PROJEKTNO DELO V RAČUNALNIŠKO PODPRTEM ŠOLSKEM LABORATORIJU

PROJECT ORIENTED TEACHING IN COMPUTER BASED SCHOOL LABORATORY

Slavko Kocijančič

Povzetek

Merjenje in krmiljenje z računalnikom ima pomembno vlogo pri pouku naravoslovnih in tehničnih vsebin. Oprema in metode dela v šolskem laboratoriju naj bodo podobne kot je to v raziskovalnih laboratorijih. S osnovami računalniško vodene proizvodnje je smiselno seznaniti že učence zadnjih razredov osnovnih šol.

V sestavku navajamo nekatere tuje in domače izkušnje o uporabi računalnika v šolskem laboratoriju in navajamo tri zglede projektno naravnega poučevanja na različnih stopnjah šolanja.

Abstract

Computer measurement and control has a substantial role at teaching science and technology. Equipment and methods used in school laboratory should be similar as in research laboratories. The fundamental principles of computer assisted manufacturing (CAM) could be explained at the end of low secondary school (age 13 to 15).

Some foreign and our own experiences on the use of computers in school laboratory are summarised. Three examples of project oriented teaching are briefly reviewed.

Ključne besede

šolski naravoslovni laboratorij, računalniško podprti eksperimenti, modeli računalniško vodenih naprav

Key words

school science laboratory, computer based experiments, models of computer controlled devices

Uvod

Načini uporabe informacijske tehnologije na področju vzgoje in izobraževanja naj bi zajeli podobne segmente kot v celotni družbi. Zdi pa se, da je bila do nedavno uporaba računalnika pri merjenju in krmiljenju nekako v ozadju pri sicer izjemno intenzivni skrbi za informacijsko sodobnost slovenskega šolstva. Računalniško podprta merilna oprema v medicini, raziskovalnih naravoslovno-tehničnih inštitutih, pri nadzorovanju kvalitete proizvodnje, računalniško vodena proizvodnja so tako pomemben segment uporabe informacijske tehnologije, da je ne bi smeli obiti pri pouku naravoslovno - tehničnih predmetih.

Računalnike, opremljene z vmesniki za merjenje in krmiljenje, smo začeli uporabljati pri pouku naravoslovja in tehnike že z začetkom uveljavljanja malih hišnih računalnikov (ZX Spectrum, Commodore, BBC Micro). Že ob samem začetku so se v revijah, ki se ukvarjajo s poučevanjem naravoslovja, pojavili sestavki o prednostih, ki jih je nudil nov laboratorijski pripomoček pri pouku fizike, biologije in kemije [1, 2, 3, 4]. Kljub temu, da je razvoj računalništva do danes odprl povsem nove možnosti vključevanja računalnika k pouku (Internet, učenje na daljavo, hipermedija,…), ni zato uporaba računalnika kod podpora pravim eksperimentom (angleško true experiments) nič manj aktualna [5, 6].

Povzemimo torej prednosti in razmislimo o morebitnih pasteh uporabe računalnika kot sestavnega dela naravoslovno tehničnega laboratorija.

1. Zahtevana natančnost merilnih sistemov in drugega instrumentarija je v šolskem laboratoriju manjša kot v raziskovalne ali industrijske namene. Ob podpori vmesnika torej potrebujemo le čutilnike (senzorje) z nekaj elektronike, kar je običajno ceneje, kot če laboratorij opremimo s samostojnimi merilniki. V primerjavi z nekaterimi klasičnimi eksperimentalnimi pristopi prirejenimi za šolsko rabo, pa nam v kvantitativnem smislu da računalnik bistveno boljše meritve.
2. Digitalni osciloskopi s spominom [7] so za večino osnovnih šol in splošnih srednjih šol občutno predragi. V večini primerov jih lahko zamenjamo z računalniki. Za meritve v biologiji, kjer procesi praviloma potekajo počasi, pa so (cenejši) katodni osciloskopi neprimerni, medtem ko je računalnik z vmesnikom popolnoma ustrezen.
3. Računalnik s sprotnim tekstovnim ali grafičnim prikazovanjem merjenih veličin omogoča takojšen odziv učencev na opazovano dogajanje. Ugotovljeno je bilo, da se učenci pri klasičnem laboratorijskem delu bolj osredotočijo na pomen posameznih meritev, medtem ko učenci pri meritvah z računalnikom dajo večji pomen trendom izmerjenih krivulj [8]. Naše izkušnje so, da učenci, ki se pogosteje srečujejo z računalniškim prikazom linearno odvisnih merskih rezultatov, pri svojem delu redkeje povezujejo posamezne točke v grafih kot tisti, ki takih izkušenj nimajo.
4. Računalnik omogoča sprotno analizo merskih rezultatov. Najpogostejši postopki so linearna regresija, Fourirejeva transformacija, poprečevanje, glajenje, odvajanje in integracija merjenega signala,… Včasih pa procesiranje signala vnaša nezaupanje v računalniško podprte merilne sisteme, saj je prisotna potencialna možnost prirejanja rezultatov. Izhajajoč iz tega je programska oprema ProLab zasnovana tako, da je merske podatke vedno mogoče vzorčiti brez deklaracije tipa eksperimenta in jih prenesti v druga orodja za prikaz in analizo (kot so preglednice).
5. Prihranimo veliko časa za zajemanje in prikazovanje rezultatov merjenja. Eksperimente lahko velikokrat ponovimo pri spremenjenih pogojih, da bi preučili splošne zakonitosti.
6. Nekatere eksperimente bi bilo brez podpore računalnika v šoli praktično nemogoče izvesti (spektri zvoka in svetlobe, veljavnost Ohmovega zakona za žarilno nitko žarnice pri konstantni temperaturi,…).
7. V osnovnih in srednjih šolah se lahko učenci praktično seznanijo z modeli računalniško podprte proizvodnje, robotiko, mehatroniko,…, saj je profesionalna oprema za šole veliko predraga.

Učenci se pri vsebinah računalništva in informatike ne seznanijo s tovrstno uporabo računalniške tehnologije, čeprav ima pomemben globalni delež. Šolski laboratorij naj se po opremi in metodah ne razlikuje preveč od raziskovalnih in proizvodnih laboratorijev. Nenazadnje je računalnik v merilni in krmilni vlogi tudi kot močan motivacijski pripomoček.

Oprema za računalniško podprt šolski laboratorij

Podobno kot velja za informatiko, v slovenskih šolah nismo zaostajali pri uporabi računalnikov v šolskem laboratoriju. Po obdobju hišnih računalnikov [9, 10] smo od leta 1989 prešli na osebne računalnike. V sodelovanju s podjetjem Terra - didaktični materiali (Kranj), je nastala zbirka opreme, ki smo jo pred leti dali ime ProLab. Razvili smo dva merilno krmilna vmesnika (CMC-S1 in CMC-S2), z vmesnikoma združljive merilne sisteme, elektronske sklope, učila prilagojena posameznim eksperimentalnim vsebinam in programsko opremo - sprva za DOS, zadnji programi so napisani z 32-bitnimi prevajalniki (Delphi 3 in 4). V zadnjem obdobju razvijamo vzorec učnega gradiva, ki na osnovi spletnega besedila (format html) integrira klasično besedilo, grafiko, animacije, simulacije napisanimi v Javi ("jabolčka") in računalniško podprte eksperimente [11]. Opisani pristop je primeren za projektno orientiran pouk, saj mora v naravoslovju in tehniki združevati kar se da različne dejavnosti učencev. Z vsako od teh dejavnosti dosežemo drugačne učne cilje, zato ne pristajamo na pogosto izrečeno misel, da naj za merjenje in krmiljenje uporabljamo računalnike, ki so za druge namene že odsluženi.

Na spletnem naslovu o zbirki ProLab [12], boste našli boste poleg opisa opreme našli tudi kratek opis nekaterih najbolj značilnih eksperimentov. Tam je tudi povezava na strežnik programa RO, od koder si lahko presnamete programsko opremo, ki je uvrščena med priporočeno programsko opremo za pouk fizike na SŠ. Predstavljen je razvojni projekt Računalnik pri eksperimentiranju, ki ga je leta 1998 podprl program RO.

Zbirka ProLab je najprej našla mesto pri pouku fizike v srednjih šolah, v nekoliko manjši meri pa na osnovnih šolah pa tudi na petih fakultetah, od katerih je ena na Irskem (University College Cork). Predstavili smo jo na številnih srečanjih učiteljev, na seminarjih stalnega strokovnega izpopolnjevanja, objavljeno je bilo več člankov v reviji Fizika v šoli in na seminarjih učiteljev multiplikatorjev v okviru programa RO. Naše dosežke smo predstavili tudi v tujini, začenši leta 1989 v Singapurju [13], na treh konferencah mednarodnega združenja učiteljev fizike GIREP (I-Videm, Ljubljana, D-Duisburg), konferenci evropskega združenja za tehnično izobraževanje [11]… Z eno do petdnevnimi predavanji smo zbirko ProLab predstavili na več tujih univerzah (Paisley - Škotska, Kuala Lumpur, Padova, Ostrava, Nairobi) ter na srečanju društva hrvaških učiteljev fizike (Novi Vinodolski 1997).

Projekten način dela v računalniško podprtem šolskem laboratoriju

Da bi preverili mesto računalnika pri pouku fizike in posredno tudi kakšne sledi je dejansko pustil razvoj in uvajanje zbirke ProLab, smo med študenti prvega letnika Pedagoške fakultete v Ljubljani in Fakultete za matematiko in fiziko dve leti zapored opravili anketo. Podrobnejše rezultate ankete preberite na spletni strani [14], med drugim pa smo ugotovili, da se iz srednje šole dobrih 60% študentov spominja vsaj nekaj računalniško podrtih eksperimentov, le nekaj procentov manj se jih spominja računalniških simulacij in animacij. Precej slabše je v osnovnih šolah, za kar je deloma lahko razlog tudi daljši časovni zamik. Posebej zanimivo pa je vrednotenje pomembnosti različnih oblik dela: aktivno eksperimentalno delo je dobilo precej boljše ocene od demonstracijskih poskusov, ti pa boljše od uporabe računalnika pri pouku fizike. Vzrok za slednjo, zame sicer ne ravno razveseljujočo ugotovitev, gre morebiti iskati v dejstvu, da se le 3 % brucev spominja, da so pri pouku fizike aktivno uporabljali računalnik. O svojih raziskavah, kako pomembno je tudi v naravoslovnem laboratoriju neposredno delo z računalnikom, sta poročala tudi L. Newton [15] in L. Rogers [16]. Pri učencih pasivno opazovanje učitelja ni posebno priljubljeno. Kadar zaradi pomanjkljive opremljenosti aktivno delo učencev ni izvedljivo, mora učitelj izvajanje eksperimentov z računalnikom dopolnjevati z vprašanji in sugestijami. Učence naj vzpodbuja, da napovedujejo izid eksperimenta pri spremenjenih pogojih oz parametrih, da iz teh rezultatov izpeljejo splošnejša pravila oz. trende, da primerjajo rezultate, sami predlagajo variacije eksperimenta.

Zaradi ugotovljene pomanjkljivosti naše učne prakse pri uporabi računalnika v naravoslovju in tehniki, je poudarek tega sestavka na možnostih uvajanja računalnika k projektno naravnanim oblikam poučevanja. Na kratko so predstavljeni taki zgledi za tehniko (OŠ), fiziko (OŠ, SŠ) in elektroniko (Pedagoška fakulteta v Ljubljani).

Robotika v tehniki

Precej učiteljev tehnične vzgoje pri interesnih dejavnostih goji vsebine, ki temeljijo na računalniško vodenih strojih in napravah s poudarkom na robotiki. Na šolah uporabljajo različno opremo. Kot kaže prevladuje delo s sestavljankami podjetij Fischer in Lego, ki ju je mogoče kombinirati z dvema domačima vmesnikoma: že omenjeni vmesnik CMC-S2 iz zbirke ProLab in vmesnik Venditor. Skupina treh učiteljev je naredila primerjavo obeh vmesnikov [17]. Izhajajoč iz rezultatov primerjave in praktičnih izkušenj pri predmetu Robotika na Pedagoški fakulteti v Ljubljani smo zato v sklopu že omenjenega projekta Računalnik pri eksperimentiranju razvili prototip vmesnika, ki združuje izkazane dobre lastnosti obeh vmesnikov (delovno ime Venditor S2). L. Hajdinjak je zasnoval projektno delo na primeru računalniško krmiljenega modela vrtalnega stroja [18], kar smo v kar največji meri upoštevali tudi pri pripravi osnutka učnega načrta Robotika v tehniki kot enega izbirnih tehničnih predmetov prenovljene osnovne šole (za 8. ali 9. razred) [19].

Uvod k predmetu je razmislek o računalniško vodenih napravah iz vsakdanjega okolja. Izvajanje učencev dopolnimo z informacijami o manj vsakdanjih okoljih (medicina, proizvodnja, raziskovalni laboratoriji). Učencem predstavimo simulacijo robotske roke. Ugotovimo, katere sestavine ima prava robotska roka - mehanska konstrukcija, pogonski motorji, računalniško krmilje in programska oprema. S sestavljanko najprej zgradimo vrteče podnožje robotske roke in spoznamo lastnosti krmilja motorja, ki se mora vrteti v obe smeri in se ustaviti. Dogradimo vodoravno prečko z elektromagnetom, ki prijemlje in spušča jekleno ploščico. Izmišljamo si različne naloge in okoliščine delovanja zgrajenega modela in iz tega izpeljemo potrebo po krmiljenju s povratnem delovanjem. Spoznamo, da preko digitalnih izhodov računalnik ugotovi stanje mehanskih stikal in drugih digitalnih čutilnikov (senzorjev). Premislimo o primerih, kjer samo dve stanji čutilnika ne zadoščata in na primeru analognega potenciometra uporabimo analogni vhod. Po zgledu simulacije robotske roke zgradimo robotsko roko s tremi motorji za pozicioniranje vrha v treh dimenzijah. Opisanemu projektu, ki ga učitelj odločilno usmerja sledijo samostojnejši projekti. Skupine dveh ali treh učencev gradijo različne modele računalniško vodenih naprav (dvigalo, antena, garaža, semafor, pralni stroj, mobilni robot, …). Učenci uporabljajo že izdelane računalniške programe, programirajo na nivoju posebej zato prirejenega tolmača ali uporabljajo splošna programska orodja (Logo, Delphi, Visual basic,…). Pomembno didaktično priporočilo je, da pouk diferenciramo glede na interes in sposobnosti učencev - nekateri naj več časa posvetijo konstruiranju in gradnji modelov, drugi naj spoznajo več o elektronskih sklopih, tretji se bodo posvetili samostojnemu programiranju.

Literatura

[1] M.L.Dejong and J.W.Layman, "Using the Apple-II as a Laboratory Instrument", Phys. Teach. 22, str.291-296 (1984)

[2] L.T.Rogers, "The Computer-Assisted Laboratory", Phys. Educ. 22, pp. 219-224 (1987)

[3] P. Openshaw, "More Ideas for Monitoring Biological Experiments with BBC Computer", Sch. Sci. Rew., 70 str. 25-31 (1988)

[4] JCH Stephens, Interfacing the BBC microcomputer - some chemistry experiments, Sch. Sci. Rew, 71, str. 92-96 (1989),

[5] E.F.Redish, J.M.Saul and R.N. Steinberg, "On the Effectiveness of Active-Engagement microcomuter-Based Laboratories", Am. J. Phys. 65, pp.45-54 (1997)

[6] D.W.Preston and R.H.Good, "Computers in the General Physics Laboratory", Am. J. Phys. 64, pp.766-772 (1996)

[7] M.F.Masters and R.E.Miers, "Use of a Digital Oscilloscope as a Spectrum Analyzer in the Undergraduate Laboratory", Am. J. Phys. 65, pp. 254-257 (1997)

[8] R.Barton, "How do Computers Affect Graphical Interpretation", Sch. Sci. Rew. 79, str. 55-60 (1997)

[9] I. Gerlič, "Analogno-digitalni pretvornik za Commodore 64-128: navodila", Maribor: Pedagoška fakulteta (1986)

[10] S. Kocijančič, "Uporaba mikroračunalnika pri fizikalnih merjenjih", v: F. Cvelbar, Fizikalna merjenja, DZS - vaje 1, Ljubljana 1986, str. 64-71

[11] S. Kocijančič, "Integrating computer based science lab and multimedia", v: Experiments and Measurements in Engeneering Physics Education, European Society for Engeneering Education, Brno 1998

[12] http://www.pef.uni-lj.si/slavkok/cbe/

[13] S. Kocijančič, "Interfacing in physics experiments and laboratory teaching", v: 'New Tools and Devices in Education’, Singapur 1989, str. 45-54

[14] http://www.pef.uni-lj.si/fizika/ankete/

[15] L.Newton, "Graph talk: Some Observations and Reflections on Students' Data-logging", Sch. Sci. Rev. 79, str. 49-54 (1997)

[16] L.Rogers, "New Data-logging Tools - New Investigations", Sch. Sci. Rev. 79, str. 61-68 (1997)

[17] P. Theuerschuh, L. Hajdinjak in B. Karner, "Računalniški vmesniki pri tehnični vzgoji", Zavod Republike Slovenije za šolstvo, Ljubljana (1998)

[18] L. Hajdinjak, "Načrtovanje projektnega učnega dela, električni krogi - model vrtalnika", Zavod Republike Slovenije za šolstvo, Ljubljana (1999)

[19] S. Kocijančič, L. Hajdinjak, B. Karner, "Osnutek učnega načrta Roobotika v tehniki", MŠŠ in http://www.pef.uni-lj.si/tehnika/

Slavko Kocijančič
Pedagoška fakulteta v Ljubljani
Kardeljeva ploščad 16, SI-1000 Ljubljana
e-mail: slavko.kocijancic@pef.uni-lj.si

Avtor

Dr. Slavko Kocijančič je bil rojen v Radovljici. Od leta 1982 do 1989 je poučeval fiziko na Gimnaziji Kranj (takrat SŠPRNMU), kasneje pa je vodil vaje in predaval predmete s področja elektrotehnike na Pedagoški fakulteti v Ljubljani. Od leta 1985 razvija opremo za računalniško podprt naravoslovni laboratorij. Njegovo raziskovalno delo je uporaba analitičnih metod nelinearne dinamike.

Author

Dr. Slavko Kocijančič was born in Radovljica, Slovenia. From 1982 to 1989, he was a physics teacher at grammar school. From 1989 he teaches electrical engeneering at the Faculty of Education, University of Ljubljana. Since 1985 he is developing instrumentation and software for computer based science laboratory. His research work is focused on the use of analytical methods of nonlinear-dynamics.