UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
Dvopredmetni učitelj, računalništvo – tehnika
Mihael Dvorščak
ŠOLSKI PROJEKTI NA TEMO PAMETNE HIŠE TEMELJEČI NA MIKRORAČUNALNIKU
RASPBERRY PI Magistrsko delo
LJUBLJANA, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
Poučevanje, predmetno poučevanje smer računalništvo – tehnika
Mihael Dvorščak
ŠOLSKI PROJEKTI NA TEMO PAMETNE HIŠE TEMELJEČI NA MIKRORAČUNALNIKU
RASPBERRY PI
Magistrsko delo
MENTOR: prof. dr. Slavko Kocijančič
LJUBLJANA, 2021
Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Slavku Kocijančiču za vso pomoč in strokovne usmeritve pri nastajanju magistrskega dela.
POVZETEK
Razvoj informativno-komunikacijskih tehnologij omogoča nove načine vključevanja elektronskih naprav v naš vsakdan. Avtomatizacija doma uporabniku olajša vsakodnevna opravila in izboljša kakovost bivanja. Raspberry Pi in ostala programirljiva okolja uporabnikom olajšajo učenje elektronike in programiranja. Ker so učni načrti v veljavi že nekaj časa, ne vsebujejo napotkov za vključitev novih tehnologij v šolski prostor in tako tudi ne vsebujejo načrta za umestitev mikroračunalnika Raspberry Pi v učni proces.
Magistrsko delo je namenjeno učiteljem tehnike v osnovnih šolah in profesorjem tehniških predmetov na srednješolski stopnji izobraževanja. Rezultat je projekt, katerega osnova je mikroračunalnik Raspberry Pi. Uporabili smo ga za krmiljenje dveh elementov pametne hiše, luči in okenskih rolet. V teoretičnem delu predstavimo pametno hišo in njene elemente, mikroračunalnik Raspberry Pi in njegove komponente. Ogledamo si primere uporabe mikroračunalnika Raspberry Pi in elemente pametne hiše v izobraževalne namene v Sloveniji in tujini. Analiziramo primernost trenutnih učnih načrtov tehniških predmetov osnovnošolskega in srednješolskega izobraževanja za uporabo projekta pri učnih urah. Predstavimo klasičen pouk pri tehniškem predmetu in alternativne učne pristope ter metode. V projektnem delu predstavimo prvo postavitev in zagon mikroračunalnika Raspberry Pi ter namestitev programskih komponent, kot so spletni strežnik Apache, spletni modul Flask in ostali.
Nadaljujemo s konfiguracijo potrebnih nastavitev, da uporabimo Raspberry Pi kot spletni strežnik za našo spletno stran in osrednjo krmilno enoto elementov naše pametne hiše.
Razložimo sestavo elektronskih delov projekta in povezavo le-teh s programskim delom, narejenih s pomočjo programskih jezikov Python, JavaScript in HTML. Programski del je tudi podrobneje razložen za vsak podsklop posebej. Na koncu bralcu ponudimo priporočila za vključitev in umestitev podanega projekta v izobraževalni proces naravoslovno-tehniških predmetov tretje triade osnovne šole in srednješolskega poklicnega in strokovnega izobraževanja na podlagi obstoječih učnih načrtov.
Magistrsko delo ponuja veliko odprtih možnosti in izboljšav zaradi obširnosti tematike in vsestranske uporabnosti mikroračunalnika Raspberry Pi.
KLJUČNE BESEDE
Raspberry Pi, pametna hiša, programski jezik Python, operacijski sistem Raspbian, spletni strežnik Apache, spletna aplikacija Flask, elektronika, senzor osvetljenosti, krmiljenje elektromotorja, krmiljenje servomotorja, naravoslovno-tehniško izobraževanje.
Smart Home School Projects based on Raspberry Pi Microcomputer
ABSTRACT
The development of information and communication technologies enables new ways of integrating electronic devices into our everyday lives. Home automation makes everyday tasks easier for the user and improves the quality of life. The Raspberry Pi and other programmable environments make it easier for users to learn electronics and programming. Since the curricula have been in place for some time, they do not contain guidelines or a plan for incorporating new technologies into the school space, like the Raspberry Pi microcomputer is.
The thesis is intended for teachers in junior high and high school, teaching technology education classes. Its main result is a project focused on a Raspberry Pi microcomputer used as a main controller of two smart home elements, lights, and blinds. In theoretical part we present smart home and its elements, Raspberry Pi microcomputer, and its components. We check different use cases of smart home elements and Raspberry Pi microcomputer in Slovenian and foreign education systems. We analyse suitability of the current educational curriculum in Slovenia for junior high and high schools for the purpose of using our project in technical education. We present a classical approach in science and technology lessons and upgrade it with presentation of alternative learning approaches and methods. In practical part we present first boot up and setup of Raspberry Pi, instalment of needed software, Apache web server, and Flask Python module. We continue with configuration of Raspberry Pi to become our main web server and control unit of our smart home. In detail we explain usage of electronic components and how they are connected with software part made with Python, Javascript and HTML programming languages. Software part is also thoroughly explained for each subset individually. Finally, we offer the reader recommendations for the inclusion and placement of the given project in the educational process of natural science and technical subjects of the third triad of primary school and high school education based on the existing curricula.
The thesis leaves many open possibilities and improvements, due to the sheer breadth of the topic and versatile usage of Raspberry Pi microcomputer.
KEY WORDS
Raspberry Pi, smart home, Python programming language, Raspbian operating system, Apache web server, Flask web application, electronics, light sensor, electric motor control, servo motor control, science and technology education
Kazalo:
1. Uvod ... 17
1.1. Opredelitev raziskovalnega problema ... 18
2. Odprtokodna elektronska razvojna okolja ... 19
2.1. Arduino ... 20
2.2. Raspberry Pi ... 21
3. Predstavitev Raspberry Pi ... 22
3.1. Operacijski sistem ... 22
3.2. Strojna oprema ... 22
3.3. Možnosti uporabe ... 24
4. Izobraževanje in IKT ... 25
4.1. IKT v izobraževanju ... 25
4.2. Učni pristopi in metode ... 26
4.3. Induktivne metode poučevanja ... 28
5. Primeri praks učenja na mikroračunalniku Raspberry Pi in elementih pametne hiše iz šolstva ... 31
5.1. Slovenija ... 31
5.2. Pregled nekaterih izkušenj iz tujine ... 32
6. Umestitev projekta v slovenske učne načrte od tretje triade osnovne do konca srednje šole ... 34
6.1. Učni načrti ... 34
6.1.1. Osnovna šola ... 34
6.1.2. Srednja šola ... 37
6.2. Tehniški dan ... 40
7. Izdelava projekta in vpeljava v učno uro ... 41
7.1. Namestitev OS in prvi zagon RP ... 41
7.2. Elementi pametne hiše in njihova izdelava ... 44
7.2.1. Strežnik in spletni vmesnik ... 44
7.2.2. Zagon in prikaz spletne aplikacije v brskalniku ... 48
7.2.3. Model krmiljenja svetlobnih elementov ... 51
7.2.4. Rolete ... 55
8. Rezultati in ugotovitve ... 65
9. Zaključek ... 67
10. Literatura ... 69
11. Priloge ... 72
Kazalo slik:
Slika 1: Raspberry Pi 3 B+ [6] ... 23
Slika 2: Slika končanega projekta ... 44
Slika 3: Osnovna spletna stran Apache ... 45
Slika 4: Začetna spletna stran index.html ... 46
Slika 5: Koda index.html ... 47
Slika 6: Datotečna struktura ... 47
Slika 7: Inicializacija ... 49
Slika 8: Razporeditev in oštevilčenje RP GPIO-pinov [49] ... 51
Slika 9: Shema vezave svetleče diode in stikala na RP ... 52
Slika 10: Vezava svetleče diode ... 52
Slika 11: Krmiljenje luči ... 53
Slika 12: Funkcije za luči ... 53
Slika 13: Videz strani luci.html ... 54
Slika 14: Modela okenskih rolet, sijalke in njuno vezje ... 55
Slika 15: Shema vezave komponent za del rolete na RP ... 56
Slika 16: Vsebina telesa spletne strani rolete.html ... 57
Slika 17: Videz strani rolete.html ... 58
Slika 18: Videz strani nastavitve.html ... 58
Slika 19: Zanka, ki preverja osvetljenost okolice ... 59
Slika 20: Inicializacija vseh uporabljenih GPIO-pinov ... 60
Slika 21: Nastavljanje referenc spletnih strani ... 60
Slika 22: Krmiljenje luči ... 61
Slika 23: Krmiljenje elektromotorja ... 62
Slika 24: Branje spremembe stanj na digitalnem kotnem odjemniku ... 62
Slika 25: Krmiljenje servomotorja ... 63
Slika 26: Zapisovanje vrednosti nastavitev v datoteko ... 63
Slika 27: Programski kodi jQuery in Ajax ... 64
Kazalo tabel:
Tabela 1: Značilnosti posamezne induktivne metode [25]. ... 28Seznam uporabljenih okrajšav:
A – tok [amper]
ADC – analogno-digitalni pretvornik angl. – angleško
Apache – Apache Http Server
CPU – centralno-procesna enota, angl. Central processing unit DAC – digitalno-analogni pretvornik
EUR – evro, denarna valuta
GPIO-pini – vhodne/izhodne enote
GPU – grafično-procesna enota, angl. Graphics processing unit I2C – ali IIC, Inter Integrated Circuit bus
IKT – informacijsko-komunikacijske tehnologije IoT – internet stvari, angl. internet of things LAN – lokalno omrežje, angl. Local area network NOOBS – angl. New Out Of Box Software OS – operacijski sistem
PWM – pulzno-širinska modulacija, angl. Pulse width modulation RAM – delovni pomnilnik
RP – mikroračunalnik Raspberry Pi SoC – system on a chip
SPI – Serial Peripheral Interface TIT – tehnika in tehnologija
UART – Universal Asynchronous Receive Transmit UL – Univerza v Ljubljani
UM – Univerza v Mariboru UN – učni načrt
V – napetost [volt]
V/I – vhod in izhod
Wi-Fi – brezžična spletna povezava
17
1. Uvod
Že od prazgodovine se ljudje trudijo živeti udobneje in varneje. Tako smo iz življenja pod nebom, z namenom iskanja zatočišča, prešli v jame, improvizirane hiše, preproste zidane hiše in navsezadnje v hiše, kot jih poznamo danes. Razvoj informacijsko-komunikacijskih tehnologij (v nadaljevanju IKT), elektronike in elektrotehnike je v zadnjem času močno napredoval in spreminja naš način življenja. Dobili smo elektronske naprave, ki nam omogočajo lajšanje dela oziroma življenja na splošno, predvsem pa so zaradi splošne dostopnosti postale množično dostopne za slehernega posameznika. Tako je IKT zavzel že skoraj vse kotičke našega vsakdanjega življenja. V hišah poleg osnovne elektroinštalacije najdemo še tiskana in integrirana vezja, ki nam omogočajo dodatno ugodje in nam lajšajo življenje.
Vsaka hiša oziroma kar na splošno stanovanjski objekt je napajan z elektriko. Ta nam omogoča delovanje naših naprav in strojev. V čem pa se razlikuje »navadna« hiša od t. i. pametne hiše?
Glavna razlika se skriva v njeni notranjosti. Avtomatizacija doma, znana pod bolj splošnim imenom »pametna hiša«, je avtomatizacija stavbe, objekta s pomočjo pametne inštalacije. Kot že prej omenjeno, ima pametna hiša poleg standardne inštalacije, žic, stikal ipd. dodan še
»pametni« del, ki ga sestavljajo integrirana vezja in senzorji. Senzorji sestavljajo fizični del sistema, prek katerega sistem spremlja okolico. Sistem je sestavljen še iz avtomatiziranega dela, ki krmili luči, klimatsko napravo/ventilacijo, ogrevanje, zabavno elektroniko in ostale naprave v domu. Ta lahko vključuje še varnostne sisteme. Ob povezavi na splet sistem postane osnovni del t. i. interneta stvari (angl. Internet of Things, kratica IoT1), saj nam omogoča povezovanje z računalnikom, mobilnimi napravami ipd. [1][2].
Sistem običajno povezuje krmiljene naprave s centralno nadzorno enoto. Do nje dostopamo prek spletnega vmesnika, aplikacije ali nadzorne enote, montirane na steno v prostoru. To nam omogoča oddaljen dostop in manipulacijo z želeno napravo. Vse z namenom olajšanja vsakodnevnih opravil in izboljšanja kakovosti bivanja. Centralno-nadzorna enota je ponavadi programirljiv krmilnik, ki skrbi za delovanje sistema. Sistem je v glavnem avtonomen, kar pomeni, da deluje po vnaprej določenih nastavitvah oz. nastavljenih parametrih. Vendar še vedno omogoča uporabniku spreminjanje parametrov in posledično delovanja prek prej omenjenega vmesnika. Uporabniku omogoča fizičen ali oddaljen dostop do krmiljenja. Kot primer lahko navedemo samodejno spuščanje rolet glede na stanje svetlobe iz okolice ali sončni zahod. Vendar uporabniku še vedno sistem omogoča, da jih spusti sam, ko to želi. Recimo sredi dneva spusti ali dvigne sredi noči. Uporabnik to naredi ali s pomočjo fizičnega stikala ali s pomočjo oddaljenega dostopa prek aplikacije ali katerega od prej omenjenih načinov [1].
Sodoben izobraževalni proces vedno stremi učencem ponuditi najnovejše tehnološke izdelke in jih pripraviti na kompetentno uporabo novih tehnologij, zato ni presenetljivo, da se čedalje več
1 Internet stvari je razširitev internetne povezave na vsakodnevne fizične naprave, stvari. Naprave, sestavljene iz elektronike, s podporo za internetno povezljivost in ostalo strojno opremo (kot so npr. senzorji), lahko komunicirajo z drugimi napravami znotraj interneta in omogočajo uporabniku oddaljen dostop in manipulacijo njih. To so lahko aparati bele tehnike in ostale naprave hišne elektronike, avtomobili in ostala prevozna sredstva ali stroji v proizvodnji [3].
18
IKT najde v izobraževalnem procesu. V veliko pomoč so jim projekti raznih fundacij, kot je na primer fundacija Raspberry Pi iz Združenega kraljestva Velike Britanije in Severne Irske, ki je razvila mali mikroračunalnik z namenom spodbujanja poučevanja računalništva in programiranja v šolstvu in državah v razvoju. Dodatno za težave pri uporabi teh tehnologij skrbijo namenski spletni forumi, ki so poglavitno namenjeni ravno reševanju težav pri raznih projektih.
1.1. Opredelitev raziskovalnega problema
Sodoben izobraževalni pristop je načrtovan z namenom doseganja izobraževalnih ciljev, navedenih v učnem načrtu (v nadaljevanju UN). Prvi problem se pojavi pri UN. Le-ti so v veljavi po več let, njihovo snovanje pa je dolgotrajen in zahteven proces. Zato so sodobne tehnologije v času nastajanja opredeljene zelo splošno. Mikroračunalnik Raspberry Pi (v nadaljevanju RP) je razmeroma nov produkt, ki zato razumljivo ni vključen v UN, izdelane pred leti, saj v času nastanja UN na trgu takih izdelkov še ni bilo in jih pač ni bilo mogoče vključiti v UN za osnovnošolsko, strokovno in poklicno izobraževanje. Kljub temu je v slovenskem izobraževalnem sistemu že mogoče zaslediti uporabo RP, in sicer predvsem na poletnih šolah in v visokošolskem izobraževanju, uporabe elementov pametne hiše pa ne.
Drugi problem je prilagoditev in vključitev tematike v osnovni predmet TIT na osnovnih šolah in v strokovno tehnične predmete na srednjih šolah. Težavo lahko najdemo tako v prilagoditvi učnih pristopov in strategij poučevanja za učinkovit izkoristek novih tehnologij kot v vsebinah, ki opisujejo znanja in veščine, ki se jih učenci učijo.
Na podlagi tega smo zasnovali naslednje cilje raziskave in postavili raziskovalno vprašanje, na katero odgovorimo v osmem poglavju.
Cilji raziskave:
C1: Umestiti uporabo RP v obstoječe učne načrte.
C2: Načrtovati in izdelati modele izbranih elementov pametne hiše (rolete, svetila itd.), primerne za uporabo v izobraževalnem procesu.
C3: Preizkusiti in ovrednotiti izdelane modele.
C4: Načrtovati tehniški dan za osnovno šolo.
Raziskovalno vprašanje:
R1: V kolikšni meri lahko vključimo RP k šolskim projektom kot krmilnik modelov elementov pametne hiše?
19
2. Odprtokodna elektronska razvojna okolja
Najprej je treba razčistiti pojem, kaj sploh so odprtokodna elektronska razvojna okolja. Arduino in podobna druga taka okolja, kot je še recimo RP, zmotno večinoma zamenjujemo z vezji, ploščami ali mikrokrmilniki, včasih celo uporabijo tujko mikrokontrolerji. Beseda platforma prav tako ni sprejemljiva. Kot tudi ne uporaba prevoda angleške besede »Open source«, prevedeno v odprtokodno, prevod v odprti vir pa je neroden. Predlog definicije bi tako bil, da so to odprtokodna elektronska razvojna okolja. Okolje Arduino temelji na programirljivih vezjih z enim od Atmelovih mikrokrmilnikov (krajše »krmilniki«, na primer Arduino Uno, Nano, Mega ipd.) in omogočajo povezovanje z vhodno-izhodnimi enotami ter programsko opremo, ki omogoča njihovo programiranje (na primer Arduino IDE). Njihovo uporabnost dopolnjujejo razširitveni moduli (angl. shields) in posvečeni spletni forumi za določeno platformo. V magistrskem delu jih bomo imenovali odprta elektronska razvojna okolja [4].
Vendar je treba biti pozoren in ne enačiti krmilnikov Arduina z RP. Na pogled sta si precej podobna, če vzamemo krmilnik Arduino UNO in ga primerjamo z RP. Elektronsko vezje, plošča približno podobne velikosti, ki vsebuje integrirano vezje, vključno z izbranim mikrokrmilnikom, elektronske komponente in vhodno-izhodne pine (v nadaljevanju GPIO- pini).2 Vendar se tu vsa podobnost konča. Ostro oko opazi, da ima RP na plošči dodane še druge stvari. Zraven vizualnih značilnosti je še glavna razlika v tem, da RP uvrščamo že med računalnike, medtem ko Arduino spada bolj pod krmilnike. Razlog je v tem, da ima RP zmogljivejši mikrokrmilnik in omogoča namestitev operacijskega sistema, krmilniki Arduino so manj zmogljivi, prav tako kot RP pa omogočajo povezovanje prek GPIO-enot.
RP se uvršča med računalnike zaradi njegovega načina delovanja. Sestavljen je iz strojne in programske opreme ter za delovanje potrebuje operacijski sistem (v nadaljevanju OS) in programske aplikacije. RP izvaja zaporedja operacij, procesira informacije v obliki numeričnih ali logičnih operacij ter je zaradi vhodno-izhodnih naprav zmožen procesiranja podatkov. Na RP lahko prek USB-vhoda priklopimo periferne naprave (miško in tipkovnico). Ker pa vsebuje še grafični procesor, lahko prek HDMI-vhoda priklopimo monitor [4].
Arduino je bolj primeren za uporabo pri projektih bolj strojne narave (projektih, ki so bolj osredotočeni na krmiljenje elektronskih komponent), medtem ko RP lahko uporabimo bolj široko, in sicer kot strežnik, navaden namizni računalnik ali za krmiljenje elektronskih naprav prek spletnega vmesnika. Lahko ga tudi uporabimo neposredno povezanega z Arduinom prek komunikacijskega principa gospodar/suženj (angl. Master/Slave3) ipd. [6], [7].
Vsa odprtokodna elektronska razvojna okolja lahko uporabljamo v razvojne namene, izobraževalne namene ali kot hobi. Vsebinsko jih lahko navežemo s poudarkom na računalniškem programiranju, razvoju elektronskih vezij, kot krmilnike pri mehatroniki,
2 GPIO-pin – angleško poimenovanje vhodno/izhodnih pinov (v angl. general-purpose input/output pins).
3 Master/Slave je angleško poimenovanje komunikacije gospodar/suženj, kjer je ena naprava (Gospodar) povezana z več drugimi napravami (Sužnji). Naprava v vlogi gospodarja ima direktno kontrolo nad napravami v vlogi sužnja, saj pošilja ukaze, suženj pa jih izvršuje. Kot primer lahko vzamemo krmiljenje elektromotorjev, kjer gospodar pošilja sužnjem ukaze za krmiljenje elektromotorja. Eden izmed sužnjev krmili hitrost, drugi navor [5].
20
robotiki ipd. Poznamo še različna druga okolja, vendar se bomo v magistrskem delu le dotaknili Arduina in podrobneje obravnavali RP, saj sta najbolj množična predstavnika te skupine.
2.1. Arduino
Arduino je odprtokodno elektronsko razvojno okolje, razvito z namenom hitrega in preprostega razvoja prototipov. Namenjen je predvsem študentom, ki nimajo obsežnega predhodnega znanja elektronike in programiranja. Njegov potencial je bil kmalu zaznan še v drugih krogih in se je tako pričel pojavljati v projektih, vse od preprostih vezij do zahtevnih IoT in ostalih aplikacij. Uporabniku omogoča branje vhodnih signalov – senzor osvetljenosti, pritisk stikala, prejetje sporočila ali pa pošiljanje izhodnih signalov – krmiljenje elektromotorja, prižig svetleče diode (angl. Light Emiting Diode – LED) ipd. Ker sta strojna in programska oprema odprtokodni, ima uporabnik vpogled v elektronsko shemo, dizajn ipd., kar pomeni, da ga lahko vsak prilagodi za svoje potrebe. Seveda ima odprtokodnost v tem primeru še negativno stran, kopiranje naprave, zato najdemo na trgu veliko cenejših kopij.
Temelji na krmilnikih Arduino z enim od Atmelovih mikrokrmilnikov. Vsebuje GPIO-pine, analogne in digitalne, podporo za pulzno-širinsko modulacijo (angl. Pulse width modulation, kratica PWM),4 protokole, kot so UART,5 SPI6 in I2C,7 micro-USB za lažje programiranje ter kvarčni kristal. Med drugim ima še analogno-digitalni in digitalno-analogni pretvornik za izbrane pine standardno. Za napajanje potrebuje 5–12 voltov. V primeru, da uporabnik potrebuje dodatno funkcionalnost strojne opreme, obstajajo razširitveni moduli, ki se prek obstoječih GPIO-pinov priključijo in razširijo njegovo uporabnost. Seveda lahko uporabnik sam izdela svoj razširitveni modul zgolj z uporabo prototipne ploščice ali podobnega pripomočka, ki omogoča preprosto vezanje elektronskih komponent.
Programsko opremo sestavlja integrirano programsko razvojno okolje, ki omogoča pisanje programov za krmilnike Arduino. Uporabnik v višjenivojskem programskem jeziku napiše kodo, ki jo razvojno okolje, prevajalnik8 prevede v binarni strojni kod (angl. binary machine code). Za Arduina je to okolje Arduino IDE (angl. integrated development environment), v
4 Pulzno-širinska modulacija (angl. Pulse width modulation – kratica PWM) je način omejevanja napetosti (in toka) s spreminjanjem časa oddajanja le-tega. Na kratko povedano, spreminjamo čas prisotnosti napetosti (in toka) [10].
5 UART (angl. Universkal Asynchronous Receive Transmit) je način komunikacije. Potrebujemo tri povezave, in sicer za sprejemanje (Rx – receive), oddajanje (Tx – transmit) in ozemljitev (GND). Kjer je Rx ene naprave povezan s Tx druge naprave, povezani sta pa tudi na isti GND. Frekvenca prenosa mora biti enaka na obeh napravah, podatek pa je sestavljen iz začetnega bita, podatkovnih bitov (5 do 8 bitov) in zadnjega bita, ki označuje konec. Občasno prisoten je še bit parnosti, ki pa ni obvezen [10].
6 SPI (angl. Serial Peripheral Interface) – komunikacijski protokol s tremi obveznimi in eno opcijsko povezavo, ki deluje v dvosmernem načinu. Povezave so MOSI, MISO, SPICLK, SS (opcijski). Ena naprava je v vlogi gospodarja in vodi povezavo, druga pa v vlogi sužnja. Gospodar je lahko povezan z več sužnji, komunicira pa lahko le z enim naenkrat [10].
7 I2C ali IIC (Inter Integrated Circuit bus) – dvosmerna serijska povezava, sestavljena iz dveh žic, SDA (serial data) in SVL (serial clock). Primernejša za različno hitre naprave, tako kot SPI je povezava gospodar/suženj [10].
8 Računalniški program, namenjen prevodu izvorne programske kode, napisane v višjenivojskem programskem jeziku v strojni jezik.
21
katerem lahko urejamo kodo in jo prenesemo na Arduina. Pomembno je poudariti, da to okolje podpira programski jezik C/C++. Okolje Arduino IDE je izdano z vso svojo izvorno kodo pod GNU-licenco [8], [9].
2.2. Raspberry Pi
Raspberry Pi je tako kot Arduino razvit z namenom učencem in študentom ponuditi učenje elektronike v multidisciplinarnih projektih. Razvit je s strani fundacije Raspberry Pi iz Združenega kraljestva Velike Britanije in Severne Irske z namenom spodbujanja poučevanja računalništva in programiranja v šolstvu in državah v razvoju. Razvili so mali računalnik oz.
mikroračunalnik, ki na tržišču dosega ceno med 17 in 30 EUR. Razvoj se je pričel leta 2008, ko so manjši procesorji postali dovolj zmogljivi in cenovno dostopnejši. Prva generacija je izšla leta 2012 in je predstavljala modela A in B. Sedaj je na trgu že četrta generacija, ki sestavlja modele B z različnimi specifikacijami. Njegova velikost ni veliko večja od kreditne kartice, vendar to ne sme zavesti, saj strojno ponuja uporabniku veliko, edina omejitev je uporabnikova domišljija in znanje. Vsi modeli temeljijo na osnovi Broadcom sistema na čipu (angl. System on a Chip, kratica SoC)9 s centralno procesno enoto ARM (angl. Central processing unit, kratica CPU), integrirano grafično procesno enoto (angl. Graphics processing unit, kratica GPU), delovnim pomnilnikom (RAM) ter vhodi in izhodi (v nadaljevanju V/I), kot so: USB-vhodi, HDMI-priključek, 3,5-milimetrski avdio priključek ter Etherned vhod za priključek RJ45 in GPIO-pine, ki podpirajo osnovne protokole, kot so I2C, UART ipd. Novejši modeli vsebujejo modul za brezžično povezovanje (Wi-Fi in Bluetooth), že integriran na vezju [6], [12].
Zaradi vsestranske uporabnosti in dostopnosti je kmalu postal priljubljena razvojna platforma v različnih krogih in ga lahko najdemo v veliko projektih. Zraven veliko podpore raznih spletnih forumov je glavna podpora z veliko uporabniki domača spletna stran [11]. Tam najdemo veliko projektov, idej, dokumentacije in ostale vrste informacij o RP. Uradni zastopnik za prodajo v Sloveniji je IC Elektronika, kjer je na voljo za nekaj več kot 40 EUR.
9 SoC – angl. system on a chip: je način integracije CPU, V/I-enot in pomnilniških enot na skupno tiskano vezje [13].
22
3. Predstavitev Raspberry Pi
Hitro je RP predstavljen že v podpoglavju 2.2., kjer smo predstavili njegovo zgodovino, namen razvoja in uporabe. V tem poglavju ga bomo predstavili bolj podrobno, si ogledali strojno opremo za model RP 3 Model B+, OS in uporabljen OS v praktičnem delu magistrskega dela ter dokumentirane najbolj inovativne načine njegove uporabe.
3.1. Operacijski sistem
Naši domači namizni računalniki ali prenosni računalniki imajo za OS ponavadi Windows, nekaj se jih najde še z Applovim OS (macOS ali OS X) in nekaj redkih uporabnikov s sistemom Linux. Glavna razlika, poleg očitne grafične podobe vmesnika, je, da sta Windows in Apple OS zaprta sistema (angl. closed source), razvita s strani proizvajalca, brez dostopa tretjim osebam do njihove izvorne kode. Tako uporabniki lahko dobijo končen produkt, vendar ne vedo, kako je ta narejen.
Linux na drugi strani uporabniku omogoča ravno to, saj je odprt sistem (angl. open source).
Tako ne le da dobimo končni izdelek, lahko si še ogledamo izvorno kodo, morda pripišemo, do programiramo nekaj svojega, in ga prilagodimo svojim potrebam, saj ni nič skrito uporabnikom.
Linux je tako kot nalašč za uporabo na RP. Več različic Linux OS je bilo razvitih na osnovi sistema Linux in prilagojenih vsaka s svojim namenom in prednostmi. Fundacija Raspberry Pi kot primarni OS priporoča Raspbian, ki je razvit na osnovi Linuxa. Vendar nudijo še podporo za prenos Linux Ubunta, Windows 10 IoT Core, RISC OS in še nekaterih ostalih. Na spletu se najde veliko tematik po forumih, kateri OS izbrati, vendar vsi nekako ponujajo podobne stvari z dodajanjem razširitev. V našem projektu je bil uporabljen OS Raspbian, ker je nek osnovni OS za RP in ima že prednaložen programski jezik Python in nekaj pripomočkov za delo z GPIO- pini, ostalo smo še dodali posebej sami in ga prilagodili za naš projekt [11], [12], več v poglavju 7.
3.2. Strojna oprema
Kot že omenjeno, obstajajo različni modeli RP. Za naš projekt smo uporabili model 3 B+ (Slika 1), zato si bomo le-tega tudi podrobneje ogledali.
Model temelji na sistemu SoC, podrobneje Broadcom BCM2837B0 s procesorjem Cortex-A53 (ARMv8) 64-bit SoC, s hitrostjo procesorja 1,4 GHz. V primerjavi s prejšnjim modelom omogoča do 17 % hitrejše delovanje. Grafično-procesna enota (GPU) deluje s hitrostjo 400 MHz in za razliko od CPU deluje le na 32-bitni tehnologiji. Podpira resolucijo Full HD (1920 x 1080, 1080 p). Za delovni pomnilnik RAM ima na voljo 1 GB.
Za povezovanje s spletom in brezžičnimi mediji ima vgrajeno 2,4 GHz in 5 GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac wireless LAN (Wi-Fi) povezavo in Bluetooth v4.2. V primeru fizičnega priklopa z omrežnim kablom pa lahko uporabimo 300 Mbit/s Ethernet vhod s standardnim priklopom z RJ45-konektorjem.
23
Za priklop naprav V/I je na ploščo dodan HDMI-vhod za priključitev monitorja, 3,5-milimetrski avdio priključek za »banano« in štirje USB-vhodi. USB-vhodi so namenjeni za priklop raznih V/I naprav, kot so tipkovnice, miške ipd. Vendar so namenjeni bolj za nizko porabniške naprave, saj podpirajo le 1 A toka. Za kaj več je treba uporabiti razširitveni hub z dodatnim napajanjem.
Tretja generacija RP je postregla s povečanim številom GPIO-pinov. Tako ima sedaj 40 pinov, prej 26. Tu je dobro poudariti, da RP podpira le digitalne vhode in izhode. Zato je treba v primeru uporabe analognega signala uporabiti analogno-digitalni pretvornik za vhodne signale (v nadaljevanju ADC) in digitalno-analogni pretvornik za izhodne signale (v nadaljevanju DAC).
Poleg tega se na plošči nahajajo še CSI-port za priklop RP-kamere, DSI-port za priklop RP- zaslona na dotik in razširitveno mesto za kartico MicroSD, ki predstavlja tudi glavno pomnilniško mesto za OS in ostale datoteke. Pri velikosti pomnilniške kartice je treba paziti le to, da je formatirana v datotečnem formatu FAT32.
Za napajanje RP skrbi 5-voltni napajalnik, ki ga priključimo prek mikro USB-vhoda. Koliko toka porabi, je večinoma odvisno od tega, za kaj ga uporabljamo in kaj vse imamo na RP priklopljeno. Vendar v večini primerov zadošča originalen napajalnik z 2,5 A ali primeren ekvivalent [6], [14].
Slika 1: Raspberry Pi 3 B+ [6]
24
3.3. Možnosti uporabe
Po kratkem raziskovanju spleta, strokovnih člankov in revij lahko hitro najdemo veliko projektov različnih uporabnikov. Za vse, od domačih mojstrov do strokovnjakov na svojem področju, je RP prava igrača v njihovih rokah. Omejitev je le njihova domišljija. Tako najdemo enostavne projekte, narejene s pomočjo Scratcha, enostavnejše projekte, ki vključujejo uporabo osnovne elektronike in električnih vezij, do naprednejših projektov, narejenih s pomočjo višjih programskih jezikov in elektronskih komponent.
Kot primer enostavnega projekta lahko vzamemo igre, narejene s pomočjo prednaloženega okolja Scratch. Scratch je namenjen predvsem za začetnike, ki pričenjajo spoznavati algoritme in sestavljati preproste »programe«. S pomočjo grafičnih blokov uporabniku pomaga vizualizirati sestavo algoritma. Zaradi svoje grafične strukture je primeren za začetnike, saj si lažje predstavljajo potek programa in vidijo vrstni red izvajanja blokov. S pomočjo Scratcha lahko izdelamo tudi enostavnejše projekte, ki vsebujejo elektronske komponente. Primer je krmiljenje svetlečih diod, elektromotorja ipd. Seveda pa za zahtevnejše projekte Scratch hitro postane neuporaben. Tu pridejo na vrsto višjenivojski programski jeziki (Python, C/C++ ipd.).
Malo zahtevnejši so tako projekti z dodanimi senzorji, s pomočjo katerih RP krmili naprave in se prilagaja okolju. Kot recimo uporaba senzorja osvetljenosti za vklop in izklop svetleče diode.
Če nadaljujemo in zvišamo stopnjo zahtevnosti uporabe in izdelave projektov, lahko podamo primere, kot so pametno ogledalo, ki prikazuje vsakdanje informacije in novice, otroška varuška za spremljanje otrok prek kamere in mikrofona ter posredovanje teh informacij na mobilni telefon. Potem imamo tu še raznorazne projekte robotov. Vse od robota, ki zna loviti ravnotežje, do humanoidnega robota s funkcijo prepoznave obraza [15], [16][17][18].
25
4. Izobraževanje in IKT
Definicija iz didaktike pravi, da je učenje pridobivanje znanja, razvijanje spretnosti, sposobnosti, navad in oblikovanje človekove osebnosti. Je neka relativno trajna sprememba posameznika, kajti z učenjem se spreminjamo. Tako učenje ni le skladiščenje in vzdrževanje informacij, vendar je proces, ki vključuje iskanje, eksperimentiranje, osredotočanje in potrditve naučenega. Poučevanje je poklicno ukvarjanje s podajanjem učne snovi v ustanovah, šolah, kjer učitelji prenašajo učno vsebino, vrednote in izkušnje na učence. Pri tem učne cilje, vsebino in tehnologijo prilagodijo za dojemljivo raven učečega, ga spodbujajo in vodijo v učnem procesu.
Pouk je učni proces, ki vključuje enakovredno porazdeljene dejavnosti, poučevanja, učenja in vzgoje. Tradicionalen učni proces pri pouku tehnike in tehnologije (v nadaljevanju TIT) ponavadi temelji na deduktivnih učnih metodah. Kjer učitelj učencem predstavi teoretično osnovo in če ostane kaj časa, imajo učenci na voljo pridobljeno znanje preizkusiti še na praktičnih primerih v obliki vaj.
Razvoj IKT-naprav in elektronike je v zadnjih letih močno napredoval. Tako so računalniki in mobilne naprave postali dostopni za širšo družbo in so postali del našega vsakdana, kar se opazi v vse večji vključenosti le-teh tudi v učno okolje.
4.1. IKT v izobraževanju
IKT je področje, ki je konec 20. stoletja in v 21. stoletju pričelo doživljati največje spremembe in razvoj. Tako so IKT-naprave prisotne na vsakem koraku našega življenja in si sodobnega življenja ne moremo več predstavljati brez njih. Za pomen IKT obstajajo različne definicije, skupno vsem pa je nekako, da gre za opis naprav, ki omogočajo uporabnikom dostop, shranjevanje, pošiljanje, sprejemanje in manipulacijo informacij prek elektronskih medijev v digitalni obliki. Primeri takih naprav so računalnik, pametni mobilni telefon, televizija itd.
Družba postaja čedalje bolj informacijska, kar pomeni, da imajo vse spremembe v IKT-svetu vpliv na družbene procese, institucije in dogajanja v družbi [69].
Posledično razvoj teh naprav zahteva od človeka čim boljše znanje o uporabi le-teh. Zato sodobna družba stremi k uporabi in uvajanju IKT v izobraževanja in izobraževalni proces, da se že v šoli pridobi potrebne kompetence, spretnost in znanja za rokovanje z IKT-napravami, ki so vezane na sodobne tehnološke procese.
Vendar hitro pridemo do težave na tem področju, saj je vključevanje teh v šolstvo vedno bilo nekako nerodno zastavljeno. Na začetku je bila uporaba računalnika pri pouku namenjena bolj razvedrilu učencev ali pa so se učili uporabe računalniških komponent in spoznavanja ostalih programskih orodij, katere so učenci v velikem primeru usvojili že sami prek zabave na napravah doma [20]. Kasneje se je počasi pričelo računalnik uporabljati za raziskovalne namene, iskanje informacij in kot podporo pri učenju in poučevanju. Vendar se je treba zavedati prednosti in slabosti uporabe IKT. Kljub temu da nam kot prednost ponuja lažjo dostopnost do informacij, je lahko slabost to, da je teh informacij veliko, ki pa so lahko nezanesljive ali zastarele [21].
26
Tu se pojavi še vprašanje o usposobljenosti učiteljev za delo z IKT-napravami in uvajanjem teh v učni prostor, vendar je to že druga tema, v katero se ne bomo spuščali. So se pa z uvedbo IKT v poučevanje razvile nove metode sodelovanja med učenci ter novi pristopi in metode učenja.
Tako v nekaterih primerih poučevanje izvajajo učenci sami, učitelji pa so le v vlogi moderatorja – usmerjajo učence, da sami pridejo do znanja in si ga tudi izoblikujejo. Učitelj učencu pomaga in spremlja njegov napredek. Učinkovitost uvajanja IKT in RP ter podobnih odprtokodnih okolij v izobraževanje je tako odvisna od primerne izbire učnih pristopov in metod ter načrtovanja in prilagoditve le-teh v prostor [22].
4.2. Učni pristopi in metode
Klasičen pristop v tehniškem poučevanju je videti nekako tako: učitelj na osnovi učnega načrta določi učne cilje in prične učno snov podajati prek teorije in napreduje naprej na apliciranje usvojenega tehničnega znanja na praktične primere. Tradicionalen učni proces pri TIT se tako začne s predstavitvijo teoretične osnove, ki se jo kasneje nadgradi, in na koncu, če ostane še kaj časa, preizkusi usvojeno teoretično znanje še na praktičnih primerih v obliki vaj. Učitelji tako pri poučevanju poleg deduktivnih učnih metod, kot so razlaga, demonstracija in ostale, s poudarkom na teoriji izvajajo praktični del. Učitelj je v aktivni vlogi, saj učencem posreduje znanje, medtem ko so učenci v pasivni vlogi, absorbirajo znanje in ga v enaki obliki, kot jim je bilo podano, podajo nazaj [23].
Čedalje bolj pa se uveljavljajo novi, modernejši pristopi k poučevanju s prilagoditvijo na načine razmišljanja, ugotovljenih prek raziskav, novih tehnologij, in vključujejo uporabo IKT.
Imenujemo jih induktivne metode poučevanja. Omogočajo nek naraven potek načina učenja, saj se učeči prek zastavljenega problema, ki večinoma izhaja iz realnega okolja, učijo metod, pristopov in načinov reševanja problema, ki jih nato lahko aplicirajo na podobne probleme, s katerimi se bodo soočili v življenju. Učenci prek problema spoznajo potrebo po znanju in sposobnostih, potrebnih za rešitev le-tega. Problem mora biti avtentičen, realen in relevanten.
Prav tako je spremenjena tudi vloga učitelja pri pouku. Učitelji niso več zadolženi izključno za poučevanje in podajanje oblikovanega znanja, temveč se je v nekaterih primerih to preselilo tudi na učence in so učitelji le v vlogi moderatorja, neke vrste usmerjevalca, ki učence usmerja, jim pomaga iskati znanje. Tako se je osredotočenost pri pouku preusmerila z učitelja na učenca.
Vendar ima učitelj še vedno veliko in glavno vlogo pri pouku, saj skrbi za usmerjanje in nudi pomoč učencem [23, 24].
Pri klasičnem učenju je večinoma edina motivacija za učečega dejstvo, da nam bo naučeno mogoče prišlo kdaj prav v prihodnosti. Taka vrsta motivacije je na žalost zelo slaba. Dobro uveljavljen pristop vzgojne psihologije pravi, da so ljudje najbolj motivirani pri učenju stvari, kjer zaznajo, da potrebujejo določeno znanje za rešitev. Problem jih sili v analizo podanih podatkov in na podlagi tega izoblikujejo potrebo po dejstvih, pravilih in proceduri ter ne navsezadnje potrebnih znanjih za rešitev problema. Tu pridejo kot alternativa do izraza induktivne metode poučevanja. Induktivnih metod poučevanja je več vrst, vse postavljajo učenca v središče pozornosti in ga aktivno vključujejo v učni proces in večinoma od njega zahtevajo sodelovalno skupinsko iskanje rešitve danega problema. Učenec mora tako pri taki uri spraševati, raziskovati in sam razvijati svoje načine ter poti za najbolj optimalno rešitev [23].
27
Učitelju lahko uporaba IKT pri pouku prevzame celoten proces podajanja, posredovanja, vrednotenja in utrjevanja znanja znotraj okvirov programiranega pouka. Seveda pa morajo imeti učitelji realna pričakovanja in se morajo zavedati, da je za uporabo IKT pri pouku potrebno načrtovanje in izoblikovanje določenih ciljev, tako kot pri vpeljavi katerega koli drugega učnega pripomočka. V obzir je treba vzeti razvojno stopnjo učencev, določiti učne cilje in šele nato na podlagi vsega izbrati primerno rešitev za uporabo IKT. Kljub temu da so IKT-naprave same po sebi že dober motivator in jih lahko vpeljemo v vse faze pouka, imajo še vedno omejitve v uporabi in imamo tako ob lahkomiselni uporabi hitro ravno obraten učinek pri pouku [22].
Pri učenju učencev poznamo tri pristope: površinski, poglobljen in strateški način. Površinski pristop vsebuje le osnovno pomnjenje, brez kakšnega koli razumevanja ozadja. V poglobljenem načinu se učeči poglobi v učni primer, raziskuje okolico, da bo bolje razumel, kaj se uči in zakaj. Tretji, strateški pristop je kombinacija obeh prejšnjih načinov, le da tako kot ime namiguje, da se učenec strateško odloči, kolikšna mera je potrebna, za dober dosežek oz.
zadostne pogoje. Opazovano je bilo, da so karakteristike višjenivojskega intelektualnega razvoja in globokega pristopa v osnovi enake, saj oboji zahtevajo prevzem odgovornosti za učenje od učenca. Zato lahko domnevamo, da situacije, ki vključujejo učence v uporabo poglobljenega načina, tudi spodbujajo intelektualno rast. Dobro uporabljene induktivne metode tako lahko zadovoljijo vsem parametrom, ki so bili dokazani, da spodbujajo aktivno in dolgoročno vključevanje v učne naloge (konceptualno razumevanje namesto le postopka pomnjenja) [25].
28
4.3. Induktivne metode poučevanja
Osnova vseh induktivnih metod je konstruktivizem. Pridobljeno znanje temelji na procesu konstrukcije znanja in je vedno konstrukt vsakega posameznika posebej. Se pravi, da vsak učenec aktivno sam ustvarja svoje znanje in ga ne prejema neposredno posredovanega in formuliranega. Učenci naj bi s takšnim načinom razvijali logično razmišljanje, samorefleksijo, kritično razmišljanje, sposobnost za reševanje problemov, prevzemali odgovornost za učenje in dosegali intelektualno zrelost. Vsem metodam je tako značilno skupinsko in sodelovalno učenje, kjer je učenec aktivno vključen v izobraževalni proces. Tabela 1 prikazuje značilnosti posamezne metode in iztočnice za učenje [25].
Tabela 1: Značilnosti posamezne induktivne metode [25].
Poizvedovalno učenje
Problemsko učenje
Projektno učenje
Učenje na primerih
Učenje z odkrivanjem
Ravno ob pravem
času Vprašanja ali
problemi so izhodišče za učenje
Po definiciji Vedno Vedno Vedno Vedno Vedno
Zapleteni in odprti problemi iz resničnega sveta so izhodišče za učenje
Morda Po definiciji Običajno Vedno Morda Morda
Večji projekti so izhodišče za učenje
Morda Morda Po
definiciji
Običajno Morda Morda
Študije primerov so izhodišče za učenje
Morda Morda Morda Po
definiciji
Morda Morda
Učenci sami odkrivajo učne vsebine
Vedno Vedno Vedno Običajno Po definiciji Vedno
Učenci vaje
dokončajo in oddajo v elektronski obliki;
učitelj prilagodi pouk na podlagi njihovih rezultatov
Morda Morda Morda Morda Morda Po
definiciji
Poudarek na samostojnem učenju
Morda Običajno Običajno Običajno Vedno Morda
Aktivno učenje Vedno Vedno Vedno Vedno Vedno Vedno
Skupinsko učenje Morda Običajno Običajno Morda Morda Morda
29
Potek učne ure z induktivno metodo bi lahko v večini uvedb nekako posplošili na pet osnovnih korakov:
i. V prvem koraku učitelj poda, predstavi nek realen problem, na katerem bodo učenci delali. Snov mora približati učencem, zato je zaželeno, da je problem/situacija čim bolj realna in se znajo učenci poistovetiti z njo. Pomembno je vključiti motivacijske elemente, da učence motiviramo in spodbudimo v raziskovanje in usvajanje novega znanja, ki ga še nimajo za rešitev problema.
ii. V drugem koraku učenci raziskujejo o zastavljenem problemu. Učenci zbirajo in analizirajo podatke. Ponavadi od učitelja dobijo podano gradivo za raziskovanje in razmišljajo o idejah, kako rešiti problem. V tem koraku ugotovijo, koliko znanja že imajo za rešitev problema in kaj še potrebujejo za uspešno rešitev.
iii. V tretjem koraku učenci individualno ali po skupinah rešujejo problem. Izhajajo iz drugega koraka. V tem koraku formulirajo svojo interpretacijo in poiščejo potrditev le- te z znanstvenimi dognanji v literaturi. Učitelj jim v primeru težav ne poda pravilnega odgovora, ampak jih usmerja v pravo smer, da lahko nadaljujejo.
iv. Vključitev: v tem koraku izdelajo zaključke in si jih predstavijo med seboj.
v. Evalvacija: v zadnjem koraku se kritično ovrednoti opravljeno delo, evalvirajo, kaj so se naučili in kaj lahko naredijo. Učitelj v tem koraku popravi napake, ki bi jih lahko učenci naredili, in razjasni nejasnosti, ki se pojavijo. Pomembno pa je tudi, da jim poda pravilno rešen problem.
Izraz induktivne metode je širši pojem, ki vključuje več različnih metod: poizvedovalno učenje, problemsko učenje, projektno učenje, učenje na primerih, ravno ob pravem času in učenje z odkrivanjem.
Poleg naštetih enakosti se med seboj tudi razlikujejo. Vendar je na koncu nekako vedno končni produkt poročilo in znanje. Posamezna metoda je na kratko predstavljena v nadaljevanju.
I. Poizvedovalno učenje (angl. Inquiry learning)
Poizvedovanje se prične z vprašanjem, na katerega je treba odgovoriti s problemom, ki ga je treba rešiti ali razložiti nekaj, kar učenci opazujejo. Vsebuje interaktivne vsebine poučevanja, simulacije, samodejno učenje in dele tradicionalnega učenja. Če je dobro zastavljeno, se učenci naučijo formulirati dobra vprašanja, izbirati dokaze, sistematično analizirati in interpretirati rezultate ter evalvirati pomembnost zaključkov. Dodatno ga strokovnjaki glede na učiteljevo vključenost in vodenje učencev pri reševanju problema delijo na strukturirano (učitelj poda potek reševanja), vodeno (podana jim je le metoda reševanja) in odprto (učenci delujejo večinoma sami) [25].
30
II. Problemsko učenje (angl. Problem-based learning)
Problemsko učenje izhaja iz situacije, ki temelji na realnem življenju. Učenci v skupinah iščejo uporabno rešitev, učitelj pa namesto kot glavni vir informacij deluje kot moderator/voditelj. Problem je po naravi lahko tak, da vzame učencem eno šolsko uro za rešitev, ali daljši, ki traja celotno polletje ali več. V času reševanja problema učenci ali prek prebiranja literature ali manjših učnih ur pridobivajo znanje, ki jih na koncu na podlagi primernosti za njihov primer predstavijo. Rezultat metode je novo znanje. Strokovnjaki delijo problemsko učenje na več modelov, ki vključujejo drugačen pristop k reševanju problema [25].
Metoda je sama po sebi zelo težka za implementacijo, saj je treba pričeti z dobrim problemom, prek katerega bodo učenci lahko prišli do znanja.
III. Projektno učenje (angl. Project-based learning)
Projektno učenje se prične z nalogo, katere končni produkt je načrt, algoritem, model, izdelek ali poročilo, ki vsebuje proces, potek in prezentacijo končnega produkta. Med procesom nastane več manjših podproblemov, ki učence vodijo do izdelave končne rešitve. Velikokrat zahteva medpredmetno povezovanje in uporabo znanj, ki jih učenci pridobijo pri drugih predmetih. Je zelo podobno problemskemu učenju in se ga velikokrat zamenja oz. napačno interpretira. Strokovnjaki projektno učenje delijo glede na avtonomnost, ki ga imajo učenci pri projektu in vključenosti učitelja v končni produkt projekta [25].
IV. Učenje na primerih (angl. Case-based learning)
Učenci analizirajo zgodovinske ali druge situacije iz realnega življenja, ki od njih zahtevajo reševanje problema in odločanje na podlagi ugotovitev, do katerih pridejo sami.
Namen te metode je, da učenci dobijo občutek, kakšna situacija se lahko zgodi in kako v tistem trenutku najbolje pristopiti za optimalno rešitev problema [25].
V. Učenje z odkrivanjem (angl. Discovery learning)
Učenje z odkrivanjem vključuje pristop poizvedovalnega učenja, kjer učenci odgovorijo na vprašanje ali rešijo problem. Učenci delujejo tako, da odkrivajo znanje v procesu rešitve podane naloge. Pri tej metodi učitelj poda problem in povratno informacijo na učenčev postopek, vendar ne podaja poteka postopka reševanja [25].
VI. Ravno ob pravem času (angl. Just-in-time learning)
Metoda ravno ob pravem času kombinira spletno tehnologijo in aktivne učne metode.
Učenci rešijo spletno nalogo pred učno uro. Pri učni uri gre na začetku učitelj z njimi čez odgovore in na podlagi njihovih rezultatov prilagodi učno uro (od tod ime ravno ob pravem času). Spletna naloga od učencev zahteva pregled literature. Vaje pri pouku so pripravljene tako, da pri učencih razrešijo napačno doumete koncepte, ki so jih pridobili pri spletni nalogi [25].
31
5. Primeri praks učenja na mikroračunalniku Raspberry Pi in elementih pametne hiše iz šolstva
Na spletu je moč najti veliko projektov, katerih osnova je RP. Po natančnem pregledu jih lahko večino izločimo, ker so to ljubiteljski projekti posameznikov in niso prilagojeni ter didaktično podkrepljeni za splošno uporabo v izobraževanju. Nekaj študij in raziskav opisuje uporabo RP in podobnih odprtokodnih programirljivih okolij za učenje računalništva v povezavi z drugimi tehniškimi strokami, vendar so to večinoma primeri uporab v visokošolskem izobraževanju, študiju. Vsebin na temo uporabe RP z elementi pametne hiše ni zaznati. Zasledili smo primer uporabe elementov pametne hiše za izobraževalne namene, vendar na drugi platformi, poglavje 5.2.
5.1. Slovenija
Za slovenski izobraževalni prostor je lahko na spletu najti različne zapise uporabe RP za učenje osnov programiranja in elektronike, vendar jih je večina o dodatnem izven šolskem izobraževanju, poletnih šolah. Zaslediti je mogoče veliko različnih prijavnic in programov za delavnice, organizirane posebej za osnovnošolce in srednješolce. Organizirane so s strani srednjih šol (primer nekaterih: Šolski center Kranj, Šolski center Velenje, Elektrotehniško- računalniška strokovna šola in gimnazija Ljubljana – Vegova itd.) in fakultet (Fakulteta za strojništvo UL, Fakulteta za računalništvo in elektrotehniko UL in UM, Pedagoška fakulteta UL itd.), primeri nekaterih so podani v [26–30]. Nekako skupno je vsem delavnicam učenje osnov programiranja (programiranje zank, pogojev …), spoznavanje osnov elektrotehnike in elektronike (sestavljanje vezij …) in nekaj osnov robotike (programiranje mikrokrmilnika, sestava vezja …) prek projektnega učenja, kjer je cilj nek izdelek. Tako lahko kot primer vzamemo izdelavo robota na poletni šoli s strani Fakultete za računalništvo in informatiko Univerze v Ljubljani, ki ga krmilimo prek pametnega telefona.
Uporaba RP pri rednem procesu izobraževanja, s tem mislimo redne učne ure TIT in tehniške dneve, ni pokrita s strani učnega načrta, tako za osnovne kot srednje strokovne šole, več o tem v poglavju 6.1. Vendar je moč zaslediti uporabo RP za učenje osnov elektronike in programiranja v osnovnih šolah pri tehniških dnevih, primer [26], in v srednjih strokovnih šolah pri učenju programiranja in elektronike, primer [27]. Pri primeru [26] so učenci OŠ Puconci naredili prometno signalizacijo s pomočjo RP in elektrotehničnih elementov.
32
5.2. Pregled nekaterih izkušenj iz tujine
Kot že omenjeno v uvodu poglavja, je v tujini zaslediti veliko več primerov uporabe RP za učenje osnov programiranja in elektronike, vendar je to bolj koncentrirano na uporabo v višješolskem, dodiplomskem in nadaljnjem izobraževanju. Nekaj primerov uporabe se najde v osnovnošolskem izobraževanju. Kot primer navajamo raziskavo, narejeno s strani fundacije RP [31]. Raziskava je bila narejena v osnovnih, srednjih in ostalih šolah po Angliji in Škotski, z namenom da ugotovijo, kolikšna je uporaba RP po šolah in informiranja šol o delovanju fundacije. Zraven uporabe RP namesto osebnega računalnika je bil v redkih šolah uporabljen še za manjše projekte v okviru učnih ur. Več uporabe je bilo v krožkih pri izven šolskih dejavnostih. Projekti, za katere so uporabljali RP, so vključevali teme elektronike in programiranja, kjer so učenci eksperimentirali s svetlečimi diodami, RP-moduli (RP-kamera ipd.), elektromotorji, igrico Minecraft, zvokom itd. Večina projektov je bila osredotočenih na specifični uporabi RP in njegovih funkcij, kjer so bile naloge bolj tipa sledi navodilom in ne toliko na projektnem izzivu za učence, kjer bi se soočili z odprtim problemom, ki bi ga morali rešiti sami.
V dodiplomskem izobraževanju lahko zasledimo uporabo RP v študiju biologije za namene bioinformatike [32] ali kot orodje za učenje programiranja [33]. Zanimiv primer uporabe RP izhaja s Češke, kjer so na Univerzi v Pilsnu (angl. University of West Bohemia in Pilsen) izdelali platformo, ki vsebuje RP in odprtokodno elektronsko razvojno okolje Arduino. Tako so pridobili spletno dostopnost, računalniško moč in sposobnost shranjevanja podatkov RP ter vsestransko povezljivost enot V/I Arduina. Platforma je namenjena izvajanju simulacij.
Uporabnik prek vmesnika RexLib sestavlja vnaprej sprogramirane bloke in sestavi program, ki je potem namenjen krmiljenju Arduina in njegovih V/I enot. V članku je predstavljenih še nekaj projektov, kot recimo helikopter, krmiljenje električnega grelnika vode itd. Platforma je primerna za uporabo v srednjih šolah in višješolskem izobraževanju, vendar implementacije le- te ni zaslediti [34].
Drugi primer vpeljave RP prek metode projektnega učenja pri učenju tematik IoT je implementacija na Univerzi Purdue v Indianapolisu [36], kjer so iz okolij, namenjenih za simulacije, dodatno razširili izobraževanje z uporabo RP. Končni produkt projektnega učenja je prototip, ki vsebuje strojne in programske rešitve in ga ob skrbno izbrani pomoči učitelja učenci izdelajo sami. Projekt vključuje sodelovanje dveh študentov kot skupina ali enega, ki deluje sam, in traja skozi cel semester. Projekt je deljen na tri manjše dele, projekte. Pri prvih dveh se študentje učijo osnov programiranja in uporabe RP, osnov elektronike in protokolov IoT. Tretji, končni projekt je namenjen, da študentje uporabijo pridobljeno znanje na prejšnjih dveh projektih za izdelavo končnega izdelka. Končni produkt je prototip sistema IoT. Za motivacijo in prilagoditev zahtevnosti študentje na končni produkt implementirajo drugačne funkcionalnosti, uporabo novih elektronskih naprav, ki niso bile predstavljene v uvodnih dveh projektih [36].
Kot primer uporabe elementov pametne hiše za namene izobraževanja navajamo raziskavo, ki so jo opravili Qinran Hu in ostali [36], kjer opisujejo uporabo platforme SHEMS za namene učenja na dodiplomskem študiju. Platforma je bila razvita na katedri za elektrotehniko in
33
računalniške tehnologije Univerze v Tennesseeju (angl. The University of Tennessee – Department of Electrical Engineering & Computer Science) in vsebuje elemente ogrevanja in klimatizacije, krmiljenja bele tehnike in spletnega vmesnika za uporabo. Študentom omogoča dodatno razširjanje platforme z vključevanjem dodatnih modulov, vezij v sistem. V izobraževalnem procesu je vključena z metodo projektnega učenja, kjer študentje dobijo podan problem in poskusijo narediti izdelek.
Še en primer je Smart Condo, projekt Univerze v Alberti. Projekt je interdisciplinaren in vključuje uporabo senzorjev v rehabilitacijskih stanovanjih in hišah starejših pacientov.
Senzorje sestavljajo naprave, zmožne zaznavanja okolice, mikrofoni, kamere, senzorji pritiska, temperature ipd. Osnova sistema je centralni strežnik, ki omogoča komunikacijo in krmiljenje celotne hiše. Zdravnikom hiša omogoča zaznavanje nevarnih situacij in komunikacijo s pacientom [38].
Najde se še nekaj člankov, vendar v njih ni specifično opisane uporabe in implementacije v učni proces. Nekatere raziskave opisujejo uporabo v državah tretjega sveta, vendar so to vse primeri uporabe RP kot nadomestilo za računalnik in ne kot učni pripomoček, namenjen za učenje na projektih in izdelavi izdelkov. Obstajajo še druga orodja in sistemi, ki so uporabljeni za učenje elektronike v šolstvu, vendar smo jih izpustili, saj za nas niso relevantni.
34
6. Umestitev projekta v slovenske učne načrte od tretje triade osnovne do konca srednje šole
V prvem triletju se učenci z IKT srečajo pri pouku v obliki podajanja snovi prek različnih medijev, interaktivne table in računalnika. Razvijajo začetno opismenjevanje, urijo svojo orientacijo ter vidno in slušno zaznavanje prek igre. Vsebine so naravnane tako, da učenci razvijajo določene miselne procese prek induktivnega, deduktivnega, analognega ali intuitivnega sklepanja. Učenci prek uporabe programov razvijajo divergentno in konvergentno mišljenje, kritičnost, ustvarjalnost in strategije reševanja problemov [21]. V drugem triletju se poleg rednih predmetov lahko učenci z IKT, predvsem računalnikom, bolj intenzivno spoznajo pri izbirnih predmetih računalništva. V prvih dveh triletjih tehnike kot individualnega predmeta ni in se pojavi šele v tretjem triletju pri predmetu TIT. Do takrat je prisotna v tematikah znotraj predmeta naravoslovje. Z IKT se v tematikah tehnike pri naravoslovju srečajo večinoma le v primeru nadomeščanj ali uporabi naprav za predstavitev snovi, podajanja navodil, uporabe interaktivne table in projekcije raznih vsebin iz računalnika ali druge naprave. V nadaljevanju bodo predstavljeni UN ter učni cilji za osnovnošolsko in srednješolsko tehnično in strokovno izobraževanje. Predstavili bomo le cilje, relevantne za našo tematiko.
6.1. Učni načrti
Sodoben izobraževalni pristop je načrtovan z namenom doseganja izobraževalnih učnih ciljev, navedenih v UN. Vsak predmet posebej ima zase definiran svoj UN.
6.1.1. Osnovna šola
Kot že omenjeno, je v osnovni šoli usvajanje tehniškega znanja razdeljeno na obvezni predmet v sklopu predmeta TIT in izbirnih predmetov robotika v tehniki, elektronika z robotiko, elektrotehnika in obdelava gradiv, risanje v geometriji in tehniki.
Za nas so primerni naslednji operativni učni cilji pri predmetu TIT iz vseh treh razredov in z različno stopnjo standarda znanja [39]:
- narišejo skico svojega izdelka;
- določijo merila za izdelavo in vrednotenje izdelka;
- izdelajo potrebno tehnično dokumentacijo;
- preizkusijo konstrukcijo na obremenitev;
- ovrednotijo izdelek po določenih merilih in predlagajo izboljšave;
- pripravijo delovni prostor in izberejo ustrezna gradiva za izdelek;
- prenesejo mere s tehnične dokumentacije na gradiva;
- ob uporabi dokumentacije izberejo orodja, pripomočke, stroje in osebna zaščitna sredstva za varno delo;
- rešijo problem krmiljenja izbranega primera, opišejo sestavo in delovanje električnega kroga ter opredelijo vlogo in lastnosti osnovnih gradnikov;
- ugotovijo potrebne pogoje, da v električnem krogu teče električni tok;
35
- razložijo namen in delovanje stikala kot krmilnega elementa v električnem krogu;
- električno napetost razumejo in opišejo kot lastnost vira, da poganja električni tok, imenujejo enoto zanjo in opišejo nevarnosti električnega toka;
- razložijo vlogo in pomen električnega motorja;
- povežejo smer vrtenja enosmernega električnega motorja s smerjo električnega toka;
- ugotovijo potrebo po zmanjševanju števila vrtljajev električnih motorjev v napravah in za to uporabijo zobniško oziroma polžasto gonilo;
- razložijo potrebo, lastnosti in namen vezav več stikal v električnem krogu;
- narišejo sheme električnih vezij;
- uporabijo menjalno stikalo za spreminjanje smeri vrtenja enosmernega elektromotorja;
- analizirajo (različna) vezja in dopolnijo preglednice logičnih stanj;
- konstruirajo in zgradijo model z uporabo spreminjanja smeri gibanja v eno oziroma drugo smer (vrtenje ali premo gibanje);
- utemeljijo, skicirajo in narišejo predmet v izometrični projekciji ter raziščejo možnosti uporabe v praksi;
- narišejo sliko predmeta v prostoru z računalniškim grafičnim programom za trirazsežnostno modeliranje (3D);
- razlikujejo razstavljive in nerazstavljive zveze;
- uporabijo serijsko proizvodnjo;
- izdelajo sestavne dele, jih sestavijo v sklop in končni izdelek;
- opravljajo sprotno in končno kontrolo z uporabo meril;
- opredelijo in razložijo vlogo osi, gredi, vrtišča in ležaja (kotalnega in drsnega) ter pojasnijo pomen maziv;
- na praktičnih primerih opredelijo sestavine gonil (zobniško, polžasto, verižno in ročično), jih analizirajo in opišejo (poimenovanje, prestavno razmerje, smer vrtenja in sprememba števila vrtljajev);
- ugotovijo uporabnost gonil na strojih in napravah;
- opredelijo namen vhodnih in izhodnih funkcij računalnika ter primerjajo računalniško krmiljene naprave (stroj, tiskalnik, risalnik idr.).
Robotika v tehniki je tehnični izbirni predmet, pri katerem učenci spoznavajo vsebine iz konstruiranja modelov računalniško krmiljenih strojev in naprav s poudarkom na značilnostih robotike. Učenci spoznajo tipične konstrukcije in oblike robotskih rok, elektronska krmilja, potrebna za računalniško vodenje, senzorje (čutilnike), vgrajene v konstrukcijo, ki omogočajo povratno delovanje na krmilje. Za nas primerni operativni cilji [40]:
- spoznajo temeljne značilnosti računalniško krmiljenih strojev in naprav;
- razlikujejo med robotom in drugimi računalniško krmiljenimi stroji in napravami;
- spoznajo vlogo reduktorja za zmanjšanje števila vrtljajev rotorja enosmernega motorja in ga uporabijo;
- ugotovijo, od česa je odvisna smer vrtenja enosmernega motorja;
- preizkusijo krmiljenje motorja z ročnimi stikali;
- uporabijo računalnik za krmiljenje smeri gibanja oz. mirovanja mehanskega sistema in ga programirajo;
36
- ugotovijo, da z računalnikom določimo tri stanja motorja (dve smeri vrtenja in mirovanje);
- ugotovijo potrebe po krmiljenju s povratnim delovanjem;
- uporabijo mehansko stikalo kot način za vzpostavitev povratnega delovanja;
- spoznajo značilnosti uporabe digitalnega vhoda;
- razložijo lastnosti svetlobnih in drugih čutilnikov v vlogi stikal;
- ugotovijo vlogo digitalnega čutilnika za določitev zasuka;
- uporabijo linearni potenciometer za določitev kota podnožja;
- spoznajo lastnosti in uporabo analognega vhoda;
- uporabijo potenciometer pri krmiljenju kota motorja;
- spoznajo pomen nekaterih drugih analognih čutilnikov;
- spoznajo vlogo tranzistorja pri vklopu in izklopu električnega porabnika z digitalnimi stanji logične o in 1;
- spoznajo vlogo in uporabo analognega izhoda in ga primerjajo z digitalnim izhodom;
- primerjajo digitalno in analogno krmiljenje in uporabnost obeh načinov;
- povežejo kombinacije logičnih stanj s stanji vrtenja motorja;
- spoznajo osnove digitalno podane informacije;
- ugotovijo, da je za analogni izhod potrebna pretvorba iz digitalnega v analogno, in obratno, da je za analogni vhod potrebna pretvorba iz analognega v digitalno.
Pri izbirnem predmetu elektrotehnika [41] učenci usvajajo osnovno zanje o virih električne napetosti, o napetosti, električnem krogu, prevodnikih in izolantih ter učinku električnega toka na njih, električni moči in delu, porabnikih. Pri predmetu poleg osnov elektrotehnike spoznajo še:
- električne napeljave v stanovanjih in vlogo posameznih sestavnih delov v napeljavi, - ločijo vlogo posameznih vodnikov,
- izdelajo model električne napeljave,
- uporabijo simbole električne napeljave za risanje oblik električnih shem, - primerjajo različne vrste žarnic in sijalk,
- utemeljijo vlogo varovalke v električni napeljavi.
Izbirni predmet elektronika z robotiko [41] je bolj namenjen motivaciji učencev za izbiro nadaljnjega izobraževanja na področju elektronike. Bolj je sestavljen z namenom srečevanja učencev s problemi in iskanjem odgovorov nanje. Učenci tako ob praktičnem delu spoznajo:
- delovanje osnovnih elektronskih vezij, - digitalno in analogno izražanje podatkov, - fizikalne in tehnične lastnosti senzorjev, - osnove regulacije in vodenja procesov,
- osnovne pojme informatike in prenašanja podatkov, - povezanost elektronike in robotike s fiziko in matematiko, - elektronske elemente (diode, tranzistorji, kondenzatorji), - logična vrata, povratne zanke,
- signale,
37 - algoritme in programirano upravljanje.
6.1.2. Srednja šola
Srednješolsko izobraževanje je razdeljeno na poklicno in strokovno izobraževanje ter splošno in tehniško gimnazijsko izobraževanje. Učni načrti za našo tematiko so obširnejši, zato bomo le na splošno opisali primerne smeri in nekaj usmerjevalnih učnih ciljev, ki jih dijaki pri posamezni smeri usvojijo, in tematike, ki jih obravnavajo.
V srednješolskem poklicnem izobraževanju so za tematiko zanimive smeri Elektrikar, Mehatronik operater in Računalnikar. Najde se še nekaj modulov pri ostalih smereh, pri katerih obravnavajo za nas primerne tematike, vendar te tematike niso poglavitne za smer in na njih ni toliko poudarka, zato smo jih izpustili.
Pri smeri Elektrikar dijaki spoznajo elemente in zakonitosti v električnih tokokrogih, osnovne električne veličine, materiale, ki se uporabljajo v elektrotehniki, kako sestaviti preprosta električna vezja in lastnosti električnega vezja. Spoznajo vzporedno in zaporedno vezavo.
Naučijo se zakonov in izračunati potrebne veličine elektrotehnike v električnih tokokrogih ter jih izmeriti. Spoznajo postopke vzdrževanja električnih porabnikov in vezij ter nekaj malega o komunikacijah in komunikacijskih instalacijah. Pri modulu krmilne naprave se naučijo razlikovati med analognimi in digitalnimi signali, kaj so osnovne značilnosti digitalnih vezij in sistemov ter logične funkcije. Spoznajo različne module, elemente in načine krmiljenja. Pri ostalih modulih spoznajo ostale električne stroje in naprave ter njihove značilne podatke. Pri modulih avtomatika in pametne inštalacije spoznajo enote V/I, razumejo uporabo računalniških aplikacij v vsakdanjem življenju, spoznajo mikrokrmilnike in različne elemente pametnih inštalacij, krmilne in regulacijske tehnike. V manjši meri se srečajo tudi s programskimi jeziki [42].
Smer Mehatronik operater da dijakom znanje o gradivih, konstrukcijah, strojih in napravah ter krmilih. Spoznajo elemente in zakonitosti v električnem tokokrogu. Sestavljajo preprosta električna vezja različnih vrst vezav. Znajo izračunati in izmeriti različne vrednosti veličin v tokokrogu. Naučijo se uporabe strokovne terminologije, tehniške dokumentacije, uporabe standardov in različne literature za sledenje predpisom in informacij o kataloških podatkih.
Spoznajo različne vrste elektromotorjev in njihove lastnosti. Pri modulu uporaba krmilnih naprav spoznajo digitalne in analogne podatke ter osnove digitalne tehnike. Spoznajo osnovne logične funkcije in gradnike krmilno-regulacijskih sistemov ter njihove elemente in module [42].
Smer Računalnikar je poglavitneje sestavljena iz računalniških predmetov, kjer učenci usvojijo znanja o sestavi in delovanju računalnika, enotah V/I in OS ter digitalnih in analognih podatkih ter osnovah digitalne tehnike. Spoznajo različne številske sestave, programske jezike in podatkovne baze ter se naučijo osnov programiranja. Pridobijo pa še znanje o električnih vezjih in različnih vrstah vezav, elementih in materialih, uporabljenih v vezjih, električnih količinah in računanju ter merjenju parametrov v tokokrogu. Spoznajo različne elektroinštalacije in komunikacijske inštalacije ter njihove elemente, njihove lastnosti in krmiljenje različnih
