56 Uvod Na italijanskih znanstvenih licejih in licejih uporabnih znanosti (tj. gimnazijah) se dijaki sre- čujejo z osnovami termodinamike že v prvih dveh letnikih [1–3], na preostalih licejskih smereh (npr. na jezikovnem, družbenoekonomskem, humanisti čnem, klasičnem in glasbenem liceju) pa dijaki spoznajo osnove termodinamike v tretjem, četrtem ali petem letniku [3]. V dokumentu [3] piše, da bi morali dijaki pri obravnavi toplotnih pojavov spoznati pojme temperature, ter- mi čnega ravnovesja in toplote. Poleg tega naj bi se sre čali z modelom idealnega plina, plinskimi zakoni in termodinami čnimi transformacijami pa tudi z osnovami termodinamike, ki naj bi jim pomagala razumeti posplošeni zakon ohranitve energije in njenih sprememb. V dokumentu [1] piše tudi, da bi moral pouk fizike v prvih dveh letnikih znanstvenega liceja (gimnazije) sloneti na eksperimentalnem delu. Z eksperimentalnim delom naj bi dijaki po- globili teoreti čne vsebine, ki jih obravnavajo pri pouku, razumeli osnovne fizikalne pojave in jih znali opisati s primernim znanstvenim jezikom. O pozitivnih vplivih eksperimentalnega dela na splošno razumevanje in na možnost višanja motivacije u čencev pri čajo mnoge raziskave (glej npr. [4] in [5]). Eksperimentalno delo je Merjenje temperature z ultrazvokom: eksperimentalno delo z Arduinovo ploščo Mag. Daniel Doz Državni znanstveni licej Franceta Prešerna s slovenskim učnim jezikom Trst, Italija Izvleček Uporaba Arduinove ploš če pri pouku fizike lahko pripomore k motiviranju u čencev in predstavlja inovativen na čin eksperimentiranja v šolskem laboratoriju. V prispevku predstavimo možnost uporabe nizkocenovne mikrokontrolne ploš če Arduino za merjenje temperature ozra čja s pomo čjo ultrazvoka. Hitrost širjenja zvo čnih valov v zraku je na- mre č odvisna od razli čnih okolijskih faktorjev , kot so tlak, temperatura, koncentracija ogljikovega dioksida in vlaga. S pomo čjo Arduinovih zvo čnikov za ultrazvok lahko precej natan čno izmerimo čas, ki ga zvok potrebuje, da premaga znano razdaljo. S pomo čjo (aproksimirane) formule za ra čunanje hitrosti zvoka v zraku je torej mogo če izra čunati temperaturo ozra čja. Ključne besede: Arduinova plošča, temperatura, ultrazvok Measuring Temperature with Ultrasounds: Experimental Work with an Arduino Abstract Using an Arduino during Physics lessons can help to motivate pupils and is an innovative way of conducting experi- ments in a school laboratory . The paper presents the possibility of using a low-cost Arduino microcontroller board for measuring air temperature using ultrasounds. The velocity of sound waves in the air depends on various environmen- tal factors, e.g. pressure, temperature, carbon dioxide concentration, and humidity. Using Arduino ultrasonic speak- ers, we can quite accurately measure the time it takes for a sound to cover a known distance. Using the (approximated) formula for calculating the velocity of sound in the air, the air temperature can be calculated. Keywords: Arduino, temperature, ultrasounds. O pozitivnih vplivih eksperimentalnega dela na splošno razumevanje in na možnost višanja motivacije učencev pričajo mnoge raziskave. Fizika v šoli 57 Didaktični prispevki namre č klju čno za razumevanje mnogih fizikalnih pojavov. Pomembno pa je poudariti tudi dejstvo, da eksperimentalno delo ne more nikakor nadomestiti u čiteljeve razlage [4], je pa dobra metoda za doseganje zastavljenih u čnih ciljev. Avtorja v [5] trdita, da lahko eksperi- mentalno delo pomaga u čencem, da kriti čno razsodijo o najrazli čnejših naravnih pojavih, ob tem pa si še sami postavljajo dodatna vprašanja o pojavih ter iš čejo strategije in metode za rešitev različnih vsakdanjih problemov . Nekatere raziskave so med drugim pokazale, da lahko eksperimentalno delo iz fizike dodatno motivira u čence pri u čenju fizike [6]. V prispevku predstavimo alternativni na čin merjenja temperature v šolskih laboratorijih. T er- mometer je namre č osnovna naprava, ki naj bi jo imeli vsi znanstveni laboratoriji. Da bi u čite- lji popestrili pouk uvoda v termodinamiko, u čencem večkrat pokažejo uporabo termometra in jih morda pozovejo, naj sami izmerijo temperaturo dolo čene tekočine oziroma snovi. Upora- ba klasi čnega teko činskega termometra je lahko koristna v za četni fazi pouka termodinamike, ko se učenci prvi č srečajo s temperaturnimi skalami in pripomo čki, ki jih uporabljamo pri merjenju temperature teles. Eksperimentalno delo, ki je osredoto čeno izklju čno na raziskova- nje uporabe termometra, kmalu postane precej trivialno in suhoparno, saj je ve čina učencev z uporabo tega pripomo čka že seznanjena. Zato ho čemo v prispevku predstaviti komplemen- tarni in alternativni na čin merjenja sobne temperature, in sicer s pomo čjo mikrokontrolne ploš če Arduino. Pri tem pa ne uporabljamo klasi čnega Arduinovega senzorja, kar so sicer raziskovali že mnogi avtorji (glej npr. [7–10]), temve č ho čemo temperaturo ozra čja izmeriti s pomo čjo ultrazvoka [11]. T emperatura zraka namre č vpliva na hitrost, s katero se zvok širi v prostoru; z Arduinovo ploš čo ho čemo izmeriti hitrost zvoka v zraku v dolo čenem trenutku, nato pa s pomo čjo zakona o hitrosti zvoka v zraku izra čunati temperaturo zraka v sobi. Gradnja take naprave stane sorazmerno malo, pri tem pa imajo u čenci možnost, da sami sestavijo »termometer«, se u čijo programiranja v C/C++ in razumejo dolo čene fizikalne po- jave, ki so vezani na temperaturo. V prispevku pokažemo metodo takega eksperimentalnega dela s pomo čjo Arduinove plošče in predstavimo morebitne didakti čne implikacije uporabe te metode v šoli. Poučevanje fi zike z Arduinovo ploščo Eksperimentalno delo je nujno potrebna didakti čna metoda pri pouku fizike. Material in pri- pomo čki, ki jih uporabimo pri pripravi eksperimenta, pa ve čkrat veliko stanejo in potrebujejo stalno oskrbo s strani specializiranega tehni čnega osebja [12]. Zato so danes čedalje popu- larnejši t. i. nizkocenovni eksperimenti: gre za eksperimentalno delo, ki vsekakor pozitivno u činkuje na u čen čevo razumevanje fizikalnih pojmov in naravnih pojavov, le da sloni na na- čelu samostojnega sestavljanja znanstvenih pripomo čkov. Avtorji v [12] trdijo, da dejstvo, da morajo u čenci sami sestaviti oziroma zgraditi pripomo čke, ki jih bodo uporabljali pri eksperi- mentu, prinaša dodatne pozitivne u činke, med katerimi so omenjeni naslednji: • boljše razumevanje teoreti čnih konceptov; • praksa s poskusi in u čenje iz lastnih napak; • analiza razli čnih materialov in delov, ki prinašajo boljše rezultate in so lažje uporabni; • izboljšanje sodelovanja s strani u čencev, ki so v središ ču didakti čne situacije. Dodatna pozitivna plat takega eksperimentalnega dela je, da so materiali cenejši [13]. Avtorje v [12] pa skrbi, da uporaba cenejših materialov , ki jih morajo nato u čenci sami sestaviti, prive- de do manj natan čnega merjenja, kar posledi čno vpliva na manj natan čno analizo pridoblje- nih podatkov. Da bi se izognili ve čjim napakam, so znanstveniki v zadnjih letih razvili nekaj dodatnih pripomo čkov , ki jih lahko uporabljamo v razredu, na primer fotocelice in mikrofone za neposredno merjenje s pomo čjo ra čunalnika, aplikacije in druge grafi čne programe ter elektronske mikrokontrolorje, na katere lahko priklju čimo ve č razli čnih senzorjev [12]. Avtorji v [12] trdijo, da so med najboljšimi tehnologijami, ki jih lahko uporabljamo pri pouku fizike, prav elektronski mikrokontrolerji. Pri tem pa dodajo, da je njihova pomanjkljivost dej- stvo, da uporaba takih aparatur pri pouku predvideva precejšnje predhodno znanje elektroni- ke in programiranja, ki ga u čenci (in ve čkrat tudi u čitelji) nimajo. Raziskovalci so zaklju čili, da lahko zahteva po predhodnem znanju programiranja in elektronike predstavlja veliko ovi- ro, zaradi katere so takega eksperimentalnega dela deležni le nekateri. Gradnja take naprave stane sorazmerno malo, pri tem pa imajo učenci možnost, da sami sestavijo »termometer«, se učijo programiranja v C/C++ in razumejo določene fizikalne pojave, ki so vezani na temperaturo. Avtorji v [12] trdijo, da dejstvo, da morajo učenci sami sestaviti oziroma zgraditi pripomočke, ki jih bodo uporabljali pri eksperimentu, prinaša dodatne pozitivne učinke. 58 V delu [14] sta avtorja opazila, da uporaba Arduinove ploš če pripomore k zvišanju u čen čeve motivacije za u čenje naravoslovnih in tehnoloških predmetov . Avtorja sta med drugim ugoto- vila, da so u čenci bolje razumeli dolo čene fizikalne koli čine (razdaljo, sile, temperaturo, tlak, pospešek ipd.) z manipulacijo razli čnih elektronskih senzorjev. U čenci lahko z uporabo Arduinove ploš če pri pouku fizike razvijejo razli čne kompetence tudi na drugih podro čjih [14, 15]: • na podro čju tehnologije lahko u čenci prakti čno uporabijo motorje, elektri čne naprave in mehanske komponente; • na podro čju elektronike lahko u čenci razumejo principe delovanja razli čnih elektri čnih pripomo čkov, kot so uporniki, kondenzatorji, LED, tranzistorji in integrirana vezja; • na podro čju informatike se lahko u čenci nau čijo programskega jezika C/C++, ki ga po- tem prakti čno uporabijo pri programiranju Arduinove ploš če [16]; • na podro čju matematike se lahko u čenci nau čijo modelirati situacije iz vsakodnevnega ži- vljenja in analizirati razli čne pojave s formalnega zornega kota. Arduinovo ploščo lahko torej uporabljamo v razli čnih projektih v zvezi z matematiko, na- ravoslovjem in tehnologijo [17]. V razredu lahko namre č z lahkoto sestavimo inštrumente, ki jih uporabimo v dolo čenih eksperimentih [12]. Prednosti uporabe Arduinove ploš če pri eksperimentalnem delu vklju čujejo majhno razsežnost mikrokontrolerja, nizko ceno in nizko porabo elektrike [18]. Odprtokodna programska oprema, povezana z Arduinovo ploš čo, lahko pripomore k znižanju stroškov laboratorijskih pripomo čkov [19, 20]. Avtorji v [19] so pokaza- li, da je Arduinova ploš ča lahko vsestransko uporabna v šolskih fizikalnih laboratorijih in da predstavlja nekakšno nadomestilo za konvencionalno laboratorijsko opremo. Uporaba Arduinove ploš če pri pouku fizike bi lahko pripomogla k temu, da bi bili u čenci bolj motivirani za u čenje novih fizikalnih konceptov ter da bi sami sodelovali pri sestavi labora- torijske opreme, ki je potrebna za uspešno izvedbo predstavljenega eksperimenta [19, 21]. Avtorji v [14] in [21] so ugotovili, da so bili u čenci, ki so eksperimentalno delo opravljali s pomo čjo Arduinove plošče, bolj ustvarjalni, sodelovalni in da so sami iskali inovativne poti za razvoj in dokon čanje predstavljenega projekta. Avtorja v [14] sta še dodala, da so bile posledice uporabe Arduinove ploš če pri pouku fizike vidne tudi pri delu v razredu; projekt, ki sta ga avtorja predlagala u čencem, naj bi jim pomagal izboljšati šolski uspeh pri vseh naravoslovnih predmetih. Uporaba Arduinove ploš če pri pou čevanju fizike bi lahko potemtakem izboljšala kakovost in u činkovitost pouka fizike [14]. Hitrost zvoka v zraku Hitrost zvoka v zraku ni konstanta, temve č je odvisna od razli čnih faktorjev [22], kot so vlaga [23], temperatura, tlak in koncentracija CO 2 [24]. Hitrost zvoka v zraku z 0 % vlago lahko ra čunamo s formulo: kjer je P tlak okolja, ρ gostota plina, skozi katerega potuje zvok, γ pa razmerje med specifi čno toploto plina pri konstantnem tlaku in specifi čno toploto pri konstantnem volumnu. Kon- stanta γ je odvisna, med drugim, od kompleksnosti molekule: za enoatomske molekule upo- števamo γ=1,67, za dvoatomske γ=1,40, za troatomske pa γ=1,33 [22]. Ker je zrak sestavljen večinoma iz dvoatomskih molekul, ra čunamo: Če aproksimiramo zrak kot idealni plin, lahko iz plinske ena čbe PV = nRT in iz definicije gostote dobimo naslednjo formulo za hitrost zvoka v zraku: Prednosti uporabe Arduinove plošče pri eksperimentalnem delu vključujejo majhno razsežnost mikrokontrolerja, nizko ceno in nizko porabo elektrike. Fizika v šoli 59 Didaktični prispevki kjer je R univerzalna plinska konstanta, T absolutna temperatura in M molska masa zraka na nadmorski višini 0 metrov. Ena čba, ki smo jo tako dobili, kaže, da je hitrost zvoka odvisna od temperature zraka. Definirajmo , iz česar dobimo: Če upoštevamo temperaturo v stopinjah Celzija in je T * mersko število za to temperaturo, potem zapišemo absolutno temperaturo T=(T*+273,15) K. Iz tega sledi, da lahko hitrost zvoka v zraku napišemo tudi kot , oziroma: Če upoštevamo vrednosti R=8,31451 J/(mol K) in , ra čunamo: Razvijemo lahko koren s pomo čjo T aylorjevega polinoma v T * in dobimo: oziroma: Pri temperaturi 0 °C je torej hitrost zvoka v zraku (z 0 % vlago) enaka 331,3 m/s. Hitrost zvoka so eksperimentalno dobili v primeru zraka s temperaturo 273,15 K, pri standar- dnem atmosferskem tlaku 1 atm, in je ta enaka [22]: Opazimo lahko, da je hitrost zvoka neodvisna od frekvence; to pomeni, da visokofrekven čni zvok potuje z enako hitrostjo kot zvok z nižjimi frekvencami [25]. T emperaturo lahko potemtakem neposredno merimo s pomo čjo hitrosti zvoka v zraku. T em- peraturo lahko dobimo iz ena čbe , in sicer tako, da jo obrne- mo: T * je mersko število temperature zraka izražene v stopinjah Celzija. Merjenje temperature z Arduinovo ploščo V prejšnjem razdelku smo predstavili teoreti čni na čin merjenja sobne temperature s pomo čjo hitrosti zvoka v zraku. Sprašujemo pa se, kako je mogo če meriti to hitrost. V delu [26] iz leta 2002 so avtorji predstavili nov na čin merjenja hitrosti zvoka v zraku s pomo čjo ultrazvoka. S pomo čjo oddajnika in sprejemnika ultrazvoka so merili čas, ki ga ultrazvok z znano frekvenco potrebuje, da pride od oddajnika do sprejemnika. T ako so lahko ra čunali hitrost zvoka v zraku in, posledi čno, temperaturo zraka. Članek [26] je mnoge druge raziskovalce spodbudil, da so delno spremenili eksperiment, ga izboljšali in implementirali (glej tudi [27–30]). Eksperimentov, ki so jih opisali avtorji v raziskavah [26–30], pa ne moremo izvesti v šolah. Šola namre č ni znanstvena ustanova, ki bi razpolagala z veliko količino javnih in zasebnih V delu [26] iz leta 2002 so avtorji predstavili nov način merjenja hitrosti zvoka v zraku s pomočjo ultrazvoka. 60 finan čnih sredstev , zato je v šolskem laboratoriju ali v razredu nemogo če izvesti zelo natan čne eksperimente z dragimi laboratorijskimi pripomo čki. Če pa bi hoteli izvesti podobne eksperimente tudi v šolskih prostorih, lahko uporabimo Ar- duinovo ploš čo. Ploš ča, elektri čno vezje in druge osnovne Arduinove komponente namre č stanejo sorazmerno malo (cena je seveda odvisna od modela Arduinove ploš če, ki jo ho čemo kupiti, in od razli čnih komponent, ki si jih ho čemo priskrbeti). Zaradi sorazmerno nizke cene je uporaba Arduinove ploš če za merjenje temperature zraka s pomo čjo ultrazvoka v šolskem prostoru primerna. Priprava eksperimenta je sestavljena iz dveh faz, ki sta med sabo zelo povezani: • prva faza je nekoliko bolj »programerske« narave: v njej bi morali u čenci sestaviti osnutek programa, ki bi ga potem naložili na Arduinovo ploš čo. U čenci naj najprej sestavijo dia- gram poteka algoritma, ki ga bodo napisali v C/C++, nato naj svoje ideje preoblikujejo v program, ki ga bo Arduinova ploš ča prepoznala; • druga faza, ki je v resnici komplementarna prvi in ki se s prvo fazo mo čno prepleta, je bolj »elektronske« narave. Med pisanjem programa v C/C++, ki ga sestavijo za Arduinovo ploš čo, morajo u čenci že vzeti v poštev elektronsko strukturo eksperimenta: katere žice so povezane s pinom (tj. vhodno-izhodno enoto) 5 voltov , kako sestaviti elektri čno in elektron- sko vezje, kako povezati zvo čnike na ploš čo ipd. Obe fazi sta precej zapleteni, saj se lahko med pripravo elektronskega vezja in algoritma po- javijo številne napake. Na primer med sestavljanjem elektronskega vezja lahko u čenci »za- mešajo« žice in napa čno povežejo vhode in izhode. V takem primeru, seveda, naprava ne deluje. Podobno se lahko pojavljajo napake v kodiranju: u čenci ve čkrat pozabijo na podpi čja, oklepaje in druge simbole, ki so del skladnje programskega jezika C/C++. Preden se lotimo kodiranja in programiranja Arduinove ploš če, moramo nastaviti idejo delo- vanja sistema. T emperaturo bomo merili s pomo čjo formule ; najprej pa moramo izmeriti hitrost zvoka v zraku. Za to bomo uporabljali ultrazvok. Naj bo A zvo čnik oddajnik in B zvo čnik prejemnik. Razdalja med njima naj bo x. Iz zvo čnika A sprožimo zvo čni impulz v dolo čenem času t in ga zaznamo z zvo čnikom B v času . Ker se zvok širi v zraku pri- bližno enakomerno, lahko izra čunamo povpre čno hitrost zvoka s formulo: V eksperimentu, ki ga bomo izvedli, moramo dolo čiti razdaljo med zvo čnikoma x, čas pa bomo izmerili s pomo čjo Arduinove plošče. Znani podatek x bomo nato delili z izmerjenim časom s pomo čjo Arduinove ploš če in izra čunali hitrost zvoka (in posledi čno temperaturo). V nastavitvi eksperimenta moramo torej poskrbeti, da sta zvo čnika oddaljena natanko za x. Pri eksperimentu bomo potrebovali naslednje pripomo čke: • Arduinova ploš ča (katera koli verzija; v našem eksperimentu bomo uporabili Arduino Uno); • testna ploš čica; • nekaj žic; • senzor za ultrazvok HC-SR04 Ultrasonic Sensor; Slika 1: HC-SR04 Ultrasonic Sensor (vir: makerlab-electronics.com). Zaradi sorazmerno nizke cene je uporaba Arduinove plošče za merjenje temperature zraka s pomočjo ultrazvoka v šolskem prostoru primerna. Fizika v šoli 61 Didaktični prispevki • plasti čne slamice ali lesena palica; • pištola za vro če lepljenje in lepilo; • kositer in spajkalnik; • ravnilo ali meter. Postopek priprave eksperimenta: • s pištolo za vro če lepljenje zaporedno pritrdimo dve slamici. Plasti čne slamice so le na čin, da zberemo dolge žice in jim prepre čimo zatikanje med eksperimentiranjem; • skozi odprtini slamic potegnemo dve dolgi žici ( če nimamo dovolj dolgih žic, lahko spajka- mo skupaj ve č žic); • s pomo čjo spajkalnika lo čimo desni zvo čnik senzorja HC-SR04 Ultrasonic Sensor; • s spajkalnikom spajkamo žici na odprta konca prostega zvo čnika; • drugi konec žic spajkamo z odprtima koncema na ploš či senzorja HC-SR04 Ultrasonic Sensor; • zvo čnik nato pritrdimo na plasti čno slamico s pomo čjo pištole za vro če lepljenje. Zvo čnik naj bo usmerjen proti drugemu koncu slamice; • na drugem koncu plasti čne palice s pištolo za vro če lepljenje zalepimo drugi zvo čnik tako, da gleda vzporedno proti že pritrjenemu zvo čniku; • z ravnilom ali metrom izmerimo razdaljo (v mikrometrih) med zvo čnikoma. Podatek ime- nujmo razdalja; • zobe ploš če senzorja HC-SR04 Ultrasonic Sensorja vstavimo v testno ploš čico; • pin GND na senzorju povežemo s pinom GND na Arduinovi ploš či; • pin Echo na senzorju povežemo s pinom 7 na Arduinovi plošči; • pin Trig na senzorju povežemo s pinom 8 na Arduinovi ploš či; • pin VCC na senzorju povežemo s pinom 5V na Arduinovi ploš či; • Arduinovo ploš čo povežemo z USB-jem na ra čunalnik; • sprožimo kodo na IDE-ju Arduinove ploš če (uporabili smo verzijo 1.8.9). Slika 2: Shema vezja (sliko smo ustvarili s prosto dostopnim programom fritzing). 62 Med pripravljanjem eksperimenta se lahko posvetimo tudi pisanju kode, ki jo bomo naložili na Arduinovo ploš čo. Kodo pišemo v enem izmed programov, ki nam omogo čajo nalaga- nje ukazov na ploš čo. Uporabljali smo uradno programsko opremo »Arduino IDE« (verzija 1.8.9), ki je prosto dostopna na spletni strani [31]. Koda za Arduinovo ploš čo je naslednja: #defi ne echo 7 #defi ne trigger 8 double cas, temperatura, hitrostzvoka, razdalja; void setup(){ pinMode(trigger,OUTPUT); pinMode(echo,INPUT); Serial.begin(9600); } void loop(){ digitalWrite(trigger,LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigger,HIGH); delayMicroseconds(1 0); digitalWrite(trigger,LOW); razdalja=350000; cas=pulseIn(echo,HIGH); hitrostzvoka=razdalja/cas; temperatura=(hitrostzvoka-331.3)/0.606; Serial.println(temperatura); delay(500); } Pri pisanju programa moramo posebej paziti, da se pini, ki jih uporabljamo v kodi, skladajo z elektronskimi vezavami, ki smo jih naredili. Preden sprožimo program, najprej pregledamo, ali so v kodi morebitne napake in ali smo za izhodno enoto izbrali tisto USB-enoto, ki je povezana z Arduinovo ploš čo, nakar nanjo naložimo program. Izmerjene temperature lahko dobimo v terminalu »Serial monitor«, do katerega lahko dostopamo tudi z bližnjico »Ctrl+Shift+M«. Podatki se posodobijo vsake pol sekunde oziroma 500 milisekund (delay(500)). Oglejmo si, kako deluje napisana koda. • Najprej definirajmo dve spremenljivki, in sicer echo (odboj) bo spremenljivka v pinu 7, trigger (sprožilec) pa v pinu 8: #defi ne echo 7 #defi ne trigger 8 • Nato definiramo vse spremenljivke, ki jih bomo uporabljali v programu. Za nas so to čas Pri pisanju programa moramo posebej paziti, da se pini, ki jih uporabljamo v kodi, skladajo z elektronskimi vezavami, ki smo jih naredili. Fizika v šoli 63 Didaktični prispevki (cas), temperatura (temperatura), hitrost zvoka (hitrostzvoka) in razdalja med zvočnikoma (razdalja). Vse te spremenljivke so tipa double, tj. števila z decimalno vejico in 15–16 zanesljivimi mesti (8 bajtov): double cas, temperatura, hitrostzvoka, razdalja; • Nato opišemo vse potrebne informacije, ki zadevajo vhodno-izhodne enote (pinMode). Sprožilec (trigger) je izhodna enota, medtem ko je echo vhodna enota. Poleg tega na- ro čimo Arduinovi ploš či, naj sporo ča prek »Serial monitorja«, in sicer s hitrostjo 9600 bitov na sekundo (Serial.begin(9600)): void setup(){ pinMode(tri gger,OUTPUT); pinMode(echo,INPUT); Serial.begin(9600); } • Nato moramo opisati operacije, ki jih mora ploš ča izvesti, dokler ne izklopimo Arduinove plo- š če. Sprožilec (trigger) je na za četku ugasnjen (digitalWrite(trigger,LOW)), in sicer za 2 mikrosekundi (delayMicroseconds(2)), nakar se prižge (digitalWrite(trigger,HIGH)) za 10 mikrosekund (delayMicrosecon- ds(10)), nato pa se ponovno ugasne (digitalWrite(trigger,LOW)): void loop(){ digitalWrite(trigger,LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigger,HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigger,LOW); T a operacija je potrebna, da se sproži ultrazvok iz zvo čnika sprožilca. • V program nato vklju čimo izmerjeno razdaljo v mikrometrih. Denimo, da je razdalja med zvočnikoma natanko 35 cm: razdalja=350000; • Arduinovi ploš či ukažemo, naj izmeri čas, ki ga sproženi zvo čni impulz potrebuje, da do- seže drugi zvo čnik echo: cas=pulseIn(echo,HIGH); • Arduinova ploš ča mora nato izra čunati hitrost zvoka kot razmerje med prepotovano razda- ljo in časom, ki ga je zvo čni val potreboval, da je dosegel drugi zvo čnik: hitrostzvoka=razdalja/cas; • Arduinova ploš ča mora nato izra čunati temperaturo okolja s formulo, ki smo jo predstavili prej, in prikazati ta podatek na terminalu »Serial monitor«, nato po čaka pol sekunde, da ponovi postopek (podatek lahko poljubno spremenimo tako, da Arduinova ploš ča izmeri temperaturo vsako sekundo, vsaki dve sekundi ali pa vsako minuto): temperatura=(hitrostzvoka-331.3)/0.606; Serial.println(temperatura); delay(500); } Eksperiment lahko dodatno izboljšamo s tem, da se izognemo uporabi »Serial monitor« in prikažemo izmerjene temperature kar na Arduinovem LCD-ekranu (ki ga je treba kupiti po- sebej in povezati na Arduinovo ploščo), vendar smo se hoteli v za četni fazi eksperimentiranja z Arduinovo ploš čo izogibati uporabi zapletenih elektronskih vezij, saj so naši dijaki precej neizkušeni na podro čju programiranja in nimajo zadostnega predznanja iz elektronike. Didaktični komentar in zaključki Eksperimentalno delo je pri pouku fizike klju čnega pomena, da lahko u čenec bolje razume dolo čene naravne pojave in fizikalne pojme. Italijansko ministrstvo za izobraževanje spod- Eksperimentalno delo je pri pouku fizike ključnega pomena, da lahko učenec bolje razume določene naravne pojave in fizikalne pojme. Italijansko ministrstvo za izobraževanje spodbuja profesorje in učitelje k uporabi eksperimentalnega dela pri pouku fizike, da bi učencem predstavili znanstveno metodo in v njih razvili kritičnost. 64 buja profesorje in u čitelje k uporabi eksperimentalnega dela pri pouku fizike, da bi u čencem predstavili znanstveno metodo in v njih razvili kriti čnost [1–3]. Pomembno je namre č, da se u čenci nau čijo pravilnega podajanja znanja, ki ga usvojijo pri laboratorijskem delu, in kriti č- nega razmišljanja (Ali se dobljeni rezultati skladajo s predpostavkami? Ali smo eksperiment opravili dovolj natan čno? Zakaj so naši rezultati različni od teoreti čnih?). Mnoge raziskave so pokazale, da eksperimentalno delo pripomore k dodatnemu pove čanju u čen čeve motivacije za u čenje in k njegovemu razumevanju fizike [4–6]. Zato bi bilo kori- stno, da bi u čitelji fizike v Italiji (in v svetu nasploh) dejansko uporabljali eksperimentalno delo pri podajanju razli čnih fizikalnih konceptov. V Italiji pa je eksperimentalno delo ve čkrat odsotno, zato je pouk fizike pogosto le teoreti čne narave. Razlogov , zakaj se u čenci ve čkrat ne sre čujejo z eksperimentalnim delom, je ve č; med njimi naj omenimo vsaj naslednje: • odsotnost primerno opremljenih u čilnic, v katerih bi bilo mogo če izvajati eksperimentalno delo (pomanjkanje laboratorijev) [32]; • odsotnost primerno pripravljenega pomožnega tehni čnega osebja, ki bi lahko upravljalo šolski laboratorij in skrbelo za pravilno uporabo ter vzdrževanje laboratorijskih pripomo č- kov [33]; • previsoka cena za nakup novih fizikalnih pripomo čkov in vzdrževanja inštrumentov [34]. Arduinovo ploš čo lahko učitelji uporabijo v katerikoli u čilnici, ki je opremljena z ra čunalni- kom, obenem pa je cena te ploš če precej dostopna. Ploš čo lahko upravlja tudi u čitelj fizike brez pomo či pomožnega tehni čnega osebja (laboratorijskega tehnika), zato uporaba Ardu- inove ploš če v mnogih italijanskih gimnazijah in višjih tehni čnih zavodih pomeni rešitev ko čljivega problema odsotnosti eksperimentalnega dela pri pouku fizike. Nekatere raziskave so pokazale, da uporaba Arduinove ploš če v razredu pripomore k pove- čanju motivacije u čencev za u čenje fizike in jim pomaga bolje razumeti dolo čene vsebine; rezultati uporabe te ploš če pri pouku pa imajo dolgoro čne posledice tudi pri teoreti čnem po- uku [14, 15]. Pozitivne plati uporabe Arduinove ploš če lahko potemtakem obnovimo v naslednjih to čkah: • z didakti čnega vidika uporaba tega mikrokontrolerja pripomore k višanju motivacije u čen- cev in jim pomaga razumeti obdelane vsebine. U čenci lahko razvijejo kompetence na raz- ličnih drugih podro čjih, na primer ra čunalniško-programerske sposobnosti, sposobnosti sestavljanja elektri čnega in elektronskega vezja, mehanske sposobnosti idr.; • z ekonomskega vidika pa uporaba Arduinove ploš če pomeni zmanjšanje stroškov za upra- vljanje in oskrbo laboratorijskih pripomo čkov ter u čitelju zagotavlja dolo čeno stopnjo avto- nomije, saj lahko eksperimentalno delo opravlja brez pomo či pomožnega tehni čnega osebja. Čeprav so mnoge raziskave pokazale, da uporaba Arduinove ploš če v razredu pripomore k vi- šanju motivacije u čencev za u čenje fizike in ima dolgotrajne pozitivne posledice na u čen čevo vsesplošno razumevanje razli čnih fizikalnih pojmov , so z uporabo Arduinove ploš če v razredu povezane nekatere težave: • treba je poznati programski jezik C/C++ in kodiranje v Arduinovi ploš či razumljivem jeziku, kar pa ni povsem enostavno. Mnogi u čitelji fizike namre č nimajo zadostnega pred- znanja na področju programiranja in elektronike, da bi znali sami programirati Arduinovo ploš čo oziroma pravilno sestaviti elektronsko vezje. Na spletu lahko dobimo ve č brezplač- nih priro čnikov o programiranju Arduinove ploš če, vendar u čenje takega programiranja zahteva ve č tednov; obstajajo pa tudi na čini, da se u čitelji u čijo programiranja Arduinove ploš če s pomo čjo posebnih programov [35]. U čitelj bi moral biti potemtakem seznanjen z osnovami programiranja Arduinove ploš če in s sestavljanjem vezij. U čitelj bi moral po- sledi čno tudi poznati vse komponente, ki jih potrebuje pri sestavi eksperimenta, da bi jih lahko smiselno predstavil v razredu; • u čenci ve čkrat nimajo nobenega predznanja iz ra čunalništva, programiranja ali elektroni- ke. Učitelj bi moral torej u čencem najprej obrazložiti, kako je mogo če programirati v jezi- ku, ki ga Arduinova ploš ča sprejme, nato bi jim moral pokazati nekaj osnovnih primerov sestavljanja elektronskega vezja, ki vklju čuje LED-svetilke, žice, upornike, zvo čnike ipd. Brez ustreznega predznanja bi se bilo torej nemogo če lotiti uporabe Arduinove ploš če v razredu, saj bi zgolj prepisovanje algoritma (ne da bi ga pri tem u čenci razumeli) in posne- manje u čiteljeve sestave vezja predstavljali sterilni dejanji brez pedagoškega rezultata; Nekatere raziskave so pokazale, da uporaba Arduinove plošče v razredu pripomore k povečanju motivacije učencev za učenje fizike in jim pomaga bolje razumeti določene vsebine; rezultati uporabe te plošče pri pouku pa imajo dolgoročne posledice tudi pri teoretičnem pouku [14, 15]. Čeprav so mnoge raziskave pokazale, da uporaba Arduinove plošče v razredu pripomore k višanju motivacije učencev za učenje fizike in ima dolgotrajne pozitivne posledice na učenčevo vsesplošno razumevanje različnih fizikalnih pojmov, so z uporabo Arduinove plošče v razredu povezane nekatere težave. Fizika v šoli 65 Didaktični prispevki • čeprav je Arduinova ploš ča cenejša od nekaterih laboratorijskih pripomo čkov , cena mikrokon- trolerja in dodatnih členov vsekakor ni zanemarljiva. Nekatere šole si torej ne morejo privoš čiti nakupa ploš če in dodatkov , čeprav stanejo manj od obi čajnega laboratorijskega pribora; • rezultati, ki jih pridobimo s pomo čjo Arduinove ploš če, so vsekakor podvrženi razli čnim napakam. Poleg človeških napak pri sestavljanju vezja (npr. uporaba prevelikih ali pre- majhnih upornikov, napa čno izmerjena razdalja med zvo čniki) in kodiranju (sintakti čne in semanti čne napake v kodi) so prisotne tudi številne sistemske napake. Arduinova ploš ča je sestavljena iz razli čnih elektronskih komponent, ki so lahko okvarjene. Okvare v vezju, ki sestavlja ploš čo, lahko vplivajo na nepravilno ra čunanje in prenašanje podatkov. Pozna- vanje napak, ki jih lahko storimo pri uporabi Arduinove ploš če, je klju čnega pomena pri končni analizi podatkov in pri njihovi kriti čni obravnavi. Poleg teh napak pa so prisotne tudi napake v modeliranju: v modelu, ki smo ga uporabili v tem delu, smo zanemarili vla- go, ki je vsekakor prisotna v ozra čju, ali pa koncentracijo ogljikovega dioksida in tlak, ki vplivata na hitrost širjenja zvoka v zraku. Rezultati, ki jih torej dobimo z Arduinovo ploš čo, se lahko bistveno razlikujejo od resni čne temperature. Po eni strani je torej uporaba Arduinove ploš če za merjenje temperature s pomo čjo ultrazvoka priporo čljiva; po drugi strani pa obstajajo razli čne težave, ki jih je treba upoštevati, če ho če u čitelj tak mikrokontroler uporabiti v razredu. Po didakti čni plati pa uporaba Arduinove plo- š če ponuja možnost izboljšanja kakovosti in u činkovitosti pouka fizike [14]. Uporabljeni viri [1] https://www.gazzettaufficiale.it/atto/serie_generale/caricaArticolo?art.progressivo= 1&art.idArticolo=1&art.versione=1&art.codiceRedazionale=010G0232&art.dataPubblicazione Gazzetta=2010-12-14&art.idGruppo=0&art.idSottoArticolo1=10&art.idSottoArticolo=1&art.fl ag TipoArticolo=6#art (25. 4. 2019) [2] http://www.indire.it/lucabas/lkmw_fi le/licei2010/indicazioni_nuovo_impaginato/_Liceo%20sci- entifi co.pdf (25. 4. 2019) [3] https://www.gazzettauffi ciale.it/eli/gu/2010/12/14/291/so/275/sg/pdf (25. 4. 2019) [4] A. Hofstein, V. N. Lunetta, The role of the laboratory in science teaching: Neglected aspects of rese- arch, Review of educational research 52, 2, (1982), 201–217. [5] R. Trumper, The physics laboratory–a historical overview and future perspectives, Science & Educati- on 12, 7, (2003), 645–670. [6] A. Hofstein, V. N. Lunetta, The laboratory in science education: Foundations for the twenty‐fi rst cen- tury, Science education 88, 1, (2004), 28–54. [7] A. Adriansyah in A. W. Dani, Design of small smart home system based on Arduino V: Electrical Power, Electronics, Communicatons, Control and Informatics Seminar (EECCIS), IEEE, (2014), 121–125. [8] K. Krishnamurthi, S. Thapa, L. Kothari, in A. Prakash, Arduino based weather monitoring system. International Journal of Engineering Research and General Science, 3, 2, (2015), 452–458. [9] M. A. Miah, M. H. Kabir, M. S. R. Tanveer in M. A. H. Akhand, Continuous heart rate and body tempe- rature monitoring system using Arduino UNO and Android device, V: 2nd International Conference on Electrical Information and Communication Technologies (EICT), IEEE, (2015), 183–188. [10] D. Călinoiu, R. Ionel, M. Lascu in A. Cioablă, Arduino and LabVIEW in educational remote monito- ring applications. V: IEEE Frontiers in Education Conference (FIE) Proceedings, IEEE, (2014), 1–5. [11] https://create.arduino.cc/projecthub/berkeralpz/make-it-possible-with-physics-ultrasonic-ther- mometer-712871 (20. 6. 2019) [12] L. H. M. de Castro, B. L. Lago, F. Mondaini, Damped harmonic oscillator with Arduino, Journal of Applied Mathematics and Physics, 3, 6, (2015), 631–636. [13] D. K. Fisher, P . J. Gould, Open-source hardware is a low-cost alternative for scientifi c instrumentation and research, Modern instrumentation, 1, 2, (2012), 8–20. [14] M. Oprea, C. Miron, Applied Physics Project Using the Arduino Platform, The 8 th International Confe- rence on Virtual Learning ICVL, (2013), 204–210. Poznavanje napak, ki jih lahko storimo pri uporabi Arduinove plošče, je ključnega pomena pri končni analizi podatkov in pri njihovi kritični obravnavi. Po eni strani je torej uporaba Arduinove plošče za merjenje temperature s pomočjo ultrazvoka priporočljiva; po drugi strani pa obstajajo različne težave, ki jih je treba upoštevati, če hoče učitelj tak mikrokontroler uporabiti v razredu. 66 [15] C. Galeriu, S. Edwards, G. Esper, An Arduino investigation of simple harmonic motion, The Physics Teacher, 52, 3, (2014), 157–159. [16] M. A.Rubio, C. M. Hierro, A. P . D. M. Pablo, Using arduino to enhance computer programming courses in science and engineering. V: Proceedings of EDULEARN13 conference, IATED Barcelona (Španija), (2014), 1-3. [17] C. Galeriu, An Arduino-controlled photogate, The Physics Teacher, 51, 3, (2013), 156–158. [18] V. M. Cvjetković, U. Stanković, Arduino based physics and engineering remote laboratory. V: Interna- tional Conference on Interactive Collaborative Learning, Springer, Cham, (2016), 560–574). [19] J. C. Álvarez, J. Lamas, A. J. López, A. Ramil, A, An Arduino controlled chaotic pendulum for a remote physics laboratory. Proceedings of Conference INTED, (2013), 6062. [20] A. D’Ausilio, Arduino: A low-cost multipurpose lab equipment, Behavior research methods, 44, 2, (2012), 305-313. [21] F. Bouquet, J. Bobroff , M. Fuchs-Gallezot, L. Maurines, Project-based physics labs using low-cost open-source hardware, American Journal of Physics, 85, 3, (2017), 216-222. [22] D. A. Bohn, Environmental eff ects on the speed of sound. V: Audio Engineering Society Convention 83. Audio Engineering Society, (1987), https://smhttp-ssl-66277.nexcesscdn.net/media/wysiwyg/ PDFs/Enviromental_Eff ects_on_the_Speed_of_Sound.pdf, 1. 8. 2019. [23] G. S. Wong, T. F. Embleton, Variation of the speed of sound in air with humidity and temperature, The Journal of the Acoustical Society of America, 77, 5, (1985), 1710-1712. [24] O. Cramer, The variation of the specifi c heat ratio and the speed of sound in air with temperature, pressure, humidity, and CO2 concentration. The Journal of the Acoustical Society of America, 93, 5, (1993), 2510-2516. [25] R. Kladnik, S. Kodba, Energija, toplota, nihanje in valovanje. Učbenik za fi ziko za gimnazije in srednje šole 2, (2016), DZS, Ljubljana. [26] K. N. Huang, C. F. Huang, Y. C. Li, M. S. Young, High precision, fast ultrasonic thermometer based on measurement of the speed of sound in air, Review of scientifi c Instruments, 73, 11, (2002), 4022- 4027. [27] W. Y. Tsai, C. F. Huang, T. L. Liao, New implementation of high-precision and instant-response air ther- mometer by ultrasonic sensors, Sensors and Actuators A: Physical, 117, 1, (2005), 88-94. [28] W. Y. Tsai, C. F. Huang, T. L. Liao, An ultrasonic air temperature measurement system with self-correc- tion function for humidity, Measurement science and technology, 16, 2, (2005), 548-555. [29] W. Y. Tsai, C. F. Huang, T. L. Liao, High accuracy ultrasonic air temperature measurement using mul- ti-frequency continuous wave, Sensors and Actuators A: Physical, 132, 2, (2006), 526-532. [30] S. Velasco, F. L. Román, A. González, J. A. White, A computer-assisted experiment for the measure- ment of the temperature dependence of the speed of sound in air, American Journal of Physics, 72, 2, (2004), 276-279. [31] https://www.arduino.cc/en/Main/Software (28. 7. 2019) [32] https://www.skuola.net/scuola/scuole-senza-laboratori-progetto-esperimenti-online.html (25. 6. 2019) [33] https://www.lastampa.it/2017/07/19/alessandria/mancano-i-bidelli-gli-impiegati-i-tecnici-di-la- boratorio-e-cos-la-scuola-va-in-aff anno-kRaKqxnMaJzPHyKr0KwB6I/pagina.html (25. 6. 2019) [34] https://www.esperimentanda.com/lattrezzatura-laboratorio-essenziale-per-dilettante-scuo- le-universita/ (25. 6. 2019) [35] I. Albatish, M. J. Mosa, S. S. Abu-Naser, ARDUINO Tutor: An Intelligent Tutoring System for Training on ARDUINO. International Journal of Engineering and Information Systems, 2, 1, (2018), 236-245.