UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA TECHNICKÉ A INFORMAČNÍ VÝCHOVY
Počítačem podporované experimenty Čestmír Serafín, Martin Havelka, Jiří Kropáč
Olomouc 2012
Obsah 1 Úvod ……………………………………………………………………………………………………………………………………………….3 2 Didaktické aspekty počítačem podporovaných experimentů ............................................................4 2.1 Význam využití počítače ve výuce ..............................................................................................4 2.2 Možnosti využití počítače ve třídě .............................................................................................5 3 Úvod do problematiky počítačem podporovaných experimentů.......................................................7 3.1 Reálná laboratoř........................................................................................................................7 3.2 Vzdálená laboratoř ....................................................................................................................8 3.3 Virtuální laboratoř .....................................................................................................................9 3.4 Systémy pro počítačem podporované experimenty ................................................................. 10 3.4.1 Příklady systémů pro podporu experimentu .................................................................. 12 3.4.2 Videoanalýza ................................................................................................................. 14 3.4.3 Programy pro modelování elektrických obvodů ............................................................. 15 Použitá literatura .............................................................................................................................. 17
2
1 Úvod Přestože vědci stále diskutují o každém typu e-laboratoře z různých úhlů pohledu, efektivnost „nových“ laboratoří ve srovnání s tradičními laboratořemi (založenými na návodu) se zdá nepochybná. Často se diskutuje o těchto aspektech: plánovací dovednosti pojmové chápání sociální dovednosti (včetně týmové práce a vytváření sítí) odborné dovednosti. Přestože není dostatek kritérií pro zhodnocení efektivity tří nových typů laboratoří (tradiční laboratoře řízené počítačem, virtuální laboratoře a vzdálené laboratoře), výsledky komparativní studie literatury (1), zahrnující více než 60 výzkumných studií, jsou evidentní. V pozadí těchto fenomenologických otázek stojí řada ekonomických problémů. Tradiční laboratoře kladou velké nároky na prostor, učitelův čas, drahé přístroje a pokusnou aparaturu; často existuje množství stejných laboratoří, které nemohou být využity k jiným účelům. Všechny tyto aspekty znamenají rostoucí náklady. Vzdálené a virtuální laboratoře umožňují využít speciální dovednosti a zdroje také jiným způsobem (například v souvislosti s výzkumnými institucemi), a tak redukovat celkové náklady a obohacovat studium. Sheridan (2) rozlišil tři typy přítomnosti: fyzickou přítomnost, virtuální přítomnost a teleprezenci. Fyzická přítomnost je spojována se skutečnými laboratořemi a je chápána jako „být tam fyzicky přítomen“. Teleprezence je „pocit, jako že jste skutečně tam na vzdáleném konci operace“ a virtuální přítomnost je „pocit, že jste přítomni v prostředí vytvořeném počítačem.“ Autor tvrdí, že pokud potlačíme nedůvěru, můžeme zažít přítomnost ve virtuálním prostředí.
3
2 Didaktické aspekty počítačem podporovaných experimentů 2.1
Význam využití počítače ve výuce
V současné společnosti plné informací je jednou ze stěžejních dovedností člověka schopnost získávat, třídit a zpracovávat informace s využitím počítačů. V budoucnosti význam této dovednosti dále vzroste, neboť téměř všechna zaměstnání budou dobrou znalost práce s počítači vyžadovat. Vyspělé země si uvědomují, že je nutné, aby se žáci na všech stupních škol sžili s novými technologiemi, protože schopnosti a dovednosti, které takto získají, zvýší jejich budoucí konkurenceschopnost i konkurenceschopnost ekonomiky jako celku. Uvedeným trendům odpovídá i koncepce vzdělání. V nových vzdělávacích modulech jsou formulovány klíčové kompetence (schopnosti, způsobilosti, kvalifikace, kvalifikovanost) jako profil vzdělání pro informační společnost, které musí být rozvíjeny ve všech předmětech: získávat, analyzovat a organizovat informace (schopnost informace vyhledat, prověřit a utřídit za účelem nalezení požadovaného údaje; zhodnotit jak získané informace, tak zdroj a metodu užitou k získání informace); předávat informace a porozumět komplexu vzájemných vztahů (schopnost efektivní komunikace s ostatními s využitím různých možností vyjádření); plánovat a organizovat různé aktivity (schopnost plánovat a organizovat pracovní aktivity včetně využití času a zdrojů, stanovení priorit); spolupracovat s ostatními a pracovat v týmu (schopnost efektivní interakce s ostatními lidmi; schopnost efektivní spolupráce v týmu pro dosažení společného cíle); používat matematické myšlení a postupy (schopnost prakticky používat matematických pojmů a postupů); logicky uvažovat a řešit problémy (schopnost aplikovat účelně strategie pro řešení problémů; schopnost tvůrčího myšlení, rozhodovací schopnosti); využívat technických zařízení (schopnost aplikace techniky s využitím fyzických a smyslových dovedností potřebných k obsluze zařízení; schopnost výběru a používání techniky pro danou úlohu). Nové metody vzdělávání pro informační společnost musí klást důraz na otevřenost a přístupnost. Otevřené školství, které bude orientováno na šířeji pojaté vzdělání spíše než na úzkou profesní průpravu, umožní členům společnosti reagovat na změny, které si během jejich profesního života mohou vynutit několikerou změnu kvalifikace či druhu zaměstnání. To zvládnou pouze pracovníci s dobrým základem, kteří si dokáží osvojit potřebu kontinuálního vzdělávání se (3). V České republice byla Koncepce státní informační politiky ve vzdělávání schválena vládou až v dubnu roku 2000. Konstatuje se zde, že je nezbytné změnit vzdělávací proces v České republice a přizpůsobit ho potřebám informační společnosti. Mezi základní strategické cíle státní informační politiky ve vzdělávání patří: zabezpečit adekvátní informační gramotnost vzdělávajících, vytvořit odpovídající informační infrastrukturu vzdělávání, zajistit integraci informačních a komunikačních technologií (ICT) do všech složek vzdělávacího procesu.
4
2.2 Možnosti využití počítače ve třídě Se zaváděním a rozšiřováním počítačů do běžné výuky se změní i role žáka a učitele. Díky novým technologiím už škola není jediným zdrojem informací a poznání pro žáky. Žáci získávají nové poznatky z televize, videa, počítačových programů a internetu. Aktivní žáci jsou schopni vyhledat a zpracovat mnoho informací. Učitel se tak stává koordinátorem vzdělávání. Při použití počítače ve výuce může žák vystupovat pasivně, nebo aktivně. Snahou učitele by mělo být, aby žáci pracovali co nejaktivněji. Prostředkem k tomu mohou být vhodné problémové úlohy řešené pod dohledem učitele a práce ve skupinách (3). Individuální práce žáka s počítačem Při individuálním učení se žáka s počítačem (viz. obr. 1) platí, že výukový text musí být jinak strukturovaný než běžná učebnice. Vhodným členěním a nabídkami průchodu učivem lze takový výukový materiál použít pro domácí přípravu nejen pro slabší žáky, ale i pro nadané žáky. Většina vzdělávacích a výukových programů je určena pro individuální vzdělávání žáků. Obvykle mají encyklopedický charakter a nevedou žáka učivem na základě pochopení jednotlivých částí. Existují však programy, které nabízejí různé průchody programem podle výsledků testování žáka. Jsou založeny na programovaném učení, které vzniklo už v šedesátých letech. Máme programy lineární a větvené. V lineárním programu je cesta učivem pevně dána. Různá je pouze rychlost, jakou žák programem projde. Větvený výukový program nabízí žákovi na základě výsledků testů individuální cesty průchodu programem. Žák může přeskočit učivo, ve kterém prokáže vědomosti, naopak musí se vracet v části, kde prokáže neznalosti a nepochopení učiva.
SOFTWARE, ÚKOLY, HODNOCENÍ
ŽÁK
POČÍTAČ
EXPERIMENT
a)
SOFTWARE, ÚKOLY, HODNOCENÍ
ŽÁK
POČÍTAČ
EXPERIMENT
UČITEL b)
Obr. 1 Schéma interakcí při a) individuálním učení se žáka s počítačem, b) skupinovém vyučování s učitelem a počítačem 5
Počítače mohou v rámci výuky vystupovat v celé řadě rolí: Počítač jako zdroj informací. Máme k dispozici monotematicky zaměřený program, pomocí kterého mohou žáci sami získávat informace – učit se pomocí počítače. Pokud bude program obsahovat i sebehodnotící testy popř. zkušební testy, žák nebo učitel získá zpětnou vazbu. Multimediální programy obsahují kromě textových a obrazových informací také audio a videosekvence. Počítač jako prostředek pro vyhodnocování dat – žáci měří a získávají data pomocí klasických přístrojů (metr, stopky, teploměr…). Ručně naměřená data vkládají do tabulkového procesoru a vyhodnocují je – získávají tabulky a grafy. Počítač jako univerzální měřicí přístroj se sběrem dat. V dnešní době už standardní možnost využívání počítače. Žáci sami provádějí fyzikální experimenty, měří různé fyzikální veličiny, získávají data a vyhodnocují je. Počítač jako prostředek ke komunikaci – žáci mohou komunikovat se žáky např. jiných škol pomocí: ₋ Chatu – on line komunikace, psaní krátkých zpráv ₋ E-mailu – off line komunikace, psaní delších zpráv, posílání obrázků, programů… ₋ Videokonference – on line komunikace, audiovizuální kontakt, možnost sdílení aplikací, týmová spolupráce na veliké vzdálenosti. ₋ Počítač jako prostředek pro publikování – publikování seminárních prací, referátů, prezentace výsledků práce na počítači při projektové výuce.
6
3 Úvod do problematiky počítačem podporovaných experimentů Pojmem počítačem podporované experimenty označujeme takové experimenty v přírodních vědách, kde se počítač podílí na sběru, zpracování a zobrazování naměřených dat. Existují tři základní možnosti využití počítačů: 1. Reálná laboratoř (CBL – Comuter Based Laboratory, MBL – Microcomputer Based laboratory) – většinou se těmito pojmy rozumí využití počítače jako zařízení, které měří a získává data, popřípadě může experiment přímo řídit. Nejčastější je kombinace počítače a nějakého měřicího rozhraní např. český systém ISES, nizozemský IP Coach, slovinský CMC –S3, které budou podrobně popsány později. V reálné laboratoři žáci pracují přímo se skutečnými měřenými objekty a získávají reálná data. 2. Vzdálená laboratoř (Remote Laboratrory) - rozumíme takové využití počítače, že žák není přímo fyzicky účasten experimentu, ale může experiment řídit na dálku např. prostřednictvím sítě Internet. Získaná data jsou reálná, byla získaná na skutečném zařízení, pouze komunikace s tímto zařízením je zprostředkovaná. 3. Virtuální laboratoř (Virtual Laboratory) - se často využívá simulací k získávání dat nebo k natrénování určitých činností, např. ovládání složitých a drahých přístrojů. Virtuální laboratoř lze také využít pro přípravu žáků před reálným měřením. Ve virtuální laboratoři lze ověřit i chování elektrických obvodů před jejich reálnou realizací. Nevýhodou virtuální laboratoře je, že nerozvíjí manuální zručnost žáků a velmi záleží, jak kvalitní je simulace pro žáky.
3.1 Reálná laboratoř V reálné laboratoři mají žáci k dispozici měřicí systém a počítač s vhodným ovládacím programem. Ovládací program by měl mít možnost nastavit alespoň tyto parametry: Rychlost měření – vzorkovací frekvence, perioda Doba měření – počet vzorků Režimy spouštění – ručně, automaticky, po určité době Zobrazování – závislost veličiny na čase, závislost dvou veličin na sobě Správné nastavení vzorkovací frekvence závisí na době trvání experimentu. Pro krátké a rychlé experimenty volíme vysokou vzorkovací frekvenci – např. pro analýzu hlasu volíme frekvenci řádově 10kHz, naopak pro měření teploty je dostatečná frekvence jednotky Hz. Systém ISES dovoluje nastavit dobu experimentu přímo v sekundách, v systému CMC-S3 je doba měření dána jako součin počtu vzorků a časování. Přesnost měření velmi ovlivňuje i použití vhodného čidla. Při výběru čidla musíme vzít v úvahu tyto vlastnosti: Rozsah čidla Charakteristiky převodu – přesnost Princip funkce Konstrukce čidla – mechanická odolnost, odolnost vůči chemikáliím Možnosti připojení O vlastnostech jednotlivých čidel zpravidla podrobně informuje výrobce. Nalezení těchto údajů je možné na internetu.
7
3.2 Vzdálená laboratoř Vzdálená laboratoř (remote laboratory) představuje další krok vývoje internetové komunikace v systému „server – klient“, která spočívá v tom, že z jednoho místa lze realizovat měření na reálném experimentu, který je umístěn na jiném místě. To vyžaduje, aby na místě experimentu (server) byl vhodný počítačový systém pro řízení experimentu, analogově digitální převodník, čidla a software pro zpracování naměřených hodnot a další činnosti (např. přenos obrazu z webové kamery v laboratoři). Data z experimentu jsou pak dostupná na jiném místě (klient) prostřednictvím internetu. Ke zpracování dat u jejich příjemce není nutný speciální klientský software, ale obvyklý prohlížeč (např. Explorer), který je běžnou součástí počítače připojeného k internetu. Programy na serveru v místě experimentu jsou koncipovány jako stránky v jazyce HTML a obsahují Java aplety, které umožňují komunikaci s měřicí aparaturou, grafické zobrazování vstupních veličin, přenos naměřených hodnot do klientského počítače, přenos obrazu atd. Uživatel si pak otevře na svém počítači webovskou stránku s příslušnými aplety a pomocí nich provádí měření, které pak zpracovává do podoby tabulek, grafů apod. První pokusy se vzdálenou laboratoří jsou u nás realizovány na bázi systému ISES (http://www.ises.info/). Na obr. 2 je uveden příklad úlohy zaměřené na elektromagnetickou indukci.
Obr. 2 Vzdálený experiment Elektromagnetická indukce Přestože provozování vzdálených laboratoří se jeví jako poměrně složitá úloha zahrnující určité technické vybavení, tvorba WEB stránek je již rutinní záležitostí. Na http://www.ises.info/ je popis softwarové stavebnice „ISES WEB Control“ pro podporu vzdáleného měření a řízení, která umožní i začínajícím tvůrcům WEB stránek jednoduchým způsobem zapracovat do svých stránek prvky pro podporu vzdálených experimentů. Klientský počítač vyžaduje pouze prohlížeč Explorer, NetScape, aj. a podporu jazyka Java, které je v prostředí Windows automaticky k dispozici, resp. lze z volně dostupných zdrojů doinstalovat. Serverová softwarová část běží na standardním WEB serverovém prostoru, který musí být Windows typu, neboť s měřícím systémem lze měřit pouze v prostředí DOS - Windows. 8
Na serverovém WEB prostoru jsou vzdálené úlohy realizovány obdobně jako standardní „HTML“ stránky, jež obsahují Java applety, které umožní komunikaci s měřící aparaturou. Tyto applety jsou již hotové připravené tvůrci systému. Serverový software kromě HTML stránek s applety obsahuje spuštěné aplikace, které zprostředkovávají komunikace s hardwarem. Na serveru běží kromě již zmíněného libovolného standardního WEB serveru, další důležité serverové aplikace jako ImageServer pro podporu WEB kamer, MeasureServer pro ovládání hardware – karty ISES, HTTPRelay pro připojování uživatelů s omezenými přístupy. V případě vzdálených laboratoří je pak k serverovému stroji navíc připojena nezbytná hardwarová část – např. měřící aparatura - souprava ISES (http://www.ises.info/).
3.3 Virtuální laboratoř Počítačem podporované učení se stále vyvíjí, stejně tak i technika, se kterou je spjato. V rámci integrovaného konstruktivisticky pojatého učení se lze setkat již nyní s poměrně rozmanitými přístupy. „Virtuální laboratoř“ představuje otevřenou, vzdáleně přístupnou databázi objektů využitelných pro danou experimentální činnost (návody, pracovní listy, grafy, schémata zapojení, animace, videosekvence, aplety apod.). Předností takovéto „online“ databáze je její otevřenost, operativnost přístupu, srovnávání naměřených dat atd. Virtuální laboratoře jsou po stránce programové aplety zobrazující určitou reálnou situaci, přičemž žák může se zobrazenými objekty manipulovat, provádět experimenty, měřit veličiny, případně doplňovat je výpočty. Příkladem může být například obr. 3, kde je ukázka virtuální laboratoře mající podobu počítačové stavebnice elektrických obvodů.
Obr. 3 Software - virtuální laboratoř (Circuit simulator, Oregano, KiCad)
9
3.4 Systémy pro počítačem podporované experimenty Fyzikální veličiny, které můžeme pozorovat, a měřit ve svém okolí jsou spojitými (analogovými) veličinami, tj. mění se v čase plynule. Příkladem může být okolní teplota, tlak vlhkost, apod. Při klasickém měření pak odečítáme hodnoty z teploměru, tlakoměru či vlhkoměru v určitých intervalech a s přesností odpovídající zvoleným měřicím přístrojům (4). Při měření pomocí počítače (obr. 4) dochází nejprve pomocí čidla (senzoru) k převodu fyzikální veličiny (teplota, tlak, vlhkost, elektrická vodivost, magnetická indukce, elektrický odpor, poloha, zrychlení, atd.) na elektrické napětí, to je přivedeno na A/D analogově / digitální převodník. Úkolem A/D převodníku je převedení napětí na jeho číslicově (binárně) vyjádřenou hodnotu. Čidlo (tlaku, teploty, polohy, magnetické indukce ...)
Fyzikální veličiny analogové spojité působí
A/D převodník
převádí na elektrické napětí
PC
binární data
Obr. 4 Schéma měření pomocí počítače Důležitými parametry pro měření je vzorkovací frekvence převodníku, tj. kolikrát za sekundu je schopen změřit napětí na vstupu. Některé systémy uvádějí časový interval (timer delay), který uplyne mezi dvěma měřeními. Vzorkovací frekvence se většinou vztahuje na jeden kanál. Pokud se zároveň měří ve více kanálech, pak maximální vzorkovací frekvenci dělíme počtem kanálů. U pomalých dějů lze volit vzorkovací frekvenci v jednotkách Hz. U rychlých dějů (přechodové jevy v elektřině a magnetismu, záznam hlasu…) musíme zvolit vzorkovací frekvenci řádově kHz. Měření by mělo proběhnout aspoň desetkrát během periody měřeného signálu. Dalším důležitým parametrem je přesnost měření. Ta je dána jednak rozsahem vstupních měřených napětí – většina systémů pracuje v rozsahu 0 V až 5 V. Dalším parametrem je rozlišení převodníku (kvantizace) udává se v jednotkách bit. Existují dva možné způsoby připojení měřicích zařízení k počítači: Interní Externí Interní možnost připojení využívá sběrnic na základní desce počítače. Nejstarší sběrnicí je sběrnice označována ISA. Je buď krátká 8bitová, nebo delší 16bitová. Modernější sběrnicí je 32bitová sběrnice PCI, která je v současné době nahrazována sběrní s označením PCI-Express. Výhodou interních měřicích karet je vyšší rychlost a stabilita měření. Naopak velkou nevýhodou je, že jsou pevně spojena s jedním konkrétním stolním počítačem, takže takové zařízení není mobilní a navíc sběrnice uvnitř počítače zastarávají rychleji, než tomu bylo u vnějších sběrnic. Externí měřicí systémy využívají nejčastěji tato tři rozhraní: Paralelní port Sériový port USB – Universal serial bus 10
Paralelní port – označovaný jako LPT se používá nejčastěji pro připojení tiskárny nebo skeneru. K portu lze připojit také měřicí systémy MF-DAQ, CMC-S3 a u nás dříve dostupný systém ADDA. Paralelní port je osmibitový a v biosu počítače lze nastavit tři módy přenosu: SPP – jednosměrný přenos od počítače k zařízení (většinou tiskárně) EPP – obousměrný přenos ECP – rozšířený obousměrný přenos Pro využití rychlého přenosu dat mezi počítačem a zařízením je třeba nastavit EPP nebo ECP mód. Přenosová rychlost je 100 kB/s. Sériový port – označovaný COM. Používá se k připojení pomalejších zařízení než na port paralelní – např. myš, modem, některé mobilní telefony, atd. Pro sériový port jsou navržena měřicí zařízení ISES-COM, Coach Lab 2. Přenosová rychlost sériového portu je 9,6 – 115 kb/s. USB – Universal serial bus – univerzální sériová sběrnice, umožňuje k počítači jednotně připojit veškerá běžná externí zařízení počítače (klávesnice, myš, reproduktory, tiskárna, skener, Web kamera, digitální fotoaparát, čtečky paměťových karet, atd.). Pro USB existuje měřicí systém MF-DAQ USB verze. Velikou výhodou USB rozhraní je, že systém sám zjistí jaké zařízení je připojeno, a hned s ním začne pracovat. Přenosová rychlost je 12 Mb/s u verze 1.0 a 1.1 a 480 Mb/s u verze 2.0 rozhraní USB. Rychlejší USB zařízení lze využít i na pomalejším rozhraní, ale samozřejmě s nižší přenosovou rychlostí. V současné době se USB jeví jako nejvhodnější sběrnice pro připojování měřicích zařízení k počítači. Výhodou je, že je součástí všech nových počítačů včetně notebooků a je podporována i novými operačními systémy. Analogově digitální převodník převádí hodnoty plynule se měnících (analogových) fyzikálních veličin, převedených pomocí snímačů na elektrické napětí, na digitální signál, v němž je analogová veličina vyjádřena soustavou nespojitých elektrických impulsů číslicového kódu. Převod analogového signálu na digitální je nutný, poněvadž počítač zpracovává data jen v digitální podobě. Analogově digitální převodníky pracují na různých principech - například digitalizace analogového signálu může být taková, že se v pravidelných intervalech zjišťuje okamžitá hodnota měřené veličiny a ta je vyjádřena sledem diskrétních impulsů v časovém intervalu, jehož délka je okamžité hodnotě úměrná. U některých měřicích systémů, je analogově digitální převodník konstruován jako samostatná tzv. interfacová deska, která se zasune přímo do sběrnice počítače. Vně počítače je ovládací panel, který slouží k připojení snímačů, popř. modulů s různými funkcemi. Součástí analogově digitálního převodníku bývá také digitálně analogový převodník (D/A), kterým se převádí digitální signál na výstupu počítače zpět na signál analogový. Při experimentech lze takto z D/A převodníku získat plynule regulovatelné napětí, které se pomocí doplňujícího modulu tzv. proudového boosteru upraví tak, že lze odebírat na výstupu podstatně větší (100krát) proud než přímo z počítače. To umožňuje ovládat přímo z počítače obvody vyžadující větší proudové zatížení (např. žárovka, relé, reproduktor aj.). Současné systémy mají obvykle analogově digitální převodník konstruován jako samostatný přístroj – měřicí rozhraní (interface) s přípojnými místy pro senzory a s vlastním napájecím zdrojem. Propojení s počítačem je provedeno pomocí kabelu přes univerzální rozhraní (USB), popř. přes sériový port. Tyto přístroje také bývají vybaveny pamětí, takže experiment může být realizován nezávisle na počítači. Po skončení experimentu je přístroj připojen k počítači a data jsou z paměti převedena do paměti počítače, kde jsou dále zpracována. 11
Možný je i bezdrátový přenos dat mezi senzorem a počítačem. Např. fa PASCO nabízí rozhraní pro bezdrátový přenos technologií Bluetooth na vzdálenost 10 m od počítače (http://www.pasco.cz/). Další možnosti poskytuje tzv. datalogger - je to přístroj, který slouží ke sběru dat získaných měřením pomocí připojených senzorů. Naměřené hodnoty jsou ukládány na paměťové medium přístroje. Datalogger bývá vybaven malou obrazovkou, takže výsledky měření lze ihned zobrazit (real time měření). Přístroj však je možné propojit následně s počítačem a data exportovat do počítače, popř. mohou být zkopírována do externí flasch paměti a uchována pro pozdější zpracování počítačem. Výhodou dataloggeru je, že není vázán na elektrickou síť a umožňuje realizovat měřicí experimenty i v prostorách nebo v prostředí, kde není připojení k elektrické síti možné. Příklad takového měření v terénu mimo učebnu je v (5). Snímače analogové veličiny slouží k přeměně hodnot měřených neelektrických fyzikálních veličin (teplota, poloha, síla, frekvence, intenzita zvuku, osvětlení, tlak, pH aj.) na analogový elektrický signál (proměnné elektrické napětí), který je přiváděn na vstup analogově digitálního převodníku. Snímače (senzory, čidla) pracují na různých fyzikálních principech a podle toho se liší i jejich technická realizace. Např. snímačem teploty je polovodičová součástka umístěná na konci tyčinky umožňující zasunout čidlo do měřeného prostředí podobně jako klasický teploměr. Výrobci systému pro počítačem podporované experimenty nabízejí desítky senzorů pro nejrůznější fyzikální, chemická, biologická, ekologická, popř. environmentalistická měření. Podpůrné moduly systému rozšiřují možnosti realizace jednotlivých experimentů. Výše byl uveden např. proudový booster, který se používá jako zdroj elektrického napětí, jehož velikost je možné řídit počítačem. Přitom lze z tohoto modulu odebírat proud až 1 A, což je podstatně vetší proud, než jaký by bylo možné odebírat přímo z počítače (max. 10 mA). Jiným takovým modulem je generátor funkcí, což je zdroj napětí o různém průběhu. Kromě harmonického elektrického napětí je tento modul zdrojem napětí s obdélníkovým nebo trojúhelníkovým průběhem. Příkladem akčních členů mohou být počítačem ovládaná relé, reproduktory pro akustická měření nebo speciální, tzv. krokové elektromotorky pro demonstrace principů automatického ovládání nebo robotiky apod. Software pro zpracování a prezentaci dat rozhodujícím způsobem ovlivňuje nejen uživatelské vlastnosti daného systému pro podporu experimentů z hlediska učitele, ale i o didaktické charakteristiky z hlediska zpracování a prezentace naměřených dat. V podstatě tento software obvykle umožňuje zobrazit: tabulky naměřených hodnot, graf závislosti naměřených hodnot, naměřenou hodnotu v digitální podobě, popř. pomocí simulace vyobrazení měřidla (ručkového nebo digitálního).
3.4.1 Příklady systémů pro podporu experimentu Školní experimentální systém ISES určený pro měření a řízení experimentů ve fyzice, chemii a biologii ve spolupráci s počítačem. Měřicí systém ISES je poměrně nejrozšířenějším měřicím systémem (http://www.ises.info/), jehož poslední verze má označení iSES (internet School Experimental System). Systém byl vyvinut na MFF UK v Praze (autor F. Lustig). Podrobný popis systému je na http://www.ises.info/. Základem systému je interfacová deska zabudovaná do počítače, s níž je spojen ovládací panel, který má 4 vstupní kanály s konektory pro moduly, 4 vstupní kanály s přístrojovými svorkami, 1 výstupní kanál s konektorem pro moduly ISES (obr. 5). Další součástí systému je sada samostatných modulů
12
a senzorů s různou funkcí, které se připojují k ovládacímu panelu. Pro zpracování dat je k dispozici software ISESWIN.
Obr. 5 Základní Interfacová deska ISES Souprava ISES Blue (obr. 6) - je novinkou soupravy, která dovede snímat veličiny bezdrátově. To znamená, že uživatel volně pracuje se senzory a měřená data se bezdrátově, až na vzdálenost cca 10 metrů, přenášejí do libovolného počítače se vstupem BlueTooth. Souprava má 2 analogovými vstupy, vzorkovací frekvence při bezdrátovém přenosu je 100 Hz, bateriové napájení, síťový adaptér, případně dobíjení přes USB konektor. Souprava ISES Blue, ale může fungovat i jako USB měřicí stanice, potom má daleko větší vzorkovací frekvenci (100 kHz). Dále souprava může pracovat i jako datalogger. Vzorkovací frekvence v režimu datalogger je 100 kHz. Data se zaznamenávají na SD kartu o velikosti 4 GB. Data lze potom přenášet do počítače off-line přes USB či BlueTooth.
Obr. 6 Souprava ISES Blue V poslední době jsou právě systémy pro školní experimenty založeny na využití již zmíněného dataloggeru. Takovou koncepci má např. systém fy PASCO (http://www.pasco.cz/), jehož základem je přenosný datalogger Xplorer GLX (obr. 7). V nabídce PASCO je na 60 různých senzorů a zejména dalších pomůcek a příslušenství pro realizaci experimentů, takže systém tvoří komplexní pomůcku pro měření a experimenty 13
v různých přírodovědných a technických oborech. K propojení s počítačem lze využít i bezdrátové rozhraní. Pro zpracování dat slouží program DataStudio, jehož obrazový výstup je koncipován tak, aby umožňoval co nejnázornější prezentaci výsledků měření (obr. 7).
Obr. 7 Datalogger PASCO s DataStudiem
3.4.2 Videoanalýza Jednu z nových možností ve výuce podporované počítačem představuje videoanalýza (6), (7), pomocí níž lze získat informace o prezentovaném ději jak v podobě grafického záznamu jeho reálného průběhu ve zvolené souřadnicové soustavě, tak zobrazením časových závislostí veličin zjištěných jednak měřením a vypočítaných zpracováním naměřených dat programem pro videoanalýzu. Nejčastěji to jsou kinematické veličiny – poloha, rychlost a zrychlení. Možnosti videoanalýzy ve školské praxi podtrhuje ještě skutečnost, že obrazové záznamy pro videoanalýzu lze poměrně snadno získat nejen pomocí videokamery, ale že k tomu v současné době postačuje i běžný digitální fotoaparát či mobil. Metoda videoanalýzy se tak může stát námětem zajímavé žákovské aktivity. Prostřednictvím webu je dostupný nejen potřebný volně šiřitelný software, ale i videosekvence vhodné pro analýzu. V tomto směru převažují pohyby v reálných prostředích, např. z oblasti sportu (pohyb míče při kopané, házené, tenisu, pohyb atleta při běhu nebo skoku apod.), pohyby dopravních prostředků, crash testy aj. Je však možné použít videoanalýzu i ke zkoumání pohybů při experimentech realizovaných ve školní laboratoři. Jako příklad lze uvést experiment s pružinovým oscilátorem, jehož pohyb byl zaznamenán digitální fotoaparátem (8). Princip videoanalýzy je jednoduchý - digitálním fotoaparátem, popř. kamerou je zachycen pohyb vhodného objektu a s použitím speciálního software je provedena analýza jednotlivých snímků záznamu. U většiny dostupných programů je analýza videozáznamu prováděna ručně tak, že např. žák pomocí kurzoru ovládaného myší na každém snímku videosekvence zaznamená kliknutím polohu sledovaného objektu. Přitom se hodnoty souřadnic objektu ukládají do paměti počítače, popř. se hned zapisují do tabulky a záznam se posune o jeden snímek. Program pak vyhodnotí získaná data a zobrazí buď graf závislosti souřadnic x a y (body grafu odpovídající souřadnicím se propojí souvislou čarou a vznikne tak
14
obraz trajektorie pohybu sledovaného objektu), nebo změny polohy, rychlosti a zrychlení objektu jako funkce času (časové diagramy). Programy nabízené na webu mají různou kvalitu (EasyVid 1.5a http://www.bastgen.de/schule/physik/physik.htm, program pro videoanalýzu je i součástí software systému Coach (utilita Data Video), zajímavé možnosti poskytuje program Viana 3.64 http://didaktik.physik.uni-essen.de/viana, který umožňuje nejen ruční, ale také automatickou analýzu videozáznamu na základě rozlišení barvy sledovaného objektu).
3.4.3 Programy pro modelování elektrických obvodů Význam programů pro modelování ocení více učitelé a žáci na střední škole, neboť pro tvorbu modelů je třeba mít vyšší matematické dovednosti. Na základní škole lze využít srovnávání hotových modelů nebo lze dobře využít grafické zobrazení modelů, žáci se naučí číst a srovnávat grafy. Edison 4 CZ (obr. 8) - multimediální simulátor elektro laboratoře, který je vhodný pro demonstraci elektrických obvodů na základních i středních školách. Edison je z dnešního pohledu již poněkud „historická“ aplikace, která využívá šestnáctibitový engine MS Visual Basic 3.0. Toto ovšem může mít i výhodou pro školy vybavené staršími typy počítačů. Program Edison je podmnožinou profesionálního simulátoru elektrických a elektronických obvodů Tina Pro, obsahující rozsáhlé knihovny s více než 20 000 virtuálními modely skutečných součástek nebo přes 1 200 řešených obvodů.
Obr. 8 Pracovní prostředí programu Edison 4 Aplikace Edison 4 CZ je nenáročná na výkon počítače, doporučená konfigurace je Pentium 100 a 32 MB RAM, operační systémy mohou být MS Windows 95 a vyšší. Po vložení instalačního disku CD-ROM je možná nejen instalace aplikace Edison 4 CZ na lokální stanici nebo na síťový server, ale také její spuštění přímo z CD-ROM bez jakékoli instalace jen s částečnými omezeními funkčnosti. Pro instalaci není nutná žádná registrace 15
nebo aktivace a vzhledem k úspornosti aplikace je instalace velmi rychlá a neklade velké nároky na dočasné či trvale využívané místo na pevném disku, složka Edison 4 CZ zabere jen něco málo přes 50 MB. Aplikace zobrazí po spuštění na celé obrazovce dvě základní okna. V levém se zobrazuje 3D perspektivní pohled na pracovní plochu (virtuální pracovní stůl), po jehož stranách jsou virtuální „police“ se součástkami. V pravém okně vykresluje Schématický analyzátor obvod z pracovní plochy standardními schématickými značkami. Obvody je možné tvořit na virtuální pracovní ploše interaktivně pomocí myši, kdy 3D virtuální součástku lze přetáhnout z virtuální police (polic je několik a obsahují sady podobných součástek) na pracovní plochu a pomocí myši ji virtuálním „vodičem“ propojit do obvodu (součástku lze pochopitelně i pootočit do potřebné polohy), nebo lze využít již uložené soubory s obvody (typ souboru .CIR). Schématický analyzátor umožňuje i zpřehlednit vzhled schématu bez změny v 3D modelu, tato funkce je výhodná při realizaci obvodu dle schématu z literatury. Obvody na pracovní ploše je možné doplnit virtuálními tabulkami s textovými popiskami. Pro usnadnění práce je vhodný virtuální rozvodný panel s pravidelnými vnitřními skrytými spoji, které lze výhodně využít pro velmi jednoduché zapojení složitých obvodů, především s polovodičovými součástkami či integrovanými obvody s větším počtem vývodů. Vzhled některých součástek (baterie, přepínače, měřicí přístroje) je stejný na rozvodném panelu i na pracovní ploše, některé další součástky mají zasunovací vývody (rezistory, kondenzátory, tranzistory, IO) a změní svůj vzhled, když jsou přetaženy nad virtuální rozvodný panel. Vývody těchto součástek jsou pak automaticky připojeny do odpovídajících konektorových otvorů rozvodného panelu. Ovládání práce s virtuálními součástkami je intuitivní a na rozdíl od reálné tvorby obvodů nehrozí zničení součástek nevhodným zapojením. Pomocí virtuálního osciloskopu, který disponuje časovou funkcí během simulace, Edison umožňuje získat vysoce kvalitní charakteristiku dokončené simulace funkce obvodu. Získané charakteristiky lze upravit v editoru grafů s možností popisu os, modifikace stylu čar, jejich barev a použitých písem. Z charakteristiky je také možné v lineárních obvodech, obsahujících pouze rezistory, kondenzátory, cívky a baterie, odvodit matematický model. Další možností aplikace Edison 4 CZ pro přípravu výuky je nahrávání maker, které mohou zaznamenat postup tvorby obvodu i experimentů s ním. Záznam je použitelný například při výkladu, kdy vyučující nemusí tvořit složitější obvody interaktivně. Edison 4 CZ je otevřeným systémem s velkou variabilitou pro jednotlivé úrovně výuky. Edison vhodně doplňuje využití reálných pokusů, jeho výhodou je větší variabilita, nízké náklady a možnost individuální práce žáků.
16
Použitá literatura (1) MA, J., NICKERSON, J. V. (2006). Hands-On, Simulated, and Remote Laboratories: A Comparative Literature Review. ACM Computing Surveys, Vol. 38, No. 3, Article 7 (2) SHERIDAN, T. B. (1992). Musings on telepresence and virtual presence. Presence: Teleoper. Virtual Environ.1, s.120–125 (3) KAPOUNOVÁ, J. (1999) Používání informační a komunikační technologie ve výuce. Ostrava : Pedagogická fakulta, 74 s. ISBN 80-7042-145-2 (4) JEŠKOVÁ, Z. (2004) Computer-Based Laboratory in Physics Teaching. In Information and Communication Technology in Education. Rožnov pod Radhoštěm. Ostrava: Ostravská univerzita. ISBN 80-7042-993-3 (5) PAZDERA, K. (2009) LabQuest – měření v terénu, MFI roč. 18, č. 9, s. 543. (6) JUŘICA, J. (2002). Video na počítači. Vyd. 1. Praha: Computer Press, 198 s. ISBN 807226-650-0 (7) BUDIŠ, J. (1991). Video ve škole : některé zkušenosti s využíváním videotechniky ve výuce. 1. vyd. Brno: Masarykova univerzita, 87 s. (8) LEPIL, O. (2004) Videoanalýza kmitání mechanických oscilátorů. MFI roč. 14, č. 4, s. 214.
17
