Obwohl die plötzliche Umstellung auf Remote- und hybrides Lernen während der COVID-19-Pandemie als enorme Herausforderung angesehen wurde, ist das akademische und kommerzielle Interesse an der Entwicklung kreativer Online-Laborklassen seitdem sprunghaft angestiegen.
In dem Amerikanisches Journal für Physikentwickelten Forscher des Pomona College in Kalifornien einen Online-Physik-Laborkurs für Studenten mit kleinen Roboterkäfern namens Hexbug Nanos (TM), um Studenten von zu Hause aus in die wissenschaftliche Forschung einzubeziehen.
Hexbug Nanos sehen aus wie bunte Käfer mit 12 flexiblen Beinen, die sich halbzufällig schnell bewegen. Dies macht Sammlungen von Hexbugs zu idealen Modellen für die Erforschung des Partikelverhaltens, das für Schüler schwierig zu visualisieren ist. Für das Praktikum nutzten die Studierenden die per Post zugesandten Hexbugs, ein Smartphone und gängige Haushaltsgegenstände.
„Wir haben festgestellt, dass die von der Pandemie inspirierte Abhängigkeit von einfachen, selbstgebauten Experimenten, während die Verwendung hochentwickelter Geräte weniger betont wurde, es den Schülern ermöglichte, Lernziele im Labor wie das Entwerfen, Implementieren und Beheben von Fehlern in einem experimentellen Gerät effektiver zu erreichen“, co -Autorin Janice Hudgings sagte.
Die Schüler führten zunächst ein kurzes Experiment durch, um das ideale Gasgesetz zu untersuchen, das beschreibt, wie Druck, Volumen und Temperatur eines Gases zusammenhängen. Sie verwendeten eine rechteckige Pappschachtel, die durch eine bewegliche Wand aus Pappe und Bambusspießen geteilt war, die über die Länge der Schachtel geschoben wurde.
Eine unterschiedliche Anzahl von Hexbugs wurde auf beiden Seiten der beweglichen Wand platziert, um zwei Gase mit unterschiedlichen Drücken zu modellieren. Die Schüler nahmen mit ihren Smartphones die „Gasmoleküle“ auf, die gegen die sich bewegende Wand prallten. Eine Videoverfolgungssoftware wurde verwendet, um die Position der Wand als Funktion der Zeit zu erhalten, während sie sich bewegte, bis sich der Druck in den beiden Kammern angleichte.
Die Studenten schlugen dann ein Semester lang Forschungsprojekte ihrer Wahl vor und entwarfen Experimente mit Hexbugs, um Konzepte in der statistischen Mechanik und der elektrischen Leitung zu untersuchen. Ein Projekt konzentrierte sich auf das Drude-Modell, das die klassische Physik verwendet, um die Bewegung von Elektronen in einem Metall zu beschreiben.
Das Setup für zu Hause umfasste eine lange rechteckige Pappschachtel mit 2-Zoll-Pappringen an festen Stellen, die zum Modellieren von Metallfehlern verwendet wurden. Die Schwerkraft wird aufgebracht, indem ein Ende der Box relativ zum anderen Ende angehoben wird. Die Hexbug-„Elektronen“ werden in der Nähe der Oberseite der Box freigesetzt und streuen zufällig von den Defekten, während sie aufgrund des Gravitationsfeldes allmählich die Box hinunter „geleitet“ werden.
„Das Hexbug-Experiment liefert ein deutlich sichtbares Makromodell des Trägertransports in einem Draht, das mit dem Drude-Modell übereinstimmt“, sagte Hudgings.
Ähnliche Hexbug-Experimente könnten auch als Online- oder persönliche Labor- oder Vorlesungsdemonstrationen in statistischer Mechanik, physikalischer Chemie, Biophysik oder einführendem Elektromagnetismus nützlich sein.
Genevieve DiBari et al., Verwendung von Hexbugs (TM) zur Modellierung von Gasdruck und elektrischer Leitung: Ein von einer Pandemie inspiriertes Fernlabor, Amerikanisches Journal für Physik (2022). DOI: 10.1119/5.0087142