Det har i den senere tid vært er en bred erkjennelse om at fysikkundervisningen i Europa trenger styrking og i den sammenheng har ulike europeiske organisasjoner opprettet et prosjekt (Physics om Stage) hvor målet er å stimulere til debatt om og fornying av fysikkundervisningen. Det som følger er en generell beskrivelse av et nytt undervisningsopplegg basert på moderne elektronikk. Det ble da  sendt til den norske komiteen i forbindelse med en utlyst konkurranse, men det ble ikke utplukket til å gå videre. Årsaken var sannsynligvis ikke knyttet til det aktuelle prosjektet som har fått svært god mottakelse fra de lærerne som har fått innsikt i det via diverse kurs. Selv mener jeg da at prosjektet er for godt til å bare bli glemt. Lærere og andre som er åpne for at det  kan være er problemer med de etablerte forklaringsmodellene som er knyttet opp mot  moderne fysikk vil sannsynligvis kunne lære endel fra dette prosjektet. Forklaringsproblemene i moderne blir spesielt synlig i forbindelse med slike praktiske prosjekt. På den andre siden er det mange som  tilsynelatende har bestemt seg for å tro at det bare er moderne fysikk som kan forklare naturens minste byggesteiner og disse vil nok oppfatte forklaringene i tilknytning til elektronikkprosjektet som et forsøk på å  undergrave  "etablerte sannheter".

Hvordan lære fysikk ved hjelp av hjemmelaget elektronikk?

1.2.02 Erling Skaar (Høgskulen i Volda)

Her følger noen praktiske eksempler fra et  undervisningsopplegg hvor grunnideen er at elevene/studentene skal være aktive og selv lage og forstå utstyret som brukes (Et alternativ til undervisning med svarte bokser) Undervisningsopplegget kan brukes på ulike nivå fra barneskolen til høgskole og universitet. Utstyret er i hovedsak billige standard  elektronikkomponenter og annet vanlig utstyr som er lett å få tak i. Erfaring har vist at egenaktivitet er en forutsetning for å skape varig interesse. Dette har f.eks. fotballbransjen forstått. Om man får mange barn til å spille fotball vil man få mange voksne som sitter foran TV-skjermen og ser fotball og det er da bakgrunnen for de store pengesummene som fotballbransjen forvalter.  Det å gjøre praktiske observasjoner er også en viktig forutsetninger for å forstå at fysikk handler om vår virkelighet og ikke bare en teoretisk verden som finnes i fysikkbøker. Fra en pedagogisk synsvinkel er det en fordel å bruke enklest mulig utstyr når man skal gi en grunnleggende forståelsen for ulike naturfenomen. Men det er  grense for hvor små miljøfaktorer man kan observere ved å bare bruke hjemmelaget elektronikk. En måte å øke oppløsning (få mer nøyaktige målinger) og få større datamengder er å  koble elektronikkutstyret til skriverporten på en PC og så styre målinger og aktiviteter ved hjelp av enkle program. I dette undervisningsopplegget er det et mål å vise at slik automatisering ikke er så vanskelig som mange tror. Erfaringen er da at enkle forsøk med hjemmelaget måleutstyr nettopp gir den grunnleggende kunnskapen man trenger for å bruke moderne teknologi. Et problem i dagens samfunn er vel at vi i opplæringen har konsentrert oss om å lære elevene/studentene "å trykke på de rette tastene" i stedet for å gi dem en forståelse. Når det så oppstår uforutsette situasjoner, så mangler man ofte den grunnleggende kunnskapen som  gjør at man selv kan ordne opp i problemene.

Grunnpakke

Hovedidéen i dette elektronikkopplegget som er kalt "elektronikk-puslespillet" er at ulike komponenter skal kunne settes sammen til en helhet og i denne sammenhengen trenger man en ramme som da består av to strømdelere samt et batteri og ledninger slik som figuren til høyre viser. Når elever eksperimenterer fritt er ofte kortslutning et problem. Den røde lysdioden vil her varsle om dette skjer. De ulike komponentene (puslespillbrikkene) som er vist nedenfor kan så plasseres mellom strømdelerne og kobles sammen med ledninger med hylser i endene.

 

 

 

Lysddiode (LED)

Bryter

Lyspære (50mA)

Summer (6V)

Kontakt

Temperaturfølsom motstand (NTC)

Lysfølsom motstand (LDR)

Variabel motstand (Potensiometer 10kW)

Transistor (NPN)

Med dette utstyret kan man så lage mange ulike ting. Eksempler:

2 Lag en kobling hvor to brytere styrer hver sin lysdiode (prinsippet bak belysningen i hjemmet )
4 Lag en kobling hvor to brytere styrer en lyspære (prinsippet bak korridorbelysning hvor det er en bryter i hver ende av korridoren)
5 Lag en kobling hvor en pære styres av en bryter og en lysdiode viser når pæra er avslått (kontrollpanel)
9 Lag en modell av et morseapparat som kan både sende (v.h.a bryter) og motta signal (v.h.a. lysdiode og summer). Prøv det ved å koble det sammen med et annet apparat via to ledninger.
15 Lag et lux-meter sum kan måle lux-verdier mellom ca 10 lux og 500 lux (Bruk lux-skala under potensiometeret)
17 Lag en ledningsevnetester sum kan påvise små strømmengder (strøm gjennom vann, fingrer ol.) Jo mer lysdioden lyser jo større er ledningsevnen.
18 Lag en mer følsom ledningsevnetester som gir lyd og kan brukes som regnvarsler,
fuktighetsalarm, væskenivdvarsler ol.
21 Lag en skyggevarsler sum varsler via en lysdiode når lysnivået faller (skygge, kveldsmørke el.)

(Løsningsforslag)

  

Noe er så nyttig at det kan være aktuelt å lage ferdigmontert spesialutstyr. Eksempler:

Teste ledningsevne, overledning, brudd ol
 
En lysdiode kan påvise mye mindre strøm enn lyspærer og dessuten er de mer varige

Lyssmåler/temperaturmåler..
 Prinsippet her er at man vrir på potensiometeret til de to lysdiodene lyser like mye og om papirbiten under er rett kalibrert i forhold til aktuelle sensor vil pilen peke på rett verdi.  

Påvise statiske elektrisitet og elektromagnetisk stråling
Kan f.eks. påvise statisk elektrisitet uten berøring og elektromagnetisk stråling fra kraftkabler. Er nyttig når vi ønsker å "se" elektronoverføring i ulike praktiske sammenhenger. Følsomheten økes ytterligere om man kobler til en tredje transistor

 

Økt oppløsning ved bruk at datamaskin

  En datamaskin er stabil og arbeider raskt. Dette er bakgrunnen for at denne kan gi oss mer ut av ekektronikkutstyret enn vi kan få direkte. I fysikksammenheng er det f.eks. ofte nødvendig å måle små tidsrom i størrelsesorden millisekund eller mindre. Siden skriverporten på alle PC-er følger en standard som kan formidle signaler inn og ut av en PC med spenning omkring 4,5V er det lett å koble utstyret som er vist ovenfor til en PC. På figuren til høyre har vi vist et generelt brett som kan kobles til en PC via en skriverkabel og dette brettet har da 12 utganger og 5 innganger hvor man kan sende høy/lav-signaler (1/0) ut og inn av datamaskinen. I tillegg inneholder brettet 8 lysdioder som kan kobles til noen av disse utgangene/inngangene og på den måten være en visuell kontroll på tilstanden til utvalgte utganger/innganger.  

Tidtaking ved hjelp av en datamaskin

Datamaskiner har en innebygget klokke, og om vi kan få utstyret vårt til å sende to signal til datamaskinen kan datamaskinen beregne tida mellom signalene og skrive den ut på skjermen. Figuren til høyre viser et brett med to innganger (A og B) hvor man kan koble til to LDR eller andre sensorer som endrer resistans. Potensiomenterne brukes for å fastsette hvilke lysnivå hvor inngangen skal veksle mellom høy og lav. Merk at dette brettet ikke trenger ekstra strømtilførsel siden det henter nødvendige spenninger fra skriverportens utganger (via orange og gule ledninger). Figuren til høyre viser da et eksempel hvor vi måler tida ei kule bruke mellom to LDR ved ulike vinkler på skråplanet.

 Om man bruker en ny og rask datamaskin kan man måle svært små tidsforskjeller med dette utstyret (ms). Om man viser status til inngangene som kurver på skjermen (to nivå), er det enklere å visualisere hva som skjer. Det er da også lettere å forstå problemene som oppstår om man bruker lys fra lamper som er tilkoblet strømnettet. Disse blinker litt med en frekvens på 100Hz. Det betyr at man helst bør bruke dagslys eller pærer som drives av likestrøm som lyskilde om man ønsker pålitelige resultat.

 Input av analoge verdier 

De sensorene som er omtalt her slipper igjennom mer eller mindre strøm avhengig av lys, temperatur osv. Til venstre vises så et enkelt brett som gjør at man også kan få ut såkalte analoge verdier fra en LDR eller NTC. Brettet har to analoge innganger hvor man kan koble til lyssensorer eller temperatursensorer. I tillegg til disse kobler man også til en kondensator og prinsippet er da at en puls fra datamaskinen lader opp denne kondensatoren. Når så oppladingen avsluttes, vil utladingen skje via sensoren og om man samtidig starter en programløkke som avsluttes når kondensatoren er utladet, så har vi et enkelt system som omdanner en resistans-verdi til et tall. Om man kalibrerer utstyret vil man også få ut lux-verdier eller temperatur-verdier. Man kan da øke følsomheten med å øke verdien på kondensatoren og utstyret kan da bli så  følsomt at man kan registrere skygger fra andre enden av rommet eller varmestråling fra ei hånd som holdes 10 cm eller mer fra temperatursensoren.   Figuren til høyre viser et en tilkobling med en temperatursensor og en lyssensor. På skjermen kan man da få kurver eller tall som viser verdier for begge deler. Prinsippet her er da at datamaskinen arbeider så mye raskere enn vi kan oppfatte og for oss vil det da se ut som en kontinuerlig måling av begge verdiene. I praksis er det et motsetningsforhold mellom høy oppløsning og rask registrering. Man kan ikke få begge deler samtidig. Utstyret som er vist her har da gitt samplingsfrekvenser opp mot 1kHz og følsomhet mindre enn tidels grader, men man kan da ikke få begge deler samtidig på de relativt gamle DOS-maskinen som er brukt i utprøvingen. Merk ellers at dette brettet vanligvis må få tilført strøm fra et 4,5V batteri, siden den strømmen man kan få ut fra en skriverport er relativt liten.

Styring av prosesser ved hjelp av skriverporten

Det er også gjort forsøk med å la datamaskinen styre vanlige elektromotorer og lyspære og det er da lett å regulere effekten i slike sammenhenger. En stepmotor er en annen type motor som lett lar seg styre via skriverporten. Også i disse tilfellene en koblingene enkle. Mange vil imidlertid tenke at selve programmene som styrer det hele er for kompliserte for elever i grunnskole og videregående skole. Erfaringen fra utprøvingen av dette opplegget tyder på at dette ikke er tilfelle. Programmeringen i denne sammenhengen er laget med TurboPascal og erfaringen var at elevene raskt forstod de eksempelprogrammene som var gitt så godt at de selv kunne gå inn og endre på dem og tilpasse dem til nye situasjoner. Nå er det også utviklet noen større menystyrte program i tilknytning til tidtakingsbrettet og analog-brettet som gjør at man kan bruke dem uten å kunne noe programmering. Poenget her er imidlertid at det er viktig at elever og studenter får utfordringer hvor de selv skal være med å utvikle komplette løsninger på praktiske problem hvor de hele tiden har kontakt med "fysikken" i prosjektet. Generelt er det slik at fleksibiliteten og muligheten for å være kreativ er større jo mer grunnleggende man arbeider med et prosjekt. I vår tid er det utviklet endel PC-baserte fysikkprosjekt som på en mest mulig "uproblematisk" måte prøver å  fører elevene inn i fysikkens teoretiske verden. Spørsmålet er da om elevene/studentene lærer fysikk om de blir ført utenom de praktiske problemene. Filosofien bak dette prosjektet er at det ikke er mulig å lære fysikk uten at man selv har nærkontakt med naturen og de grunnleggende logiske prinsippene man finner både i naturen og dataprogram av typen TurboPascal (3 generasjon).

Hensikten med dette skrivet er først og fremst å presentere den tekniske siden ved et undervisningsopplegg som er utviklet i Volda de siste årene. Generelt kan vi vel si at fysikk består av mekanikk (som inkluderer tid, fart og akselerasjon) termofysikk (som inkluderer energi og temperatur),  elektromagnetisme og bølge (som inkluderer lys og andre elektromagnetiske begrep). Det er også gjort et arbeid i sammenheng med å utvikle undervisningsprosjekt innenfor ulike sider av fysikken på ulike nivå. Det er da presentert i andre sammenhenger. Hensikten med dette relativt korte skrivet er da å antyde hva som rent praktisk må til om vi som ønsker å styrke fysikkfaget vil prøve å lære av formingsfaget. Formingslærerne bruker relativt liten tid til å vise gode malerier av kjente malere. I stedet bruker de mye tid og penger på å la elevene lage ting selv. Hva om vi fysikere pratet litt mindre om Newton og Einstein og i stedet kjøpte inn noen billige elektronikkomponenter og lot elevene lage noe selv. Erfaring så langt er at selv elever i de første årene i grunnskolen klarer å lodde de enkle brikkene som er vist foran og når de først har laget dem selv, er de også mer motivert til å lære hvordan de kan bruke dem i ulike sammenhenger.  

TILLEGG:

Her følger noen lenker til aktuelle skriv som er brukt i ulike sammenhenger:

Elektronikk1 (03)
Elektronikk2 Teknologi for måling og styring (03)

Elektronikk3
Praktiske øvinger med styring av elektronikk v.h.a. TurboPascal
Eksempler på dataprogram som kommuniserer med elektronikkbrikkene