T i j d s c h r i f t D i d a c t i e k g-wetenschappen
4 (1986) nr.3
156
Meten aan de ademhaling m.b.v. een micro.computer: een c a s e - s t u d y experimenten
over
de
inrichting
van
computer-ondersteunende
A.t. E l l e r m e i j e r & R. H e i j e l e r U n i v e r s i t e i t van Amsterdam
Summary Micro-computer
coupled
teaching
for
teaching. a
role
make
use
demands
and
of must
be
of
several 1.
giving
transparancy
3.
interactive
project
important
should by
not,
such
this
get well
to in it
is
expriment
which
in
physics
and
biology
arguments
whether
or
important
to
should
not
find
we out
will which
experiments. of
pupils
class-room
place
chemistrg
tracé
computerized process
a
in
deciding
Also, the
criteria much
2. The
is
as
development explore
experiences
of
their
the
the
own
experiment
spirometerbreathing, was
On adjusted
times. following
body"
met
In
basis
The
which
describes
experiment. the
it
and
a micro-computer.
article
will
reasons,
Therefore,
play
This
experiments
several
of
appeared the
of
the
the in
be
to
process
of
of
the
great
importance:
pupils;
measuring;
•
data-processing.
spirometer-experiment 'of
to
initiative
the
PLON
is vwo-bb-projekt,
part
of
the
theme
a physics
'Physics curriculum
of
the
human development
Netherlands.
Inleiding De b e s c h i k b a a r h e i d van goedkope micro-computers maakt het m o g e l i j k l e e r l i n g e n k e n n i s t e l a t e n maken met een aspect van modern f y s i s c h onderzoek. Immers, i n de e x p e r i m e n t e l e f y s i c a wordt momenteel b i j n a e l k e m e e t o p s t e l l i n g b e s t u u r d door een computer. Bovendien kan de computer de p r a k t i c u m s i t u a t i e op de s c h o l e n i n twee r i c h t i n g e n v e r b e t e r e n . Bestaande experimenten kunnen worden u i t g e b r e i d en v e r b e t e r d ( b i j v . de r e g i s t r a t i e van bewegingen), nieuwe experimenten komen binnen het b e r e i k ( b i j v . s t o r a g e - s c o p e t o e p a s s i n g e n ) . Het i s dan ook b e g r i j p e l i j k dat l e r a r e n natuurkunde e n t h o u s i a s t op deze nieuwe mogelijkheden reageren (De Bruyn, 1982) en de a f g e l o p e n j a r e n a c t i e f en t a l r i j k aan de n a s c h o l i n g s c u r s u s s e n hebben deelgenomen.
157
Ademhaling
Het p r o j e c t 'Toepassing van de micro-computer b i j n a t u u r k u n d e - e x p e r i menten * Dit p r o j e c t van de U.v.A. s t e l t z i c h ten d o e l de i n v o e r i n g van het z o j u i s t beschreven computergebruik op een verantwoorde w i j z e t e l a t e n p l a a t s v i n d e n en o n d e r s c h e i d t d a a r t o e d r i e t a k e n : n a s c h o l i n g , onderzoek en o n t w i k k e l i n g (Mulder, 1986). In de e e r s t e j a r e n h e e f t het accent v o o r a l gelegen op de o n t w i k k e l i n g van een a a n t a l experimenten en een AD/DA-omzetter ( H e i j e l e r , 1982) en op het o p z e t t e n van een naschol i n g s p a k k e t dat momenteel ondermeer b e s t a a t u i t een c u r s u s voor docenten van u n i v e r s i t e i t e n en NLO's ( E l l e r m e i j e r , 1984a). V a n u i t de e r v a r i n g e n u i t de e e r s t e j a r e n van het p r o j e c t i s i n 198a een onderzoeksp l a n g e f o r m u l e e r d ( E l l e r m e i j e r , 198ab). C e n t r a a l i n d i t p l a n s t a a t de wens een v i s i e t e o n t w i k k e l e n m.b.t. de vragen: i. welke l e e r d o e l e n op het t e r r e i n van m i c r o - e l e c t r o n i c a en processen van computer-ondersteund meten behoren i n het havo- r e s p . vwo-programma t e worden opgenomen; ^ i i . op welke p l e k k e n i n het n a t u u r k u n d e - c u r r i c u l u m i s het i n s c h a k e l e n van de micro-computer b i j experimenten z i n v o l en verantwoord. De eerste vraag ligt op het n i v e a u van het gehele natuurkundec u r r i c u l u m en h e e f t zeker ook t e maken met de wens de beeldvorming van de l e e r l i n g e n m.b.t. het vak natuurkunde up-to-date t e houden. De vraag i s des t e d r i n g e n d e r vanwege de nieuwe b e l e i d s k a d e r s voor i n f o r m a t i c a i n de tweede fase v o o r t g e z e t o n d e r w i j s (Arvo-I,1986) en vanwege de werkzaamheden van de W.E.N. Op b a s i s van een u i t g e b r e i d e s t u d i e van literatuur en ( b u i t e n l a n d s e ) c u r r i c u l a en na gesprekken met enkele vakdeskundigen i s mei 1986 een d i s c u s s i e s t u k afgerond (Heijeler, 1986). Na c o n s u l t a t i e van een g r o t e r e groep betrokkenen z a l i n de loop van 86/87 l e s m a t e r i a a l o n t w i k k e l d worden. De tweede vraag l i g t meer op i n c i d e n t e e l n i v e a u en v r a a g t naar de r e l e v a n t e motieven om i n een bepaalde e x p e r i m e n t e l e s i t u a t i e t e bes l u i t e n t o t de t o e p a s s i n g van een micro-computer. Daarnaast i s het van belang c r i t e r i a te o n t w i k k e l e n waaraan een d e r g e l i j k experiment zou moeten v o l d o e n . U i t e r a a r d z a l ook de i n v o e r i n g van een a a n t a l van deze experimenten van i n v l o e d z i j n op de beeldvorming van de leerlingen over het vak natuurkunde, s p e c i a a l m.b.t. de e x p e r i m e n t e l e t e c h n i e k e n . Motieven voor computer-ondersteunde experimenten In de e x p e r i m e n t e l e natuurkunde b i e d t het g e b r u i k van computers g r o t e m o g e l i j k h e d e n daar waar g r o t e hoeveelheden meetgegevens verzameld moeten worden. Voor het r e g i s t r e r e n van grootheden d i e n i e t a l t e s n e l v a r i e r e n z i j n nog wel a l t e r n a t i e v e n : mechanische s c h r i j v e r s z i j n b i j v o o r b e e l d t e g e b r u i k e n voor de r e g i s t r a t i e van de l u c h t d r u k en van de l u c h t v o c h t i g h e i d , en met x - t - r e c o r d e r s kunnen e l e c t r i s c h e signalen opgetekend worden. Deze s i g n a l e n mogen geen hogere frequentiecomponen-
Ellermeijer
&
Heijeler
158
ten b e v a t t e n dan 20-50 Hz. Recorders z i j n e c h t e r v r i j kostbaar en/of erg s p e c i f i e k , voor een t o e p a s s i n g , b r u i k b a a r . De meeste s c h o l e n b e z i t t e n ze dan ook n i e t . De lage p r i j z e n van micro-computers en hun g r o t e r e f l e x i b i l i t e i t maakt dat tegenwoordig i n bovengenoemde s i t u a t i e s s t e e d s vaker de micro-computer wordt toegepast. Voor het natuurkunde-onderwijs i s het a a n t r e k k e l i j k d a t deze nieuwe • methode van r e g i s t r a t i e binnen het b e r e i k l i g t . Per experiment z u l l e n naast de algemene m o t i v a t i e m.b.t. de b e e l d v o r ming s t e e d s v e r s c h i l l e n d e a d d i t i o n e l e motieven een r o l s p e l e n . Enkele voorbeelden van deze motieven z i j n : - het m o g e l i j k maken van l e v e n s e c h t e e x p e r i m e n t e l e s i t u a t i e s , waarvan het spirometer-experiment een v o o r b e e l d i s : - het v e r b e t e r e n van bestaande e x p e r i m e n t e l e mogelijkheden, waarvan de f r e q u e n t e r e g i s t r a t i e van de p l a a t s van k a r r e t j e s op een l u c h t k u s senbaan een v o o r b e e l d i s ( H e i j e l e r , 198a); - het v e r r i j k e n van de l e e r s t o f op zeker moment met een, door gebruik van de micro-computer m o g e l i j k geworden, nieuw experiment (bijv.: storage-scoop). Bij de u i t e i n d e l i j k e b e s l i s s i n g wel o f n i e t een computerondersteund experiment toe t e passen z a l s t e e d s de d i d a c t i s c h e w e n s e l i j k h e i d bepalend moeten z i j n en n i e t de e x p e r i m e n t e l e m o g e l i j k h e i d . V a n u i t d i t standpunt wordt ook binnen het P r o j e c t e n k a d e r Bovenbouw Natuurkunde een samenhang voorgestaan tussen c u r r i c u l u m o n t w i k k e l i n g en de toepass i n g van i n f o r m a t i e t e c h n o l o g i e (SLO, 1986). De s p i r o m e t e r p r o e f i s een v o o r b e e l d van een i n een d e r g e l i j k e samenhang o n t w i k k e l d experiment. De a f d e l i n g D i d a c t i e k Natuurkunde was een van de deelnemers aan het VWO-bb-project van PLON, UvA en RUG. D i t p r o j e c t h e e f t t o t d o e l een t e n d e l e thematisch c u r r i c u l u m t e ontwikkelen (Grundeman, 1985). Een van de contextgebieden i s het eigen l i c haam. B i j het onderwerp Ademhaling i s de c e n t r a l e a c t i v i t e i t voor de l e e r l i n g e n het onderzoek van de eigen ademhaling. A l s meetinstrument wordt d a a r b i j een s p i r o m e t e r g e b r u i k t : een apparaat waarmee de hoev e e l h e i d i n - en uitgeademde l u c h t c o n t i n u a l s f u n c t i e van de t i j d gemeten wordt. A a n v a n k e l i j k werd voor de r e g i s t r a t i e een x - t - s c h r i j v e r g e b r u i k t . B i j deze p r o e f l e e k het gebruik van een micro-computer voor de r e g i s t r a t i e van de ademhalingsbewegingen g e s c h i k t . Vanaf 1982 i s aan de o n t w i k k e l i n g van deze p r o e f gewerkt, w a a r b i j steeds nieuwe v e r s i e s werden o n t w i k k e l d mede op b a s i s van e r v a r i n g e n met l e e r l i n g e n . In het v e r v o l g van d i t a r t i k e l wordt een b e s c h r i j v i n g gegeven van de o n d e r w i j s s i t u a t i e en het experiment, d i e momenteel i n de k l a s kunnen worden a a n g e t r o f f e n . Daarna wordt het o n t w i k k e l p r o c e s beschreven. Aan het e i n d van het a r t i k e l worden c o n c l u s i e s getrokken m.b.t. de i n r i c h t i n g van d e r g e l i j k e computer-ondersteunde experimenten.
159
Ademhaling
B e s c h r i j v i n g van de o n d e r w i j s s i t u a t i e Voor h e t vwo-bb thema L i j f w e r k z i j n 15 l e s u r e n aan het begin van de v i e r d e k l a s b e s c h i k b a a r . Het thema b e s t a a t u i t een 5 - t a l onderwerpen, waarvan Ademhaling e r een i s . Na 2 i n l e i d e n d e l e s s e n w a a r i n de l e e r l i n g e n z i c h oriënteren op de v e r s c h i l l e n d e onderwerpen, s p l i t s t de k l a s i n 5 groepen van 4-6 l e e r l i n g e n . Een groep b e s t e e d t 6 l e s s e n aan de b e s t u d e r i n g van een van de v i j f onderwerpen. H i e r n a volgen er p r e s e n t a t i e s van de v e r s c h i l l e n d e groepen aan de r e s t van de k l a s , en aan h e t e i n d van het thema wordt een a f s l u i t e n d proefwerk afgenomen ( S c h r i j f g r o e p Nijmegen, 1983a en 1983b). B i j het onderwerp Ademhaling gaat het e r v o o r a l om dat de l e e r l i n g e n door e i g e n onderzoek wat t e weten komen over het f u n c t i o n e r e n van de longen en over de daarvoor kenmerkende grootheden. De experimenten met de s p i r o m e t e r Na een i n l e i d e n d e p r o e f w a a r i n uitgeademde l u c h t onder een aanvankelijk geheel met water gevulde omgekeerde m a a t c y l i n d e r wordt g e b l a z e n , werken de l e e r l i n g e n gedurende v i e r l e s s e n met de s p i r o m e t e r .
F i g . 1 : Spirometer
F i g . 2 : V o o r b e e l d van een s p i r o g r a m
A l l e r e e r s t wordt de s p i r o m e t e r z e l f beschreven ( z i e f i g . 1 ) . Deze b e s t a a t u i t een aan de b o v e n z i j d e g e s l o t e n ronde b u i s ( k l o k ) . De ruimte onder de k l o k i s a f g e s l o t e n d.m.v. een w a t e r k e r i n g . Door een t w e e t a l v e r b i n d i n g s s l a n g e n wordt i n - en uitgeademd, waardoor de klok op en neer beweegt. Met behulp van een p o t e n t i o m e t e r wordt de beweging van de k l o k omgezet i n een e l e c t r i s c h e s p a n n i n g , d i e v e r v o l g e n s met een x - t - s c h r i j v e r o f een micro-computer wordt g e r e g i s t r e e r d . Na de b e s c h r i j v i n g van de s p i r o m e t e r en het l a t e n z i e n van een paar
Ellermeijer & Heijeler
160
voorbeelden van spirogrammen met e n k e l e van de b e l a n g r i j k s t e longvolumina ( z i e f i g . 2 ) , wordt de meetmethode u i t e e n g e z e t . De t e meten g r o o t h e i d (de volumina van i n - en uitgeademde l u c h t ) wordt d.m.v. een t r a n s d u c e r (de p o t e n t i o m e t e r ) omgezet i n een e l e c t r i s c h s i g n a a l . De tweede stap i s . het omzetten van de e l e c t r i s c h e spanning i n codes ( g e t a l l e n ) d i e de computer ingevoerd kunnen worden. De voor d i t experiment g e b r u i k t e AD-omzetter i s u i t g e v o e r d met een decimaal d i s p l a y , zodat goed d u i d e l i j k i s welke f u n c t i e de AD-omzetter h e e f t , en welke i n f o r m a t i e de computer i n g a a t . M.b.v. een i j k i n g moet worden v a s t g e legd hoe de door de AD-omzetter geproduceerde g e t a l l e n (0-255) samenhangen met het t e meten volume. In de e e r s t e p r a c t i c u m o p d r a c h t voeren de l e e r l i n g e n een ijkmeting uit zonder d a a r b i j de computer t e g e b r u i k e n . De l e e r l i n g e n maken een g r a f i e k van de g e t a l l e n van de AD-omzetter voor 6 v e r s c h i l l e n d e s t a n den van de s p i r o m e t e r k l o k . U i t de h e l l i n g van de g r a f i e k bepalen ze de e v e n r e d i g h e i d s f a c t o r . Deze i j k i n g i s m o g e l i j k d a n k z i j de aanwezigheid van het d i s p l a y op de AD-omzetter. In de tweede p r a c t i c u m l e s wordt gewerkt met de complete o p s t e l l i n g . De l e e r l i n g e n k r i j g e n nu t e maken met het b e s t u r e n van en communiceren met het programma. Na het i n s c h a k e l e n van de computer v e r s c h i j n t op het beeldscherm een menu met a l s keuzemogelijkheden: 1) de i j k i n g ; 2) spirogram opnemen; 3) opnemen van meerdere spirogrammen; a) v e r w e r k i n g en 5) programma verlaten. De l e e r l i n g e n doen nogmaals een i j k m e t i n g . De t i j d d i e nu h i e r v o o r nodig i s , i s s l e c h t s e n k e l e minuten. Het programma vraagt de k l o k van de s p i r o m e t e r a c h t e r e e n v o l g e n s i n de standen 11, 21, .., 61 t e brengen. Op het scherm worden daarna de gemeten waarden i n g r a f i e k v o r m getoond samen met de b e s t e r e c h t e door de meetpunten. Ook de evenr e d i g h e i d s f a c t o r wordt a f g e d r u k t ; d i e kan worden v e r g e l e k e n met de eerder door de l e e r l i n g e n bepaalde waarde. Na de i j k i n g wordt i n de volgende opdracht de rustademhaling bes t u d e e r d . De kenmerkende grootheden h i e r v o o r z i j n : het ademvolume (AV), de ademfreguentie ( f ) , en het ademminuutvolume (AMV). Met menukeuze 2 wordt een s p i r o g r a m opgenomen. Het programma vraagt vooraf hoeveel metingen e r per seconde gedaan moeten worden (de sample-rate) en hoe l a n g de meting moet gaan duren. De l e e r l i n g e n - i n s t r u c t i e geeft aan welke waarden voor deze meting gekozen kunnen worden: 10 metingen per seconde, meetduur 40 s. Nadat op het beeldscherm een a s s e n s t e l s e l met s c h a a l v e r d e l i n g i s getekend en de p r o e f p e r s o o n gereed i s , kan de meting g e s t a r t worden. Het s p i r o g r a m wordt nu zonder merkbare t i j d v e r t r a g i n g op het scherm opgetekend. De l e e r l i n g b e s l i s t nu of de meting goed i s en verwerkt kan worden, o f dat de meting opnieuw moet. Om m.b.v. het verwerkingsprogramma de grootheden w a a r i n j e geïnteresseerd bent t e bepalen ( h i e r : AV, f, AMV), wordt v e e l a c t i e van de g e b r u i k e r
161
Ademhaling
v e r l a n g d . AV en f worden bepaald aan de hand van de maxima en minima in het s p i r o g r a m . Deze maxima en minima moeten door de l e e r l i n g z e l f i n de g r a f i e k worden aangewezen. AV, f en AMV worden v e r v o l g e n s door het programma berekend, w a a r b i j , de b e r e k e n i n g s w i j z e s t e e d s d u i d e l i j k wordt aangegeven. Deze w i j z e van v e r w e r k i n g b e t e k e n t dat de l e e r l i n g moet weten hoe de t e bepalen grootheden u i t het s p i r o g r a m a f g e l e i d kunnen worden; a l l e e n dan worden de c o r r e c t e waarden gevonden. De e e r s t e keer k o s t een goede b e p a l i n g van f, AV en AMV nog b e h o o r l i j k wat tijd: 10-15 min. H e r h a l i n g van d e z e l f d e meting met de andere l e e r l i n g e n van de groep, gaat s n e l l e r : 5 min. per l e e r l i n g . De l e e r l i n g e n hebben voldoende t i j d over om de r e s u l t a t e n t e v e r g e l i j k e n en na t e denken over m o g e l i j k e v e r k l a r i n g e n voor de o n d e r l i n g e v e r s c h i l len . De derde en v i e r d e l e s wordt gekeken naar longvolumina d i e samenhangen met maximale prestaties. VC ( v i t a l e c a p a c i t e i t ) , IRV en ERV ( i n s p i r a toir r e s p . e x p i r a t o i r r e s e r v e volume) worden gemeten. E l k van deze grootheden i s te bepalen u i t het s p i r o g r a m a l s een volumeverschil t u s s e n twee punten. Het opnemen van deze spirogrammen gebeurt met aangepaste s a m p l e - r a t e en meetduur. Het verwerkingsprogramma s t e l t de leerling i n s t a a t om i n het s p i r o g r a m op het beeldscherm twee punten aan t e w i j z e n , waarna het v o l u m e v e r s c h i l e r t u s s e n wordt aangegeven. Het verwerkingsprogramma i s h i e r een gereedschap, dat de l e e r l i n g op de j u i s t e w i j z e moet g e b r u i k e n . De bovenbesproken longvolumina z i j n a l l e s t a t i s c h e grootheden. Twee dynamische grootheden d i e i e t s zeggen over de e l a s t i c i t e i t van de longen en over de l u c h t w e e r s t a n d 'in de luchtwegen z i j n de i n - en e x p i r a t o i r e s e c o n d e c a p a c i t e i t e n (ISC en ESC): de h o e v e e l h e i d l u c h t d i e i n één seconde maximaal i n - resp. uitgeademd kan worden. Na deze ademhalingsbewegingen g e r e g i s t r e e r d te hebben, i s er een v e r w e r k i n g m o g e l i j k h e i d w a a r b i j een 1-seconde i n t e r val over het s p i r o g r a m geschoven kan worden. Ook i n d i t g e v a l wordt het v o l u m e v e r s c h i l op het scherm aangegeven. In het l a a t s t e experiment l e v e r t de p r o e f p e r s o o n vóór de meting een f l i n k e i n s p a n n i n g en wordt onderzocht wat de i n v l o e d daarvan i s op f, AV en AMV. Met tussenpozen van s t e e d s 15 seconden worden 4 s p i r o g r a m men opgenomen. Na u i t w e r k i n g van de 4 spirogrammen i s t e z i e n hoe f, AV en AMV na de i n s p a n n i n g weer d a l e n i n de r i c h t i n g van hun rustwaarden. Na a f l o o p van de experimenten wordt ingegaan op de i n t e r p r e t a t i e en de s i g n i f i c a n t i e ,van de gemeten grootheden. De gemeten waarden k r i j g e n b e t e k e n i s door ze t e v e r g e l i j k e n met r e f e r e n t i e w a a r d e n . Er worden i n het l e s m a t e r i a a l v e r g e l i j k i n g e n gegeven voor d i v e r s e longgrootheden, met l i c h a a m s l e n g t e , l e e f t i j d en g e s l a c h t a l s parameters. T i j d e n s het p r a c t i c u m hebben de l e e r l i n g e n reeds g e z i e n dat er van persoon t o t persoon b e h o o r l i j k e v e r s c h i l l e n kunnen z i j n .
Ellermeijer
&
Heijeler
162
Het o n t w i k k e l p r o c e s van het s p i r o m e t e r - p r a c t i c u m Voor het r e g i s t r e r e n van de spirogrammen werd a a n v a n k e l i j k gebruik gemaakt van een x - t - s c h r i j v e r . B i j het o n t w i k k e l e n van de v e r s i e met de micro-computer z i j n de meeste l e e r d o e l e n gehandhaafd. Van de l e e r l i n g wordt na de p r a c t i c u m l e s s e n het volgende verwacht. H i j / z i j moet a. weten welke longvolumina voor het f u n c t i o n e r e n van de longen van belang z i j n ; b. weten op welke w i j z e en met welke instrumenten d i e grootheden gemeten kunnen worden; c. weten wat j e i n f e i t e r e g i s t r e e r t met een s p i r o m e t e r , n a m e l i j k volumina i n - en uitgeademde l u c h t ; d. u i t een spirogram de grootheden u i t a. kunnen bepalen; e. een i d e e k r i j g e n wat t y p i s c h e waarden z i j n voor de d i v e r s e grootheden en wat hun s p r e i d i n g van persoon t o t persoon kan z i j n ; f. g e l e e r d hebben op welke e x p e r i m e n t e l e d e t a i l s g e l e t moet worden om een goede meting t e doen; g. weten welke stappen nodig z i j n om het met de s p i r o m e t e r gemeten volume i n een computer t e kunnen i n v o e r e n ; h. b e g r i j p e n waarom een i j k m e t i n g nodig i s en wat de b e t e k e n i s i s van de i j k f a c t o r ; i . weten dat b i j c o m p u t e r - r e g i s t r a t i e aangegeven moet worden hoeveel maal per seconde gemeten moet worden en waar d i e keuze van afhangt. U i t de doelen b., d. en f. b l i j k t d a t we eraan hechten, d a t de l e e r l i n g e n n i e t a l l e e n de d e f i n i t i e van de longvolumina kennen ( a . ) , maar ook a l l e r l e i o p e r a t i o n e l e k e n n i s b e z i t t e n nodig om ze te bepalen. De punten g. en i . z i j n s p e c i f i e k voor het g e b r u i k van een computer voor r e g i s t r a t i e . B i j g e b r u i k van de x - t - s c h r i j v e r z i j n wel p a r a l l e l l e n h i e r v o o r aan t e geven, b i j v o o r b e e l d i . p . v . de sample-rate ( i . ) de s n e l h e i d waarmee het p a p i e r l o o p t . Met het l e e r p a k k e t moesten bovengenoemde doelen b e r e i k t kunnen worden, maar bovendien moest een goed b e e l d gegeven worden van de m o g e l i j k h e den van een computer i n m e e t s i t u a t i e s . D i t l e i d d e t o t de volgende uitgangspunten: 1. Het programma i s menu g e s t u u r d . 2. De meting moet n i e t v o l a u t o m a t i s c h gebeuren: veel i n t e r a c t i e i s nodig met de g e b r u i k e r b i j de b e p a l i n g van de grootheden u i t de meting. 3. Het i n z i c h t e l i j k maken van het meetproces. Ad 1. Door t e k i e z e n voor menusturing, wordt het i n i t i a t i e f aan de g e b r u i k e r g e l a t e n . D i t i n t e g e n s t e l l i n g t o t een opzet w a a r b i j de g e b r u i k e r a u t o m a t i s c h langs a l l e opdrachten gevoerd wordt en steeds reageert op vragen van het programma. Door de keuze voor menusturing wordt de l e e r l i n g r e g e l m a t i g t o t nadenken over het v e r v o l g gedwongen. Ad Om de i n h o u d e l i j k e aspecten - met name punt d. - u i t de v e r f te l a t e n komen, moet de l e e r l i n g z e l f met de meting aan de gang kunnen.
163
Ademhaling
Wij kozen voor een g r a f i s c h e i n t e r a c t i e v o r m w a a r b i j de l e e r l i n g m.b.v. c u r s o r t o e t s e n i n de g r a f i e k (het spirogram) moet aangeven welke meetpunten voor de t e bepalen g r o o t h e i d g e b r u i k t moeten worden. Het u i t l e zen van gegevens en het omrekenen naar volume en t i j d wordt de g e b r u i ker u i t handen genomen. Hoewel de computer zeer wel i n s t a a t i s om volautomatisch d i r e c t e i n d r e s u l t a t e n t e geven en d i t ook b i j p r o f e s s i o n e l e toepassingen zeker z a l gebeuren, i s b i j e d u c a t i e f gebruik vaak een stap t e r u g geboden. M }j_ moet gezorgd worden voor een o p t i m a l e relatie tussen de g r o o t h e i d d i e gemeten wordt en hetgeen de computer aan meetgegevens p r e s e n t e e r t . D i t kan onder meer b e r e i k t worden door g e l i j k t i j d i g met de meting de gemeten g r o o t h e i d op het beeldscherm weer t e geven en door de f u n c t i e van de hardware d i e tussen meetapparaat en computer z i t (de i n t e r f a c e ) a a n s c h o u w e l i j k t e maken. Op b a s i s van bovengenoemde uitgangspunten werd midden 1982 de e e r s t e v e r s i e van het programma voor de Apple I I o n t w i k k e l d . De bestaande l e e r l i n g e n - i n s t r u c t i e werd aangepast aan de veranderde w i j z e van r e g i s t r e r e n . De e e r s t e v e r s i e hebben we u i t g e p r o b e e r d door een t i e n t a l leerlingen ( e i n d 3e en 4e k l a s ) op ons i n s t i t u u t de experimenten t e l a t e n u i t v o e r e n . Van deze 10 l e e r l i n g e n hadden v i e r het s p i r o m e t e r p r a c t i c u m a l eerder op hun s c h o o l i n het kader van het thema L i j f w e r k gedaan met een x - t - s c h r i j v e r . De andere z e s hebben zowel de x - t s c h r i j v e r v e r s i e a l s de micro-computer v e r s i e op het i n s t i t u u t u i t g e voerd. Met deze t e s t hebben we geprobeerd een antwoord t e k r i j g e n op de volgende vragen: 1. Hoe i s de o v e r a l l i n d r u k : kunnen de l e e r l i n g e n met het pakket u i t de voeten, b l i j v e n ze gemotiveerd voor het practicum? 2. Wat s c h o r t e r i n t e c h n i s c h o p z i c h t aan met name het programma, i s het programma l e e r l i n g v r i e n d e l i j k en l e e r l i n g p r o o f ? 3. B e r e i k e n de l e e r l i n g e n de d o e l s t e l l i n g e n van het p r a c t i c u m ; op welke punten i s v e r b e t e r i n g w e n s e l i j k ? Uit de o b s e r v a t i e s t i j d e n s de u i t v o e r i n g en u i t de gesprekken met de l e e r l i n g e n na a f l o o p van het p r a c t i c u m bleek d a t de l e e r l i n g e n het practicum e r g leuk vonden. Ze waren c o n t i n u aan het werk en e r was n i e t o f n a u w e l i j k s een moment van v e r s l a p p i n g van hun aandacht. Het omgaan met het programma hadden ze v r i j s n e l onder de k n i e , ondanks het f e i t dat ze geen enkele voorafgaande e r v a r i n g met computers hadden. Na een minuut o f 20 kennen ze de s t u c t u u r en de v r a a g s t e l l i n g e n van h e t programma en wordt e r wat de b e s t u r i n g van het programma b e t r e f t a l e n i g s z i n s r o u t i n e m a t i g gehandeld. De o b s e r v a t i e s l e v e r d e n een l i j s t met punten op waar h e t programma v e r b e t e r i n g behoefde. Deze hadden v o o r a l b e t r e k k i n g op de l a y - o u t van t e k s t e n op het beeldscherm, op de r e d a c t i e van v r a a g s t e l l i n g e n d i e soms o n d u i d e l i j k b l e e k , alsmede op de antwoorden d i e de computer van de l e e r l i n g e n verwachtte. Daarnaast deed h e t programma i n enkele s i t u a t i e s n i e t wat het had moeten doen.
Ellermeijer
&
Heijeler
164
Na a f l o o p z e i d e n de l e e r l i n g e n t e vinden, dat door het g e b r u i k van de computer n i e t goed u i t de v e r f komt hoe sommige g r o o t h e d e n u i t h e t spirogram b e p a a l d kunnen worden. Ze z e i d e n e r niét z e k e r van t e z i j n of ze z e l f , zonder hulp van de computer, u i t een s p i r o g r a m de grootheden z o u d e n kunnen b e p a l e n . D i t g o l d met name v o o r de b e p a l i n g van f, AV en AMV. De l e e r l i n g e n vonden de u i t v o e r i n g met de computer w e l v e e l p r e t t i g e r dan d i e met de x - t - s c h r i j v e r . A l s p l u s p u n t e n van de m i c r o - c o m p u t e r werden genoemd: i . de r e g i s t r a t i e met de micro-computer v e r l o o p t t e c h n i s c h b e t e r : met de s c h r i j v e r g i n g vaak t i j d v e r l o r e n doordat h e t pennetje n i e t w i l d e s c h r i j v e n en de i n s t e l l i n g v e r l i e p ; i i . de g r o t e r e efficiëntie: de i j k m e t i n g met de x - t s c h r i j v e r d u u r t i n c l u s i e f de u i t w e r k i n g t e n m i n s t e 30 m i n u t e n , z o d a t i n d e z e l f d e l e s n a u w e l i j k s t i j d i s voor h e t opnemen van spirogrammen. Met de computer i s de i j k m e t i n g een k w e s t i e van m i n u t e n . Ook b l i j k t , d o o r d a t de o m s l a c h t i g e omrekening naar volumina n i e t z e l f h o e f t t e worden u i t g e voerd, i n e e n l e s b i j m e e r d e r e l e e r l i n g e n l o n g v o l u m i n a g e m e t e n t e kunnen worden d i e daardoor ook meteen o n d e r l i n g t e v e r g e l i j k e n z i j n . Midden 1983 w e r d d o o r o n s een t w e e d e v e r s i e o n t w i k k e l d v o o r de Commodore-64. De g r a f i s c h e m o g e l i j k h e d e n van de Commodore-64 z i j n u i t g e b r e i d e r dan d i e van de A p p l e . Een b e t e r e l a y - o u t v a n t e k s t pagina's i s m o g e l i j k , meerdere g r a f i s c h e schermen z i j n b e s c h i k b a a r en er i s een b e t e r e g r a f i s c h e i n t e r a c t i e m o g e l i j k d.m.v. zogenaamde sprites. De b e l a n g r i j k s t e veranderingen d i e we hebben aangebracht, z i j n : - de g r a f i e k wordt g e l i j k t i j d i g met de meting meegetekend; - de b e p a l i n g v a n f , AV en AMV u i t een s p i r o g r a m v e r e i s t meer a c t i e van de g e b r u i k e r en de b e r e k e n i n g e n d i e h e t p r o g r a m m a d a a r n a d o e t worden u i t g e b r e i d e r op h e t scherm u i t g e s c h r e v e n ; - de l a y - o u t i s v e r b e t e r d , o.m. d o o r b e t e r e t e k s t p a g i n a ' s en s c h a a l v e r d e l i n g en g e t a l l e n b i j de assen; - i n de l e e r l i n g e n - i n s t r u c t i e i s aan het b e g i n van het p r a c t i c u m een opdracht opgenomen w a a r i n zonder g e b r u i k van de computer m.b.v. het d i s p l a y op de AD-omzetter door de l e e r l i n g z e l f een b e p a l i n g van de i j k f a c t o r wordt gedaan. Op t w e e v a n de s c h o l e n d i e n a j a a r 1983 L i j f w e r k g e b r u i k t e n , z i j n gedurende enkele l e s s e n o b s e r v a t i e s u i t g e v o e r d . In het algemeen l i e p het p r a c t i c u m goed. De groepen waren c o n t i n u met het p r a c t i c u m b e z i g . Een g r o e p b e s t a a n d e u i t t w e e m e i s j e s en een j o n g e n f u n c t i o n e e r d e s l e c h t . De jongen beschouwde z i c h a l s computerdeskundige, maar bracht er d o o r e e n s l e c h t e v o o r b e r e i d i n g j u i s t w e i n i g van t e r e c h t . H i j f r u s t r e e r d e h e t w e r k e n i n de g r o e p d o o r o n d e r meer b e z i g t e z i j n met het ' u i t p r o b e r e n " van h e t programma. Door de a a n w e z i g h e i d van een computer i s het gevaar b l i j k b a a r groot dat een g r o e p s l i d met computer-
165
Ademhaling
e r v a r i n g a l l e s naar z i c h t o e t r e k t . E r v a r i n g b l i j k t i n d i t g e v a l eerder een gevaar dan een v o o r d e e l . Op d i t punt i s e x t r a waakzaamheid van de docent geboden. T i j d e n s de p r a c t i c a werd n i e t vaak de h u l p van de docent ingeroepen; de i n s t r u c t i e s b l i j k e n voldoende d u i d e l i j k t e z i j n . Met h e t programma waren eveneens w e i n i g problemen. De i n f o r m a t i e op het scherm i s b e g r i j p e l i j k en t e c h n i s c h bleek het programma a a r d i g leerlingproof te z i j n . De enige h i n d e r l i j k e t e c h n i s c h e tekortkoming blijkt het laden van het programma vanaf c a s s e t t e t e b e t r e f f e n : d i t kost c a . 7 minuten. Een e n k e l e keer m i s l u k t e het l a d e n , waardoor opnieuw 7 minuten v e r l o r e n g i n g . Een i n d r u k van wat de l e e r l i n g e n g e l e e r d hebben, kregen we door het bijwonen van de p r e s e n t a t i e l e s s e n . Er z i j n van groep t o t groep g r o t e v e r s c h i l l e n i n de k w a l i t e i t van p r e s e n t e r e n . De l e e r l i n g e n b l i j k e n i n het algemeen de e s s e n t i e s van het p r a c t i c u m goed op een r i j t e kunnen zetten. De l a a t s t e v e r b e t e r i n g e n d i e we aangebracht hebben naar a a n l e i d i n g van deze e r v a r i n g e n z i j n : i. h e t programma- wordt nu g e l e v e r d i n een EPROM-cartridge, zodat enkele seconden na het aanschakelen van de computer het prqgramma beschikbaar i s ; ii. het ongewenst u i t het programma stappen i s geblokkeerd: de 'computerdeskundige" onder de l e e r l i n g e n k r i j g t geen kans meer. De l e e r l i n g e n - i n s t r u c t i e hebben we - e v e n a l s de hardware - o n g e w i j z i g d gelaten. De r e a c t i e s van de l e r a r e n d i e n a j a a r 1984 het thema L i j f w e r k u i t g e voerd hebben, waren unaniem p o s i t i e f . De groepen l e e r l i n g e n d i e Ademh a l i n g deden, konden zeer goed z e l f s t a n d i g u i t de voeten met het s p i r o m e t e r - p r a c t i c u m en hadden n a u w e l i j k s nog b e g e l e i d i n g n o d i g . Conclusies Het onderdeel Ademhaling van het thema L i j f w e r k h e e f t een zeer bevredigende i n v u l l i n g gekregen. De l e e r l i n g e n worden i n s t a a t g e s t e l d een a a n t a l b e l a n g r i j k e longgrootheden van h e n z e l f t e meten en k r i j g e n op die manier een b e t e r i n z i c h t i n het f u n c t i o n e r e n en i n de eigenschappen van de longen. B i j deze experimenten h e e f t de micro-computer een b e l a n g r i j k e ondersteunende f u n c t i e , zonder h e t i n h o u d e l i j k e werk t e domineren. Het s p i r o m e t e r - e x p e r i m e n t i n de h u i d i g e vorm i s dan ook naar onze mening een goed v o o r b e e l d van waar h e t g e b r u i k van de microcomputer i e t s z i n v o l s toevoegt aan de t r a d i t i o n e l e e x p e r i m e n t e l e mogelijkheden. In d i t g e v a l i s een reële meting g e r e a l i s e e r d , waaraan v a n u i t een thematische l e e r s t o f k e u z e behoefte was. T i j d e n s het o n t w i k k e l p r o c e s hebben de i n de aanvang gekozen u i t g a n g s punten hun belang bewezen en werden ze s t e e d s v e r d e r aangescherpt. De menu-gestuurde programma-opzet maakt dat h e t programma f l e x i b e l b r u i k -
Ellermeijer & Heijeler
166
baar i s en d a t de g e b r u i k e r moet b e p a l e n wat de v o l g o r d e van w e r k e n i s . Z o w e l door de i j k m e t i n g a l s door h e t g e l i j k t i j d i g meetekenen t i j d e n s de r e g i s t r a t i e i s b e r e i k t dat de meetprocedure voor de l e e r l i n g e n d o o r z i c h t i g i s . D a a r n a a s t w o r d t een v e r b a n d g e l e g d t u s s e n de g r o o t h e i d d i e g e m e t e n moet w o r d e n en de m e e t p r o c e d u r e , d o o r d a t de g e b r u i k e r de s a m p l e - r a t e en de m e e t t i j d moet aangeven. B i j de verwerk i n g w o r d t nu h e t u i t g a n g s p u n t g e h a n t e e r d , d a t a l l e e n een g e b r u i k e r d i e weet op w e l k e m a n i e r u i t de m e t i n g de g r o o t h e d e n b e p a a l d kunnen worden, t o t de g e w e n s t e r e s u l t a t e n kan komen. B i j h e t s p i r o m e t e r experiment betekent d i t , dat de g e b r u i k e r de essentiële punten i n het spirogram moet a a n w i j z e n . Pas d a a r n a a s s i s t e e r t h e t v e r w e r k i n g s programma b i j de berekeningen. Ook b i j de o n t w i k k e l i n g van a n d e r e e x p e r i m e n t e n i s ons g e b l e k e n d a t deze criteria gehanteerd kunnen worden en dat e r r e k e n i n g houdend met de v o o r d i e e x p e r i m e n t e n s p e c i f i e k e s i t u a t i e s ook aan v o l d a a n kan worden. De c r i t e r i a z i j n b e l a n g r i j k v o o r e x p e r i m e n t e n b e d o e l d om binnen het lee-rproces t e f u n c t i o n e r e n . Nader onderzoek b i j meer experimenten z a l moeten u i t w i j z e n o f deze c r i t e r i a moeten worden aangevuld en o f ze i n d e r d a a d l e i d e n t o t de gewenste l e e r r e s u l t a t e n . A l s methode om de e x p e r i m e n t e n t e e v a l u e r e n i s g e b l e k e n d a t met h e t observeren van k l e i n e g r o e p j e s l e e r l i n g e n t i j d e n s de u i t v o e r i n g en met het a c h t e r a f i n t e r v i e w e n van de l e e r l i n g e n een goede i n d r u k t e v e r k r i j g e n i s van de i n z i c h t e l i j k h e i d van de meet- en v e r w e r k i n g s p r o c e dures, de d u i d e l i j k h e i d van de t e k s t e n op het scherm en i n het lesmat e r i a a l en van de t e c h n i s c h e onvolkomenheden van het pakket. De observ a t i e s t i j d e n s de p r e s e n t a t i e s van de g r o e p e n i n de k l a s gaven e n i g e i n f o r m a t i e over het l e e r r e s u l t a a t van het p r a c t i c u m . Er i s e c h t e r nog n i e t m i n i t i e u s g e k e k e n n a a r de l e e r e f f e c t e n . Een u i t g e b r e i d e r o n d e r z o e k d a a r n a a r , maar v o o r a l ook n a a r een m o g e l i j k e f f e c t van een computer-ondersteund experiment op de b e e l d v o r m i n g van l e e r l i n g e n w e r d i n h e t v o o r j a a r van 1985 u i t g e v o e r d door een s t u d e n t van de T e c h n i s c h e H o g e s c h o o l E i n d h o v e n , i n s a m e n w e r k i n g met onze a f d e l i n g . Een v e r s l a g van d i t onderzoek i s a l s a p a r t a r t i k e l opgenomen (Findhammer e.a., 1986). Literatuur ARVO-I. Tussen magie en mogelijkheid, A d v i e s van de g e z a m e n l i j k e Adviescommissies P r i m a i r en V o o r t g e z e t O n d e r w i j s , Z e i s t : 1986. Bruyn, I . de, et a l . De computer in het natuurkunde-onderwijs, Verslag NVON-zomercursus 1982, TH-Twente. E l l e r m e i j e r , A.L. en H u l , F.E. van ' t . Deskundigheidbevordering toepassing micro-computers in de natuurwetenschappen. U n i v e r s i t e i t van Amsterdam, 1984a.
167
Ademhaling
Ellermeijer, vak
A.L. en H e i j e l e r , R.
natuurkunde
in
de
bovenbouw
Meten van
met
de
het
havo/vwo,
micro-computer
bij
het
Intern rapport Vakgroep F y s i s c h e Experimenteerkunde, Amsterdam: U.v.A., 1984b. E l l e r m e i j e r , A.L. en H e i j e l e r , R. Diskussiestuk Informatie-technologie in het Natuurkunde-onderwijs. I n t e r n r a p p o r t Vakgroep F y s i s c h e Experimenteerkunde, Amsterdam: U.v.A., 1986. Findhammer, W., H e i j e l e r , R. en V e r k e r k , G. d i t t i j d s c h r i f t . Grundeman, R.L.F. en L e i j e n a a r , D. N a t u u r k u n d e i n thema's en b l o k k e n , NVON-maandblad, a p r i l 1985. Heijeler, R. en E l l e r m e i j e r , A.L. Een AD/DA-omzetter met decimale u i t l e z i n g , Faraday, 51, 5, 177-179, 1982. Heijeler, R. en E l l e r m e i j e r , A . L . The use o f a micro-computer f o r c o l l i s i o n experiments on an a i r - t r a c k . I n : L i j n s e , P.L. ( e d . ) , The many faces of teaching and learning mechanics, P r o c e e d i n g s o f the GIREP c o n f e r e n c e 1984, U t r e c h t : W.C.C., 1985. Mulder, C.H.T. en E l l e r m e i j e r , A.L. Nascholing, ontwikkeling en onderzoek bij toepassing van micro-computers in schoolvakken, Paper g e p r e s e n t e e r d op de VULON-conferentie, 1986. S c h r i j f g r o e p Nijmegen. Lijfwerk, Amsterdam: 1983. V e r k r i j g b a a r b i j PLON, U t r e c h t . S c h r i j f g r o e p Nijmegen. L i j f w e r k , een l e s s e n s e r i e omtrent de natuurkunde van h e t m e n s e l i j k l i c h a a m . I n : B u i s , N. e t a l , Verslag NVON-zomerconferentie SLO.
Projectenkader
1983, Bovenbouw
Amsterdam. Natuurkunde,
Enschede: S.L.O., 1986.
