Nina Tomaszewska
Ośrodek Edukacji Informatycznej i Zastosowań Komputerów
VI LO im. T. Reytana w Warszawie
nina@oeiizk.waw.pl

Nazwa Coach funkcjonuje już od dawna. Przed 20 laty w Zakładzie Dydaktyki Fizyki na Uniwersytecie w Amsterdamie zrodził się pomysł stworzenia systemu Mikrokoputerowo Wspomaganego Laboratorium (Microcomputer Based Laboratory). W celu wdrożenia nowej idei do praktyki w roku 1987, przy poparciu Ministerstwa Edukacji zawiązana została fundacja CMA - Centre for Micro c omputer Applications, firma o charakterze produkcyjno - handlowym.
Oprócz przyrządów pomiarowych tj. interfejsu oraz zestawu czujników należało opracować program komputerowy, dzięki któremu można byłoby zbierać i przechowywać dane oraz prezentować je w fo r mie tabeli bądź wykresu. Program obsługujący pomiar nazwano Coach . Jego twórcy, z Tonem Ellermeijerem na czele postawili sobie następnie ambitniejsze zadanie - stworzenia całego środowiska w postaci pakietu programów do jak najszerzej rozumianego opracowania wyników pomiarów. Zamiar został zrealizowany. I tak powstał DOS-owy program IP COACH (Integrated Package COACH), a w lipcu ubiegłego roku ukazała się pełna wersja Coacha , uzupełniona o WIDEOPOMIARY, dla środowiska Windows pod nazwą COACH 5.

Program COAC H 5 zawiera moduły, które umożliwiają:

• Pomiary on-line, off-line i sterowanie
• Pomiary wideo
• Zaawansowane przekształcanie i analizę danych
• Tworzenie dynamicznych modeli zjawisk

Moduły są ze sobą zintegrowane, co umożliwia np. stosowanie narzędzi analizy danych w zwykłych pomiarach, ale i w pomiarach wideo; umożliwia budowanie modelu zjawisk i porównanie ich z wynikami eksperymentów.

Widok interaktywnego ekranu programu COACH 5 przedstawia Rys.1.


Rys.1

Główne okno może być podzielone na 3 lub 4 okienka. W widocznym na Rys.1 podziale na 3 okienka u dołu ekranu pokazany jest widok konsoli pomiarowej, zestaw czujników - po lewej, zestaw aktuatorów (urządzeń wykonawczych) - po prawej stronie. Mniejsze okienka mogą zawierać:

• Tekst z wyjaśnieniem dotyczącym ćwiczenia,
• Notatnik ucznia,
• Rysunek albo fotografię ilustrujące układ doświadczalny, przebieg doświadczenia,
• Film wideo przedstawiony w celu zilustrowania badanego zjawiska albo będący podstawą wideopomiarów,
• Model numeryczny lub graficzny zjawiska fizycznego,
• Program w języku programowania Coach do sterowania urządzeniami i systemami,
• Linki do sieci WWW, będące dla uczniów dodatkowymi źródłami wiadomości.

Wyboru lub zmiany zawartości okienek można dokonać za pomocą żółtych przycisków, znajdujących się w pasku narzędzi u góry ekranu programu COACH 5. Tam też znajdują się przyciski narzędziowe, w łatwy sposób umożliwiające wykonanie:

• wyboru ćwiczenia,
• zapisu wyników na dysku lub dyskietce oraz otwierania wyników zapisanych wcześniej,
• drukowania zawartości okienek,
• zmiany liczby okienek (odsłanianie i ukrywanie konsoli pomiarowej),
• zmi any ustawień pomiaru (czasu, częstotliwości próbkowania, warunków wyzwalania).

W programie dostępna jest, uruchamiana przyciskiem ze znakiem zapytania, pomoc kontekstowa.

Pomiary
Ćwiczenia pomiarowe prowadzone za pomocą COACHa 5 umożliwiają wprowadzeni e danych do programu w trybie on-line i off-line . Pomiar on-line polega na bezpośrednim, prowadzonym w czasie rzeczywistym pomiarze wielkości fizycznych z użyciem czujników i interfejsu pomiarowego. Czujniki pozwalają zamienić mierzoną wielkość fizyczną na sygnał napięciowy, natomiast główna funkcja interfejsu polega na zamianie tego sygnału, który jest sygnałem analogowym na sygnał cyfrowy, zrozumiały dla komputera. Program Coach 5 może obsługiwać interfejsy następujących firm: CMA (UIA/UIB, CoachLab I i CoachLab II), Texas Instruments (CBL ^TM , CBL2 ^TM , CBR ^TM ), Fourier Systems (EcoLog ^TM ), LEGO DACTA ^(R) (Control Interface, RCX ^TM ).

Jeśli chodzi o możliwości naboru danych COACH 5 posiada wiele zalet. I tak:

1. Mogą być stosowane dwa rodzaje procedur pomiarowych w pomiarze bezpośrednim ( on-line ): pomiar w funkcji czasu i pomiar automatyczny, wyzwalany zajściem jakiegoś zdarzenia ( event based measurements ) np. pomiar pH po wprowadzeniu przez biuretę ustalonej porcji związku chemicznego.
2. Pomiar off-line polega na ręcznym wprowadzeniu danych (z klawiatury). Można wtedy jedną wielkość fizyczną mierzyć za pomocą czujnika, a drugą za pomocą przyrządów dostępnych w pracowni fizycznej. Dane pomiarowe wprowadzane są wtedy do tabeli i można je jednocześnie zobaczyć w postaci p unktów pomiarowych na wykresie. Można również do programu, w celu opracowania wyników pomiarowych (np. dopasowania krzywej), wprowadzić obie wielkości fizyczne zmierzone w pracowni "tradycyjnie".
3. Bardzo łatwo wprowadza się do programu kalibrację czujnika. Należy w tym celu czujnik jakim dysponujemy wybrać z biblioteki czujników i ikonę czujnika przyciągnąć do odpowiedniego wejścia konsoli pomiarowej. Możliwe jest również zastosowanie własnego czujnika i wykalibrowanie go z użyciem programu COACH.
4. Proste jes t przygotowanie, czy zmiana ustawień eksperymentu: czasu pomiaru, częstotliwości próbkowania i warunków wyzwalania pomiaru. Pomiar może być wyzwolony automatycznie. Rozpocznie się, gdy mierzona wielkość lub wielkość z innego czujnika osiągnie zadaną wartość (od góry lub od dołu).
5. Możliwe jest przedstawienie na tym samym wykresie pomiarów różnych wielkości fizycznych mierzonych w funkcji czasu lub w funkcji jednej, dowolnie wybranej spośród mierzonych wielkości.
6. Istnieje możliwość przedstawienia na wykresie podczas eksperymentu nie tylko wielkości mierzonej bezpośrednio, ale także (a jeśli chcemy - tylko!) wielkości obliczonej, pochodnej. Np. mierzymy położenie w funkcji czasu ciała zawieszonego na sprężynie, a możemy przedstawić jak w funkcji czasu zmienia się jego energia kinetyczna.
7. Ciekawą, z dydaktycznego punktu widzenia nowością jest możliwość narysowania przez ucznia przewidywanego dla danego procesu wykresu. W celu porównania tego przewidywania z rzeczywistym przebiegiem procesu można na tle narysowanego wykresu nanieść dane eksperymentalne.
   
   Pomiary wideo
   Za pomocą pomiarów wideo możemy badać ruch ciał bez użycia interfejsu pomiarowego i ultradźwiękowego miernika odległości. Jest to możliwe z wykorzystaniem cyfrowego filmu wideo i odpowiedniego oprogramowania. Zaletą tego rodzaju pomiaru jest to, że film może przedstawiać ruch w sytuacjach rzeczywistych, związanych ze sportem, zabawą, transportem itp. Poza tym ta nowa technika daje możl i wość badania ruchu w dwóch wymiarach.
           Program COACH 5 zawiera moduł "POMIARY WIDEO" umożliwiający pozyskanie, z poszczególnych klatek filmowych, danych dotyczących położenia ciała. Aby obliczyć rzeczywiste odległości, konieczne jest wprowadzenie s kali odwzorowania obrazu. Na obrazie powinien znajdować się przedmiot o znanych rozmiarach. Wówczas można wprowadzić przeliczenie odległości na ekranie komputera na odległość prawdziwą, odnoszącą się do filmowanej rzeczywistości. Jeśli teraz na każdej kla t ce umieszczony zostanie układ współrzędnych, to możliwe będzie wyznaczenie prawdziwych współrzędnych x i y wybranego punktu badanego obiektu. Program służący pomiarom wideo działa tak , że pomiaru dokonuje się podczas zaznaczania interesującego punktu na ekranie przez kliknięcie weń kursorem myszki. Na każdej klatce pozostaje jakby stempelek - kolorowy znacznik pokazujący zaznaczone miejsce. Jednocześnie każdej klatce przyporządkowany jest czas, bowiem, jeśli czas zerowy odpowiada pierwszej klatce filmu, to każdej następnej odpowiada czas o D t = 1/f późniejszy, gdzie f jest częstotliwością z jaką nagrano film. W ten sposób przebiega poklatkowa analiza całego filmu, a dane (x, y, t) są automatycznie wprowadzane do tabeli. Zebrane dane można następnie obejrzeć w formie wykresu oraz analizować je za pomocą narzędzi COACH 5.

Rys. 2.

Na rys. 2. pokazano zrzut ekranu COACHa 5 z modułu "POMIARY WIDEO". Widoczne są wykresy - nie tylko położenia w funkcji czasu, ale również zmian energii. Widoczne jest także użycie funkcji "Odczyt wartości" z wykresu, które jest zsynchronizowane z przeglądaniem filmu. Pozwala to uczniom powiązać oglądaną na filmie konkretną sytuację związaną z ruchem z jej abstrakcyjną, graficzną reprezentacją.

Modelowanie
Zawarty w COACHu 5 moduł MODELOWANIE wprowadza uczniów w świat budowania teorii fizycznej. Modelowanie numeryczne pozwala rozwiązać wiele zagadnień, które, ze względu na trudności matematyczne, są (w szkole) nie do rozwiązania na drodze analitycznej. Niejednokrotnie zagadnienia te są interesujące i ważne - dotyczą fizyki otaczającego nas świata np. ruchu z oporem. Można nie rezygnować z omawiania tych zagadnień, jeśli zastosuje się rozwiązania numeryczne, oparte na obliczeniach "krok po kroku". Są one łatwe dla ucznia zarówno pod względem matematycznym jak i koncepcyjnym.
Moduł MODELOWANIE dostarcza narzędzi do sporządzenia modeli dynamicznych różnych zjawisk, takich jak np.: spadek z u w zględnieniem siły oporu, drgania tłumione i wymuszone, stygnięcie i ogrzewanie ciała, rozładowanie i ładowanie kondensatora. Do tworzenia modeli i wpisywania warunków początkowych, parametrów zjawiska oraz "kroku czasowego" stworzono dwa typy edytorów: gr a ficzny i tekstowy.
W edytorze graficznym struktura modelu jest reprezentowana w symbolicznej, graficznej formie przedstawiającej zmienne, parametry i związki między nimi. Przykład takiej struktury w formie graficznej przedstawia Rys. 3. Jest to model osc y latora tłumionego.

Rys. 3.

Budowaniu modelu graficznego towarzyszy automatycznie, niejako w tle, budowanie modelu w trybie tekstowym. Rysunek 4. pokazuje jak wygląda zapis tekstowy modelu oscylatora tłumionego. Lewe okienko zawiera właściwy model numeryczny, a prawe - warunki początkowe, wartości parametrów oraz krok obliczeń numerycznych dt.

Rys. 4.

Sto sując tzw. monitorowanie można jakby podejrzeć pracę modelu. Jeśli uruchomimy model przy otwartym jego oknie, to przemieszczające się podświetlenie będzie pokazywało jak komputer przechodzi od jednego wiersza modelu do kolejnego, jakie są przy tym oblicza n e wartości poszczególnych zmiennych i jak poprzez wprowadzanie tych wartości do układu odniesienia, "na oczach" tworzy się wykres. Rysunek 5. pokazuje zrzut ekranu, gdy program MODELOWANIE pracuje w opcji "Monitor".

Rys. 5.

Uruchomienie modelu przy zamkniętym oknie modelu spowoduje bardzo szybkie pojawienie się wykresu w przygotowanym uprzednio układzie współrzędnych. Jest tu, przy tworzeniu wykresu duża dowolność: możemy oglądać zależności czasowe wybranych zmiennych (nawet w jednym układzie współrzędnych), a nawet np. zależność v(x) co pokazane jest na Rys. 6.

Rys. 6.

Co więcej możemy na opracowanym modelu dokonywać symulacji, tzn. zmieniać parametry występujące w modelu i obserwować zmiany w zachowaniu modelu. W ten sposób można otrzymać całą serię krzywych obrazujących pewną zależność, przy występowaniu różnic w wartości wybranego parametru. Na Rys. 7. widzimy funkcje x(t) przy dwóch różnych wartościach współczynnika tłumienia b .

Rys. 7.

Wyniki modelu mogą być porównane z danymi doświadczalnymi, w ten sposób że wykres związany z modelem można nałożyć na, występujący wtedy w tle, wykres eksperymentalny. Model można łatwo zmodyfikować lub zmienić jego parametry. Uczeń może wobec tego zweryfikować swoją hipotezę i znaleźć związek pomiędzy rzeczywistym doświadczeniem i modelem teoretycznym.

Przetwarzanie i analiza danych
Przetwarzanie danych ściśle związane jest z oknami wykresu i tabeli. Okna te są ze sobą zsynchronizowane; np. wybór punktu na wykresie powoduje podświetlenie odpowiedniej wartości w tabeli.

Program COACH 5 dostarcza następujących narzędzi analizy wykresu:

• Zoom - powiększenie wybranego fragmentu wykresu lub powiększenie z najlepszym dopasowaniem do okna wykresu;
• Odczyt - wyświetlenie współrzędnych wybranego przez zaznaczenie punktu wykresu;
• Nachylenie - obliczenie nachylenia (tangensa kąta między styczną do krzywej a osią X) w wybranym punkcie wykresu;
• Powierzchnia - obliczenie powierzchni pod krzywą w określonych przez użytkownika granicach;
• Dopasowanie funkcji - aproksymacja uzyskanej w doświadczeniu lub modelowaniu krzywej przez standardową funkcję matematyczną. Dopasowywana funkcja musi najpierw być wybrana z listy typowych;
• Analiza sygnału - znalezienie widma sygnału z użyciem transformaty Fouriera lub przewidywania liniowego;
• Wybór danych - redukcja liczby punktów pomiarowych wykresu np. ograniczenie zakresu osi X;
• Interpolacja - dopasowanie krzywej do niewielkiej liczby punktów pomiarowych (do 30) (metoda Splein, Bezier);
• Filtrowanie - wygładzanie krzywej poprzez uśrednianie wartości w małych przedziałach;
• Różniczkowanie - obliczanie pochodnej ze zbioru danych;
• Całkowanie - obliczanie całki (jako funkcji) ze zbioru danych.

Program COACH 5 dostarcza następujących narzędzi analizy tabeli:

• Zaawansowany edytor wzorów wprowadzanych do nowych kolumn;
• Edycja - możliwość ręcznego wpisywania wartości w kolumnach, wprowadzanie zmian w komórkach i rzędach;
• Statystyka - pokazanie informacji statystycznych dotyczących zbioru wartości w każdych kolumnach;
• Import - możliwość pobrania danych w postaci tabeli (z COACHa 4, Coacha Juniora, pliki DIF, TXT);
• Eksport - możliwość wysłania danych w postaci tabeli (pliki DIF, TXT);

Program COACH 5 jest, jak starałam się to pokazać, programem o wspaniałych możliwościach. Jego cenną zaletą jest to, że jest otwarty. I to zarówno ze względu na wiek ucznia (od 11 do 20 lat), nauczany przedmiot (fizyka, biologia, chemia, technika) jak i nauczane treści. Nauczyciel wykorzystując ogromne możliwości narzędziowe programu CO A CH 5 może samodzielnie opracować ćwiczenie dla swoich uczniów, zawierając w nim teksty instrukcji, poleceń, wskazówek, rysunki, linki do internetu. Może ułatwić pracę uczniom poprzez przygotowanie układu współrzędnych do wykresu, czy dokonanie ustawień do pomiarów wideo. Oczywiście nauczyciel może również korzystać z gotowych, dołączonych do programu ćwiczeń. Może też je modyfikować, przystosowując do swoich potrzeb.

Minimalne wymagania systemu komputerowego dla COACH 5 są następujące:
PC z procesorem 486
4 MB RAM
10 MB wolnych na dysku
Windows 3.1x
Stacja CD ROM

Firma CMA sprzedaje program COACH 5 oraz układy pomiarowe do wielu krajów świata. Program został przetłumaczony na 18 języków, w tym również na polski. W naszym kraju produkty oferowane przez CMA można kupić m. in. za pośrednictwem Ośrodka Edukacji Informatycznej i Zastosowań Komputerów, 02-026 Warszawa, ul. Raszyńska 8/10
tel.: (+22) 822-40-19.
Wszelkie informacje można uzyskać pod adresem internetowym:
http://www.oeiizk.waw.pl/ctn/
Kontakt e-mailowy: ctn@oeiizk.waw.pl
Przewodnik do programu Pomiary z interfejsem CoachLab"