Het programma ‘Crocodile Physics’ zal inmiddels wel bij de meeste natuurkundedocenten bekend zijn. Twee jaar geleden is versie 1.1 van dit programma in een werkgroep aan de orde geweest. Inmiddels is versie 1.6 uit, waarin (naast enkele kleine verbeteringen) nu ook golfsimulaties zijn opgenomen.
Open en gesloten simulatiesoftware
Een belangrijk onderscheid bij simulatie-software is het open of gesloten karakter. Een pakket als ‘Open Physics’ (NVOX november 1999) is, ondanks de naam, een voorbeeld van gesloten software: het bestaat uit een vast aantal simulaties, die niet gewijzigd kunnen worden. Met de gesloten pakketten kan men meteen aan de slag, maar men moet ze nemen zoals ze zijn, inclusief de vaak Engelstalige tekst. Meestal zal het nodig zijn voor de leerlingen (papieren) werkbladen te maken.
Open simulatie-software, zoals ‘Interactieve Natuurkunde’ (o.a. NVOX juni 1997) en ‘Crocodile Physics’, kan men zien als een soort bouwdozen, waarmee simulaties naar eigen wens en inzicht kunnen worden samengesteld. Ook is het mogelijk om begeleidende teksten en opdrachten op het scherm en in de eigen taal te presenteren. Doordat de software hiervoor een stuk complexer is, beperken deze programma’s zich meestal tot een kleiner deel van de natuurkunde dan bijvoorbeeld bij ‘Open Physics’ het geval is. Met de open simulatie-software wordt meestal ook een ruim aantal kant en klare simulaties meegeleverd, maar de kracht van deze pakketten zit toch vooral in de flexibiliteit alles aan te passen aan een bepaald onderwijstype, de gebruikte methode en eigen wensen.
In Crocodile Physics kan men kiezen tussen vijf verschillende werkbalken:
Electronics Symbols
Bij elektriciteitsleer vallen leerlingen vaak terug op het manipuleren met formules, zonder een begrip te hebben van de achterliggende processen. Het programma ‘Crocodile Physics’ kan hier uitkomst bieden. In real-time simulaties van schakelingen worden potentiaal, stroom en lading zichtbaar gemaakt. Daarbij gaan lampjes oplichten, motoren draaien, zoemers geluid produceren, relais schakelen, enz.
In bovenstaande schakeling is de schakelaar met een muisklik om te zetten. De op- of ontlaadstroom wordt met pijltjes aangegeven. De verandering van de lading op de condensator is zichtbaar, terwijl de potentiaal van de verbindingsdraden met indicatoren wordt aangegeven.
Als de potentiaal toeneemt wordt dit weergegeven door een aangroeiend rood/zwart geblokte kolom. Bij een potentiaal van negen volt of hoger is de indicator in zijn geheel rood. Negatieve potentialen worden op dezelfde manier weergegeven door een blauw/zwarte indicator, naar beneden aangroeiend.
Door deze animaties kan een leerling het proces van op- en ontladen volgen, terwijl tegelijkertijd het oscilloscoopbeeld getekend wordt. De waarden van spanning, weerstand en capaciteit zijn eenvoudig te wijzigen, om de invloed hiervan op het proces te bestuderen. Het is ook mogelijk de weerstand te vervangen door een regelbare weerstand, waardoor de waarde tijdens het verloop van de simulatie met een schuifregelaar (te bedienen met de muis) te veranderen is.
Ook de temperatuur van een NTC-weerstand en de belichting van een LDR zijn met een schuifregelaar in te stellen. In de schakeling zijn dan de verandering van de weerstand en de veranderde spanningsverdeling te volgen.
Gloeilampjes gaan sterker oplichten als de stroomsterkte erdoor toeneemt. Wordt de spanning over het lampje te groot, dan ‘explodeert’ het lampje. Dit gebeurt ook met andere componenten (weerstanden, transistoren, enz.) die overbelast worden. Deze kunnen dan eenvoudig vervangen worden, door de vernielde component met ‘crocy’ weg te happen. In een venstertje wordt dan de maximale waarde van spanning of vermogen voor de betreffende component weergegeven. Via een menu-optie is ook te kiezen voor onverwoestbare componenten.
Het toevoegen van componenten gaat eenvoudig door ze van de werkbalk naar het werkblad te slepen. Met de muis zijn daarna de verbindingsdraden makkelijk te tekenen. Aanklikken van een knop op de standaardwerkbalk levert een nieuwe werkbalk voor een bepaalde groep van componenten.
De totale componentenbibliotheek is zeer ruim en voor het voortgezet onderwijs meer dan voldoende:
De oscilloscoop kan vier verschillende signalen gelijktijdig meten. Meetsonden kunnen net als de componenten vanaf de werkbalk naar de schakeling gesleept worden. De sonden hebben vier verschillende kleuren die overeenkomen met de kleur van de getekende grafiek. Normaal wordt gemeten t.o.v. een aardpunt, maar er is ook verschilmeting (tussen twee sonden) mogelijk. Er zijn verschillende triggeropties instelbaar.
Electronics Pictures
Met deze werkbalk is het mogelijk om een (beperkt) aantal elektrische componenten ook in de vorm van realistische afbeeldingen weer te geven. Hierdoor is voor leerlingen een goede overgang te maken van het denken in reële componenten naar de abstractie van schakelingen met symbolen. Schakelingen met afbeeldingen en schakelingen met symbolen kunnen in één werkblad (schermbeeld) gecombineerd worden, zelfs in één schakeling.
Motion and Force
Met behulp van de mechanica- werkbalk zijn een vijftal kant en klare (‘gesloten’) simulaties op te roepen: botsende kogels, kogelbaan, slinger, hellend vlak en massa-veer systeem. Met twee volgende knoppen kunnen onderliggende werkbalken voor rotatie mechanica en lineaire mechanica worden opgeroepen (figuur 7).
De motor (M) en de generator (G) kunnen met elektrische componenten gecombineerd worden. Daarmee zijn bijvoorbeeld simulaties over energie-omzettingen mogelijk (figuur 8). Als (elektrische of mechanische) componenten of verbindingen met de muis worden aangewezen verschijnt een kadertje met daarin de waarden van relevante grootheden.
Door meetsondes op de componenten te plaatsen kunnen grootheden ook in grafieken worden uitgezet. Dit geldt voor zowel elektrische als mechanische componenten.
De mogelijkheden op het gebied van mechanica zijn lang niet zo groot als bij ‘Interactieve Natuurkunde’, maar daar staat tegenover dat de simulaties makkelijker zijn op te bouwen.
Optics
Helemaal nieuw ten opzichte van Crocodile Clips is het optica-onderdeel. Een complete opticaset met lenzen, lichtbronnen met verschillende lichtbundels en verschillende kleuren (golflengtes), spiegels, prisma’s en verdere benodigdheden staat ter beschikking. Daarnaast kunnen nog linialen en gradenbogen in de simulatie geplaatst worden. (figuur 9)
Men kan experimenteren met breking, reflectie, refractie, glasvezeloptiek en verschillende golflengtes van het licht. Er zijn modellen op te bouwen van de camera, het oog, microscopen en telescopen. De breking door het prisma is kleurafhankelijk, een witte straal of bundel wordt in componenten ontbonden (figuur 10). Van de planparallelle plaat is de brekingsindex in te stellen.
De leerlingen kunnen in de simulatie de componenten verplaatsen of roteren, brandpuntsafstanden aanpassen, de kleur van het licht variëren enz. Bij de meegeleverde simulaties zit een model van het oog. Daarmee kunnen leerlingen zien wat de invloed van een positief of negatief brillenglas is, simpelweg door een lens op te pakken en voor het oog te slepen (figuur 11).
Naast een aantal kleinere wijzigingen is de belangrijkste vernieuwing in Crocodile Physics 1.6 de toevoeging van een aantal simulaties van transversale en longitudinale golven.
Een nieuwe knop op de hoofdwerkbalk geeft toegang tot de golven-werkbalk:
Hiermee kan men zes verschillende 'golf-ruimten' in de simulaties plaatsen:
A: Wave Propagation Space (Voortplanting van golven)
B: Wave Penetration Space (Doordringing in ander medium)
C: Wave Reflection Space (Reflectie aan los uiteinde)
D: Wave Interference Space (Interferentie van golven)
E: Wave Pinned Space (Reflectie aan vast uiteinde)
F: Wave Plucking Space (Aanslaan van een snaar en verschillende harmonischen)
In iedere golfruimte wordt linksboven het golftype en rechtsboven schaal (de breedte van de ruimte) weergegeven:
Een overzicht van de in te stellen typen en de bijbehorende breedten:
| Golftype | Breedte van de ruimte |
| Geluid | 1 m |
| Water | 0.1 m |
| Snaar | 1 m |
| Radio | 10 m |
| Microgolf | 0.1 mm |
| Infrarood | 10 µm |
| Licht | 1 µm |
| Ultraviolet | 0.1 µm |
| Röntgen (X-Rays) | 0.1 nm |
| Gamma | 0.1 pm |
Bij alle Golf-ruimten (behalve de 'Wave Plucking Space) kan men het golftype en andere opties kiezen via de werkbalk:
| A. | Golftype |
| B. | Source: keuze uit Continu, Hele puls en Halve puls |
| C. | Golfvorm: Sinusvormig, Driehoekvorm en Blokvorm |
| D. | Eigenschappen van de bron: hiermee kunnen een aantal parameters ingesteld worden, afhankelijk van het golftype. In het voorbeeld hieronder is voor licht in te stellen: de kleur, golflengte (A), frequentie (B) en amplitude (C) |
| E. | Hiermee kan men de simulatie herstarten. |
Met knop met + ... kan een aantal extra opties ingesteld worden:
Bij de keuze voor een golftype wordt automatisch gekozen voor transversaal of longitudinaal. Maar voor weergave van het verband tussen uitwijking en u,t-diagram bij een longitudinale golf, kan het handig zijn de beide vormen aan te zetten.
Zie de figuur hieronder voor het voorbeeld van een geluidstrilling in een half gesloten pijp.
In de Wave Penetration Space kan men de overgang naar een ander medium bestuderen.
Van het blok zijn de plaats, de dikte en het materiaal in te stellen.
De mogelijke materiaalkeuzen zijn afhankelijk van het ingestelde golftype.
Het is ook mogelijk twee blokken te plaatsen. Deze kunnen eventueel tegen elkaar aan geschoven worden. Bovendien is in sommige situaties de demping van het materiaal in te stellen.
Bij reflectie kunnen de weergaven van de heengaande golf, de gereflecteerde golf en de resultante elk afzonderlijk aan en uit worden gezet. In het voorbeeld van de water-golf hieronder staan ze alle drie aan:
De opname hierboven is gemaakt in de ‘Pauze-stand’ van de simulatie. Er verschijnen dan een aantal markeringen. Door deze te verschuiven kunnen de golflente en de amplitude aangepast worden. Hieronder is in de interferentie-ruimte (naar links en naar rechts lopende golf) de golflengte van één van de golven veranderd.
Het is onmogelijk om in dit kort bestek alle mogelijke combinaties en instelmogelijkheden te bespreken. Probeer daarvoor de demoversie uit en kijk vooral ook in de help-functie daarbij.
Elektronisch leerboek met interactieve werkbladen
Met Crocodile Physics kunnen ook complete teksten met opmaak bij de simulaties opgenomen worden. Ook is het mogelijk afbeeldingen (in bmp-formaat) toe te voegen. De verschillende simulatiebestanden (pagina’s) kunnen met navigatieknoppen aan elkaar gekoppeld worden, waardoor een interactief elektronisch boek ontstaat.
Een extra dimensie wordt toegevoegd door de mogelijkheid vragen op te nemen waarop de leerlingen kunnen reageren via meerkeuzeknoppen of invulvakken. Naar keuze is daar het volgende voor in te stellen:
Overige ervaringen en inzetbaarheid
Op de Fontys Lerarenopleiding Sittard wordt het programma bij diverse cursussen ingezet. Eén voorbeeld daarvan, de cursus ‘Basiselektronica’, is te downloaden van www.crocodile-clips-plein.nl. De ervaringen hiermee zijn zeer positief, studenten zijn zeer enthousiast hierover.
Ook gebruikten sommige studenten het programma om de door hen, in het kader van het afstudeerwerk, ontworpen schakelingen eerst uit te testen en te verbeteren, alvorens deze daadwerkelijk te bouwen. Dit heeft heel wat tijd en componenten bespaard!
Een aantal studenten heeft, in samenwerking met scholen uit de regio, interactief lesmateriaal met Crocodile Physics ontwikkeld en uitgeprobeerd. Voor een gedeelte is dit ook te downloaden via www.crocodile-clips-plein.nl. Op deze site is ook een demo-versie te downloaden van de simulaties die door Malmberg op een leerlingen-cdrom bij NOVA 4vmbo KGT worden meegeleverd.
Vervanging van het practicum?
Met ‘Crocodile Physics’ is het mogelijk bijna alle elektrische schakelingen en veel mechanica- en opticavoorbeelden, die in een leerboek of practicum voorkomen, op de computer te simuleren. De situaties uit een leerboek op deze manier visualiseren levert nagenoeg altijd een meerwaarde. Maar in hoeverre het zinvol is practicumproeven te vervangen door deze simulaties is minder duidelijk. Een leerling zal moeten leren echte schakelingen op te bouwen en er aan te meten. De wet van Ohm controleren in een simulatie is ook vrij zinloos: deze wetmatigheid is natuurlijk gewoon in het programma vastgelegd. Maar bij gebrek aan tijd en materialen kan ‘Crocodile Physics’ wel zeker een zinvolle aanvulling van het practicum vormen.
De discussie aan het eind van de werkgroep spitste zich ook hierop toe. Gesuggereerd werd dat mogelijk toch veel practica, die dot doel hebben de begripsvorming te verbeteren, en niet direct de praktische vaardigheid te verhogen, beter met een programma als Crocodile Physics kunnen worden uitgevoerd. Vaak treden bij echte schakelingen problemen op als draadbreuk, slechte contacten, kapotte componenten enz. Dat kan frustrerend zijn voor de leerling en het opsporen van de oorzaak van de storing kan veel tijd kosten. Bovendien wordt de aandacht afgeleid van de leerstof waar het om gaat: het gedrag van een bepaalde schakeling.
Vooral bij digitale schakelingen levert het gebruik van de computer voordelen ten opzichte van een ‘gewoon’ practicum. Met de computersimulaties is er geen beperking door aantallen logische poorten of kabeltjes. Men kan via het menu van ‘Crocodile Physics’ omschakelen tussen potentiaalindicatoren of logische waarden. De logische waarde van iedere in- en uitgang is zo meteen zichtbaar, waardoor de werking van de schakeling veel inzichtelijker wordt. Ik zie niet in welke extra waarde het maken van verbindingen met kabeltjes op een paneel met poortsymbolen heeft t.o.v. het maken van deze verbindingen op een computerscherm. Het gaat in beide gevallen om het maken van de juiste verbindingen tussen in- en uitgangen van logische poorten, die met symbolen zijn weergegeven. Bij de computersimulatie is dit bovendien veel overzichtelijker te doen.
Alleen als men reële grootheden wil meten met sensoren en een echte motor of een verwarmingselement wil aansturen, dan blijft het systeembord (of een gelijksoortig systeem) onmisbaar. Een reëel werkend regelsysteem is met ‘Crocodile Physics’ niet te maken. Het is (nog) niet mogelijk het programma te koppelen met in- en uitvoer van de computer. Maar voor alle situaties waar het gaat om het ontwerpen van het verwerkingsdeel verdient ‘Crocodile Physics’ mijns inziens de voorkeur.
Ontwerpen en testen
Met ‘Crocodile Physics’ kunnen leerlingen kennis maken met de hedendaagse manier van ontwerpen en testen van elektrische schakelingen, zoals die ook in het bedrijfsleven wordt toegepast. Dit past uitstekend in modern onderwijs, zeker als de leerlingen in het ‘studiehuis’ te maken krijgen met eigen onderzoek en technisch ontwerpen. Helemaal mooi is het om dan ook nog de print-lay-out door de computer te laten genereren. Er zijn speciale programma’s hiervoor, waarvan er enkele ook ‘Crocodile Physics’-schakelingen kunnen inlezen. Welke dit zijn vindt men op de Intenet-site van de firma ‘Crocodile Clips’.
Meer informatie over Crocodile Physics is te vinden op www.crocodile-clips-plein.nl
Een demoversie is te downloaden op de website van de firma Crocodile Clips: http://www.crocodile-clips.com
In Nederland wordt het programma geleverd door:
Eurofysica b.v
Moeskampweg 2
5222 AW ’s-Hertogenbosch