Εργαστηριακή εισήγηση «Διδασκαλία νόμων της κινηματικής χρησιμοποιώντας τον αισθητήρα Go! Motion» Θεόδωρος Πιερράτος 1, Ευάγγελος Κολτσάκης 2, Χαρίτων Πολάτογλου 3 1 Εκπαιδευτικός, Υπ. Διδάκτορας Τμ. Φυσικής ΑΠΘ pierratos@gmail.com 2 Εκπαιδευτικός, MSc, MEd ekoltsakis@sch.gr 3 Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμ. Φυσικής ΑΠΘ hariton@physics.auth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία (tutorial & workshop) παρουσιάζονται δύο ενδεικτικές διδακτικές προτάσεις αξιοποίησης του αισθητήρα Go! Motion στη μελέτη κινήσεων, σε εργαστηριακές δραστηριότητες Φυσικής. Ο αισθητήρας αυτός επιτρέπει τη μέτρηση της θέσης ενός κινούμενου αντικειμένου με τη χρήση υπερήχων, ενώ η ταχύτητα και η επιτάχυνση του αντικειμένου υπολογίζονται με τη βοήθεια του συνοδευτικού λογισμικού. Τα δεδομένα που προκύπτουν είναι ικανοποιητικής ακρίβειας, ενώ η ευκολία στη χρήση και το μικρό κόστος της συσκευής μπορούν να οδηγήσουν στην αξιοποίησή της σε ομαδοσυνεργατικές εργαστηριακές ασκήσεις τόσο στο Γυμνάσιο όσο και στο Λύκειο. Η δυνατότητα του αισθητήρα να συνδέεται απευθείας σε θύρα USB ηλεκτρονικού υπολογιστή, σε συνδυασμό με την κατοχή πλέον μαθητικού υπολογιστή (netbook) από κάθε μαθητή της Α Γυμνασίου άρα και από τους μαθητές των μεγαλύτερων τάξεων τα επόμενα έτη- προσφέρει νέες δυνατότητες και ευκολίες στην υλοποίηση σχετικών εργαστηριακών δραστηριοτήτων. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Διδακτικής της Φυσικής, Go! Motion, Logger Lite, συστήματα συγχρονικής λήψης και απεικόνισης ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ελάχιστοι μαθητές, σύμφωνα με σχετικές έρευνες, αφομοιώνουν τις θεμελιώδεις ιδέες της κινηματικής τα πρώτα χρόνια που διδάσκονται Φυσική (Arons, 1992). Το γεγονός αυτό οφείλεται στις ιδιαίτερα εκλεπτυσμένες έννοιες που εισέρχονται στην περιγραφή των συγκεκριμένων φαινομένων και ιδιαίτερα στην ανάγκη διαπραγμάτευσης των στιγμιαίων τιμών των αντίστοιχων μεγεθών (Butterfield, 1983). Από έρευνες προκύπτει ότι όταν η έμφαση δίνεται στην απευθείας παρατήρηση της κίνησης, και όχι μόνο στην επίλυση θεωρητικών [1198]
2o Πανελλήνιο Εκπαιδευτικό Συνέδριο Ημαθίας ΠΡΑΚΤΙΚΑ ασκήσεων, οι μαθητές διευκολύνονται να αναγνωρίσουν τα βασικά χαρακτηριστικά της κίνησης (Rosenquist & McDermott, 1987), να διαχωρίσουν τις έννοιες που εμπλέκονται (Trowbridge & McDermott, 1980; Trowbridge & McDermott, 1981), ενώ δημιουργούν συνδέσεις ανάμεσα στις έννοιες, τη γραφική τους αναπαράσταση και τον πραγματικό κόσμο (McDermott, Rosenquist & Zee, 1987). Τα Συστήματα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης (Σ.Σ.Λ.Α. ή Microcomputer Based Laboratory - MBL), τα οποία χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια για την εργαστηριακή υποστήριξη των μαθημάτων Φυσικών Επιστημών (Κολτσάκης & Πιερράτος, 2008; Κολτσάκης, Πιερράτος, & Πολάτογλου 2007), προσφέρουν αυτή τη δυνατότητα άμεσης καταγραφής και μελέτης των κινήσεων από τους μαθητές. Ένα τυπικό Σ.Σ.Λ.Α., όπως για παράδειγμα το Multilog το οποίο ήδη διαθέτουν αρκετά Σχολικά Εργαστήρια Φυσικών Επιστημών (Σ.Ε.Φ.Ε.), διαθέτει μια κεντρική μονάδα η οποία συλλέγει δεδομένα από τους αισθητήρες με τους οποίους συνδέεται και τα μεταφέρει σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Τα δεδομένα απεικονίζονται στην οθόνη του υπολογιστή, σε πραγματικό χρόνο, προσφέροντας στους μαθητές πολλαπλές αναπαραστάσεις των μεταβολών των μετρούμενων μεγεθών. Όμως, το κόστος μιας τέτοιας συσκευής είναι συνήθως αρκετά υψηλό με αποτέλεσμα κάθε εργαστήριο να διαθέτει το πολύ μία. Υπό αυτές τις συνθήκες το πείραμα εκτελείται συνήθως από τον εκπαιδευτικό και οι μαθητές παρακολουθούν παθητικά. Το μαθησιακό όφελος αυτής της πρακτικής είναι μικρό. Προκειμένου να μεγιστοποιηθεί απαιτείται η ενεργός εμπλοκή των μαθητών στη μαθησιακή διαδικασία με την εφαρμογή ομαδοσυνεργατικών διδακτικών προσεγγίσεων (Σταυρίδου,2000; Cohen, 1994; Lazarowitz & Hertz- Lazarowitz, 1998). Διάφορες λύσεις έχουν προταθεί για να προσφέρουν υλικοτεχνικά τη δυνατότητα σε ομάδες μαθητών να πραγματοποιούν πειράματα φυσικής, στο πλαίσιο ομαδοσυνεργατικών προσεγγίσεων, με τη χρήση καινοτόμων Σ.Σ.Λ.Α. (Πιερράτος κ.α., 2010; Πιερράτος, Κολτσάκης & Πολάτογλου, 2009; Vannoni & Straulino, 2007). Στην παρούσα εργασία διερευνάται η δυνατότητα αξιοποίησης ενός αυτόνομου, χαμηλού κόστους αισθητήρα κίνησης, του Go! Motion (http://www.vernier.com/go/gomotion.html), ο οποίος συνδέεται απευθείας με ηλεκτρονικό υπολογιστή χωρίς να απαιτείται μία κεντρική μονάδα συλλογής και διαχείρισης των δεδομένων. ΤΟ GO! MOTION ΚΑΙ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ LOGGER LITE To Go! Motion Το Go! Motion (Εικόνα 1) είναι ένας αισθητήρας - πομποδέκτης που χρησιμοποιείται για να συλλέγει δεδομένα θέσης, ταχύτητας και επιτάχυνσης κινούμενων σωμάτων. Επικοινωνεί με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω θύρας USB. Διαθέτει μία κινούμενη κεφαλή η οποία δίνει τη δυνατότητα ακριβούς [1199]
σκόπευσης του κινούμενου αντικειμένου και έναν διακόπτη ο οποίος μεταβάλλει την ευαισθησία του δέκτη ανάλογα με την ανακλαστικότητα του κινούμενου αντικειμένου. Ο πομπός του αισθητήρα εκπέμπει σύντομους παλμούς υπερήχων μέσα σε έναν κώνο γωνίας 15-20. Οι παλμοί αυτοί ανακλώνται από το κινούμενο αντικείμενο και επιστρέφουν στο δέκτη του αισθητήρα ο οποίος μετράει το χρόνο από τη στιγμή εκπομπής του παλμού έως την επιστροφή του. Με δεδομένη την ταχύτητα του ήχου στον αέρα, για την οποία λαμβάνονται υπόψη διορθώσεις που οφείλονται σε διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, υπολογίζεται η απόσταση του αντικειμένου. Το Go! Motion αναφέρει την απόσταση του κοντινότερου αντικειμένου που ανακλά ισχυρά τα εκπεμπόμενα ηχητικά κύματα. Η ευαισθησία του αισθητήρα αυξάνεται αυτόματα και σταδιακά κάθε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, καθώς όσο πιο μακριά ταξιδεύουν τα ηχητικά κύματα τόσο περισσότερο εξασθενούν. Ο αισθητήρας μπορεί να μετρήσει αντικείμενα που βρίσκονται από 0.15 m έως 6 m απόσταση. Το λογισμικό Logger Lite Το Logger Lite (http://www.vernier.com/go/loggerlite.html) είναι λογισμικό που έχει αναπτυχθεί από την εταιρεία Vernier και συνοδεύει τον αισθητήρα Go! Motion. Πρόκειται για μια έκδοση περιορισμένων δυνατοτήτων του πολύ ισχυρότερου Logger Pro (http://www.vernier.com/soft/lp.html), με το οποίο συνεργάζεται επίσης. Μέσα από αυτό μπορεί, μεταξύ άλλων, να καθοριστεί η διάρκεια συλλογής των δεδομένων, ο ρυθμός συλλογής των δεδομένων (μέχρι 25 μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο), να επιλεχθεί αν θα καταγράφονται δεδομένα συνεχώς ή θα υπάρχει κάποια παράμετρος ενεργοποίησης. Οι μετρήσεις αναπαριστώνται αριθμητικά σε πίνακα ενώ ταυτόχρονα απεικονίζεται η γραφική παράσταση σε συνάρτηση με το χρόνο οποιουδήποτε συνδυασμού των μεγεθών θέση-ταχύτητα-επιτάχυνση (Σχήμα 4). Τα δεδομένα μπορούν να αναλυθούν στατιστικά ή να εξαχθούν για περαιτέρω επεξεργασία σε μορφή αρχείων. csv ΟΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ Το Go! Motion και το Logger Lite έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εργαστηριακές δραστηριότητες, τόσο στο Γυμνάσιο όσο και στο Γενικό Λύκειο, μερικές από τις οποίες περιγράφονται περιληπτικά παρακάτω. [1200]
2o Πανελλήνιο Εκπαιδευτικό Συνέδριο Ημαθίας ΠΡΑΚΤΙΚΑ Εικόνα 1. Ο αισθητήρας Go! Motion. Εικόνα 2. Η διάταξη μελέτης των ταλαντώσεων Εικόνα 3. Η διάταξη μελέτης της ομαλά επιταχυνόμενης κίνησης Μελέτη φαινομένων ταλάντωσης Ένα σώμα αναρτάται από ελατήριο και στην κατακόρυφο, κάτω από το σώμα, τοποθετείται ο αισθητήρας Go! Motion (Εικόνα 2). Το σώμα τίθεται σε ταλάντωση και ταυτόχρονα ενεργοποιείται, μέσω του Logger Lite, η συλλογή των δεδομένων. Στην οθόνη του υπολογιστή αναπαριστάται σε πραγματικό χρόνο η θέση του σώματος σε συνάρτηση με το χρόνο. Η καμπύλη που προκύπτει είναι ημιτονοειδής (Σχήμα 4) και επέτρεψε στους μαθητές τον υπολογισμό της περιόδου ταλάντωσης, του πλάτους ταλάντωσης, τη διερεύνηση της εξάρτησης της περιόδου από τη μάζα του σώματος και τη σταθερά του ελατηρίου, καθώς και την ανεξαρτησία της περιόδου από το πλάτος ταλάντωσης. Επιπλέον, αφού οι μαθητές μέτρησαν τη μάζα του σώματος με ηλεκτρονικό ζυγό, υπολόγισαν τη σταθερά του ελατηρίου. Από την αντίστοιχη γραφική παράσταση της ταχύτητας ταλάντωσης με το χρόνο, όπως προκύπτει από το ίδιο λογισμικό, οι μαθητές υπολόγισαν τη μέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης και επιβεβαίωσαν τη σχέση υmax = Aω, όπου Α το πλάτος ταλάντωσης και ω η γωνιακή συχνότητα ταλάντωσης. Παρομοίως από τη γραφική παράσταση επιτάχυνσης χρόνου υπολόγισαν τη μέγιστη επιτάχυνση και επιβεβαίωσαν τη σχέση αmax = Aω 2. Η δραστηριότητα αυτή έχει εφαρμοστεί τόσο από ομάδες μαθητών των 4 ατόμων της Γ Λυκείου για την ποσοτική μελέτη των ταλαντώσεων όσο και από αντίστοιχες ομάδες μαθητών της Γ Γυμνασίου για την εισαγωγή των βασικών εννοιών της ταλάντωσης. Και στις δυο περιπτώσεις απαιτήθηκαν 2 διδακτικές ώρες. [1201]
Σχήμα 4. Η θέση σε συνάρτηση με το χρόνο του ταλαντευόμενου σώματος, όπως απεικονίζεται στο περιβάλλον εργασίας του Logger Lite. Σχήμα 5. Η θέση σε συνάρτηση με το χρόνο μίας μπάλας κι ενός αυτοκινήτου που εκτελούν ομαλά επιταχυνόμενη κίνηση Μελέτη ομαλά επιταχυνόμενης κίνησης Σε ένα κεκλιμένο επίπεδο (Εικόνα 3) μήκους 1 m αφέθηκε ελεύθερο να κινηθεί ένα παιδικό παιχνίδι-αυτοκίνητο. Στην κορυφή του επιπέδου τοποθετήθηκε ο αισθητήρας Go! Motion. Η θέση του αυτοκινήτου σε συνάρτηση με το χρόνο αναπαριστάται με την κόκκινη συνεχή καμπύλη. Στη συνέχεια το αυτοκίνητο αντικαταστάθηκε από ένα μπαλάκι το οποίο επίσης αφέθηκε ελεύθερο να κινηθεί κατά μήκος του κεκλιμένου επιπέδου. Η θέση της μπάλας σε συνάρτηση με το χρόνο αναπαριστάται από τη γαλάζια διάστικτη γραμμή. Όπως φαίνεται από τις δυο καμπύλες η μπάλα κινήθηκε πιο γρήγορα (με μεγαλύτερη επιτάχυνση) από το αυτοκίνητο λόγω της μικρότερης τριβής που της ασκήθηκε από το επίπεδο. Οι μαθητές κλήθηκαν να ταυτοποιήσουν τις καμπύλες (τμήματα παραβολών) ενώ είχαν τη δυνατότητα να βλέπουν, σε πραγματικό χρόνο, είτε το σχηματισμό της γραφικής παράστασης θέσης χρόνου, είτε της ταχύτητας χρόνου, είτε της επιτάχυνσης χρόνου. Με τον τρόπο αυτό μπόρεσαν να διαχωρίσουν τις έννοιες ταχύτητα και επιτάχυνση και επιβεβαίωσαν με μετρήσεις τους νόμους της επιταχυνόμενης κίνησης. Η δραστηριότητα εφαρμόστηκε σε τμήμα της Α Λυκείου και διήρκεσε, μαζί με την επεξεργασία των μετρήσεων, 2 διδακτικές ώρες. [1202]
2o Πανελλήνιο Εκπαιδευτικό Συνέδριο Ημαθίας ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΣΥΝΟΨΗ Η μελέτη των κινήσεων αποτελεί κεντρικό θέμα διαπραγμάτευσης στο αναλυτικό πρόγραμμα σπουδών τόσο του Γυμνασίου όσο και του Λυκείου. Τα Σ.Σ.Λ.Α. προσφέρουν τη δυνατότητα μετρήσεων σε πραγματικό χρόνο, τη δημιουργία πολλαπλών αναπαραστάσεων στους μαθητές, καθώς και τη συσχέτιση ή την διαφοροποίηση των διάφορων εννοιών. Ο σκοπός αυτού του εργαστηρίου είναι να προσφέρει την ευκαιρία για μια πρώτη γνωριμία, εκπαίδευση, εξοικείωσή και αξιολόγηση του Go! Motion από τους εκπαιδευτικούς των Φυσικών Επιστημών. Ειδικότερα δίνεται στους εκπαιδευτικούς η ευκαιρία γνωριμίας και δοκιμής των δυνατοτήτων του αισθητήρα για τη σχεδίαση και ανάπτυξη εργαστηριακών δραστηριοτήτων. Από τις προτάσεις εργαστηριακής αξιοποίησης που παρουσιάζονται, αλλά και από άλλες που έχουν ήδη πραγματοποιηθεί, για παράδειγμα η μελέτη της φθίνουσας ταλάντωσης, της ελεύθερης πτώσης και της επιβραδυνόμενης κίνησης, συμπεραίνεται ότι το σύστημα αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα Σ.Ε.Φ.Ε., με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ανάλογες εφαρμογές μπορούν να σχεδιαστούν και για τη μελέτη απλούστερων κινήσεων, όπως πχ η ευθύγραμμη ομαλή. Λόγω του σχετικά μικρού κόστους και της ευχρηστίας του αισθητήρα, είναι εφικτό ένα εργαστήριο να διαθέτει αρκετά συστήματα ικανά να υποστηρίξουν ομαδοσυνεργατικές δραστηριότητες, αξιοποιώντας ενδεχομένως και τον μαθητικό υπολογιστή (netbook). Με τον τρόπο αυτό οι μαθητές θα αναπτύξουν εργαστηριακές δεξιότητες, θα εφαρμόσουν την επιστημονική μεθοδολογία και θα αποκτήσουν θετικότερη στάση απέναντι στο μάθημα της Φυσικής. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Arons, B. A. (1992). Οδηγός Διδασκαλίας της Φυσικής. Εκδόσεις Τροχαλία, Αθήνα. 2. Butterfield, H. (1983). Η καταγωγή της σύγχρονης επιστήμης (1300-1800). Μορφωτικό Ίδρυμα Εθνικής Τραπέζης, Αθήνα. 3. Cohen, E. (1994). Restructuring the classroom: conditions for productive small groups. Review of Educational Research, 64(1), 1-35 4. Lazarowitz,R., & Hertz-Lazarowitz, R. (1998). Cooperative learning in the science curriculum. In B. J. Fraser & K.G. Tobin (eds) International Handbook of science Education. Kluwer Academic publishers, pp. 449-469. 5. McDermott, L. C., Rosenquist, M. L., Zee, E. H. van. (1987). Student difficulties in connecting graphs and physics: examples from kinematics. American Journal of Physics, 55(6), 503-513 6. Rosenquist, M. L. and McDermott. L. C. (1987). A conceptual approach to teaching kinematics. American Journal of Physics, 55(5), 407-415 [1203]
7. Trowbridge, D. E., McDermott, L. C. (1980). Investigation of student understanding of the concept of velocity in one dimension. American Journal of Physics, 48(12), 1020-1028 8. Trowbridge, D. E., McDermott, L. C. (1981). Investigation of student understanding of the concept of acceleration in one dimension. American Journal of Physics, 49, 242-253 9. Vannoni, M. and Straulino, S., (2007). Low-cost accelerometers for physics experiments, European Journal of Physics 28, pp. 781-787 10. Κολτσάκης, Ε., Πιερράτος, Θ. (2008). Διαχείριση Συστήματος Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης και επεξεργασία πειραματικών δεδομένων στο Σχολικό Εργαστήριο Φυσικών Επιστημών με το λογισμικό DbLab. Πρακτικά 1 ου Πανελλήνιου Εκπαιδευτικού Συνέδριου Ημαθίας με θέμα «Ψηφιακό υλικό για την υποστήριξη του παιδαγωγικού έργου των εκπαιδευτικών, Τόμος B, σελ. 507-511. 11. Κολτσάκης, Ε., Πιερράτος, Θ., Πολάτογλου, Χ. (2007). Αξιοποίηση των Τ.Π.Ε. στη διδακτική των Φ.Ε. στο Σ.Ε.Φ.Ε. μια μελέτη περίπτωσης. Πρακτικά 10 ου κοινού συνεδρίου των Ενώσεων Ελλήνων και Κυπρίων Φυσικών, Τόμος Β, σελ. 54-64. 12. Πιερράτος, Θ., Κολτσάκης, Ε., Πολάτογλου, Χ. (2009). Διδάσκοντας Φυσική: μια διερεύνηση δυνατοτήτων και περιορισμών στην αξιοποίηση του Scratch(board) σε εργαστηριακές δραστηριότητες. Εισήγηση στο 5 ο Πανελλήνιο Συνέδριο των Εκπαιδευτικών για τις Τ.Π.Ε. «Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στη Διδακτική Πράξη», Σύρος, 8-10 Μαΐου 2009. 13. Πιερράτος, Θ., Κολτσάκης, Ε., Σκουλίδης, Ν., Τσακμάκη, Π., Πολάτογλου, Χ. (2010) Διερεύνηση των δυνατοτήτων αξιοποίησης του wiimote και του motion plus σε εργαστηριακές δραστηριότητες Φυσικής. Εισήγηση στο 13 ο Πανελλήνιο Συνέδριο της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών, Πάτρα 17-21 Μαρτίου 2010. 14. Σταυρίδου Ε., (2000). Συνεργατική μάθηση στις Φυσικές Επιστήμες: Μία εφαρμογή στο δημοτικό σχολείο. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Θεσσαλίας. [1204]