Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech Obecná část

Transkript

1

2 Název: Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech Obecná část Autor: Mgr. Monika Halšková, RNDr. Libor Koníček, PhD. Vydání: 1. vydání, 2010 Počet stran: 79 Určeno pro projekt: Nové přístupy k využití ICT ve výuce přírodovědných předmětů na základních školách Číslo projektu: CZ.1.07/1.1.07/ Vydavatel: Ostravská univerzita v Ostravě Tisk: REPRONIS s.r.o. Mgr. Monika Halšková, RNDr. Libor Koníček, PhD. Ostravská univerzita v Ostravě

3 Obsah Úvod Úvod do počítačem podporovaných experimentů Terminologie Úvod do problematiky počítačem podporovaných experimentů Systémy pro počítačem podporované experimenty Technické aspekty Měřicí systém ISES Měřicí systémy IP-Coach, Coach-Lab2, ULAB Měřicí systém PASCO Měřicí systém Vernier Měřicí systémy MF-DAQ CMC-S2, CMC-S3, eprodas Reálná laboratoř Vzdálená laboratoř Virtuální laboratoř Programy pro modelování ve fyzice Edison 4 CZ Excel Programy pro měření z videosekvencí Digitální video v programu Tracker Digitálního video v prostředí Coach Jednoduchý systém na zaznamenávání dat Educational Laboratory Board (EdLaB) 35 7 Popis programu eprolab - využití modulu HiScope Otevření modulu HiScope Tlačítka menu Vybrat připojená čidla Vymezit proměnné Vzorkovací čas a spouštění... 43

4 7.1.5 Graf y(t): výběr proměnné Graf y(t) časová závislost proměnné y Zobraz měřidlo Vlastnosti čidel Příklady modelové úlohy Příklad experiment meteorologická stanice Návod pro žáky Návod pro učitele Závěr Popis softwaru eprolab - verze 04/ HiScope Editor senzorů Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eprolab Kalibrace nového čidla Postup spuštění experimentu Pro jedno čidlo Pro více čidel Literatura... 75

5 Úvod Vážení čtenáři, máte před sebou studijní text Nové přístupy k výuce přírodovědných předmětů s využitím ICT pomůcek na ZŠ, který je určen učitelům přírodovědných předmětů a všem zájemcům o využívání počítačů při výuce přírodovědných předmětů na základních a středních školách. Úvodní kapitola studijního textu je orientační a slouží pro seznámení se základní terminologií užívající se v souvislosti s počítačem podporovanými experimenty. Druhá kapitola je zaměřena na popis technických vlastností tří měřicích systémů, které jsou používány v České republice. Poslední tři kapitoly jsou zaměřeny na konkrétní příklady počítačem podporovaných experimentů i s komentářem. Po prostudování textu budete znát: základní pojmy týkající se počítačem podporovaných experimentů v přírodních vědách; základní možnosti využití počítačem podporovaných experimentů ve výuce; programy, které jsou využívány měřicími systémy s počítači; požadavky na měřicí systémy. Po absolvování kurzu budete schopni: připravit a optimalizovat počítačem podporovaný experiment; zpracovat a předvést počítačem podporovaný experiment; připravit vyučovací hodinu s využitím počítačem podporovaného experimentu. Získáte: zkušenosti s přípravou počítačem podporovaných experimentů.

6

7 Úvod do počítačem podporovaných experimentů 7 1 Úvod do počítačem podporovaných experimentů Průvodce studiem. V této kapitole se dozvíte, nebo si zopakujete základní pojmy o počítačem podporovaných experimentech. Cílem je získat celkový přehled a orientovat se v této problematice. Po prostudování kapitoly budete umět: Popsat proces měření pomocí počítače. Popsat možnosti využití měřicích systémů v laboratoři. Uvést, které parametry ovlivňují přesnost měření. Klíčová slova: reálný experiment, virtuální laboratoř, vzdálená laboratoř, simulace, modelování 1.1 Terminologie Pojmem počítačem podporované experimenty označujeme takové experimenty v přírodních vědách, kde se počítač podílí na sběru, zpracování a zobrazování naměřených dat. Existují tři základní možnosti využití počítačů: Reálná laboratoř (CBL Computer Based Laboratory, MBL Microcomputer Based laboratory) Vzdálená laboratoř (Remote Laboratrory) Virtuální laboratoř (Virtual Laboratory) Reálná laboratoř, reálný experiment, počítačem řízený experiment většinou se těmito pojmy rozumí využití počítače jako zařízení, které měří a získává data, popřípadě může experiment přímo řídit. Nejčastější je kombinace počítače a nějakého měřicího rozhraní, např. český systém ISES, nizozemský CMA CoachLab II+, slovinský CMC S3, které budou podrobně popsány později. V reálné laboratoři žáci pracují přímo se skutečnými měřenými objekty a získávají reálná data. Vzdálenou laboratoří rozumíme takové využití počítače, že žák není přímo fyzicky účasten experimentu, ale může experiment řídit na dálku, např. prostřednictvím sítě Internet. Získaná data jsou reálná, byla získaná na skutečném zařízení, pouze komunikace s tímto zařízením je zprostředkovaná. Naopak ve virtuální laboratoři se často využívá simulací k získávání dat nebo k natrénování určitých činností, např. ovládání složitých a drahých přístrojů. Virtuální laboratoř lze také využít pro přípravu žáků před reálným měřením. Ve virtuální laboratoři lze ověřit i chování elektrických obvodů před jejich

8 8 Úvod do počítačem podporovaných experimentů reálnou realizací. Nevýhodou virtuální laboratoře je, že nerozvíjí manuální zručnost žáků a velmi záleží, jak kvalitní je simulace pro žáky. 1.2 Úvod do problematiky počítačem podporovaných experimentů Fyzikální veličiny analogové spojité působí Čidlo (tlaku, teploty, vlhkosti, vodivosti, magnetické indukce, elektrického převádí na elektrické napětí A/D převodník kvantizace ( 8, 12, 16 bitů) vzorkovací binární data PC Obrázek 1-1 Schéma měření pomocí počítače Fyzikální veličiny, které můžeme pozorovat a měřit ve svém okolí jsou spojitými (analogovými) veličinami, tj. mění se v čase plynule. Příkladem může být okolní teplota, tlak, vlhkost, Při klasickém měření odečítáme hodnoty z teploměru, tlakoměru, vlhkoměru v určitých intervalech a s přesností odpovídající zvoleným měřicím přístrojům. Při měření pomocí počítače dochází nejprve pomocí čidla (senzoru) k převodu fyzikální veličiny (teplota, tlak, vlhkost, elektrická vodivost, magnetická indukce, elektrický odpor, poloha, zrychlení, ) na elektrické napětí. To je přivedeno na A/D analogově/digitální převodník. Úkolem A/D převodníku je převedení napětí na jeho číslicově (binárně) vyjádřenou hodnotu. Důležitými parametry pro měření je vzorkovací frekvence převodníku, tj. kolikrát za sekundu je schopen změřit napětí na vstupu. Některé systémy uvádějí časový interval (timer delay), který uplyne mezi dvěma měřeními. Vzorkovací frekvence se většinou vztahuje na jeden kanál. Pokud zároveň měříme ve více kanálech, musíme maximální vzorkovací frekvenci dělit počtem kanálů. U pomalých dějů můžeme volit vzorkovací frekvenci v jednotkách Hz. U rychlých dějů (přechodové jevy v elektřině a magnetismu, záznam hlasu) musíme zvolit vzorkovací frekvenci řádově khz. Měření by mělo proběhnout aspoň desetkrát během periody měřeného signálu. Dalším důležitým parametrem je přesnost měření. Ta je dána jednak rozsahem vstupních měřených napětí většina systémů pracuje v rozsahu 0 V až 5 V. Dalším parametrem je rozlišení převodníku (kvantizace) udává se v jednotkách bit. Příklad: Při rozlišení 8 bitů a vstupních úrovních napětí 0 až 5 V je přesnost 5 / 2 8 V = = 5 / 256 V = 0,02 V. Při 12 bitovém rozlišení už to je 5 / 4096 V = 0, 0012 V. Počítač může naměřená data (čísla) dále zpracovat (zobrazit jako graf, zobrazit formou tabulky, provádět s nimi další operace).

9 Úvod do počítačem podporovaných experimentů 9 Nyní uvedu konkrétní příklad na pojem kvantizace. Na obr. 1.2 je zobrazen časový průběh signálu zaznamenaný s kvantizací 12 bitů, tj úrovní a na druhém grafu je tentýž průběh zaznamenaný jen s kvantizací 4 bity, tj. se 16 úrovněmi. Obrázek 1-2 Měřený signál s kvantizací 12 bitů Obrázek 1-3 Měřený signál s kvantizací 4 bity

10 10 Úvod do počítačem podporovaných experimentů Poznámka: Měřicí systémy, které uvádím, nejsou jedinými A/D převodníky v počítači. Většina počítačů má zvukovou kartu. Parametry zvukových karet pro nahrávání zvuku v CD kvalitě: rozlišení 16 bitů, stereo (dva kanály), vzorkovací frekvence 44,1 khz, datový tok je 176 kb/s. Někdy se při nahrávání zvuku z kamery používá vzorkovací frekvence 48 khz. Otázky: 1. Popište převod analogové fyzikální veličiny na digitální data. 2. Objasněte pojem kvantizace. 3. Co vyjadřuje pojem vzorkovací frekvence? Úloha č. 1: Uveďte experiment, kde je nutné použít vysokou vzorkovací frekvenci. Úloha č. 2: Uveďte experiment, kde je možno použít nízkou vzorkovací frekvenci.

11 Systémy pro počítačem podporované experimenty 11 2 Systémy pro počítačem podporované experimenty Průvodce studiem. V této kapitole se seznámíte s měřicími systémy dostupnými v České republice a využitelnými na základní škole. Je zde uveden velký počet technických parametrů, ty si nemusíte pamatovat, slouží hlavně pro vaši orientaci. Dovednost měřit pomocí počítačem získáte na tutoriálu, kde budete mít možnost s uvedenými systémy pracovat a vyzkoušet si je. Cíl: V této kapitole se dozvíte, jaké jsou možnosti připojení měřicího systému k počítači. Budete vědět, které měřicí systémy jsou nejvíce rozšířené v České republice. Budete umět popsat parametry jednotlivých měřicích systémů. Budete se schopni rozhodnout, který měřicí systém bude vhodný pro vaše měření. 2.1 Technické aspekty Existují dva možné způsoby připojení měřicích zařízení k počítači: Interní Externí Interní možnost připojení využívá sběrnic na základní desce počítače. Nejstarší sběrnicí je sběrnice označována ISA. Je buď krátká 8bitová nebo delší 16bitová. S uvedením modelů počítačů s procesorem Pentium 4 se na základních deskách nevyskytuje. Modernější sběrnicí je 32bitová sběrnice PCI, která je v současné době nahrazována sběrní s označením PCI-Express. Výhodou interních měřicích karet je vyšší rychlost a stabilita měření. Naopak velkou nevýhodou je, že jsou pevně spojena s jedním konkrétním stolním počítačem, takže takové zařízení není mobilní. Sběrnice uvnitř počítače zastarávají rychleji než vnějších sběrnice počítače. Externí měřicí systémy využívají nejčastěji tato tři rozhraní: Paralelní port Sériový port USB Universal serial bus Paralelní port označovaný jako LPT se používá nejčastěji pro připojení tiskárny nebo skeneru. K portu lze připojit také měřicí systémy MF-DAQ, CMC-S3 a u nás dříve dostupný systém ADDA. Paralelní port je osmibitový a pro obousměrný přenos využívá dvacetipětižilový kabel.

12 12 Systémy pro počítačem podporované experimenty V biosu počítače lze nastavit tři módy přenosu: SPP jednosměrný přenos od počítače k zařízení (většinou tiskárně) EPP obousměrný přenos ECP rozšířený obousměrný přenos Pro využití rychlého přenosu dat mezi počítačem a zařízením je třeba nastavit EPP nebo ECP mód. Přenosová rychlost je 100 kb/s. Sériový port označovaný COM. Používá se k připojení pomalejších zařízení než na port paralelní např. myš, modem, některé mobilní telefony, Pro sériový port jsou navržena měřicí zařízení ISES-COM, Coach Lab 2. Přenosová rychlost sériového portu je 9,6 115 kb/s. USB Universal serial bus univerzální sériová sběrnice. Pro připojování externích periferií k osobnímu počítači vesměs platilo pravidlo co jedno zařízení, to jeden speciální konektor. Tuto nesjednocenost se snaží vyřešit právě USB, která umožňuje k počítači jednotně připojit veškerá běžná externí zařízení počítače (klávesnice, myš, reproduktory, tiskárna, skener, Web kamera, digitální fotoaparát, čtečky paměťových karet). Pro USB existuje měřicí systém MF-DAQ USB verze. Velikou výhodou USB rozhraní je, že systém sám zjistí, jaké zařízení je připojeno, a hned s ním začne pracovat. Tato funkce je podporována od Windows 98, plně USB využívají systémy Windows 2000 a XP. Přenosová rychlost je 12 Mb/s u verze 1.0 a 1.1 a 480 Mb/s u verze 2.0 rozhraní USB. Rychlejší USB zařízení lze využít i na pomalejším rozhraní, ale samozřejmě s nižší přenosovou rychlostí. USB byla navržena v roce 1995 s následujícími základními vlastnostmi: rychlost 1,5 Mb/s nebo 12 Mb/s (480 Mb/s u verze 2.0) až 127 připojitelných zařízení připojování zařízení za chodu automatická instalace zařízení Plug n Play hvězdicová topologie sběrnice maximální délka kabelu mezi dvěma zařízeními 5 metrů distribuce napájení pro zařízení jako myš či klávesnice V praxi to znamená, že kdykoliv je možné kterékoliv zařízení USB kdekoliv připojit či odpojit, přičemž instalace i odinstalování zařízení v operačním systému probíhá automaticky V současné době se jeví jako nejvhodnější sběrnice pro připojování měřicích zařízení k počítači sběrnice USB. Výhodou je, že je součástí všech nových počítačů včetně notebooků a je podporována i novými operačními systémy.

13 Systémy pro počítačem podporované experimenty Měřicí systém ISES Měřicí systém ISES patří v naší republice mezi nejznámější a nejrozšířenější měřicí systémy. Bližší informace o systému najdete na Z těchto stránek jsou následující technické údaje. Souprava ISES se vyrábí již 25 let a postupně se vyvíjí, tak jak se vyvíjejí počítače a operační systém. Souprava ISES je český výrobek. Soupravu ISES má 450 škol v ČR a na Slovensku. Současný trend je vybavování škol několika systémy ISES pro frontální práci ve třídě (ISESem je vybaveno 30 tříd s 5 až 12 instalacemi). Měřicí a laboratorní studio ises je široká otevřená platforma, která umožňuje měření a řízení experimentů. Hlavními komponentami jsou měřicí souprava ISES PCI Professional (Inteligentní školní experimentální systém), resp. bezdrátová souprava ISES Blue. Dále samozřejmě senzory pro Fy Che a Bi a program ISESWIN32i pro lokální měření, případně softwarová stavebnice ISES WEB Control pro vzdálená měření přes Internet. Obrázek 2-1 Panel, měřicí karta a čidla z měřicího systému ISES ( Systém ISES je otevřený modulární universální měřicí systém pro Fy, Che, Bi, elektrotechniku, elektroniku, automatizaci, měření, aj. Celkem je k dispozici 20 čidel (teploměr, ampérmetr, voltmetr, siloměr, sním ač polohy, optická závora, mikrofon, manometr, ph metr, konduktometr, relé, reproduktor, sonar, ohmetr, měřič kapacit, snímač srdečního tepu aj. Čidla mají autodetekci, mají lineární charakteristiku a pokud je to možné, tak diferenciální vstupy. Software ISESWIN je univerzální (pro všechna měření), intuitivní a umožňuje měření, ale i řízení a dále zpracování signálů na úrovni střední i vysoké školy. Zobrazení jsou grafická, číslicová, XY, případně kombinovaná. Výjimečná je i možnost on-line zpracování právě měřených signálů (např. měříme napětí a proud a ihned on-line vynášíme výkon součin napětí a proudu). Data je možné ukládat do soborů, případně exportovat. Součástí naměřených dat může být i textová, případně multimediální příloha. K soupravě ISES je didaktická podpora ve formě 5 příruček s cca 200 experimenty a laboratorními úlohami. Dále je k dispozici internetová podpora na Souprava ISES podporuje tvorbu vzdálených laboratoří pomocí softwarové stavebnice ISES WEB Control. Umožňuje vytvořit experimenty a laboratorní úlohy, které

14 14 Systémy pro počítačem podporované experimenty jsou řízené přes internet pouhým standardním prohlížečem (Explorer, Mozilla aj. (viz. např. Bezdrátová Souprava ISES Blue Obrázek 2-2 Panel měřicího systému ISES blue ( Souprava ISES Blue je novinkou roku 2010 a dovede snímat veličiny bezdrátově. To znamená, že volně pracujete se senzory a měřená data se bezdrátově, až na vzdálenost cca 10 metrů, přenášejí do libovolného počítače se vstupem Bluetooth. Na jeden učitelský počítač mohou být napojeny až 4 soupravy ISES Blue najednou, na centrální projekci programu ISES Blue jsou zároveň zobrazovány výsledky až 4 studentů, každá stanice může mít 2 kanály. Soupravu ISES Blue doporučujeme též jako doplněk k známým soupravám ISES PCI a ISES Professional. Souprava ISES Blue je technicky velice jednoduchá. Disponuje 2 analogovými vstupy, vzorkovací frekvence při bezdrátovém přenosu je 100 Hz. Má bateriové napájení, dobíjení přes USB konektor.souprava ISES Blue ale může fungovat i jako USB měřicí stanice, potom má daleko větší vzorkovací frekvenci (100 khz). Souprava ISES Blue pracuje též jako datalogger. Vzorkovací frekvence v režimu datalogger je 100 khz. Data se zaznamenávají na SD kartu o velikosti 4 GB. Data se potom přenášejí do počítače off-line přes USB či Bluetooth. Souprava ISES Blue NEPOTŘEBUJE instalovat žádnou ADDA kartu do počítače! S počítačem komunikuje bezdrátově přes Bluetooth, resp. přes USB. Disponuje 2 analogovými vstupy. Do vstupů se zapojují všechny standardní vstupní moduly ISES. Univerzální program ISESWWIN32blue, resp. ISESWIN32i verze 5.0 (umí i ISES Blue, je stejný pro všechny soupravy ISES) je pro platformu Windows: Win 2000, XP, Vista i Win7.

15 Systémy pro počítačem podporované experimenty 15 Čidla jsou v systému ISES jako samostatné moduly, které transformují měřené fyzikální veličiny (teplotu, tlak, atd.) na úroveň napětí tak, aby bylo možné měřit tyto veličiny. Používaný modul musí být umístěn na zvolené pozici v ovládacím panelu. Součástí soupravy jsou následující moduly: Vstupní moduly: teploměr (-20 C až +120 C) siloměr (absolutní rozsah ± 10 N, diferenciální rozsah ± 1 N, max. citlivost 0.01 N) voltmetr (10 V, 1 V, 100 mv, 10 mv, unipolární/bipolární vstup) ampérmetr (1 A, 100 ma, 10 ma, 1 ma, unipolární/bipolární vstup) snímač polohy (10-ti otáčkový mechanismus se třemi kladkami) optická závora (přijímač lze použít jako fotometr) mikrofon (elektretový mikrofon s aktivním předzesilovačem) detektor (snímání výšky hladiny) ph-metr (0-14 ph ) srdeční tep (optická sonda pro měření srdečního tepu) sonar (ultrazvukový detektor polohy) EKG-metr (snímání biologických signálů srdce) manometr (měření tlaku plynů) konduktometr (0.1 ms,1 ms,10 ms, 100 ms ) akcelerometr (měření zrychlení) TESLA metr (měřič magnetické indukce) Výstupní moduly: booster relé reproduktor (proudové posílení D/A výstupu do 1 A, napěťové zesílení 1x / 2x) (relé RP V-2P) (4W, 40Hz - 10kHz) Na webových stránkách a v manuálu jsou ještě další informace o nastavení na zprovoznění systému na počítači a také podrobné informace o modulech a čidlech.

16 16 Systémy pro počítačem podporované experimenty Obrázek 2-3 Obrazovka z měřicího systému ISES volný pád ( 2.3 Měřicí systémy IP-Coach, Coach-Lab2, ULAB MBL Coach je otevřený víceúčelový systém pro přírodovědné a technické vzdělávání, který podporuje měření, zpracování dat a jejich analýzu, modelování, digitalizaci videosekvencí a řízení periferií. Jeho součástí jsou autorské nástroje pro přípravu studentských úloh, které obsahují návody, doprovodné obrázky a schémata, videosekvence, odkazy na WWW stránky, nastavení systému pro měření, nástroje pro zpracování a analýzu měření a modelování studovaného jevu. První měřicí karty se připojovaly do ISA slotu a měly označení AUR8 a AUR12, čísla označují kvantizaci karty v bitech. K sériovému portu se připojoval měřicí systém CoachLab 2. Současný model Coach Lab II+ obsahuje 12 bitový převodník se vzorkovací frekvencí 100 khz na kanál. Vstupní impedance je 100 kω. Panel obsahuje 4 analogové vstupy, z toho 2 mají 4 mm konektory a 2 speciální konektory BT pro čidla. Dva vstupy mají rozsah 0 až 5 V, dva vstupy ±10 V. Přesnost měření je v řádech jednotek procent. Celková přesnost včetně přesnosti čidel a převodníků je do 5 %. Coach Lab II+ je připojován k počítači přes port USB a má vlastní napájecí adaptér. Samostatný měřicí systém ULAB má vlastní displej i napájení z akumulátoru, měření tedy může probíhat i mimo laboratoř.

17 Systémy pro počítačem podporované experimenty 17 Program Coach verze 6 umožňuje vykonávat tyto činnosti: měření s čidly se vzorkováním řízeným automaticky nebo ručně měření po krocích s čidly, vzorování je spouštěno signálem pomocného čidla měření na videu modelování řízení periferií Program obsahuje podporu pro školské aplikace, pro samostatnou práci žáků a její přípravu učiteli či návrháři. Do samostatných jednotek nazývaných úlohami lze ukládat konfigurace systému a výsledků jednotlivých experimentů. Úlohy obsahují: texty návodů obrázky, schémata videosekvence nastavení parametrů měření (použitá čidla, doba měření, vzorkovací frekvence) nastavení výstupu naměřených hodnot (přístroje, displeje, tabulky, grafy) programovací nástroje pro modelování, řízení a simulaci nástroje ukládání, tisk a export dat záznamník textových poznámek odkazy na informační zdroje Webu. Jednotlivé úlohy se sdružují do projektů. Projekty připravují autoři návrháři v autorské konfiguraci prostředí Coach 6. Projekty řeší žáci v základní uživatelské konfiguraci s velmi omezenými právy úprav úlohy a volby nástrojů (mladší žák) nebo v rozšířené konfiguraci s širšími právy a bohatší nabídkou nástrojů zpracování (starší žák). Specifickou variantu tvoří projekty demonstrační (prezentační), které si autor připravuje pro zkvalitnění výuky. Uživatel komunikuje s MBL Coach prostřednictvím grafického uživatelského rozhraní a jeho obrazovek s aktivními prvky. Základní pracovní obrazovka je rozdělena na čtyři pevná pracovní okna, ve kterých je umístěn text návodu k úloze, videosekvence zachycující průběh pokusu, tabulka naměřených hodnot a jejich časová závislost vynesená do grafu. Počítačem řízený sběr dat je dnes naprosto běžným experimentálním postupem v základním výzkumu i technické praxi. Před měřením je zapotřebí nastavit dobu měření, frekvenci měření, spouštěcí (trigovací) podmínku. Frekvence měření je závislá na konkrétní použité měřicí kartě. Hraje velikou roli při studiu rychlých časových změn měřené veličiny, např. při studiu akustických signálů. Frekvence měření by měla být o řád větší než je frekvence měřených změn. Manipulace s velikými objemy dat je složitá, proto byl počet vzorků omezen na Dobu a frekvenci je třeba optimalizovat tak, aby naměřená závislost pokrývala co největší dobu trvání jevu a obsahovala co největší počet bodů (dobrá statistika) a aby byla dostatečně podrobná (zachytila studované rychlé změny). Částečným řešením je automatické spouštění záznamu měřených hodnot po splnění spouštěcí podmínky. Do měřeného souboru tak nejsou zařazeny hodnoty zjištěné před započetím studovaného jevu.

18 18 Systémy pro počítačem podporované experimenty Načteným číselným hodnotám při měření musí být přiřazen význam, který odpovídá vlastnostem použitého čidla. Proto po připojení čidla musíme pro správnou interpretaci naměřených hodnot nastavit tyto parametry: určení druhu čidla přiřazení veličiny a její jednotky kalibrace čidla nastavení měřicího rozsahu Novější čidla jsou vybavena autodetekcí. Po připojení k panelu jsou rozpoznána a popis je použit pro práci. Programový nástroj kalibrace umožňuje zjistit kalibrační závislost každého analogového čidla. Pro rychlé nastavení vystačíme s přibližně lineární charakteristikou čidla. Pokud chceme přesné měření, musíme čidlo kalibrovat a kalibrační tabulku uložit. Přesnost kalibrace má vliv na celkovou přesnost měření, které ovlivňuje jako systematická chyba. Přesnost kalibrace pro převod měřené veličiny nemůže přesáhnout vlastní přesnost čidla, která je uváděna výrobcem v technické specifikaci. Při zadávání projektu a úloh si autor (učitel, pokročilý žák) volí potřebné měřicí součásti a čidla, jejichž parametry jsou uvedeny v knihovně prostředí Coach. Při měření vznikají šumy, které lze částečně omezit konstrukcí čidla a elektronickým zpracováním měřeného signálu. Naměřené závislosti lze dodatečně vyhladit numericky pomocí funkce Hlazení a filtrování závislosti. Naměřené hodnoty se průběžně ukládají v paměti počítače, ze které se zobrazují do tabulky či grafu a zapisují do souboru výsledků úlohy pro případné další zpracování.

19 Systémy pro počítačem podporované experimenty 19 Obrázek 2-4 Obrazovka experimentu elektromagnetická indukce v prostředí Coach Měřicí systém PASCO Informace přejaty z Společnost PASCO vyrábí již více než 40 let kompletní vybavení pro experimentální výuku přírodních věd. Svými vysoce kvalitními technologickými nástroji a neustálým vývojem výukových systémů a vzdělávacích materiálů, podněcuje PASCO zájem o přírodní vědy, inspiruje studenty i jejich pedagogy a propaguje aplikovanou vědu v hodinách fyziky, biologie, chemie, nebo environmentální výchovy. Pro všechny tyto předměty má PASCO nejen specializované sady měřících sond, senzorů a experimentálního příslušenství, ale také vypracované školní experimenty, včetně metodiky vedení seminářů pro lektory. (Tyto jsou k dispozici jak v českém, tak i v anglickém jazyce.) PASCO představuje univerzální edukační platformu pro experimentální výuku přírodních věd. Ve školství nachází své uplatnění zejména v hodinách fyziky, biologie, chemie nebo environmentální výchovy, pro které nabízí nejen specializované sady měřících sond, senzorů a příslušenství, ale také laboratorní práce a metodiky, zpracované v souladu s tradicí i potřebami našeho školství. Jedním ze zástupců měřicích rozhraní PASCO je Datalogger Xplorer GLX.

20 20 Systémy pro počítačem podporované experimenty Obrázek 2-5 PS-2002 Datalogger Xplorer GLX Technické specifikace Datalogger Xplorer GLX: Senzory: Do přístroje Xplorer GLX lze připojit všechny senzory řady PASPORT. Teplotní sondy: Do zdířek na připojení teplotních čidel lze připojit rychlereagující teplotní čidlo PASCO s rozsahem -10 C až 70 C nebo ocelovou teplotní sondu o rozsahu -10 C až 135 C. Voltmetr: Rozsah voltmetru přístroje Xplorer GLX je -10 V až 10 V. Zvukový senzor: V přístroji je zaintegrovaný mikrofon, pomocí kterého můžete sledovat parametry zvukových vln, sledovat hladinu hluku v decibelech nebo přístroj využít jako diktafonu k nahrávání audio poznámek k měření.

21 Systémy pro počítačem podporované experimenty 21 Obrázek 2-6 Měření se senzorem rozpuštěného kyslíku v prostředí DataStudio. V nabídce firmy PASCO je i mnoho čidel pro měření v přírodních vědách pod názvem PASPORT. Úplný seznam čidel je na v češtině na mid= Měřicí systém Vernier Zde prezentované údaje jsou přejaty z a Dalším zástupcem měřicích systémů, které se rozšiřují do českých škol jsou systémy americké firmy Vernier. V nabídce je několik měřicích rozhraní LabQuest autonomní měřicí rozhraní do terénu využitelné i jako rozhraní mezi počítačem a senzory ve třídě nebo v laboratoři.

22 22 Systémy pro počítačem podporované experimenty Obrázek 2-7 Rozhraní LabQuest firmy Vernier ( Technická specifikace barevný dotykový displej 7 cm x 5,3 cm (úhlopříčka 8,89 cm), 320 x 240 zobrazovaných bodů hmotnost 350 g 416 MHz Application Processor podsvícení LED, dobře viditelný i na slunečním světle stylus (plastové pero), dotykový displej usnadňující práci, kreslení grafů 4 tlačítka pro nejčastěji používané funkce 5 navigačních tlačítek dotyková klávesnice na displeji (vysunuje se) mnoho užitečných nástrojů jako je periodická tabulka prvků, stopky, kalkulačka nebo nástroje pro analýzu a zpracování naměřených dat možnost vkládat vlastní pracovní instrukce pro žáky (včetně obrázků) Záznam dat a práce se senzory: kompatibilní se všemi senzory Vernier vzorkovací frekvence až 100 khz vestavěná paměť 40 MB může být rozšířena pomocí SD/MMC nebo USB flash rozlišení 12-bit vestavěný interní teploměr a mikrofon Konektory: 2 digitální a 4 analogové pro senzory Vernier USB Standard-A port USB mini-ab port DC power jack slot na SD/MMC

23 Systémy pro počítačem podporované experimenty 23 Audio In/Mic/Out Napájení vestavěný vysokokapacitní akumulátor (vystačí na několik hodin intenzivního provozu) externí adaptér (neboli nabíječka) Odolnost 0-70 C přežije polití vodou pogumované okraje tlumící nárazy při pádu Obrázek 2-8 Seznam čidel firmy Vernier ( 2.6 Měřicí systémy MF-DAQ CMC-S2, CMC-S3, eprodas Tyto systémy byly vyvíjeny v rámci projektu Leonardo Počítačem podporovaná laboratoř při vyučování přírodovědných a technických předmětů (Computerised laboratory in science and technology teaching, "ComLab- SciTech", číslo N SI ). Cílem projektu bylo vytvořit měřicí systémy a návody k experimentům při výuce přírodovědných předmětů. Podrobné informace na Informace o projektu v češtině na Charakteristika měřicího systému. K počítači se připojuje přes USB. Modul obsahuje 6 přepínaných analogových vstupů s rozlišením 10 bitů. Vstupy mají ochranu proti přepětí. Systém je napájen z USB, maximální napájecí proud je 0,5 A.

24 24 Systémy pro počítačem podporované experimenty Vstupy jsou po použití redukce kompatibilní s analogovými senzory Vernier. Obrázek 2-9 Měřicí modul eprodas SC-1 s konektory pro přímé připojení na piny procesoru. Software eprolab obsahuje několik nezávislých modulů: Testování systému s kontrolou napětí na vstupech a výstupech HiScope modul digitálního osciloskopu, ve kterém lze nastavovat nejen časové závislosti veličin, ale i závislosti veličin na sobě. Sonic motion modul pro měření s ultrazvukovým čidlem vzdálenosti Voltampérové charakteristiky modul pro měření V-A charakteristik s jednoduchým nastavením Editor senzorů modul detekce a kalibrace čidel, velmi užitečný pro definování vlastních čidel a kalibraci čidel. Introduction to data acquisition úvod do měření, seznámení s principy měření pomocí počítače, převodem čísel z dekadické do binární soustavy, demonstrace analogově digitálního převodníku a digitálně analogového převodníku. Otázky: 1. Srovnejte jednotlivé měřicí systémy z hlediska připojení k počítači. 2. Které měřicí systémy mají i analogový výstup? 3. S jakou kvantizací a jakou maximální vzorkovací frekvencí systémy pracují?