Założenia projektu
———————————————————————————————-
Wykonanie CYFROWEGO LABORATORIUM FIZYCZNEGO, wspomagającego przeprowadzanie doświadczeń fizycznych na lekcjach eksperymentalnych z fizyki
Realizacja
———————————————————————————————-
Uczniowskie Laboratorium Informatyczne było realizowane w II Liceum Ogólnokształcącym im. Tadeusza Kościuszki w Kaliszu w roku szkolnym 2021/2022 (od listopada 2021 do maja 2022). Był to podprojekt edukacyjny wchodzący w skład dużego projektu Cyfrowa Szkoła Wielkopolsk@ 2020, współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego na lata 2014-2020.
Beneficjentami projektu zostało 17. uczniów z klas I i II naszego liceum, którzy realizowali przydzielone zadania w 10 zespołach projektowych. Uczniowie mogli realizować założenia dzięki uzyskanym w ramach projektu pomocom dydaktycznym takim jak tablety, zestawy klocków LEGO Spike i inne, które po zakończeniu zajęć projektowych pozostaną w szkole i będą mogły posłużyć do kontynuowania zajęć dodatkowych o podobnej tematyce.
Korzystając z prostoty i uniwersalności mikrokontrolera Arduino, nieograniczonych możliwości klocków LEGO oraz społeczności OpenSource, opracowaliśmy szereg narzędzi pomiarowych i demonstracyjnych, które można wykorzystać w eksperymentach, ćwiczeniach i laboratoriach do badania, pomiaru i analizy zjawisk fizycznych. Wszystkie zbudowane urządzenia zostały oprogramowane, zmontowane na płytkach stykowych, zlutowane na płytkach drukowanych i wreszcie otrzymały obudowy wykonane techniką druku 3D. Uczniowie pracowali w 10 zespołach i zbudowali:
ZESPÓŁ 1 (Maja Chojnacka) – TERMOMETR CYFROWY
ZESPÓŁ 2 (Julia Łuczak, Marta Wilk) – MIERNIK ODLEGŁOŚCI
ZESPÓŁ 3 (Ada Matuszewska, Jan Kobyłka, Mikołaj Martyna) – UKŁAD DO BADANIA REZONANSU MECHANICZNEGO (klocki LEGO)
ZESPÓŁ 4 (Igor Rosadziński) – BRAMKI OPTYCZNE
ZESPÓŁ 5 (Tomasz Bartczak, Łukasz Litwin) – MIERNIK CIŚNIENIA 400kPa
ZESPÓŁ 6 i 7 (Cyprian Kuczyński, Kacper Graczyk) – WOLTOMIERZE i AMPEROMIERZE
ZESPÓŁ 8 (Gabriela Jakubowska, Filip Jakóbczak) – MIERNIK POLA MAGNETYCZNEGO
ZESPÓŁ 9 (Stanisław Wiśniewski, Aleksander Wojczak) – LAMPA STROBOSKOPOWA
ZESPÓŁ 10 (Hanna Sokół, Filip Grawas) – GENERATOR FALI STOJĄCEJ
Na kilku początkowych zajęciach uczniowie pracowali w swoich zespołach zdobywając podstawowe wiadomości potrzebne w na późniejszym etapie realizacji projektów. Poznali okoliczności powstania, elementy składowe i możliwości płytki Arduino UNO. Łączyli obwody elektryczne złożone z LED, potencjometrów, włączników, wyświetlaczy itp. i uczyli się komunikować z nimi za pomocą Arduino UNO. Pisali programy w dedykowanym środowisku Arduino IDE w celu komunikowania się mikrokontrolera ze światem zewnętrznym. Wszyscy mieli okazję zabawy połączonej z programowaniem. Dzięki zestawom LEGO Spike i otrzymanym tabletom, przechodzili kolejne etapy budowy od prostych do coraz bardziej skomplikowanych urządzeń i obsługi elementów programowalnych wchodzących w skład zestawów (silniki i czujniki). Mieli również okazję zapoznania się z podstawami projektowania i samym drukiem 3D, dzięki drukarce 3D Creality Ender 5 pro otrzymanej w ramach projektu (często po raz pierwszy).
Nadrzędnym celem uczniów było zdobycie wysokich kompetencji cyfrowych i udało się to osiągnąć. Uczniowie jak inżynierowie, aby uzyskać cel zespołu, musieli wyszukać informacji o możliwych do zastosowaniach czujnikach, wybrać ten odpowiedni do założeń, zdobyć i zapoznać się z ich dokumentacją techniczną, zaprojektować układ połączeń elektrycznych, napisać program pozwalający na komunikację czujnika z mikrokontrolerem Arduino, zmontować wszystkie elementy urządzenia lutując obwody elektryczne, zaprojektować, wydrukować i zmontować całe urządzenie w całość. Zdobywane sukcesywnie informacje zespoły gromadziły przygotowując własne opisy budowy urządzeń, dokumentowali swoją pracę.
Pracując w małych grupach nie rywalizowali ze sobą, ale gdy wymagała tego sytuacja współpracowali i pomagali sobie wzajemnie. Najlepsze osiągnięcia uzyskiwali uczniowie w grupach jedno- i dwuosobowych. Każdy zespół otrzymał listę kroków do wykonania, od projektu do efektu końcowego. Na każdych zajęciach zespoły odznaczały wykonanie zadania i dzięki temu uczniowie porównywali się z innymi zespołami i mieli orientację czy muszą przyspieszyć z pracami, czy mogą poświęcić czas na inne czynności.
W czasie realizacji zadań można było zaobserwować różne zdolności, lub ich brak, u różnych uczniów. Jedni potykali się na prostych czynnościach manualnych, a inni świetnie radzili sobie z lutownicą, bo wcześniej robili to z dziadkiem. W każdej problemowej sytuacji mogli liczyć na pomoc ze strony opiekuna, który dźwigał na każde zajęcia pudła z elementami elektronicznymi, czujnikami, śrubkami i narzędziami.
Nie wszystko co zostało zaplanowane udało się zrealizować. Nie wszystkie projekty zostały zbudowane do końca, nie udało się wykonać kilku obudów, ponieważ uczniowie zostawili to na koniec, nie mając do świadomości o czasie wydruku. Niektóre projekty wymagały kilku godzin wydruku. Nie udało się również pokazać swoich projektów na forum szkoły. Było to zaplanowane na „Dni otwarte” szkoły, jednak impreza ta została najpierw zawieszona, a finalnie odwolana ze względu na ogłoszone przez premiera RP zagrożenie terrorystyczne. Z tego samego powodu nie odbyła sie wizyta na Wydziale Politechnicznym Akademii Kaliskiej i spotkanie z prof. Andrzejem Marciniakiem, autorem wielu publikacji i książek wprowadzających w tajniki programowania.
OPINIE UCZESTNIKÓW ZAJĘĆ ULI:
UWAGA: Programy, o których mowa w części multimedialnej, prezentujące wyniki pomiarów na ekranie komputera, zostały w całości stworzone przez szkolnego opiekuna zajęć ULI w celu zwiększenia walorów edukacyjnych budowanych urządzeń i zwiększenia atrakcyjności prezentowanych pomiarów. Urządzenia komunikujące się z komputerem przez wifi, zawierają elementy kodu obsługującego protokół komunikacji i format transmisji danych zaproponowane przez opiekuna. Uczniowie umiejętnie dodali powyższe do swojego kodu, natomiast wszystkie pozostałe czynności i elementy wykonali samodzielnie.
Multimedia
———————————————————————————————-
TERMOMETR CYFROWY (mierzy temperaturę i wysyła ją przez wifi do komputera, który prezentuje ją na wykresie czasowym)
MIERNIK ODLEGLOŚCI (mierzy odległość za pomocą wiązki światła odbijającego się od przeszkody, wykonuje kilkadziesiąt pomiarów na sekundę, pozwala badać różne rodzaje ruchu)
UKŁAD DO BADANIA REZONANSU MECHANICZNEGO (urządzenie z klocków LEGO Spike, które zamienia ruch obrotowy na liniowy, posuwisto-zwrotny. Do ruchomego ramienia jest przywiązane na nici wahadło matematyczne. Ramię ma regulowaną częstotliwość ruchu i wprawia lub nie wahadło w drgania o rosnącej amplitudzie)
BRAMKI OPTYCZNE (w dwóch bramkach optycznych, na drodze wiązki lasera pojawia się poruszające się ciało. Przerywając wiązkę jest mierzona prędkość początkowa, międzyczas między bramkami i prędkość początkowa. To wystarczy żeby wyznaczyć przyspieszenie ciała)
MIERNIK CIŚNIENIA (czujnik mierzy ciśnienie do maksymalnie 400kPa ! Dane wysyła przez wifi, zastosowanie kabli łączących utrudniłoby pomiar w szczelnie zamkniętym naczyniu. Można je rejestrować na wykresie)
WOLTOMIERZE i AMPEROMIERZE (to mały cyfrowy kombajn zawierający 4 woltomierze i 4 amperomierze. Pozwala na wykonanie pomiarów w wielu układach elektrycznych i zbadaniu wielu praw, np. prawo Ohma i dwa prawa Kirchhoffa. Dane wysyła przez wifi do komputera i przedstawia wprost na schemacie badanego układu)
MIERNIK POLA MAGNETYCZNEGO (bardzo funkcjonalny przyrząd pozwalający określenie biegunów magnetycznych. Magnesy szkolne mają kolory czerwony „S” i niebieski „N”. Miernik pokazuje bieguny zapalając LED w odpowiednim kolorze. Wysyła ponadto dane przez wifi rysując wykres)
LAMPA STROBOSKOPOWA (dwie LED o dużej mocy sterowane przez Arduino zmieniają częstotliwość „mrugnięć”. Umożliwia to obserwację szybko zmieniających się zjawisk „zamrażając” ruch)
GENERATOR FALI STOJACEJ (silnik o regulowanej prędkości obrotów wprawia w drgania sznurek powodując powstawanie na jego długości fali stojącej. Pozwala badać własności fali stojącej)
Linki do stron zewnętrznych
Arduino.cc – platforma stworzona dla sympatyków Arduino przez jego twórców, jest tam oprogramowanie i forum z całym mnóstwem wiedzy
Tinkercad.com – projektowanie obudów do projektowanych urządzeń
———————————————————————————————-
Zespół projektowy
Nazwa szkoły: – II Liceum Ogólnokształcące im. Tadeusza Kościuszki w Kaliszu
Nauczyciel – opiekun grupy projektowej: – Maciej Gramza
Uczniowie – członkowie zespołu projektowego:
Tomasz Bartczak
Maja Chojnacka
Kacper Graczyk
Filip Grawas
Gabriela Jakubowska
Filip Jakóbczak
Jan Kobyłka
Cyprian Kuczyński
Łukasz Litwin
Mikolaj Martyna
Ada Matuszewska
Igor Rosadziński
Hanna Sokół
Marta Wilk
Stanisław Wiśniewski
Aleksander Wojczak
Julia Łuczak