Στα σχολικά εργαστήρια φυσικών επιστημών υπάρχει συχνά ανάγκη για χαμηλού κόστους, επαναλήψιμα και ασφαλή πειράματα που να συνδέουν τη θεωρία με πραγματικές μετρήσεις. Το έργο αξιοποιεί ανοικτό λογισμικό, μικροελεγκτές και οικονομικούς αισθητήρες για να μετατρέψει έννοιες όπως χρόνος, ταχύτητα, κύμα, ανάκλαση και χρόνος πτήσης (Time of Flight) σε μετρήσιμα και ορατά μεγέθη.

Η εκπαιδευτική ιδέα βασίζεται στην απλή αλλά ισχυρή σύγκριση: για την ίδια διαδρομή 80 cm ο ήχος χρειάζεται περίπου 0,00233 s στους 20 °C, ενώ το φως χρειάζεται περίπου 2,7 ns. Η διαφορά τάξης μεγέθους είναι τεράστια και λειτουργεί ως αφετηρία διερευνητικής μάθησης.

Το έργο συνδέει σχολική Φυσική, βιολογία και τεχνολογία: υπέρηχοι στον αέρα, προαιρετικά υπέρηχοι στο νερό, ηχοεντοπισμός δελφινιών, SONAR υποβρυχίων, υπέρυθρο φως και αισθητήρες ToF.

• Ανοικτή τεχνολογία: Arduino/ESP32, αρχεία .ino, παρουσίαση, κύκλωμα και τεκμηρίωση στο GitHub.

• Χαμηλό κόστος: βασικός προϋπολογισμός περίπου 85 €, χωρίς να υπολογίζονται υπάρχοντα εργαλεία εργαστηρίου.

• Εκπαιδευτική σύνδεση: πειραματική μέτρηση, επεξεργασία δεδομένων, γραφική παράσταση και σύγκριση με θεωρητικό μοντέλο.

Οι μαθητές συχνά γνωρίζουν θεωρητικά ότι ο ήχος είναι πολύ πιο αργός από το φως, αλλά δυσκολεύονται να αντιληφθούν ποσοτικά τη διαφορά και να τη συνδέσουν με πραγματική μέτρηση. Επίσης, έννοιες όπως ανάκλαση, χρόνος επιστροφής ηχούς, υπέρηχος, SONAR και Time of Flight παραμένουν αφηρημένες όταν διδάσκονται μόνο με τύπους.

Η ανάγκη που καλύπτει το έργο είναι η δημιουργία ενός ανοικτού, φορητού και επαναλήψιμου εργαστηριακού εργαλείου, με το οποίο οι μαθητές να μπορούν να μετρούν ή να υπολογίζουν χρόνους πτήσης, να ελέγχουν την επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα του ήχου και να βλέπουν πώς η ίδια φυσική αρχή χρησιμοποιείται από αισθητήρες, δελφίνια και υποβρύχια.

• Ερώτημα 1: Πόσο χρόνο χρειάζεται ο ήχος για διαδρομή 80 cm στον αέρα;

• Ερώτημα 2: Πόσο χρόνο χρειάζεται το φως για την ίδια διαδρομή;

• Ερώτημα 3: Γιατί οι αισθητήρες υπερήχων διαιρούν τον χρόνο διά 2 όταν υπολογίζουν απόσταση με ανάκλαση;

• Ερώτημα 4: Πώς αλλάζει η ταχύτητα του ήχου με τη θερμοκρασία και γιατί;

• Ερώτημα 5: Πώς συνδέεται το πείραμα με τον ηχοεντοπισμό των δελφινιών και το SONAR;

Η προτεινόμενη λύση είναι μια ιδιοκατασκευή εργαστηριακής διάταξης που συνδυάζει μικροελεγκτή, αισθητήρα υπερήχων, αισθητήρα υπέρυθρου Time of Flight, αισθητήρα θερμοκρασίας και οθόνη/σειριακή έξοδο. Η διάταξη επιτρέπει τη σύγκριση χρόνου διάδοσης του ήχου και του φωτός σε συγκεκριμένη απόσταση, καθώς και τη μελέτη της εξάρτησης της ταχύτητας του ήχου από τη θερμοκρασία.

Για τον ήχο χρησιμοποιείται αισθητήρας υπερήχων HY-SRF05. Ο μικροελεγκτής στέλνει παλμό trigger, μετρά τον χρόνο echo και υπολογίζει απόσταση ή ταχύτητα με τη σχέση d = v·t/2 όταν υπάρχει ανάκλαση. Για το φως χρησιμοποιείται αισθητήρας TMF8801 direct ToF ή Gravity VL53L0X ToF Distance Sensor.

Η διάταξη παρουσιάζει τον αντίστοιχο χρόνο πτήσης του υπέρυθρου φωτός σε ns, ώστε οι μαθητές να κατανοήσουν την κλίμακα του χρόνου.

• Διαδρομή αναφοράς: 80 cm = 0,80 m.

• Χρόνος ήχου στους 20 °C: t ≈ 0,80/343 = 0,00233 s = 2,33 ms.

• Χρόνος φωτός: t ≈ 0,80/299792458 = 2,67 ns.

• Για ανάκλαση/επιστροφή σήματος, ο συνολικός χρόνος είναι “πήγαινε-έλα” και η απόσταση στόχου υπολογίζεται με διαίρεση διά 2.

Η πρωτοτυπία του έργου είναι ότι δεν παρουσιάζει απλώς έναν αισθητήρα απόστασης, αλλά ενώνει σε μία εκπαιδευτική διάταξη τρία διαφορετικά πλαίσια της ίδιας φυσικής ιδέας: υπέρηχο στον αέρα, υπέρυθρο φως/Time of Flight και βιολογικό ή τεχνολογικό ηχοεντοπισμό.

Ο μαθητής βλέπει ταυτόχρονα την τεράστια διαφορά χρονικής κλίμακας μεταξύ ήχου και φωτός, την ανάγκη διόρθωσης της ταχύτητας του ήχου με βάση τη θερμοκρασία, και την πρακτική αξία της μέτρησης χρόνου πτήσης σε ρομποτική, αισθητήρες, SONAR και ζώα που χρησιμοποιούν ηχοεντοπισμό.

• Συνδυασμός υπερήχου και υπέρυθρου ToF σε μία σχολική κατασκευή.

• Εκπαιδευτική απεικόνιση χρόνων από ms έως ns στην ίδια οθόνη/παρουσίαση.

• Σύνδεση Φυσικής, Βιολογίας και Τεχνολογίας με ανοικτό κώδικα.

• Δυνατότητα παραγωγής πειραματικών δεδομένων και γραφικής παράστασης σε υπολογιστικό φύλλο.

• Επέκταση στο νερό με αδιάβροχο υπερηχητικό αισθητήρα IP68, ώστε να συζητηθεί γιατί το SONAR λειτουργεί καλύτερα στο νερό από ό,τι το φως/ραντάρ.

Το βασικό κόστος της κατασκευής είναι περίπου 85 €, σύμφωνα με τη λίστα υλικών του έργου. Το κόστος είναι χαμηλό σε σχέση με τις λειτουργίες που προσφέρει: μέτρηση υπερήχων, αισθητήρα φωτός ToF, μέτρηση θερμοκρασίας, σειριακή καταγραφή, εμφάνιση σε LCD και δυνατότητα επέκτασης σε πείραμα νερού.

• Βασική κατασκευή: περίπου 85 €.

• Προαιρετικά: LCD 16×2 I2C, breadboard/κουτί, βίδες και μικροϋλικά μπορεί να προσθέσουν περίπου 5-15 € αν δεν υπάρχουν ήδη στο εργαστήριο.

• Επαναχρησιμοποίηση: ESP32/Arduino, αισθητήρες, καλώδια και βάσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλα STEM πειράματα.

• Σχέση κόστους/απόδοσης: με μικρό κόστος παράγονται δεδομένα πραγματικής μέτρησης, γραφικές παραστάσεις και εκπαιδευτικό υλικό για περισσότερα από ένα μαθήματα.

Εργαλεία: υπολογιστής με Arduino IDE, καλώδιο USB, κολλητήρι εφόσον χρειαστεί, πολύμετρο, 3D εκτυπωτής ή απλή βάση στήριξης, χάρακας/μετροταινία, δοχείο νερού μόνο για τον αδιάβροχο αισθητήρα.

• Fermion TMF8801 ToF Distance Ranging Sensor (20-2500 mm): 16,20 €.

• Fermion Αισθητήρας Θερμοκρασίας Υψηλής Ακρίβειας I2C – MCP9808: 8,60 €.

• Βάση στήριξης για αισθητήρα υπερήχων: 1 €.

• Αισθητήρας υπερήχων HY-SRF05, 2-450 cm: 3,60 €.

• Underwater Ultrasonic Distance Sensor IP68 – UART, 3 m range: 39,90 €.

• Καλώδια, αντιστάσεις, breadboard/κλέμες και μικροϋλικά: 5 €.

• ESP32 MCU ή Arduino/ESP32 συνδυασμός: 10 €.

• Προαιρετικά: LCD 16×2 I2C, βάση/κουτί 3D εκτύπωσης, στόχος ανάκλασης, μέτρο ή ράγα 80 cm.

Η ηλεκτρονική αρχιτεκτονική οργανώνεται σε απλά υποσυστήματα, ώστε ο μαθητής να βλέπει καθαρά ποιο φυσικό μέγεθος μετρά κάθε αισθητήρας και πώς μετατρέπεται σε χρόνο ή απόσταση.

• ESP32 ή Arduino UNO/ESP32 ως κεντρικός μικροελεγκτής.

• I2C bus: MCP9808 για θερμοκρασία, TMF8801 για υπέρυθρο ToF και προαιρετικά LCD 16×2 I2C.

• HY-SRF05 ή HC-SR04 Trigger από ψηφιακή έξοδο, Echo σε είσοδο μέσω προστασίας.

• Underwater ultrasonic sensor IP68: UART σύνδεση για προαιρετικό πείραμα στο νερό.

• Τροφοδοσία: 5 V για αισθητήρες όπου απαιτείται, 3,3 V για λογική ESP32, κοινή γείωση GND.

• Μηχανικό μέρος: σταθερή βάση αισθητήρων, σταθερή απόσταση αναφοράς 80 cm, κάθετη επιφάνεια ανάκλασης, δυνατότητα μεταβολής απόστασης για λήψη πολλών μετρήσεων.

• Προτεινόμενοι φάκελοι GitHub: /code, /schematics, /3D, /data, /worksheets, /presentation, /photos.

Ο βασικός αλγόριθμος είναι no blocking, ώστε η οθόνη, οι αισθητήρες και η σειριακή έξοδος να ενημερώνονται σταθερά χωρίς καθυστερήσεις που αλλοιώνουν τη μέτρηση.

1. Αρχικοποίηση σειριακής επικοινωνίας, I2C, LCD και αισθητήρων TMF8801/MCP9808/HC-SR04.

2. Ανάγνωση θερμοκρασίας T από MCP9808.

3. Υπολογισμός ταχύτητας ήχου στον αέρα με εκπαιδευτικό μοντέλο v ≈ 331,3 + 0,606T ή, αν υπάρχει αισθητήρας υγρασίας, v ≈ 331,3 + 0,606T + 0,0124RH.

4. Αποστολή trigger στον HC-SR04 και μέτρηση του χρόνου echo σε μs.

5. Υπολογισμός απόστασης ή πειραματικής ταχύτητας ήχου με d = v·t/2 ή v = 2d/t για ανάκλαση.

6. Ανάγνωση τιμών από TMF8801 και εμφάνιση χρόνου φωτός σε ns.

7. Εμφάνιση βασικών μεγεθών σε LCD και αποστολή καθαρών σειριακών δεδομένων CSV για επικόλληση σε υπολογιστικό φύλλο.

8. Φιλτράρισμα θορύβου με μέσο όρο/διάμεσο και απόρριψη μη ρεαλιστικών τιμών.

Η κατασκευή επιτρέπει στους μαθητές να παρατηρήσουν πραγματικά δεδομένα και να τα συγκρίνουν με θεωρητικό μοντέλο. Η συνοδευτική παρουσίαση δείχνει πειραματική ευθεία v = 0,578T + 332,285 και θεωρητική σχέση v = 331,3 + 0,606T. Η συμφωνία είναι ικανοποιητική για σχολική ιδιοκατασκευή χαμηλού κόστους, καθώς η κλίση και η τάξη μεγέθους ταυτίζονται πολύ καλά.

Η διάταξη είναι αποτελεσματική επειδή μετατρέπει μια δυσνόητη κλίμακα χρόνων σε μετρήσιμη εμπειρία: ms για τον ήχο και ns για το φως. Η σύγκριση στην ίδια απόσταση βοηθά τον μαθητή να αντιληφθεί γιατί ο υπέρηχος είναι κατάλληλος για “μέτρηση με ηχώ”, ενώ το φως απαιτεί πολύ πιο εξειδικευμένα ηλεκτρονικά για άμεση χρονομέτρηση.

• Ο ήχος στα 80 cm δίνει χρόνο της τάξης των ms, μετρήσιμο από μικροελεγκτή.

• Το φως στα 80 cm δίνει χρόνο της τάξης των ns, ο οποίος παρουσιάζεται με βάση την τιμή της ταχύτητας του φωτός και/ή εσωτερική μέτρηση ToF του αισθητήρα.

• Τα δεδομένα μπορούν να εξαχθούν σε υπολογιστικό φύλλο για γραφικές παραστάσεις και υπολογισμό σφαλμάτων.

• Η διάταξη είναι κατάλληλη για επίδειξη, εργαστηριακή άσκηση, project μαθητών .

Παρουσίαση pptx(σύντομη): https://github.com/nektarios25ma/SEE-WITH-ULTRASOUND-AND-LEARN-WITH-LIGHT/blob/main/%CF%80%CE%B1%CF%81%CE%BF%CF%85%CF%83%CE%B9%CE%B1%CF%83%CE%B7.pptx

Γράφημα από τη συνοδευτική παρουσίαση: πειραματική εξάρτηση της ταχύτητας του ήχου από τη θερμοκρασία και σύγκριση με την εξίσωση αναφοράς(τελευταία διαφάνεια).

Τα υλικά επιλέχθηκαν ώστε να είναι οικονομικά, διαθέσιμα, επαναχρησιμοποιήσιμα και κατάλληλα για σχολικό εργαστήριο.

• Ο HC SR04 προσφέρει απλή κατανόηση της αρχής trigger-echo και λειτουργεί ως καθαρό παράδειγμα μέτρησης απόστασης με υπέρηχο.

• Ο TMF8801 ή VL53L0X είναι κατάλληλος για εισαγωγή στην έννοια του direct Time of Flight με υπέρυθρο φως, χωρίς να απαιτείται ακριβός εργαστηριακός εξοπλισμός.

• Ο MCP9808 προσφέρει ακριβή θερμοκρασία, απαραίτητη για τη διόρθωση/ερμηνεία της ταχύτητας του ήχου στον αέρα.

• Ο ESP32/Arduino δίνει ανοικτό προγραμματισμό και εύκολη καταγραφή δεδομένων.

• Η χρήση 3D εκτυπωμένης ή απλής χειροποίητης βάσης βοηθά στην επαναληψιμότητα της γεωμετρίας και μειώνει τα πειραματικά σφάλματα.

Ο προγραμματισμός γίνεται με ανοικτό περιβάλλον Arduino IDE και αρχεία .ino. Στο GitHub του έργου υπάρχουν όλα.

• Αποφυγή delay() σε κρίσιμα σημεία, ώστε να μη χάνονται μετρήσεις.

• Χρήση millis() για περιοδικές αναγνώσεις και ενημέρωση οθόνης.

• Φιλτράρισμα μετρήσεων και απόρριψη ακραίων τιμών.

• Σειριακή έξοδος σε μορφή CSV.

• Σαφή σχόλια στον κώδικα για να μπορεί να τροποποιηθεί από μαθητές.

• Διαχωρισμός κώδικα σε λειτουργίες: readTemperature(), readUltrasound(), readToF(), updateLCD(), printCSV().

Αποθετήριο έργου: https://github.com/nektarios25ma/SEE-WITH-ULTRASOUND-AND-LEARN-WITH-LIGHT

Στο αποθετήριο πρέπει να συγκεντρώνονται όλα τα απαραίτητα στοιχεία για αναπαραγωγή της κατασκευής: README, αρχεία κώδικα .ino, κύκλωμα, φωτογραφίες, παρουσίαση, φύλλα εργασίας, δεδομένα μετρήσεων και άδειες χρήσης.

• README.md με στόχο έργου, υλικά, αρχές λειτουργίας, οδηγίες κατασκευής και οδηγίες χρήσης.

• Φάκελος /code με τεκμηριωμένες εκδόσεις Arduino/ESP32.

• Φάκελος /schematics με κύκλωμα και προειδοποιήσεις τάσεων.

• Φάκελος /data με πειραματικά δεδομένα και γραφήματα.

• Φάκελος /worksheets με φύλλα εργασίας σε μορφή docx/pdf/odt.

• Φάκελος /presentation με την παρουσίαση του έργου.

• Φάκελος /photos με φάσεις κατασκευής.

ΕΔΩ

Βίντεο παρουσίασης/επίδειξης: https://drive.google.com/file/d/1m3ihW9JfUxpuznq1MQz2F4OTCkRb4xFK/view?usp=sharing

Το βίντεο αξιοποιείται ως τεκμήριο λειτουργίας της κατασκευής και ως μαθητική παρουσίαση της ιδέας: ερώτημα, θεωρητικό υπόβαθρο, κύκλωμα/αισθητήρες, πειραματικές μετρήσεις και συμπέρασμα.

Το έργο μπορεί να αποτελέσει Ανοιχτό Εκπαιδευτικό Πόρο (OER) με πλήρες σενάριο διδασκαλίας, φύλλα εργασίας, παρουσίαση, κώδικα και δεδομένα. Η παιδαγωγική προσέγγιση είναι διερευνητική: οι μαθητές προβλέπουν, μετρούν, υπολογίζουν, συγκρίνουν με θεωρία και ερμηνεύουν αποκλίσεις.

• Σχέδιο μαθήματος 1: “Ο χρόνος πτήσης του ήχου”. Δραστηριότητα με HY-SRF05, μέτρηση echo, υπολογισμός απόστασης/ταχύτητας και εξήγηση του παράγοντα 1/2 στην ανάκλαση.

• Σχέδιο μαθήματος 2: “Ο χρόνος πτήσης του φωτός”. Χρήση TMF8801/IR ToF και υπολογισμός t = d/c για 80 cm. Σύγκριση ms και ns.

• Σχέδιο μαθήματος 3: “Θερμοκρασία και ταχύτητα ήχου”. Μέτρηση T με MCP9808, συλλογή δεδομένων, γραφική παράσταση v(T), σύγκριση με v ≈ 331,3 + 0,606T.

• Σχέδιο μαθήματος 4: “Ηχοεντοπισμός και SONAR”. Σύνδεση με δελφίνια, υποβρύχια, ενεργό/παθητικό SONAR και εφαρμογές στην ωκεανογραφία/ρομποτική.

• Φύλλο εργασίας Α: υπολογισμός χρόνου για 0,80 m στον ήχο και στο φως, μετατροπή s, ms, μs, ns.

• Φύλλο εργασίας Β: πειραματικός πίνακας με T, χρόνο echo, απόσταση, υπολογισμένη ταχύτητα, σχετικό σφάλμα.

• Φύλλο εργασίας Γ: ερωτήσεις πολλαπλής αναπαράστασης – τύπος, γράφημα, πείραμα, τεχνολογική εφαρμογή.

• Παρουσίαση: χρήση της συνοδευτικής PowerPoint παρουσίασης ως εισαγωγή και ως υλικό διάχυσης.

Το αποθετήριο του έργου δηλώνει άδεια GPL-3.0 για τον κώδικα.

Το έργο υλοποιεί τους εκπαιδευτικούς στόχους μέσα από πραγματική κατασκευή, μέτρηση, επεξεργασία δεδομένων και παρουσίαση αποτελεσμάτων. Οι μαθητές δεν παρακολουθούν απλώς μια επίδειξη, αλλά εργάζονται ως μικρή ερευνητική ομάδα: θέτουν ερώτημα, κάνουν προβλέψεις, κατασκευάζουν, μετρούν, ελέγχουν σφάλματα και εξηγούν τα αποτελέσματα.

• Κατανόηση της έννοιας ταχύτητα = απόσταση/χρόνος μέσα από πραγματικές τιμές.

• Σύγκριση δύο φυσικών κυμάτων/σημάτων: μηχανικό κύμα ήχου και ηλεκτρομαγνητικό κύμα φωτός.

• Κατανόηση των μονάδων χρόνου από ms έως ns και της σημασίας της κλίμακας.

• Ερμηνεία της λειτουργίας αισθητήρων υπερήχων και αισθητήρων Time of Flight.

• Κατανόηση του γιατί η μέτρηση απόστασης με ηχώ χρησιμοποιεί χρόνο πήγαινε-έλα και διαίρεση διά 2.

• Πειραματική διερεύνηση της επίδρασης της θερμοκρασίας στην ταχύτητα του ήχου.

• Εισαγωγή στη βιομιμητική: δελφίνια και ηχοεντοπισμός ως φυσικό ανάλογο του SONAR.

• Σύνδεση με πραγματικές εφαρμογές: ρομποτική, υποβρύχια, αισθητήρες απόστασης, αυτόνομα συστήματα.

• Ανάπτυξη δεξιοτήτων ανοικτής τεχνολογίας: GitHub, τεκμηρίωση, άδειες χρήσης, αναπαραγωγιμότητα.

• Ανάπτυξη δεξιοτήτων επιστημονικής μεθόδου: υπόθεση, μέτρηση, πίνακας δεδομένων, γράφημα, σφάλμα, συμπέρασμα.