Чому набір EdPro Amperia не може бути дешевим, як компоненти на AliExpress?

Чому масмаркети з матеріалами невідомої якості не можуть бути мірилом для нашого набору для вивчення фізики EdPro Amperia.

У цій статті ми проаналізуємо, чому масмаркети з матеріалами невідомої якості не можуть бути мірилом для нашого набору для вивчення фізики EdPro Amperia, розглянемо історію створення, складність та відмінність від інших аналогів. Пригадуєте, як цьогоріч у соцмережах активно обговорювали вартість бандури й чому цей інструмент не може бути дешевим?
Будь-яка інженерна розробка має компроміси, тому завжди викликає критику. Почитавши та послухавши відгуки про набір EdPro Amperia, який команда розробників створювала більше ніж три роки, консультант з фізики, провідний інженер ІФКС та викладач УКУ Олег Фаренюк вирішив розповісти, чому цей комплект є саме таким й показати, які компроміси було зроблено і чому. Хтось наголошуватиме на потребі зменшити ціну, комусь не вистачатиме діапазону чутливості приладів... Але команда EdPro вважає наше рішення оптимальним для школи.

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Мрія створити сучасне обладнання для викладання фізики

Я став фізиком-теоретиком, тому що мені цікаво: як функціонує наш світ, які зв’язки між його частинами. Хоча мене завжди більше цікавили фундаментальні теорії, але фізика — наука про реальність. Хотілося мати можливість взаємодіяти із нею ближче — відтворити класичні експерименти, зробити крок ліворуч-праворуч, щоб побачити — що станеться? Адже якщо не спробуєш, не будеш нормально розуміти написаного в книгах. 
Фізичний факультет в тому плані став жахливим розчаруванням. У нас були хороші викладачі та досить збалансована програма. Але дослідів у нас не було! Як виглядала лабораторна? З двох пар ти пів години розбираєшся із теорією: що міряється і для чого. Це нормально. Далі, мало не під дулом пістолета натискаєш на установці пару кнопок або повертаєш важелі, або ще щось таке. Записуєш жменю цифр. І наступних кілька годин рахуєш якісь величини, похибки, придумуєш висновки. Так, похибки потрібні — це критичний елемент аналізу експерименту, однак шанси зрозуміти, навіщо всі ці проблеми, довга і нудна метушня з похибками, були практично нульовими. Осягалося вже потім, в процесі практичної діяльності. Замість дослідження реальності виходило нудне і довге виконання загадкових ритуалів. 
Чому так? Апаратури було мало, вона була зношена, грошей на заміну не було і не передбачалося. Програму виконувати потрібно, більшість студентів не особливо готові сприймати, не зацікавлені або й зовсім байдужі. Але це неправильно. Відтоді думав: як щось змінити? Нечіткі думки так би й залишилися фантазіями, якби не Андрій Табачин із його командою. Завдяки EdPro маю можливість безпосередньо докластися до покращення ситуації. 
Насправді ми лише розпочали — готовим є комплект для електрики та електродинаміки, який протягом трьох років під час розробки активно тестувався вчителями та учнями. А зараз працюємо над іншими розділами фізики: термодинаміка, оптика, механіка. 

блог EdPro, Олег Фаренюк, викладач УКУ

Олег Фаренюк розповідає про набір EdPro Amperia

Як команда EdPro працювала й обирала саме такі рішення

Уявімо, що я хочу проводити зі школярами експерименти з фізики. Нехай умови практично ідеальні — кошти та можливість купляти обладнання є. Діти у нас як у будь-якій школі — геніїв електроніки та вундеркінді мало, увага дітей обмежена за тривалістю, читати томи інструкцій, терпляче паяти схеми вони не готові. Та й сама спроба змусити їх це робити — ризикова, адже діти швидше повірять в магію та абсолютну відірваність закону Ома від реальності, ніж слухатимуть розмови про акуратність, контакти що відійшли, похибки і т.д.
Яке обладнання для таких експериментів можна купити? З нашого досвіду, найбільш точним, хоча формально й помилковим, буде твердження — ніяке. Заради економії часу та сил, не буду відтворювати тут посилання на кращі результати кількох років пошуку в Інтернеті. Їх легко повторити, почавши з Aliexpress, Alibaba, спеціалізованих на освіті eiscolabs.com, sciencelabsupplies.com та десятків дрібніших постачальників. Якщо є бажання заперечити, будь ласка, зразу діліться конкретними покликаннями на ресурси, де можна купити відповідне обладнання. Ми купували сотні приладів у десятках місць. Німецьке чи куплене в США відрізнялося від придбаного на Aliexpress лише ціною. Ті ж тендітні, громіздкі та ненадійні прилади. Керовані блоки живлення знайти можна, але вони дорогі, громіздкі, лише із постійним струмом, і взагалі обмеженим функціоналом. З вимірювальними приладами трохи краще. Але є свої труднощі. Розглянемо їх детальніше.  

Вимірювальний прилад 

  • блог EdPro

    Електромеханічні (“стрілкові”) прилади важливі, завдяки своїй простоті, а з погляду чутливості, за певних обставин можуть змагатися з електронними аналогами та випереджати їх. Саме тому в комплекті є один гальванометр — мікроамперметр, проградуйований умовними одиницями. (Все одно, електромеханічні мікроамперметри доволі швидко втрачають свою точність в шкільних умовах). З ним можна познайомитися із вимірюваннями без магії — лише прості електродинамічні процеси, сила Ампера, акуратний баланс механіки, все таке. Однак, для масованих експериментів такі прилади незручні. Обмежений діапазон, по одному різновиду виміру на прилад, легкість виходу з ладу. Крім того, точність таких приладів, зазвичай невисока або її досягнення вимагає професіоналізму оператора і хорошої історії попередньої експлуатації. 
    Нагадаємо — учням і так важко. Нові ідеї, незвичне обладнання, багато факторів, що відволікають. Чим менша кількість додаткових речей навантажуватиме учнів, тим краще. Поширені в побуті недорогі цифрові мультиметри потребують перемикання діапазонів та правильного вибору роз’ємів для щупів під час конкретних вимірів. Для багатьох із них, особливо дешевих, щупи доводиться перемикати, переходячи від виміру струму до виміру напруги. Це зроблено для здешевлення приладу без помітної втрати точності. Але це незручно, а для частини дітей, ще й в умовах шкільного уроку — майже нездоланний бар’єр. 
    Дорожчі, професійні вимірювальні прилади, особливо стаціонарні, зазвичай з діапазонами не заморочуються. Вибирають їх автоматично. Хоча, необхідність перемикати щупи трапляється навіть частіше через бажання досягти вищої точності, відділивши різні канали вимірювання. Однак, у них суттєвий недолік — завжди висока ціна й доволі часто — великі розміри. 

фізика

Вимірювальний прилад, який ми використовуємо для калібрування та тестування наших приладів. Універсальний, керований комп’ютером, непогано захищений.

Крім необхідності перемикати діапазони, під час дослідів потрібно вибирати режим вимірів — що саме міряємо, струм, напругу чи щось інше. Постійний струм чи змінний? Автовизначення тут неможливе — експериментатор повинен повідомити приладу свої наміри. Зазвичай, режим вибирається поворотом тієї ж ручки, що й діапазони вимірювань. При цьому дуже часто проміжні режими є неприйнятними за поточного підключення. В ідеалі, прилад слід від’єднати, повернути, під’єднати. Тому що, наприклад, якщо в режимі виміру струму під’єднатися до джерела живлення, станеться коротке замикання. Навіть коли цей режим ввімкнувся на долю секунди, як проміжний етап при повороті ручки, у кращому випадку, вийде з ладу запобіжник, в гіршому — весь прилад. Зізнаюся, під час ранніх випробувань в школах, в середньому, за урок таким чином виходили з ладу два прилади. З чотирьох таких помилок одна була моя чи інших членів команди — учні, руху багато, увага розсіюється. 
Додатково, з міркувань безпеки дітей, ми відчували потребу проєктувати досліди так, щоб, зазвичай, струм був до 1 А, напруга — до 5 В. За таких умов, багато явищ чітко побачити важче, ніж маючи 12-36 В та 10 А, але це безпечніше, та й організацію лабораторій сильно спрощує. 
Тому мультиметр в EdPro Amperia максимально простий у використанні та захищений від більшості спроб використати його неправильно, окрім механічного пошкодження. 

1. Магнітні контакти вибирають, що саме хоче виміряти учень. Коли вибрано один параметр, прилад візуально підказує, що потрібно зробити далі. 

2. Перемикання діапазонів — автоматичне, але через потребу у високій точності на малих струмах і напругах, було використано аналогово-цифровий перетворювач (АЦП — серце таких вимірювальних приладів), який є дорожчим від деяких “побутових” мультиметрів.3. Важливо, щоб учні могли легко читати покази приладу, навіть при прямому сонячному освітленні та з неідеальним зором. Тому використано великий OLED дисплей — лише вони забезпечують належний рівень контрасту. 4. Діти та й дорослі помилятимуться. Через перевантаження або свідомо перевірятимуть, що прилад може і скільки витримає. Тобто, мультиметр повинен легко переживати включення у джерело живлення в режимі амперметра для всього робочого діапазону напруг. Іншими словами, не боятися короткого замикання. Плавкі запобіжники це забезпечили б. Але, як показали наші досліди в школі, замінювати їх так часто було б проблемою. Твердотільні (самовідновлювані) запобіжники не завжди будуть встигати захистити прилад — ми перевіряли разом з учителями та дітьми! Тому наша схема захисту складна, із багатьох недешевих компонент.

5. Важливо, щоб учні могли легко читати покази приладу, навіть при прямому сонячному освітленні та з неідеальним зором. Тому використано великий OLED дисплей — лише вони забезпечують належний рівень контрасту. 

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

6. Бажано, щоб прилад був компактним та автономним. Варіант зі змінними джерелами живлення помітно збільшив би його розміри та зменшив надійність. Тому використано вбудований акумулятор. При цьому, потрібно обрати безпечний та довговічний акумулятор і створити надійні схеми його заряджання і контролю — як з міркувань пожежної безпеки, так і з міркувань живучості приладу. 

Убезпечитися від механічного знищення ми не можемо — прилад вийде захмарно дорогим. Однак, хотілося б захистити його від неправильного використання. Ми тестували його живучість, застосовуючи всю нашу фантазію. Не буду описувати подробиць, щоб не подавати ідей, але живучість та безпечність приладу висока. Його важко вивести з ладу, що б там учні з ним не робили, користуючись лише нашими комплектами, і навіть вийшовши з ладу від нештатного насильства, він майже завжди залишатиметься безпечним — зіпсується, але не вибухне і не загориться. Ймовірно, навіть залишиться придатним до ремонту, хоч і не безкоштовного. 
Отож основним рушієм розробки мультиметра були: простота використання, надійність щодо невірного використання, точність, достатня для наочних експериментів у межах шкільної та непрофільних університетських програм. Наслідком цього став прилад, який містить під дві сотні радіодеталей.

Завдяки акуратному підбору компонент приладу, як бонус, без додаткового зростання ціни виробу — хай і з потребою додаткової розробки, вдалося доповнити прилад можливістю отримувати виміри через Інтернет, з використанням WiFi та підключати зовнішні сенсори. Це дуже допомагає з аналізом результатів трохи складніших експериментів — записувати їх на листочку тепер не обов’язково, можна зразу працювати з електронними табличками чисел. Протокол сенсорів відкритий — будь-хто з Ардуїно може створювати свої сенсори, майже як завгодно складні та придумувати свої експерименти. Також у додатковому наборі Amperia+ ми надаємо багато готових сенсорів: температури, тиску, вологості, звуку, освітленості та кольору, інфрачервоного випромінювання тощо.

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Сила та спектр звуку від сенсора звуку з Amperia+ — створювати такі сенсори можуть й учні, які цікавляться робототехнікою.

Підсумовуючи, переваги нашого приладу:● Висока чутливість та точність● Вимірювання постійного та змінного струму● Простота у використанні● Захист від некоректного використання● Доступ до вимірів за допомогою Wi-Fi та Internet із будь-якого браузера● Підтримка зовнішніх сенсорів із відкритим протоколом, документацією та прикладами використання.
Отож собівартість нашого мультиметра більша, ніж у простих приладів з масмаркетів і онлайн-магазинів. Професійні ж прилади з такими можливостями, коштують багато дорожче — їхня вартість зазвичай починається від тисячі доларів.

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Провідники та контакти

Ми неодноразово розповідали, чому контакти магнітні:● Жорсткі контакти, використані в багатьох конструкторах, перетворюють збирання схеми на складання пазла, із всіма мінусами цього підходу. ● Контакти типу “банан” громіздкі — загромаджують схему, при спробах перебудувати — розвалюють її. Перший рік ми планували використовувати саме їх, випробовували в школах — це ніяк не годиться. ● Популярні поміж любителів “дюпони” вимагають акуратності, вони мініатюрні, легко ламаються та відходять. Це перевірено під час роботи зі студентами факультету прикладних наук УКУ. Так, вони доволі швидко навчилися правильно використовувати “дюпони”, хоча й скаржаться на них. Однак, те що підходить вже дорослим студентам одного із кращих університетів України — не працюватиме масово в школі. 

фізика

Розробка третього прототипу, вже без використання “бананів”, перші магнітні контакти, 2017. Більше фото раннього періоду розробки — тут.

Магнітні контакти із тонкими провідниками дозволяють легко збирати схему, вона виходить схожою на ту, що малюють в зошитах — мінус умовні позначення приладів. Вони зручні, прості та надійні. Однак, важко передати, наскільки дорого вони нам обійшлися. Тому їхня технологія запатентована компанією. Це позірно тривіальна річ, лише якщо самому склепати для себе і самому миритися із проблемами. Масове виготовлення при збереженні якості доволі коштовне.

Блок живлення

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Для блоку живлення важливою є автономність. Проводити живлення від мережі — дорого, вимагає суворих заходів безпеки та постійного контролю за учнями. Невдале замикання в трансформаторі цілком може подати на розетки, замість відносно безпечних 36В, усі 230В. Так, це малоймовірно, але важливо передбачити навіть малоймовірні ситуації, якщо йдеться про небезпечні наслідки. 
Живлення від змінних батарей теж проблемне — купувати їх в школах просто не стануть. Тому найпрактичніше — внутрішній акумулятор із перезарядкою. 
Однак, така автономність має свої мінуси. Струми та напруги будуть невисокими. Багато які ефекти, ту ж силу Ампера, легко побачити, закачавши в провідник півдесятка ампер, а провідність конденсатора для змінного струму добре видно, коли на нього подали кілька десятків вольт змінної напруги. Якщо такої можливості немає, доводиться підвищувати точність вимірювальних приладів. 
Ще одна дуже важлива для фізики у школах причина збільшувати точність: багато які ефекти, той же резонанс в коливальному контурі, легко побачити, якщо твердо знати, що шукаємо. Не просто “колись чув”, а впевнено володіти відповідними поняттями, без потреби задуматися, посидіти, згадати. Тоді достатньо й опосередкованих експериментів. Та й для професіоналів-фізиків та інженерів це дуже корисне вміння. Але цей підхід погано підходить для учнів. Учням вартує демонструвати явища якомога більш безпосередньо.  
Так, можна піти шляхом “і так зійде”. Але там, де треноване око або складна статистична обробка зможуть виявити ефект, дитина лише вирішить — понапридумували всякого. Демонстрація ефекту чи явища повинна бути наочною. Не обов’язково з уроку робити шоу, ефектну театральну постановку. Це корисно, однак, сил і часу вчителям та викладачам зазвичай бракує. Але абсолютно нікуди не годиться: “нууу, якщо покрутити, підігнати, ви можете побачити…”. А “наші прилади не працюють, ви зробіть, бо мусимо, але запишіть в зошити правильне…” — це взагалі службовий злочин, який не виправдовується ні низькою зарплатою, ні недосконалістю учнів. По-перше, ще нехай, експерименти ставити складно, потребує досвіду, а по-друге — пряме прививання учням ідеї “брехня та ваша наука” і прийнятності такої брехні. А потім ми дивуємося кількістю фальшування в наукових роботах…    
Можливість керувати напругою — важливий спосіб зробити експерименти більш безпосередніми. Так, варіант із реостатом в ролі подільника напруги працює, однак відволікає на ще одну технічну подробицю, тоді як для експерименту потрібно всього лиш встановити напругу-1, потім напругу-2 і т.д. 
Використання для керування напругою подільника варто знати. Тому й існує відповідна лабораторна робота. Хоча, зауважте, це дуже не енергоефективний спосіб — різниця між вхідною та вихідною напругою банально перетворюється в тепло. 
Також хотілося б, щоб внутрішній опір джерела був якомога меншим, аби воно мінімально впливало на схеми та могло віддавати якомога більший струм. Іншими словами, було ідеальним джерелом напруги, принаймні в якомусь діапазоні навантажень. 
Тут проявляється ще одна проблема. При всіх цих вимогах, джерело живлення стає складним електронним приладом (а див. далі, що ще в ньому мусить бути!). Нехай. Однак, навіть такий простий та звичний пристрій, як електрична лампочка на 6В, подарує вам сюрприз. Коли вона холодна, її опір трохи вищий за 3 Ома, коли прогріється — 11 Ом. Це означає, що в момент запуску, перші долі секунди, поки прогрівається, за прикладеної постійної напруги 5В, у ній буде струм 1.7А! Потім він впаде до 0.45А. Для звичайної батарейки — не проблема. За рахунок внутрішнього опору, напруга, в момент запуску, трохи просяде, потім — відновиться. Складний електронний пристрій зійде зі свого електронного глузду, або й взагалі вийде з ладу. Тому потрібні кола зворотного зв’язку та спеціальний режим перевантаження — емуляція отого падіння напруги на виходах, коли прилад вже не здатен підтримувати напругу, яку від нього захотів користувач. Наприклад, наш блок живлення, без найменших проблем, видає 1 А при напрузі 5 В. Навіть за струму 1.25 А він все ще буде здатен підтримувати 5В, хоча ми цього вже не гарантуємо, це інженерний запас. Однак, за струму 1.5 А, напруга впаде до 2.5-3 В. Це вже режим перевантаження — він не шкодить приладу, але батарея сідає швидко, і реальна напруга на виходах відрізнятиметься від номінальної. 

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Як блок живлення справляється з коротким замиканням.

Максимальний струм — до 2.3 А. Це якщо влаштувати блоку коротке замикання. Хоча ми не можемо цього гарантувати, під час випробувань блок живлення працював в такому режимі понад годину до повної розрядки. Захищений блок живлення й від інших способів некоректного використання, хоча зіпсувати його трохи простіше, ніж мультиметр. 
Як додатковий захід безпеки, вимірюється температура на силових елементах схеми. Якщо вони перегріваються, спрацьовує захист. Прилад пищить та перестає подавати напругу на виводи доти, поки користувач не втрутиться. Так буває за великих струмів при малих напругах — як не дивно, тепловиділення при цьому найвище. 
Завершуючи із лампочкою, навіть електричний двигун постійного струму — річ складна, та капризна — із своїми іскрами, індуктивними стрибками ЕРС, що здатні збивати з пантелику чутливу електроніку, не приніс нам стільки розваг та радощів від інженерної творчості, як оця банальна лампочка. 
Наступна проблема — це акумулятори. Струм для всіх цих екстремальних розваг береться від них. Найкращі компактні акумулятори — на базі літію. Вони ж є найнебезпечнішими. Потреба підібрати акумулятор, здатний справлятися із такими навантаженнями, але залишається безпечним — ще одна нетривіальна задача, яка зайняла прірву часу, через випробування. Бо теорія — хороший дороговказ, але аж ніяк не кінцевий висновок. Крім того, акумулятори із потрібними характеристиками, довелося замовляти у виробника, тому вони дорогі. 
Все це разом дуже ускладнило схему. В блоці живлення більше ніж сто вісімдесят компонент! У мультиметрі — лише трохи менше. 

Тому й собівартість відповідна — на додачу до дорогих АЦП (блок живлення працює ще й вимірювальним пристроєм) та OLED-дисплеїв, потрібні спецакумулятори та дорогі силові операційні підсилювачі й транзистори.

Бонуси сучасних цифрових технологій

Після подолання описаних вище труднощів, ще одна корисна характеристика дісталася приладам майже безкоштовно. Вони здатні свої виміри передавати через Інтернет, приєднуючись до Wi-Fi мереж. Крім того, для економії часу на уроці та більшої наочності, блок живлення вміє автоматично будувати вольт-амперні (ВАХ) та амплітудно-частотні характеристики (АЧХ). Це як альтернатива для учнів, які уже вміють зробити вручну, кроку за кроком, що на початку є кориснішим. Але у вчителя з’являється вибір — залежно від наявного часу та поточної задачі, робити як доцільно. До прикладу, резонанс чи різниця між лампочкою і світлодіодом виглядають дуже наочно. Прилад на кожен експеримент витрачає менш як хвилину, а учні — десятки хвилин. 

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Вольт-амперні характеристики трьох резисторів, лампочки та діода. Власне, суть закону Ома — що вольт-амперна характеристика багатьох провідників є прямою лінією, а опір визначає кут її нахилу. Хоча, звичайно, вивчаючи закон Ома, такі експерименти варто робити вручну! Автоматична побудова потрібна вже на наступному рівні, коли учні “помацали” самостійно і опори і діоди.

Змінний струм критичний для нашої цивілізації, але в школах розглядається дуже побіжно. Причин я достеменно не знаю, але маю гіпотезу — з ним складно працювати. Його складно генерувати, складно вимірювати. І наші прилади все це вміють. Щоб дати нарешті школярам нагоду попрактикуватися зі змінним струмом, подивитися, як через розрив у колі — конденсатор — протікає струм, як котушка віддає “закачану” в неї електромагнітну енергію, “помацати” власноруч самоіндукцію тощо. Може після цього вони й страшного слова “імпеданс” не будуть боятися. 

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

До речі, експоненційний розряд конденсатора через резистор (наявні в нашому комплекті) можна побачити на власні очі. Добре тренований учень встигатиме записувати виміри, а нетренований зможе побачити на екрані.

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Розряджання конденсатора через резистор. 

З індуктивністю так безпосередньо побачити не вийде. Але можна подивитися на АЧХ RCL ланки.

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Резонанс у паралельній LC-ланці, коливальному контурі. Одне з найважливіших для радіозв’язку явищ, яке, за допомогою нашого приладу, WiFi та будь-якого браузера, можна показати за лічені хвилини. 

Підсумовуючи, переваги нашого приладу:● Джерело постійної та змінної напруги ● Майже ідеальне джерело напруги в штатних режимах● Режим перевантаження, для ситуацій, де він потрібен● Висока надійність● Захист від невірного використання, можливість тривалий час працювати навіть за умов короткого замикання● Автономність, потужний та надійний акумулятор● Доволі точний вбудований вольтметр та трішки менш точний амперметр● Керування за допомогою Wi-Fi та Internet із будь-якого браузера● Можливість проведення автоматизованих експериментів, зокрема подавати вказану напругу протягом вказаних інтервалів часу● Автоматична побудова АЧХ та ВАХ

У результаті понад 180 компонент та висока собівартість — таки трохи вища за батарейки чи й примітивні лабораторні блоки живлення.

Решта обладнання

Один електромеханічний гальванометр в комплекті потрібен, він наочніший і має трохи кращий час реакції в деяких експериментах, наприклад, з індукцією. Що ми від нього хочемо? Здавалося б, небагато. Щоб з адекватною котушкою та магнітом можна було побачити згадану електромагнітну індукцію і щоб він не розвалювався в руках. Ми знайшли такий. Це зайняло три роки наполегливих і, місцями, нервових, пошуків. При тому він помітно дорожчий за найдешевші одноразові китайські аналоги. Але й різницю легко побачити, взявши обидва в руки та спробувавши провести з ними досліди.

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Гальванометр — ідеальний прилад для демонстрації електромагнітної індукції.

Реостат — це рік пошуків, поїздка в Китай, щоб знайти такий, що не розвалюється в руках або після трьох лабораторних. 

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Розробка трансформатора теж було епічним квестом. Яких тільки монстрів не було створено перш ніж ми створили його в поточній формі. 

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Кращий навчальний трансформатор, який нам змогли нам зробити в Китаї (ліворуч) та розроблений нами трансформатор (праворуч).

При всьому прогресі сучасних технологій, прозорий контейнер із магнітною стружкою у в’язкій рідині, щоб візуалізувати магнітне поле, теж виявився проблемою, яку можна вирішити, але це коштуватиме дорого. Знову ж, після спроб зробити експерименти тим і тим — різниця стає дуже відчутною.

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Лампочки, резистори, транзистори — не проблема, але кубики із якісного пластику теж досить дорогі. А неякісний і ламатиметься, і санітарних сертифікацій не пройде. Візуальний вигляд теж важливий. Експерименти показують — звичний дітям формфактор, схожий на Лего, їх радує та спрощує виконання робіт. У школах не раз спостерігали радісну реакцію, як на знайомий конструктор. Коли не страшно, розібратися багато простіше — нічого складного в шкільних експериментах немає. 
Плюс, потрібно було розробити та виготовити пресформи. Створити виробничу лінію — мультиметр та блок живлення повністю виготовляються в нас, в Україні. Створити тестовий стенд — повне ручне тестування та калібрування одного приладу займало 4-6 годин. Перед тим потрібно було розробити схеми, корпуси, технологічні процеси, запрограмувати мікроконтролери — їх у кожному приладі два. 

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики

Тестовий стенд для програмування, калібрування та тестування наших мультиметрів і блоків живлення. Вони, хай і з меншою точністю, заміняють три прилади на фото — керований блок живлення, генератор сигналів та мультиметр.

Альтернативи 

Друге активне зауваження після ціни, — це існування на ринку схожих конструкторів. Вони дійсно дуже класні. Шкодую, що в період мого дитинства вони були недоступні — багато втратив, враховуючи, що пайка мені давалася важко, навчився сяк-так вже дорослим. 
Однак, у них абсолютно інші задачі, ніж в обладнання для експериментів в школах та абсолютно інші обрані компроміси. Наприклад, жорсткі перемички для з’єднання, популярні у багатьох із них. Дозволяють зібрати схеми за схемою, як у пазлі. Так, приємно отримати результат, коли чітко по інструкції зібрав і працює — способів помилитися менше. Як тільки хочете відхилитися від наданих схем, стає помітно важче. Такий підхід дуже ригідний. Більшість запропонованих в інструкціях до них схем орієнтуються на вау-ефект, а не на розуміння. 
Що є в школах. Ми багато їздили, відвідали десятки шкіл. Спочатку випробовували в спеціалізованих школах, із сильними учнями та ініціативними вчителями фізики. Потім, зрозумівши, що цього не досить, організовували й візити до звичайних шкіл.
Результати спостережень такі. Реостати присутні в помітних кількостях. Вбиті пружинні контакти теж є. Якщо “трудовик” хороший, реанімують в міру сил. Вимірювальні прилади, які вимірюють настрій бактерій в підлідних озерах Антарктиди та температуру на Марсі. Рідше такі, що міряють обіцяну написами на них фізичну величину, якщо їх гарно попросити й, бажано не дихати. А якщо учень на парту сперся в процесі, вони переходять до попередньої категорії. Інше обладнання присутнє спорадично. Десь є робоча модель електрогенератора, десь — комплект котушок і магнітів. Штативи є, щоправда, майже всюди. 
Останні роки купують трохи китайського обладнання. Як вже згадувалося вище, воно ніяке. Важко знайти таке, що не розвалюється в руках зразу, найпізніше — після трьох класів, що зробили лабораторну. Ми купляли для тестів, дуже багато обладнання — в Китаї, Німеччині, США тощо. Сотні різних приладів. Більшість або дуже неякісне або дороге, або те і те одночасно. Купити можна недорого. Купити щось, що вдасться використати за призначенням, важче. А щоб вдалося використати два-три уроки підряд, не стоячи над учнями «із пістолетом», вимагаючи делікатного поводження — проблема. Можна, але важко. Однак, низька ціна на обладнання найнижчого рівня із ніякою придатністю, вводить в оману щодо цін на лабораторне обладнання взагалі. 
За нашими даними, в США користуються такими одноразовими приладами. Але дійсно як одноразовим, кожного разу замовляючи нові. У нас так не вийде. Можливо, десь і є школи, обладнані всім. Ми таких не бачили, та й, навіть, не чули… 

Про шкільну програму

Якщо уважно прочитати запропоновані програмою лабораторні, вони орієнтуються на “класичні” прилади — такі, які можна було б купити в 60-х роках минулого сторіччя. Свої плюси в тому є — через них і у нас є електромеханічний гальванометр, компас, магніти, цинкові та мідні електроди тощо. Однак, використовуючи сучасні прилади, можна зробити помітно більше — показати більше явищ або звичні явища показати під іншим кутом. Щоб допомогти із цим, ми пропонуємо методичні рекомендації — що і як можна робити з нашими приладами на уроках, практикумах чи й вдома. 

Замість висновків

Я усвідомлюю, що більшість учнів думатимуть не про фізику, а про те, як втекти з уроків швидше. Припускаю, що багатьом вчителям хочеться того ж самого. Я розумію, що жодне обладнання та методички не зможуть забезпечити позбавлення від цього явища повністю. Але сподіваюся, якщо вдасться зменшити їх кількість, хай, на 10% — це буде неймовірним успіхом. Нікуди ж не годиться, коли абсолютна більшість нових знайомих, почувши, що я фізик, відповідають: “Я терпіти не міг фізику в школі!” Скільки там тої фізики, щоб такий жах наганяти. Чудово, якщо тих, хто полюбить фізику, стане трохи більше.
Якщо нічого не робити, ставатиме гірше. Це тільки ілюзія, що цивілізація існує сама собою. Їжа в магазинах, електрика в розетках, Інтернет “в проводах”, вода з крана тече, транспорт їздить чи літає завдяки тому, що достатньо людей нормально розуміють фізику, щоб із них можна було підготувати техніків для підтримки того всього (інфраструктури), інженерів для розробки всіляких приладів та науковців, щоб інженери мали на чому базуватися. Неможливо та й не потрібно, всім знати фізику досконало, але хоч трохи розуміти, як влаштований наш світ — критично для всіх. Щоб не вестися на шахраїв, щоб обирати якість — чи у магазинах, чи на виборах тощо.
Розробляючи наші прилади, нашу Amperia, замість популярного підходу: “якомога дешевше, лише б хоч якось працювало”, ми вирішили: ● Прагнути до максимальної наочності,● Не опускатися нижче певного рівня якості — навіть якщо це дорого,● Випробовувати та покращувати як обладнання, так і методичні рекомендації доти, поки вони не стануть належної якості для успішного проведення всіх важливих шкільних експериментів,● Потурбуватися, щоб прилади були живучими, без проблем витримували не досвідчених користувачів — школярів. 

EdPro Amperia, вивчення фізики, лабораторні з фізики, Олег Фаренюк

Об’єктивно такі вироби не можуть бути дешевими, але це — капітальні витрати, приладами можна користуватися для дуже широкого кола задач, з мінімальною підготовкою і протягом тривалого часу. Так, Amperia дорожча за найдешевші зразки з онлайн магазинів і масмаркетів, але помітно дешевша за аналогічне професійне обладнання за можливостями та зручніша за них для учнів.