Razvoj interaktivne pametne table

Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko

Matic Zevnik

Razvoj interaktivne pametne table

Diplomsko delo

Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Aplikativna elektrotehnika

Mentor: izr. prof. dr. Simon Dobrišek

Ljubljana, 2022

ii

iii

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Simonu Dobrišku za usmeritve in potrpežljivost pri izdelavi diplomskega dela. Iskreno se zahvaljujem tudi punci Nini Maslo Plečnik in moji družini za podporo in spodbudo v času študija. Nini se zahvaljujem tudi za usmeritve in pomoč pri pisanju teoretičnega dela, ki se nanaša na njeno strokovno področje – pedagogiko, saj brez njenega vpogleda v aktualno stanje v svetu vzgoje in izobraževanja ta del naloge ne bi bil takšen, kot je. Hvala tudi Društvu 404, ki je financiralo del projekta ter nudilo prostor in strokovno pomoč pri izdelavi.

iv

v

Povzetek

Uporaba tehnologije v šolstvu za namen izobraževanja je skozi čas močno napredovala. Od majhnih glinenih tablic vse do interaktivnih tabel, ki poleg pisanja in brisanja omogočajo tudi multidimenzionalno učenje. Po svoji naravi je pouk socialno dogajanje, v katerem niso pomembne le podane vsebine, temveč tudi medosebni odnosi, ki se v času izvajanja pouka ustvarjajo. Zanj je tako ključnega pomena kakovostna socialna interakcija, ki pa jo učitelj težko ustvari in obdrži, če mora večino svojega časa preživeti s hrbtom obrnjen proti učencem, zaradi stalnega brisanja table. Raziskave so pokazale, da veliko izvajalcev vzgojno-izobraževalnega procesa uporablja samo osnovne funkcije interaktivnih tabel ali pa je zaradi pomanjkanja izobraževanj o njeni pravilni uporabi sploh ne uporabljajo. Prav tako je interaktivna tabla kar precejšen finančni zalogaj za marsikatere izobraževalne ustanove, zato je manj razširjena, kot bi lahko bila.

Cilj diplomskega dela je bil oblikovati izboljšave klasične bele table, ki so finančno dostopnejše kot interaktivne table in nudijo izboljšave za vse naštete pomanjkljivosti. Moja pametna tabla učiteljem omogoča kakovostnejše poučevanje, saj skrajša čas, ki ga izvajalec vzgojno-izobraževalnega procesa preživi s hrbtom obrnjen proti učencem, in mu omogoča kakovostnejšo socialno interakcijo z učenci.

Zadani cilj sem dosegel z implementacijo mehanizma, zmožnega premikanja v dveh oseh, na katerem sta pritrjena pisalo in goba za brisanje. Za nadzor mehanizma skrbi krmilnik PlanetCNC, ki krmili koračne motorje osi in je povezan na mikro računalnik Raspberry Pi.

Upravljanje mehanizma je možno prek aplikacije za mobilni telefon, narejene v programskem okolju MIT App Inventor. Aplikacija omogoča pisanje po tabli, brisanje celotne table in brisanje izbranega dela table.

Ključne besede: izobraževanje, interaktivna tabla, PlanetCNC, Raspberry Pi, MIT App Inventor, Python.

vi

vii

Abstract

The use of technology in education for educational purposes has advanced greatly over time.

From small clay tablets, all the way to interactive whiteboards, which, in addition to writing and erasing, also enable multidimensional learning. By its nature, teaching is a social event in which not only the given content is important, but also the interpersonal relationships that are created during the teaching. For learning, quality social interaction is crucial, but it is difficult for the teacher to create and maintain good interaction if he has to spend most of his time with his back to the students, due to the constant erasing of the board. Research has shown that many teachers use only basic functions of interactive tables, or do not use them at all due to the lack of education on their proper use. Also, the interactive whiteboard is quite a financial burden for many educational institutions, so it is less widespread than it could be.

The aim of my thesis is to design improvements of the classic whiteboard, which are more affordable than interactive whiteboards and offer improvements for all the shortcomings listed above. My smartboard enables teachers to teach better, as it shortens time that they spend with their back turned to the students and allows them to have a better social interaction with students.

I achieved the set goal by implementing a mechanism capable of moving in two axes, on which a pen and a wiping sponge are attached. The mechanism is controlled by a PlanetCNC controller, which controls the stepper motors of the axis and is connected to a Raspberry Pi microcomputer.

The mechanism can be controlled via a mobile phone application made in the MIT App Inventor software environment. The application allows you to write on the board, delete the entire board or delete selected parts of the board.

Key words: education, interactive whiteboard, PlanetCNC, Raspberry Pi, MIT App Inventor, Python

viii

ix

Kazalo vsebine

1. Uvod ... 1

2. O šolskih tablah ... 3

2.1. Pomen šolskih tabel ... 3

2.2. Zgodovinski razvoj ... 3

2.2.1. Glinene tablice ... 3

2.2.2. Povoščene tablice ... 4

2.2.3. Skrilaste tablice ... 4

2.2.4. Črne table ... 4

2.2.5. Zelene table... 5

2.2.6. Bele table ... 5

2.2.7. Interaktivne table ... 6

2.3. Prednosti in slabosti tabel, uporabljenih v šolstvu ... 6

3. Opis uporabljene tehnologije ... 9

3.1. Mehanska zasnova ... 9

3.1.1. Pogonska tehnika ... 10

3.1.2. Linearna tehnika ... 10

3.2. Elektronska zasnova ... 11

3.2.1. Napajalniki ... 11

3.2.2. Izbira elektromotorjev ... 11

3.2.3. Planet CNC ... 12

3.2.4. Mikro računalnik Raspberry Pi... 13

3.3. Programska zasnova ... 14

3.3.1. Mit App Inventor ... 14

3.3.2. Python ... 16

4. Pametna interaktivna tabla... 17

4.1. Sestava izdelka ... 17

4.1.1. Opis mehanizma za pisanje in brisanje ... 18

4.1.2. Preostala sestava ... 18

4.2. Elektronika ... 18

4.3. Mobilna aplikacija ... 19

4.3.1. Opis funkcij aplikacije ... 19

x

4.3.2. Shranjevanje in pošiljanje vnosov ... 20

4.3.3. Pridobivanje slike ... 21

4.4. Python skripta ... 21

4.4.1. Uvodni del ... 21

4.4.2. Glavni del ... 22

4.4.3. Pretvarjanje podatkov v G-kodo ... 23

4.5. Ocena kakovosti ... 23

5. Zaključek ... 25

6. Viri ... 26

xi

Seznam slik

Slika 1 a) Chalkboard[3], b) Whiteboard[4], c) Interactive board[5] ... 1

Slika 2 presek vodila v obliki lastovičjega repa ... 11

Slika 3 Izgled programske opreme PlantCNC ... 13

Slika 4 Izgled modela Rasberry Pi 3B+ ... 13

Slika 5 izgled okna “designer” ... 15

Slika 6 izgled okna “blocks” ... 15

Slika 7 3D model pametne table ... 17

Slika 8 Struktura aplikacije... 19

xii

1

1. Uvod

»Najpomembnejša lastnost dobrih učiteljev je, da presegajo običajne pedagoške metode.«

(Margaret Mead)

Uporaba tehnologije v šolstvu za namen izobraževanja je skozi čas močno napredovala. Od majhnih glinenih tablic, ki so jih izumili Sumerci 3.500 let pred našim štetjem, smo napredovali do uporabe interaktivnih tabel, ki poleg pisanja in brisanja omogočajo tudi multidimenzionalno učenje ter poskušajo učni proces narediti bolj prijazen tako za učence kot tudi za učitelje. Vse to je posledica tehnološkega napredka, ki je pripomogel k višjemu standardu izobraževanja in učinkovitejšemu učnemu procesu.

V šolah, gimnazijah, fakultetah, ponekod tudi v vrtcih, izvajalci učnih procesov kot osnovno učno sredstvo uporabljajo eno izmed najstarejših grafičnih in vizualnih učnih sredstev, šolsko tablo. Stalno se soočajo s pisanjem in risanjem po njej in posledično tudi z njenim brisanjem. Čas, ki ga izvajalec porabi za brisanje in delno tudi za pisanje, je čas, v katerem izvajalec ne vzpostavlja očesnega stika z udeleženci, ob tem težje zazna nezaželena vedenja in ohranja zbranost udeležencev [1].

Po svoji naravi je pouk socialno dogajanje, v katerem niso pomembne le podane vsebine, temveč tudi medosebni odnosi, ki se ustvarjajo v času izvajanja pouka. Zanj je tako ključnega pomena kakovostna socialna interakcija, ki pa jo učitelj težko ustvari in obdrži, če mora večino svojega časa preživeti s hrbtom obrnjen proti učencem, zaradi stalnega brisanja table [2].

Dandanes v učnih ustanovah uporabljajo table, po katerih pišejo s kredo, tako imenovane zelene table (angl. Chalkboard ali Blackboard) (slika 1a), table za uporabo brišočih se flomastrov, bele table (angl. Whiteboard) (slika ,b) ali interaktivne tabele (angl. Interactive board) (slika 1c).

a) b) c)

Slika 1: a) Chalkboard [3], b) Whiteboard [4], c) Interactive board [5].

2

Kljub številnim pozitivnim učinkom interaktivne table (IT) pa so marsikateri učitelji predvsem zaradi pomanjkanja tehnološkega znanja o njihovem delovanju zadržani pri uporabi le-te tekom izvajanja učnega procesa. Raziskave so namreč pokazale, da manj kot polovica učiteljev uporablja IT. Tisti, ki tablo uporabljajo, v večini uporabljajo le osnovna orodja, saj se za uporabo IT samoizobražujejo in nimajo v sklopu šole organiziranih nikakršnih posebnih izobraževanj [6]. Interaktivne table so prav tako cenovno veliko manj dostopne kot klasične table in prav zato na visokih in strokovnih šolah, kot tudi na fakultetah v Sloveniji, še vedno prevladuje uporaba klasičnih belih tabel.

Cilj diplomskega dela je bil izdelati cenovno ugoden avtomatski mehanizem za klasično belo tablo, ki ga lahko uporabnik krmili prek pametnega telefona oziroma brezžičnega zaslona.

Mehanizem omogoča risanje in brisanje cele ali izbranega predela table. Prav tako vsebuje tudi kamero, ki uporabniku na zaslonu prikazuje nedavno stanje table in shrani sliko stanja table pred brisanjem, z namenom izboljšanja procesa poučevanja in zmanjšanja motečih dejavnikov, ki vplivajo na socialno interakcijo in časovno komponento podajanja akademskih znanj pri pouku.

Za ta namen je bilo treba izdelati mobilno aplikacijo, ki prek tehnologije Bluetooth pošilja podatke mikroračunalniku, in razviti programsko opremo z namenom obdelave podatkov ter pravilnim posredovanjem informacij.

3

2. O šolskih tablah

2.1. Pomen šolskih tabel

Učna tabla je eno izmed najbolj revolucionarnih izobraževalnih orodij in pomembno didaktično sredstvo, ki omogoča učinkovito izvajanje izobraževalnega procesa. Večina pedagogov je namreč mnenja, da je pouk veliko bolj uspešen in učinkovit, če so učenci zadostno motivirani. Prav didaktični pripomočki, skupaj z uporabo različnih metod in oblik dela, pouk naredijo zanimivejši in učencem lažje razumljiv [7]. Didaktični pripomočki so torej vsa sredstva, ki so učencem in učiteljem v pomoč pri učenju in poučevanju [8].

Didaktična sredstva delimo na štiri skupine [9]:

• vizualna sredstva, s katerimi ustvarjamo vidne dražljaje;

• avditivna sredstva, s katerimi ustvarjamo slušne dražljaje;

• avdiovizualna sredstva, s katerimi ustvarjamo kombinacijo vidnih in slušnih dražljajev, ter

• multimedijska sredstva, s katerimi ustvarjamo navidezno resničnost (virtualna učilnica) in druge možnosti, ki pomenijo povezovanje večjega števila različnih dražljajev, kot je na primer računalnik.

Šolska tabla kot vizualni didaktični pripomoček se je ukoreninila med najpogosteje uporabljene medije pri pouku, saj za njeno uporabo niso potrebne posebne priprave in ne zahteva posebne usposobljenosti [10].

2.2. Zgodovinski razvoj

2.2.1. Glinene tablice

Zgodovina učenja s tablic se je začela že v času Sumercev, ki so na področju Mezopotamije 3.500 let pr. n. št. vrezovali in vtiskovali besedila v vlažne, za dlan velike glinaste tablice.

Za potrebe učenja so glinene tablice po uporabi ponovno pripravili za nov zapis – torej bi zapisano, podobno kot to počnejo danes učitelji v učilnicah, izbrisali in glineno tablico ponovno uporabili [11].

4

2.2.2. Povoščene tablice

Antični Grki in Rimljani so kasneje vrezovali črke v površino povoščene tablice, za brisanje pa so uporabili večjo lopatico, imenovano spatula, od tu tudi izraz tabula rasa – prazen, nepopisan list. Uporabljali so jih predvsem v šoli, njihova uporaba pa se je iz antičnih časov nadaljevala vse do srednjega veka. Njena vloga je bila veliko večja od zgolj izobraževanja, saj so jo uporabljali tudi v gospodarstvu, trgovini, torej povsod, kjer je bilo treba kaj zapisati in kasneje zbrisati [11].

2.2.3. Skrilaste tablice

V 14. stoletju se je pojavila tablica, izdelana iz tanke ploščice skrila – temno siva metamorfna kamnina. Ploščica je bila vgrajena v lesen okvir, nanj pa je bila z vrvico pritrjena tudi manjša krpica ali gobica za brisanje. Sprva so jih uporabljali v industriji, v šolah pa so jih začeli uporabljati šele v začetku 19. stoletja kot cenejšo alternativo takrat precej dragemu papirju.

Nanjo so učenci pisali s kredo, skrilaste tablice pa so se ohranile še dolgo po drugi svetovni vojni [11].

2.2.4. Črne table

Konec 18. stoletja so učenci v Evropi in Ameriki še vedno uporabljali individualne tablice iz skrila, saj sta bila papir in črnilo veliko predraga, da bi si ju lahko privoščili. Učitelji so morali pristopiti do vsakega učenca posebej in mu na njegovo tablico zapisati nalogo, torej niso mogli učiti razreda kot celote, kar je bilo zelo neučinkovito [16]. Leta 1801 je James Pillans, ravnatelj in učitelj geografije na srednji šoli v Edinburgu, na Škotskem, našel rešitev omenjenega problema. Izumil je namreč prvo sodobno tablo, in sicer tako, da je na steno učilnice obesil veliko skrilasto ploščo. Tabla je učiteljem omogočala, da so snov razlagali celotnemu razredu, namesto da so morali delati z vsakim posameznikom na njegovi majhni tablici. Izboljšala se je učinkovitost pouka in hitrost predelave snovi. Tako imenovana

»blackboard« ali črna tabla je postala ključen didaktičen pripomoček vse do leta 1960 [12].

Hitro rastoči železniški sistem je omogočil, da so imele skoraj vse šole v Ameriki do sredine 19. stoletja v vsaki učilnici vsaj eno črno tablo [13].

5

2.2.5. Zelene table

Kasneje so črno tablo nadgradili v tako imenovano »chalkboard« ali zeleno tablo [12].

Sestavljala jo je jeklena plošča, prevlečena z emajlom na osnovi porcelana. Izboljšave so bile vidne predvsem pri brisanju table, saj se je kredo v prahu po brisanju občutno manj videlo kot pri črni tabli [13]. Svetlo zelena barva je za oči veliko prijetnejša kot črna, saj so tudi danes svetlo zeleno ponavadi obarvani šolski prostori, saj nam je ob njej udobno, počutimo se sproščeno in mirno. Črno barvo pa doživljamo kot težko in trdo ter neprijetno za oči [14]. Zelena tabla je bila lažja in trpežnejša od krhkega skrilavca, zaradi česar jo je bilo lažje transportirati.

2.2.6. Bele table

Kasneje je zeleno tablo nadomestila tako imenovana »whiteboard« ali bela tabla, ki sta jo iznašla leta 1950 vojni veteran in fotograf Martin Heit in Albert Stallion, delavec pri velikem proizvajalcu jekla v Veliki Britaniji. Martin Heit je namreč opazil, da je črnilo na hrbtni strani njegovih filmskih negativov mogoče enostavno izbrisati. Razvil je idejo majhne pisalne plošče, ki bi imela svoje mesto ob stenskem telefonu in omogočala zapis pomembnih informacij med telefonskim pogovorom. Svoj izum je želel predstaviti na pomembnem dogodku v Chicagu, vendar je vitrina, v kateri so bile razstavljene njegove tablice, noč pred odprtjem dogodka zgorela. Razočaran je patent za svoj izum prodal podjetju, ki je kasneje postalo Dri-Mark – vodilno podjetje, ki je belo tablo predstavilo šolstvu. Albert Stallion pa je predlagal uporabo emajliranega jekla za pisalno površino, kar bi onemogočilo trajno obarvanost table s črnilom. Kljub dobrim namenom bele table ni bilo lažje očistiti kot črne ali zelene table. Šele leta 1975 je narasla priljubljenost belih tabel, ko je Jerry Woolf izumil vrsto nestrupenega suhega črnila – marker za suho brisanje, ki je omogočil lažje in učinkovitejše brisanje bele table [15].

Današnje visokokakovostne bele table so običajno izdelane iz jekla, prevlečenega s porcelanskim emajlom. Keramična prevleka je neporozna in tako niti kanček črnila ne more prodreti v površino plošče. Posledično tabla ostane brez madežev in odsevov. Zaradi izjemno dolge življenjske dobe in odličnih čistilnih zmožnosti so tovrstne table najbolj primerne za uporabo v izobraževalne namene [16]. Bele table so lahko izdelane tudi iz melamina. Prav za tovrstne table velja, da so najcenejša vrsta belih tabel in jih je mogoče kupiti v vsaki trgovini s pisarniško opremo. Zaradi manjše kakovosti jih v šolah in podjetjih ne uporabljajo.

Klasične table so zaradi prahu kred, ki danes velja za zdravje škodljivega, večinoma zamenjale bele table. Kljub temu da kreda ne vsebuje azbesta, kot so nekateri dolgo časa verjeli, lahko prah krede povzroči alergijsko reakcijo pri nekaterih učencih, ki so občutljivi na snovi, kot so prašni delci. Prav zato so bele table odlična alternativa za astmatike in ljudi, občutljive na prah. Bele table se lahko uporabi tudi kot projekcijski medij, kar omogoča podajanje prezentacij in sočasno pisanje na tablo.

6

2.2.7. Interaktivne table

Kljub vsem pozitivnim lastnostim bele table sedaj počasi zamenjujejo interaktivne table, ki izobraževanja ne spremenijo, temveč ga nadgradijo [17].

Izobraževalni sistem se je prilagodil času in postal bolj raznovrsten, interaktiven ter učencem in učiteljem prijazen. Prav interaktivne table (IT) učiteljem omogočajo vzbuditi pozornost učencev in jih motivirati. Prvo IT je proizvedlo podjetje Smart Technologies Inc. leta 1991.

Prva IT v Sloveniji pa je bila nameščena v osnovni šoli, in sicer leta 2004 [18]. V večji meri so začeli v slovenskih izobraževalnih ustanovah uvajati interaktivne table z razpisi tedanjega Ministrstva za šolstvo in šport (2008, 2009), ki je s sofinanciranjem omogočilo 50 % nižje cene produktov. Prav zaradi pomoči Ministrstva za šolstvo in šport v opremljanju šol z interaktivnimi napravami v opremljenosti učilnic prevladujejo osnovne šole, sledijo jim srednje, najmanj pa so z njimi opremljene višje in strokovne šole ter fakultete [19].

Interaktivna tabla je bogata z različnimi knjižicami fotografij, slik, animacij, zvočnih posnetkov in drugih orodij. Za njeno uporabo potrebujemo računalnik, tablo, programsko opremo in interaktivno pisalo. Sama tabla predstavlja projekcijo računalniškega zaslona [20].

Interaktivna tabla učitelju omogoča, da lažje vključuje prisotne in jih poziva k aktivnemu sodelovanju pri učni uri. Interaktivne table imajo možnost številnih dodatkov, kot so interaktivno pero, glasovne naprave, dokumentna kamera, interaktivna mizica in mnoge druge.

Kljub številnim možnostim uporabe interaktivne table pa so raziskave pokazale, da manj kot polovica učiteljev uporablja IT. Tisti, ki tablo uporabljajo, v večini uporabljajo le osnovna orodja, saj se za uporabo IT samoizobražujejo in nimajo v sklopu šole organiziranih nikakršnih posebnih izobraževanj [6].

2.3. Prednosti in slabosti tabel, uporabljenih v šolstvu

V zadnjih letih je prišlo do pomembnega razvoja visokotehnoloških didaktičnih pripomočkov, ki bi lahko nadomestili klasične bele ali zelene table, vendar obstajajo poleg številnih prednosti tudi marsikatere težave in zadržki, kot so razpoložljivost in cena takšnih nadomestil, uporabnost in pa tudi usposobljenost učiteljev za uporabo tovrstnih pripomočkov.

Raziskava, ki jo je leta 2007 izvedel Shallcross [21], je pokazala, da ni pomembne razlike v znanju učencev, če učenje poteka prek interaktivne table in predstavitve PowerPoint ali pa če učitelj med predavanjem piše na navadno belo ali zeleno tablo. Tudi Sultan je leta 2013 [22] izvedel raziskavo, v kateri je želel raziskati vpliv PowerPointa in uporabo navadne table na dosežke in znanje učencev. Prišel je do spoznanja, da so učenci dosegali najboljše rezultate, če je učitelj poleg PowerPoint predstavitve za razlago uporabljal tudi klasično belo

7 tablo in med razlago nanjo zapisoval pomembne besede. Učenci so bili takrat namreč bolj aktivni in postavljali več vprašanj.

Richard [23] navaja, da se učenci sicer lažje učijo, če je snov podana prek več zaznavnih kanalov, zlasti če so težji koncepti predstavljeni s pomočjo vizualnih sredstev. Prav interaktivne table pa so tiste, na katerih lahko poleg zelo nazornih vizualnih predstav, animacij in PowerPoint predstavitev vključimo še razna avdio-vizualna sredstva, in sicer za lažjo predstavljivost in posledično boljšo zapomnljivost podane snovi.

Kljub vsemu naštetemu ne smemo zanemariti, da učitelji že od leta 3.500 pr. n. št. za učenje uporabljajo predvsem različne klasične oblike tabel, ki nimajo dodatnih funkcij, razen pisanja s kredo ali markerji, predvsem zaradi njihove razpoložljivosti, prilagodljivosti in so zato od nekdaj cenjene kot osnovno in ključno sredstvo za učenje v učilnici.

Med slabe strani interaktivnih tabel zagotovo spada cena, saj so klasične table bistveno cenejše, za svojo uporabo pa ne potrebujejo elektrike in povezave z računalnikom. Vedno bolj pogosto lahko vidimo, da šole, predvsem v Ameriki, porabijo ogromne zneske denarja za nakup tehnoloških pridobitev, ki pouka ne nujno izboljšujejo. Nekaterim šolam je namreč pomembnejše, da postanejo sodobne, saj je to pomembna vrednota v ameriški družbi, čeprav ni jasnih pokazateljev in raziskav, ki bi dokazale, če bodo tovrstne pridobitve resnično izboljšale akademske dosežke učencev [24].

Giannikas [25] je s svojo raziskavo pokazal, da je poučevanje jezikov možno pomembno izboljšati z uporabo tehnologije, kljub temu pa je učitelji ne radi vključujejo v svoj pouk.

Velika večina učiteljev, ki je bila vključena v raziskavo, namreč ni bila deležna posebnega izobraževanja za ustrezno uporabo tehnologije in predstavitve raznovrstnih funkcij, ki jih omogoča uporaba IT, zato je uporaba tovrstne tehnologije zanje postala predvsem zastrašujoča in je terjala ogromno samoizobraževanja ter časovnega vložka za samostojno raziskovanje in izobraževanje na tem področju.

Nekaj študij (npr. Stefik, idr., 1987 [26]; O' Hare, 1993 [27]; Mynatt, idr., 1999 [28]) se je osredotočilo na raziskovanje prednosti in slabosti različnih šolskih tabel s tehnološkega vidika. Najbolj vidne težave pri uporabi tradicionalnih tabel so se pojavile pri iskanju primernega prostora za zapis med vsebino, ki je že bila zapisana na tabli in je uporabniki niso želeli izbrisati, in pri neobnovljivosti zapisanih informacij, ko so bile le-te enkrat izbrisane.

IT omogočajo shranjevanje zapisanih podatkov in kasnejši prikaz le-teh, pošiljanje zapiskov po elektronski pošti ali pa kasnejši natis zapiskov, ki jih lahko učencem razdelimo kot učno gradivo, ki si ga nalepijo v zvezke in se iz njega učijo.

Največja napaka, ki jo učitelji naredijo pri uporabi IT, je, da jo uporabljajo enako kot klasično tablo, torej le za pisanje in risanje po njej, ne izkoristijo pa vseh drugih možnosti, ki jih IT ponuja [29].

8

Velika prednost za učitelje, ki uporabljajo IT, je, da si lahko doma vnaprej pripravijo predstavitve ali naloge. Predstavitve lahko obogatijo z besedili, slikami, zemljevidi, videoposnetki ter povezavami do drugih avdio-vizualnih datotek.

Treba se je zavedati, da je interaktivna tabla zgolj eno izmed didaktičnih orodij, ki lahko popestri pouk, nikakor pa to ni način dela, ki mora prevzeti in nadomestiti klasičnega.

Interaktivna tabla ima namreč ob pravilni uporabi lahko številne prednosti, ob nepravilni uporabi pa nevarnost zgolj navidezne interaktivnosti, s katero se interakcija z učitelja in učencev premakne na učitelja in tablo. Učitelji, ki so uspešnejši pri delu z interaktivno tablo, kažejo lastnosti, značilne za učitelje, ki so pri pouku uspešnejši tudi brez uporabe tehnologije [30]. Prav zato sem se odločil za nadgradnjo »whiteboarda« ali tako imenovane bele table.

9

3. Opis uporabljene tehnologije

»Dobre ideje nimajo starosti, imajo le prihodnost.« (Robert Mallet)

3.1. Mehanska zasnova

Računalniško numerično vodeni stroj (angl. Computer Numeric Control – CNC) se od mehanskega obdelovalnega stroja razlikuje v tem, da vsebuje poleg mehanskega dela, ki ga, če se osredotočimo na rezkar, sestavljajo: ohišje, delovna miza, linearna tehnika, glava in aktuatorji, vsebuje tudi krmilnik. Ta predstavlja »računalniški« del stroja, ki s pomočjo programskih vhodnih vrednosti in povratnih podatkov iz zaprtozančnih sistemov nadzira premike stroja.

CNC-stroje delimo v več različnih skupin. Najbolj pogoste so naštete v nadaljevanju in delujejo na sledeči način:

• CNC-laserski rezalnik s pomočjo močno skoncentriranega žarka svetlobe reže tanke plošče mehkejšega materiala, kot so les, plastika, aluminij, in se uporablja tudi za graviranje teh materialov. Pri laserjih so premiki linearni. Glava (laser) dela pomike po dveh oseh (X in Y), delovna miza z vpetim obdelovancem pa se pomika po osi Z.

• CNC-plazma rezalniki so prav tako namenjeni rezanju tanjših plošč, tokrat trših materialov, kot so medenina, baker in jeklo. Rez nastane ob uporabi močne plazme (pršenje ioniziranega plina pri temperaturi nad 20.000 °C). Zaradi tako visoke temperature se material v neposredni bližini plazmine elektrode stopi. Pri plazma rezalnikih se v vseh treh linearnih oseh premika glava (elektroda), vpeti obdelovanec na mizi pa stoji pri miru.

• CNC-stružnice so značilne po tem, da se orodja zanjo podajajo linearno vzdolž vrtljive glave, v katero je vpet obdelovanec, ki je ponavadi valjaste oblike. Orodje je prilagojeno vrsti obdelave in materialu obdelovanca, ki variira od lesa, plastike do trših kovin ter ga obdeluje tako, da po obsegu odstranjuje material do želene dimenzije. Stružnice lahko to dosežejo na zunanji ali notranji strani, lahko naredijo tudi navoje, luknje, reže, konuse …

• CNC-rezkarji imajo tako kot stružnice vrtečo se glavo, v katero je vpeto orodje.

Osnovni rezkarji so triosni in omogočajo samo linearne pomike, napredni večosni pa poleg linearnih omogočajo tudi rotacijske pomike. Odvisno od modela rezkarja te pomike opravljata glava ali miza z vpetim obdelovancem. Orodje je prav tako izbrano primerno vrsti obdelave in materiala obdelovanca.

10

• 3D-tiskalniki v nasprotju z večino ostalih opisanih CNC-strojev ne uporabljajo postopka odstranjevanja materiala, ampak med svojim delovanjem uporabljajo postopek dodajanja materiala, natančneje neprekinjeno ciljno nalaganje. Omenjena fraza predstavlja segreto ekstrudorsko šobo, v katero se dovaja nitka termoplasta (ABS, PLA …), ki ta material v delno tekoči fazi nanaša na delovno površino v slojih.

Našteti CNC-stroji za izdelavo končnega izdelka uporabljajo različne tehnologije odstranjevanja ali dodajanja materiala. Ta postopka uvrščamo med postopke hitre izdelave, med katere spadata tudi postopka oblikovanja in sestavljanja [31].

3.1.1. Pogonska tehnika

Za premikanje osi CNC-strojev se uporabljajo elektromotorji, ki proizvajajo rotacijsko gibanje, večina osi pa je linearnih. Torej za delovanje strojev potrebujemo element, ki bo rotacijsko gibanje spremenil v linearno. Prenos se lahko naredi z uporabo trapeznega navojnega vretena in matice, zobnika in zobate letve ter z jermenom.

Z uporabo navojnega vretena, ki je s sklopko pritrjen na vrteči se elektromotor in trapezne matice, ki se linearno gibljejo po navoju, dosežemo visoko natančnost. Najpogosteje jih uporabljamo pri podajalnih pogonih ali koordinatnih mizah. Pri izbiri prave letve in matice so pomembni orientacija navoja (levi, desni), premer vretena, korak navoja, razred natančnosti … Večino teh podatkov je možno razbrati že kar iz oznake vretena oz. matice.

Za prenos velikih sil se uporablja zobato letev in zobnik, kjer je zobnik pritrjen na vrteči se motor. Odvisno od uporabe se lahko motor z zobnikom premika po fiksno vpeti letvi ali obratno. Pri izbiri le-teh sta pomembna tako model letve kot tudi število zob oziroma premer zobnika.

Ko gre za prenose, kjer je uporabljena majhna teža in je zaželena visoka hitrost, se uporabljajo jermenski sklopi. Poznamo veliko različnih vrst, v večini pa se uporabljajo zobati jermeni različnih velikosti.

3.1.2. Linearna tehnika

Ko se delni sistemi stroja linearno oziroma premočrtno gibajo, želimo, da se ti gibajo znotraj ozko določenih mej z visoko natančnostjo. To je mogoče doseči z vodili. Poleg njihove naloge natančnega vodenja pomičnih delov vodila prevzemajo vlogo prenašanja sil premičnih delov na ohišje in ogrodje stroja. Sestavljena so iz drsnika, to je premikajoči se del, in pa podstavka, po katerem se drsnik giblje.

Vodila v splošnem delimo glede na obliko vodilne tirnice: klinasta, valjasta, ploščata in prizmatična. V praksi se v večini primerov uporablja kombinacija prej naštetih oblik.

11 Najpogosteje je uporabljena oblika vodila v obliki lastovičjega repa (slika 2), saj preprečujejo privzdigovanje drsnika.

Slika 2: Presek vodila v obliki lastovičjega repa.

Za zmanjšanje trenja in povečanje zračnosti se uporablja kroglične ali valjčne drsnike.

3.2. Elektronska zasnova

3.2.1. Napajalniki

Napajalniki so električne naprave, ki porabnike napajajo z električno energijo. Njihova glavna naloga je, da vhodno električno energijo spremenijo v želeno izhodno. Napajalniki so lahko samostojne enote ali pa so vgrajeni v napravo in lahko imajo nekatere dodatne funkcije, kot so izklop ob pojavitvi električne napake, omejevanje porabe električnega toka, hlajenje za zmanjšanje hrupa, shranjevanje energije za primer začasnega nedelovanja vira idr. Glede na pretvorbo električne energije delimo napajalnike na:

• iz izmenične napetosti (angl. alternating current – AC) v enosmerno napetost (angl.

direct current – DC) ali napajalnik AC-DC,

• napajalnik AC-AC,

• napajalnik DC-AC in

• napajalnik DC-DC.

3.2.2. Izbira elektromotorjev

Pri napravah izbira pravega elektromotorja igra ključno vlogo pri njeni efektivnosti ali produktivnosti. Izbira med koračnimi in servo motorji zna biti težka, saj so pri izbiri pomembni cena, navor, hitrost, elektronika idr.

Pri odločitvi pomaga, če poznamo njihove lastnosti delovanja ter prednosti in slabosti.

Povečini se pri strojih z linearnimi pomiki uporabljajo koračni ali pa servo motorji.

Koračni motor je svoje ime dobil zaradi svojega značilnega delovanja. Kot opisano v nadaljevanju, se ti motorji ne premikajo zvezno, temveč po delcih obrata [32]. Koračni motor je sestavljen iz rotorja s permanentnimi magneti in statorja z navitji. Ko tok teče skozi navitja statorja, ta generira magnetni fluks, ki vpliva na magnetno polje rotorja in s tem povzroči vrtenje. Koračni motorji imajo na rotorju tipično 50 ali več zob, na statorju pa nekaj manj.

Zobje statorja so razdeljeni v pare skupin z enakim številom zob, ki so zaradi nekaj manjkajočih zob lahko zamaknjeni, kot prikazuje slika 3. Navitja, na katera so pritrjeni

12

statorski zobje, so razdeljena v dve skupini, pogosto označeni kot skupini navitij A in B. Pri vsaki skupini navitij je vsako drugo navitje navito v drugo smer, kar povzroči obratno polariteto. Ta postavitev ob ustreznem zaporedju napajalnih pulzov statorskih navitij omogoča premikanje rotorja za 1,8. Zaradi velikega števila majhnih korakov zgleda to premikanje tekoče in lahko doseže tudi do 1200 obratov na minuto (angl. rounds per minute – rpm).

Koračni motorji imajo zato pri nizkih obratih zelo velik navor, ki jim omogoča, da se kljub bremenu ustavijo in ostanejo v točno določeni poziciji, vendar navor s hitrostjo močno pade.

Zaradi nizkega navora zato nimajo uporabnosti pri velikih hitrostih. Nizek navor bi sicer lahko popravili s prenosom, vendar bi za uporaben navor dobili neprimerno nizke hitrosti za veliko aplikacij. Če pa je le-te dovolj, je to odlična izbira, saj so ti motorji kompaktni in so povečini vodeni odprto-zančno, tako da enkoder ni potreben.

Servo motorji imajo veliko implementacij. Najbolj uporabljen dizajn vsebuje stator z navitji in rotor s permanentnimi magneti. Tok kreira magnetno polje, ta pa ustvarja navor tako, da se rotor začne vrteti. Zgradba in delovanje servo motorja sta torej podobna koračnemu motorju, vendar ima servo motor veliko manjše število zob. Zaradi majhnega števila zob morajo motorji delovati v zaprto-zančnem sistemu, kjer je potreben enkoder, s katerim se poveča natančnost pozicioniranja, žal pa se s tem povečata tudi robustnost in cena motorja.

Po drugi strani servo motorji omogočajo visoke obrate do skoraj 10.000 rpm, s skoraj konstantnim navorom, ki prinese boljše pospeške kot pri koračnem motorju.

Pri izdelavi rotorjev servo motorjev se najpogosteje uporablja redke zemeljske magnete (koračni motor – običajni magneti), ki z isto količino prinesejo večji navor.

3.2.3. PlanetCNC

Podjetje Planet CNC izdeluje tako strojno kot tudi programsko opremo za CNC-stroje, bolj specifično CNC-krmilnike. Ti so zmožni upravljanja do devetih osi (servo ali koračnih motorjev) in nadzirati tako analogne kot digitalne vhode in izhode. Krmilnik podpira avtomatsko menjavo orodja in njegovo kalibracijo, nadzor zunanjih naprav prek serijskih komunikacijskih protokolov I2C (angl. Inter-integrated Circuit) in UART (angl. universal asynchronous receiver-transmitter) in še kar nekaj ključnih nalog CNC-krmilnika [33].

Za nadzor vsega naštetega skrbi istoimenska programska oprema, ki podpira operacijske sisteme Windows, Linux in Mac OS [34]. Osnovni zaslon je razdeljen na štiri glavna območja, kot je razvidno na sliki 3. Rdeče obkroženo območje je namenjeno predvsem upravljanju osi stroja in prikazu vrednosti parametrov. Rumeno označeno območje je namenjeno odpiranju datotek, upravljanju vhodov in izhodov ter videza programa, dodajanju po meri narejenih ukazov … Modro označeno območje je namenjeno prikazu poti orodja oziroma prikazuje »sliko« končnega videza naložene datoteke. Zeleno obkrožen del pa prikazuje naloženo kodo G.

13

Slika 3: Videz programske opreme PlanetCNC.

3.2.4. Mikro računalnik Raspberry Pi

Mikro računalnik Raspberry Pi je bil razvit za namene poučevanja osnov računalništva mladini po svetu. Razvila ga je organizacija Raspberry Pi Foundation iz Združenega kraljestva. Njegova kompaktnost, zmogljivost in cenovna ugodnost so kaj kmalu pripeljale k njegovi uporabi v aplikacijah, katerih osnovni namen ni bil poučevanje mladih.

Podjetje je do letos razvilo že četrto različico osnovnega modela, na trg pa je prišlo še kar nekaj zanimivih modelov. Mednje spadajo Raspberry Pi 400, ki je pravzaprav kompaktni osebni računalnik, vgrajen v tipkovnico. Zero je najmanjši model, ki mu še lahko rečemo osebni računalnik, saj prek spominske kartice microSD, mini HDMI-porta (avdio/video vmesnik) in večnamenskega vodila mikro USB-porta omogoča delovanje in uporabljanje operacijskega sistema z monitorjem ter miško in tipkovnico.

Osnovni model, različica, ki je uporabljena v diplomskem delu (3B+), stane okoli 35 €, ima vgrajen Broadcomov 64-bitni procesor z 1,4 gigaherci (GHz) in en gigabajt (GB) DDR2 sinkronični dinamični pomnilnik z naključnim dostopom (SDRAM). Ta različica ima vgrajeno tudi mrežno kartico, ki podpira 2,4 GHz in 5,0 GHz brezžično internetno povezavo in Bluetooth 4.2, ki že spada pod BLE (Bluetooth z nizko porabo). Poleg 40 vhodno-izhodnih zatičev s splošnim namenom (GPIO) ima omenjena različica modela še port za večpredstavnostni vmesnik visoke ločljivosti (HDMI), štiri porte univerzalnega serijskega vodila 2.0 (USB), Eternet port (do 300 Mbps), avdio izhod in serijski vmesnik za kamero in ekran [35].

Slika 4: Model Raspberry Pi 3B+.

14

3.3. Programska zasnova

Računalniški program je definiran kot nedvoumno urejeno zaporedje računskih navodil (strojna koda), ki so potrebna za dosego rezultata. Računalnik lahko strojno kodo izvrši in tako zažene želeno opravilo. Zaradi kompleksnosti in človekove želje po optimizaciji danes za pisanje programov uporabljamo programske jezike, ki so lahko tekstovni ali pa vizualni.

Današnje pisanje programa lahko opišemo kot formiranje opravil, izraženih v programskem jeziku. Tako upodobljene specifikacije se samodejno prevedejo v strojno kodo (običajno v več fazah), ki jo lahko izvede naprava, na kateri se opravila izvajajo.

Opis programskega jezika je pogosto razdeljen na dve komponenti:

• prva komponenta je imenovana sintaksa in definira površinsko obliko programskega jezika. Predstavlja skupine pravil, ki definirajo kombinacije simbolov tako, da so ti pravilno strukturirani v povedi oziroma izraze, v vizualnih programskih jezikih pa so to postavitve in povezave [36];

• druga je imenovana semantika, ki predstavlja procese, katerim sledi računalnik ob izvajanju programa. Opisano stori z matematičnim proučevanjem pomena sintaktično pravilnih izrazov in prikazom uporabljenih izračunov [37].

3.3.1. MIT App Inventor

MIT App Inventor je brezplačno vizualno okolje za programiranje, ki omogoča izdelavo funkcionalnih aplikacij za pametne telefone. Okolje je nastalo s strani osebja in študentov Tehnološkega inštituta Massachusetts, z namenom preusmerjanja uporabe tehnologije kot okolje za igranje igric v okolje, ki spodbuja kreativnost in intelektualnost. Ciljni uporabniki so bili tako kot pri organizaciji Raspberry Pi mladina, ki je do sedaj razvila že več kot 30 milijonov aplikacij, ki jih je ustvarjalo več kot šest milijonov uporabnikov iz več kot 195 držav [38].

Okolje ima dva pogleda, »oblika« in »bloki«. Kot je razvidno iz imen, se prvi uporablja za oblikovanje aplikacije, drugi pa za programsko oblikovanje.

• Oblikovanje

Slika 5 prikazuje videz pogleda oblikovanja, v katerem je, če se osredotočimo na okno

»izbira« (Palette), možno dodajati različne elemente za komuniciranje z uporabnikom, kot so gumbi, obvestila, prikazovalniki, predvajalniki … V oknu »prikazovalnik«

(Viewer) je prikazan videz zaslona z dodanimi elementi. Seznam avdio in video vsebin ter uporabljenih komponent najdemo v oknih »komponente« (Components) in

»vsebine« (Media). Njihove lastnosti in videz pa lahko spreminjamo v oknu

»nastavitve« (Properties).

15

Slika 5: Videz okna »designer«.

• Bloki

Pogled bloki je razdeljen na okno »prikazovalnik« (viewer), kjer sta vidna naš blokovni program in izbira blokov, ter »avdio in video vsebin«, ki jih najdemo v oknih »bloki«

(Blocks) in »vsebine« (Media).

Slika 6: Videz okna »blocks«.

Aplikacijam se lahko dodaja razne slike, sezname, polja za vnašanje, premične elemente, predvajalnike vsebin, povezave do vsebin. Aplikacija lahko dostopa do podatkov in jih prejema/oddaja prek omrežne, serijske ali Bluetooth povezave. Nekatere funkcije in obnašanja elementov, dodanih v aplikacijo, so logični stavki (if, for, and …), matematični izračuni, obdelava nizov (stringov), uporaba seznamov, dodajanje spremenljivk, spreminjanje videza in funkcionalnosti elementov ob dogodku … Okolje omogoča tudi uvoz razširitev po meri.

16

3.3.2. Python

Python se interpretira kot objektno usmerjen programski jezik visoke ravni. Zaradi vgrajenih podatkovnih struktur, kombiniranih z dinamičnim pisanjem in povezovanjem, je zelo privlačen za hitri razvoj aplikacij ali uporabo kot skriptni (lepilni) jezik za povezovanje že obstoječih delov programa. Prav tako je privlačen zaradi lahko razumljive sintakse in modularnosti, ki omogoča ponovno uporabo dela programa.

Njegova popularnost je razvidna tudi po tem, da ima kar nekaj računalnikov že prednaložen programski jezik Python. Kot omenjeno, ima Python lahko razumljivo sintakso, kar nam pove že samo dejstvo, da lahko za zagon Pythonove sintakse uporabimo beležnico in cmd.

Vsak programski jezik ima svoje značilnosti, tukaj je nekaj Pythonovih [39]:

• zamiki: v večini programskih jezikov se zamiki uporabljajo za preglednost programa, v Pythonu pa igrajo veliko vlogo, saj z njimi označuje bloke kode;

• komentarji: Python jih ignorira, enovrstični komentarji se začnejo z znakom #, večvrstične komentarje pa zapišemo znotraj trojnih narekovajev;

• spremenljivke: nima posebnega ukaza za deklaracijo spremenljivke, saj je ta kreirana, ko se ji prvič določi vrednost. Prav tako ne rabi biti deklarirana s tipom, ta pa se lahko kasneje tudi spremeni;

• funkcije: kreiranje nove funkcije je mogoče z def ime_funkcije(): priklic kasneje pa z ime_funkcije() in

• if stavek: if pogoj: stavki.

17

4. Pametna interaktivna tabla

Pametno interaktivno tablo predstavlja dvodimenzionalni mehanski sistem, pritrjen nad tablo. S pomočjo pritrjene gobe in pisala omogoča risanje/pisanje in brisanje table. Poleg glavne napajalne enote z elektronskimi komponentami ima izdelek še kamero, ki je povezana na CSI Raspberry Pi-ja. Upravljanje je mogoče prek mobilnega telefona z namensko aplikacijo. Ta nam po začetnem zaslonu prikaže obvestilo, ki nam tekstovno opiše funkcije in od nas zahteva, da se povežemo z Bluetoothom table. Na glavnem zaslonu je polje z aktualno sliko table, po kateri lahko rišemo ali pa jo pobrišemo.

4.1. Sestava izdelka

Tabla, ki je uporabljena v diplomskem delu, je navadna bela tabla, nad katero je pritrjena lesena plošča z linearnimi tirnimi vodili in zobato letvijo (nosilna plošča).

Slika 7: 3D-model pametne table.

Za premikanje mehanizma služita koračna motorja, kljub potrebi po visokih hitrostih, pri katerih bi bili bolj primerni servomotorji, so cena, prostorska stiska in delno tudi teža narekovali k izbiri koračnih motorjev. Tabla je sestavljena iz dveh modelov velikosti 48 inčev, ki skupaj merita skoraj 2,5 metra. Mehanizem je zasnovan tako, da se po končanem risanju ali pisanju odmakne izpred table in tako omogoči nadaljnje pisanje, zato je konstrukcija dolga okoli tri metre. Zaradi nezmožnosti nakupa tako dolgega kosa lesa po ugodni ceni sta na koncih dodana po meri izrezkana aluminijasta kosa.

18

4.1.1. Opis mehanizma za pisanje in brisanje

Premik po dolžini table (osi X) je z izdelanim kotnikom pritrjen na izrezkano ploščo, na kateri so tudi linearni kroglični ležaji. Koračni motor za premikanje po višini table (osi Z) je na isto ploščo pritrjen s po meri izrezkanim kosom in krogličnimi ležaji, ki omogočajo tudi odmik mehanizma od table. Prednost te postavitve koračnih motorjev je koncentracija večine mase blizu pritrdilne točke, ki zmanjša sile torzije in zvijanja pri premikanju. Prav tako pa se poenostavi urejenost in zmanjša število premikajočih se predelov, kjer je treba napeljati vodnike.

Goba za brisanje in pisalo se po osi Z premikata po trapeznem vretenu, vpetem v koračni motor za os Z, za stabilizacijo pa sta dodani še dve okrogli vodili, ki sta zgoraj pritrjeni na kos, ki drži tudi motor za os Z, spodaj pa sta skupaj s trapeznim vretenom pritrjeni v plastični kos, narejen na 3D-tiskalnik, nanj pa je natisnjen tudi kos, ki drži gobo in pisalo.

Zaradi premikanja brisalnega mehanizma sta nosilna plošča in plošča, ki drži koračne motorje, povezani z energijsko verigo, skozi katero so speljane električne in krmilne povezave.

4.1.2. Preostala sestava

Premikanje po dolžini omogočata dve tirni vodili HR 15 R 3000 C. Oznaka HR označuje model vodila, številka 15 velikost vodila v mm (milimetrih), R označuje način montaže, v našem primeru od zgoraj, 3000 dolžino vodila v mm in C razred točnosti, ki je pri nas normalen (±0,1 mm). Po vodilih se premikajo vozički H H 15 CAZ0 C+E2, kjer prvi H predstavlja model vozička, drugi H nam pove, da je voziček kvadratne oblike (nima prirobnice), namenjen je za velikost vodila 15 mm, C označuje namembnost vozička za uporabo težkih bremen, A pritrjevanje bremena na voziček od zgoraj, Z0 označuje, da je izdelek brez prednapetja, normalen razred točnosti predstavlja C, E2 pa označuje, da voziček vsebuje mazalno enoto za samostojno podmazovanje [40].

4.2. Elektronika

Nekdaj ležeče ohišje za namizni računalnik sedaj služi kot ohišje za elektroniko, saj omogoča enostavno realizacijo hlajenja in je primerne velikosti za vse potrebne komponente.

Znotraj se nahajajo krmilnik PlanetCNC, kontrolorja koračnih motorjev, napajalnik motorjev, napajalnik za led ambientno osvetlitev ohišja ter Raspberry Pi s kamero in dodatnim Bluetooth modulom.

19

4.3. Mobilna aplikacija

Aplikacija je razvita v virtualnem okolju MIT App Inventor, ki za razvijanje aplikacij uporablja blokovno programiranje. Njene funkcije pa so prikazane na sliki 8 in opisane v naslednjih poglavjih.

Slika 8: Struktura aplikacije.

4.3.1. Opis funkcij aplikacije

Ko uporabnik odpre aplikacijo, se najprej pojavi »začetni zaslon«, nato po nekaj sekundah preide na zaslon z navodili. Na tem zaslonu so zapisana navodila za uporabnika, kakšne funkcije ima aplikacija in kako se povezati na Bluetooth. Po uspešni povezavi zaslon preide v glavni zaslon in lahko začnemo uporabljati aplikacijo. Zaradi funkcionalnosti in

20

preglednosti sta začetni zaslon in zaslon z navodili v stoječi (angl. portrait) postavitvi, glavni zaslon pa v ležeči (angl. landscape) orientaciji.

Ko se nam odpre glavni zaslon, aplikacija preveri, ali je naprava povezana z Bluetoothom pametne table. V primeru, da naprava ni pravilno povezana, nam aplikacija preusmeri nazaj na »zaslon z navodili«, kjer še enkrat sledi postopek povezovanja. V primeru uspešne povezave lahko upravljamo vse funkcije pametne table.

Na zaslonu aplikacije, ki je pravilno povezana, se sedaj nahaja aktualna slika table, ki se pridobi ob prehodu na glavni zaslon. Ob vrhu zaslona se nahaja polje z vsemi gumbi, ki imajo sledeče funkcije:

• »pobriši vse« – s tem gumbom uporabnik pošlje ukaz za brisanje celotne table;

• »piši/briši« – gumb spreminja med načinoma piši in briši:

o v načinu »piši« lahko uporabnik riše neomejeno dolge krivulje, vendar je njihovo število omejeno na deset. V primeru, da bi uporabnik želel narisati še eno krivuljo, se pojavi obvestilo, ki ga obvesti, da je dosegel limit;

o v načinu »briši« lahko uporabnik izbriše poljubne dele table, ki jih označi.

Poljubni del označi tako, da položi prst na recimo zgornji levi kot območja, ki ga želi pobrisati, in ga povleče v spodnji desni kot območja ter odmakne prst;

• »nariši sledeče«, »pobriši sledeče« – tej tipki se prikazano besedilo spreminja glede na način, v katerem je aplikacija. V načinu »piši« se ob pritisku gumba na tablo začne zapisovanje narisanega na aplikaciji. V primeru, da v aplikaciji ni elementa za risanje, se pojavi obvestilo. V načinu »briši« pa se pobrišejo označena območja brisanja;

• »stop« – je izklop v sili in je sprožen virtualno.

V času delovanja, torej ko tabla briše ali piše, bodo vsi ostali vnosi razen izklopa v sili, ki deluje kadarkoli, neveljavni.

4.3.2. Shranjevanje in pošiljanje vnosov

Aplikacija beleži vnose uporabnika in jih pošilja Python skripti prek Bluetootha, ki je vezan na serijsko povezavo Raspberry Pi. Ob pritisku gumbov stop in pobriši vse pošlje tekstovni sporočili z ustreznimi ukazi, če pa je pritisnjen gumb nariši sledeče ali pobriši sledeče, aplikacija pošlje ustrezen ukaz in podatke o lokaciji narisanih elementov ali območij za brisanje.

Podatke o lokacijah narisanih elementov dobimo v obliki koordinat X in Y, ki predstavljata relativno oddaljenost od zgornjega levega kota območja za vnose. Ta oddaljenost je številsko usklajena, da ustreza realnim dimenzijam table. Aplikacija si ob pritisku zapomni koordinate začetne točke, nato pa si vsak osveževalni cikel zapomni in shrani trenutne vrednosti, vse

21 dokler ne dvignemo prsta z zaslona. Podatke začasno shranjuje pod spremenljivko

»temp_write« v obliki seznama (list), ki se ob trenutku, ko dvignemo prst, zapišejo v prvi prazni objekt za pošiljanje prek Bluetootha. Prvemu objektu se pred začetkom doda indikacija, ki Python skripti sporoči, da gre za način pisanja.

Začetne koordinate območij za brisanje se pridobijo, ko s prstom pritisnemo na zaslon, ob dvigu prsta pa končne koordinate. Z omenjenih koordinat pridobimo točke pravokotnika, ki predstavlja območje za brisanje. Prav tako se tudi tu sprotne koordinate zapisujejo v začasno spremenljivko in šele ob dvigu prsta shranijo v objekt, za pošiljanje prvemu objektu pa je dodana posebna indikacija.

4.3.3. Pridobivanje slike

Za pošiljanje novih slik aplikaciji je bila potrebna razširitvena skripta, imenovana KIO_Base641, ki sporočilo v obliki bytov spremeni v datoteko in obratno. Pridobivanje slike se začne s poslanim sporočilom Python skripti, ta pa v odgovor pošlje slikovno datoteko, zakodirano kot »Base64«, v obliki bytov. Aplikacija sliko odkodira in shrani na napravo ter jo nastavi za ozadje območja za vnose. Zaradi neznane dolžine paketa, v katerem je slika, je dolžina ob prejemu označena kot neskončna. Da pa aplikacija ve, kdaj zaključiti prenos, se 0,5 sekunde po zaključku prenosa slike pošlje znak “*”, ki je nastavljen kot ločilni byte (DelimiterByte).

4.4. Python skripta

V sledečem poglavju je opisano delovanje Python skripte, ki je dostopna na naslovu:

https://github.com/MaticZevnik/koda.

4.4.1. Uvodni del

Python skripta je napisana z namenom povezovanja uporabniške aplikacije in krmilnika PlanetCNC, ki upravlja mehanizem pametne table. Za svoje delovanje skripta uporablja sledeče knjižnice, ki omogočajo:

• »os« – odpiranje in urejanje datotek,

• »sys« – dostop do USB-portov,

• »time« – ustvarjanje časovnih zamikov,

• »ctypes« – uporaba »tng« knjižnice,

• »serial« – vzpostavitev serijske komunikacije,

• »picamera« – uporaba modula kamere,

• »base64« – pretvarjanje datotek,

• »tng« – upravljanje API-ja PlanetCNC-ja.

22

V uvodnem delu skripta po uvozu vseh naštetih knjižnic nastavi serijsko komunikacijo s hitrostjo prenosa podatkov (baud rate) 115.200 bitov na sekundo na serijskem portu ttys0.

Kameri doda ime »camera« in nastavi njeno resolucijo na 430 x 140 pikslov, definira funkcijo »runPlanetCNC«, ki poskusi zagnati program PlanetCNC in preveri, ali API deluje.

4.4.2. Glavni del

Pred glavnim delom skripte se izvede klic omenjene funkcije, nato pa skripta skoči v neskončno zanko, kjer preverja dosegljivost podatkov prek serijske povezave. Prejete podatke shrani, preveri prvi znak v nizu in izvede ustrezni if stavek. Izbira med brisanjem cele table, ustavitvijo v sili, risanjem, brisanjem dela table in pošiljanjem slike.

Pri izbiri brisanja celotne table odpre datoteko z ustrezno kodo G in jo zažene. Skripta gre po vklopu kode G v zanko, kjer ostane do zaključka njenega izvajanja.

Prisilna zaustavitev mehanizma table se zgodi, kadar ob izbiri if stavka sledi ustavitev v sili.

V spodaj prikazanem delu kode skripta preveri, da podatki ustrezajo izbiri pisanja ali brisanja, ter podatke pretvori v obliko za uporabo v kodi G. Nato odpre prazno datoteko v načinu za pisanje in vanjo zapiše ustrezne ukaze ter datoteko po koncu zapre. Sedaj jo odpre in zažene v programu PlanetCNC ter tako kot pri brisanju celotne table v zanki počaka do zaključka izvajanja.

fnew = open(“c.nc”,”w”)

fnew.write(“%\nG17 G21 G90\nM04\nG4 P1.5\nM05\n”) for i in dissectdata:

i = i.replace(“[“,”“) i = i.split(“], “) first= i[0].split(“, “)

fnew.write(“G0 X”+str(first[0])+”Y”+str(first[1])+”\n”) fnew.write(“M3\nG4 P1\nM05\n”)

for j in i:

if j == i[len(i) - 1]:

part = j.replace(“]”,”“)

fnew.write(“G1 X”+str(part[0])+”

Y”+str(part[1])+”\n”) elif j != i[0]:

part = j.split(“, “)

fnew.write(“G1 X”+str(part[0])+”

Y”+str(part[1])+”\n”)

fnew.write(“M4\nG4 P1.5\nM05\n”) fnew.write(“G0 X0 Y0”)

fnew.close() print(“done”)

V delu if stavka za pošiljanje slike kamera najprej zajame in shrani sliko, jo odpre za branje v obliki bytov in jo zašifrira v obliko »base64«, ki je primerna za pošiljanje prek serijske povezave. Sliko pošlje in doda še znak za zaključek prenosa.

23

4.4.3. Pretvarjanje podatkov v kodo G

Aplikacija pošilja podatke o narisanih elementih prek povezave Bluetooth v obliki besedila (string), ob prejemu podatkov na serijsko povezavo Raspberry Pi prebere te podatke in jih shrani v spremenljivko z ukazom rawdata = serial.readline(). Ta ukaz prebrane podatke nezaželeno pretvori v byte, zato jih je treba s funkcijo rawdata.decode() pretvoriti nazaj v besedilo, ki je primernejše za obdelavo. S pomočjo ukazov replace in split odstranimo nepotrebne znake ter ustrezno razčlenimo uporabne podatke in tako dobimo ustrezno število skupin podatkov. To število je enako številu narisanih krivulj. V tej skupini se nahajajo pari številskih vrednosti, ki predstavljajo koordinate točk na krivulji. Pare v skupini razdremo na posamezne elemente in jih lahko uporabimo v kodi G. Opisano se zgodi v spodaj prikazanem delu kode.

while ser.in_waiting:

rawdata=ser.readline() rawdata=rawdata.decode() if rawdata[1] == “1”:

#print(rawdata)

processeddata = rawdata.replace(“1”,”“,1)

processeddata = processeddata.replace(“,”,”“,1) processeddata = processeddata.replace(“ “,”“,1) processeddata = processeddata.replace(“[“,”“,2) processeddata = processeddata.replace(“]]”,”“) processeddata = processeddata + “]”

#print(processeddata)

dissectdata = list(processeddata.split(“[[“))

4.5. Ocena kakovosti

Zaradi unikatnosti predstavljenega izdelka je težko najti izdelke, ki bi bili primerljivi. Večina ostalih mehanizmov ima le funkcijo brisanja table ali pa samo pisanja. Funkcija brisanja je povečini omejena le na brisanje celotne table in ne omogoča izbire poljubnega dela, ki ga želimo izbrisati. Brisanje poljubnega dela table je sicer uporabno, vendar je na mobilnem zaslonu težko natančno določiti točno določeno območje. Čas brisanja je primerljiv brisanju table z roko, žal pa je počasnejši od ostalih avtomatskih brisalcev. Kakovost brisanja je ob redni menjavi krpe za brisanje dobra, saj pobriše vse sveže zapise in večino zasušenih.

Funkcija pisanja/risanja omogoča risanje z eno barvo in do deset krivulj, kar omogoča zapis med pet do deset tiskanih črk ali pa pet do deset besed, napisanih s pisanimi črkami, prav tako pa velikost mobilnega zaslona otežuje pisanje stavkov in natančno risanje.

Na aplikaciji se ob zagonu pojavi zaslon z navodili, ki so kratka in lahko zapomnljiva, prav tako pa so dostopna tudi med uporabo aplikacije. Aplikacija je ob le nekaj gumbih z dostopnimi navodili enostavna za uporabo, vendar, kot omenjeno, velikost zaslona otežuje njeno uporabnost. Dostopna je le za uporabnike mobilnih naprav z operacijskim sistemom Android.

24

Težavo z velikostjo mobilnega zaslona se lahko reši z uporabo tablice, še vedno pa ostajata problema omejenega risanja krivulj in upravljanje table z mobilno napravo z operacijskim sistemom IOS ali Windows, ki bi zahtevala izdelavo aplikacije v drugem programskem okolju.

Kljub številnim dobrim lastnostim avtomatskega brisalca table obstaja še precej možnih izboljšav, ki bi jih bilo mogoče implementirati. Vseeno sem z izdelkom zadovoljen, saj menim, da lahko v veliki meri pripomore k izboljšanju izvajanja pouka.

25

5. Zaključek

Namen diplomskega dela je bil izdelati interaktivno pametno tablo, ki izvajalcem učnih vsebin omogoča enostavno uporabo, hkrati pa je finančno dostopna.

Pri izdelavi mehanizma smo ugotovili, da večji del stroškov predstavljata linearna in pogonska tehnika, montaža pa je zaradi dolžine zahtevna. Skoncentrirana masa na vrhu mehanizma je pripomogla k zmanjšanju nepravilnosti, vendar so te zaradi velikega upora gobe za brisanje še vedno prisotne in se večajo z bližanjem spodnjega roba table. Za odpravo takih napak bi bila potrebna pritrditev mehanizma še na spodnjem delu, vendar bi ta zahtevala povečanje stroškov in veliko spremembo v obliki in strukturi mehanizma.

Za krmiljenje računalniško vodenih strojev sta programska in strojna oprema PlanetCNC kljub nizki ceni odlični in enostavni za uporabo, hkrati pa ponujata ogromno prostora za kostumiziranje in nadziranje iz skript, napisanih v programskih jezikih.

Ugotovimo tudi, da je Raspberry Pi kos zadanim nalogam in brez težav poganja Python skripto in programsko opremo PlanetCNC. Edina opažena slabost je vgrajeni Bluetooth, ki ne omogoča preprostega povezovanja z napravami in branja podatkov.

Programsko okolje MIT App Inventor je primeren in enostaven program za hitro izdelavo aplikacij. Poleg velike izbire programskih blokov, iz katerih je mogoče sestaviti raznolike aplikacije, ponuja možnosti preprostega spreminjanja videza. Zaradi specifike aplikacije, ki zahteva pošiljanje velike količine podatkov v obliki, primerni za predelavo v kodo G, je bilo programiranje zahtevno in predvsem zamudno, saj programsko okolje ne ponuja klica funkcij, ki bi zelo olajšale in skrajšale urejanje podatkov.

26

6. Viri

[1] “Šolska tabla [Online].” Dosegljivo: http://bor.czp- vecer.si/VECER2000_XP/2006/09/23/2006-09-23_STR%2044-44_MX-01_IZD-01-02- 03-04-05-06_PAG-SOBOTNA-PR.PDF. [dostopano: 02.08.2021].

[2] M. Kramar, “Pouk,” Educa 2009.

[3] upklyak, “freepik [Online]. ” Dosegljivo: https://www.freepik.com/free-vector/green- chalkboard-classroom-with-white-wall-wooden-

floor_12900224.htm#page=4&query=blackboard%20black%20board&position=42.

[dostopano: 02.08.2021].

[4] macrovector “freepik [Online]. ” Dosegljivo: https://www.freepik.com/free-vector/blank- white-board-with-colored-markers-billboard-business-education-empty-

space_10601965.htm#&position=1. [dostopano: 02.08.2021].

[5] nvidiaa ,”IMGBIN [Online]. ” Dosegljivo: https://imgbin.com/png/pT1P9BhH/laptop- interactive-whiteboard-smart-board-dry-erase-boards-projector-png#. [dostopano:

02.08.2021].

[6] U. Bučar, Magistersko delo: Uporaba interaktivne table pri pouku geometrije v prvem razredu osnovne šole. Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, 2011.

[7] K. Pirih, Diplomsko delo: Konkretna ponazorila pri matematiki na razredni stopnji.

Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, 2003.

[8] M. Blažič, M. Ivanuš Grmek, M. Kramar in F. Strmičnik, Didaktika. Novo mesto:

Visokošolsko središče, Inštitut za raziskovalno in razvojno delo, 2003.

[9] M. Kramar, “Didaktika pouka [Online].” Dosegljivo:

https://studentski.net/gradivo/umb_fif_pe1_osd_sno_studijsko_gradivo_01. [dostopano:

02.08.2021].

[10] M. Žužel, “Uporaba in učinkovitost medijev pri pouku,” v Zbornik Mediji v izobraževanju (M Blažič),Visokošolsko središče Novo mesto 2004, str. 559 – 564.

[11] JANEZ, “Tablica tako in drugače [Online].” doseglivo:

http://terminologija.blogspot.com/2016/11/tablica-tako-in-drugace.html. [Dostopano:

7.2.2022].

[12] N. Flick, “History of Technology Integration in Education [Online].” Dosegljivo:

https://www.sutori.com/item/1801-the-blackboard-the-first-modern-blackboard-was- designed-by-james-pi. [Dostopano: 7.2.2022].

27 [13] The Editorial Team, “The History of the Classroom Blackboard [Online].” Dosegljivo:

https://resilienteducator.com/classroom-resources/the-history-of-the-classroom- blackboard/. [Dostopano: 7.2.2022].

[14] s. Chiazzari, Barve. Ljubljana: Slovenska knjiga, 2000.

[15] The WORKPLACE Depot. (2014) “Whiteboards' History, Materials and Buying Tips [Online].” Dosegljivo: https://www.theworkplacedepot.co.uk/news/whiteboards-history/.

[Dostopano: 7.2.2022].

[16] TRANSCONTINENTAL. (2019). “The Evolution of Whiteboards [Online].”

Dosegljivo: https://www.transcontinentaladvancedcoatings.com/the-evolution-of- whiteboards/. [Dostopano: 7.2.2022].

[17] M. Zadravec. Diplomsko delo: Uporaba interaktivne table pri pouku v prvem in drugem triletju osnovne šole. Maribor: Univerza v Mariboru, Pedagoška fakulteta, 2011.

[18] D. Glover, D. Miller, D. Averis in V. Door, The interactive whiteboard: a literature survey. Technology, Pedagogy and Education, 2005, str. 155-170.

[19] T. Ušeničnik, Diplomsko delo: Vpliv interaktivnih table na poučevanje in učenje [Online]. Dostopno: http://pefprints.pef.uni-lj.si/1171/1/Diploma_tina_usenicnik.pdf.

[Dostopano: 7.2.2022].

[20] Becta ICT Advice, “Getting the most from your interactive whiteboard [Online].”

Dostopno:

https://webarchive.nationalarchives.gov.uk/ukgwa/20130123124929/http://www.education .gov.uk/publications/eOrderingDownload/15090.pdf. [Dostopano: 7.2.2022].

[21] T. Shallcross, “Creating sustainable environment in our schools,” British journal of educational technology, št. 1, str. 543-544, 2007.

[22] A. M. Sultan, “ Teaching: An Evidence Based Study,” Journal of the College of Physicians and Surgeons Pakistan, vol. 23, št. 1, str. 47-50, 2013.

[23] E. M. Richard, (2003). The promise of multimedia learning: using the same instructional design methods across different media [Online]. (13)2, str. 125-139 Dostopno: www.elsevier.com/locate/learning and structure,. [dostopano: 02.08.2021].

[24] S. McCrummen, (2010). Some educators question if whiteboards, other high-tech tools raise achievement[Online]. Dostopno: https://www.washingtonpost.com/wp- dyn/content/article/2010/06/10/AR2010061005522.html. [Dostopano: 7.2.2022].

[25] C. N. Giannikas, (2016). “The use of interactive whiteboards: enhancing the nature of teaching young language learners.” Call communities and culture short papers from Euro call [Online]. str.160-166. Dosegljivo: https://www.Researchpublishing.net. [dostopano:

02.08.2021].

28

[26] M. Stefik, G. Foster, D. G. Bobrow, K. Kahn, S. Lanning in L. Suchman, “Beyond the chalkboard,” Communications of the ACM, vol. 30, št. 1, str. 32-47, 1987.

[27] M. O’Hare, “Talk and chalk: The blackboard as an intellectual tool,” Journal of Policy Analysis and Management, vol. 12, št. 1,str. 238-246, 1993.

[28] E. D. Mynatt, T. Igarashi, W. K. Edwards in A. La Marca, “Flatland: New dimensions in office whiteboard,” In Proceedings of CHI’99, str. 346-353, 1999.

[29] C. Greiffenhagen, (2000). “From traditional blackboards to interactive whiteboards: a pilot study to inform system design [Online].” Loughborough University. Conference contribution. Dostopno: https://hdl.handle.net/2134/14309. [dostopano: 02.08.2021].

[30] M. K. Kennedy, (2010). “Whiteboards' Impact on Teaching Seen as Uneven [Online].”

EducationWeek, Dostopno: https://www.edweek.org/teaching-learning/whiteboards- impact-on-teaching-seen-as-uneven/2010/01. [Dostopano: 7.2.2022].

[31] R. Balažič, Računalniško podprta proizvodnja, Murska Sobota: Podjetje za promocijo kulture Franc-Franc d.o.o., 2012.

[32] D. Miljavec, in P. Jereb, Električni stroji, temeljna znanja. 1. izdaja. Ljubljana:

samozaložba, 2005.

[33] PlanetCNC, “Hardware [Online],” Dostopno: Hardware - PlanetCNC (planet-cnc.com).

[Dostopano: 7.2.2022].

[34] PlanetCNC, “Software [Online],” Dostopno: Software - PlanetCNC (planet-cnc.com).

[Dostopano: 7.2.2022].

[35] Raspberry Pi, “Raspberry Pi 3 Model B+ [Online],” Dostopno: Buy a Raspberry Pi 3 Model B+ – Raspberry Pi. [Dostopano: 7.2.2022].

[36] D. Friedman, M. Wand in C. T. Haynes, Essentials of Programming Languages, University of Minnesota: MIT Press, 1992.

[37] R. D. Tennent, Semantics of Programming Languages, US: Prentice Hall, 1991

[38] MIT App inventor, “About Us [Online],” Dostopno: https://appinventor.mit.edu/about- us. [Dostopano: 7.2.2022].

[39] W3Schools, “Python Tutorial [Online],” Dostopno:

https://www.w3schools.com/python/default.asp. [Dostopano: 7.2.2022].

[40] STŠ koper, “Drsna Vodila [Online],” Dostopno:

http://www2.sts.si/arhiv/tehno/projekt4/drsna_vodila.htm [Dostopano: 7.2.2022].