Innlegg på fysikklærerforeningens konferanse på Hafjell i august 1997 og teksten er publisert i konferanserapport fra Norsk fysikklærerforening som er en undergruppe av Norsk fysisk selskap (NFS).

Økt fysikkforståelse v.h.a. hjemmelaget elektronikk som kobles til en PC?

Av Erling Skaar

Et mål for fysikkundervisningen er en helhetlig forståelse for grunnleggende prinsipp i naturen og teknologien som omgir oss og som så i neste omgang skal være nyttig for enkeltindivid og samfunn. I dette innlegget ønsker jeg å introdusere et mulig alternativ til både stoffutvalg og presentasjonsform i tradisjonell fysikkundervisning. Den generelle ideen i dette innlegget er at elektromagnetismen representerer et bedre pedagogisk og faglig grunnlag for en helhetsforsåelse av ulike fysikkfenomen enn det elevene får gjennom en tradisjonell mekanikkbasert moderne fysikk. Et problem innenfor flere deler av tradisjonell fysikkundervisning er at man bruker ulike og delvis selvmotsigende prinsipp i forklaringen av ulike fysiske fenomen. Dette fører til at elevene finner det mer lønnsomt å pugge løsningsmetoder på ulike oppgavetyper, framfor å forstå prinsippene. Vi lærer altså elevene å løse fysikkoppgaver, men gir vi dem fysikkforståelse? Dette innlegget er et forsøk på å sette fornuften og forståelse framfor det vitenskapelige autoriteter har sagt, og i den sammenhengen kan det vel være en test på om vi som kaller oss fysikere har forstått fysikken, eller har vi kanskje bare har pugget det som står i bøkene. Hovedidéen her er da kort fortalt at elektromagnetisme og elektronikk får en grunnleggende plass i fysikkundervisningen.

I stedet for å gi eksempler hvor jeg mener at en elektromagnetisk modell (EM-modellen) gir et bedre grunnlag for en helhetlig fysikkforståelse, så vil jeg her kort gi et subjektivt vitnesbyrd som en begrunnelse for hvorfor jeg tror at det finnes en bedre fysikkmodell enn den vi finner i fysikkbøkene. De siste årene har jeg deltatt på noen universitetskurs hvor elektromagnetisk stråling er blitt behandlet i ulike sammenhenger. Jeg er ikke blant dem som opplever at fysikk er enkel, og jeg kan hverken skryte av gode karakterer eller støtte fra fysikkautoriteter. Når jeg på tross av motstand fra ulikt hold ennå ikke har gitt opp, så har det sammenheng med at jeg for ca 3 år siden oppdaget at Jesus sa at Den Hellige Ånd (DHÅ) skulle veilede oss "til den fulle sannhet" (Joh.16,13) og siden det er Gud som har skapt verden, så tenkte jeg at det var logisk at DHÅ også kunne formidle fysikkunnskap. I min bønn om hjelp lovte jeg da samtidig at Gud skulle få æren om jeg fikk hjelp. Om jeg i dag kort skal karakterisere siste års fysikkstudier, så vil jeg si at den har vært som en gradvis soloppgang hvor jeg har vært travelt opptatt med å rydde i nyoppdaget "rot" som har hemmet fysikkforståelsen. Da jeg var ferdig med hovedfaget i fysikk for ca 12 år siden, trodde jeg at jeg hadde sett lyset og forstod fysikken. I dag vil jeg vel si at et papir ikke er noe bevis for at man har forstått fysikk. Nå kan jeg ikke vitne om at jeg har forstått alt, men når jeg likevel tror at jeg er på rett veg, så er det blant annet på grunn av den reaksjonen som jeg har fått fra omgivelsene. Kritikken fra teologisk hold har vært at Jesus ikke inkluderte fysikk i sitatet ovenfor og kritikken fra den naturvitenskapelige siden har vært at det ikke er lov for en utenforstående å sette spørsmålstegn med såkalte akseptert fakta. Jeg har altså ennå ikke opplevd å møte faglige argumenter mot det jeg har presentert. Det betyr ikke at jeg tror at alt jeg har skrevet er rett, men i min enfoldighet trodde jeg at det var det som er skrevet og ikke hvem som skrev det som er hovedsaken når man vurderer fysikkfaglige spørsmål.

Kreativ fysikk?
Når barn får skryt for uforståelige barnetegninger og når fotballtreneren gir positive kommentarer til en nybegynner som mangler rutine, så er bakgrunnen den at man må trene for å bli god. Videre er egenaktivitet med kreativitet og egenvurdering en sentral del i de aktivitetene som samler mange barn og unge i dag. På den andre siden finner man fysikkfaget hvor det er snakk om å pugge en masse ferdigtygde påstander og rutiner. Begrunnelsen er da at krav til utstyr og bakgrunnskunnskap begrenser mulighetene for egenaktivitet. Betyr da dette at det ikke er mulig å gi elever en gradvis innføring i fysikkens grunnprinsipp hvor de selv kan være aktive og kreative? Generelt mener jeg at EM-modellens beskrivelse av dioden og transistoren gir en enkel innføring i hovedprinsippene for vekselvirkning mellom elektromagnetiske bølger og ulike kjemiske stoff og de representerer derfor et slags grunnlag for å forstå også mange ulike kjemiske og biologiske prosesser. Av tidsmessige hensyn vil jeg ikke bruke tid på disse prinsippene, men heller si litt om noen kreative egenaktiviteter som kan settes sammen og gi en naturlig faglig progresjon. Utgangspunktet er da at man har enkle elektronikkomponenter som batteri(4,5V) ulike motstander, ulike kondensatorer, lyspærer, lysdioder, ulike sensorer osv. Det enkleste er da å putte komponentene ned i et vanlig prøvebrett, men etterhvert er det også aktuelt å lodde komponenter på små veroboardbrett med baner. I utgangspunktet er det viktig å prøve ut de ulike komponentene i enkle strømkretser og spenning og strøm er da sentrale begrep. Her er det da viktig at elevene får tid til å eksperimentere og være kreativ og samtidig utvikle og teste forståelsen ved å la dem forklare årsaken til det de observerer. Erfaring har vel vist at noen barn har mistet interessen for fotball fordi de for tidlig ble gitt for store utfordringer, og generelt er det vel viktig å bruke nok tid på enkle strømkretser før man introduserer transistoren.

To grunnkretser
Både i selvstendig elektronikk (ikke tilkoblet datamaskin) og i den elektronikken som jeg har koblet til skriverporten på datamaskinen, finnes det to svært nyttige kretser som kan brukes til henholdsvis tidsbryter og alarm. Disse er skjematisk vist her:I det første tilfellet finnes det en kondensator som lades ut over en motstand og resultatet blir et kortere eller lengre tidsrom (tiden som pæra vil lyse). I det andre tilfellet er det forholdet mellom en fast og en lysfølsom motstand som gjør at noe skjer (alarmen starter/stopper). Ideen her er da at elevene skal skjønne virkemåten til disse prinsippene så godt at de kreativt kan utnytte dem i nye situasjoner.

Tidsmåling - broen mellom datamaskinen og elektronikken
Bakgrunnen for å påstå at det er mulig for elever i grunnskolen og videregående skole å selv utvikle enkle elektronikkretser som kan kobles til en datamaskin er ulike erfaringer jeg selv har gjort dette siste året. På den ene siden har jeg erfart at ungdomsskoleelever relativt raskt lærer seg å lage enkle programbiter i f.eks. turbopascal og på den andre siden ble jeg overrasket over hvor enkelt det er å lage elektronikk som kommuniserer med en datamaskin. Det som gjør det hele så enkelt er det faktum at datamaskinen enkelt kan måle utladingstiden for en kondensator hvor tiden er proporsjonal med resistansen til motstanden. En enkel krets som er blitt brukt i forbindelse med automatisk tidtaking er vist under:Virkemåten er da at datamaskinene sender firkantpulser til den første transistoren som fungerer som en bryter. Denne vil så med faste mellomrom (størrelsorden 1000 ganger i sekundet) lader opp kondensatoren. Kondensatoren lades så ut over en lysfølsom motstand og denne utladingstiden er da avhengig av lysforholdene. Den andre transistoren fungerer da også som en bryter som slipper inngangen opp igjen når kondensatoren er utladet. I mellomtiden har datamaskinen sjekket inngangen noen titalls ganger, og økt tellevariabelen hver gang. Når inngangen blir høy blir tellevariabelen omregnet til en lysverdi og om det har skjedd bestemte ting med denne verdien siden sist, så vil det bli foretatt en klokkeavlesing og tidtakingen er gjennomført. Nå virker kanskje dette litt komplisert for dem som ikke har vært borte i elektronikk. Poenget her er ikke å antyde at det er fort gjort å forstå denne og andre tilsvarende kretser. Poenget er derimot at det er mulig å utvikle et undervisningsopplegg hvor hvert enkelt steg er lite og hvor kravene til bakgrunnskunnskap fra matematikk eller andre felt er minimalt. I tillegg er det mulig å bruke enkle og billige elektronikkomponenter samt billige PC-er (de som ikke kjører Windows) for å gjøre praktiske forsøk og hvor man på hvert steg i utviklingen kan være kreativite og variere delkomponenter og bruksområde. Dette er da et alternativet til å kun underviser enkle fysikkemner uten fordypning eller å satse på drill og pugging.

Et selvlaget billig demonstrasjons"oscilloskop"?
Elektronikk er et enormt teknologisk område og det er ikke enkelt å ha oversikt over de mange nye komponentene som med et fellesnavn kalles IC-er (Integrated Circuit). Før trodde jeg at det var nødvendig å ha et stort lager av slike siden de fleste elektronikkbyggebeskrivelser bruker IC-er som delkomponenter. Bakgrunnen er kanskje at elektronikkindustrien tjener mer på å selge IC-er enn transistorer. I undervisningssammenheng fremstår IC-er ofte som en "svart boks" som også koster litt mye. Personlig fikk jeg en aha-opplevelse da jeg oppdaget at komponenter som operasjonsforsterker, komparator, konstantstrømsgenerator ol. kunne lages enkelt med noen få transistorer. Ytelsene til de hjemmelagede "IC-ene" er selvfølgelig ikke på linje med de som er kjøpt, men hvorfor bruke dyre komponenter og instrumenter i undervisningsammenheng, når vi kan lage brukbare ting selv og få forståelse ut av disse? Her vil jeg kort vise et foreløpig koblingskjema til et oscilloskop/voltmeter som er tenkt brukt til demonstrasjoner og elevøvelser. Bakgrunnen for å utvikle det var at tilkoblingsutstyret som tilbys til datamaskinen for å måle ulike miljøfaktorer er vel dyrt. Sammen med en 386-maskin gir ovennevnte oscilloskop en maksimal samplingsfrekvens på ca 5kHz, et måleområde på 0-3V og maksimal oppløsning på omkring 1mV. Det tilhørende programmet er da laget med tre presentasjonsformer: store tall, sanntidskurve og samplet kurve med et par hundre punkter. I det siste tilfelle er trigging mulig. Tanken er da at dette instrumentet kan tilkobles ulike sensorer og gi et rimelig tidsbilde av hva som skjer innenfor tidsrom fra omkring 1ms til flere minutter.

Noen framtidsvisjoner
For noen år siden startet jeg arbeidet mot en doktorgrad med tittel "fysikkforståelse". Siden fysikkforståelsen min er blitt litt "utradisjonell" de siste årene er det vanskelig å få gjennomslag for tankene mine i universitetsmiljøene. Derfor har jeg lagt om strategien litt, og et kortsiktig mål er derfor å utvikle et fysikkopplegg gjennom ulike hefter som kan brukes i skoleverket på ulike trinn. Dette vil da i tilfelle gi visse erfaringer som kan brukes som argument for eller mot de mer generelle ideene jeg har om hva som må gjøres for å forbedre fysikkforståelsen i norsk skoleverk. Historien har vel vist at vanlige fotfolk (i dette tilfelle lærere) ser behovet for endringer raskere enn det etablerte maktapparatet. Nå regner jeg ikke med at noen skal bli overbevist om at vi trenger en dyptgripende endring innenfor fysikkfaget på grunnlag av disse spredte tankene, men jeg håper vel på noen tilbakemeldinger og kanskje en viss interesse for å kjøpe noen av de heftene jeg arbeider med. Hovedmålet for opplegget er da at elevene skal bruke egen fornuft og forstå fysikk i stedet for å blindt akseptere påstander fra såkalte eksperter. Videre er det et mål at elevene selv skal være kreative og kunne påvirke de ulike prosessene mer enn de får gjør på de dyre "svarte boksene" fra de store elektronikkfirmaene. Generelt tror jeg at det er uheldig at det bare en noen utvalgte i samfunnet som har monopol på sannheten om naturen og teknisk kunnskapen som gjør at man f.eks. kan utnytte en datamaskin til måling og styring.

TILLEGG
I foredraget viste jeg også noen eksempler på enkle kretser og her er da noen hvor man kan bruke loddefrie printbrett og standardkomponenter slik jeg gjorde den gangen. Senere har jeg utviklet en annen metode som forutsetter lodding men som sannsynligvis er bedre i skoleverket. Figurene viser eksempler på praktisk bruk av de tre første kretsene som er nevnt i teksten ovenfor (tidsbryter, lysfølsom alarm og lysmåler med verdivisning på dataskjermen) og forskjellen på disse og de enkle prinsippskjemaene som er vist ovenfor er da i hovedsak at jeg har brukt flere transistorer (darlintonkobling og effektforsterkerkobling) istedet for en transistor for å forbedre yteevnen, men også de enkle skjemaene foran vil fungere i praksis.