VZDÁLENÁ LABORATOŘ SROVNÁNÍ ŠESTI ŽÁROVEK REMOTE LAB COMPARISON AMONG SIX LIGHT BULBS František Látal Katedra experimentální fyziky, Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci, Třída 17. listopadu 1192/12, frantisek.latal@centrum.cz Abstract A way how to motivate students in physics teaching is to use Information and Communication Technologies in physics lessons. This article presents a remotely controlled physical experiment (comparison of volt-ampere characteristics among six different light bulbs), which is located at the Department of Experimental Physics, Palacky University in Olomouc. This experiment is available online (24 hours a day, 7 days a week) on the website http://www.ictphysics.upol.cz/remotelab/. The students can carry out experiments from anywhere in the world at anytime and they are not limited by physical lessons. Keywords: remote lab, experiment, internet, physics teaching 1 Úvod Fyzikální experimenty hrají klíčovou úlohu při výuce fyziky na základních, středních i vysokých školách. Experimenty mají potenciál zvýšit (v současné době velmi malý) zájem studentů o studium fyziky a motivovat je při zkoumání a objevování přírodních jevů a zákonitostí kolem nás. V dnešní době není ovšem možné experimentovat stejně jako před 50 lety, fyzikální pokusy musí vycházet z každodenní praxe studentů, kteří místo do papírových sešitů píší úkoly do přenosných notebooků, čtou knihy v elektronické podobě na ipodech, využívají kapesní přenosné počítače (PDA) s dotykovou obrazovkou a značnou část svého volného času tráví na sociálních sítích a brouzdáním po internetu. Moderní technologie nám nabízejí i moderní přístupy v oblasti provádění školních fyzikálních experimentů. Jednou z možností, jak inovovat experimentální činnost ve fyzice, je využít tzv. vzdáleně ovládané experimenty. Nejedná se o žádné virtuální applety nebo simulace, kterých lze na internetu najít nepřeberné množství, ale tento typ experimentů se skládá z reálných měřicích přístrojů a libovolní uživatelé mohou tyto fyzikální přístroje ovládat prostřednictvím internetu. Na Katedře experimentální fyziky PřF UP v Olomouci vznikl jeden vzdáleně ovládaný experiment, který je volně dostupný (24 hodin denně, 7 dní v týdnu) na webové stránce http://www.ictphysics.upol.cz/remotelab/. V tomto příspěvku bude popsán náš vzdáleně ovládaný experiment, jeho rozvoj a zařazení do výuky fyziky. 2 Vzdáleně ovládané experimenty Experimentální činnost je nedílnou součástí vyučovacích hodin fyziky. Kromě klasických experimentů, které žáci provádějí, nebo vyučující demonstruje přímo ve vyučovací hodině nebo v rámci laboratorního cvičení, existují také tzv. vzdáleně ovládané experimenty (remotely controlled experiments), které umožňují proměřovat reálné měřicí přístroje z libovolného místa na světě v libovolném čase. Tento typ experimentů obsahuje prvky klasických školních experimentů, protože uživatelé pracují s reálnými přístroji, a virtuálních simulací, neboť nedochází k přímému kontaktu mezi experimentátorem a samotným experimentem. 570
Na internetu lze nalézt dva přístupy k tvorbě vzdáleně ovládaných experimentů. Prvním typem jsou vzdáleně ovládané experimenty, které využívají ke svému ovládání měřicí systém LabVIEW od firmy National Instruments. Libovolný uživatel, který chce daný experiment ovládat prostřednictvím internetu, musí do svého počítače nainstalovat speciální software LV RunTime Engine. Pokud se daná škola nebo pracoviště rozhodne pravidelně pracovat s tímto typem experimentů, není pro ně velkou komplikací věnovat určitý čas prvotní instalaci tohoto programu. V opačném případě je vhodnější druhý typ vzdálených laboratoří. Pro učitele nebo žáky, kteří pracují s těmito laboratořemi méně často, je výhodnější ovládat experiment přímo z webového prohlížeče (Internet Explorer, Mozilla Firefox, Opera aj.), bez nutnosti doinstalování speciálních programů. Experiment, který byl vytvořen na naší katedře, je možné ovládat přímo z webových stránek http://www.ictphysics.upol.cz/remotelab. Se stejnou filozofií (tj. ovládání experimentů přímo z webového prohlížeče bez nutnosti doinstalování speciálních programů) jsou vytvářeny např. i vzdáleně ovládané experimenty na MFF UK v Praze (Lustig, 2007; Schauer, 2008). 3 Rozvoj vzdáleného experimentu na PřF UP v Olomouci Začátkem května 2009 jsme sestavili a dali volně k dispozici na webové stránky http://www.ictphysics.upol.cz/remotelab náš první vzdáleně ovládaný experiment. V období od května 2009 do července 2009 mohli uživatelé na těchto webových stránkách proměřovat voltampérovou charakteristiku neúsporné (klasické) síťové žárovky NARVA 230V/200W při použití střídavého proudu. Tento experiment prošel ovšem od té doby několika úpravami. Od srpna 2009 do listopadu 2009 bylo zpřístupněno vzdálené srovnávací měření voltampérové charakteristiky klasické a úsporné žárovky při použití střídavého proudu. Konkrétně se jednalo o klasickou neúspornou žárovku NARVA 230V/200W a o úspornou žárovku Philips Master 33W/827 E27. Ovšem i tento experiment byl nadále vylepšován. Po dvou měsících (prosinec 2009 a leden 2010), kdy byl experiment mimo provoz z důvodu jeho rekonstrukce, došlo k úpravě a od února 2010 je možno srovnávat 6 různých žárovek a proměřovat jejich voltampérové charakteristiky. Obr. 1 Postupná inovace vzdáleného experimentu na PřF UP v Olomouci (Látal, 2010). Na fotografii (A) je experiment v období květen 2009 červenec 2009, na fotografii (B) je vylepšený experiment z období srpen 2009 listopad 2009 a na fotografii (C) je podoba experimentu od února 2010 doposud. Současně s tím mají uživatelé možnost odečítat z druhé webové kamery hodnoty účiníku cos ϕ. Čímž se i rozšířila možnost experimentu proměřovat a ověřovat činný a jalový výkon v obvodu střídavého proudu. Jednotlivé fáze přeměny našeho vzdáleně ovládaného 571
experimentu jsou znázorněny na obr. 1. V průběhu letošního roku plánujeme tento experiment ještě inovovat a chceme přidat i možnost proměřovat vyzařovací charakteristiky jednotlivých světelných zdrojů do různých směrů. 4 Jednotlivé typy měřených žárovek V současné době je možno vzdáleně srovnávat charakteristiky 6 různých žárovek (viz obr. 2). Jedná se o klasické (neúsporné, wolframové) žárovky, halogenovou žárovky, LED žárovku a úspornou zářivku. Každý z těchto světelných zdrojů vyzařuje světlo na základě odlišných fyzikálních jevů: Klasická (neúsporná) žárovka Tento typ žárovky byl vytvořen T. A. Edisonem již v roce 1879. Žárovka přeměňuje elektrickou energii na světlo. Wolframové vlákno uvnitř baňky žárovky, které je rozehřáté elektrickým proudem, září ve viditelné a IR oblasti. Halogenová žárovka Halogenové žárovky jsou plněné plynem s příměsí halogenů nebo jejich sloučenin. Baňka žárovky je vyrobena z křemenného skla, což umožňuje zvýšit pracovní tlak plynné náplně. Jestliže v klasických žárovkách bylo dominujícím procesem vypařování wolframového vlákna a usazování atomů wolframu na stěnách baňky, v halogenových žárovkách se k tomuto procesu přidává působení termochemické transportní reakce wolframu s halogenem (Dvořáček, 2008). LED žárovka LED (Light Emitting Diode) žárovka resp. dioda funguje na principu vyzařování světla při průchodu elektrického proudu polovodičovým P-N přechodem. Úsporná zářivka Úsporná žárovka resp. zářivka je rtuťová nízkotlaká výbojka, ve které dochází k elektrickému výboji v plynu. U zářivek při výboji vzniká UV záření, které dopadá na stěny baňky pokryté luminoforem. Ten absorbuje UV záření a následně vyzařuje viditelné záření. Obr. 2 Základní údaje o 6 různých žárovkách, které lze vzdáleně proměřovat v naší laboratoři. 5 Zařazení vzdáleného experimentu do výuky fyziky V rámci laboratorních cvičení lze tento vzdáleně ovládaný experiment zařadit do učiva elektřina a magnetismus. Studenti mají příležitost z libovolného místa na světě a v libovolnou 572
dobu měřit a ověřovat voltampérovou charakteristiku 6 různých světelných zdrojů a stanovovat činný a jalový výkon v obvodu střídavého proudu. Konkrétní grafické zpracování voltampérové charakteristiky, které bylo vzdáleně proměřeno z webových stránek http://www.ictphysics.upol.cz/remotelab/, je zobrazeno na obr. 3. Obr. 3 Voltampérová charakteristika pro 6 různých světelných zdrojů. Čísla v obrázku (1-6) odpovídají jednotlivým žárovkám, jejichž základní vlastnosti jsou uvedeny v obr. 2. Na našich webových stránkách (viz obr. 4) je vytvořen ovládací panel vzdáleně řízeného experimentu. V pravé části webové stránky je vytvořen JAVA applet (v anglické, české a litevské verzi), kde mohou uživatelé zadávat hodnoty napětí v rozsahu 1-250V a zpětně obdrží naměřené hodnoty střídavého proudu, který prochází vybraným obvodem. Uživatelé si mohou naměřená data stahovat do svých počítačů a dále s nimi dle libosti pracovat. Obr. 4 Webová stránka, z které lze ovládat náš experiment. V levé části stránky jsou umístěny dvě webové kamery a panel na přepínání mezi jednotlivými žárovkami. V pravé části je vytvořen JAVA applet, do kterého uživatelé zadávají hodnoty napětí. 573
Přístup do naší laboratoře je pro libovolné zájemce zcela bez omezení. Experiment je přístupný 24 hodin denně, každý den v týdnu. Uživatelé potřebují mít v počítači nainstalován pouze program Java SE Runtime Environment, který je zcela standardně používán ke spouštění JAVA appletů. Žádné další speciální programy nejsou potřeba. Jedna webová kamera ukazuje celkový pohled do naší laboratoře, druhá webová kamera zobrazuje detail zásuvkového wattmetru, na kterém je zobrazena aktuální hodnota účiníku cos ϕ. Veškeré údaje jsou zobrazovány živě a při troše štěstí můžete na webové stránce vidět i výuku, která v učebně pravidelně probíhá. Číselné hodnoty proudu a napětí se zobrazují také v grafické podobě voltampérové charakteristiky. Při neaktivitě delší než 180s je uživatel odhlášen a na ovládacím panelu je nastavena hodnota napětí 0V. Pokud se v jeden okamžik přihlásí více uživatelů má možnost měřit pouze první z nich, ostatní zájemci jsou upozorněni, že experiment je obsazen a nemají možnost nastavovat příslušné hodnoty napětí, ale mohou pouze on-line sledovat děj v naší laboratoři. 6 Základní výhody a nevýhody vzdáleného měření ve fyzice Srovnání efektivity a využití jednotlivých typů laboratoří (reálné, virtuální, vzdálené) bylo již několikrát prováděno (Auer, 2001; Nedic, 2003; Corter, 2004; Sicker, 2005). Mezi hlavní výhody vzdáleného měření patří: Studenti mohou provádět experimenty z libovolného místa na světě v libovolném čase. Studenti mohou postupovat svým tempem, pokud se jim měření nezdaří, mají možnost měřený pokus kdykoliv zopakovat. Při tomto typu experimentů je možné pracovat i s nebezpečnými přístroji a látkami, jelikož experimentátor nepřijde do přímého kontaktu s měřicí aparaturou. Nehrozí tedy potenciální možnost úrazu při provádění pokusu. Ne všechny školy si mohou dovolit drahé měřicí přístroje a pomůcky, ale s využitím těchto laboratoří je možno zpřístupnit moderní a vysoce nákladné přístroje libovolným zájemcům. Na rozdíl od virtuálních laboratoří, pracují žáci s reálnými měřicími přístroji. Vzdáleně ovládané experimenty mají ovšem i své nevýhody: K provedení experimentu je nezbytný počítač s kvalitním připojením k internetu. Žáci nemají možnost získat okamžitou zpětnou vazbu od vyučujícího a nemají příležitost týmové práce v kolektivu. 7 Závěr Fyzikální experimenty mají nezastupitelnou roli ve výuce fyziky. Kromě klasických školních fyzikálních experimentů je v současné době bohatá nabídka i virtuálních appletů resp. physletů nebo virtuálních flash simulací, kterých lze na internetu nalézt obrovské množství. Oblastí, která se zatím nedostala do širšího zájmu učitelů a žáků na středních školách, jsou tzv. vzdáleně ovládané experimenty. Tento typ experimentů v sobě spojuje prvky tradičních školních pokusů a virtuálních simulací. Na Katedře experimentální fyziky PřF UP v Olomouci byl vytvořen jeden vzdáleně ovládaný experiment. V současné době se jedná o vzdálené měření voltampérové charakteristiky 6 různých světelných zdrojů. Tento experiment je volně dostupný na webové stránce http://www.ictphysics.upol.cz/remotelab/. Bez nutnosti doinstalování speciálních programů mohou libovolní zájemci přímo z webového prohlížeče pracovat s tímto experimentem. Našim cílem není vytlačit nebo naprosto potlačit klasické měření v tradičních školních laboratořích, ale nabídnout studentům nové přístupy v oblasti fyzikálního měření. V rámci 574
laboratorních praktik proměřují naši studenti 10 klasických pokusů přímo v laboratoři a 1 vzdálený experiment ze svého domova (resp. z libovolného místa mimo naší laboratoř). Zařazení vzdáleného experimentu do laboratorních cvičení zvýšilo zájem studentů o fyzikální měření a také naši motivaci vytvořit a zdokonalovat další internetem ovládané experimenty. Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu "Moderní prostředky ICT v přírodovědných a ekonomických oborech a jejich prezentaci," reg. č. CZ.1.07/2.2.00/07.0062. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 8 Literatura AUER, M. E.: Virtual Lab versus Remote Lab. In: Proceedings of the 20 th World Conference on Open Learning and Distance Education. Düsseldorf/Germany, April 1-5, 2001. CORTER, J., et al.: Remote Versus Hands-On Labs: Comparative Study. In: Proceedings of the 34th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. Session F1G. Savannah/USA, October 20-23, 2004. DVOŘÁČEK, V.: Světelné zdroje halogenové žárovky. Světlo. Časopis pro světelnou techniku a osvětlování, č. 5, s. 56-58, 2008. ISSN 1212-0812. LÁTAL, F., HOLUBOVÁ, R.: Remote experiments New approaches to physical experimentation. Proceedings of the Union of Scientists Ruse. Book 5. Mathematics, Informatics and Physics, vol. 7, p. 73-78, 2010. ISSN 1311-9184. LUSTIG, F.: Integrace reálných, vzdálených a virtuálních laboratoří. In: Sborník konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 12. Ed.: Dvořák, L. Prometheus, Praha, s. 155-159, 2007. NEDIC, Z., MACHOTKA, J., NAFALSKI, A.: Remote Laboratories versus Virtual and real Laboratories. In: Proceedings of the 33 rd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. Session T3E. Boulder/CO/USA, November 5-8, 2003. SCHAUER, F., et al.: Easy to build remote laboratory with data transfer using the Internet School Experimental System. Eur. J. Phys., vol. 29 (4), p. 753-765, 2008. ISSN-0143-0807. SICKER, D. C., et al.: Assessing the Effectiveness of Remote Networking Laboratories. In: 35 th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference, Indianapolis, IN, October 19 22, 2005. Recenzent: Mgr. Jan Říha, Ph.D., Katedra experimentální fyziky, Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci, Třída 17. listopadu 1192/12, e-mail: riha@prfnw.upol.cz. 575