ICT voor bèta-onderwijs

1. ICT voor bèta-onderwijs Module I, Niveau I Introductie computermeten CMA - Amsterdam

2. Definitie van Computermeten • De term ‘Computermeten’ wordt gebruikt om het proces van verzamelen en vastleggen van meetgegevens van sensoren. • Tot het computermeetproces behoort ook hardware: sensoren en interface. De sensor wordt aangesloten op een interface of datalogger. Deze zet het spanningsignaal van de sensor om naar digitale code, die ofwel direct naar de computer wordt verzonden (gewoonlijk via een USB-poort), of in de datalogger wordt opgeslagen om later naar de computer overgezet te worden. • Sensoren nemen de plaats in van conventionele meetinstrumenten zoals thermometers, voltmeters, pH-meters. CMA - Amsterdam

3. Schematische weergave • Sensor zet een grootheid om in een spanning (digitale sensoren zetten de spanning zelf om in digitale waarden). • Interface voorziet de sensor van voeding, zorgt vaak voor de omzetting van de analoge ingangssignalen in digitale waarden, en geeft deze informatie door aan de PC. • PC rekent spanning terug naar waarde van de grootheid (op basis van ijktabel) en slaat meetresultaten op. Gegevens worden weergegeven en is naar keuze bewerking en analyse mogelijk. CMA - Amsterdam

4. Voorbeelden van Computermetingen CMA - Amsterdam

5. Biologie: Een ECG opnemen CMA - Amsterdam De ECG sensor wordt gebruikt om een ECG op te nemen om de elektrische activiteit van het hart te bestuderen. De spiervezels van het hart produceren kleine elektrische spanningen die kunnen worden gemeten via elektrodes op de huid van de polsen.

6. Biologie: De hartslag meten CMA - Amsterdam De hartslagsensor wordt gebruikt om de hartslag te meten en in een grafiek te tonen. Met de hartslagsensor kan de bloedtoevoer in een oorlel (of pink) worden gevolgd. Elke keer dat de hartspier zich samentrekt wordt er bloed in de aderen gepompt. Hierdoor stijgt de bloeddruk en neemt de bloedtoevoer in het oor (pink) toe. De sensor schijnt licht op de oorlel en meet hoeveel licht wordt doorgelaten.

7. Biologie: Fotosynthese CMA - Amsterdam Het proces van fotosynthese onderzoeken. De CO2-sensor wordt gebruikt om de productie van CO2 gas door groene spinaziebladeren te volgen, in het donker en in verschillende verlichtingsom-standigheden.

8. Biologie: Fotosynthese CMA - Amsterdam Het volgen van de fotosynthese over een langere tijdsperiode (72 uur) Bij dit experiment kunnen veel verschillende sensoren zoals voor O2 (gas), CO2 (gas), licht, temperatuur en vocht worden gebruikt.

9. Biologie: Ademhaling bij meelwormen CMA - Amsterdam Het procesvan ademhaling bij meelwormen volgen De CO2-sensor wordt gebruikt om de veranderende CO2-niveaus in een gesloten reactievat met levende meelwormen te meten.

10. Sensoren voor Biologie • Voorbeelden van sensoren voor biologie: • CO2 sensor • Geleidbaarheidsensor • Zuurstofsensor (vloeistof) • ECG-sensor • Hartslagsensor • Lichtsensor • Zuurstofsensor (gas) • pH-sensor • Vochtsensor • Spirometer • Bloeddruksensor • Temperatuursensor • Draaihoeksensor (voor volumes) CMA - Amsterdam

11. Scheikunde: Endothermische reacties CMA - Amsterdam Meten en tonen van de temperatuur tijdens endotherme en exotherme reacties Tijdens de spontane reactie tussen kristalsoda (Na2CO3.10 H2O) en citroenzuur (C6H8O7.H2O) vindt een flinke temperatuurdaling plaats.

12. Scheikunde: Vlamtemperaturen CMA - Amsterdam Een thermokoppel is een eenvoudige temperatuursensor voor het meten van temperaturen in een groot bereik (van -200C tot 1400C) die kan worden gebruikt voor het bestuderen van de temperatuur in vlammen. Op deze manier kunnen temperatuurverschillen tussen verschillende plaatsen van de vlam gemakkelijk gedemonstreerd worden.

13. Scheikunde: Zuur-basetitraties CMA - Amsterdam De pH-sensor kan worden gebruikt om de pH-waarde tijdens zuur-basetitraties te meten. Als zuur wordt toegevoegd aan de base, verandert de pH geleidelijk, totdat de oplossing dicht bij het equivalen-tiepunt komt. Bij dit punt treedt een snelle verandering van pH op. Het toevoegen van de titrant kan automatisch worden gedaan via de stappenmotorburet die wordt aangestuurd door een programmaatje. Zo kan de hoeveelheid toegevoegde titrant worden gemeten.

14. Scheikunde: Reactiesnelheid CMA - Amsterdam Waarnemen van de reactiesnelheid door de verandering van concentratie te meten met een colorimeter.

15. Scheikunde: Energie van voedsel CMA - Amsterdam Bepalen van de hoeveelheid energie van één aardappelchip door meten van de warmte die vrijkomt tijdens de verbranding ervan. De meting gebeurt met een temperatuursensor die in goed thermisch contact geplaatst is met een calorimeter. De hoeveelheid warmte kan worden berekend via vergelijking met een ijkmeting die gedaan is met een standaard elektrische lamp in plaats van de brandende chip..

16. Sensoren voor Scheikunde • Voorbeelden van sensoren voor Scheikunde: • Colorimeter • Geleidbaarheidsensor • pH-sensor • Druksensor (voor gasdruk) • Temperatuursensoren • Troebelheidsensor • Spanningsensor • Ion-selectieve sensoren • ORP-sensor (oxidatie-reductiepotentiaal) • Draaihoeksensor (voor meten van gasvolume) CMA - Amsterdam

17. Natuurkunde: Faseveranderingen CMA - Amsterdam Waarnemen van het proces van faseverandering (van vloeistof naar vaste stof) bij de afkoeling van stearinezuur Meten met de temperatuursensor

18. Natuurkunde: Elektromagnetischeinductie CMA - Amsterdam Meten van de geïnduceerde spanning door een vallende magneet door een spoel over de uiteinden ervan Onderzoeken hoe de geïnduceerde spanning wordt beïnvloed door het omdraaien van de magneet of door magneten van verschillende sterkte. Alhoewel de proef binnen een halve seconde voorbij is, kan de geïnduceerde spanning worden gemeten via triggering.

19. Natuurkunde: Verdamping van vloeistoffen CMA - Amsterdam Waarnemen van het proces van afkoelen door verdamping van verschillende vloeistoffen (water, alcohol, ether) Meten gebeurt met een temperatuursensor

20. Natuurkunde: Aanzetten van een lampje • Stroomsensor, spanningssensor, lichtsensor (triggering, zelf grafieken maken, nieuwe grootheid berekenen) CMA - Amsterdam

21. Natuurkunde: Zwevingen bij geluid CMA - Amsterdam Onderzoeken van de vorm van geluidsgolven en van zwevingen. Zeer korte (tussen 50 en 500 ms) en zeer snelle (50.000 Hz) metingen met de geluidsensor.

22. Natuurkunde: Meten van de geluidsnelheid CMA - Amsterdam De geluidsnelheid bepalen met gebruik van de echomethode. De geluidsensor detecteert het begingeluid en de echo die gereflecteerd wordt van het andere uiteinde. De reistijd van de heen-en-weergaande golf kan worden afgelezen uit de grafiek. Uit de bekende afstand en de reistijd wordt de geluidsnelheid berekend.

23. Natuurkunde: Wet van Boyle CMA - Amsterdam Onderzoeken van de relatie tussen volume en luchtdruk in de spuit (wet van Boyle). De luchtdruk wordt gemeten met de druksensor en de bijbehorende waarde van het luchtvolume wordt afgelezen van de spuit en ingetypt via het toetsenbord.

24. Natuurkunde: Toestel van Atwood CMA - Amsterdam Bepalen van gdoor gebruik van het gatenwiel als een toestel van Atwood. Twee massa’s worden opgehangen over de katrol aan een draad. De spaken van het wiel blokkeren de lichtsensor, die pulsen genereren als het wiel draait. De pulsen worden geteld en geijkt in een afstand in meters. Er wordt gebruikgemaakt van pulsgestuurde meting: bij iedere puls op de telleringang door de lichtsluis wordt een meting gedaan.

25. Sensoren voor Natuurkunde • Voorbeelden van sensoren voor Natuurkunde: • Versnellingsensor • Draaihoeksensor • Ladingsensor • Stroomsensoren • Krachtsensor • Lichtsensor • Magnetisch-veldsensor • Bewegingsdetector • Lichtsluis met gatenwiel • Druksensoren • Stralingsensor • Geluidsensor • Temperatuursensor • Spanningsensor CMA - Amsterdam

26. Meerwaarde van computermeten • Om de meerwaarde van computermeten te kunnen inzien is het belangrijk om verschillende unieke kenmerken ervan te herkennen die niet beschikbaar zijn bij conventionele meetmethoden. CMA - Amsterdam

27. CMA - Amsterdam Deze kenmerken bieden mogelijkheden tot om het leerproces van leerlingen te verbeteren, wanneer de docent zich hiervan bewust is en de leeractiviteit zodanig toepast of ontwerpt dat deze mogelijkheden optimaal benut worden.

28. Computermeten: Unieke kenmerken • De computer wordt een meetinstrument • De computer, voorzien van een interface en een groot scala aan sensoren wordt een universeel meetinstrument dat voor een veelheid aan verschillende experimenten kan worden gebruikt. • Al deze ‘instrumenten’ gebruiken dezelfde software-omgeving. Dit maakt het voor gebruikers eenvoudiger computermeten op een veelheid van gebieden toe te passen. CMA - Amsterdam

29. Computermeten: Unieke kenmerken CMA - Amsterdam • Het meetproces verloopt automatisch • (Jonge) leerlingen met weinig meetvaardigheden kunnen ook al met meten bezig zijn; • Het spaart tijd die kan worden besteed aan het doen van waarnemingen aan het verschijnsel en aandacht te geven aan de grafiek • Er kunnen veel meer meetgegevens verzameld worden dan handmatig mogelijk is.

30. Computermeten: Unieke kenmerken • ‘Overal’ meten en langdurig meten • met een datalogger kunnen gegevens worden verzameld en opgeslagen, onafhankelijk van de computer • Dit maakt meting mogelijk in een groot aantal omgevingen, ook buitenshuis. • En het maakt langdurig verzamelen van gegevens mogelijk, langer dan de normale tijdsduur van lessen in de school. • Via videometen zelfs op de maan! CMA - Amsterdam

31. Computermeten: Unieke kenmerken CMA - Amsterdam • De tijdschalen waarop gemeten kan worden • De snelheid waarmee gegevens gemeten worden (meetfrequentie) is in te stellen op tijdschalen (heel snel en kortdurend, of traag en langdurig) die niet mogelijk zijn voor handmatig verzamelen van gegevens. • Het verzamelen van gegevens met heel snelle of heel langzame bemonstering maakt het mogelijk te meten in nieuwe contexten. Dit verbreedt en verdiept de wijze waarop leerlingen verschijnselen kunnen onderzoeken.

32. Computermeten: Unieke kenmerken • ‘Real-time’ rapporteren – gegevens worden gepresenteerd tijdens het meetproces • Dit maakt verzamelen van meetgegevens een interactief proces waarbij rechtstreekse waarnemingen van het verschijnsel ogenblikkelijk kunnen worden vergeleken met de grafiek. Met de juiste vragen bevordert dit het nadenken over het verschijnsel en stimuleert dit leerlingen om nieuwe dingen te onderzoeken. CMA - Amsterdam

33. Computermeten: Unieke kenmerken CMA - Amsterdam • Grote meetnauwkeurigheid en nauwgezette wijze van vastleggen • Deze is superieur aan handmatige methodes. Ook is het gemakkelijk om veel punten te meten.

34. Computermeten: Unieke kenmerken CMA - Amsterdam • Geen afleesfouten • Dit leidt tot informatie van een betere kwaliteit die de helderheid van de relaties tussen variabelen kan verbeteren.

35. Koppeling met eigen ervaringen • Formuleer voor jezelf welke aspecten van computermeten voor jou (in jouw lessen, voor je eigen leerproces) de meerwaarde ervan bepalen. • In hoeverre maak je al gebruik van deze kennis in je lessen? CMA - Amsterdam