UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA Poučevanje, Predmetno poučevanje
Tanja Stanić
IZVEDBA ODDALJENEGA LABORATORIJA PREKO GSM KOMUNIKACIJE S PRIMERI
UPORABE PRI ŠOLSKEM EKSPERIMENTALNEM DELU
Magistrsko delo
Ljubljana, 2015
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA Poučevanje, Predmetno poučevanje
Matematika - tehnika
Tanja Stanić
IZVEDBA ODDALJENEGA LABORATORIJA PREKO GSM KOMUNIKACIJE S PRIMERI
UPORABE PRI ŠOLSKEM EKSPERIMENTALNEM DELU
Magistrsko delo
Mentor: dr. Slavko Kocijančič, izr. prof.
Ljubljana, 2015
Zahvala
Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Slavku Kocijančiču, za konkretne usmeritve in strokovno vodenje pri nastajanju magistrskega dela. Obenem se zahvaljujem tudi za povabilo k opravljanju dela demonstratorja na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani, ki me je najbolj zbližalo z elektroniko in robotiko. Hvala za predano znanje in dane možnosti samostojnega pridobivanja izkušenj in novega znanja skozi različne dejavnosti v času vašega mentorstva pri opravljanju dela demonstratorja.
Zahvaljujem se asistentu, Davidu Rihtaršiču, in kolegu, Tomažu Kušarju, za usmeritve in pomoč pri programiranju.
Največjo zahvalo namenjam staršem, fantu in vsem bližnjim, ki so do konca verjeli vame, ter seveda hvala vsem ostalim, ki so kaj doprinesli k nastanku magistrskega dela.
Ko hodiš, pojdi zmeraj do konca
Spomladi do rožne cvetice, poleti do zrele pšenice, jeseni do polne police, pozimi do snežne kraljice, v knjigi do zadnje vrstice, v življenju do prave resnice,
v sebi do rdečice čez eno in drugo lice.
A če ne prideš ne prvič ne drugič do krova in pravega kova
poskusi:
vnovič in zopet in znova.
(Tone Pavček)
I
POVZETEK
Laboratorijske vaje ne glede na raven izobraževanja predstavljajo temeljno obliko organiziranega dela za prenos teoretičnega znanja v praktično uporabo.
Ena od oblik laboratorijev, ki se v zadnjem desetletju po svetu uveljavlja na številnih univerzah, je oddaljeni laboratorij. V delu je opredeljen profesionalni oddaljeni laboratorij, njegova zgradba in uporaba ter prednosti in slabosti uporabe tovrstnih laboratorijev. Pravi izziv predstavlja misel, na kakšen način bi lahko izdelali osnovni koncept oddaljenega laboratorija in ga nato vključili v raziskovalno in eksperimentalno delo na osnovnošolski ravni izobraževanja. Da bi tovrstno tehnologijo približali učiteljem in otrokom, predstavljamo nizkocenovni oddaljeni laboratorij, ki deluje preko GSM komunikacije in omogoča kontinuirano zbiranje podatkov o temperaturi iz oddaljenih lokacij v naravnem okolju ter tudi njihovo grafično predstavitev.
Predstavljamo vse sestavne dele oddaljenega laboratorija in programsko ter dodatno opremo za testiranje, postavitev in uporabo le-tega. Vsi koraki za namestitev opreme so tudi natančno opisani in prikazani v prilogah. Vključitev oddaljenega laboratorija v osnovno šolo prikažemo s tremi predlogi uporabe oddaljenega laboratorija pri šolskem raziskovalnem in eksperimentalnem delu.
Delovanje sistema je preizkušeno v danih okoliščinah, zanesljivost delovanja pa bi bilo v prihodnje potrebno preizkusiti in prikazati še v različnih okoliščinah.
KLJUČNE BESEDE:
Oddaljeni laboratorij, elektronski merilni sistem, GSM komunikacija, tehniško izobraževanje, prenos podatkov na daljavo, naravoslovni šolski laboratorij.
II
The Implementation of a Remote Laboratory using GSM Communication with Examples from
School Experimental Work
SUMMARY
Laboratory work represents the basic form of organized work for the transfer of theoretical knowledge to practical use, no matter the level of education. One form of laboratories recognized by numerous universities worldwide in the last decade is the remote laboratory. The following paper defines the professional remote laboratory, its construction and use, and the advantages and disadvantages of its usage. The real challenge is figuring out a way to build the basic concept of remote laboratory and then including it in the research and experimental work at the primary level education. In order to bring this kind of technology closer to teachers and children we present the low cost remote laboratory, which operates via GSM communications and enables continuous collection of data on temperature from remote locations in the natural environment as well as their graphic representation.
We are representing all the components of a remote laboratory, the software and additional test equipment, installation and usage. All the steps for installing the equipment are also accurately described and shown in the Annexes.
Inclusion of remote laboratories in elementary schools is shown with three proposals for usage of the remote laboratory for school research and experimental work.
Functioning of the system is tested in the given circumstances, operational reliability should also be examined and demonstrated in different circumstances in the future.
KEY WORDS:
Remote laboratory, electronic measuring system, GSM communication, engineering education, remote data transmission, science school laboratory.
III
KAZALO
1 UVOD ... 1
2 RAZISKOVALNO IN EKSPERIMENTALNO DELO V TEHNIŠKEM IZOBRAŽEVANJU ... 3
2.1 LABORATORIJSKO DELO V TEHNIŠKEM IZOBRAŽEVANJU ... 3
2.2 RAZISKOVALNO IN EKSPERIMENTALNO DELO PRI NARAVOSLOVNO- TEHNIŠKIH VSEBINAH V SLOVENSKEM OSNOVNEM ŠOLSTVU ... 4
2.2.1 Projekt Verižna reakcija... 9
3 ODDALJENI LABORATORIJI V TEORIJI IN PRAKSI ...11
3.1 OPREDELITEV ODDALJENEGA LABORATORIJA ...11
3.2 PREDNOSTI IN SLABOSTI ODDALJENIH LABORATORIJEV ...12
3.3 ZGRADBA ODDALJENIH LABORATORIJEV ...13
3.4 UPORABA ODDALJENIH LABORATORIJEV ...14
4 PREPROST ODDALJENI LABORATORIJ ...17
4.1 NAČRTOVANJE IZDELAVE ODDALJENEGA LABORATORIJA ...17
4.2 SESTAVNI DELI ODDALJENEGA LABORATORIJA ...17
4.2.1 Arduino UNO ...17
4.2.2 GSM/GPRS modul ITEAD SIM900 s SIM kartico ...19
4.2.3 Elektronsko merjenje temperature ...20
4.2.4 Pametni mobilni telefon ...21
4.3 POVEZAVA SESTAVNIH DELOV ODDALJENEGA LABORATORIJA ...22
5 PROGRAMSKA IN DODATNA OPREMA ZA TESTIRANJE ODDALJENEGA LABORATORIJA ...23
5.1 DELOVANJE ODDALJENEGA LABORATORIJA ...23
5.1.1 GSM komunikacija in SMS ...23
5.1.2 UART komunikacija ...24
5.1.3 AT ukazi ...24
5.2 TESTIRANJE GSM/GPRS MODULA ITEAD SIM900 ...25
5.2.1 Program Terminal ...25
5.2.2 Namestitev programa Terminal ...26
5.2.3 Povezava GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 z računalnikom ...26
5.3 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA ARDUINO UNO ...30
5.3.1 Programsko orodje Bascom-AVR ...31
IV
5.3.2 Namestitev programskega orodja Bascom-AVR ... 31
5.3.3 Namestitev programatorja AvrDUDE ... 31
5.3.4 Zagon programa Bascom-AVR ... 31
5.3.5 Osnove programiranja s programskim orodjem Bascom-AVR ... 34
5.3.6 Programska koda krmilnika Arduino UNO ... 35
5.4 PRIKAZ MERITEV ... 43
5.4.1 Mobilna aplikacija SMS to Text ... 43
5.4.2 Program Microsoft Office Excel ... 45
6 PREDLOGI UPORABE ODDALJENEGA LABORATORIJA PRI ŠOLSKEM EKSPERIMENTALNEM DELU ... 53
6.1 MERJENJE TEMPERATURE V BLIŽNJI STOJEČI VODI ... 53
6.2 MERJENJE TEMPERATURE V RASTLINJAKU ... 54
6.3 RAZISKOVALNI DNEVI DEJAVNOSTI Z UPORABO ODDALJENEGA LABORATORIJA ... 56
6.4 MOŽNOSTI ZA NADGRADNJO ODDALJENEGA LABORATORIJA ... 57
7 DISKUSIJA ... 59
8 ZAKLJUČEK ... 61
9 LITERATURA IN VIRI ... 63 10 PRILOGE ... I 10.1 Namestitev programskega orodja BASCOM-AVR DEMO 2.0.7.5 ... I 10.2 Namestitev programa WinAVR ... VI 10.3 Nastavitev programatorja AvrDUDE v programskem orodju BASCOM ... X 10.4 Prikaz izvoza kratkih sporočil v besedilno datoteko ... XII 10.5 Programska koda za makro Graf v programu Excel ... XVI 10.6 Zgoščenka ... XVII
V
AKRONIMI IN OKRAJŠAVE
ADC ang. Analog to Digital Converter (analogno digitalni pretvornik)
ASCII ang. American Standard Code for Information Interchange (ameriški standardni nabor znakov za izmenjavo informacij) CSV ang. Comma Separated Values (vrednosti, razmejene z
vejicami)
GPRS ang. General Packet Radio Service (mobilna podatkovna storitev v okviru standarda GSM)
GSM ang. Global System for Mobile Communications (svetovni standard mobilnih komunikacij)
IKT Informacijsko komunikacijske tehnologije
OŠ Osnovna šola
PWM ang. Pulse-Width Modulation (pulzno-širinska modulacija) SIM ang. Subscriber Identity Module (modul z naročnikovo
identiteto)
SMS ang. Short Message Service (servis za kratka sporočila) TIT OŠ predmet tehnika in tehnologija
TXT ang. Text File (besedilna datoteka)
UART ang. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (komunikacijski vmesnik za asinhroni prenos podatkov) USART ang. Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/
Transmitter (komunikacijski vmesnik za sinhroni/asinhroni prenos podatkov)
UN Učni načrt
USB ang. Universal Serial Bus (univerzalno serijsko vodilo) VBA ang. Visual Basic for Applications (programsko orodje za
Microsoft Office programe)
1
1 UVOD
Pri študiju tehniških smeri (avtomatika, elektronika, mehatronika, robotika itd.) je za boljše razumevanje teorije nujno potrebno eksperimentalno delo. Poleg tega so študenti bolj motivirani za učenje novih konceptov, kadar se učijo z uporabo resničnih aplikacij in se tako počutijo kot inženirji. Pri tovrstnem praktičnem delu in učenju igra pomembno vlogo aktivnost študentov v učnem procesu [1]. Z eksperimentalnim delom se v slovenskem izobraževalnem sistemu pri naravoslovno-tehniških predmetih srečujemo že od osnovne šole.
Z integracijo in razvojem e-izobraževanja je vedno večja potreba po novih načinih organizacije laboratorijskega dela. Prve spremembe so se pričele z uvedbo navideznih laboratorijev (ang. virtual laboratory), ki zgolj simulirajo realne poskuse v laboratorijih. Čeprav je znanje, pridobljeno s simulacijami, dragoceno, ima še vedno večjo vrednost izvajanje eksperimentov na pravih napravah [2]. Vedno več univerz po svetu v zadnjem desetletju uvaja oddaljene laboratorije, ki jih v času izobraževanja uporabljajo študenti pri obveznem praktičnem delu [1]. Postavitev takšnih laboratorijev terja visoke stroške, hkrati pa večina obstoječih postavljenih oddaljenih laboratorijev predstavlja zaprte sisteme, ki onemogočajo samogradnjo in razvoj pri postavitvi poskusov v laboratoriju [3].
Pri postavljanju oddaljenih laboratorijev za namen izobraževanja je izobraževalna vrednost teh laboratorijev pravi izziv, saj predstavljajo oviro postavljeni fiksni sistemi, ki jih študenti ne morejo sami spreminjati in eksperimentirati tudi v tem smislu [3].
Zanima nas eksperimentalno delo na terenu, kjer nimamo postavljenega takšnega laboratorija kot v izobraževalnih ustanovah niti dostopnega računalniškega okolja, a bi vseeno želeli dlje časa spremljati neke procese in opravljati dolgotrajnejše meritve fizikalnih spremenljivk. Zato se sprašujemo, kako torej na otrokom razumljiv način izdelati preprost oddaljeni laboratorij z nizkocenovno opremo, ki bo omogočal zbiranje podatkov iz oddaljenih lokacij v naravnem okolju, in na kakšen način ga vključiti v eksperimentalno delo na osnovnošolski ravni izobraževanja?
V tujini [3] so že poskušali vpeljati oddaljene laboratorije na osnovnošolsko raven izobraževanja, a so obstoječi oddaljeni laboratoriji za starostno skupino otrok do 15 let prezahtevni. Poleg tega so za postavitev v šolah cenovno nedostopni, zato želimo podati rešitev in izdelati ter predstaviti nizkocenovni oddaljeni laboratorij, namenjen za postavitev in uporabo v naravnem okolju, ki bi ga poenostavili do te mere, da ne bi potrebovali internetne povezave niti profesionalnih laboratorijev z vso potrebno opremo za izvajanje poskusov. Za razumevanje osnovnih konceptov delovanja oddaljenega laboratorija bi bil dovolj že preprost sistem, ki deluje preko GSM-signala in podatke, zbrane s pomočjo merilnega sistema, uporabniku pošilja preko kratkih sporočil (SMS).
Za tehnično izvedbo laboratorija je potreben pregled in izbira cenovno dostopne opreme, ki se morda že uporablja na pedagoškem področju. Nato načrtujemo in
2
preizkusimo izbrane sestavne dele oddaljenega laboratorija ter jih povežemo med seboj, da skonstruiramo prototip preprostega oddaljenega laboratorija.
Potrebno je še preizkusili njegovo delovanje in zbrane podatke na nek način prikazati.
3
2 RAZISKOVALNO IN EKSPERIMENTALNO DELO V TEHNIŠKEM IZOBRAŽEVANJU
Splošno velja, da ima laboratorijsko delo in eksperimentiranje zelo pomembno vlogo v znanstveno podprtih izobraževalnih procesih. Kadar udeležencem učnega procesa ponudimo različne oblike skrbno načrtovanega praktičnega dela v času izobraževanja, lahko trdimo, da smo jim dali oporo in motivacijo za učenje in tako lažje dosežemo zastavljene učne cilje [3].
V začetku predstavljamo oblike laboratorijskega dela v tehniškem izobraževanju ter na podlagi učnih načrtov izpostavljamo pomen učenja in sodelovanja v raziskovalnem in eksperimentalnem delu na osnovnošolski ravni.
2.1 LABORATORIJSKO DELO V TEHNIŠKEM IZOBRAŽEVANJU
Klasične laboratorijske vaje se običajno izvaja v treh delih: priprava, izvedba in preverjanje. V pripravi ali teoretičnem delu se študente seznani z namenom laboratorijskih vaj, metodami in načinom merjenja ter potrebno opremo in pripomočki za njihovo delo. Faza izvedbe predstavlja praktični del vaj, kjer gre za ročno izvedbo eksperimenta oziroma vaj, zbiranje meritev in beleženje rezultatov [2].
Z vidika izobraževalne ustanove so največje težave klasičnega laboratorijskega dela naslednje [2]:
- zastarela oprema,
- pomanjkanje možnosti za zbiranje meritev in periodično umerjanje merilnih instrumentov,
- majhno število funkcionalnih instrumentov,
- pomanjkanje specializiranih in dragih instrumentov, - združljivost med instrumenti in dobljenimi rezultati, - preverjanje kakovosti dobljenih meritev in poročil,
- spremljanje oziroma beleženje udeležbe študentov na vajah.
Študenti pa so izpostavili naslednje težave [2]:
- obdelava dobljenih meritev,
- točna in kakovostna interpretacija dobljenih rezultatov, - časovna omejenost laboratorijskega dela,
- kompleksnost laboratorijskega dela,
- interakcija učenec-učitelj je zmanjšana zaradi neprijetnega preverjanja in vzpostavljanja povezav med komponentami, merilnimi instrumenti in drugo opremo.
Tem težavam se za delno izboljšanje učnega procesa in laboratorijskega dela večinoma lahko izognemo z uporabo osebnih računalnikov in informacijsko komunikacijske tehnologije (IKT). Aplikacija oziroma uvedba računalnikov v učni proces omogoča večjo dostopnost učnega gradiva. Prav tako so računalniki pomembna podpora pri organizaciji in izvajanju predavanj in vaj ter drugih raziskovalnih dejavnosti. Tudi komunikacija v smeri študent-profesor in študent-
4
študent se v vseh treh delih laboratorijskih vaj lahko izboljša in poenostavi z uporabo nove tehnologije [2].
Navidezni ali virtualni laboratoriji (ang. virtual laboratory) prav tako pripomorejo k odpravljanju težav pri klasičnem laboratorijskem delu. Koncept virtualnega laboratorija je takšen, da realne meritve pri poskusu zamenjamo s simulacijo poskusa. Tu gre za preprost način učenja na daljavo. Slabost takšnega laboratorija pa je, da uporabnik nima fizičnega stika z realno strojno opremo, na kateri se poskus izvaja, in s tem razlogom je uporaba takšnega laboratorija najbolj smiselna v fazi priprave študentov za laboratorijsko delo [2].
Številne univerze pa so za laboratorijsko delo (npr. pri študiju elektronike in nadzornih sistemov) razvile in postavile svoj oddaljeni laboratorij. S konceptom oddaljenih laboratorijev draga oprema postane široko dostopna in omogoča individualni pristop posameznika do uporabe laboratorijske opreme [2].
Nekatere smeri tehniškega izobraževanja vključujejo tudi neobhodne terenske vaje. Na primer za študente fizike na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani pri didaktiki fizike laboratorijske vaje delno potekajo tudi v naravi, v obliki terenskega dela. Uporaba oddaljenega laboratorija v okviru terenskih vaj se zdi smiselna z vidika uvajanja nove tehnologije v izobraževalni proces, katere uporaba zagotovo deluje motivacijsko za študente. Poleg tega je primerna za zbiranje meritev raznih spremenljivk iz oddaljenih lokacij v naravi, kjer jih sicer iz različnih razlogov ne moremo kontinuirano beležiti. Podatke, zbrane z uporabo oddaljenega laboratorija, potem lahko študenti preučujejo v okviru laboratorijskih vaj na fakulteti ali pa samostojno doma. Uporaba oddaljenega laboratorija v naravnem okolju ne bi smela nadomestiti terenskega dela, lahko ga le dopolnjuje in izboljša.
2.2 RAZISKOVALNO IN EKSPERIMENTALNO DELO PRI
NARAVOSLOVNO-TEHNIŠKIH VSEBINAH V SLOVENSKEM OSNOVNEM ŠOLSTVU
Pregled učnih načrtov osnovnošolskih naravoslovnih in tehniških predmetov (obveznih in izbirnih) [5] prikazuje, da je na primer pri pouku naravoslovja najmanj 40 odstotkov, pri pouku biologije pa najmanj 20 odstotkov celotnega obsega ur namenjenih raziskovalnemu in terenskemu delu, ki zajema tudi zbiranje in analizo podatkov. Hkrati tudi pri drugih predmetih veliko operativnih ciljev zahteva uporabo različnih metod in oblik dela, kot so merjenje, načrtovanje, opazovanje, eksperimentiranje itd.
Naravoslovje. Učni načrt (UN) za obvezni predmet naravoslovje v 6. in 7.
razredu OŠ [6] v ospredje postavlja splošne cilje, ki so usmerjeni v pridobivanje različnih naravoslovnih zmožnosti, zato mora v ta namen najmanj 40 odstotkov pouka naravoslovja temeljiti na aktivnostih učencev, kot je raziskovalno- eksperimentalno delo v razredu in na terenu. Generalno učenci pri pouku naravoslovja urijo in razvijajo spoznavne postopke, veščine in spretnosti ter oblikovanje stališč in vrednot. Med drugim je potrebno učencem predstaviti postopke pridobivanja, obdelave in vrednotenja podatkov ter jih usmerjati v razvijanje eksperimentalnih spretnosti in metod raziskovanja. Natančneje,
5
splošni cilji poudarjajo, da je pri eksperimentalnem delu pomemben razvoj učenčeve zmožnosti presoje o potrebi podatkov, poznavanje načinov zbiranja le-teh ter zopet presoje o njihovi ustreznosti. Napovedovanje eksperimentalnih rezultatov, sistematično opazovanje, opisovanje, beleženje rezultatov in meritev pa obdelava in predstavitev so osnovne faze tehnike raziskovanja, pri katerih je koristno tudi povezovanje znanja uporabe IKT za iskanje, zbiranje, shranjevanje in predstavljanje informacij. Učence navajamo tudi na izbiro in uporabo primerne in varne opreme ter obvladovanje veščin terenskega in eksperimentalnega dela. Med minimalnimi standardi znanja, ki so pogoj za uspešno nadaljevanje izobraževanja učencev, so standardi, ki so neposredno povezani z raziskovalnim in eksperimentalnim delom in od učencev pričakujejo, da znajo (I) izvesti poskuse po navodilih in pri tem poskrbeti za lastno varnost in varnost drugih, (II) ustrezno uporabljati pripomočke, opremo in tehnologijo (npr.
lupa, mikroskop, štoparica, tehtnica, gorilnik, merilni valj idr.) pri eksperimentalnem delu, (III) zbirati kvalitativne in kvantitativne podatke z opazovanjem in izvajanjem meritev, jih ustrezno zapisati in urediti (besedilno, s tabelami in grafi ipd.). Predlogi v didaktičnih priporočilih za uresničevanje ciljev predmeta temeljijo na konstruktivističnem načinu poučevanja. Kar pomeni, da učenci ne le dodajajo in nadgrajujejo svoje znanje, ampak ga morajo s časom tudi konceptualno spreminjati, torej napačne predstave in spoznanja zamenjati z novimi, tistimi, ki so bližje znanstveni resnici. Tu je torej pomembna učiteljeva vloga, da ustvari spodbudno učno okolje in situacije, ki omogočajo učencem odkrivanje, ustvarjanje in oblikovanje znanj skozi spoznavne postopke:
opazovanje, opisovanje, primerjanje, uvrščanje, razvrščanje, napovedovanje, induktivno in deduktivno sklepanje, dokazovanje, eksperimentiranje, reševanje problemov itn. [6].
Biologija. UN za obvezni predmet biologija v 8. in 9. razredu OŠ [7] v uvodni opredelitvi predmeta navaja, da učenci v izobraževalnem procesu spoznavajo posebne metode, ki vodijo do bioloških spoznanj, kot so opazovanje in eksperimentiranje ter celostna interpretacija podatkov v kompleksnih sistemih ter njihove omejitve. Poleg tega med splošnimi cilji navaja, da je pri učencih potrebno razvijati (I) sposobnost za prepoznavanje kompleksnih problemov in njihovo reševanje (tudi z interdisciplinarnim pristopom) ter znanstven način razmišljanja, (II) učenje na podlagi opazovanj, poskusov in ročnih spretnosti, (III) zmožnost za uporabo sodobne tehnologije, iskanja in obdelave podatkov in ekstrakcije informacij; zaporedje meritev (opazovanje) podatek rezultat informacija, (IV) zmožnost za sodelovanje, odgovornost pri delu ter za načrtovanje in izvajanje preprostih bioloških raziskav (poskusov oziroma opazovanj) ter interpretacije rezultatov in sposobnost kompleksnega mišljenja.
Podrobneje UN med operativne cilje in vsebine 8. in 9. razreda uvršča sklop, imenovan Raziskovanje in poskusi, v katerem učenci nadgradijo znanje naravoslovja in spoznajo metode raziskovanja v biologiji, se naučijo načrtovati preproste raziskave (znajo izbrati in uporabiti ustrezna orodja in tehnologijo za izvajanje poskusov, zbiranje podatkov in prikaz podatkov), smiselno zastavljati raziskovalna vprašanja, kritično zbrati in analizirati podatke, na podlagi tega in zbranih rezultatov odgovoriti na zastavljena raziskovalna vprašanja ter o poteku in rezultatih raziskave ustrezno pisno in ustno poročati. V raziskavah na različne načine zbirajo podatke, najpogosteje je to izvedeno fizično z uporabo optičnih priprav, meritev ali preko računalnika. Postopek analize rezultatov raziskave
6
predvideva tudi, da se učenci naučijo in znajo izdelati ustrezen graf za prikaz podatkov. Koncept tega vsebinskega sklopa je, da znanstveni napredek učencev temelji na zastavljanju smiselnih vprašanj in izvajanju dobro načrtovanih raziskav. V opombah je navedeno, da se procesne cilje iz tega sklopa dosega s smiselnim vključevanjem v druge vsebinske sklope in da morajo biti uresničeni v obsegu najmanj 20 odstotkov vseh ur predmeta, pri katerih se učence deli v skupine [7]. Za konec avtorji UN med didaktičnimi priporočili za uresničevanje ciljev predmeta predlagajo: »Učenci naj pri pouku poglobijo razumevanje bioloških konceptov s čim več eksperimentalnega in terenskega raziskovanja ter drugih, za uresničevanje ciljev smiselno uporabljenih aktivnosti (npr. delo z viri informacij, uporaba IKT, projektno delo, raziskovalne naloge, samostojno in skupinsko delo). V pouku naj bodo razvidni raziskovalna naravnanost, celostni pristop in aktualnost biologije kot dinamične sodobne znanosti, ki pomembno vpliva tudi na naše vsakdanje osebno in družbeno življenje« [7, str. 28]. Dodajajo še: »Preprosta eksperimentalna dela so zasnovana tako, da so vanje vključene vse faze raziskovanja in izvajanja eksperimentalnega dela, ki vodijo v razumevanje bioloških konceptov in razvijanje procesnih ciljev. Posamezna eksperimentalna dela se načrtuje v sklopih, ki obsegajo minimalno vsaj po dve šolski uri ali več glede na organizacijo dela na šoli. Učitelj strokovno avtonomno glede na svoj koncept pouka vključuje eksperimentalna dela v sklope, kamor se ta dela najbolje vključujejo oziroma vodijo v osvajanje bioloških ciljev in konceptov« [7, str. 37].
Pomembno je torej, da učitelj učence usmerja v razvijanje načel znanstvenega pristopa pri raziskovanju, da skrbno izbere poskuse in učencem dovoljuje razumno mero samostojnosti pri izvajanju poskusov. Vedno naj bodo raziskovalna vprašanja in cilji v povezavi z učno snovjo, da učenci lažje povežejo usvojeno znanje in nova spoznanja [7].
Fizika. UN za obvezni predmet fizika v 8. in 9. razredu OŠ [8] navaja, da pouk fizike razvija sposobnost učencev za proučevanje naravnih pojavov, tako da učenci spoznajo ter usvojijo jezik in metode, ki se uporabljajo pri proučevanju fizikalnih pojavov, in se seznanijo s preprostimi fizikalnimi pojmi, ki povzemajo naše vedenje o naravi. Splošni cilji predmeta so podobno kot pri naravoslovju in biologiji tesno povezani z raziskovanjem in eksperimentiranjem. Učenci (I) sistematično odkrivajo pomen eksperimenta pri spoznavanju in preverjanju fizikalnih zakonitosti, (II) načrtujejo in izvajajo preproste poskuse in raziskave, obdelujejo podatke, analizirajo rezultate poskusov in oblikujejo sklepe, (III) preverjajo izide preprostih napovedi in spoznavajo pomembnost povezovanja eksperimentalnega znanja s teoretičnim, analitičnim in sintetičnim razmišljanjem itd. UN dopušča določena razhajanja med letno pripravo ur in dejansko izvedbo pouka, razlogi za to pa so interaktivno delo, dodatna razlaga težje razumljivih snovi, eksperimentalno delo učencev, terensko delo, večja zastopanost aktivnih metod in oblik dela ipd. Eksperimentalnemu delu je v didaktičnih priporočilih namenjene kar nekaj pozornosti. Že pri predstavitvi operativnih je ob nekaterih ciljih zapisana oznaka za eksperimentiranje (E). Priporočljivo je, da učenci zapisane cilje dosegajo z eksperimentalnim delom in izvajanjem poskusov.
Lahko jih dosežejo pri rednem pouku, v okviru dni dejavnosti in medpredmetnega povezovanja z drugimi naravoslovnimi ali družboslovnimi področji ali kot projektno delo. Napisana je tudi tabela s predlogi za eksperimentalno delo učencev po posameznih vsebinskih sklopih.
7
Kemija. V UN za obvezni predmet kemija v 8. in 9. razredu OŠ [9] je kemija definirana kot temeljna naravoslovna in eksperimentalna veda, ki proučuje snovi, njihovo zgradbo, lastnosti in spremembe. Kot splošnoizobraževalni predmet v OŠ je usmerjena v pridobivanje in razvijanje temeljnih kemijskih znanj in spretnosti, pouk kemije pa je zasnovan na izkustvenem, eksperimentalno-raziskovalnem in problemskem pristopu, kar prispeva k razumevanju delovanja naravoslovnih znanosti in pozitivnemu odnosu do naravoslovja. Eden izmed splošnih ciljev predmeta je, da učenci razvijajo eksperimentalno-raziskovalne spretnosti in veščine. Učenci se učijo tudi metod raziskovanja v kemiji, pri čemer je pomembno njihovo kritično mišljenje. Učijo se načrtovanja eksperimentalno-raziskovalnega dela, iskanja in zbiranja podatkov iz različnih virov, presojanja, kdaj so informacije potrebne, postavljanja hipotez in raziskovalnih vprašanj, načrtno opazujejo, zapisujejo opažanja/meritve in jih uporabijo kot vir podatkov, pri iskanju, zbiranju, shranjevanju, obdelavi in predstavljanju informacij si pomagajo z IKT. Torej razvijajo eksperimentalno- raziskovalni pristop, kjer se navajajo na izbiro in uporabo primerne opreme za varno delo, opredeljujejo dejavnike poskusov, poznajo kontrolne poskuse, presojajo o zanesljivosti dobljenih rezultatov in se pri predstavitvah navajajo na argumentirano sklepanje. Glede na stopnjo vključevanja eksperimentalno- raziskovalnega pristopa v pouk (za doseganje operativnih ciljev), dva minimalna standarda znanja določata, da učenec ob koncu predmeta za napredovanje v višji razred zna opazovati, opisovati in izvesti preproste poskuse ter iz opažanj izpeljati osnovne ugotovitve in da obvlada osnovne eksperimentalne tehnike.
Splošni standardi znanja, ki se navezujejo na eksperimentalno-raziskovalno delo k minimalnima standardoma dodajajo, da učenec opredeli spremenljivke, ki jih je potrebno upoštevati pri izvedbi poskusa, zastavlja raziskovalna vprašanja in načrtuje poskus ter opiše oziroma argumentirano predstavi potek, opažanja in ugotovitve samostojnega eksperimentalnega dela oziroma demonstracijskih poskusov. Sodobno poučevanje kemije torej temelji na eksperimentalnem in problemsko naravnanem pouku (eksperimentalno-raziskovalni pristop, izkustveno in problemsko učenje, eksperimentalno delo je temeljna učna metoda), kar pomeni, da je pri pouku ključno postavljanje problemskih, znanstvenih vprašanj in organizacija aktivnosti, s katerimi učenci sami odkrivajo nekatera dejstva, pojme, rešujejo probleme, analizirajo podatke itd. Tudi pri kemiji je najmanj 20 odstotkov ur pouka namenjenih eksperimentalnemu delu.
Didaktična priporočila so, da eksperimentalno delo, kjer je le mogoče, učitelji razširijo tudi s terenskim delom in uporabo IKT. Da bi le-to resnično spodbujalo miselne in akcijske dejavnosti učencev, je pomembno, kako je zasnovano.
Primerno je, če je odprto in problemsko zasnovano ter povezano z življenjem in okoljem, v katerem živimo. »Eksperimentalno delo ima pri pouku kemije dvojno vlogo: obravnava kemijskih pojmov na podlagi eksperimentalnih opažanj kot vira primarnih podatkov ali preverjanje teorij oziroma raziskovalnih hipotez« [9, str. 23]. Priporočeno je tudi, da naj bo pri načrtovanju učnih oblik eksperimentalnega dela poudarek na samostojnem eksperimentalnem delu učencev (skupinsko delo, delo v dvojicah, individualno delo), vsekakor dopolnjeno z demonstracijskimi poskusi, kamor naj bodo aktivno vključeni tudi učenci [9].
8
Tehnika in tehnologija. Je obvezni predmet v 6., 7. in 8. razredu OŠ.
Opredeljujejo ga štiri široka glavna področja, ki se med poukom prepletajo in jih učenci v največji meri spoznavajo s svojo dejavnostjo. Ta področja so tehnična sredstva, tehnologija, organizacija dela in ekonomika [10]. V UN predmeta [10]
raziskovalno in eksperimentalno delo v času pouka ni posebej izpostavljeno.
Splošni cilji predmeta sicer med drugim navajajo, da učenci z eksperimentiranjem, poustvarjanjem in ustvarjanjem, snovanjem in načrtovanjem ter organiziranjem in vrednotenjem dela rešujejo tehnične in tehnološke probleme ter si pri tem razvijajo ustvarjalne sposobnosti. So pa med didaktičnimi priporočili poleg projektne naloge predlagane tudi druge metode dela, kot so raziskovalno, opazovalno in preučevalno delo, uporaba IKT in drugo. Zapisano je tudi, da naj v sklopu medpredmetnih povezav učenci uporabljajo IKT, knjižnično-informacijsko znanje, izvedejo raziskave idr. V vsakem razredu je 20 odstotkov t.i. rezervnih ur, ki so namenjene aktualizaciji, poglabljanju v okviru projektov, povezavam z drugimi področji in predvsem tistim vsebinam, ki učence najbolj zanimajo [10]. V ta sklop ur se lahko umesti tudi raziskovalno in eksperimentalno delo.
Poleg rednega pouka lahko v OŠ raziskovalno in eksperimentalno delo vključimo v dneve dejavnosti. Koncept dni dejavnosti [11] v opredelitvi pojasnjuje, da so dnevi dejavnosti (kulturni, naravoslovni, športni in tehniški dnevi) tisti del obveznega programa OŠ, ki medpredmetno povezujejo discipline in predmetna področja, vključena v predmetnik OŠ. Sicer so vsebinsko in organizacijsko določeni v letnem delovnem načrtu šol, ciljno pa so usmerjeni v t.i. prenos teorije v prakso. Natančneje naj bi dnevi dejavnosti učencem omogočili utrjevanje in povezovanje znanja, pridobljenega pri posameznih predmetih in predmetnih področjih, uporabo tega znanja in njegovo nadgrajevanje s praktičnim učenjem v kontekstu medsebojnega sodelovanja in odzivanja na aktualne dogodke v ožjem in širšem družbenem okolju [11]. Deleži posameznih sklopov dni dejavnosti v OŠ so predstavljeni v preglednici 2.1.
Preglednica 2.1: Razporeditev dni dejavnosti glede na razred in poimenovanje dni [11].
razred
poimenovanje dni I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. skupaj
Kulturni dnevi 4 4 4 3 3 3 3 3 3 30
Naravoslovni dnevi 3 3 3 3 3 3 3 3 3 27
Športni dnevi 5 5 5 5 5 5 5 5 5 45
Tehniški dnevi 3 3 3 4 4 4 4 4 4 33
skupaj 15 15 15 15 15 15 15 15 15 135
Posamezni dnevi dejavnosti se izvajajo v sklopu 5 pedagoških ur [11]. Za naravoslovno-tehniško področje to pomeni 60 dni dejavnosti in kar 300 pedagoških ur na voljo za povezovanje znanja iz različnih področij skupaj v celoto.
Izhodišča dni dejavnosti temeljijo na spodbujanju vedoželjnosti, ustvarjalnosti in samoiniciativnosti učencev, usposabljanju za samostojno opazovanje in pridobivanje izkušenj in znanja, razvijanju spretnosti ter na samostojnem reševanju problemov. Pogosto potekajo v obliki projektnega dela, saj na ta način dnevi dejavnosti omogočajo razvijanje elementov raziskovalnega učenja
9
in dela učencev na šoli - od načrtovanja nalog, zbiranja podatkov, do oblikovanja ugotovitev in predstavitve rezultatov [11].
Na podlagi izhodišč, učnih oblik in časovnega okvira, ki je na voljo za naravoslovno-tehniško področje, so torej projekti v okviru dni dejavnosti zelo primerni za vključevanje oddaljenega laboratorija. Z uporabo oddaljenega laboratorija učencem omogočimo in na nek način osmislimo uporabo sodobne tehnologije pri pouku, pokažemo drugačen način zbiranja podatkov v naravnem okolju, predvsem pa spodbujamo medpredmetno povezovanje, kar je pravzaprav namen dni dejavnosti.
2.2.1 Projekt Verižna reakcija
Primer dobrega sodelovanja med univerzo oziroma fakulteto in osnovnimi šolami je triletni mednarodni šolski projekt Verižna reakcija (ang. Chain Reaction) [12], ki temelji na raziskovalnem učenju naravoslovja in tehnike v šolskih letih od 2013/2014 do 2015/2016. V projekt je vključenih 9 evropskih držav: Slovenija, Velika Britanija, Italija, Slovaška, Turčija, Bolgarija, Francija, Nemčija, Grčija ter Irska, Gruzija in Jordanija. Slovensko skupino predstavlja Oddelek za fiziko in tehniko s Pedagoške fakultete Univerze v Ljubljani v sodelovanju z različnimi osnovnimi šolami iz cele Slovenije. Projekt vključuje od 14 do 16 let stare učence in njihove učitelje. Namen projekta je razvijanje naravoslovno-tehniškega razmišljanja in praktičnih spretnosti sodelujočih učencev, pri čemer dotični sodelujejo z znanstveniki, gospodarstveniki in tudi učitelji.
Cilji projekta [12] so poleg razvijanja raziskovalnega razmišljanja in praktičnih spretnosti tudi:
- prilagoditev in razširitev nabora gradiv za raziskovalno učenje naravoslovja in tehnike,
- preko usposabljanja učiteljev spodbuditi uporabo raziskovalnega učenja pri pouku naravoslovja in tehnike,
- razvijanje sposobnosti za timsko delo,
- razvijanje sposobnosti za predstavitev svojih rezultatov na različnih nivojih,
- promocija Evropskega združenja učiteljev, - izvedba nacionalnih in mednarodnih konferenc.
Projekt Verižna reakcija v šolah izvajajo v obliki dni dejavnosti. Učne vsebine so osredotočene na okoljske naravoslovno-tehniške vsebine in perspektive življenja v vesolju, proces učenja pa je zasnovan na induktivnih metodah poučevanja, pri čemer učenci preizkušajo in optimizirajo vodne turbine [13, 14], zeleno ogrevanje, optimizirajo vetrne turbine, pametne električne avtomobile [15, 16] itd. Učenci vse poskuse opravljajo v učilnicah in laboratorijih. Z gradivi, ki so prilagojena kurikulumu in kulturi vsake posamezne države, prinaša projekt tudi trdni in trajnostni okvir učenja naravoslovno-tehniških vsebin. Projekt omogoča razvoj in širjenje raziskovalnega pristopa in učenja. Model projekta je cikličen, kar pomeni, da v projektu vsako novo šolsko leto sodelujejo novi učitelji in učenci iz različnih slovenskih osnovnih šol. Na ta način omogočijo sodelovanje čim večjemu številu ljudi. Sodelujoči učenci ne le spoznavajo
10
raziskovalno učenje in reševanje naravoslovno-tehniških problemov na podlagi skupinskega dela, soočijo se tudi z dokumentacijo in predstavitvijo svojega dela. Najprej predstavljajo na šolski ravni, nato na nacionalni konferenci in najboljša skupina od vseh sodelujočih šol tudi na mednarodni konferenci.
Konference so namenjene predvsem vzpodbudi in potrditvi dobrega dela učencev, saj spodbudijo učence k čim bolj natančnemu raziskovalnemu delu ter jim omogočajo, da ostalim sodelujočim in obiskovalcem pokažejo svojo kreativnost in domiselnost [12].
Dosedanji rezultati testiranj znanja pred in po izvedbi tehniških dni kot tudi zadovoljstvo učencev [15] kažeta, »da bi medpredmetno naravnan pristop k izvajanju tehniških dni lahko bil osnova za predlog, kako prepričati pristojne, naj vendarle vrnejo predmet TIT v 9. razred« [12].
11
3 ODDALJENI LABORATORIJI V TEORIJI IN PRAKSI
Pogost problem klasičnih laboratorijev je prostorska stiska, čas priprave eksperimentov in nenazadnje sredstva, ki jih je potrebno vlagati v vzdrževanje in obnavljanje laboratorijev [1]. V tem pogledu je uvedba oddaljenega laboratorija v učno okolje pomenila korak naprej [2]. Dandanes so oddaljeni laboratoriji na različnih univerzah po svetu nujno potrebni v visokošolskem tehniškem učnem okolju, saj odpravljajo večino ovir v klasičnih laboratorijih [1].
Organizirani so tako, da študentom omogočajo krajevno in časovno neodvisno uporabo, kar pomeni, da na pravih napravah kadarkoli in kjerkoli izvajajo eksperimente [2].
V poglavju so podrobneje obravnavani oddaljeni laboratoriji, predstavljene so njihove prednosti in slabosti, zgradba ter uporaba.
3.1 OPREDELITEV ODDALJENEGA LABORATORIJA
Termin spletno eksperimentiranje (ang. Web-based experimentation) Hercog [17] opredeli kot spletne rešitve, ki uporabnikom omogočajo izvedbo eksperimentov na daljavo. Navaja tudi, da je spletno eksperimentiranje način opazovanja in upravljanja virtualnega ali realnega procesa z ustrezno vizualno predstavitvijo procesa in uporabo ustreznih krmilnih naprav. Kadar imamo iz enega centra dostop do več takšnih eksperimentov, govorimo o laboratorijih, ki so glede na način delovanja bodisi virtualni bodisi oddaljeni laboratoriji.
Oddaljeni laboratorij uporabnikom omogoča izvajanje poskusov oziroma eksperimentov, ki so postavljeni v izobraževalnih laboratorijih, izvajajo pa se v realnem času preko oddaljenega dostopa tj. svetovnega spleta [5]. V primerjavi s klasičnim laboratorijem je za to, da omogočimo oddaljeni dostop, v klasičen laboratorij potrebno vnesti nekaj sprememb, ki so vidne na sliki 3.1.
V klasičnem laboratorijskem okolju je uporabnik prisoten v laboratoriju in uporablja opremo z lastnimi rokami, kot posledico izvedbenih dejanj pa dobiva neposredne povratne informacije. Z oddaljenim laboratorijem pa je uporabnik povezan preko osebnega računalnika (ali katere druge naprave npr.
prenosnika, pametnega telefona, tabličnega računalnika) in svetovnega spleta.
Gre torej za posredno medsebojno vplivanje med človekom in laboratorijsko opremo. Za upravljanje oddaljeni laboratorij uporablja posebno opremo ali pa direkten dostop preko spletnih aplikacij oziroma brskalnikov. Uporabnikovi ukazi se posredujejo v sprejemni sistem, ki ga najpogosteje predstavlja računalniški sistem, ki je neposredno povezan z laboratorijsko opremo, kjer se izvedejo zahtevani ukazi [18]. Po izvršenih ukazih uporabniku vrača povratno informacijo, kaj se v laboratoriju dogaja. Takšno interakcijo imenujemo dvosmerna komunikacija. Kadar so laboratoriji preprostejši in komunikacija poteka od oddaljenega laboratorija k uporabniku ali obratno, gre za izvedbo enosmerne komunikacije [5]. Oddaljeni laboratoriji torej uporabnikom
12
omogočajo izvajanje dejavnosti na daljavo, pri čemer ni zahtevana njihova prisotnost na mestu postavitve laboratorijske opreme [17].
Slika 3.1: Primerjava klasičnega (a) in oddaljenega laboratorija (b); prevedeno iz [18].
V praksi meja med virtualnimi in oddaljenimi laboratoriji ni povsem ločena, ker spletni eksperimenti pogosto združujejo virtualne in oddaljene eksperimente [17].
3.2 PREDNOSTI IN SLABOSTI ODDALJENIH LABORATORIJEV
Kadar govorimo o prednostih oddaljenih laboratorijev, velja omeniti naslednje [3, 17, 19]:
- časovna neodvisnost (uporabnikom omogočajo časovno neomejen dostop do laboratorijske opreme),
- krajevna neodvisnost (uporabnikom omogočajo dostop od koderkoli, kjer imajo dostop do svetovnega spleta),
- večji izkoristek laboratorijske opreme sledi iz prejšnjih dveh alinej,
- laboratorijska oprema je za izvajanje eksperimentov posameznemu uporabniku na voljo dlje časa,
- izvajanje eksperimentov je omogočeno tudi osebam s posebnimi potrebami,
- izmenjava inovativnih eksperimentov med inštitucijami (le-te nimajo vedno pogojev za razvijanje visoko kakovostnih eksperimentov na veliko različnih področjih, so bolj specializirane na posamezna področja),
- izmenjava visokocenovne opreme med inštitucijami, - vključevanje laboratorijskega dela pri študiju na daljavo.
13
Ena od šibkih točk oddaljenih laboratorijev je njihova visoka cena, saj je za postavitev takšnih laboratorijev potrebna kompleksna oprema (fizična in programska) in redna podpora, da vse deluje, kot mora [19].
Omenimo lahko še dve slabosti oddaljenih laboratorijev [3, 17]:
- posreden stik z laboratorijsko opremo in napravami ter zaradi tega tudi omejena interakcija, kar se tiče usposabljanja pri ročnih motoričnih spretnostih,
- oddaljeni laboratoriji niso primerni za uporabo na vseh naravoslovno- tehniških področjih, predvsem tistih, kjer je pri eksperimentiranju pomemben tudi vonj (npr. kemija),
- uporabljajo se le obstoječi eksperimenti, saj po večini ne podpirajo samogradnje ali spreminjanja poskusov.
3.3 ZGRADBA ODDALJENIH LABORATORIJEV
V grobem je zgradba laboratorijev z oddaljenim dostopom skoraj vedno enaka in je sestavljena iz naslednjih komponent: eksperimentalna laboratorijska nastavitev, ki povezuje oddaljene uporabnike, da lahko dostopajo do strežnika, in računalnik, povezan s strežnikom in opremljen s potrebnimi vhodnimi/izhodnimi moduli za komunikacijo z eksperimenti oziroma laboratorijsko opremo [2].
Če širše pogledamo, delovanje oziroma sistem oddaljenega laboratorija vsebuje dve komunikacijski zanki. Prva je regulacijska zanka, ki se izvaja na laboratorijskem strežniku v realnem času in preko oddaljene vhodne/izhodne opreme izvaja vodenje eksperimenta, druga pa je nastavitvena zanka, ki je namenjena izmenjavi podatkov med uporabnikom in strežnikom [17], obe sta prikazani na sliki 3.2.
Slika 3.2: Prikaz informacijskih zank v oddaljenem laboratoriju1 [17].
Oddaljeni laboratorij vsebuje tudi dodatne servise kot so registracija novih uporabnikov (uporabniško ime in geslo), proces za preverjanje uporabnikov (strežnik se mora prepričati, da je uporabnik res to, kar trdi, da je), podroben opis poskusov in navodila za izvajanje le-teh, rezervacijski sistem za posamezni poskus itd. [17].
1 Kratica TCP pomeni protokol za nadzor prenosa, IP pa internetni protokol.
14
3.4 UPORABA ODDALJENIH LABORATORIJEV
Večje univerze se soočajo s problemom velikega števila vpisanih študentov in omejeno razpoložljivostjo zaposlenih (tj. asistentov in tehničnih sodelavcev). Pri visokem vpisu študentov je nujno potrebno ustrezno število zaposlenih, ki nadzirajo študente pri delu, odgovarjajo na njihova vprašanja in jih z nasveti vodijo v času izobraževanja. Vpisani študenti imajo različne intelektualne zmogljivosti in predvsem različne interese, kar je lahko razlog za manj učinkovito delovno izkušnjo v času predavanj ali vaj. Zato oddaljeni laboratoriji ponujajo elegantno rešitev številnih pedagoških vprašanj. Z uporabo oddaljenega laboratorija lahko vsak študent rešuje vaje v svojem tempu in glede na svoje interese, pri tem pa mu ni potrebno čakati na ostale, da bi ga dohiteli.
To zvišuje motivacijo študentov [1].
Na področju elektrotehnike najpogosteje zasledimo dva tipa oddaljenih laboratorijev. Prvi so oddaljeni merilni laboratoriji, namenjeni zbiranju merskih podatkov, ki so uporabnikom na voljo za kasnejšo analizo, drugi pa so oddaljeni laboratoriji s področja avtomatskega vodenja, kjer se algoritem vodenja izvaja v zanki tako, da najprej pošljemo podatke na vhode oddaljenega laboratorija, sistem podatke procesira in jih preko izhodov pošlje nazaj uporabniku. S tehniškega in varnostnega zornega kota je izvedba oddaljenih laboratorijev in eksperimentov s področja avtomatskega vodenja zahtevnejša od izvedbe oddaljenih merilnih aplikacij [17].
Obstaja že več oddaljenih laboratorijev, ki so uporabljeni na področju učenja o obnovljivih virih energije [19, 20]. V [19] je predstavljena strojna in programska oprema nizkocenovnega oddaljenega laboratorija z uporabo konstrukcijske zbirke Lego Mindstorms NXT v2.0 za obnovljivo energijo vetra in sonca. Prvi eksperiment z vetrno energijo prispeva k razumevanju, kako je veter direktno povezan z nastankom energije, saj učence usmerja v to, da opazujejo, kako nastane električna napetost in kolikšna je pri različni moči vetra. Drugi eksperiment pa je osredotočen na to, v kakšni korelaciji sta solarna matična plošča in vpadni kot sončeve svetlobe. Učenci preko električne napetosti ugotavljajo kateri vpadni kot žarkov je najbolj primeren, da bi zagotovili največjo napetost. Učenci nato za domačo nalogo zbrane podatke grafično prikažejo, pretvarjajo merske enote, predvsem vat (W) in joule (J), raziščejo uporabo enot na domačih računih za elektriko itd. Eksperimenta sta prikazana na sliki 3.3.
Slika 3.3: Lego eksperiment a) za preučevanje energije vetra in b) za preučevanje energije sončeve svetlobe [19].
15
Drugi primer [20, 21] predstavlja oddaljeni laboratorij za preučevanje sončeve svetlobne energije, ki je namenjen študentom tehnike in tehnikom po celem svetu. Sestavljen je iz pilotne sončne elektrarne, ki vsebuje dve plošči sončnih zbiralnikov s površino 3 m2, le-ti se nahajata na strehi stavbe Higher Technical Institute na Cipru (ta inštitut danes spada pod ciprsko Univerzo za tehnologijo), toplotnega izoliranega rezervoarja z vodo ter druge pomožne opreme in pripomočkov. Prav tako je opremljen z vsemi potrebnimi merilnimi pripomočki, nadzornimi in komunikacijskimi napravami, ki so potrebne za oddaljeni dostop, nadzor in zbiranje ter obdelavo podatkov. V [20] je podanih nekaj grobih opisov primerov uporabe tega oddaljenega laboratorija, med drugimi je tudi primer raziskovanja trenutnega izkoristka sončnega zbiralnika ali določitev porabljene energije iz rezervoarja segrete vode. Uporabnik zbira podatke o pretoku vode, temperaturi, vpadnem kotu svetlobnih žarkov itd. in nato z uporabo nekaterih termodinamičnih enačb preuči izkoristek in karakteristike zbiralnika ter jih primerja s podatki proizvajalca.
Uvajanje oddaljenih laboratorijev v osnovne in srednje šole se kljub nekaterim predlogom za uvedbo še ni precej uveljavilo. Vzrokov za to je več, med drugim neozaveščenost učiteljev naravoslovja o uporabi in dostopnosti oddaljenih laboratorijev, univerzitetni oddaljeni laboratoriji niso prilagojeni za izvajanje eksperimentov, primernih za osnovnošolce in srednješolce, tudi učna gradiva so prezahtevna za mlajše uporabnike in niso dostopna v različnih jezikih, v šolah ni povsod internetne povezave, zadnja ovira pa je pomanjkanje sodelovanja osnovnih in srednjih šol z univerzami, kar naj bi se v zadnjih letih sicer že izboljševalo [22].
Kljub temu obstajajo nekatere implementacije oddaljenih laboratorijev v osnovne in srednje šole [3, 23]. Avtorji [3] menijo, da je eksperimentalno delo v osnovni in srednji šoli ključnega pomena, da se obdrži vpis študentov v izobraževalne ustanove za poklice, ki temeljijo na znanosti. Za kakovostno izvajanje laboratorijskega dela pa je največja omejitev to, da nakup in vzdrževanje profesionalne laboratorijske opreme močno presega proračunska sredstva šol. Rešitev zato vidijo v uporabi oddaljenih laboratorijev. Izvedli so raziskavo z uporabo oddaljenih laboratorijev v osnovni šoli (uporabniki so bili učenci dveh različnih šol, stari med 9 in 11 let). Sprva so bili ti laboratoriji namenjeni uporabi različnih fakultet, nato pa so nekatere eksperimente prilagodili za uporabo v šoli. Cilj raziskave [3] je bil preučiti odziv učencev na laboratorijsko delo brez neposrednega stika z laboratorijsko opremo. Izvajali so tri različne eksperimente. Primer eksperimentalne naprave za primer Peltonove turbine se nahaja na University of Technology v Sydneyu. Postavljena sta dva rezervoarja za vodo, iz zgornjega se voda preko turbine pretaka v spodnjega, tako poganja turbino in proizvaja električno energijo za napajanje razsvetljave v simulirani hiši. Učenci so raziskovali povezavo med hitrostjo vodnega toka, tlakom, močjo elektrarne itd. Rezultati raziskave [3] kažejo, da učenci pred uporabo oddaljenega laboratorija niso imeli jasne predstave o oddaljenem nadzoru fizičnih sistemov preko svetovnega spleta, pogosto so to enačili z daljinsko vodenimi igračami. Ugotovili so, da učencem veliko pomenijo dobro napisana navodila za uporabo, ki jim lahko sledijo. Učenci so kot dobro ocenili izbiro eksperimentov. O delu v oddaljenem laboratoriju v skupinah so bila mnenja deljena, le nekaj učencev je menilo, da se je sodelovanje v supini
16
izboljšalo. Več kot dve tretjini učencev sta odgovorili, da je bilo delo v oddaljenem laboratoriju zabavno ali zelo zabavno, zanimiva in vznemirljiva se jim je zdela uporaba te tehnologije. Tretjina učencev meni, da so se naučili zelo veliko, ostali dve tretjini pa, da so naučili malo. Glede razvoja spretnosti sta dve tretjini učencev odgovorili, da so razvili nekaj spretnosti, najpogostejši odgovori so bili konstruiranje, upravljanje, IKT spretnosti, interpretacija grafov in podatkov. Sama laboratorijska izkušnja se je večini učencev zdela pomembna.
Večina učencev meni, da z oddaljenim laboratorijem dobimo bolj zanesljive podatke in da je opravljanje meritev lažje v primerjavi s klasičnimi laboratoriji.
Končna slika glede prednosti in slabosti uporabe oddaljenih laboratorijev je na podlagi tega primera morda malo bolj jasna, a vseeno odgovori učiteljev kažejo, da so učenci tehnologijo dobro sprejeli, potrebno pa je še postoriti, da bodo tudi didaktično več prispevali k učnemu procesu in bodo bolj povezani z učnimi načrti.
17
4 PREPROST ODDALJENI LABORATORIJ
Preprost oddaljeni laboratorij je sestavljen iz štirih glavnih komponent in pomožne programske in druge opreme. Predstavljene so glavne komponente in povezava le-teh v oddaljeni laboratorij.
4.1 NAČRTOVANJE IZDELAVE ODDALJENEGA LABORATORIJA
Glavno vodilo pri načrtovanju oddaljenega laboratorija je, kako na otrokom razumljiv način izdelati preprost oddaljeni laboratorij z nizkocenovno opremo, ki bo omogočal zbiranje podatkov iz oddaljenih lokacij v naravnem okolju.
Osnovna ideja izdelave preprostega oddaljenega laboratorija izhaja iz [5], kjer potrebujemo tipala za merjenje fizikalnih količin, povezana s krmilnikom, ki bere te podatke in jih preko UART komunikacije prenese na GSM modul, v katerem je SIM kartica, preko katere modul na uporabnikov GSM aparat oziroma mobilni telefon pošilja kratka sporočila SMS z meritvami.
4.2 SESTAVNI DELI ODDALJENEGA LABORATORIJA
V nadaljevanju predstavljamo glavne komponente oddaljenega laboratorija.
4.2.1 Arduino UNO
Arduino je odprtokodna (ang. open source) prototipna platforma, ki temelji na uporabniku prijazni in preprosti strojni in programski opremi. Izdelki, tj. Arduino ploščice, so sposobni brati informacije na vhodih (npr. osvetljenost na senzorjih, prst na tipki, sporočila na socialnih omrežjih) in jih pretvoriti v izhodne informacije (npr. vklop svetleče diode (LED), zagon motorja, objava na svetovnem spletu). Vsi tovrstni ukazi so podani z nizom navodil, ki jih programiramo preko odprtokodne Arduino programske opreme, temelječe na programski aplikaciji IDE (ang. integrated development environment), ki računalniškim programerjem zagotavlja širok nabor objektov za razvoj programske opreme. V preteklem času in še danes je Arduino srce tisočih projektov, od najbolj preprostih vsakdanjih objektov do kompleksnih znanstvenih instrumentov. Okrog odprtokodne platforme se je zbrala prava svetovna skupnost ustvarjalcev, ki vključuje študente, ljubiteljske ustvarjalce, programerje in profesionalce. Njihovi prispevki skupaj predstavljajo neverjetno količino dostopnega uporabnega znanja, ki je lahko v veliko pomoč tako začetnikom kot strokovnjakom [24].
Izbrani krmilnik Arduino UNO, prikazan na sliki 4.1, je bistvena komponenta našega oddaljenega laboratorija. Beseda »uno« v italijanščini pomeni ena in je bila izbrana za oznako Arduinove prve ploščice z USB (ang. Universal Serial Bus, univerzalno serijsko vodilo) priključkom, ki danes predstavlja referenčni model za platformo Arduino. Za delovanje uporablja mikrokrmilnik ATmega328P, družine Atmel [25]. Vsebuje 14 digitalnih priključkov, ki jih lahko nastavimo kot vhodne ali izhodne, od teh se jih 6 lahko uporablja kot PWM
18
(pulzno-širinska modulacija) izhode. Poleg tega ima še 6 analognih vhodov, 16 MHz keramični resonator, USB priključek, »jack« vtičnico za napajanje in gumb za ponastavitev. Za uporabo krmilnika ga z AC/DC napajalnikom priključimo na omrežno napetost ali ga preko USB priključka in USB kabla povežemo z računalnikom. Potrebujemo USB kabel s priključkoma USB-A in USB-B. Nanj lahko prenesemo program za delovanje, ki je napisan v določenem programskem jeziku (Bascom, C++ …). [24] Podrobnejši tehnični podatki krmilnika so podani v preglednici 4.1.
Slika 4.1: Krmilnik Arduino UNO [24].
Preglednica 4.1: Osnovni tehnični podatki krmilnika Arduino UNO [24].
Mikrokrmilnik ATmega328P
Delovna frekvenca 16 MHz
Napajanje
Delovna napetost 5 V
Priporočena vhodna napetost 7-12 V
Mejna vhodna napetost 6-22 V
Vhodi/izhodi
Digitalni vh./izh. priključki 14 (od tega je 6 PWM izhodov) PWM digitalni V/I priključki 6
Analogni vh. priključki 6
Električni tok
Enosmerni el. tok za vh./izh.
priključke 20 mA
Enosmerni el. tok za 3,3 V priključek 50 mA Pomnilniki
Flash Memory 32 KB (ATmega328P) od katerega
0,5 KB porabi bootloader2
SRAM 2 KB (ATmega328P)
EEPROM 1 KB (ATmega328P)
Mehanski podatki
Dolžina 68,6 mm
Širina 53,4 mm
Masa 25 g
2 Bootloader je koda, ki se izvrši preden prične delovati katerikoli operacijski sistem na neki napravi.
19
4.2.2 GSM/GPRS modul ITEAD SIM900 s SIM kartico
GSM/GPRS modul ITEAD SIM900, prikazan na sliki 4.2, predstavlja samostojen sklop elektronskih komponent in vezja, ki temelji na modulu SIM900. Krmilimo ga preko AT ukazov, na tak način pa komunicira tudi z drugimi krmilniki. Je popolnoma združljiv z Arduino krmilniki. Modul ima 8 priključkov, dva za napajanje (negativni (-) za ozemljitev in pozitivni (+) za napetost +5 V), štiri za UART komunikacijo (TX in RX priključek ter Debug TX in Debug RX), dva za vklop in ponovni zagon modula (P – power, RST – reset) [26].
Osnovni tehnični podatki modula ITEAD SIM900 so predstavljeni v preglednici 4.2.
Slika 4.2: (a) zgornja stran in (b) spodnja stran modula ITEAD SIM 900 [27].
Preglednica 4.2: Osnovni tehnični podatki modula ITEAD SIM900 [26].
Napajanje
Delovna napetost 5 V (min. 4,5 V in maks. 5,5 V) Hitrost komunikacije 115200 bitov/s
Drugo
Komunikacijski protokol UART
GSM frekvenčni pasovi 4 (ang. quad band) - 850/900/1800/1900 MHz Mehanski podatki
Dolžina 71,4 mm
Širina 66,0 mm
Višina 1,6 mm
Delovna temperatura -40° C do 85° C
Za pošiljanje sporočil iz modula na pametni mobilni telefon potrebujemo tudi veljavno mini SIM kartico s predplačniškim paketom ali naročnino pri mobilnem operaterju. V kolikor imamo mikro SIM kartico, je v modulu ne bomo mogli uporabiti brez adapterja (okvirček za standardno velikost mini SIM kartice), slika 4.3.
20
Slika 4.3: Razlika med mikro in mini SIM kartico [28].
Za boljši signal smo modulu dodali preprosto anteno. Na spodnjo stran priključka za anteno smo prispajkali žico, slika 4.4. Za izračun dolžine žice l potrebujemo podatek o valovni dolžini, ki jo izračunamo po enačbi 4.1, pri čemer je λ valovna dolžina, c hitrost svetlobe (c = 299 792 458 m/s) in f frekvenca (glede na najbolj znana frekvenčna pasova: f1 = 900 MHz, f2 = 1800 MHz). Po enačbi 4.2 smo izračunali dolžino vodnika za anteno pri osnovni frekvenci f1 (če bi računali za f2, ki je dvakratnik f1, bi v enačbi namesto četrtine valovne dolžine izračunali polovico valovne dolžine). Torej dolžina antene znaša približno 8,3 cm in to velja za λ/4 pri osnovni frekvenci 900 MHz, ista dolžina žice deluje tudi pri frekvenci 1800 MHz, ki deluje v načinu λ/2.
(4.1)
(4.2)
Slika 4.4: Spodnja stran modula z vodnikom na mestu antene.
4.2.3 Elektronsko merjenje temperature
Temperatura je zagotovo ena od spremenljivk, ki najbolj povezuje naravoslovne predmete s tehniko. Zato smo za predstavitveni primer zbiranja podatkov z oddaljenim laboratorijem izbrali merjenje temperature s temperaturnim tipalom.
Prvi predlog uporabe temperaturnega tipala je bil NTC termistor, vezan v delilnik napetosti in priključen na ADC vhod krmilnika Arduino UNO. Za meritev,
21
ki jo pošljemo po kratkem sporočilu SMS, bi nato izmerjeno napetost (odčitano vrednost na ADC vhodu) v programu preračunali v temperaturo. Specifična upornost termistorja je v splošnem odvisna od temperature. Idejo smo opustili, ker je NTC (negativni temperaturni koeficient) termistor nelinearen upor (z velikim temperaturnim koeficientom) in bi nam povzročal preglavice pri zbiranju podatkov.
Za merjenje temperature smo izbrali temperaturno tipalo LM35, slika 4.5. To tipalo deluje v območju -55 °C do 150 °C. Napetost na izhodu tipala je linearno odvisna od temperature in se spreminja za 10 mV/°C. Tipalo pri sobni temperaturi deluje na ±0,25 °C natančno, v skrajnih mejah pa na ±0,75 °C natančno. Pri temperaturi 25 °C znaša izhodna napetost temperaturnega tipala LM35 250 mV. Z nižanjem ali višanjem temperature izhodna napetost tipala pada ali narašča in pri temperaturi -55 °C znaša -550 mV, pri temperaturi 150
°C pa 1500 mV oziroma 1,5 V [29].
Slika 4.5: Temperaturni senzor LM35 [30].
Pri testiranju temperaturno tipalo priključimo na prototipno ploščico. Za kasnejšo praktično uporabo pa mu ustrezno podaljšamo nožice z vodniki in jih s skrčkami zaščitimo, da se ne dotikajo med seboj. Na ta način tipalo tudi pripravimo za uporabo v različnih medijih (zraku, vodi itd.).
4.2.4 Pametni mobilni telefon
Izbira pametnega mobilnega telefona za preprosti oddaljeni laboratorij je podkrepljena z dejstvi, da tehnologija napreduje iz dneva v dan, posledično so pametni telefoni cenovno dostopni vsakomur, omogočajo delovanje prek GSM komunikacije in omogočajo shranjevanje in uporabo aplikacij za pretvarjanje kratkih sporočil SMS v vrste datotek, ki jih lahko odpremo v računalniku in vsebino sporočil pretvorimo v podatke.
Pametni telefon je elektronska naprava, ki združuje funkcije prenosnega računalnika in mobilnega telefona [31].
Natančnejši opis naprave najdemo v Oxfordovem angleško-angleškem slovarju [32], kjer je pametni telefon definiran kot mobilni telefon, ki opravlja veliko
22
računalniških funkcij, navadno ima zaslon občutljiv na dotik, dostop do interneta in operacijski sistem, v katerem delujejo shranjene mobilne aplikacije.
Oblika in znamka pametnega telefona v tem primeru nista pomembni, bistveno je, da ima telefon operacijski sistem Android, različico vsaj 1.5, ker je izbrana mobilna aplikacija za pretvarjanje kratkih sporočil SMS v besedilno datoteko izdelana tako, da deluje na tej in na novejših različicah operacijskega sistema.
4.3 POVEZAVA SESTAVNIH DELOV ODDALJENEGA LABORATORIJA
Najprej na krmilnik Arduino UNO z vodniki vežemo temperaturni senzor LM35.
Postavimo ga kot na sliki 4.6 in skrajno levo nožico vežemo na napajanje (priključek 5 V na krmilniku, rdeči vodniki), srednjo nožico na analogni vhod (priključek A0 na krmilniku, oranžna vodnika) in desno nožico na ozemljitev (priključek GND na krmilniku, črna vodnika). Nato sledi povezava krmilnika z modulom. Povežemo ju s štirimi vodniki s krmilnikom. Najprej povežemo priključek RX (ang. receive data, po tem priključku prejemamo podatke v modul) modula ITEAD SIM900 s priključkom številka 3 na krmilniku (zelen vodnik) in še TX (ang. transmit data, po tem priključku pošiljamo podatke iz modula) priključek modula s priključkom številka 2 (rumen vodnik). Sledi povezava minus priključka na modulu s priključkom GND na krmilniku (ozemljitev, moder vodnik) in nazadnje še plus priključek modula s priključkom 5 V na krmilniku (napajanje, desni rdeč vodnik). Čeprav ima krmilnik Arduino UNO priključka RX in TX, ju nismo povezali na priključka TX in RX modula, ker krmilnik ta dva priključka uporablja za komunikacijo z računalnikom. Uporabili smo priključka 2 in 3 ter ju v programski kodi nastavili na TX in RX.
Slika 4.6: Povezava senzorja, modula in krmilnika.
23
5 PROGRAMSKA IN DODATNA OPREMA ZA
TESTIRANJE ODDALJENEGA LABORATORIJA
Glavni sestavni deli preprostega oddaljenega laboratorija so tipalo, GSM/GPRS modul ITEAD SIM900, krmilnik Arduino UNO in pametni mobilni telefon. Da bi postavili oddaljeni laboratorij in ga pripravili za delovanje, potrebujemo še nekaj dodatne opreme, kot sta na primer USB kabel, programator eProDasFTDI, in nekaj programske opreme na računalniku in pametnem mobilnem telefonu. V tem poglavju so predstavljeni komunikacijski protokoli za komunikacijo med glavnimi sestavnimi deli, program Terminal za testiranje GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 in samo testiranje modula na računalniku. Predstavljeno je tudi programsko orodje Bascom-AVR za programiranje Atmelovih mikrokrmilnikov in programska koda za krmilnik Arduino UNO. Na koncu je predstavljena mobilna aplikacija za pretvorbo kratkih sporočil SMS v tekstovno datoteko in obdelava zbranih meritev v računalniškem programu Microsoft Office Excel.
5.1 DELOVANJE ODDALJENEGA LABORATORIJA
Za postavitev oddaljenega laboratorija in nastavitev njegovega delovanja je potrebno poznati nekaj osnovnih komunikacijskih protokolov, ki so predstavljeni v nadaljevanju.
5.1.1 GSM komunikacija in SMS
Za komunikacijski medij med GSM/GPRS modulom ITEAD SIM900 in mobilnim telefonom, na katerega iz modula pošiljamo kratka sporočila SMS, smo izbrali GSM sistem. Glavni razlog za izbiro je široka pokritost sistema, sistem je brezžičen, kar zagotavlja mobilnost oddaljenega laboratorija, stroški delovanja so nizki in tudi hitrost prenosa podatkov je za naše potrebe povsem primerna.
Kratica GSM (Global System for Mobile Communications) označuje trenutno najbolj razširjen digitalni celični telekomunikacijski sistem po celem svetu.
Mobilne storitve po celem svetu nam omogoča meddržavno sodelovanje mobilnih operaterjev [33]. GSM sistem deluje v različnih frekvenčnih pasovih.
Najbolj znani so pasovi 900 MHz frekvence (GSM 900), 1800 MHz frekvence (GSM 1800) in tudi 1900 MHz in 2100 MHz. Delovanje temelji na SIM (ang.
Subscriber Identity Module) kartici, ki predstavlja modul z uporabnikovo identiteto in dodeljeno številko za uporabo v mobilnem omrežju. GSM omogoča kakovostno izmenjavo informacij [34].
SMS (Short Message System) je komunikacijski mehanizem, ki sprejema in pošilja kratka sporočila SMS na mobilnem telefonu prek mobilnega omrežja.
SMS deluje na način shranjevanja in posredovanja, to pomeni, ko pošiljatelj pošlje kratko sporočilo SMS, le-to ne pride neposredno do prejemnika, ampak se najprej shrani v SMSC (ang. Short Message Center), SMSC center pa nato pošlje sporočilo naprej prejemniku. Če ima prejemnik izklopljeno napravo ali je izven dosega mobilnega omrežja, center sporočilo avtomatično shrani in ga odpošlje, ko je prejemnik zopet v območju storitev [33].
