Na scenie: fizyka i dramat Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Pomyśl o możliwości przesyłania dźwięku za pomocą lasera, niewiarygodne? Właśnie tego dokonali uczniowie Alessio Bernardelli’ego – później przygotowali przedstawienie teatralne, aby scenie wyjaśniać wiedzę leżącą u podstaw swego…

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Xacto / iStockphoto

Pragnąc zachęcić naszych uczniów (wiek 16-17 lat) by zamiast traktować technologię użytkową jak „czarną magię”, doszukiwali się zrozumienia jej istoty, moi koledzy i ja zwróciliśmy się do nich z propozycją zaprojektowania i zbudowania lasera modulowanego w oparciu o tani, dostępny w handlu wskaźnik laserowy. Gdy już wybrali zadowalający projekt, bardzo byli zdziwieni jego prostotą. Nawet niektórzy nauczyciele powątpiewali w możliwość jego działania.

Sukces przekroczył wszystkie nasze oczekiwania. Nie tylko udało się przesłać sygnał audio na drugi koniec pokoju, ale odtwarzana muzyka była głośna i wyraźna. Uczniowie byli zdumieni faktem, że dokonali czegoś, o czym nie wiedzieli nawet, że jest możliwe. Okazało się to jednak zadaniem całkiem prostym, które w dodatku może być pomocne w wyjaśnianiu szerokiego spektrum zagadnień fizycznych – co też nasi uczniowie uczynili w następnym etapie swojego przedsięwzięcia.

Mnie najbardziej podoba się to, że nasze urządzenie jest bardzo tanie i bardzo widowiskowe. Podobny przyrząd można nabyć za około £250, nasz kosztuje około £15. W dodatku dokładnie można przyjrzeć się jego konstrukcji, a więc nawet ktoś mniej uzdolniony technicznie może wynieść korzyść dla siebie.

Budowa modulowanego lasera

Sygnał wejściowy, przychodzący z urządzenia audio, płynie przez rezystor. Jako sygnał AC (prądu zmiennego), wywołuje zmianę napięcia na końcach tego rezystora, a w konsekwencji zmianę natężenia prądu płynącego w obwodzie z taką samą częstotliwością, jaką posiada sygnał wejściowy. Skutkiem tego jest zmiana natężenia światła wysyłanego przez diodę laserową, dokonująca się z identyczną częstotliwością.

Schemat obwodu elektrycznego
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alessio Bernardelli

Wiązka laserowa o zmiennym natężeniu jest wysyłana w kierunku elementu fotoelektrycznego, połączonego z niewielkim wzmacniaczem. Ponieważ ilość fotonów docierających do czujnika zmienia się zgodnie z częstotliwością sygnału audio, prąd generowany przez fotoelement również zmienia się z taką częstotliwością. Po wzmocnieniu, ten sygnał AC wywołuje ruch membrany głośnika – można słuchać muzyki.

Kondensator znajdujący się w układzie modulującym przepuszcza sygnał AC oraz odcina urządzenie audio od prądu stałego (DC) z baterii.

Potrzebne materiały
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Alesso Bernardelli

Materiały

  • Wskaźnik laserowy (najmniej 5 mW)
  • Mini-wzmacniacz
  • Najlepszy i najtańszy wydaje się wyjęty z odbiornika krótkofalowegow1
  • Przewód elektryczny zakończony wtykami 3.5 mm mono
  • 3 baterie AAA
  • Pojemnik mieszczący 3 baterie AAA
  • Mały wyłącznik elektryczny
  • Cyna lutownicza i przewód elektryczny
  • 2 zaciski krokodylkowe
  • Kondensator 100 μF
  • Opornik 10 Ω
  • Fototranzystor albo inny fotoelement
  • Urządzenie audio, np.: odtwarzacz mp3 albo CD (dowolne urządzenie audio wyposażone w gniazda połączeniowe 3.5 mm)
  • 2 statywy z łącznikami zaciskowymi
Krok 3
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Alesso Bernardelli

Montaż

Obwód modulatora

  1. Wyjmij baterie z wnętrza wskaźnika laserowego.
  2. Zaciśnij jeden z krokodylków na sprężynce we wnętrzu komory baterii wskaźnika.
  3. Drugi krokodylek zaciśnij na obudowie wskaźnika; krokodylki nie mogą stykać się wzajemnie.
    Jeżeli wiązka laserowa nie pojawi się po zamknięciu skompletowanego obwodu, zamień krokodylki na sprężynce i na obudowie (dioda laserowa świeci, gdy prąd płynie we właściwym kierunku).
  1. Przylutuj przewód łącząc jeden z krokodylków z biegunem pojemnika na baterie.
  2. Przylutuj przewód łączący drugi biegun pojemnika baterii z opornikiem.
  1. Przylutuj przewód, by połączyć przeciwległy koniec opornika do wyłącznika i zamknij obwód przez wlutowanie przewodu między wolnym końcem wyłącznika a drugim krokodylkiem.
    Część DC obwodu już jest kompletna. Aby modulować wiązkę laserową, potrzebne jest jednak zmienne napięcie na oporniku, aby wywołany nim prąd AC nałożył się na prąd DC z baterii.
Krok 5
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alesso Bernardelli
Krok 6
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alesso Bernardelli
  1. Podziel przewód zakończony wtykami „jack” na dwie połowy. Usuń izolację z jednego z uciętych końców. (Zachowaj drugą połowę przewodu dla odbiornika, zobacz po lewej).
  2. Jak widzisz, przewód wykonano tak, że cienkie miedziane druciki (ekran) owinięto wokół drutu osłoniętego gumą. Skręć razem wszystkie druciki ekranu, separując je od otulonego gumą drutu umieszczonego w centrum (trzeba usunąć gumę, by go odsłonić).
  1. Przylutuj któryś z przewodników (bez znaczenia czy wybierzesz skręcone druciki ekranu, czy drucik centralny) do jednej z końcówek kondensatora.
  2. Przylutuj któryś z przewodników (bez znaczenia czy wybierzesz skręcone druciki ekranu, czy drucik centralny) do jednej z końcówek kondensatora.
Krok 9
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alessio Bernardelli
Krok 10
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alessio Bernardelli
  1. Aby ukończyć montaż obwodu, przylutuj wolny drucik przewodu z wtykiem „jack” do przeciwległego końca opornika.
  2. Możesz teraz podłączyć wskaźnik laserowy do urządzenia audio (za pomocą wtyku „jack”).
Kompletny odbiornik
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Alessio Bernardelli

Odbiornik

  1. Usuń izolację z końcówki drugiej połowy przewodu elektrycznego zakończonego wtykiem „jack”, według wskazówek opisanych w krokach 7 i 8 powyżej.
  2. Jeden z odsłoniętych przewodników (nie ma znaczenia który) przylutuj do jednej z końcówek fotoelementu, a drugi przewód do drugiej.
  3. Za pomocą wtyku „jack” podłącz fotoelement do wzmacniacza. Odbiornik jest gotowy do działania.

Działanie

Starannie nakieruj promień laserowy na fotoelement, wykorzystując w tym celu statywy z łącznikami zaciskowymi.

Włącz urządzenie audio. Po przesyłaniu za pomocą lasera muzyka będzie odtwarzana przez wzmacniacz. Aby bardziej udramatyzować demonstrację, podłącz do wyjścia wzmacniacza jakiś potężniejsze urządzenie nagłaśniające.

 

Uwaga

Nawet niewielka ilość światła laserowego może doprowadzić do trwałego uszkodzenia wzroku, zatem przestrzegaj zgodnego z instrukcją, bezpiecznego posługiwania się wskaźnikiem.

Urządzenie w działaniu. Laser został skierowany w stronę kamery i oświetla czujnik światła przytwierdzony za pomocą taśmy klejącej do drewnianego bloku. Dym pochodzi z maszyny dymowej i umożliwia widzenie promienia laserowego
Zdjęcie dzięki uprzejmości Alessio Bernardelli

Comunicando la física

Tak oto sposób zbudowaliśmy niezwykły gadżet. W gronie kolegów sądziliśmy, że uda się nam przygotować wraz z naszymi uczniami okazjonalny, interaktywny wykład – ale oni okazali się o wiele bardziej pomysłowi. Postanowili napisać sztukę opartą na przygodach James’a Bond’a oraz wykorzystać swoje przedstawienie do objaśnienia koncepcji fizycznych, na których opiera się działanie zbudowanego urządzenia.

Napisali zachwycający scenariusz, wypełniony treściami fizycznymi, z wieloma momentami zachęcającymi widzów do uczestnictwa. Przedstawienie przeznaczono dla uczniów w wieku 13-14 lat (dziewiąty rok nauki w szkole). Miało ono podnieść zainteresowanie przedmiotem – a także zachęcić do głębszego studiowania fizyki w szkole lub nawet na poziomie uniwersyteckim w przyszłości.

Alessio Bernardelli
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Alessio Bernardelli

Podczas przedstawienia starsi uczniowie wyjaśniali zagadnienia fizyczne, zawarte w programie GCSE (wiek 14-16 lat), jak np.: modulowanie sygnału, światło jako środek komunikacji, odbicie światła i światłowody oraz wybrane bardziej zaawansowane zagadnienia, np. efekt fotoelektryczny. Można ściągnąć scenariuszw2, i dokładnie zapoznać się z ich sposobem wyjaśniania tych idei.

Przedstawienie było wystawiane nie tyko w naszej szkole, ale także w innych szkołach w Walii. Dobre wrażenie pozostawiły u widzów: jakość sztuki, wiedza uczniów oraz ich umiejętność przekazywania jej młodszym kolegom. Najmłodsi widzowie potraktowali przedstawienie jako rozrywkowy sposób poznawania fizyki. Spodobało im się także to, że to nie nauczyciele a starsi koledzy objaśniali im te koncepcje.

Nastawienie uczniów biorących udział w przedstawieniu również uległo zmianie. Jedna z dziewcząt stwierdziła, że dopiero po napisaniu scenariusza i prezentacji efektu fotoelektrycznego młodszym uczniom, sama zrozumiała to zjawisko. Nauczyciele często doświadczają czegoś podobnego: dopiero gdy trzeba nauczyć danego tematu, samemu zaczynasz rozumieć go na wskroś. Częściowo wskutek realizacji tego projektu, wszyscy zaangażowani w nim uczniowie wybrali studiowanie fizyki albo studia politechniczne.

Rezultaty projektu

Projekt realizowano w czerwcu 2008 roku, ale jego efekty są odczuwalne nadal. W odwiedzanych przez nas szkołach nie tylko uczniowie oglądali nasze przedstawienie, także ich nauczyciele. Pokazywaliśmy jak wiele fizyki można wyjaśnić z pomocą naszego urządzenia. Ponieważ korzystaliśmy również ze wskaźników zbudowanych przez naszych widzów własnoręcznie, mogli później wykonywać podobne demonstracje na swoich lekcjach. Moi koledzy z Croesyceiliog Schoolw3 nadal korzystają z takiego urządzenia podczas lekcji.

Oddziaływanie naszego projektu wykroczyło poza rejon Walii. W październiku 2008, wraz z kilkoma moimi uczniami, prowadziliśmy warsztaty dla nauczycieli na Konferencji Walijskich Nauczycieli Fizyki (Welsh Physics Teachers’ Conference), zorganizowanej przez Instytut Fizyki UKw4.

W kwietniu 2009 odwiedziła naszą szkołę Science Made Simplew5 i włączyła fragmenty naszego projektu do swojego nowego pokazu dla szkół podstawnych i średnich, propagując nasz pomysł w całej Anglii i Walii.

Czas

Projekt był realizowany przez rok w ramach Rolls-Royce Science Prize 2008-09w6, w którym byliśmy jednym z dziewięciu finalistów. Poszukiwania informacji i prace projektowe zajęły nam kilka tygodni, budowa urządzenia trwała kilka dni. Pisanie scenariusza, próby i występy na scenie zajęły około dwóch miesięcy. Pozostała część roku została spożytkowana na współdziałanie z Institute of Physics oraz Science Made Simple.

Poświęcaliśmy na projekt jednogodzinną lekcję tygodniowo (dwie w tygodniu) przez około dwa miesiące. Pozostała część pracy została wykonana poza szkołą.

Podziękowania

Kierował projektem Alessio Bernardelli, ale byłoby to niemożliwe, gdyby nie pomagali mu Matt Smith and John Ivins, jego koledzy z Croesyceiliog School.

W okresie realizacji projektu Matt był metodykiem w Croesyceiliog School. Odegrał zasadniczą rolę w projektowaniu obwodu i rozwiązał wiele problemów narosłych w trakcie projektu. Obecnie jest szefem ds. fizyki w międzynarodowej szkole w Rzymie, we Włoszech.

John Ivins był kluczowym członkiem zespołu, dzięki swojemu dobremu kontaktowi z uczniami. Obecnie jest przewodniczącym zespołu nauczycieli fizyki w Croesyceiliog School w Cwmbran w Walii, UK.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Wykorzystaliśmy mały wzmacniacz audio krótkofalówki, jaką można nabyć w T2Retail (numer produktu 2771008): www.t2retail.co.uk
  • w2 – Scenariusz sztuki oraz będącą jej elementem prezentację Powerpoint można ściągnąć ze strony Science in School: www.scienceinschool.org/2010/issue17/laser#resources
  • w3 – Więcej na temat Croesyceiliog School: www.croesyceiliog.org.uk
  • w4 – TInstitute of Physics pomaga nauczycielom fizyki w Wielkiej Brytanii i Irlandii. Zobacz: www.iop.org/education
  • w5 – Science Made Simple oferuje edukacyjne pokazy dla szkół oraz podczas festiwali, opracowuje materiały edukacyjne do nauki przedmiotów przyrodniczych. Zobacz: www.sciencemadesimple.co.uk
  • w6 – The Rolls-Royce Science Prize pomaga nauczycielom w UK w metodyce nauczania przedmiotów przyrodniczych w szkołach i kolegiach. Zobacz: http://science.rolls-royce.com
  • w7 – The National Grid for Learning Cymru jest autorem niemal 3000 dostępnych w Internecie materiałów pomocniczych dla wszystkich poziomów nauczania w Walii. Po więcej szczegółów zajrzyj na: www.ngfl-cymru.org.uk
  • w8 – The Microsoft Innovative Teachers Forums jest zespołem identyfikującym i nagradzającym przykłady wykorzystania technologii podczas lekcji na poziomie narodowym, regionalnym i światowym, zobacz: www.microsoft.com/education

 

Resources

 

Author(s)

Alessio Bernardelli był w okresie realizacji projektu zastępcą przewodniczącego zespołu przedmiotów przyrodniczych w Croesyceiliog School w Cwmbran, Walia, UK. Nauczał przyrody uczniów w wieku 11-14 lat oraz fizyki starszych uczniów (14-18 lat).

Obecnie jest a wizytatorem w National Grid for Learning w Waliiw7 oraz koordynatorem w Institute of Physics teacher networkw4 w Gloucestershire. W 2007 roku był zdobywcą nagrody na Microsoft Worldwide Innovative Teachers Forumw8 w Helsinkach, Finlandia.


Review

Z dwóch powodów jest to projekt nowatorski. Łącząc różne koncepcje fizyczne prowadzi do nietypowego wykorzystania lasera oraz wykorzystuje niekonwencjonalną metodę pedagogiczną dla ułatwienia zrozumienia trudnych zagadnień. Uczniowie otrzymali okazję do samodzielnego działania, które przyniosło zdumiewający rezultat –powiązanie różnych aspektów fizyki (obwody elektryczne, fale dźwiękowe, światło jako środek komunikacji, efekt fotoelektryczny) oraz skonstruowanie funkcjonalnego urządzenia! Interesujące jest to, że uczniowie nie zakończyli na tym etapie, ale w bardzo oryginalny sposób udostępnili swój projekt innym – w przedstawieniu teatralnym. W swoim scenariuszu genialnie wpletli w treść sztuki trudne zagadnienia, a także ich proste, podane w zabawowy sposób wyjaśnienia.

Artykuł ten jest idealnym poradnikiem praktycznego działania, prowadzącego do samodzielnego zbudowania kilku jednakowych obwodów, albo kilku jego wariantów. Ujrzenie działającego urządzenia może być dla uczniów znakomitym doświadczeniem. Nie jest to trudne, dzięki załączonemu schematowi układu i szczegółowym instrukcjom. Potrzebne wyposażenie jest zwykle łatwo osiągalne w pracowniach fizycznych albo można je nabyć w sklepach, po bardzo rozsądnych cenach. Potrzebne pojęcia są omawianie w podstawie programowej dla szkół średnich (wiek 16-19). Uczniowie mogą zatem skorzystać z tej okazji, by zastosować swą wiedzę w praktycznym działaniu.

Ważne jest, aby pokazać uczniom, że fizyka to nie tylko zestaw podanych w uporządkowany sposób teorii, ale że jest również narzędziem do wyjaśniania niewiarygodnych zjawisk i co więcej, że może być zajmująca. Artykuł wskazuje na fakt, że tworzenie scenariusza, gra aktorska, może pomóc uczniom lepiej rozumieć różne zagadnienia samemu oraz lepiej wyjaśnić je młodszym kolegom, podpowiadając im jednocześnie, że fizyka może być źródłem zadowolenia i satysfakcji.

Dla uczących sie fizyki na poziomie zaawansowanym lub średnim (wiek 16-19 lat), projekt może być pomocny przy okazji poznawania złożonych obwodów elektrycznych i efektu fotoelektrycznego. Dla młodszych uczniów (wiek 13-15), koncepcje ujęte w wersji uproszczonej w przedstawieniu teatralnym pozwolą skonsolidować już poznane zagadnienia i wejrzeć w to, czego jeszcze można nauczyć się na bardziej zaawansowanym poziomie, pobudzając zainteresowanie i być może stanowiąc zachętę dla podjęcia studiów fizyki.

Interesujące, że gdy fizyka poznawana jest w formie zabawowej i zajmującej dla uczniów, obojętnie w jakim wieku, są oni w stanie lepiej zrozumieć najtrudniejsze nawet pojęcia. Jak twierdzą autorzy, uczniowie, którzy poprzednio opornie zmagali się z fizyką, poprawili swoje wyniki po wzięciu udziału w tym projekcie. To imponujące i choćby z tego powodu projekty tego rodzaju powinny być promowane.


Catherine Cutajar, Malta




License

CC-BY-NC-SA