Arduino技術で物理の実験室を変革する

新しいテクノロジー、例えばArduinoマイコンが学生の物理実験室を向上させるチャンスを提供してる。これらのデバイスは手頃で柔軟性があり、学生が高度な機器の使い方を学ぶのに役立つんだ。だから、2年生の優秀な物理実験室にArduino Dueボードを追加したんだ。目標は学生の学びの体験を向上させること。これらの変更は3つの実験モジュールで行われて、伝統的な実験室にしばしば見られる混乱を減らすことを目指した。この変化は、学生が遭遇した問題を解決することに積極的に参加することを促した。

問題解決の重要性は指導者によって強調され、実験を行う上で必要な部分だと言われた。この実験室の変更は、学生が通常の実験タスクを超えた作業を成すことを求めたため、成績の一部になった。ほとんどの学生は新しい技術に歓迎したけど、全員の体験を向上させるために教育方法に調整が必要だってわかった。特に、多くの学生は追加の作業に取り組むために余分なサポートが必要だった。また、特に女性などの代表されていないグループの学生が、ペアで行うことが意図された実験室で少しでも置いてけぼりにならないように、いくつかの学生に慎重な指導が必要だと気づいた。学生が自分のパートナーを選ぶと、一部は一人で作業することになり、重い負担を抱えることになった。これらの教訓を考慮した結果、修正された実験室での学生の体験が大きく改善されたのを観察したよ。

物理実験室は未来の物理学者を育成するために重要だ。これらの実験室は学生が物理学者のように考える手助けをして、学問的なキャリアと非学問的なキャリアで役立つスキルを提供するべきなんだ。でも、伝統的な実験室はしばしば複雑で高価な機器を使っていて、学生を現実の研究や仕事の準備ができないままにしてしまう。学部の研究は教室での学びを現実の実験室につなげることができるけど、通常は学生が普段の実験コースでは学ばないスキルが必要なんだ。

だから、物理実験室は学生が現実の研究体験や仕事のためによく準備するようにシフトする必要がある。これらの実験室を改善するための証明された方法は、コンピュータや低コストの電子機器を効果的に使うことだよ。これが私たちの学校の優秀な物理実験室を変えるための戦略の一部になっているんだ。

ピッツバーグ大学では、物理科学の1年生は最初の物理の講義を受けた後に別の実験コースを受けるんだ。つまり、物理専攻の学生が最初に参加する実験は、通常の初心者実験か、ここで話している優秀な実験室のどちらかだよ。この優秀な実験室では、入門講義で良い成績が求められており、週に3時間の実験セッションが2回あることで厳しい作業が知られている。このクラスには通常10人から16人の学生がいて、物理専攻の約30%がこの優秀な実験室を選んでいる。

物理実験室を変えるプロセスは十分に文書化されている。最初のステップは、教員と話をして目標を定め、関連するガイドラインを見直すことだった。次に、このフィードバックに基づいて新しい実験タスクと手続きが設計された。最後に、3つの新しいArduinoベースの実験モジュールを含む変更を評価した。

私たちの努力は二つの主な目標に導かれた。学生が物理学者のように考える手助けをすることと、大事な研究技術を教えること。これらの目標は新しいモジュールの設計中の2つの重要な原則を形成した。まず、機器は様々な実験で使われる本物の研究ツールであるべきということ。次に、学生は機器をトラブルシューティングし、異なる変数をテストし、互いにコラボレーションできるべきだということ。

最初の目標を達成するために、Arduinoベースのデジタルテスト機器を作成した。変革のために生み出されたソフトウェアはすべてオープンソースでオンラインで利用可能だ。二つ目の目標に対処するために、コースの運営方法を変更し、実験作業のために追加のタスクを加えたんだ。

私たちの学びへのアプローチは認知的徒弟制度モデルに基づいていて、これは学生が良いパフォーマンスを見せられ、その後重要なスキルを学ぶための支援を受け、自立して練習することで最高の学びが得られると提案している。私たちは新しいスキルの開発において助けが重要だと信じている。トラブルシューティングと追加の作業は、学生が修正された実験室で成功するために必要な指導を受けられなければ、利益にならない。

新しいArduinoベースのモジュールと追加のタスクの成功を測るために、私たちは学生の作業を分析し、実験に対する彼らの態度を調べるための調査を行い、実験室での学生との観察やインタビューを行った。

#新しい実験モジュール

Arduino Dueのシンプルさ、低コスト、有効性は物理実験室に適している。以前の作業は主に一度限りのプロジェクトに焦点を当てていたが、私たちは第二年生の優秀な実験室に高度な電子機器を持ち込む柔軟なシステムについて報告している。シンプルなボード、ブレッドボード、コンピュータを使用することで、Arduinoベースのシステムは多くの従来の実験室デバイスを模倣できる。データはArduinoからコンピュータに流れ、オープンソースソフトウェアがそれを分析し、オシロスコープ、シンセサイザー、スペクトルアナライザー、その他のツールの機能を再現する。焦点は、たくさんの複雑なデバイスで苦労するのではなく、学生が一つの機器を理解し、トラブルシューティングするのを助けることにある。トラブルシューティングスキルを教えることが実験室の変革の大きな目的だったんだ。

Arduino Dueはカスタムビルドのボードを介してテストデバイスとアナログ回路に接続される。この接続により、学生はより手頃で取り替え可能な部品を使えるようになる。Arduinoシステムは従来の機器に比べて安価だ。学生はArduinoベースのデバイスを理解できるツールとして見ることが奨励される。彼らは初期の数週間に基本的なプログラミングを学び、データ分析やデータ取得コードを探索し変更することに動機づけられる。ほとんどの学生は科学的プログラミングやデジタルエレクトロニクスの授業を受けていて、同じツールを使うため、研究を始めるときにArduinoベースのデバイスを理解しやすくなっている。

一般的に、学生は優秀な実験室へのArduinoの導入に前向きで、実験作業に対して興奮を表現していた。半数以上の学生が、オプションが与えられたときに一つ以上のArduinoベースの実験を実施することを選んだ。

以下は、Arduinoベースのデバイスを使用するために設計された3つの実験の説明だ。これらの実験は、古い機器に依存していたり、必要な分析をうまく行えなかった以前のタスクを置き換えるものだ。各タスクは、新しい機能や機器を段階的に紹介する構造になっていて、学生が自分のツールについて批判的に考え、効果的にトラブルシューティングできるようになっている。これら3つの実験は、学生が物理学者のように考え、有用な実験技術を学ぶという全体的な目標に沿っている。

#テスト測定

4週間の入門期を経て、学生はさまざまなテストツールの使い方を学ぶためにこの実験を始める。この中には、ロックインアンプ、スペクトルアナライザー、Arduinoシステムで動作する他のデバイスが含まれる。学生はまず測定の理解から始め、次に簡単なRC回路を通じて信号を分析する。彼らは異なるツールを使用して、回路が異なる周波数でどのように動作するかを調査する。このモジュールでは、信号のフーリエ分解を探索することやRL回路での実験を繰り返すこともできる。

この実験は、学生がArduinoベースのツールの基本を把握し、重要な電子工学の概念を学ぶ手助けをするように設計されている。全ての学生が高価な機器を共有せずに作業できるため、基本的な電子の原則について迅速に学ぶのを助ける。

#RLC回路

この2週間の実験では、学生はRLC回路の動作を調査する。彼らはまずオシロスコープなどのツールを使って短期応答を分析し、次に追加のデバイスを使って定常状態の応答を調査する。回路が共鳴の近くでどのように反応するかを研究し、調和振動子の応答と比較する。この実験はよりオープンエンドで、学生はどのパラメータとツールを使用するかを自由に選ぶことができる。

#音響共鳴

この2週間の実験は、スピーカーとマイクを使って木製の箱内の音響モードに焦点を当てる。学生はこれらのモードの周波数を測定し、位相応答を分析する。彼らはマイクを移動させて共鳴モードをマッピングすることができる。このタスクはRLC回路分析とは異なり、学生がより複雑で具体的な方法で共鳴の概念を探求できるようにする。

#学生の学び

新しいツールを導入することに加えて、私たちは変革目標に沿っていくつかのコース要素を変更した。実験室のハンドアウトは、厳格な形式から柔軟なトピックの議論に調整された。成績システムも変更され、詳細な実験ノートを維持する重要性を強調した。Arduinoベースの機器への移行は、従来の実験室の混乱の側面を減少させ、学生が新しいツールの使い方を学ぶためにもっと時間をかけることを求めた。

学生は、実験室コースの核心部分としてトラブルシューティングの重要性を学んだ。指導者は、この変化を促進するために、問題解決が物理学者のように考えるためにどれだけ重要かを語った。学生は自分の装置を効果的にトラブルシューティングする方法を学ぶために指導が必要だ。私たちはトラブルシューティングを二つの主な方法で教えた。最初に、学生はテスト測定モジュールを通じて、個々の電子部品が信号にどのように影響するかを観察することを学んだ。彼らはさまざまな回路ポイントで測定を行い、信号がどのように変化したかを理解するためのプローブを使用した。トラブルシューティングの重要な側面は、ブレッドボード上の回路を通じて信号を追跡し、配線のエラーを見つけることだった。

次に、実験室の指導者はコース全体で学生が問題を診断するのを支援することを目指した。指導者は、学生が実験で直面している問題を特定するのを助ける特定の測定を提案した。

もう一つの変更は、20%の実験報告書が割り当てられたものを超えた追加の探求を論じる必要があることだった。学生は、明確な説明と正しい分析に基づいて評価される伝統的な実験報告書を最終実験のために提出するオプションがあった。「上を行く」という要件は、学生が物理学者のように考えることを促し、独立した探求とスキル開発のチャンスを提供した。一部の学生は興味深い質問を引き起こす実験に取り組み、物理学への好奇心と理解を示した。

変革の有効性を評価するために、私たちは1学期にわたって28の実験報告書を分析した。追加作業の多様性が学生によって行われ、彼らの創造性と理解を示しているのがわかった。ある学生は結果の理論的側面を調査することを選び、他の学生は予期しない発見に基づいて調査を続けたり、データ収集を拡張したり、装置を改善したりした。

これらの励みとなる結果にもかかわらず、追加の作業に対するサポートが不足していたため、一部の学生は秀でるのが難しかった。追加の探求に取り組まなかった学生は、より多くのガイダンスや受け入れられる仕事の例が必要だったかもしれない。私たちは、次のコースの提供で成功した追加探求の過去の例を提供することが学生を大いに助けたことがわかった。

実験物理学に対する態度が変わったかどうかを評価するために、学期の始めと終わりに学生に調査を行った。調査は、参加者が実験物理学の専門家のように考えていると思う度合いを測定した。私たちは、優秀な実験室でのスコアがオープンエンドの作業に焦点を当てたコースのスコアと似ていることを発見した。

#学生の体験

物理実験室は、学生が有用な研究スキルを育成し、物理学への興味を高めるために支援的な環境を提供できる。全体的に、学生は新しいArduinoツールに前向きに反応し、多くはその体験が刺激的だと感じた。一部の学生は研究の設定で即座に実験スキルを適用できた。

しかし、十分な支援を受けられなかった学生にとって、実験体験は彼らの物理学での居場所に対する認識に悪影響を及ぼす可能性がある。この実験室の変革の影響を測るために、私たちは実験室の設定でインタビューや観察を行った。

全体的に、実験室の環境はポジティブで、学生は指導者やお互いとの良好な関係を築いていた。彼らは一人で作業するか、パートナーと作業するオプションがあり、大部分はチームを組むことを好んでいた。学生数が奇数であった場合、一人はしばしば一人残されることが多かった。

指導者は、学生がトラブルシューティングスキルを学ぶ必要があることを強調した：予期しない結果に基づいて問題を診断する方法を学ぶ際には、忍耐強く方法論的であることが重要だ。このスキルは、自信がない学生やサポートしてくれるパートナーがいない学生にとってはフラストレーションが溜まるものだ。

例えば、一人で作業していた男性学生は非常に難しいと感じ、ネガティブな体験をした。一方、クラスで唯一の女性学生は、男性のクラスメートがペアを組んでいたため孤立して感じ、助けを求めるのが難しかった。彼女はパートナーなしでトラブルシューティングを管理するのが難しいといった。フラストレーションを感じて、物理学での自分の居場所を疑うようになってしまった。

両方の学生が似たような課題に直面していたにもかかわらず、女性学生は一人で作業することでよりネガティブな影響を受けた。自信が低かったため、最終的に彼女はコースを完了せずに通常の入門実験室に切り替えた。

この問題を今後のクラスで防ぐために、学生が必要に応じて3人のグループで作業する機会があることを確保し、指導者が必要に応じてペアを積極的に形成するステップを踏んだ。最近のコースでは、女性学生がパートナーを見つけることができ、誰も孤立によってドロップアウトすることはなかった。協力した2人の女性学生は、ポジティブな体験を見つけ、指導者が頻繁にチェックインしてくれることを評価し、評価されることなくプライベートで質問することができると感じた。

#討論とまとめ

私たちの経験から、実験室で平等な学習機会を提供しようとする指導者に向けていくつかのステップを提案する：

1. すべての学生がパートナーと作業できるようにし、たとえ彼らが一人で作業することを好んでも。
2. 必要に応じてグループを割り当て、代表されていない学生が孤立しないようにする。
3. 時折グループをローテーションさせて協力を促し、悪い習慣を防ぐ。
4. 学生に定期的にチェックインし、質問を恐れずにすることを普通にし、必要なときには静かに支援する。

物理専攻に焦点を当てた実験室は、学生が実践的なスキルを築く手助けをし、物理学者の考え方を育むことができる。ここで議論したArduinoベースの機器は、学びの体験を向上させるダイナミックなツールだ。コースの構造の変更やトラブルシューティングスキルの支援、追加の探求を奨励することは、学生に今後の学問的または専門的なプロジェクトに必要なスキルを提供できます。

学生によって示されたさまざまな追加作業のタイプは印象的である一方、私たちはその質を向上させたり、この期待に応えられない学生を支援することを続けています。この課題は、革新と実験室スキルの必要な練習とのバランスを見つけることだと認識しています。

研究によると、アクティブラーニングはさまざまな学生グループ間のパフォーマンスのギャップを減少させることができるが、その実施方法がこの成果を達成する鍵だ。したがって、私たちは実験室の変革中に代表されていない学生のニーズを捉えるために、インタビューや観察を通じて学生個人の体験に焦点を当てました。

優秀な実験室は、すでに物理学者として自分を見つけるのが難しい学生に特に重要です。私たちは、コースに少数しかいないこれらの学生のニーズに応えることを目指しました。

優秀な実験室カリキュラムに対する変更は、物理教育の関連性とアクセス可能性を向上させるエキサイティングな機会を開きます。これらの変革が実施される際には、学生がスキルを育成するプロセスを考慮して十分なサポートを受けられるようにすることが重要です。そうすることで、このような新しい実験室コースはすべての学生が物理学で強いアイデンティティを育て、研究のための貴重な実験室スキルを習得するのを助けることができる。