UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
DVOPREDMETNI UČITELJ MATEMATIKA - TEHNIKA
TANJA STANIĆ
Mentor: dr. SLAVKO KOCIJANČIČ, izr. prof.
Somentor: DAVID RIHTARŠIČ, asist.
UVAJANJE ODDALJENEGA LABORATORIJA V POUČEVANJE NARAVOSLOVNO-TEHNIŠKIH
VSEBIN
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2013
Zahvala
Zahvaljujem se mentorju, dr. Slavku Kocijančiču, in somentorju, Davidu Rihtaršiču, za strokovno pomoč in ključne usmeritve pri nastajanju
diplomskega dela.
Posebna zahvala gre tudi staršem, ki so verjeli vame, me vsestransko podpirali in mi omogočili študij.
Prav tako pa se zahvaljujem vsem ostalim, ki so kaj doprinesli k nastanku diplomskega dela.
Znanje je verjetno edina dobrina na svetu, ki ruši klasično ekonomsko teorijo. Delimo ga.
B.S. – hvala ti za te besede.
I
POVZETEK
Diplomsko delo je namenjeno učiteljem in študentom tehnike pri njihovem samostojnem izobraţevanju oz. nadgrajevanju znanja, načrtovanju pouka in vključevanju novosti v učni proces ter vsem, ki jih to področje zanima.
V svetu so v obdobju visokošolskega izobraţevanja na nekaterih fakultetah oddaljeni laboratoriji ţe običajna stalnica in predstavljajo dopolnitev laboratorijskih vaj, ki so za študij tehničnih smeri nujno potrebne, saj omogočajo pridobivanje motoričnih izkušenj. Tudi slovenski izobraţevalni proces na visokošolski ravni na področju tehnike se vedno bolj razvija in napreduje. Nekatere fakultete so ţe uvedle uporabo oddaljenih laboratorijev. V slovenskih osnovnih šolah pa so oddaljeni laboratoriji še popolna neznanka, zato je poleg predstavitve obstoječih oddaljenih laboratorijev namen diplomskega dela tudi usmeriti bralce k razmišljanju o uvajanju osnovnega koncepta preprostega oddaljenega laboratorija v učni proces poučevanja naravoslovno-tehniških vsebin.
Tako je po študiji in pregledu domače in tuje literature v diplomskem delu predstavljen oddaljeni laboratorij s podanimi primeri profesionalnih laboratorijev in enega domačega projekta. Opisan je tudi primer uvajanja oddaljenega laboratorija v osnovno šolo in na fakulteto z nekaterimi prednostmi in slabostmi. Po pregledu učnih načrtov naravoslovnih in tehničnih predmetov v osnovni šoli so izpostavljene merske spremenljivke, ki jih lahko z uporabo oddaljenega laboratorija merimo. Predstavljen je okviren načrt za samoizgradnjo preprostega oddaljenega laboratorija s cenovno dostopno opremo, ki preko kratkih sporočil (SMS) uporabnika obvešča o merskih podatkih, ter tipala, ki bi jih lahko uporabili za merjenje spremenljivk.
Nekaj vprašanj o tem multidisciplinarnem projektu je ostalo tudi odprtih za nadaljnjo obravnavo in raziskovanje.
KLJUČNE BESEDE:
Oddaljeni laboratorij, zbiranje merskih podatkov, SMS- sporočilo, GSM-signal, tehniško izobraţevanje.
Introducing Remote Laboratory in Science and Technology Education
SUMMARY
This diploma thesis is aimed at teachers and students of technics for their self-study, upgrading their knowledge, planning the education process and introducing novelties in the teaching process as well as at all those who are interested in this field.
In certain faculties around the world, remote laboratories are a common presence and represent an addition to laboratory practices, which is essential for technical studies, since it enables the acquisition of motor experience. The Slovenian education process in the field of technics is also rapidly evolving and progressing. Some faculties have already introduced the use of remote laboratories. In Slovenian primary schools remote laboratories are completely unknown, therefore the purpose of this diploma thesis, in addition to presenting existing remote laboratories, is also to make readers think about introducing the basic concept of a simple remote laboratory into the teaching process of natural sciences and technics.
After the study and overview of domestic and foreign literature, a remote laboratory with examples of professional laboratories and one domestic project are presented in this diploma thesis. Furthermore, an example of the introduction of a remote laboratory into a primary school and into a faculty is described with its advantages and disadvantages. After reviewing the curricula of scientific and technical subjects in primary school, variables which can be measured by using a remote laboratory are emphasized. An outline for the self-construction of a remote laboratory with affordable equipment is presented, which through short text messages (SMS) informs a user about the measurement data and sensors that could be used to measure the variables.
Some questions from this multidisciplinary project still remain unanswered and open to further discussion and research.
KEY WORDS:
III
KAZALO
1 UVOD ... 1
1.1OPREDELITEVPODROČJAINOPISPROBLEMA ... 1
1.2CILJI ... 2
1.3PREDVIDENEMETODERAZISKOVANJA... 2
1.4PREGLEDVSEBINEOSTALIHPOGLAVIJ ... 3
2 ODDALJENI LABORATORIJ ... 5
2.1PREDSTAVITEVODDALJENEGALABORATORIJA ... 5
2.2PRIMERIODDALJENIHLABORATORIJEV ... 6
2.3UPORABAODDALJENEGALABORATORIJASPREDNOSTMIIN SLABOSTMI ... 10
3 NAČRTOVANJE SAMOGRADNJE ODDALJENEGA LABORATORIJA .. 13
3.1MERJENESPREMENLJIVKE... 13
3.1.1 Biologija ... 13
3.1.2 Fizika ... 14
3.1.3 Kemija ... 14
3.1.4 Naravoslovje ... 14
3.1.5 Elektronika z robotiko ... 15
3.1.6 Projekti iz fizike in tehnike ... 15
3.1.7 Robotika v tehniki ... 15
3.2MERJENJEFIZIKALNIHSPREMENLJIVK ... 16
3.3NAČRTOVANJEIZVEDBEODDALJENEGALABORATORIJA ... 17
4 DISKUSIJA ... 19
5 ZAKLJUČEK ... 21
6 LITERATURA IN VIRI ... 23
AKRONIMI IN OKRAJŠAVE
C Cilj
FERI UM Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru
IKT Informacijsko-komunikacijske tehnologije
OE Oddaljeni eksperiment
OL Oddaljeni laboratorij
OŠ Osnovna šola
RAL Remote Access Laboratory
UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter USQ University of Southern Queensland
1
1 UVOD
Sodobni izobraţevalni procesi zaradi vse večje uporabe informacijsko-komunikacijske tehnologije (IKT) na vseh področjih prinašajo spremembe. Učni proces mora biti privlačen, aktiven in poleg tradicionalnih vsebovati tudi sodobne učne teme. Na tak način se učenci spoznajo z mnogimi novostmi, procesi in elementi, s katerimi se sicer v domačem okolju morda ne bi srečali. Vse bolj se v šole uveljavljajo tudi induktivne metode poučevanja, s katerimi učence lahko naučimo samostojnega ali skupinskega reševanja zastavljenih problemov ter jih tako pripravimo na prihodnost. V današnjem času ima vsak otrok mobilni telefon. Tovrstno tehnologijo je moţno uspešno vključiti v učni proces. Ena od idej, ki je opisana tudi v nadaljevanju diplomskega dela, je oddaljeni laboratorij (OL), s katerim merske podatke pošiljamo prek kratkih sporočil (SMS) na mobilnem telefonu.
1.1 OPREDELITEV PODROČJA IN OPIS PROBLEMA
Koncept OL se v zadnjem desetletju uveljavlja na različnih izobraţevalnih in tehničnih področjih. Zaradi hitrega razvoja tehnike je uporaben bodisi za poučevanje na področju tehnike bodisi za raziskovanje in ugotavljanje ter primerjavo rezultatov različnih eksperimentov. Izvedba OL zahteva velike finančne vloţke, posledično pa se pričakuje tudi ustrezna uporaba le-tega. Taki laboratoriji trenutno prevladujejo v visokem šolstvu, namenjeni so e-izobraţevanju študentov in omogočajo praktično delo na realnih napravah na daljavo. Uporabnikom prijazna je tudi časovna in krajevna neodvisnost uporabe OL, ki jo prinaša uporaba svetovnega spleta. Vsekakor ne gre za enostaven proces. Potrebno je ustrezno načrtovanje gradiv, opreme in interakcije, poleg tega pa je to velik časovni in finančni zalogaj. Prav iz teh razlogov se OL redko uporablja v srednjih in osnovnih šolah. Moţnosti za vključitev OL v osnovno šolo (OŠ) je dovolj, predvsem pri vsebinah izbirnih predmetov, kot je na primer elektronika z robotiko.
Uporaba OL ni omejena le na izvajanje eksperimentov s pomočjo robotskega sistema, bolj preprosto je na primer merjenje različnih fizikalnih spremenljivk s pomočjo tipal.
Enostavnejša je izvedba prek pošiljanja kratkih sporočil (SMS), pri kateri internetna povezava ni potrebna. Takšen laboratorij je izvedljiv tudi v obliki projektnega učnega
dela, razvija inovativnost in samostojnost učencev, zahteva pa bistveno manjše stroške od profesionalnih OL. Glede na razvoj tehnike in tehnologije se bodo osnovnošolci v njihovi prihodnosti zagotovo srečali z OL, zato je zelo primerno, da jih spoznajo ţe v osnovni šoli.
1.2 CILJI
Namen diplomskega dela je pregled in analiza obstoječih OL ter postopno načrtovanje samogradnje lastnega preprostega OL za uporabo ali poučevanje naravoslovno- tehniških vsebin. Obstoječih predstavitev in analiz različnih OL je kar nekaj, ni pa moč zaslediti konkretnega uvajanja le-teh v niţjih stopnjah izobraţevanja.
Cilji (C) diplomskega dela so:
C1: Ugotoviti in opisati trenutno stanje na področju OL (profesionalnih in hobi modelov).
C2: Pojasniti prednosti uporabe takšnega multidisciplinarnega projekta z vidika elektronike, mehatronike in naravoslovja.
C3: Načrtovati samogradnjo OL, ki omogoča merjenje relevantnih fizikalnih spremenljivk v izbranem okolju in pošiljanje merskih podatkov preko kratkih sporočil (SMS) na mobilnem telefonu.
C4: Ugotoviti, katere fizikalne spremenljivke so najprimernejše za merjenje glede na osnovnošolske učne načrte (UN) in medpredmetno povezavo.
C5: Načrtovati izvedbo OL z uporabo osnovnega znanja s področja elektronike, mehatronike in robotike.
1.3 PREDVIDENE METODE RAZISKOVANJA
Diplomsko delo oz. raziskava je teoretsko deskriptivna. Pri izdelavi uporabimo deskriptivno raziskovalno metodo, tj. študija in pregled novejše domače in tuje literature ter klasifikacija zbranih podatkov. Po deskriptivni metodi v diplomskem delu opisujemo obstoječe izvedbe OL ter njihove prednosti in slabosti. V nadaljevanju sledi pregled in načrtovanje komponent, potrebnih za izdelavo OL. Ustrezne fizikalne spremenljivke za
3
merjenje z metodo klasifikacije določimo po pregledu učnih načrtov in razpoloţljivih tipal, ki omogočajo merjenje. Zaključimo s podajanjem moţnosti izdelave OL v OŠ.
1.4 PREGLED VSEBINE OSTALIH POGLAVIJ
V diplomskem delu obravnavamo OL, zato je v drugem poglavju opisan OL, ki se v svetu najpogosteje pojavlja v takšni obliki. Jedro drugega poglavja predstavljajo primeri obstoječih OL. Sklepni del je zbir informacij o uporabi OL in njihovih prednosti in slabosti na različnih področjih.
Tretje poglavje opisuje smiselno vključitev teorije v prakso. Po pregledu učnih načrtov naravoslovno-tehniških obveznih in izbirnih predmetov, ki jih izvajamo v slovenskih OŠ, smo izpostavili spremenljivke, ki bi jih lahko s pomočjo OL merili. Navedena so tudi tipala in okviren načrt izdelave OL.
5
2 ODDALJENI LABORATORIJ
Dandanes OL glede na pogostost in področja pojavljanja nekako predstavljajo učno orodje za dopolnitev in izboljšavo učnega procesa. Parafraza oddaljeni laboratorij kot učno orodje torej označuje vključevanje laboratorijskega dela v učni proces, kjer uporabniki laboratorijske eksperimente izvajajo na daljavo. Gre bodisi za uporabo na predavanjih bodisi za samostojno delo učencev, pri čemer vse poteka v realnem času na stvarnih napravah, ki so fizično oddaljene od uporabnika.
2.1 PREDSTAVITEV ODDALJENEGA LABORATORIJA
V tradicionalnih laboratorijih delo poteka kot neposredno medsebojno vplivanje med človekom in laboratorijskimi napravami oz. instrumenti. Človek upravlja naprave s pritiskanjem na gumbe ipd. ter dobiva povratne informacije v vidni, tipni ali zvočni obliki. Uporaba oddaljenega laboratorija (ang. remote laboratory) pa predstavlja posredno medsebojno vplivanje med človekom in laboratorijsko opremo, saj OL uporabnikom omogočajo izvajanje poskusov preko svetovnega spleta na resničnih napravah, ki so fizično postavljene v nekem drugem prostoru. Uporabnik lahko krajevno neodvisno (pogoj je le povezava s svetovnim spletom) uporablja računalnik z ustrezno programsko opremo, ki preko svetovnega spleta pošilja informacije računalniku v OL, le-ta pa je povezan z laboratorijsko opremo, ki izvršuje ukaze uporabnika, slika 2.1 [1].
Slika 2.1: Infrastruktura OL [1].
V splošnem pri večini OL komunikacija poteka od uporabnika k OL in obratno, takšno interakcijo imenujemo dvosmerna komunikacija. To pomeni, da uporabnik na primer upravlja vodeno napravo, pri tem pa prek računalnika dobiva tudi povratno informacijo, kaj se z napravo dogaja. Povratno informacijo predstavlja bodisi videoposnetek kamere v laboratoriju bodisi so to neki merski podatki, ki nam jih naprava posreduje ipd. V preprostejših primerih je komunikacija lahko tudi enosmerna, tj. poteka od uporabnika k OL ali pa od OL k uporabniku.
Potrebno je omeniti razliko med izrazoma, ki se v kontekstu OL v literaturi pogosto pojavljata. To sta izraza navidezni laboratorij (ang. virtual laboratory), ki je namenjen izključno izvajanju simulacij eksperimentov in poskusov, ter OL, ki večinoma preko svetovnega spleta omogoča delo na konkretnih eksperimentih in sistemih [2].
2.2 PRIMERI ODDALJENIH LABORATORIJEV
Med prvimi OL so bili laboratorijski eksperimenti za robotiko in vodenje sistemov [2].
Primer je avstralski Telerobot, ki ga upravljamo preko svetovnega spleta, izdelan je bil leta 1994 in z nekaj izboljšavami deluje še danes. Uporaba Telerobota je bila v letih od 1994 do 2009 omogočena širši javnosti, od leta 2009 pa OL deluje le v študijske namene študentov The Universitiy of Western Australia. Preko svetovnega spleta lahko manipuliramo z robotsko roko, ki premika lesene kocke in tako iz kock izdelamo poljubne predmete, slika 2.2. Gre za industrijskega robota, model ABB IRB 1400 s pnevmatskim prijemalom, ki deluje v šestih prostostnih stopnjah. Poleg robota so nameščene tudi štiri kamere, tako da lahko delovanje spremljamo v ţivo iz različnih zornih kotov [3, 4]. Komunikacija je v tem primeru dvosmerna. OL je namenjen izboljšavi in obogatitvi učnega procesa, saj z oddaljeno uporabo laboratorijske opreme omogoča prenos teorije v prakso, poleg tega pa so študenti lahko veliko več časa v stiku z laboratorijsko opremo kot v času običajnih laboratorijskih vaj v okviru študija. Delo z OL tako študentom predstavlja novo obliko e-učenja, prav tako jih k učenju spodbuja, kljub temu pa je potrebna tudi neposredna interakcija in izkušnje v klasičnem laboratoriju [4].
7
Slika 2.2: Robotska roka Telerobota, ki jo daljinsko krmilimo [4].
Prvi OL na področju tehnike v Sloveniji je bil izdelan leta 2007 na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru (FERI UM) v okviru projekta MeRLab – Innovative Remote Laboratory in the E-training of Mechatronics [5]. Namenjen je bil praktičnemu delu pri poučevanju mehatronike, saj omogoča eksperimente s področja mehatronike in avtomatike [6]. Na FERI UM so izvajali tečaje, sestavljene iz štirih modulov, s katerimi so udeleţence seznanili z osnovno teorijo iz področja modeliranja električnih in mehatronskih naprav, z električnimi vezji v mehatroniki ter z delovanjem mehatronskih naprav, ki vključujejo tudi robotske mehanizme. Osrednji del tečajev so bili oddaljeni eksperimenti (OE), ki so jih udeleţenci izvajali preko OL. Infrastruktura OL je tipična za takšne vrste laboratorijev, prikazana je na sliki 2.3. Oddaljeni uporabnik se preko svetovnega spleta poveţe z računalnikom v laboratoriju, na katerega je preko DSP-2 regulacijskega sistema priključena eksperimentalna naprava, prav tako pa je nanj priključena spletna kamera za prenos slike iz laboratorija v času eksperimentiranja.
Za vstop v sistem in uporabo OL so uporabniki potrebovali uporabniško ime in geslo, dostop do svetovnega spleta ter ustrezno programsko opremo, tj. LabVIEW Run-time Engine za izvajanje OE in Webcam client za prenos slike iz spletne kamere na računalniku, ki so ga uporabljali. OL je deloval v spletnem učnem okolju Moodle, tu so imeli uporabniki na voljo tudi gradivo in vse potrebne informacije.
Slika 2.3: Infrastruktura OL na FERI UM [6].
Pred izvedbo OE se je uporabnik preko svetovnega spleta povezal z računalnikom v laboratoriju in si v rezervacijski tabeli rezerviral termin izvedbe OE, saj je eksperiment lahko hkrati izvajal samo en uporabnik. Primer OE je mehanizem z vzmetjo, kjer uporabniki v uporabniškem vmesniku nastavijo parametre, zraven pa dobivajo rezultate oz. povratno informacijo v grafični obliki [2]. Eden izmed OE je tudi upravljanje servomotorja, kjer gre za nastavljanje parametrov ter regulacijo hitrosti in pozicije servomotorja [6]. Ker uporabnik upravlja eksperimentalne naprave, hkrati pa preko spletne kamere spremlja dogajanje v laboratoriju ali na drugačen način prejema povratno informacijo, gre tu za dvosmerno komunikacijo. Večina OE ni več aktivnih, saj so projekt MeRLab razširili v večji mednarodni projekt E-PRAGMATIC, s katerim pokrivajo tudi področje mehatronike. V tem projektu sedaj delujejo drugi OE, stari portal pa ne deluje več.
Naslednji primer, ki je dober pribliţek OL, je oddaljeno spremljanje temperature v hiši oz. vikendu. Vzrok za izdelavo domačega projekta so bile nizke zimske temperature, ki so povzročile veliko teţav in materialne škode, saj so v času hude zime popokale cevi ogrevalnega sistema. Cilj projekta je bil izdelati sistem konstantnega daljinskega zbiranja meritev temperature v hiši in na ceveh ogrevalnega sistema z obveščanjem, ki bo zanesljiv, preprost za izgradnjo ter časovno in stroškovno ne preveč zahteven. Avtor se je odločil za GSM-povezavo in s pomočjo krmilnika in modula, dveh temperaturnih tipal ter antene izdelal laboratorij, ki ga je na vsake štiri ure prek pošiljanja kratkih sporočil (SMS) na mobilni telefon obveščal o temperaturi prostora in temperaturi ene
9
izmed ogrevalnih cevi blizu grelnika. Ta primer predstavlja enosmerno komunikacijo, saj uporabnik od sistema prek kratkih sporočil (SMS) le prejema merske podatke in sistemu ne pošilja nobenih ukazov. Avtor je uporabil in povezal krmilnik Arduino Uno ter modul SM5100B, ki komunicirata preko UART-komunikacije. Na krmilnik Arduino Uno je z vodniki priključil obe temperaturni tipali, na modul pa anteno. Preko krmilnika je s pomočjo »jack« vtičnice, vodnikov in priključka zagotovil napajanje modula, krmilnik pa je napajal z 9 V-omreţnim napajalnikom, slika 2.4.
Slika 2.4: Povezana krmilnik Arduino Uno (desno) in modul SM5100B (levo) [7].
Krmilnik je preko USB-priključka povezal z računalnikom ter na krmilnik prenesel program za delovanje projekta, za konec pa je izdelal še ohišje za vso opremo, slika 2.5 [7].
Slika 2.5: Končni projekt z vso opremo, napajalnikom, anteno, temperaturnima tipaloma in krmilnikom ter modulom v črni škatli [7].
2.3 UPORABA ODDALJENEGA LABORATORIJA S PREDNOSTMI IN SLABOSTMI
Po pregledu obstoječih člankov v znanstvenih revijah na svetovnem spletu lahko zaključimo, da v svetu zelo redko najdemo uporabo OL v osnovnošolskem izobraţevanju, natančneje v času šolanja otrok v starosti od 6 do 15 let. Ni moč zaslediti niti snovanja ali uporabe osnovnih konceptov OL s cenovno dostopno opremo.
Akademiki in študenti iz Faculty of Engineering and Surveying in Faculty of Education iz University of Southern Queensland (USQ) izvajajo multidisciplinarni projekt Robot RAL-ly, v katerega vključujejo osnovnošolce, fante in deklice, stare med 7 in 12 let [8].
OL, ki ga na USQ imenujejo Remote Access Laboratory (RAL), je bil sicer razvit v študijske namene študentov univerze USQ, ki študirajo na daljavo, zavoljo projekta pa so ga prenesli na osnovnošolsko raven. V OL lahko študenti preko svetovnega spleta z oddaljenim dostopom izvajajo eksperimente na področjih robotike, hidravlike in nadzorovanja procesov [9]. Praktični del projekta Robot RAL-ly predstavlja enodnevna delavnica s 3,5-urnim programom, v katerem učenci v obliki preiskovalnega učenja načrtujejo in izdelajo dirkalno progo za robote, ki jih upravljamo na daljavo. Robote nato preizkusijo z RAL-tehnologijo in na koncu svoje rezultate ovrednotijo ter si izmenjajo mnenja. Pri gradnji proge morajo upoštevati določena izhodišča, na primer dolţino proge, število ovinkov glede na razpoloţljivo gradivo ipd. Najprej učenci robote sami preizkusijo, nato izdelajo proge, gredo v drugo sobo in daljinsko upravljajo robote.
Na koncu se pogovorijo o izkušnjah in si izmenjajo mnenja. Roboti, ki jih uporabljajo na delavnicah, so Meccano SpyKee Wifi, sestavljeni v standardni Robot obliki, slika 2.6 [8].
11
Slika 2.6: Tri oblike robota Meccano SpyKee Wifi [10].
Roboti vsebujejo kamero z nizko ločljivostjo, LED-osvetlitev, zvočnik, mikrofon, baterijo in infrardečo napravo, ki skrbi za povezavo s polnilno postajo in tako polni baterijo robota. Za krmiljenje robota potrebujemo računalniški program in brezţično spletno povezavo [10]. Ena izmed prednosti tega projekta za otroke je uporaba različnih znanj (matematike, tehnike in tehnologije …) za izdelavo dirkalne proge kljub dejstvu, da se učenci morda pred tem še niso srečali z robotiko. Delavnice učencem robotiko pribliţajo, učenci spoznajo, kako delujejo nekateri robotski sistemi na daljavo in jim morda pripomorejo pri odločanju za njihov bodoči poklic. Če bi učenci sami sestavljali robote, bi bila to dodatna prednost v smislu razvijanja motoričnih spretnosti.
Na FERI UM so zaradi premajhnih prostorskih kapacitet in opreme obstoječih laboratorijev ţeleli z OL udeleţencem učnega procesa ponuditi dopolnitev le-tega v smislu direktnega prenosa teorije v prakso, kar je v realnih laboratorijih precej bolj zamudno. Laboratorijske vaje, ki so jih študentje izvajali na OL, niso nadomeščale vaj v klasičnih laboratorijih, kjer se eksperimenti izvajajo fizično in tako študenti pridobijo tudi motorične izkušnje. Kot je opisano v prejšnjem poglavju, so študenti uporabljali OL za nadgradnjo in utrjevanje znanja elektronike in mehatronike [2]. Največja prednost OL je verjetno krajevna in časovna fleksibilnost (ob predhodni rezervaciji termina, ki ga je uporabnik izbral sam) izvajanja OE, slabost pa posreden stik z laboratorijsko opremo in napravami ter zaradi tega tudi omejena interakcija, kar se tiče usposabljanja pri ročih spretnostih, ki so pri elektroniki, robotiki in mehatroniki prav tako pomembne. Ta oddaljeni laboratorij je omogočal individualno delo uporabnika, kar je v praksi in klasičnih laboratorijih v času laboratorijskih vaj redkost, saj tam študentje
najpogosteje izvajajo eksperimente v skupinah. Navedeno dejstvo teţko opredelimo kot prednost ali slabost, saj je odvisno od učnega pristopa in zastavljenih ciljev.
Velika prednost uporabe OL je, če na primer z njim lahko izvajamo meritve v naravnem, realnem okolju, kjer jih je sicer oteţeno ali pa jih celo ni moţno izvajati. Kot primer lahko navedemo domači projekt spremljanja in obveščanja o temperaturi v hiši oz. vikendu, ki je opisan v poglavju 3.2. Ker je vikend precej oddaljen od doma, tam temperature ne moremo meriti večkrat na dan, zato je OL zelo dobrodošel. Smiselno je torej tudi kritično ovrednotiti eksperimente, ki se izvajajo v različnih OL. V nekaterih primerih je morda bolj primerno pogledati video posnetke vaj ali poskusiti simulacije oz. izvesti navidezne laboratorijske eksperimente kot pa vloţiti ogromne količine denarja za OL, v katerem potem izvajamo eksperimente, ki jih po drugi strani lahko povsem korektno spoznamo ali izvedemo na drugačne načine.
13
3 NAČRTOVANJE SAMOGRADNJE ODDALJENEGA LABORATORIJA
Po pregledu obstoječih OL in poglavitnih razlogov za postavitev in izgradnjo le-teh se vprašamo, kateri so še moţni razlogi za izdelavo OL. Prvi razlog je lahko zbiranje in beleţenje meritev na mestih, ki so človeku teţko dostopna. Večina OL deluje preko svetovnega spleta. Na mestih, kjer nimamo povezave do spleta, se tako pojavi problem, ker OL ne moremo uporabljati in tu tiči ţe drugi razlog za izdelavo drugačnega OL. Z razmišljanjem, usmerjenim v ti dve iztočnici, predstavljamo izbor spremenljivk, ki bi jih teoretično lahko merili, ter na kakšen način bi jih merili, poleg tega pa je podan tudi predlog za načrtovanje izdelave preprostega OL z delovanjem preko GSM-signala in pošiljanja kratkih sporočil (SMS) na mobilnem telefonu, ki bi ga lahko vključili v OŠ.
3.1 MERJENE SPREMENLJIVKE
Za določitev merjenih fizikalnih spremenljivk in vključitev OL v OŠ je za vsebinsko ustreznost najprimernejša metoda pregled učnega načrta nekaterih obveznih in izbirnih predmetov, ki se izvajajo v slovenskih OŠ, in premišljen izvleček ustreznih vsebin.
3.1.1 Biologija
Učni načrt za obvezni predmet biologija med operativne cilje in vsebine 8. in 9. razreda uvršča sklop, imenovan Raziskovanje in poskusi, v katerem učenci spoznajo metode raziskovanja v biologiji, se naučijo načrtovati preproste raziskave, smiselno zastavljati raziskovalna vprašanja, s pomočjo zbiranja in analiziranja podatkov na vprašanja odgovoriti ter o raziskavi ustrezno poročati [11]. V raziskavah na različne načine zbirajo podatke, najpogosteje je to izvedeno fizično z uporabo optičnih priprav, meritev ali preko računalnika. Inovativen način zbiranja podatkov v raziskavah učencev bi bila uporaba OL. Lahko spremljamo in zbiramo na primer merske podatke o temperaturi zraka ali vode v naravnem okolju ali oddaljenih vremenskih hišicah. Tako ne potrebujemo stalne prisotnosti človeka, ki bi opravljal meritve. Naslednja spremenljivka
je svetloba, ki jo lahko poveţemo s sončnimi celicami, prav tako je ena izmed spremenljivk vlažnost , ki jo lahko merimo v naravi. Merimo lahko tudi vsebnost kisika ali pH vode. Učenci pri biologiji raziskujejo na različnih področjih, od človeka do naravnih ekosistemov in človeškega vpliva na naravo in okolje, pri vseh omenjenih področjih pa si pri raziskovanju oz. zbiranju podatkov lahko pomagajo z OL.
3.1.2 Fizika
Fizikalni poskusi so dobro zastopani v osnovnošolskem učnem načrtu za obvezni predmet fizika [12]. Veliko operativnih ciljev zahteva uporabo različnih metod in oblik dela pri fiziki, kot so merjenje, načrtovanje, opazovanje, eksperimentiranje itd. Ob spoznavanju fizikalnih količin se jih učijo tudi meriti in zapisati z enoto. Poleg prej omenjene temperature lahko pri fiziki z uporabo OL merijo tlak in silo.
3.1.3 Kemija
Tudi pri kemiji je eksperimentalno delo temeljna učna metoda, lahko ga razširimo tudi s terenskim delom in uporabo IKT [13]. V biologiji je minimalno 20 odstotkov celotnega obsega ur namenjenih raziskovalnemu in terenskemu delu [11]. Podobno je v kemiji. Pri pouku lahko v projektno učno delo, projektno sodelovalno delo ali raziskovalno delo vključimo OL, s pomočjo katerega na primer v zraku merimo vsebnost ogljikovega monoksida ali pa pH deţevnice ipd.
3.1.4 Naravoslovje
Predmet zajema spoznavanje ţive narave, predvsem rastlinske celice kot osnovne gradbene in funkcionalne enote organizmov, zgradbo in delovanje rastlin ter interakcije rastlin z ţivimi in neţivimi dejavniki okolja. Učenci spoznajo tudi osnove zgradbe in delovanja bakterij, gliv in ţivali. Zgradbo in delovanje gozda kot ekosistema primerjajo z drugimi naravnimi ekosistemi [14]. V vsebinskem sklopu Snovi se učijo tudi o naravnih virih snovi in surovin, ţe v naslednjem sklopu Energija pa spoznajo, da je sonce osnovni vir energije na Zemlji ter nekaj o obnovljivih virih energije in o različnih načinih pridobivanja energije. Če učenci na tej stopnji razvoja še niso sposobni sami
15
primer merili moč vetra in učencem pribliţali vetrne elektrarne, hkrati pa se lahko naveţemo na vsebinski sklop Vplivi človeka na okolje. Z ozirom na vsebinska dejstva iz [14] lahko pri tem predmetu merimo vse spremenljivke, navedene v poglavju 3.1.1.
3.1.5 Elektronika z robotiko
V učnem načrtu izbirnega predmeta je moč razbrati, da operativni cilji in vsebina predmeta pokrivajo znanje o delovanju osnovnih vezij, digitalno in analogno izraţanje podatkov, fizikalne in tehnične lastnosti tipal. Vsekakor spoznajo tudi osnovne gradnike elektronskih vezij, kot so tranzistor, dioda, kondenzator, učijo se elemente vezati v različna vezja, risati sheme vezij in elemente zapisovati s simboli. Spoznajo se tudi s programiranim upravljanjem in povratnimi zankami. V smislu robotike si zastavijo naloge, pri katerih uporabijo tipala, ker so roboti stroji, ki naj bi nadomestili človeka, se morajo premikati, zato tu vpeljejo tudi motorje itn. [15]. Za učence, ki imajo dovolj znanja in so dovolj motivirani, lahko pri tem predmetu OL vpeljemo nekoliko drugače kot pri ostalih predmetih. Učence spoznamo z delovanjem OL, oni pa lahko sami razmislijo, katere spremenljivke bi merili, izbirajo razpoloţljiva tipala in tipala celo fizično izdelajo.
3.1.6 Projekti iz fizike in tehnike
Izbirni predmet Projekti iz fizike in tehnike povezuje dve področji, in sicer fiziko, pri kateri prevladuje metoda eksperimentalnega dela, in tehniko, ki je zelo obširna ter vključuje tudi obdelavo različnih materialov in izdelavo izdelkov. Prav zato ju pri izvajanju predmeta lahko dobro prepletemo. Operativni cilji v [16] obsegajo vsebine, v katere lahko vpeljemo OL in ga uporabimo za opravljanje meritev. Najustreznejša vsebina je Fizika alternativnih energijskih virov, ki jo lahko naveţemo na vetrne elektrarne ali sončne celice.
3.1.7 Robotika v tehniki
V ospredju izbirnega predmeta Robotika v tehniki je konstruiranje modelov računalniško krmiljenih strojev in naprav s poudarkom na robotiki, saj učenci pridobivajo znanja o konstrukciji robotskih rok, o elektronskih krmiljih in tipalih, s
katerimi roboti zaznavajo okolico. Na podlagi tega se seznanijo s pomenom in vlogo robotike v vsakdanjem ţivljenju. Prevladujoča učna oblika je praktično delo, tj.
projektno in eksperimentalno delo, saj tako učenci pridobijo največ izkušenj ter spoznajo metode in oblike dela na tehnično-tehnološkem področju [17]. Tudi pri tem predmetu lahko vključimo OL predvsem pri projektnem delu, računalniškem krmiljenju in krmiljenju s povratnim delovanjem oz. dvosmerno komunikacijo. Po učiteljevi oceni nivoja znanja lahko učenci sami konstruirajo OL.
Kroskurikularnost je specifičen način doseganja nekaterih ciljev kurikula, ki so opredeljeni kot skupni oz. dopolnjujoči za en predmet, več predmetov oz. predmetno področje ali kar za vse predmete, ker ti cilji nimajo svojega predmeta [18]. Med zgoraj naštetimi vsebinami se pojavijo tudi kroskurikularne teme, kot so naravovarstvene in okoljevarstvene, natančneje okoljska vzgoja, vzgoja za zdravje, prometna vzgoja, varnost pri delu, IKT vzgoja, kulturna vzgoja ipd. Pri okoljski vzgoji lahko za popestritev učnega procesa in zbiranje meritev uporabimo OL, saj je področje uporabe zares široko.
3.2 MERJENJE FIZIKALNIH SPREMENLJIVK
Merske podatke spremenljivk iz poglavja 3.1 ţelimo zbirati s pomočjo krmilnika, zato potrebujemo ustrezna tipala, ki nam bodo to omogočala. Spletna stran [19] ponuja ogromno idej in različnih tipal, za katera je potrebno razmisliti, če so zdruţljiva z opremo, ki jo nameravamo uporabiti za izdelavo OL. V splošnem so ustrezna vsa tipala, ki jih z vodniki ali preko raznih priključkov priključimo na krmilnik in nam dajejo neko napetost oz. podatke, ki jih lahko pretvorimo v elektronski signal in posredno razberemo, kar nas zanima.
Temperaturo lahko merimo s tipali, ki so občutljiva na spremembo temperature, to so termistorji, ki se jim ob spremembi temperature spreminja upornost. Termistor veţemo v delilnik napetosti in merimo električno napetost ob spreminjanju upornosti. Pri uporabi termistorjev in ostalih tipal moramo biti pozorni na okolje, v katerem opravljamo meritve, in temu prilagoditi izbiro opreme. Za merjenje osvetljenosti obstajajo tipala, ki so občutljiva na svetlobo. Najpreprostejši element kot detektor
17
svetlobe je fotoupor, ima podobno lastnost kot termistor za temperaturo, torej se mu ob spremembi osvetljenosti spreminja upornost. Tipalo za merjenje vlažnosti zemlje lahko učenci v okviru izbirnih predmetov izdelajo sami s pomočjo pocinkanih jeklenih ţic in drugih elementov. Navodila najdemo na [20]. Tipala za merjenje koncentracije kisika nimajo posebnega imena, rečemo jim kar tipala za kisik, na trţišču pa jih najdemo v različnih izvedbah. Merjenje pH nam omogočajo tako imenovani pH metri oz. pH tipala, ki jih za domačo uporabo lahko izdelamo sami. PH meter je orodje, ki meri aktivnost vodikovih ionov v vodni raztopini in tako določimo kislost oz. bazičnost raztopine. Tlak je mogoče izmeriti s tipalom za tlak, ki jih na trţišču dobimo z različnimi priključki, na primer [21], zato je potreben razmislek o zdruţljivosti z opremo, ki jo bomo uporabili. Ob spremembi količine ogljikovega monoksida v zraku se tipalu za ogljikov monoksid spremeni upornost, zato ga uporabimo podobno kot termistor in fotoupor. Moč vetra moramo meriti posredno preko hitrosti vetra, ki jo merimo z merilniki za hitrost vetra. Potrebujemo še podatek o gostoti zraka in preseku, na katerem merimo hitrost, nato pa moč izračunamo po enačbi (3.1), pri čemer pomeni:
P – moč, S – presek, ρ – gostota zraka, v – hitrost zraka.
ρ v (3.1)
3.3 NAČRTOVANJE IZVEDBE ODDALJENEGA LABORATORIJA
OL nameravamo vključiti v učni proces v dveh oblikah. Ena oblika je uporaba OL kot učnega orodja za zbiranje merskih podatkov, ki ga lahko uporabljajo učitelji in učenci pri rednem pouku in kjer uporabniki uporabijo le merske podatke. Za tovrstno uporabo znanje s področja elektronike, mehatronike in robotike ni potrebno, komunikacija med uporabnikom in OL je enosmerna. Druga oblika pa je vključitev OL kot projektno učno delo, kjer učenci s pomočjo induktivnih metod poučevanja učiteljev sami izvedejo projekt in izdelajo OL ali pa sestavne dele OL. Vsekakor za izdelavo potrebujejo ustrezna znanja s prej omenjenih področij, ki jih lahko pridobijo pri izbirnih predmetih, ki so opisani v poglavju 3.1. Pri tej obliki lahko projekt oteţimo in poskusimo vzpostaviti tudi dvosmerno komunikacijo med uporabnikom in OL.
Ideja izdelave OL temelji na uporabi preprostih elementov in opreme, ki jih bodo lahko razumeli in uporabili tudi osnovnošolci. Za izdelavo potrebujemo:
Krmilnik eProDas-Rob1 [22]. Krmilnik za delovanje uporablja mikrokrmilnik ATmega16, druţine Atmel [23]. Poveţemo ga lahko z računalnikom in nanj prenesemo program, napisan na računalniku. Po tem lahko krmilnik deluje samostojno, brez povezave z računalnikom. Krmilnik vsebuje 8 močnostnih digitalnih izhodov (do 1 A), 17 TTL digitalnih izhodov (do 20 mA), 20 TTL digitalnih vhodov, 4 tipke, 8 analognih vhodov, priključek za SPI- komunikacijo, priključke za Tx-Rx (UART) komunikacijo, razširitveni priključek itd. [22].
Modul SIM900 GSM/GPRS MINIMUM SYSTEM MODULE, v katerega bomo vstavili SIM-kartico mobilnega telefona [24]. Krmilnik in modul bomo povezali z UART-komunikacijo.
Mobilni telefon oz. GSM-aparat.
Tipala, ki bodo zaznavala okolico. Izbrali jih bomo glede na vrsto projekta oz.
področje raziskovanja.
Zagotoviti moramo tudi napajanje krmilnika in modula.
Računalnik potrebujemo za preverjanje delovanja krmilnika in modula ter programiranje.
Vodnike za povezavo elementov.
Slika 3.1: Predvideni načrt izgradnje OL.
19
4 DISKUSIJA
V nadaljevanju je v posameznih odstavkih predstavljeno, v kolikšni meri smo dosegli zastavljene cilje C1-5 iz poglavja 1.
C1: Ugotoviti in opisati trenutno stanje na področju oddaljenih laboratorijev (profesionalnih in hobi modelov).
Predstavili smo osnovni princip OL, ki deluje preko svetovnega spleta in je trenutno najbolj razširjen, poglavje 2.1. Osredotočili smo se na OL, ki jih uporabljajo v pedagoške namene. V poglavju 2.2 so predstavljeni trije različni oddaljeni laboratoriji, dva sta profesionalna in delujeta preko spletne povezave, tretji pa je domači projekt, ki deluje preko GSM-signala.
C2: Pojasniti prednosti uporabe takšnega multidisciplinarnega projekta z vidika elektronike, mehatronike in naravoslovja.
Trenutni pregled literature kaţe, da pri uvajanju OL v učni proces na katerikoli ravni izobraţevanja niso posebej izpostavljene omenjene tri discipline v smislu prednosti in slabosti, vidnejši so pedagoški vidiki. Vse primerjave OL s klasičnimi laboratoriji, ki predstavljajo prednosti in slabosti omenjenih laboratorijev, se ne nanašajo na omenjene tri vidike [25, 26]. Nekatere prednosti in slabosti uporabe OL so navedene v poglavju 2.3.
C3: Načrtovati samogradnjo oddaljenega laboratorija, ki omogoča merjenje relevantnih fizikalnih spremenljivk v izbranem okolju in pošiljanje merskih podatkov preko kratkih sporočil (SMS) na mobilnem telefonu.
Tretje poglavje v celoti pokriva načrtovanje samogradnje in vključevanje OL v učni proces OŠ. V poglavjih 3.1 in 3.2 so opisane optimalne spremenljivke in elementi oz.
tipala, s katerimi jih lahko merimo.
C4: Ugotoviti, katere fizikalne spremenljivke so najprimernejše za merjenje glede na osnovnošolske učne načrte in medpredmetno povezavo.
Po pregledu učnih načrtov nekaterih obveznih in izbirnih osnovnošolskih predmetov smo ugotovili, da je spremenljivk, ki jih lahko merimo z uporabo OL, veliko, podrobneje so opisane in predstavljene v poglavju 3.1.
C5: Načrtovati izvedbo oddaljenega laboratorija z uporabo osnovnega znanja s področja elektronike, mehatronike in robotike.
Okvirno načrtovanje izvedbe oddaljenega laboratorija je opisano v prepletu poglavij 3.2 in 3.3.
21
5 ZAKLJUČEK
Večina OL, ki jih uporabljajo v pedagoške namene, je vključenih v visokošolsko izobraţevanje. To so profesionalni OL, ki zahtevajo velike finančne vloţke in najpogosteje delujejo preko svetovnega spleta. Uporabniki jih lahko uporabljajo krajevno neodvisno, potreben je le računalnik in povezava do svetovnega spleta, zato je njihov glavni namen obogatitev in nadgradnja učnega procesa. Redka je vključitev OL v niţje stopnje izobraţevanja, predvsem v osnovnošolsko. V OŠ ni moč zaslediti izdelave osnovnih konceptov OL, zato diplomsko delo okvirno predstavlja načrtovanje izvedbe preprostega oddaljenega laboratorija s cenovno dostopno opremo in vključevanje le- tega v učni proces.
Nadaljnje reševanje problema lahko sloni na vprašanjih, kakšen pedagoški pomen ima vključevanje OL v osnovnošolski učni proces ter kako izvesti oddaljeni laboratorij s primeri uporabe v šolstvu s cenovno dostopno opremo. Ţelimo izdelati drugačen laboratorij, ki bo predstavljal multidisciplinarni projekt in bo povezoval naravoslovje s tehniko ter omogočal meritve v naravnem okolju, kjer ni dostopa do svetovnega spleta.
Zato smo se odločili za izvedbo OL preko GSM-povezave, ki bo merske podatke pošiljal preko kratkih sporočil (SMS) na mobilni telefon. Pomembna je predvsem smiselnost uporabe OL v učnem procesu in smiselnost izbire eksperimentov, ki jih izvajamo z OL.
23
6 LITERATURA IN VIRI
[1] What are remote laboratories? [http://remotelaboratory.com/remote-laboratories/what- are-remote-laboratories/].
[2] A. Rojko in ostali, Učinkovitost oddaljenih laboratorijev za poučevanje na področju tehnike, Vzgoja in izobraţevanje v informacijski druţbi, 11. mednarodna multi- konferenca Informacijska druţba (2008), str. 254-266.
[3] K. Taylor, B. Dalton, J. Trevelyan, Web-based telerobotics [http://www.academia.edu/782396/Web-based_telerobotics].
[4] Telerobot in Telelab [http://telerobot.mech.uwa.edu.au/Telerobot/index.html, http://telerobot.mech.uwa.edu.au/index2.html].
[5] A. Rojko, D. Hercog, Oddaljeni laboratorij za poučevanje mehatronike, IRT 3000, Letn. 3, 18 (6) (dec. 2008), str. 102-105.
[6] Oddaljeni laboratorij MERLAB [http://www.merlab.eu/index.php/sl/oddaljeni- laboratorij].
[7] M. Tilchen, Remote temperature monitoring with the Arduino and SM5100B [http://labs.vectorform.com/2011/10/remote-temperature-monitoring-with-the- arduino-sm5100b/].
[8] A. Kist in ostali, Engineering for primary school children: Learning with robots in a remote access laboratory, 39th SEFI Annual Conference: Global Engineering Recognition, Sustainability and Mobility (SEFI 2011), 27-30 Sep 2011, Lisbon.
[9] Remote access labs [http://www.usq.edu.au/engineering-surveying/learning- teaching/remote-access-labs].
[10] SpyKee the spy robot [http://www.spykeeworld.com/spykee/UK/index.html].
[11] B. Vilhar in ostali, Učni načrt – Biologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
[12] J. Bajc in ostali, Učni načrt – Fizika (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
[13] A. Bačnik in ostali, Učni načrt – Kemija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
[14] M. Skvarč in ostali, Učni načrt – Naravoslovje (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
[15] J. Pahor in ostali, Učni načrt – Elektronika z robotiko (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2005).
[16] A. Likar, M. Hribar, Učni načrt – Projekti iz fizike in tehnike (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport, Zavod RS za šolstvo, 2002).
[17] S. Kocijančič in ostali, Učni načrt – Robotika v tehniki (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport, Zavod RS za šolstvo, 2002).
[18] K. Pavlič Škerjenc, Sistem kurikularnih povezav – mali pojmovnik kurikularnih povezav (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2009).
[19] Vernier sensors [http://www.vernier.com/products/sensors/].
[20] The soil moisture sensor [http://gardenbot.org/howTo/soilMoisture/].
[21] Gas Pressure Sensor [http://www.vernier.com/products/sensors/gps-bta/].
[22] Splošno o krmilniku eProDas-Rob1 in opremi [http://www.pef.uni- lj.si/narteh/robteh/splosno_o_opremi.html].
[23] Technical datasheet ATmega16 [http://www.atmel.com/Images/doc2466.pdf].
[24] SIM900 GSM/GPRS MINIMUM SYSTEM MODULE
[http://imall.iteadstudio.com/im120525010.html].
[25] Z. Nedic in ostali, Remote laboratories versus virtual and real laboratories, Frontiers in Education, 33th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference 1 (2003), str. 1-6.
[26] J. E Corter in ostali, Remote Versus Hands-On Labs: A Comparative Study, Frontiers in Education, 34th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference 2 (2004), str. 17-21.
