КОМП’ЮТЕРНА ОБРОБКА ВІЗУАЛЬНИХ ДАНИХ У НАВЧАЛЬНИХ DIY ПРОЄКТАХ

Автор(и)

  • Олександр Федорович Винник Харківський національний педагогічний університет імені Г.С. Сковороди https://orcid.org/0000-0001-5130-5056
  • Євгенія Олександрівна Бутиріна Харківський природоохоронний фаховий коледж Одеського державного екологічного університету https://orcid.org/0009-0000-0595-2543
  • Роман Іванович Кратенко Харківський національний педагогічний університет імені Г.С. Сковороди https://orcid.org/0000-0002-5325-0543

DOI:

https://doi.org/10.28925/2414-0325.2024.161

Ключові слова:

комп’ютерна обробка візуальних даних, DIY, спектрофотометр, рефрактометр, колориметр, поляриметр, ColorKit

Анотація

Проаналізовано програмні засоби для обробки візуальних даних у навчальному хімічному експерименті, досвід їх застосування та ряд DIY (Do it Yourself – зроби сам) проєктів розроблених на їх основі. Особлива увага звертається на роль саморобних пристроїв під час вимушеного онлайн навчання обумовленого COVID-19 та повномасштабною війною в Україні.

Викладено результати розробки програмного засобу ColorKit (кафедра фізики і хімії ХНПУ  імені Г.С.Сковороди); висвітлено базові принципи, описано інтерфейс, основні функції застосунку та області їх використання, принцип дії модулів: «Спектрофотометр», «Колориметр», «Рефрактометр», «Поляриметр». Розглянуто особливості будови розроблених викладачами, здобувачами вищої освіти та учнями членами МАН оптичних комп’ютерних пристроїв для фізико-хімічного аналізу, висвітлено результати їх апробації.

Описано конструкцію абсорбційного спектрофотометра на основі відбивної дифракційної ґратки виготовленої із DVD-диску; запропоновано новий спосіб його калібрування з використанням розчину діамантового зеленого. Апробовано діючу модель та встановлено, що точність пристрою достатня для демонстраційних та навчальних хімічних експериментів.

Розглянуто принцип дії модуля «Колориметр» програмного засобу ColorKit. Показано, що на відміну від інших програмних засобів, він має влаштовані засоби апроксимації. Завдяки цьому суттєво полегшується обробка візуальних даних; виведення результатів математичної обробки у графічному вигляді, а це відповідно робить експеримент більш наочним. Звертається увага на необхідність правильного налаштування драйверу відеопристрою для коректної роботи віртуального спектрофотометра та колориметра в режимі реального часу.

Наведено ряд оптичних схем рефрактометрів розроблених на основі програмного засобу ColorKit: з рідинною та V-призмами; пристрою принцип дії якого ґрунтується на зміні оптичних властивостей лінзи, що контактує з розчином. Показано, що одночасне відображення ходу променів та результатів математичної обробки забезпечує високий рівень наочності. Викладено результати апробації LED DIE рефрактометра з V-призмою. Намічено подальші перспективи розвитку проєкту ColorKit.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Shidiq, A. S., Permanasari, A., Hernani, & Hendayana, S. (2021). The use of simple spectrophotometer in STEM education: A bibliometric analysis. Moroccan Journal of Chemistry, 9, 290-300.

https://doi.org/10.48317/IMIST.PRSM/morjchem-v9i2.27581

Forbes, P. B. (2016). Seeing the light: The SpecUP educational spectrophotometer. In G. G. Gregory (Ed.), Optics Education and Outreach IV. 9946, p. 99460Z. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2235680

Scheeline, A., & Kelley, K. (2010). Teaching, Learning, and Using Spectroscopy with Commercial, Off-the-Shelf Technology. Applied Spectroscopy, 64(9), 256-267. https://doi.org/10.1366/000370210792434378

Theremino System. The real modular in out. (Theremino) February 1, 2024. https://www.theremino.com/

Noethling, J. A., & Forbes, P. B. (2014). Shedding the light on spectrophotometry: The SpecUP educational spectrophotometer. In M. F. Costa, & M. Zghal (Ed.), 12-th Education and Training in Optics and Photonics Conference, 9289. https://doi.org/10.1117/12.2070728

Theremino Spectrometer Construction. Theremino System. 2 February, 2024. https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Construction_ENG.pdf;

Theremino Spectrometer Technology. January 5, 2024.

https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Technology_ENG.pdf

Bruininks, B., & Juurlink, L. B. (2022, May). An Inexpensive 3D Printed Periscope-Type Smartphone-Based Spectrophotometer for Emission, Absorption, and Fluorescence Spectrometry. Journal of Chemical Education, 99, 2168-2174. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.2c00060

Koohkan, R., Kaykhaii, M., Sasani, M., & Paull, B. (2020, December). Fabrication of a Smartphone-Based Spectrophotometer and Its Application in Monitoring Concentrations of Organic Dyes. ACS OMEGA, 5, 31450-31455. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c05123

Castellannos, A. R., Castellanos, H. E., & Alvarez-Salazar, C. E. (2022). arXiv:2201.07110v1 [physics.ed-ph]. Using homemade spectrometers to perform accurate measurements of discrete and continuous spectra, 18. https://doi.org/10.48550/arXiv.2201.07110

Bogucki, R., Greggila, M., Mallory, P., Feng, J., Siman, K., Khakipoor, B., Smith, A. W. (2019). A 3D-Printable Dual Beam Spectrophotometer with Multiplatform Smartphone Adaptor. Journal of Chemical Education, 96, 1527-1531. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00870

Theremino Spectrometer. Sample Spectrums. January 15, 2024. https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Spectrums_ENG.pdf

Wenderson, R. F., Willian, T. S., Reis, C., B. dos Santos, V., Carvalho, E. A., Efraim L. Reis, E. L., & Ernando, C. V. (2021). Multifunctional Webcam Spectrophotometer for Performing Analytical Determination and Measurements of Emission, Absorption, and Fluorescence Spectra. Journal of Chemical Education, 98, 1442-1447. https://dx.doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c01085

Min, K. P., Kim, J., Song, K. D., & Kim, G. W. (2019). A G-fresnel optical device and image processing based miniature spectrometer for mechanoluminescence sensor applications. Sensors, 19(16), 3528

https://doi.org/10.3390/s19163528

Kolesnichenko, P. V., Eriksson, A., Lindh, L., Zigmantas, D., & Uhlig, J. (2023). Viking Spectrophotometer: A Home-Built, Simple, and Cost-Efficient Absorption and Fluorescence Spectrophotometer for Education in Chemistry. Journal of Chemical Education, 100, 1128-1137. URL: https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.2c00679

Yoo, Y., & Yoo, W. S. (2020, November). Turning Image Sensors into Position and Time Sensitive Quantitative Colorimetric Data Sources with the Aid of Novel Image Processing/Analysis Software. Sensors, 20. https://doi.org/10.3390/s20226418

Vasco, R. P., & Stephen, B. H. (2019, June 12). Low-cost (<€5), open-source, potential alternative to commercial spectrophotometers. PLOS Biology, 1-8. URL: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000321

Camara, C.A. (2021). Construction of a Low-Cost Polarimeter For Educational Purposes. Quimica Vol. 44, №3, 2021. – pp. 361-365.

http://dx.doi.org/10.21577/0100-4042.20170661

Mehta, A., & Greenbowe, T. J. (2011, August). A Shoebox Polarimeter: An Inexpensive Analytical Tool for Teachers and Students. Journal of Chemical Education, 88, 1194-1197.

https://doi.org/10.1021/ed1011635

Vorobiev, D., Ninkov, Z., & Gartley, M. (2014). Polarization in a snap: imaging polarimetry with micropolarizer arrays. In D. B. Chenault, & D. H. Goldstein (Ed.), Polarization: Measurement, Analysis, and Remote Sensing XI, 9099. https://doi.org/10.1117/12.2053164

Vynnyk, O. F., Ghranovsjka, T. Ja., & Kratenko, R. I. (2023). Vysokoshvydkisnyj komp'juternyj poljarymetr na osnovi CMOS matryci. Elektronne naukove fakhove vydannja «Vidkryte osvitnje e-seredovyshhe suchasnogho universytetu», (15), pp.1-17. https://doi.org/10.28925/2414-0325.2023.151

Syniavskyi, I. I., Ivanov, Y. S., Sosonkin, M. G., Milinevsky, G. P., & Koshman, G. (2018). Multispectral imager-polarimeter of the" AEROSOL-UA" space project. Space Science and Technology, 24(3), 23-32.

https://doi.org/10.15407/knit2018.03.023

Jiang, G., Wan, J., Lu, Z., Dou, W., Wang, C., & Lu, Y. (2018, November). Optical design of a refractometer with the liquid prism. In Tenth International Conference on Information Optics and Photonics (Vol. 10964, pp. 343-348). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2505408

Yang, H., Shin, S., Kumar, S., Seo, D., Oh, S., Lee, M., & Seo, S. (2022). A CMOS image sensor based refractometer without spectrometry. Sensors, 22(3), 1209. https://doi.org/10.3390/s22031209

Barrios, C. A. (2022, February). Smartphone-Based Refractive Index Optosensing Platform Using a DVD Grating. Sensors, 22.

https://doi.org/10.3390/s22030903

Robertson, М. W., Wright, М. S., Friedli, A., & Summers, J. (2020). Design and characterization of an ultra-low-cost 3D-printed optical sensor based on Bloch surface wave resonance. Biosensors and Bioelectronics: X, 100049(5), 1-6. https://doi.org/10.1016/j.biosx.2020.100049

Xie, C., Li, C., Ding, X., Jiang, R., & Sung, S. (2021). Chemistry on the cloud: From wet labs to web labs. Journal of chemical education, 98(9), 2840-2847. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.1c00585

Vynnyk , O. F., Komisova , T. Je., & Kratenko , R. I. (2021). Rozrobka proghramno-metodychnogho kompleksu SchoolKit. Elektronne naukove fakhove vydannja «Vidkryte osvitnje e-seredovyshhe suchasnogho universytetu». (11), pp. 32–48. https://doi.org/10.28925/2414-0325.2021.113

Patrick, T., & Clark, J. C. (2006). Visual Basic 2005 Cookbook: Solutions for VB 2005 Programmers. (J. Osborn, Ed.) USA: O'Reilly Media, Inc, pp. 445-448.

Downloads


Переглядів анотації: 67

Опубліковано

2024-04-29

Як цитувати

Винник, О. Ф., Бутиріна, Є. О., & Кратенко, Р. І. (2024). КОМП’ЮТЕРНА ОБРОБКА ВІЗУАЛЬНИХ ДАНИХ У НАВЧАЛЬНИХ DIY ПРОЄКТАХ. Електронне наукове фахове видання “ВІДКРИТЕ ОСВІТНЄ Е-СЕРЕДОВИЩЕ СУЧАСНОГО УНІВЕРСИТЕТУ”, (16), 1–21. https://doi.org/10.28925/2414-0325.2024.161

Номер

Розділ

Статті

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають