Jsou levná DIY čidla použitelná pro školní experimentování?

Moderní výuka přírodních věd stojí na experimentech, měření a práci s reálnými daty. Když se ale škola nebo rodič domácího školáka rozhodne pořídit digitální měřicí systém, často narazí na tvrdou zeď: peníze. Komerční školní měřicí systémy jsou sice skvělé, ale jedno jediné čidlo často stojí více než kompletní vybavení chemického kroužku základními chemikáliemi. Nabízí se proto logická otázka: Můžeme v laboratoři nebo doma na kuchyňském stole plnohodnotně nahradit drahé komerční senzory levnými součástkami ze světa Arduina (tzv. DIY čidly), aniž bychom obětovali kvalitu výuky?

V rámci vývoje a testování otevřeného školního měřicího systému MoleGraph jsme proto postavili běžná dostupná levná čidla a jejich moduly přímo proti jednomu z hojně rozšířených komerčních meřicích systémů školních laboratoří – bezdrátovému systému PASCO.

Naším cílem nebylo zjistit, které čidlo má na papíře lepší parametry. Šli jsme na to optikou účelnosti pro vzdělávání (v angličtině známé jako Fitness for Purpose). Učitel ani domácí školák totiž nepotřebují měřit teplotu vroucí vody s přesností na tisíciny stupně – potřebují mít ale jistotu, že čidlo je dostatečně přesné a spolehlivé na to, aby bylo možné zkoumat a následně pochopit např. různé přírodní zákonitost. Právě budování důvěry v nízkonákladovou technologii je klíčem k tomu, aby se digitální měření dostalo do rukou opravdu každému žákovi.

Podívejme se na sedm základních čidel pro výuku nejen chemie (uplatnění najdou ve všech přírodních vědách a zvláště při STEM přístupu - Science (přírodní vědy), Technology (technologie), Engineering (inženýrství/konstruování) a Mathematics (matematika). Jde o mezioborový vzdělávací koncept, který tyto čtyři oblasti nevyučuje izolovaně, ale propojuje je v jeden smysluplný celek.) v přímém souboji parametrů, cen a praktické využitelnosti. (Kompletní přehled zapojení a desítek dalších čidel najdete v katalogu čidel MoleGraph a také v naší otevřené tabulce podporovaných senzorů s popisem zapojení jednotlivých čidel, orientační cenou a odkazy do různých eshopů k nákupu.)

1. Univerzální laboratorní teploměr

Teploměr je naprostým základem každé laboratoře. Do srovnání jsme vybrali komerční bezdrátový teploměr PASCO PS-3201 a legendární digitální čidlo DS18B20 v nerezovém vodotěsném pouzdře.

Verdikt pro výuku: Komerční čidlo má sice jemnější rozlišení, ale pozor – absolutní přesnost mají obě čidla zcela identickou (±0,5 °C). Při běžných školních pokusech, jako je sledování bodu varu při destilaci, tání ledu nebo měření exotermických a endotermických reakcí, nepoznáte v naměřených grafech prakticky žádný rozdíl. Rozdíl ale poznáte v rozpočtu: za cenu jednoho komerčního teploměru pořídíte více než 80 kusů čidla DS18B20.

2. Tlakoměr (měření tlaku plynů)

Pro pokusy, kde je potřeba měřit tlak plynu, jsme porovnali senzor PASCO PS-3203 a integrovaný piezorezistivní tlakový senzor MPX5700DP.

Verdikt pro výuku: Situace je velmi podobná jako u teploměru. PASCO nabídne o chlup jemnější rozlišení, zatímco DIY čidlo MPX5700DP vítězí ve větším měřicí rozsahu a rychlosti vzorkování. Např. pro ověření Boyleova-Mariottova zákona jsou obě čidla naprosto rovnocenná. DIY senzor má ale jedno eso v rukávu: jde o duální (diferenciální) tlakový modul, se kterým lze přímo měřit tlakový rozdíl ve dvou samostatných komorách, což představuje didaktickou výhodu navíc. Cena snímače MPX5700DP je přitom výrazně nižší.

3. Elektrická vodivost roztoků a rozpuštěné látky (TDS)

Měření el. vodivosti odhaluje přítomnost iontů v roztoku. Proti sobě nastoupily komerční konduktometr PASCO PS-3210A a nízkonákladový modul TDS.

Verdikt pro výuku: Pro měření vodivosti roztoků nám poskytuje čidlo PS-3210 výrazně lepší parametry. Čidlo s modulem TDS je horší pro měření vyžadující větší rozlišení a přesnost, nicméně jeho zásadní nevýhodou ve školní laboratoři je spíše omezený rozsah. Na druhou stranu je modul s čidlem TDS dobře použitelný pro měření vodivosti kapalin počínaje destilovanou vodou a konče některými minerálními vodami (ty s větším obsahem rozpuštěných solí bude nutné naředit, což může být pro žáky dobrá zkušenost a lze to přímo didakticky využít). DIY varianta má tedy rozsah omezený, je však ideální a plně dostačující pro běžná environmentální měření (kvalita povrchových a odpadních vod), což z ní činí vysoce relevantní nástroj mj. pro badatelskou výuku.

4. Čidlo kyselosti a zásaditosti (pH metr)

Měření pH patří k nejatraktivnějším chemickým úlohám. Srovnali jsme bezdrátový senzor PASCO PS-3204 a DIY sadu složenou z převodníku pH-4502C a klasické laboratorní sondy - pH elektrody pH ISE E201.

Verdikt pro výuku: Modul pH-4502C a pH elektroda ISE E201 mají sice „papírově“ lepší parametry než PS-3204, a to z hlediska rozlišení i vzorkovací frekvence (vysoká vzorkovací frekvence zde nedává moc smysl, protože nás omezuje především odezva pH elektrody). Přesto je tato skutečnost při školních pokusech naprosto zanedbatelná, obě pH čidla jsou v tomto případě zcela dostačující. Zásadním didaktickým i ekonomickým faktorem je zde spotřební charakter elektrody; případná výměna mechanicky, či jinak zničené pH ISE E201 elektrody představuje pro školní rozpočet relativně zanedbatelnou položku, což učitelům umožňuje ponechat žákům při experimentování větší volnost.

5. Voltmetr

Proč voltmetr v chemii? Protože elektrochemie, stavba galvanických článků a elektrolýza se bez měření napětí neobejdou. Porovnali jsme PASCO PS-3211A a prostý modul odporového děliče napětí VDC 0–25V.

Verdikt pro výuku: Čidlo napětí VDC 0–25V je založeno na principu děliče napětí. Neobsahuje přitom žádnou ochranu proti přepólování ani ochranu proti přepětí (při nesprávném použití je snadno možné Arduino zničit). Tím pádem je třeba při používání modulu dbát zvýšené opatrnosti a včlenit ochrannou diodu např. jako součást měřicích vodičů. Čidlo je vhodné např. pro měření napětí různých galvanických článků a zkoumání zákonitostí při zapojování článků paralelně a do série. Čidlo PS-3211 je výrazně pokročilejší čidlo, které zvládá měřit jak střídavé, tak stejnosměrné napětí ve větším rozsahu s jemnějším rozlišením a výrazně rychleji.

6. Ampérmetr

K voltmetru patří nerozlučně ampérmetr. Srovnali jsme bezdrátový senzor proudu PASCO PS-3212 a modul ACS712 v 5A verzi (případně k dispozici i v 20A a 30A variantě).

Verdikt pro výuku: Ampérmetr PASCO PS-3212 má řádově vyšší rozlišení než levný modul s čidlem ACS712. Pro chemické experimenty s galvanickými články, kde se měření napětí a proudu nabízí, může být větší proudový rozsah čidla výhodou u článků, které jsou schopné poskytnout značný proud (např. klasická Li-ion baterie 18650 běžně poskytne více jak 10 A a tím pádem by se v chemické laboratoři hodila i 20A či 30A varianta čidla proudu). Naopak při měření malých proudů (např. citrónová baterie) bude PASCO čidlo použitelné, ale s čidlem ACS712 tak malý proud již nenaměříme a budeme si muste vystačit s měřením napětí.

7. Čidlo plynného oxidu uhličitého (CO₂)

Sledování produkce či spotřeby CO₂ krásně propojuje chemii s biologií. Do duelu vstoupily senzory PASCO PS-3208 a průmyslový modul MH-Z16 NDIR.

Verdikt pro výuku: Obě porovnávaná čidla oxidu uhličitého jsou pro účely běžného školního měření dobře použitelná. PASCO PS-3208 má výrazně vyšší vzorkovací frekvenci, ale ta je při většině školních chemických experimentů vyžadována mnohem nižší a tudíž nehraje zásadní roli. Obě čidla využívají kvalitní a spolehlivou optickou NDIR technologii. Čidlo MH-Z16 NDIR je však 10 × levnější, což již může významnou roli hrát, např. při pořizování vybavení pro vícero pracovních míst školní laboratoře. MH-Z16 NDIR modulu s rozsahem do 50 000 ppm spolehlivě pokrývá klasické školní experimenty.

8. Závěr

Zásadním závěrem tohoto srovnání není pouhé konstatování finanční úspory, ale potvrzení využitelnosti DIY čidel v konceptu moderního STEM vzdělávání. Systém MoleGraph prokazuje, že i s nízkonákladovými komponentami lze plnohodnotně realizovat nejen „standardní“ výuku, ale také přístupy badatelsky orientované či koncipované v duchu STEM vzdělávání. Skutečnost, že žáci (i učitelé) pracují s technickými listy (datasheety), řeší napájení a mechanickou stavbu, přirozeně propojuje přírodní vědy s elektrotechnikou, konstruováním a manuální zručností. Potvrdilo se nám, že s aplikací DIY přístupu přestává být čidlo žákem vnímáno jako neomylná „černá skříňka“, což vede k mnohem hlubšímu porozumění principům měřicí techniky a jejímu použití při poznávání světa kolem nás.

A jak dopadlo finální cenové srovnání? Když sečteme ceny všech sedmi porovnaných senzorů (teploměr, tlakoměr, vodivost/TDS, pH metr, voltmetr, ampérmetr a čidlo CO₂), celková cena komerční sady PASCO činí 48 600 Kč. Naproti tomu součet cen stejné sady alternativních DIY čidel vychází na pouhých 3 202 Kč. Finanční srovnání ukazuje, že nízkonákladová DIY varianta vyjde zhruba na 7 % ceny komerčního systému, což představuje obrovský rozdíl pro školní i domácí rozpočty.​

Tak co? Nemáte chuť postavit si svůj školní měřicí systém MoleGraph? Můžete se do toho pustit samostatně, nebo s námi (pod vedením lektora). Veškerá dokumentace, návody na stavbu, zdrojové kódy, 3D modely (atd.) jsou totiž k dispozici zcela zdarma :-).