Μεγάλο είναι το ερευνητικό ενδιαφέρον της εκπαιδευτικής κοινότητας για τις αντιλήψεις των μαθητών, που αφορούν στις έννοιες και τα φαινόμενα των φυσικών επιστημών. Αντιλήψεις, οι οποίες συγκροτούνται στη βάση της καθημερινής εμπειρίας και που παρέχουν στο μαθητή τη δυνατότητα να ερμηνεύει τα φαινόμενα του φυσικού κόσμου, συγκροτώντας επεξηγηματικά πρότυπα που, σε πολλές περιπτώσεις, έρχονται σε αντίθεση με τις επιστημονικές θεωρίες, που είναι σήμερα αποδεκτές. Από την άλλη πλευρά, η καινοτομική αντίληψη για τη μάθηση και τη διδασκαλία των φυσικών επιστημών, θεωρεί ότι η ανάπτυξη της επιστημονικής καλλιέργειας των μαθητών και των εκπαιδευτικών, αναφέρεται στη διάδοση των τριών βασικών συνιστωσών της επιστημονικής γνώσης: - της εννοιολογικής συνιστώσας, που συγκροτείται από τις έννοιες των φυσικών επιστημών, - της μεθοδολογικής συνιστώσας, που σχετίζεται με τις διάφορες μεθοδολογικές στρατηγικές και τεχνικές με τις οποίες επιλύονται τα προβλήματα στις φυσικές επιστήμες και - της πολιτισμικής συνιστώσας, που αφορά στο σύνολο των σχέσεων που αναπτύσσουν οι φυσικές επιστήμες με την κοινωνία, όπως για παράδειγμα η σχέση των φυσικών επιστημών με την τεχνολογία, τα προβλήματα και τις εμπειρίες της καθημερινής ζωής, η κατανόηση της ιστορικότητας της επιστημονικής γνώσης κ.α. Η μελέτη του απλού εκκρεμούς, χαρακτηρίζεται από το πλούσιο εννοιολογικό, μεθοδολογικό και πολιτισμικό περιεχόμενο, που αυτό παρουσιάζει. Η μελέτη της κίνησης του, δίνει την ευκαιρία στους μαθητές: - Να έρθουν σε επαφή με θεμελιώδεις επιστημονικές γνώσεις, όπως οι νόμοι της πτώσης και της κίνησης και οι αρχές διατήρησης της ορμής και της ενέργειας. - Να ασκηθούν στη χρήση ουσιαστικών στοιχείων της επιστημονικής έρευνας, όπως η παρατήρηση, η μέτρηση, η συλλογή δεδομένων, ο έλεγχος μεταβλητών και η χρήση διαφόρων μορφών μαθηματικών αναπαραστάσεων. - Να μάθουν σημαντικές όψεις της συσχέτισης της επιστήμης με την κοινωνία, τον πολιτισμό και την τεχνολογία, όπως φανερώνει η χρήση του εκκρεμούς στη χρονομέτρηση, στον προσδιορισμό του γεωγραφικού μήκους, στον καθορισμό μονάδας μέτρησης του μήκους κ.α. Η παρούσα εργασία, έχει ως στόχο τη διερεύνηση των βιωματικών αντιλήψεων των μαθητών της Γ’ Γυμνασίου, που αφορούν στη μέτρηση του χρόνου με τρεις ιστορικούς μηχανισμούς μέτρησης του χρόνου και στη μελέτη της κίνησης του απλού εκκρεμούς. Ειδικότερα, διερευνώνται οι αντιλήψεις των μαθητών που σχετίζονται με την εννοιολογική, τη μεθοδολογική και την πολιτισμική συνιστώσα της γνώσης που σχετίζεται με την ισόχρονη κίνηση του απλού εκκρεμούς. Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το θεωρητικό πλαίσιο της έρευνας, που απαρτίζεται από: - τη γνώση αναφοράς, δηλαδή το ιστορικό πρόβλημα της μέτρησης του χρόνου και τη σχέση του με το απλό εκκρεμές, - τις αντιλήψεις των μαθητών για το απλό εκκρεμές και - τους στόχους της έρευνας. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η μεθοδολογική προβληματική της μελέτης, που αφορά: - στις στρατηγικές και - στο δείγμα της έρευνας. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης των δεδομένων. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο, διατυπώνονται τα συμπεράσματα της μελέτης των αντιλήψεων των μαθητών, στη βάση των ερευνητικών στόχων και συζητούνται οι ενδεχόμενες επιπτώσεις τους στη διδασκαλία του απλού εκκρεμούς στην εκπαιδευτική βαθμίδα του γυμνασίου, καθώς και μία πρόταση επέκτασης της έρευνας. / -

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι ο έλεγχος ενός ανάστροφου εκκρεμούς φορτίου πλατφόρμας-σφαίρας (cart-ball) με χρήση ασαφούς ελέγχου ο οποίος υλοποιείται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο περιβάλλον προγραμματισμού National Instruments LabVIEW 2009. Το φυσικό σύστημα αποτελείται από μία μεταλλική πλατφόρμα σταθερά προσδεδεμένη σε ένα γραμμικό άξονα της εταιρίας FESTO. Για την κίνηση του άξονα χρησιμοποιείται τριφασικός ηλεκτρικός σερβοκινητήρας, επίσης της FESTO, ο έλεγχος του οποίου γίνεται με χρήση ειδικού προγραμματιζόμενου ελεγκτή της ίδιας εταιρίας. Πάνω στην μεταλλική πλατφόρμα έχει τοποθετηθεί μία αψίδα παράλληλη στη διεύθυνση κίνησης της πλατφόρμας. Πάνω στην αψίδα έχουν δημιουργηθεί δύο οδηγοί επικαλυμμένοι με σκόνη γραφίτη σε μορφή κόλλας, η οποία τους κάνει ηλεκτρικά αγώγιμους. Ο ένας από τους οδηγούς έχει τάση 10V στα άκρα του ενώ το ένα άκρο του άλλου αγωγού είναι γειωμένο. Στόχος του αυτομάτου ελέγχου είναι να ισορροπήσει πάνω στην αψίδα μία μεταλλική σφαίρα. Η μεταλλική σφαίρα βραχυκυκλώνει τους δύο αγώγιμους οδηγούς και κατ' αυτό τον τρόπο, με την αρχή του ροοστάτη, λαμβάνεται η θέση της σφαίρας. Η μέτρηση της τιμής της θέσης της σφαίρας όπως και η θέση και η ταχύτητα της πλατφόρμας, οι οποίες λαμβάνονται από τον ελεγκτή του κινητήρα, εισάγονται στον υπολογιστή, μέσω ειδικής κάρτας Εισόδου/Εξόδου (Ε/Ε) της εταιρίας National Instruments, όπου λαμβάνονται από το LabVIEW και οδηγούνται στον ασαφή ελεγκτή που υλοποιείται στο ίδιο πρόγραμμα. Η ταχύτητα της σφαίρας λαμβάνεται επίσης υπ' όψιν στον αυτόματο έλεγχο και προκύπτει στο LabVIEW από παραγώγιση της θέσης της σφαίρας. Το ασαφές σύστημα αποτελείται από πέντε συναρτήσεις συμμετοχής για τη μεταβλητή της θέσης, τρεις συναρτήσεις συμμετοχής για τη μεταβλητή της ταχύτητας και εφτά συναρτήσεις συμμετοχής για την έξοδο του ελεγκτή που εκφράζει την επιθυμητή ταχύτητα της πλατφόρμας. Ο συμπερασμός γίνεται με χρήση 22 κανόνων. Η έξοδος του ασαφούς ελεγκτή εκφράζεται με μια τιμή από -10V έως +10V. Η έξοδος από τον ασαφή ελεγκτή οδηγείται πάλι μέσω της ειδικής κάρτας Ε/Ε στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή του κινητήρα της FESTO ο οποίος ελέγχει κατάλληλα το ρεύμα τυλίγματος του κινητήρα ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή ταχύτητα. Η περίοδος του ελέγχου είναι 100 ms. Τα αποτελέσματα του ελέγχου του πιο πάνω συστήματος κρίνονται γενικά ικανοποιητικά δεδομένης της ισχυρής αστάθειας που το χαρακτηρίζει. / The subject of the thesis is the automatic control of an inverted pendulum consisting of a cart and a ball. We used fuzzy control to balance the ball on top of an arch. The controller was created in LabView 2009.