Objavljeno:

Inovativno učno okolje v praksi

V zadnjem času se pogosto govori o pomenu praktičnega dela v izobraževanju, o tem, da se morajo otroci učiti skozi preizkušanje in izdelovanje in ne zgolj iz učbenikov ter “iz table”. Učno okolje naj bi postalo odprto, inovativno, prostor za izmenjavo izkušenj in znanja ter porajanja novih idej. Mladi naj bi bolj aktivno vstopali v učni proces.

Hkrati se poudarja tudi pomen tehničnega izobraževanja mladih. Poleg tega, da pristopi inovativnega učnega okolja spodbujajo kreativnost in ustvarjalnost, je tehnično izobraževanje prepoznano tudi kot eden odločilnih dejavnikov pri reševanju brezposelnosti.

A kako to prenesti v prakso?

Da bi mladim predstavil nekaj znanja na bolj praktičen način, znanja, ki ga sicer na bolj suhoparen in predvsem teoretičen način pridobivajo v šoli, sem za lokalno osnovno šolo v okviru naravoslovnega dne pripravil kratko predavanje o radioaktivnosti, elektromagnetnem spektru ter izdelavi domačega Giegerjevega števca. Gre sicer za projekt, s katerim se občasno ukvarjam že nekaj časa.

Prikaz vpliva ionizirajočega sevanja.

Prikaz vpliva ionizirajočega sevanja.

Geigerjev števec

Geigerjev števec je naprava za merjenje ionizirajočega sevanja. Princip delovanja je leta 1908 izumil nemški fizik Hans Geiger. Glavni del naprave je Geiger-Müllerjeva cev (izumljena je bila leta 1928), ki je napolnjena z mešanico žlahtnih plinov (npr. z mešanico neona, broma in argona (Ne + Br2 + Ar)). Na sredini cevi je volframova žička vezana na pozitivni pol (+), ohišje cevi pa je vezano na negativni pol (-).

Pod visoko napetostjo (npr. okrog 400 V) v cevi nastane močno električno polje. Ko sevanje zadane cev, se molekule plina razbijejo na ione in elektrone, negativno nabiti elektroni pa »skočijo« na pozitivno nabito volframovo žičko. To povzroči, da steče električni tok, ki ga merimo z napravo, naprava (Geigerjev števec) pa ga prikaže z utripom lučke in/ali kratkim piskom.

Princip delovanja Geiger-Mullerjeve cevi.

Princip delovanja Geiger-Mullerjeve cevi.

Katere vrste sevanja zazna Geigerjev števec je odvisno od cevi. Sam sem se lotil izdelave števca z Geigerjevo cevjo ruske izdelave SBM-20, ki deluje na napetosti med 350 V – 475 V, zazna pa beta in gama žarke, pa tudi rentgenske žarke (x-žarke). Nekatere druge cevi (seveda so dražje) lahko zaznajo tudi alfa sevanje ter nevtrone.

Osnovni načrt naprave izvira iz spletne strani Mighty Ohm, vendar pa smo načrt s kolegi nekoliko predelali. Originalna ploščica tiskanega vezja je namreč dvostranska, naš načrt pa vsebuje enostransko ploščico, ki pa ima seveda prispajkane ustrezne premostitvene žičke (tim. brike).

Programiranje čipa.

Programiranje čipa.

Srce naprave je čip oz. kontroler ATtiny2313, ki smo ga sprogramirali s pomočjo Arduina (in tudi nekoliko spremenili programsko kodo, ki teče na njem). Naprava je razmeroma enostavna in poceni – najdražji del je pravzaprav cev SBM-20, ki stane okrog 20 EUR, naročili pa smo jo prek spleta iz Ukrajine. Ostali material stane okrog 10 – 15 EUR.

Izdelava same naprave je razmeroma preprosta in so jo po mojem mnenju pod ustreznim vodstvom in z nekaj pomoči sposobni sestaviti tudi učenci osnovne šole. Predvsem pa izdelava zahteva interdisciplinaren pristop. Učenci bi tako lahko pri pouku kemije pod vodstvom učitelja zjedkali ploščico tiskanega vezja (lahko pa šola za nekaj evrov naroči CNC rezkanje ploščic). Spajkanje vsaj dela vezja, je relativno enostavno, saj se za čipe uporablja podnožja, spajkanje ostalih elementov pa tudi ni preveč zahtevno. Ohišje iz pleksi stekla ali lesa lahko učenci sami naredijo pri pouku tehnike. Pri računalništvu pa se lahko poigrajo z zajemom podatkov in risanjem grafov – naša naprava ima tudi digitalni izhod, ki ga je preko USB vmesnika mogoče povezati na računalnik. Vse skupaj lahko učenci povežejo še s poukom fizike in kemije.

Žal za to, da bi učenci napravo sestavili sami ni bilo časa, so pa na predavanju učenci izvedeli nekaj malega o sevanju na splošno, radioaktivnosti in radionuklidih ter zlasti o ionizirajočem sevanju alfa, beta in gama. Povedano je bilo nekaj o vplivih ionizirajočega sevanja na zdravje prikazanih pa je bilo tudi nekaj primerov, ki kažejo na to kako nekritično so ljudje v preteklosti uporabljali radioaktivne snovi (npr. v zobni pasti, za lepotilne kreme, itd.).

Učenci so si tudi v živo ogledali delovanje Geigerjevega števca. V šoli sicer nismo rokovali z radioaktivnimi snovmi oz. števec ni našel nič radioaktivnega, je bil pa prikazan filmček preskusa v laboratoriju (snov na sliki je nizko radioaktivna in jo je mogoče legalno kupiti na spletu).

Geigerjev števec med delovanjem.

Geigerjev števec med delovanjem.

Mimogrede, za tiste, ki jih zanima: končni načrt naprave bo še nekoliko spremenjen, namesto procesorja ATtiny2313 bomo (verjetno) uporabili Arduino Nano ter samo strojno in programsko opremo naprave še nekoliko predelali. Končni načrt bo tudi objavljen na spletu, takoj ko ga s kolegi razvijemo do konca in izdelamo uspešen prototip.

Meritve radijskega spektra

Da bi bilo vse skupaj še malo bolj zanimivo, pa smo si na predavanju ogledali še elektromagnetni spekter ter nekaj programov za analizo in prikaz elektromagnetnega spektra na območju tim. radijskih valov. Gre seveda za področje, ki ga otroci poznajo iz prakse, a doslej o njem niso razmišljali na tak način.

Elektromagnetni spekter.

Elektromagnetni spekter.

Tako smo si s pomočjo RTL-SDR ključka in aplikacije RTLSDR skener najprej ogledali kako izgleda elektromagnetni spekter na območju FM radia:

RTLSDR skener prikazuje EM spekter FM radia.

RTLSDR skener prikazuje EM spekter FM radia.

Izbrali smo eno izmed bolj aktivnih frekvenc in poslušali radio po izbiri otrok (ja, tisti radio 🙂 ):

Poslušanje radia z GQRX.

Poslušanje radia z GQRX.

Nato smo pognali skener na frekvenčnem območju 446 MHz (tam deluje PMR – Private Mobile Radio, oziroma tim. “walkie-talkiji”, ki jih kupimo v trgovini in za katere ni potrebna licenca za oddajanje):

Waterfall prikaz oddajanja na PMR frekvencah.

Waterfall prikaz oddajanja na PMR frekvencah.

Oddajali smo na različnih kanalih in gledali kako se oddajanje odraža na prikazu EM spektra v obliki tim. vodnega slapa (ang. waterfall) na območju 446 MHz. S tem so otroci dobili vpogled v vizualizacijo radiofrekvenčnega spektra in si lažje predstavljali kako “izgledajo” različni kanali oz. frekvence.

S pomočjo RTL-SDR in aplikacije Dump1090 smo si ogledali še dekodiranje ADSB signalov, s katerimi lahko spremljamo podatke o letalskem prometu:

Dekodiranje ADSB signalov.

Dekodiranje ADSB signalov.

Merilec EM polja

Čisto za konec smo preskusili še preprost merilec elektromagnetnega polja, ki bazira na Adruinu (vmes pa so se otroci poigrali še z zelo preprosto napravo za merjenje svetlobe, sestavljene iz sončne celice in piezzo piskača):

Merilec EM polja.

Merilec EM polja.

Zaključek

S tem je bila predstavitev zaključena. Oprema s katero smo to počeli stane zgolj nekaj deset EUR (programska oprema pa je tako ali tako brezplačna), učenje s pomočjo takšnih primerov pa je za učence lahko precej zabavno, predvsem pa poučno, saj jim omogoča, da naprave primejo v roke in si jih ogledajo ter lažje razumejo princip njihovega delovanja. Poleg tega pa s pomočjo omenjenih naprav lahko tudi dejansko vidijo kako izgleda človeškim očem sicer skrito elektromagnetno valovanje.

Žal ni bilo dovolj časa, da bi učenci naprave dejansko tudi sami izdelali in se naučili vse navedene aplikacije sami uporabljati , a to je mogoče stvar kakšnega krožka ali delavnice v prihodnosti. Gotovo pa bi bilo koristno takšne vsebine večkrat vključiti v učni proces in s tem vzpodbuditi zanimanje otrok zanje.

Kategorije: Informacijska tehnologija, Splošno
Ključne besede: Arduino, RTL-SDR, senzorski sistemi