziky MFF UK v Praze. Vzdálené laboratoře, remote laboratory, vzdálené experimenty, remote experiments, remote sensing, remote observing, robot, remote robot, atd. jsou klíčová slova, která použijeme, když si budeme chtít vyhledat, prohlédnout, či vyzkoušet na internetu nové technologie, které umí ovládat různé aparatury na druhé straně internetu. V laboratoři na Katedře didaktiky fyziky MFF UK v Praze běží čtyři skutečné fyzikální experimenty, které můžete nejen pozorovat, ale hlavně ovládat přes internet. U některých z nich získáte i naměřená data pro další zpracování, ostatní mohou velice dobře posloužit jako motivační pokusy. Pokusy vzdálené laboratoře jsou: Regulace vodní hladiny

http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz/

Meteorologická stanice v Praze http://kdt-16.karlov.mff.cuni.cz/ Elektromagnetická indukce


Vlastní a vynucené oscilace


Ohyb elektromagnetického záření http://kdt-13.karlov.mff.cuni.cz/ Přeměna solární energie


Heisenbergův princip neurčitosti http://kdt-13.karlov.mff.cuni.cz/heisenbergcontrol_en.html

28


Obrázek 4-1 Vzdálená laboratoř – regulace vodní hladiny http://www.ises.info/index.php/cs/laboratory

Provozování vzdálených laboratoří využívá softwareovou stavebnici „ISES WEB Control“ pro podporu vzdáleného měření a řízení, která umožní i začínajícím tvůrcům WEB stránek jednoduchým způsobem zapracovat do svých stránek prvky pro podporu vzdálených experimentů. Serverovou stranu tvoří počítač s měřicím systémem ISES, prostředí Windows, libovolný WEB server a serverové moduly ImageServer, MeasureServer, HTTPRelayServer. Na serverové straně jsou na vytvořených WEB stránkách použity: • applety, které umožňují vytvořit ovládací tlačítka a posuvníky pro ovládání výstupů, • applety pro měření a digitální zobrazování vstupních veličin, • applety pro grafické zobrazování vstupních veličin, • applety pro přenos naměřených hodnot do klientského počítače, • applety pro přenos obrazu z WEB kamery, atd. Stavebnice „ISES WEB Control“ sestává z appletů, které mají mnoho vstupních parametrů a umožní velkou flexibilitu. Klientský počítač vyžaduje pouze prohlížeč Explorer, Firefox, aj. a podporu jazyka Java, které je v prostředí Windows automaticky k dispozici, resp. se z volně dostupných zdrojů doinstaluje. Průkopníkem a nejvíce rozšířený systém LabVIEW vvyužívá technologii „Remote Panel“, která umožňuje řízení přes WEB prostor. Před přístupem do „LabVIEW vzdálených laboratoří“ je třeba si nejdříve doinstalovat speciální software „LV RunTime Engine alespoň 6.1 či 7.0“. Pro instalaci je nutné mít administrátorská práva. Na oficiálních stránkách LabVIEW je až zarážející triviální aplikace. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru v grafické podobě je "zviditelněno" WEB kamerou, když se s rostoucím, klesajícím napětím rozsvěcuje i žárovička. (http://www.ni.com/academic/live_experiments.htm).


29

Další jednoduchý experiment přináší regulační úlohu s termistorem, který zahřívá žárovička ovládaná po internetu. Lze volit ruční i auto režim ovládání žárovičky. Úkolem je udržet na termistoru zvolenou teplotu. Žárovička se zahřívá a přenáší teplo na termistor, ale rovněž je využita k on-line vizualizaci WEB kamerou. Další úlohy rovněž vyžadují instalaci LVRunTimeEng: Desítky stránek jsou pouhým textovým popisem, článkem v časopise. V tomto příspěvku jsme raději vybírali "živé" stránky. Na http://mechatronics.me.wisc.edu/webmotctrl/ si můžete zatočit motorem. Zajímavým odkazem na univerzitu, která vzdáleně provozuje několik úloh, je http://dynamics.soe.stevens-tech.edu/. Zde jsou již úlohy strukturovány a mají jednotný formát. Připomíná to obdobu klasických praktik na VŠ. Úloha má teoretický úvod i praktické ověření on-line. Student uživatel volí vstupní parametry a volí start měření. Naměřené výsledky jsou pomocí e-mailu přeneseny na adresu uživatele (tento moment je trochu nepříjemný, ne vždy máme pohotově přístupnou poštovní schránku). Dostává zpět nejenom naměřená data, ale i obrázky grafů. Podpora kamerou je zde omezena na fotografie, resp. si může video přehrát off-line, ale tak trochu tím mizí dojem autentičnosti. http://pumapaint.rwu.edu/ lze dálkově malovat a vytvořit si svůj obraz. Skleník s kytičkami ovládaný z internetu si můžete vyzkoušet na http://telegarden.aec.at/. Další odkazy na vzdálené laboratoře: Remotely Controlled Laboratories – RCLs http://rcl.physik.uni-kl.de/ V této vzdálené laboratoři jsou pokusy orientovány i na kvantovou mechaniku např.: Milikanův pokus Měření rychlosti světla Fotoelektrický jev Interference Ačkoliv jazyk popisu je v němčině, angličtině, francouzštině a italštině, po chvilce práce s experimenty je lze snadno obsluhovat a stáhnout si i naměřená data.

Virtuální laboratoř

30

5 Virtuální laboratoř

Průvodce studiem. Tato kapitola je věnována popisu jednotlivých programů vhodných k výuce fyziky. Mnohé z nich asi znáte, protože jsou distribuovány na školy v rámci projektu Internet do škol. Prakticky se s těmito programy můžete seznámit na tutoriálu. Po prostudování této kapitoly budete umět: • Najít dostupné virtuální laboratoře. • Rozhodnout o využití ve vyučovacích hodinách. • Charakterizovat tyto programy. Získáte přehled o virtuálních laboratořích: • která témata zpracovávají, • pro které žáky jsou programy určeny, • jaká mají uživatelská rozhraní,

5.1 Programy pro modelování ve fyzice Význam programů pro modelování ocení více učitelé a žáci na střední škole, neboť pro tvorbu modelů je třeba mít vyšší matematické dovednosti. Na základní škole lze využít srovnávání hotových modelů nebo lze dobře využít grafické zobrazení modelů, žáci se naučí číst a porovnávat grafy. 5.1.1 Edison 4 CZ Vynikající multimediální simulátor elektrotechnické laboratoře, který je vhodný pro demonstraci elektrických obvodů na základních i středních školách. Edison je z dnešního pohledu již poněkud „historická“ aplikace, která využívá letitý šestnáctibitový engine MS Visual Basic 3.0. To ale může být i výhodou pro české školy, vybavené často i počítači s procesory běžícími i na méně než třicetině frekvence dnešních špiček. Práce u virtuálního stolu Aplikace Edison 4 CZ zobrazí po spuštění na celé obrazovce dvě základní okna. V levém se zobrazuje 3D perspektivní pohled na pracovní plochu (virtuální pracovní stůl), po jehož stranách jsou virtuální „police“ se součástkami. V pravém okně vykresluje Schématický analyzátor obvod z pracovní plochy standardními schématickými značkami. Obvody je možné tvořit na virtuální pracovní ploše interaktivně pomocí myši, kdy 3D virtuální součástku přetáhneme z virtuální police (polic je několik a obsahují sady podobných součástek) na pracovní plochu a pomocí myši ji virtuálním „vodičem“ propojíme do obvodu (součástku můžeme pochopitelně i pootočit do potřebné polohy), nebo využijeme již uložené soubory s obvody (typ souboru .CIR). Schématický analyzátor umožňuje i zpřehlednit vzhled


31

schématu bez změny v 3D modelu, tato funkce je výhodná při realizaci obvodu dle schématu z literatury. Obvody na pracovní ploše je možné doplnit virtuálními tabulkami s textovými popiskami.

Obrázek 5-1 Pracovní prostředí programu Edison 4

Pro usnadnění práce je vhodný virtuální rozvodný panel s pravidelnými vnitřními skrytými spoji, které výhodně využijete pro velmi jednoduché zapojení složitých obvodů, především s polovodičovými součástkami či integrovanými obvody s větším počtem vývodů. Vzhled některých součástek (baterie, přepínače, měřící přístroje) je stejný na rozvodném panelu i na pracovní ploše, některé další součástky mají zasunovací vývody (rezistory, kondenzátory, tranzistory, IO) a změní svůj vzhled, když jsou přetaženy nad virtuální rozvodný panel. Vývody těchto součástek jsou pak automaticky připojeny do odpovídajících konektorových otvorů rozvodného panelu. Ovládání práce s virtuálními součástkami je intuitivní a na rozdíl od reálné tvorby obvodů nehrozí zničení součástek nevhodným zapojením. Pomocí virtuálního osciloskopu, který disponuje časovou funkcí během simulace Edison umožňuje získat vysoce kvalitní charakteristiku dokončené simulace funkce obvodu. Získané charakteristiky lze upravit v editorů grafů s možností popisu os, modifikace stylu čar, jejich barev a použitých písem. Z charakteristiky je také možné v lineárních obvodech, obsahujících pouze rezistory, kondenzátory, cívky a baterie, odvodit matematický model. Využití připravených obvodů, pokusů a úkolů V dodávce Edisonu 4 CZ je přes sto připravených obvodů, ve verzi Edison 4 CZ Basic je jedenáct z nich spojeno do souboru pokusů. Dalším druhem předpřipravených souborů jsou úkoly k testování znalostí žáků. Ve verzi Edison 4 CZ Basic je k dispozici jeden soubor úkolů, další soubory pokusů a úkolů je možné vytvořit pomocí jednoduchých kompilátorů pracujících v režimu MS-DOS.


32

V případě úkolů můžeme vybrat jeden ze tří možných formátů úkolů: 1. Výběr z možností, kdy žák musí zvolit správnou odpověď. 2. Dotaz na hodnotu, kdy žák musí vypočítat správnou hodnotu a zapsat ji do dialogového boxu. 3. Řešení problémů, kdy žák musí najít jednu chybnou součástku v obvodu za pomoci virtuálních měřicích přístrojů a přepínání přepínače. Další možností aplikace Edison 4 CZ pro přípravu výuky je i nahrávání maker, která mohou zaznamenat postup tvorby obvodu i experimentů s ním. Záznam je použitelný například při výkladu, kdy vyučující nemusí tvořit složitější obvody interaktivně. Edison 4 CZ je otevřeným systémem s velkou variabilitou pro jednotlivé úrovně výuky. Edison vhodně doplňuje využití reálných pokusů, jeho výhodou je větší variabilita, nízké náklady a možnost individuální práce žáků. Zde je potřeba připomenout, že Edison 4 CZ je podmnožinou dalšího profesionálního simulátoru elektrických a elektronických obvodů Tina Pro, který kromě jiného například obsahuje rozsáhlé knihovny s více než 20000 virtuálními modely skutečných součástek nebo přes 1200 řešených obvodů. Ani Edison 4 CZ pochopitelně není bez chyb, například na kvalitě lokalizace se zřejmě projevila již zmíněná zastaralost vývojového prostředí, problémy s lokalizační podporou výrobce i malý časový prostor. 5.1.2 Excel Excel je velmi mohutný nástroj na zpracování dat. Můžeme ho používat v různých situacích: • Tabulky s přehledem žáků – seznamy žáků a jejich hodnocení, statistika tříd. • Připravené tabulky, např. pro laboratorní práce, kam žáci sami ručně doplňují údaje a počítají. • Automatizované výpočty s předem připravenými tabulkami – žáci vkládají data do počítače a výpočty provádí počítač. • Zpracování dat z měření, ať už ručního nebo pomocí počítače – výstupem mohou být tabulky a grafy. • Vytváření jednoduchých modelů v Excelu – učitelé nebo i žáci vytvářejí sami modely a pro výpočty a zobrazení využívají počítač. Korespondenční úkol. Navrhněte a zpracujte konkrétní fyzikální úlohy, které lze řešit pomocí tabulkového programu MS Excel. Uveďte alespoň jednu úlohu včetně zpracované tabulky s daty a vzorci.

5.2 Programy pro měření z videosekvencí Speciální oblastí získávání reálných dat je měření z videozáznamů. Pokud natočíme video reálného experimentu (pád míčku, vrhy těles, pohyb sportovců, pohyb živočichů...) lze následně provést analýzu takového videa, kdy jednotlivým bodům přiřadíme prostorové souřadnice. Časová osa je dána intervalem mezi dvěma snímky. Je důležité znát jakou frekvenci snímků má


33

kamera. Např. norma PAL má 25 snímků za sekundu (25 fps) webové kamery 30 fps. Pro záznam rychlého pohybu lze využít rychloběžnou kameru, která zvládne zaznamenat i 1000 fps např. typ Casio EX-FH20. 5.2.1 Digitální video v programu Tracker Jedním z volně šiřitelných programů pro videoanalýzu je program Tracker dostupný na http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/ . Program podporuje tyto funkce: 1. Trasování objektu – určení polohy, rychlosti, zrychlení. 2. Automatické trasování – program rozpoznává měřený objekt a automaticky určí polohu (je nutný velký kontrast mezi objektem a pozadím) 3. Video modelování - vytváření modelů na základě získaných dat 4. Trasování těžiště 5. Měření rotačního pohybu 6. Interaktivní grafické vektory, součty vektorů 7. RGB analýza spekter 8. Flexibilní kalibrace videa 9. Mnohonásobné vztažné soustavy pro analýzu srážek 10. Video filtry 11. Použití vlastních konstant a proměnných 12. Automatické funkce pro analýzu dat 13. Video konverze mezi různými formáty 14. Video export včetně zaznamenaných dat 15. Vkládání videí z webu atd.

Obrázek 5-2 Model v prostředí Tracker 3.10

34


5.2.2 Digitálního video v prostředí Coach 6

Dalším programem pro videoanalýzu, modelování a tvorbu animací je prostředí Coach 6. Stanovení závislosti polohy tělesa na čase pak lze použít ve výuce mechaniky a dynamiky při kvantitativním zkoumání zákonitostí mechanického pohybu. Ve výuce tak lze doplnit jak demonstrační, tak kvantitativní skutečné pokusy. Proměřování snímků a analýza mechanického pohybu v úlohách je prováděna v části měření na videu. Měření se provádí tak, že se na jednotlivých snímcích označí poloha předem zvoleného bodu. Měřič videa provede výpočet souřadnic kurzoru ve dvourozměrném kartézském souřadnicovém systému, který odpovídá rovině snímků, a zapíše vypočtené hodnoty do souboru výsledků.

Obrázek 5-3 Obrazovka v programu Coach 6 Data video, příklad rovnoměrného přímočarého pohybu

Poznámka: V rámci diplomové práce byl zpracován materiál pro využití naměřených dat z reálných experimentů i bez nainstalovaného programu Coach 6. Data jsou uložena ve formátu Flash. Odkaz je http://artemis.osu.cz/coach_video . Pro správnou funkci je doporučen prohlížeč Microsoft Internet Explorer. Naměřená data a zpracované experimenty jsou vhodné i pro žáky základních škol. Otázky: • Znáte ještě jiný program, který je má modul modelování pro podporu výuky přírodovědných předmětů? • Zpracujte úlohu pro žáky s využitím programu pro analýzu videa.

Jednoduchý systém na zaznamenávání dat EdLaB

35

6 Jednoduchý systém na zaznamenávání dat Educational Laboratory Board (EdLaB) Educational Laboratory Board – EdLaB je měřicí zařízení vycházející z měřicího rozhraní eProDas-SC1 vyvinutého v mezinárodním projektu ComLab (www.e-Prolab.com). Měřicí systém EdLaB se připojuje k počítači přes USB rozhraní. Na počítači se naměřená data zobrazují na přehledných grafech, na kterých je zobrazen průběh měření. Základem je jednočipový procesor Microchip PIC18F4455.

Obrázek 6-1 Měřicí panel systému EdLaB

Technická data: Napájení

+5 V z USB rozhraní

Maximální napájecí napětí

+6 V

Zatížení digitálního výstupu

Max. 25 mA na pin

Proud digitálním vstupem

Max. 1 mA na pin

Napětí na digitálním vstupu

Max. +5,5 V na pin

Napětí na analogovém vstupu

Max. +5,5 V na kanál

Rozsah analogového vstupu

0 V až 5 V 0…1023 A/D

Napětí na analogovém výstupu

+USB

Rozsah analogového vstupu

0…+USB – 1023 úrovní/10 bitů

Počet pinů vstup/výstup

25

Komunikace SDA Komunikace SPI Komunikace UART

Ano Ano Ano TTL

36


Obrázek 6-2 Zapojení konektorů pro analogová čidla

Na všech vstupech je připojeno napájecí napětí +5 V pro čidla, GND zem, a analogové vstupy RA0/Vin0, RA1/Vin1, RA2/Vin2, RA5/Vin3, RB0/Vin4, RB1/Vin5. Konektor CON5 obsahuje na pinech 6 analogový výstupy a CON6 na pinu 6 PWM výstup – pulzně modulovaný signál.

Obrázek 6-3 Zapojení konektoru pro digitální čidla a komunikaci

Konektory CON A a CON B jsou navrženy pro připojování digitálních čidel jako např. ultrazvukové čidlo firmy Vernier. Konektory CON P1 a CON P2 jsou navrženy pro připojování digitálních čidel, ovládání digitálních vstupů a výstupů, připojování krokových motorků, apod. Popis konektorů a otevřenost celého systému umožňuje zájemcům navrhovat a připojovat vlastní čidla. Většina analogových čidel využívá napájecí napětí + 5V, zem GND a vstup na , který je přivedeno napětí v rozmezí 0 až 5 V.


37

Obrázek 6-4 Příklad zapojení analogového čidla

Konstrukce analogového čidla podle Obrázku 6-4 je vhodná pro demonstraci funkce analogového čidla. Pokud potenciometr vybavíme i úhloměrem, získáme jednoduché čidlo pro měření úhlu. Při doplnění o kladku, lze takovéto čidlo využít i pro měření vzdálenosti – otočení o známý úhel – známou délku oblouku způsobí změnu napětí na výstupu. Čidlo lze využít pro měření malých vzdáleností – řádově cm.

Obrázek 6-5 Příklad zapojení teplotního čidla (převzato z http://www.eprolab.com/eqsens/temperature_sensor/Temperature_sensor.gif)

Na obrázku je uvedeno schéma zapojení jednoduchého teplotního čidla, které si mohou žáci sami sestavit. Výhodou je lineární výstupní charakteristika. Čidlo lze kalibrovat buď v programu eProLab v části Editor senzorů, nebo lze použít pro dokalibrování potenciometr R2. Vlastní konstrukce jednoduchých čidel podporuje rozvoj technických dovedností a lepší porozumění fyzikálním principům měření.

Popis programu eProLab – využití modulu HiScope

38

7 Popis programu eProLab - využití modulu HiScope Modul HiScope je nejkomplexnější část programu eProLab. Umožňuje pracovat s analogovými senzory (jako teplota, tlak, napětí, osvětlení,…), ale i s ultrazvukovým snímačem pro měření vzdálenosti, vzorkování četnosti číslicových signálů, modulace šířky impulzů signály a tak dále. Modul HiScope umožňuje monitorovat až 8 kanálů, které mohou být zobrazeny jako číslicová data, grafy časové závislosti veličin, grafy vzájemné závislosti veličin, graf Fourierovy transformace.

7.1 Otevření modulu HiScope Hlavní modul HiScope může být otevřen dvěma způsoby: 1. přes soubor HiScope (soubory s příponou epl03) – dvojklikem v oknech souborů prozkoumaných v průzkumníku, zkratky, hyperlinky HiScope souborům,… 2. či z eProLab úvodního okna kliknutím na tlačítko HiScope. ad 1) Jestliže je modul HiScope otevřen prostřednictvím souboru, všechny parametry měření jsou obsaženy v souboru, pokud byl soubor uložen i s daty, pak se také zobrazí. Pro opakování měření stačí mít stejně zapojená čidla nebo elektrické obvody a kliknout na zelenou šipku Start měření . Pokyny k zapojení senzorů a přípravy experimentu mohou být zapsány do Poznámkového bloku. Kontrolu instrukcí v poznámkovém bloku ověříte kliknutím na

.

ad2) Pokud je modul HiScope otevřen přes eProLab menu, většina tlačítek v menu HiScope je nefunkční. Pro spuštění experimentu můžete otevřít soubor a pokračovat jako v předchozím případě. Pro přípravu parametrů pro nové měření klikněte na

pro otevření dialogu Vybraná připojená čidla.

7.1.1 Tlačítka menu Při zavření okna HiScope dojde k návratu do eProLab vstupního menu. Všechna nastavení a data budou ztracena, pokud nebudou uložena jako soubor HiScope.


39

Zavře modul HiScope a ukončí program eProLab. Start nového nastavení experimentu. Všechna čidla a proměnné jsou nastavena na základní nastavení jako při spuštění modulu Hiscope. Otevření souboru HiScope s konfiguračními parametry experimentu nebo naměřenými daty. Uložení souboru HiScope s konfiguračními parametry experimentu nebo naměřenými daty. V poznámkovém bloku může být uložen popis experimentu a velikost a poloha otevřených oken programu. Základní adresář pro ukládání souborů je eProLab/DocHiScope. Při použití adresáře HiScope jako podadresáře pro uložení a přepsání souboru HscInit(.epl03) současná data budou smazána, ale bude uloženo současné nastavení jako preferované nastavení. Při každém dalším spuštění, bude toto nastavení jako základní. Výběr senzorů pro měření Seznam analogových čidel můžete editovat v modulu Editor senzorů. V tomto modulu mohou být čidla i kalibrována. Kromě analogových senzorů lze připojit i digitální čidla – ultrazvukové čidlo vzdálenosti, měření frekvence. Po výběru připojených čidel je třeba zadat proměnné veličiny. Kromě proměnných získaných ze senzoru, je možné využít i rozdílu mezi vybranými veličinami. Nastavení výstupních signálů. Nastavení proměnných pro zobrazení grafů a tabulek. Proměnné jsou voleny na základě připojených čidel. Nastavení vzorkovací periody, počtu vzorků, podmínek pro spuštění (triggering). Otevření okna s tabulkou naměřených dat. Data mohou být uložena v textovém formátu, kopírována přes klipboard, nebo vytištěna. Otevření okna pro nastavení grafu zobrazujícího y(t) časovou závislost veličiny. Mohou být zobrazeny až 4 okna s grafy současně. Kromě Hlavní osy (vlevo), můžete do každého grafu umístit i popis Vedlejší osy (vpravo). Každý graf tak může zároveň zobrazovat dvě různé veličiny. Ke každé ose můžeme přiřadit až 4 stejné veličiny stejného typu např. Současné měření teploty ve čtyřech místech. V okně časové závislosti y(t) lze otevřít funkci Fourierovy transformace. Otevření okna pro zobrazení vzájemné závislosti dvou veličin – nastavení zobrazení grafu y(x). Otevření okna pro zobrazení hodnoty proměnné. Zobrazení může být pomocí ručky, nebo číselné zobrazení.

40


Otevření okna pro popis experimentu, uloží se současně s jinými daty nebo nastavením. Start měření. Měření začne okamžitě po kliknutí na zelenou šipku, nebo když nastanou podmínky pro spuštění (triggering) nastavené v části . Jsou různé způsoby ukončení měření. Jestliže je vzorkovací perioda 10 ms a delší, lze měření ukončit kliknutím na tlačítko . Data jsou během měření průběžně ukládána v intervalu 6 minut. V případě, že bude počítač restartován, budou některá data ztracena. Jestliže je vzorkovací perioda v intervalu od 1 ms do 5 ms, je snazší zastavit měření stiskem klávesy Mezerník (Spacebar). Jestliže je vzorkovací perioda menší než 0,5 ms, měření bude ukončeno po načtení zvoleného počtu vzorků. Mezerník lze použít pokud je nastaveno opakované měření. Ukončení měření, je-li vzorkovací perioda delší než 10 ms. Smazání naměřených dat, ale nastavení je zachováno. 7.1.2 Vybrat připojená čidla Vybrat připojená čidla . Dostupná čidla – seznam analogových čidel dostupných v seznamu Editor senzorů, kde lze zadávat i nova čidla V seznamu jsou dále: Ultrazvukové čidlo pro měření vzdálenosti. Měřič frekvence pro měření frekvence u čidel s digitálním výstupem, PWM pro pulsně modulované signály Digitální vstup pro připojení optické závory, GM čítače, atd.


41

Všechna čidla kromě analogových musí být připojená do digitálních vstupů a musí mít digitální formu výstupu. Digitální vstup mají definovány pouze dva stavy logickou 0 (napětí 0 V až 1 V) a logickou 1 (více než 2.8 V).

Obrázek 7-1 Dialogové okno Vybrat připojená čidla

Dostupná čidla vložte mezi připojená čidla dvojklikem, nebo tlačítkem Přidat. Smazat. Vyjmutí čidla ze seznamu připojených čidel. Pokud nebyl seznam připojených čidel prázdný, nepůjdou čidla vymazat. Čidla lze vymazat a znovu nastavit otevřením nového experimentu . Připojeným čidlům je nutné správně přiřadit kanál odpovídající konektoru, do kterého jsou zasunuta. Měřicímu kanálu Vin0 odpovídá konektor označený CON1 (úplně vlevo). Přehledně: Vin0 odpovídá CON1 Vin1 odpovídá CON2, Vin2 odpovídá CON3, Vin3 odpovídá CON4, Vin4 odpovídá CON5, Vin5 odpovídá CON6. Maximum (Max) a minimum (Min) hodnoty mohou být změněny, ale není to nutné, lze je změnit i při nastavení grafu. Pouze při nastavení ultrazvukového čidla vzdálenosti, má nastavená hodnota maxima vliv na vzorkovací periodu při měření. Při nastavení maxima na 2 m bude vzorkovací perioda nejkratší. Další parametry, které lze nastavit pro ultrazvukové

42


čidlo: Nulová poloha – nastavení polohy od které bude prováděno měření. Hodnotu vložíme klikem na Vzorek. Pozitivní směr pohybu je směrem od čidla, pokud chcete, aby byl pozitivní směr k čidlu, zaškrtněte Opačný směr. Po ukončení zadávání přejděte na tlačítko y veličiny dialogové okno.

Obrázek 7-2 Dialogové okno Vymezit proměnné

7.1.3 Vymezit proměnné Dialogové okno se otevře kliknutím na z dialogového okna Vybrat připojení čidla nebo Výstupní signály. V případě, že jsou mezi připojenými čidly alespoň dvě čidla, která měří stejnou veličinu, např. napětí, teplotu, atd. pak lze zobrazit i jejich rozdíl – dá se vybrat v okně Proměnná a kanál. Vybrat jednu – vybere označenou proměnnou z okna Proměnná a kanál. Vybrat vše přidá základní nastavení připojených čidel. Smazat jednu – smaže jednu vybranou veličinu. Symbol – lze změnit označení proměnné. Pokud je použito více stejných veličin, lze je tak vzájemně odlišit. Příklad: jsou připojeny dva teploměry – označení t1, t2 a jejich rozdíl dt = t2-t1.


43

7.1.4 Vzorkovací čas a spouštění Dialogové okno otevřete kliknutím na u grafu.

nebo dvojklikem pod časovou osou

Obrázek 7-3 Vzorkovací čas a spouštění

Vzorkovací perioda je doba mezi sejmutím dvou vzorků. Nejmenší perioda je závislá na počtu a typu připojených čidel. Například ultrazvukové čidlo polohy má pro Maximum hodnotu 5 m, vzorkovací perioda je minimálně 50 ms, zatímco minimální vzorkovací perioda je 2 mikrosekundy pro jeden kanál analogového senzoru nebo pro jeden digitální vstup. Počet vzorků – maximální počet vzorků, který může být zaznamenán. Vzorkovací frekvence – převrácená hodnota vzorkovací periody. Informace o frekvenci je vhodnější při záznamu rychlých dějů. V praxi se tedy vzorkovací frekvence volí dvakrát větší plus ještě malá rezerva než je maximální požadovaná přenášená frekvence (Shanonnův teorém). Vzorkovací čas je součin vzorkovací periody a počtu vzorků – udává maximální dobu měření. Zobraz skutečný čas: Jestli je uvedeno Ano, pak bude graf zobrazován zároveň s měřením. Jestliže je uvedeno Ne – nelze zastavit měření dříve, než bude naměřen nastavený počet vzorků. Mód vzorkování Jednotlivý – po startu proběhne jen jedno měření. Opakování – měření probíhají v opakujících s intervalech podle počtu zadaných vzorků. Se začátkem nového měření se předchozí data ztratí. Obecně má význam

44


u krátkých periodických dějů. Kde je počet vzorků vyšší než 500 a doba kratší než 0,01 s. On change – měření se spustí pokud hodnota překročí nastavenou mez, nebo poklesne pod nastavenou mez. Zároveň s touto volbou musí být nastavený triggering. Zpoždění (sec) je čas mezi kliknutím na ikonu startu a okamžikem, kdy skutečně začne probíhat měření. Zdroj Jestliže není vybrán zdroj signálu, měření začne po čase uvedeném v okně Zpoždění. Jestliže je zdrojem jedno z připojených čidel, je možno volit ze čtyř nabídek. Měření se spustí, pokud měřená veličina překročí zadanou hodnotu. V případě, že je měřená hodnota vyšší než zadaná, měření se spustí až v okamžiku, kdy poklesne pod zadanou hodnotu a následně vzroste na tuto hodnotu. Měření se spustí, pokud měřená veličina klesne pod zadanou hodnotu. V případě, že je měřená hodnota nižší než zadaná, měření se spustí až v okamžiku, kdy vzroste nad zadanou hodnotu a následně poklesne pod tuto hodnotu. Měření se spustí, pokud měřená veličina vzrůstá nad zadanou hodnotu. Měření se spustí, pokud měřená veličina klesá pod zadanou hodnotu. Hodnota - Editační box pro vložení spouštěcí hodnoty. Auto - Pokud je zaškrtnuto spouštěcí hodnota se nastaví automaticky.


45

7.1.5 Graf y(t): výběr proměnné Dialogové okno se automaticky otevře, když je okno y(t) otevřeno poprvé. Později se spouští kliknutím na tlačítko . Proměnné lze přiřadit do maximálně čtyř oken s grafy. V každém okně může být současně zobrazeno několik proměnných, které mají stejné jednotky. V jednom grafu mohou být i veličiny s různými jednotkami, ale potom je nutné využít přiřazení na Hlavní osa (vlevo) a na Vedlejší osa (vpravo).

Obrázek 7-4 Dialogové okno

Nastavení hodnot Min in Max vymezuje hranice zobrazených hodnot na grafu . Zobrazit nulovou hodnotu Při zaškrtnutí se na hlavní ose vyznačí nulová hodnota veličiny. Platí pouze pokud je Min. záporná a Max. kladná hodnota Velikost bodu Číslo uvádí velikost bodu v grafu. Hodnota 0 značí, že veličina bude neviditelná, pokud body nebudou spojeny čárou (tloušťka čáry). Tloušťka čáry Číslo vymezuje šířku zobrazené čáry, projeví se jen pokud je zaškrtnuté políčko Spojit čárou. Zobrazit číselný integrál na čase Jestliže je zaškrtnuto toto políčko je spočítán a zobrazen integrál vymezen svislými posuvníky a grafem y(t) a osou x.


46

7.1.6 Graf y(t) – časová závislost proměnné y Okno se otevře kliknutím na . Jestliže nebyly vybrány proměnné ,otevře se nejdříve Graf y(t): výběr proměnné. Tlačítka start měření , konec měření a smazat naměřená data mají stejnou funkci jako v hlavním okně HiScope. Dvojklikem pod časovou osou se spustí Vzorkovací čas a spouštění stejně jako kliknutím na Uložit graf jakoWindows bitmap (BMP) soubor. Tisk grafu. Pokud není tisk úspěšný, je třeba uložit graf do souboru a poté vytisknout. Otevřít Graf y(t): výběr proměnné. Pro změnu hodnot Min a Max na osách grafu, lze dialog otevřít dvojklikem na ose. Otevřít okno pro Fourierovu transformaci. Zobrazit hodnoty Do textového okna se zobrazí hodnoty veličin vymezené svislými posuvníky. Kromě hodnot v místě s posuvníky se zobrazí i časový interval rozdíl hodnot. Spojit čáry Body grafu jsou spojeny čarami. Počet bodů v grafu V grafu je zobrazen počet bodů, vyznačený v boxu. Umožní detailně zobrazit část grafu, pokud je celkový počet naměřených dat vyšší než hodnota v boxu, je třeba použít spodní posuvník. Pro vzorkovací periodu od 1 ms do 5 ms je třeba zvolit maximální počet vzorků, měření by bylo zpomalováno přemazáním grafu.


47

7.1.7 Zobraz měřidlo Okno se otevře kliknutím na . V tomto režimu jsou zobrazovány číselné hodnoty až čtyř proměnných. Pokud nejsou vybrány proměnné, otevře se okno pro jejich zadání. V menu lze nastavit, která data budou zobrazena. Pokud je vzorkování rychlé, je zobrazena poslední hodnota. Pokud nejsou data zaznamenána, začnou se zobrazovat klikem na

, zastavení klikem na

a smazání posledních dat

kliknutím na . Funkce jsou identické jako v HiScope. Zobraz ručky – data jsou zobrazena pomocí ručky jako na analogovém měřidle Zobrazit čas – zobrazí současně čas t je čas, Dt je časový interval mezi vymezenými hranicemi v grafu y(t). Uložení displeje jako obrázek (BMP). Tisk hodnot. Otevření dialogu Zobrazit měřidlo: vybrat proměnné.

Obrázek 7-5 Dialogové okno Zobraz měřidlo

Zobrazení naměřených dat osvětlení v digitální podobě se současným zobrazením času.

Vlastnosti čidel

49

8 Vlastnosti čidel Čidla jsou reálné objekty a mají určité fyzikální vlastnosti. Vlastnosti lze rozdělit, např. podle těchto kriterií: • Rozsah čidla – obvykle je uvedena ve specifikaci, zároveň jsou uvedeny i hodnoty, které nelze překročit, aby nedošlo k poškození čidla. • Charakteristiky převodu – obvykle mají čidla lineární převod měřené veličiny na napětí. U kalibrace jsou uvedeny dvě hodnoty k0 počátek a k1 směrnice přímky. U nelineárních čidel je třeba provést více měření, aby byla kalibrace co nejpřesnější. • Princip funkce – princip fungování čidla určuje jeho použití. Např. polovodičový a termočlánkový teploměr musí být v kontaktu s měřeným prostředím. Infrateploměr měří bezkontaktně – tj. neovlivňuje měřený objekt. • Konstrukce čidla – mechanická odolnost, odolnost vůči chemikáliím, např. u teploměrů, jestli odolávají zásadám a kyselinám. • Možnosti připojení – ačkoliv většina analogových čidel různých výrobců jako např. Vernier, Coach, Pasco, Ises, EdLaB mají vstupní napětí od 0 V do 5 V, liší se mechanickým připojením. Pak je nutno použít kabelovou redukci – bílá redukce pro převod signálu od čidel Vernier do desky EdLaB jsou přiložena u čidel.

Obrázek 8-1 Dialogové okno - časová závislost proměnné y

Porovnání teplotní setrvačnosti teploměrů zelený tmavě modrá, termočlánkový světle modrá, infrateploměr tyrkysová.

50

Vlastnosti čidel

Z grafu je patrné, že největší setrvačnost má polovodičový teploměr, při ponoření do kapaliny je to řádově 30 s, při ochlazování na vzduchu až 150 s. Termočlánkový teploměr má malou tepelnou kapacitu, dobrou teplotní vodivost – má malou teplotní setrvačnost. Nevýhodou je malé rozlišení čidla 1,6 °C. Infateploměr má rychlou odezvu, je bezkontaktní, takže neovlivňuje měřenou teplotu, ale při snímání teploty záleží na povrchu měřeného tělesa. Např. při měření nerezového povrchu rychlovarné konvice, může zobrazovat chybnou hodnotu povrchové teploty – nerez má jinou odrazivost než matné látky. Tato úloha je vhodná jako cvičení pro žáky k porovnávání různých typů teploměrů a pochopení jejich principu. Měření teploty teploměrem lze přirovnat ke vnímání teploty dotykem – dvě tělesa, která mají stejnou teplotu můžeme vnímat rozdílně pokud mají rozdílnou tepelnou vodivost a teplotu nižší než je teplota těla. Kovové těleso se jeví chladnější, než dřevo nebo plast (polystyren) o téže teplotě. Kovové těleso má vyšší tepelnou vodivost než dřevo – odvádí teplo z ruky – ochlazuje ji intenzivněji, než dřevo, které je tepelný izolant. Úlohy na vedení tepla je vhodné provádět v různých modifikacích tak, aby si žáci uvědomili rozdíl v pojmech teplota, teplo, tepelná kapacita, tepelná vodivost. Příklad: Jak hřeje ovčí vlna? Pokud se umístí teploměr v místnosti a pod ovčí vlnu (peřinu, svetr atd.), naměří stejnou teplotu – vlna nehřeje, ale izoluje. Pokud se pod vlnu vloží kousek ledu, zjistí se, že teplota poklesne a udrží se dlouho nízká. Porovnajíli žáci rychlost tání vně a uvnitř vlny, zjistí, že vně je tání rychlejší.

Příklady – modelové úlohy

51

9 Příklady – modelové úlohy Po prostudování této kapitoly budete znát: • Možnosti nastavení systému pro počítačem podporovaná měření. • Program pro měření pomocí počítačů. • Vybrané experimenty Dovedete: • správně nastavit systém pro měření s ohledem na prováděný experiment, • optimalizovat průběh experimentu z hlediska naměřených hodnot, • optimalizovat průběh experimentu z hlediska didaktických cílů. Při práci v laboratoři se žáky se ukázalo, že je pro žáky vhodnější, když mají k dispozici vytištěné pokyny k experimentu, podle kterých postupují při měření. Je to vhodnější postup, než když mají pokyny na obrazovce, kdy musejí přepínat mezi různými aplikacemi, což je zdržuje a zároveň brání využití efektivní práci ve skupině. Pro počítačem podporované experimenty se jako velmi vhodná forma práce ukázala forma skupinového vyučování. Žáci pracovali ve čtyřčlenných až šestičlenných skupinách. Všechny skupiny řešily stejný úkol. Ve třídě bylo maximálně šest skupin, protože nebylo k dispozici více měřicích systémů. Nyní uvedu několik typových úloh. Korespondenční úkol. Navrhněte a zpracujte konkrétní úlohy, které lze podobně připravit, tj. zpracovat pracovní list pro žáky a list pro učitele s komentářem. Ověření a optimalizaci úlohy můžete provést na tutoriálu. Cílem této první úlohy je seznámit žáky s měřicím systémem. Tato úloha je jednoduchá a je velmi podrobně popsaná.

9.1 Příklad experiment – meteorologická stanice Sledování počasí, a veličin se změnami počasí souvisejícími je jedno ze zkladních měření, které propojuje všechny přírodní vědy – fyziku, biologii, chemii. Uspořádání experimentu lze využít jak pro sledování změn vně budovy, tak ke sledování změn vzduchu ve třídě např. během vyučovací hodiny. V následujícím pokusu se podíváme jak nastavit experiment, který využívá 6 čidel: zelený teploměr, barometr, vlhkoměr, čidlo světla, čidlo plynného kyslíku, čidlo oxidu uhličitého. Jak se mění koncentrace plynů ve vzduchu během vyučovací hodiny?Může mít změna koncentrace plynů ve vzduchu vliv na pozornost žáků? Pokud ano, tak jak lze ovlivnit kvalitu vzduchu ve třídě během vyučování? Nejen odpovědi na tyto otázky naleznete v průběhu realizace tohoto experimentu.


52 9.1.1 Návod pro žáky

Teorie: Při pobytu ve třídě, kde je více žáků a nedochází k větrání se vlivem dýchání zvětšuje koncentrace oxidu uhličitého a vodní páry na úkor koncentrace kyslíku. Důsledkem dýchání je tedy změna koncentrace některých plynů v ovzduší. Vaším úkolem bude zjistit, jak se mění koncentrace kyslíku a oxidu uhličitého. Zároveň se seznámíte s programem eProLab a naučíte se ho používat. 1. Úkol: a) Připojte a nakalibrujte čidlo teploty. b) Ověřte spolehlivost a přesnost své kalibrace. A) Připojte a nakalibrujte čidlo teploty Pomůcky: led, voda o pokojové teplotě, vařič (popřípadě spirála, rychlovarná konvice), kádinka, teploměr, senzor teploty Postup: Teploměr zapojíme do vstupu Vin0 (Obrázek 9-1). Spustíme program eProLab a zvolíme modul Editor senzorů (Obrázek 9-2). Otevře se okno, které vidíte na obrázku 9-3.

Vin0

Obrázek 9-1 Vstup Vin0


53

Obrázek 9-2 Základní nabídka modulů programu eProLab

Obrázek 9-3 Modul Editor senzorů

Po zvolení položky Vložit nový (viz položka 2. na obrázku 9-4, dál už jen 2/9-4) se vám v kolonce Seznam senzorů objeví položka nový senzor (1/9-4). Pro vytvoření nového čidla vyplníte potřebné údaje v následujících kolonkách (viz číslování na obrázku 9-4): Ad 6) Zde si název nový senzor nahradíte vlastním pojmenováním čidla, v našem případě to bude teploměr. Jelikož se pro teplotu používá označení t, použijeme ho i v tomto případě.

54


Ad 8) Slouží pro zadání jednotky měřené veličiny. Pro naše měření použijeme Celsiovu stupnici a tedy do kolonky vložíme °C. Ad 9) Každý senzor má určitý rozsah, ve kterém je schopen měřit danou veličinu, pro jejíž měření je určen. Tato vlastnost je charakteristická pro každé čidlo, a proto je důležité při každé kalibraci minimální a maximální možné hodnoty zapsat do těchto kolonek. Tuto informaci naleznete v manuálu k vybranému senzoru. Vyhledejte tyto hodnoty pro používaný teploměr.

Obrázek 9-4 Přidávání nového senzoru

Dalším krokem bude samotná kalibrace nového senzoru. Zvolte ikonu Kalibrovat a otevře se okno, které je popsáno na obrázku 9-5. Důležitým prvkem tohoto kroku je mít správně nastavený vstup, ve kterém se čidlo nachází (1/9-5). V našem případě se jedná o vstup Vin0 (1/9-5), do kterého jsme teploměr na začátku zapojili. V kolonce 2/9-5 se zobrazují aktuální hodnoty napětí na vstupu z daného senzoru. Toto napětí se s měnící teplotou bude měnit. Cílem celé kalibrace je proto k těmto hodnotám napětí přiřadit co nejpřesněji hodnoty teplot. Všechny hodnoty na konci uložíme tlačítkem Uložit (3/9-5) a celou kalibraci ukončíme tlačítkem Zavřít (4/9-5). Připravíme si ledovou tříšť v kádince. Postup je takový, že celé kusy ledu zabalíme do libovolné látky a drtíme je údery kladiva. Vyrobenou tříšť přesypeme do kádinky a zasuneme do něj senzor teploty. Zároveň co nejblíže senzoru vsuneme druhý teploměr a čekáme až se hodnoty napětí v okně 2/9-5 a teplota na kontrolním teploměru ustálí.


55

Obrázek 9-5 Kalibrace čidla

V tomto okamžiku odečtěte hodnotu z kontrolního teploměru a zapište do kolonky 1/9-6 a potvrďte stisknutím klávesy Enter na vaší klávesnici. Hodnota se objeví v levém sloupci 2/9-6 a zároveň je hodnota znázorněna v grafu závislosti teploty na napětí 3/9-6. Další hodnotu teploty vložíme tak, že do prázdné kádinky nalijeme vlažnou vodu z kohoutku. Opět ponoříme oba teploměry a čekáme, až se hodnoty ustálí. Celý postup opakujeme stejně jako s ledovou tříští. Pro přesnost kalibrace se doporučuje zadat minimálně 3 hodnoty. Vařičem ohříváme vodu v kádince až k bodu varu. Hodnoty teploty lze odečítat v průběhu ohřívání, ale pamatujte na setrvačnost teploměrů. V praxi to znamená, že použijete-li jako kontrolní teploměr rtuťový teploměr, může být teplota vody v kádince již vyšší oproti odečítané hodnotě z kontrolního teploměru.

56


Obrázek 9-6 Zadávání hodnot v průběhu kalibrace čidla

Všechny naměřené hodnoty by měly být zaznamenány v kolonce 2/9-6 a zároveň znázorněny a propojeny v grafu. Všechny změny uložíme tlačítkem Uložit 3/9-5 a kalibraci ukončíme tlačítkem Zavřít 4/9-5. Vzápětí se na monitoru objeví nové okno (obrázek 9-7). Potvrzením tlačítka Yes uložíte kalibraci do seznamů čidel. Nechcete-li kalibraci potvrdit, zmáčknete tlačítko No. V tomto případě zvolte volbu Yes.

Obrázek 9-7 Uložení kalibrace

Nyní jste se opět ocitli v okně Editor senzorů a při odškrtnutí možnosti Display 10/9-4 se zobrazí panel, ve kterém se zobrazují aktuální hodnoty vybraného připojeného čidla. Starší kalibrace lze načíst pomocí tlačítka Otevřít 2/9-4. Celou editaci nového senzoru ukončíte stisknutím tlačítka Zavřít. Zobrazí se další okno, které se zeptá, zdali má být vytvořené čidlo zařazeno do seznamu čidel (obrázek 9-8). Potvrdíte volbu Yes a nyní by měl být senzor plně funkční.


57

Obrázek 9-8 Uložení nového čidla

B) Ověřte spolehlivost a přesnost své kalibrace. Pomůcky: čidlo teploty, kontrolní teploměry (digitální a rtuťový), vařič (popřípadě spirála, rychlovarná konvice), kádinka s vodou Postup: Do vlažné vody v kádince vložte čidlo teploty a kontrolní teploměry. Sledujte, v jakém pořadí se ustálí teplota na určitých hodnotách a zda-li se tyto hodnoty nějak liší. Stejné měření proveďte minimálně pětkrát pro různé teploty vody. Z pozorování vyvoďte odpovídající závěry. 2. Úkol: Nastavte všechny potřebné parametry experimentu potřebné k měření hoření svíčky. Postup:

Obrázek 9-9 Modul HiScope

Jestliže ze základní nabídky modulů (9-2) vyberete možnost HiScope, zobrazí se na monitoru v podobě, která je zachycena na obrázku 9-9.

58


Obrázek 9-10 Ikony na horní liště modulu HiScope

Na horní liště se zobrazí několik ikon, ale pouze část můžete používat ihned. Zbylé ikony se zprovozní postupným nastavováním pokusu. K naší práci použijeme první ikonu zleva (1/9-10). Pracovně ji nazveme Nová čidla, veličiny. Ikona 2/9-10 slouží k otevírání souborů HiScope což znamená, že pomocí ní lze otevřít starší uložená měření. Pomocí třetí ikony zleva 3/9-10 vyberete potřebná čidla k měření. 4/9-10 lze používat až po zvolení čidel a slouží k vymezení proměnných, které chceme měřit.

Obrázek 9-11 Tvorba nového měření v modulu HiScope

Pro vytvoření nového měření stiskněte ikonu Nová čidla, veličiny (1/9-10). Otevře se nové okno, které nese název: „Vybrat připojená čidla“. V tomto okně naleznete tyto následující možnosti (9-11): Ad 2) V levém sloupci pod názvem Dostupná čidla je seznam všech senzorů, které jsou nakalibrované a lze je použít. Ad 3) Touto volbou přidáváte označená čidla z levého sloupce do seznamu čidel, která budete používat v následujícím pokusu.


59

Ad 4) Toto tlačítko slouží pro odebrání čidla z pravého sloupce. Ad 5) Levý sloupec nese název Připojená čidla a zobrazuje zvolené senzory. Ad 6) Po zvolení určitého senzoru nastavte číslo vstupu, ve kterém je zapojený. Označení každého vstupu se nachází na samotném měřicím systému. Ad 7) Pro každý senzor je potřeba určit jeho rozsah. Ten je uveden výrobcem v manuálu ke každému senzoru. Jedná se o zadání minimální a maximální hodnoty. Ad 8) U každého senzoru je určeno v jakých jednotkách danou veličinu měří. Ad 9) Tento panel zobrazuje, kterou veličinu dané čidlo měří. Ad 10) Pro potvrzení nastavení stiskněte tlačítko Ano. Pro náš pokus vyberte čidla: zelený teploměr, barometr, vlhkoměr, čidlo světla, čidlo plynného kyslíku, čidlo oxidu uhličitého..

Obrázek 9-12 Vymezení proměnných

Nyní již můžete používat ikonu Vymezení proměnné (4/9-10). Otevře se vám nové okno (9-12), ve kterém zvolíte proměnné, které hodláte pomocí zvolených čidel měřit. V levém sloupci (1/9-12) uvidíte všechna zvolená čidla. Pomocí tlačítek Vybrat nebo Vybrat vše přesunete označené čidla do levého sloupce (3/9-12). Pro náš pokus vyberte všechna tři připojená čidla. Tímto krokem jste zvolili proměnné pro následující pokus. Vše potvrdíte tlačítkem Ano a vrátíte se do modulu HiScope. Tímto krokem se zobrazily všechny ikony v celém modulu.

60


Obrázek 9-13 Nově zobrazené ikony

Po zmáčknutí ikony s označením t (1/9-13) se otevře nové okno (9-14).

Obrázek 9-14 Nastavení vzorkovacího času a spuštění experimentu

V tomto okně lze nastavit následující parametry experimentu: (1/9-14) Vzorkovací perioda – je to čas mezi snímáním čidel. Lze vybrat periodu od 2,5 µs do 60 minut. Záleží, jaký pokus měříme. Chceme-li měřit dynamický a rychle se měnící děj, zvolíme malou vzorkovací periodu, a naopak jedná-li se o děj, v němž změny probíhají pomalu, stačí zvolit vyšší vzorkovací periodu. Mějte však na paměti, že některá čidla mají velkou setrvačnost, a navíc mohou mít omezenou vzorkovací periodu. Například senzor koncentrace oxidu uhličitého ve vzduchu může snímat nejrychleji s periodou min. 1 s. Z toho plyne, že i vyšší zvolená vzorkovací perioda by byla zbytečná. (2/9-14) Počet vzorků – udává počet snímání senzorů v průběhu experimentu. Zvolený počet vzorků ovlivňuje především délku experimentu (3/ 9-14). Kombinací vzorkovací periody (1/9-14) a počtu vzorků (2/9-14) nastavujeme zároveň i délku měření celého experimentu (3/9-14). Proto je důležité před nastavením celého pokusu odhadnout jeho délku a podle toho zvolit odpovídající celkový čas trvání. Pod číslem 4. na obrázku 9-14 se nachází panel Spouštění. Ten slouží k naplánování spouštění pokusů. Za normálních okolností a tedy i v našem pokusu


61

použijeme standardní nastavení. U některých dlouhodobých pokusů lze využít spouštění měření pouze při překročení určitých hodnot nebo při jejich poklesu. V tomto kroku použijte jen nastavení počtu vzorků a vzorkovací periody. Předem zkuste odhadnout, jaký čas bude potřebný k naměření našeho pokusu. Dle svého odhadu nastavte i celkový čas trvání měření. V našem případě měření trvalo 16 minut. Na obrázku 9-15 jsou popsány možnosti nastavení změn parametrů veličin. Popis obrázku 9-15: Ad 1) Ve sloupci Proměnné se nacházejí námi zvolené senzory z předchozího kroku s příslušnými vstupy, ve kterých se nacházejí. Ad 2) Umístění proměnné v tomto panelu potvrzuje její zobrazení v 1. grafu. Stejný postup jak u tohoto panelu (viz dále) postupujeme i u panelů y(t): 2,3 a 4 Ad 3) Proměnnou lze umístit na Hlavní osu (vlevo)grafu. Ad 4) Tímto tlačítkem se vybranou proměnnou umísťuje do prvního grafu a na vodorovnou osu.

Obrázek 9-15 Změna parametrů veličin a řazení do grafů

Ad 5) Zároveň lze i upravit rozsah měřené veličiny v daném experimentu, očekáváme-li menší rozsah než je absolutní rozsah senzoru. Ad 6) Tlačítkem Smazat odstraníme proměnnou z daného grafu Ad 7) V případě, že chceme do jednoho grafu umístit druhou proměnnou, umístíme ji na Vedlejší osu (vpravo). Postup je stejný jak u umísťování na Hlavní osu Ad 8) Ikonou Ano vše potvrdíme a okno se automaticky uzavře. Měřené veličiny pro pokus Hoření rozmístěte dle vlastního uvážení do grafů tak, aby bylo zobrazení přehledné.


62

Tímto nastavením se otevře vámi nadefinovaný panel měření (obrázek 9-16). Na horním panelu přibylo několik nových ikon (obrázek 9-17), které budou potřebné při upravování nastavení měření.

Obrázek 9-16 Časová závislost více proměnných na čase, jsou použity 3 grafy a zobrazují 6 proměnných – teplota a atmosférický tlak, vlhkost a osvětlení, koncentrace kyslíku a oxidu uhličitého.

1.

6.

2.

3.

7.

4.

8.

Obrázek 9-17 Nové ikony na horní liště

Na obrázku 11.17 jsou označeny tyto nové ikony:

5.


63

Ad 1) Slouží k ukládání výsledných naměřených grafů jako souborů bmp. Usnadňuje tak následnou práci s výsledky. Ad 2) Díky ní lze ihned vytisknout naměřené veličiny v podobě grafů Ad 3) Po volbě této ikony se vám zobrazí okno, které již znáte. Jmenuje se Výběr proměnné a slouží k nastavení případných změn v průběhu měření. Ad 4) Zmáčknutím zelené šipky na horním panelu spustíte celé měření. Ad 5) Chcete-li vymazat naměřené veličiny, použijte toto tlačítko. Ad 6) Zaškrtnutím položky Zobrazit hodnoty se na levé straně objeví zásuvný panel, ve kterém jsou zobrazeny zvolené hodnoty z grafů (1/9-16). Ad 7) Zaškrtnete-li položku Spojit čáry, vykreslí se vám spojnice mezi jednotlivými body. Ad 8) Touto položkou zobrazíte názvy nebo charakteristiky měřených veličin v grafu (2/ 9-16). Závěrečnými kroky tohoto úkolu bude označit všechny tři zaškrtávací políčka a následné uložení celého pokusu do vybraného souboru. 3. Úkol: Realizujte pokus meteorologická stanice ve třídě. Z výsledků určete: a) Průběh změn jednotlivých veličin. b) Koncentraci oxidu uhličitého ve vzduchu, na počátku a na konci měření. c) Popište všechny změny měřených veličin v průběhu měření a vysvětlete je. d) Zamyslete se nad důsledky změn koncentrace plynů ve vzduchu a projednejte je v diskuzi. 9.1.2 Návod pro učitele Úvod: Tento pokus poslouží žákům jako pomůcka pro seznámení s měřicím systémem a softwarem eProLab. Časová nenáročnost samotného experimentu poskytne žákům více prostoru k detailnímu prozkoumání jednotlivých nastavení programu a také ke zjištění jeho výhod a nevýhod. Proto jsem toto úvodní měření rozšířil o kalibraci jednoho čidla, čímž se zvýšila celková časová náročnost celého cvičení. Teorie: Při dýchání dochází k oxidaci – zvyšuje se koncentrace vodní páry a oxidu uhkličitého. Z toho vyplývá, že k dýcháníje zapotřebí kyslík. Úkolem žáků bude zjistit, jak se mění koncentrace plynů během vyučovací hodiny. Cíle experimentu: • Žák bude umět zapojit senzory do předem určených vstupů. • Žák bude vědět, na jakém principu vybrané senzory měří veličiny. • Žák bude umět nakalibrovat vybrané senzory. • Žák bude umět nastavit měření dle návodu nebo požadavků vyučujícího. • Žák bude umět vysvětlit výsledné grafy.

64


1. Úkol: a.) Připojte a nakalibrujte čidlo teploty. b.) Ověřte spolehlivost a přesnost své kalibrace. Postup: Do předem zvolených skupin rozdáme měřicí systém EdLaB. Nejdříve vysvětlíme zapojení systému, aniž by žáci pracovali. Po předvedení zapojení necháme žáky samostatně zapojit EdLaB k počítači a průběžně kontrolujeme práci skupin. Majíli všechny skupiny zapojené měřící zařízení, dalším krokem je spuštění počítače a seznámení se softwarem eProLab, ve kterém jim vysvětlíme postupně funkce jednotlivých modulů. Pro žáky budou nejdůležitější moduly HiScope a Editor senzorů. Začneme předvedením modulu Editor senzorů a prvním úkolem žáků bude nakalibrovat teploměr. Budou postupovat dle návodu pro žáky. Po dokončení kalibrace bude jejich úkolem ověřit její přesnost. Budou ji porovnávat s jinými druhy teploměrů. Při této práci je důležité, aby počkali dostatečnou dobu, než se teploty na všech teploměrech ustálí a neodečítali hodnoty příliš brzy. Pro šikovnější žáky můžeme připravit jiné čidlo, které mohou zkusit také nakalibrovat. Výsledky: Kalibrace senzorů je činnost kladoucí zvýšené nároky na přesnou činnost žáků.

Obrázek 9-18 Výsledná kalibrační křivka

Jde především o přesné přiřazování hodnot teploty k hodnotám napětí. Tuto činnost nejde průběžně dobře kontrolovat. O přesnosti práce nám napoví více kontrolní srovnávací měření a jeho výsledky. Možné výsledky kalibrace vidíte na obrázku 9-18.


65

2.Úkol: Nastavte všechny potřebné parametry experimentu potřebné k měření změn koncentrace plynů ve vzduchu. Postup: Po kalibraci senzorů žáci samostatně pracují a dle svých návodů se seznamují s funkcemi modulu HiScope. Deset minut samostatné práce by mělo žákovi postačit na seznámení s nastavením experimentu. Záleží proto na počtu členů ve skupinách, kolik času této části budete věnovat, aby každý žák měl dostatek času si eProLab prohlédnout. Výsledky: Výsledným produktem jejich práce by mělo být dokončené nastavení modulu, které stačí již pouze spustit. 3. Úkol: Realizujte pokus meteorologická stanice ve třídě. Z výsledků určete: a) Průběh změn jednotlivých veličin. b) Koncentraci oxidu uhličitého ve vzduchu, na počátku a na konci měření. c) Popište všechny změny měřených veličin v průběhu měření a vysvětlete je. d) Zamyslete se nad důsledky změn koncentrace plynů ve vzduchu a projednejte je v diskuzi. Postup: Poslední součástí celého úkolu bude realizace samotného experimentu. Žáci si připraví čidla: zelený teploměr, barometr, vlhkoměr, čidlo světla, čidlo plynného kyslíku, čidlo oxidu uhličitého. Vše zapojí dle návodu a jejich úkolem bude zvolit optimální nastavení frekvence vzorkování a počtu vzorků. Také by si měli před spuštěním pokusu udělat odhad, kolik vzorků nastavit, aby proměřili zbylou část vyučovací hodiny. Jelikož je tento pokus časově náročný, může být prováděn i jako demonstrační – žáci budou diskutovat nad výsledky měření..


66 Výsledky:

Obrázek 9-19 Průběh měření pokusu meteorologická stanice – měření v uzavřené místnosti – změna koncentrace oxidu uhličitého – po vyvětrání se snížila.

a) Při dýchání se významně mění koncentrace kyslíku a oxidu uhličitého ve vzduchu. Při dýchání se kyslík spotřebovává na vytváření jiných sloučenin, a to především oxidů. Z těchto důvodů se hoření také často říká oxidační proces. Jedním z dalších produktů je vznik CO2. Je důležité žákům také zdůraznit rozdíl mezi jednotkami, ve kterých měříme koncentraci O2 a CO2. Je důležité jim říci, že za normálních podmínek je v jednom miliónu částic vzduchu zastoupeno asi 210000 částic O2 a asi jenom 370 částic CO2. Při prvním pohledu můžou být výsledné grafy značně matoucí. b) V této části by si žáci měli uvědomit, že kdekoliv dochází k oxidaci dochází také ke tvorbě CO2, který patří mezi skleníkové plyny. To znamená, že CO2 se vytváří spalováním ve spalovacích motorech, továrnách, atd. Důležité je poukázat na růst koncentrace CO2 v atmosféře a z toho plynoucí zesilování skleníkového efektu. Je to jev vyskytující se přirozeně na Zemi. V podstatě jde o zachytávání a uchovávání sluneční energie planetou Zemí. Přitom pohlcená energie musí být rovná energii, kterou Země vyzařuje a odrazí. Jinak by docházelo k trvalému oteplování. Některé plyny i přes to, že jsou v atmosféře naší planety zastoupeny v malém množství, dokáží absorbovat dobře dlouhovlnné záření, které vyzařuje Země. Odrážejí tak záření zpět k zemskému povrchu a přispívají tak k zajištění příznivé teploty. Bez těchto plynů by se teplota na naší planetě pohybovala kolem -19 °C, čímž by se zařadila mezi planety


67

neslučující se s životem. Vzduch se ohřívá odraženým zářením těsně u zemského povrchu a stoupá vzhůru, tam se postupně rozpíná, a ochlazuje a tento koloběh se neustále opakuje. Tento jev se nazývá konvekce neboli vedení tepla. Z toho plyne, že skleníkový efekt je nedílnou součástí života. Tento jev ovlivňují tzv. skleníkové plyny. Mezi ně patří především vodní pára a oxid uhličitý. Čím více se těchto plynů v atmosféře nachází, tím více tepla je odraženo zpět k povrchu Země a samozřejmě stoupá teplota atmosféry a celé planety. Vodní pára vzniká především vypařováním z oceánů, a tedy na jejich množství v atmosféře nemá přímý vliv. Jinak je tomu u CO2, který je civilizací produkován při mnoha činnostech a v principu se u většiny jedná o spalování. Nevýhody experimentu Jako nevýhodu lze zmínit délku experimentu. Je potřeba dodržovat bezpečnostní pravidla, aby nedošlo k úrazu. Výhody experimentu Tento jednoduchý experiment je vhodný pro demonstraci možností měřicího systému EdLaB a programu eProLab. Experiment je snadný na pochopení, a proto se v něm žáci mohou naučit univerzálním krokům, které musí vykonat v průběhu nastavování každého pokusu. Zařazení do učiva biologie Problematika dýchání a skleníkový efekt se řadí do učiva ekologie, která se vyučuje ve 4. ročníku gymnázia. Zařazení do učiva fyziky Skleníkový efekt a změny v koncentracích některých plynů v ovzduší lze zařadit do učiva molekulové fyziky, která se vyučuje ve 2. ročníku gymnázia. Zařazení do učiva chemie Proces oxidace je jedním ze základních procesů, které lze demonstrovat. Na úrovni střední školy lze tento experiment demonstrovat a interpretovat i kvantitativně. Lze vyjádřit změnu koncentrací produktů hoření, např. v jednotkách mol a určit poměr mezi prvky v parafínu C, O, H.

Závěr

68

10 Závěr Pozitivní vlivy zavádění měření pomocí počítačů do výuky: Větší názornost o Provádění demonstračních experimentů o Provádění žákovských experimentů formou skupinové práce Možnost automatizovaného, či poloautomatizovaného měření Zobrazování grafů průběhu měření o Zobrazování okamžitých hodnot několika veličin současně o Využití počítačem podporovaných experimentů – rychlé děje, pomalé děje o Využití počítačem podporovaných experimentů – rychlé ověření hypotéz •

Snadnější a rychlejší přístup k naměřeným datům – export do jiných programů – Excel.

• •

Snadnější a rychlejší zpracování naměřených hodnot Snadnější a rychlejší porovnávání naměřených dat

Negativní vlivy při zavádění počítačů do výuky • • • • • • •

Pocit odcizení, snížení sociální role žáka o Zúžení interakce žák-učitel na interakci žák–počítač o Při individuální výuce neexistuje ani komunikace žák-žák Ztráta sociálních vazeb, bezohlednost ke spolužákům Negativní vliv elektromagnetického vyzařování při dlouhodobém používání počítače Odtržení od reality při sledování animací a natočených pokusů Menší „průhlednost“ experimentů Snižování schopnosti vyjadřování a formulování myšlenek Snižování schopnosti koncentrace a samostatného myšlení

Korespondenční úkol. Uveďte alespoň tři další pozitivní i negativní vlivy počítačů ve výuce fyziky na středních školách.

Popis softwaru eProLab – verze 04/2010

69

11 Popis softwaru eProLab - verze 04/2010 K měřicímu systému EdLaB lze připojovat čidla firmy Vernier. Pro obsluhu používáme program eProLab, který podporuje experimenty běžící v reálném čase.

Obrázek 11-1 Úvodní obrazovka prostředí eProLab se vstupem do jednotlivých modulů

Pokud je k USB portu počítače připojen měřicí systém EdLaB, je v řádku Vstup/výstup uveden eProDas-SC1. Pokud je tam uvedeno nedetekováno, či něco jiného pak měření nebude fungovat. S programem eProLab však lze pracovat. Jak je vidět z obrázku, program eProLab obsahuje několik modulů, z nichž jsou pro použití ve třídě podstatné především HiScope a Editor senzorů.

11.1 HiScope HiScope je obsáhlý modul v balíku modulů eProLab. Je navržen pro použití analogových čidel jako ultrazvukový dálkoměr, senzor EKG, spirometr, apod. HiScope nabízí několik možností, jak zobrazovat číselná data (graf závislý na čase, graf s Fourierovou transformací, graf závislý na jedné proměnné,…).


70

Obrázek 11-2 Nástrojová lišta modulu HiScope

1: Vybrat připojená čidla 2: Vymezit proměnné 3: Graf y(t)

11.2 Editor senzorů Modul Editor senzorů usnadňuje práci s analogovými senzory. Umožňuje jejich přidávání a odebírání z programu eProLab a kalibraci čidel. Data uložená tímto modulem pro jednotlivá čidla následně využívají moduly jako HiScope.

1

2

Obrázek 11-3 Modul Editor senzorů

1: Směrnice k1 2: Počátek k0


71

11.3 Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eProLab -

Nejprve připojíme čidlo k portu „vin0“ systému EdLaB. Pokud má čidlo spouštěcí spínač, zapneme ho. Na počítači spustíme program eProLab a zapneme Editor senzorů. Klikneme na Vložit nový. V levé liště s výběrem čidel se zobrazí nové čidlo (Nový senzor). Klikneme na Nový senzor a zadáme jeho parametry (viz obrázek 2.3).

11.4 Kalibrace nového čidla Kalibraci nového čidla můžeme provést dvěma způsoby: a) Zadání známých kalibračních hodnot. Například pro siloměr známe kalibrační hodnoty Směrnice k1: 175,416; Počátek k0: –19,295. Po přidání siloměru do Editor senzorů vepíšeme tyto kalibrační hodnoty do příslušných kolonek (viz obrázek 2.3). Poté zavřeme Editor senzorů. Při zavírání se na monitoru objeví výzva k uložení změněných dat. Po potvrzení této výzvy máme čidlo přidáno a nakalibrováno, takže již bude přístupné v ostatních modulech. b) Kalibrace čidla podle dvou známých hladin měřené veličiny. Například pro infrateploměr připravíme v jedné kádince ledovou tříšť s vodou a ve druhé vodu, kterou přivedeme do varu. Připojíme infrateploměr a zapneme Editor senzorů (viz výše). Spustíme kalibraci „Kalibrovat“ a poté namíříme čidlo do kádinky se směsí ledové tříště a vody. Pro ujištění, že snímáme teplo z vody v kádince, zapneme laserový značkovač (viz Infrateploměr). Do kolonky se snímanou teplotou (pole bude označeno podle popisu jednotky, jaký jste zvolili při připojení čidla v poli „Variable“, obrázek 2.3) vepíšeme 0 a stiskneme Enter. Vpravo se nám hodnota vyznačí v grafu. Poté postup zopakujeme pro kádinku s vařící vodou a vepíšeme 100. Po potvrzení Entrem se vpravo vyznačí druhý bod a spojnice obou bodů vyjadřující lineární závislost napětí na teplotě. Poté ukončíme Editor senzorů a při ukončování potvrdíme výzvu k uložení nových dat.


72

1

Obrázek 11-4 Kalibrace b)

1: Pole pro vepsání známé hodnoty měřené veličiny. Poznámka: Uvedený postup s termočlánkovým teploměrem slouží jako příklad, pro zvýšení přesnosti kalibrace je vhodné použít více bodů z celého rozsahu teploměru. Takový postup kalibrace můžeme provést s kterýmkoliv čidlem s lineární závislostí proměnných – stačí vzít dva body. Pro čidla s nelineární charakteristikou je vhodné proměřit více bodů v celém rozsahu čidla.

11.5 Postup spuštění experimentu 11.5.1 Pro jedno čidlo - Nejprve připojíme čidlo k portu systému EdLaB. - Pokud má čidlo spouštěcí spínač, zapneme ho. - Na počítači spustíme program eProLab a zapneme modul HiScope. - Spustíme „Vybrat připojená čidla“. - Ve sloupci „Dostupná čidla“ označíme čidlo kurzorem a klikneme na pole „Přidat“, vše potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. - Spustíme „Vymezit proměnné“. - Klikneme na pole „Vybrat jednu“ a potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. - Spustíme „Graf y(t)“.


-

73

Pod označením „Vodorovná osa“ klikneme na pole „Přidat“ a potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. Zobrazí se pole grafu, v horní liště zaškrtneme kolonky „Zobrazit hodnoty“, „Spojit čára“ a „Symboly“. Spustíme „Vzorkovací čas a spouštění“. V oddíle „Vzorkovací čas“ ve sloupci „Vzorkovací perioda“ a ve sloupci „Počet vzorků“ nastavíme vhodné hodnoty pro daný experiment. V oddíle „Spouštění“ zaškrtneme „Jednotlivý“ a vše potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. V oknu grafu zahájíme měření kliknutím na šipku „Start měření“.

11.5.2 Pro více čidel - Nejprve připojíme čidla k portům systému EdLaB. - Pokud mají čidla spouštěcí spínač, zapneme ho. - Na počítači spustíme program eProLab a zapneme modul HiScope. - Spustíme „Vybrat připojená čidla“. - Ve sloupci „Dostupná čidla“ označíme čidlo kurzorem a klikneme na pole „Přidat“, takto postupně přidáme všechna čidla. - Po přidání čidla nesmíme zapomenout zvolit vedle pole „Vin“, které označuje kanál, správné číslo kanálu. A to podle toho, ke kterému portu systému EdLaB jsme čidla připojili (např. Vin0, Vin1, Vin2,…). - Vše potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. - Spustíme „Vymezit proměnné“. - Klikneme na pole „Vybrat vše“ a potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. - Spustíme „Graf y(t)“. - Pod označením „y(t):1“ „Vodorovná osa“ klikneme na pole „Přidat“, přepneme na „y(t):2“ a opakujeme postup pro další čidlo. Tímto způsobem přidáme všechna čidla a potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. - Zobrazí se pole grafu, v horní liště zaškrtneme kolonky „Zobrazit hodnoty“, „Spojit čára“ a „Symboly“. - Spustíme „Vzorkovací čas a spouštění“. - V oddíle „Vzorkovací čas“ ve sloupci „Vzorkovací perioda“ a ve sloupci „Počet vzorků“ nastavíme vhodné hodnoty pro daný experiment. - V oddíle „Spouštění“ zaškrtneme „Jednotlivý“ a vše potvrdíme kliknutím na pole „Ano“. - V oknu grafu zahájíme měření kliknutím na šipku „Start měření“. K měřicímu systému EdLaB lze připojovat čidla firmy Vernier. Pro obsluhu používáme program eProLab, který podporuje experimenty běžící v reálném čase.

Literatura 1. BUDIŠ, Josef. Video ve škole: některé zkušenosti s využíváním videotechniky ve výuce. 1. vyd. Brno : Masarykova univerzita, 1991. 87 s. 2. HOLEC, Stanislav. Posilnenie experimentálnej bázy výučby prírodovedných predmetov. In: Vybrané problémy z didaktiky prírodovedných predmetov. Banská Bystrica: Univerzita Mateja Bela, Fakulta prírodných vied, Projekt Tempus 09272-95, 1999, s. 5 36. 3. HOLEC, Stanislav. Vybrané problémy z didaktiky prírodovedných predmetov. Banská Bystrica: Univerzita Mateja Bela v Banskej Bystrici, 1999. 174 s. ISBN 80-8055-151-0. 4. JEŠKOVÁ, Zuzana. Computer-Based Laboratory in Physics Teaching. In Information and Communication Technology in Education. 31-08-2004-2-09-2004 Rožnov pod Radhoštěm. Ostrava : Ostravská univerzita, 2004. ISBN 80-7042-993-3. 5. KAPOUNOVÁ, J. Používání informační a komunikační technologie ve výuce. Ostrava : Pedagogická fakulta, 1999. 74 s. ISBN 80-7042-145-2. 6. LABUDEK, T. Experimenty ve vyučování fyzice s aplikací v biologii na střední škole., 2007. 80 s., Ostravská univerzita. Vedoucí diplomové práce Mgr. Libor Koníček, PhD. 7. PEŠAT, P. MBL systém Coach 5. Liberec 2001 8. SLÁNSKÝ, J. Počítačem podporované experimenty v RVP člověk a příroda. 2008. 102 s., Ostravská univerzita. Vedoucí diplomové práce Mgr. Libor Koníček, PhD. 9. ZELENICKÝ, Lubomír. Moderná experimentálna činnosť žiakov. In: Vybrané problémy z didakliky prírodovedných predmetov. Banská Bystrica: Univerzita Mateja Bela, Fakulta prírodných vied, Projekt Tempus 09272-95, 1999, s. 37-74. ISBN 80-8055-151-0. WWW zdroje: www.ises.info http://www.e-prolab.com/comlab/ http://lie.fe.uni-lj.si/index_en.htm http://www.cma.science.uva.nl/english/index.html www.vernier.cz www.vernier.com www.pasco.cz www.edlab.cz http://www.ceskaskola.cz/ http://fyzweb.cz/

Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech Obecná část

Recommend Documents