Visie van InnovationLab

Pagina | 1

Inhoud Visie van InnovationLab .................................................................................................................................................... 3 Achtergrondinformatie ..................................................................................................................................................... 4 Materiaal uitleg, voorbereiding en opbouw van de dag .................................................................................................. 7 Gedetailleerde toelichting bij de modules...................................................................................................................... 13 Module 1: Biopotentiaal ............................................................................................................................................. 14 Module 2: Analoog naar digitaal ................................................................................................................................. 18 Module 3: Elektro-oculografie .................................................................................................................................... 28 Module 4: Programmeren .......................................................................................................................................... 35 Afsluiten .......................................................................................................................................................................... 49 Evaluatieformulier leerkracht ......................................................................................................................................... 50

Pagina | 2

Visie van InnovationLab Met het project InnovationLab wil de faculteit ingenieurswetenschappen van de KU Leuven leerlingen van de derde graad middelbaar onderwijs warm maken voor wetenschap en technologie, dit door het uitvoeren van leuke wetenschappelijke uitdagingen. Leerkrachten kunnen daartoe experimenteerkoffers met het nodige materiaal en omkaderende informatie kosteloos uitlenen voor een leuke project dag op school. Op deze manier hopen we een zo ruim mogelijk leerlingenpubliek te overtuigen dat wetenschap en technologie nuttig is voor de maatschappij en erg tof kan zijn. Om leerlingen te tonen dat wetenschap en techniek niet saai hoeft te zijn, biedt InnovationLab twee interactieve projecten aan, namelijk project Ooggestuurde Interface en project Energieopslag. Het project Ooggestuurde Interface, dat in deze bundel wordt omschreven, is ontwikkeld voor leerlingen met interesse voor wetenschap en wiskunde in de derde graad S.O. Het thema Ooggestuurde interface vertrekt vanuit een maatschappelijk kader, en wil leerlingen laten proeven van fysica, wiskunde en informatica op een leuke en ontspannen manier. Als opwarmer voorzien we een inleidend filmpje. Deze film vertrekt vanuit een maatschappelijke problematiek: vVerschillende maatschappelijke uitdagingen zullen op ons afkomen in de 21e eeuw. Om deze uitdagingen op een ‘ingenieuze’ manier aan te pakken, heeft de maatschappij gemotiveerde en creatieve wetenschappers en ingenieurs nodig. Vandaag zullen de leerlingen zelf deze rol op zich nemen. Concreet worden de leerlingen in de film uitgedaagd om mensen die niet in staat zijn om handen of benen te gebruiken, toch te laten communiceren met de wereld rondom hen. Mensen zullen in staat zijn om instructies over te brengen naar een computer door enkel te bewegen met hun ogen. In dit project willen wij dat de leerlingen zich een beetje ‘ingenieur’ voelen, zodat ze gemotiveerd zijn om mee te werken aan die betere wereld van morgen. Na de film gaan de leerlingen onmiddellijk aan de slag. Zij doorlopen 4 modules waarin zij geheel zelfstandig informatie verwerken, en –module per module– hierrond gaan experimenteren. Zij doorlopen diverse wetenschappelijke vakgebieden (beginnend bij biologie, gevolgd door wiskunde en fysica), spelen met de EOG-scope, en leren programmeren in Scratch. Elk van de 4 modules bestaat uit info blaadjes, waarin zij de nodige achtergrondinformatie verwerven, gevolgd door de experiment bladen, waarin ze nadien daadwerkelijk gaan bouwen, programmeren, experimenteren. We sluiten de halve dag af met een tweede (en korter) filmpje, waarin de leerlingen wordt opgeroepen te blijven meedenken, mee-ontwerpen en meebouwen aan deze uitdagingen van de toekomst. Wij hopen uw leerlingen een interessante, maar vooral leuke dag aan te kunnen bieden.

Pagina | 3

Achtergrondinformatie 1. Maatschappelijke schets van het Ooggestuurde Interface project Deze maatschappelijke context schets wordt voor de leerlingen visueel voorgesteld door middel van het InnovationLab filmpje. Het is de bedoeling dat deze film getoond wordt aan het begin van de dag. Deze dient als motivatie naar de leerlingen toe en schetst voor hen het maatschappelijk probleem dat ze doorheen deze dag zullen aanpakken. Daarnaast geeft het filmpje ook kort een overzicht van andere uitdagingen van de 21e eeuw en hoe technologie / techniek / wetenschappen / wiskunde ook daar hulp kan bieden. Hieronder gaan we hier kort dieper op in, en geven we enkele interessante referenties mee, mocht u dit op een ander moment in meer detail willen behandelen. Maatschappelijke context: In onze 21e eeuw worden we geconfronteerd met de grootste uitdagingen ooit: de kosten van vergrijzing en welvaartsziekten dreigen uit de hand te lopen; in 2050 hebben 9 miljard mensen duurzame energie en water nodig; we moeten onze mobiliteit garanderen ondanks schaarste aan betaalbare brandstoffen en onze welvaart behouden in een “vlakke wereld”, waarin het economisch zwaartepunt verschuift naar het Oosten. Verscheidene websites geven meer uitleg over deze “grand challenges” van de 21e eeuw: • • •

http://alum.kuleuven.be/3deleeftijd/archief%20lezingen/2009%20Samenvatting%20De%20 Man.doc http://www.engineeringchallenges.org/cms/challenges.aspx http://www.eur.nl/sgerasmus/programma_gemist/alfabetisch/uitdagingen_voor_de_21e_e euw/

Anderzijds biedt deze eeuw ook gigantisch veel opportuniteiten. We zien nog steeds een exponentiële explosie aan nieuwe technologieën, waarbij opvalt dat de vooruitgang vooral komt uit het samensmelten van ICT- technologie met biotechnologie, en recenter met nanotechnologie. In elk van de vernoemde uitdagingen kan technologie aangewend worden om het probleem te voorkomen, of minstens de gevolgen ervan te milderen. Enkele voorbeelden die aangehaald worden in het filmpje zijn: • • •

•

Geo-engineering: kunstmatige wolken en spiegels tackelen klimaatverandering: o http://www.kennislink.nl/publicaties/geo-engineering-als-laatste-redmiddel.pdf Vliegende auto’s tegen het fileprobleem: o http://auto.howstuffworks.com/flying-car.htm Fabrieken en wegen onder de grond: o denk maar aan de ideeën rond de overkapping van de Antwerpse ring, of eensoortgelijk project in Madrid, Spanje: http://sustainablecitiescollective.com/polis-blog/24172/madrids-pharaoh Boerderij van de toekomst: boerderijtorens: o http://www.verticalfarm.com/ Pagina | 4

•

Leven buiten onze planeet: mogelijk maken van leven op Mars: o http://www.physics.org/featuredetail.asp?id=69

Enkel door creatieve wetenschappers en ingenieurs de komende decennia te laten samenwerken met verscheidene maatschappelijke partners, zullen out-of-the-box innovatieve, maar realistische oplossingen kunnen bedacht en gerealiseerd worden. Cruciaal is hierbij om te steunen op een goede basis van wiskunde, wetenschappen en techniek (STEM-vakken). Het is belangrijk dat leelingen inzien dat zulke STEM-vakken dus een zeer sterke maatschappelijke relevantie hebben, en effectief bijdragen tot een betere wereld. Dit wil InnovationLab duidelijk maken aan de hand van een zeer specifiek project. Technologie in de gezondheidszorg Eén van de uitdagingen waar bij uitstek technologie ter hulp kan snellen, en dit momenteel ook al doet, is de betaalbare gezondheidszorg. Mensen leven steeds langer. Het is dan ook één van de voornaamste uitdagingen van de 21e eeuw om iedereen op een betaalbare manier van een goede levenskwaliteit te laten genieten. Veel wordt verwacht van nieuwe technologieën die toelaten om vanop afstand patiënten op te volgen, gehandicapten hun zelfstandigheid terug te geven, en ouderen in staat stellen om langer in hun eigen huis te wonen. Mooie voorbeelden met enkele interessante filmpjes zijn o.a.: • • • •

Telesurgery laat dokters toe om vanop afstand patienten in moeilijk toegankelijke gebieden te opereren. Microsoft’s visie op technologie in de gezondheidszorg: o https://www.youtube.com/watch?v=jt8JqVdaTqI Imec’s draagbare ECG monitor: o https://www.youtube.com/watch?v=iv7Wlly_W0Q Een cel-sorteerder voor snelle kanker detectie: o http://vimeo.com/82078661

De uitdaging van dit project! In het EOG project zoemen we in op 1 bepaald aspect van deze technologie voor de gezondheidzorg, en ervaren de leerlingen hoe ze haar, via technologie die ze zelf ontwerpen, kunnen helpen. Concreet is er een meisje, Sofie, dat ALS heeft (http://nl.wikipedia.org/wiki/Amyotrofe_laterale_sclerose). Sofie was vroeger heel sociaal, zat op Facebook, sprak af met vriendinnen en schilderde prachtige schilderijen. Maar, nu kan ze haar ledematen niet meer gecontroleerd bewegen. Sofie zit dan ook gekluisterd aan een rolstoel, en kan haar rolstoel of PC niet meer besturen. Ze wil echter graag haar favoriete computer spelletjes blijven spelen, schilderijen maken, via Facebook in contact blijven met al haar vrienden, en zelf op stap kunnen met haar rolstoel. Kan jij als ingenieur voor één dag zelf iets bedenken, ontwerpen en bouwen om Sofie te helpen? Dit gaan de leerlingen realiseren door gebruik te maken van oogbewegingen. Zoals vele ALS patiënten, kan Sofie namelijk wel nog haar ogenbewegingen controleren. De leerlingen gaan iets maken dat automatisch deze oogbewegingen van Sofie uitleest, en deze doorgeeft aan de computer.

Pagina | 5

Met zo een toestelletje zal Sofie via haar ogen: • • •

Een computermuis kunnen bewegen, en zo op de PC kunnen schilderen, of Facebook gebruiken. Haar rolstoel kunnen besturen ...

We gaan hierbij geen gebruik maken van camera-beelden van Sofie’s gezicht (het zou moeilijk en stigmatiserend zijn om steeds een camera op Sofie te richten), maar wel van kleine elektrodes die we rond de ogen van Sofie plakken. Deze elektrodes kunnen een elektrisch signaaltje meten dat aangeeft dat Sofie haar ogen beweegt. Hoe dan wel? Dat zal je in de loop van deze halve dag stap voor stap ontdekken!

Veel plezier!

Pagina | 6

Materiaal uitleg, voorbereiding en opbouw Voorbereiding en uitleg materiaal Wij verwachten dat per school minstens één van de deelnemende leerkrachten de InnovationLab bijscholing volgt. Hier wordt de inhoud van de verschillende modules toegelicht, wordt het gebruik van het materiaal uitgelegd en worden tips gegeven om de leerlingen te begeleiden. Op die manier bent u al vertrouwd met het project. Het is aan te raden om bij de ontvangst van de InnovationLab koffer ook zelf nog eens rustig door het materiaal en de modules te gaan. Deze leerkrachtenhandleiding kan u hierbij helpen. We onderlijnen hieronder de zaken die vóór de start van de projectddag zelf gedaan dienen te worden.

PC klas + Koffer Voor de uitvoering van dit project is een computerlokaal noodzakelijk. Hierbij is er één PC nodig per groepje leerlingen (idealiter 2 leerlingen per groepje). Op deze PC dienen vooraf een aantal bestanden gekopieerd te worden. Er zijn microfoons voorzien in de koffer voor computers zonder microfoon. Computers moeten voorzien zijn van Windows (versie XP of recenter). Idealiter beschikt u ook over een projectiemogelijkheid, zodat u de project-filmpjes in hetzelfde lokaal kan afspelen. Indien dit niet mogelijk is, start u de projectdag in een ander lokaal met projectie-faciliteiten. Het nodige materiaal voor het uitvoeren van alle modules vindt u in de InnovationLab koffer. Het is aangeraden bij ontvangst te controleren dat de koffer compleet is. Dit kan door middel van de bijgeleverde inventaris. Het enige materiaal dat niet in de InnovationLab koffer terug is te vinden, zijn multi-meters (liefst 1 multi-meter per 2 á 4 leerlingen). Deze dienen door de school zelf voorzien te worden. Het is raadzaam om uw multimeters te testen alvorens ze aan de leerlingen te geven. De koffer ziet er uit als volgt:

Pagina | 7

Het is de bedoeling dat elk groepje van 2 personen (maximaal 14 groepjes per koffer) 1 klein bakje krijgt. De grote bak rechtsonder in beeld is bedoeld voor de leerkracht. Elk klein bakje bevat: o Voor module 1: • 2 ovale plexiplaatjes waarop een batterijhouder is gemonteerd • 2 batterijen o Voor module 2: • Een USB-analoog-naar-digitaal-omzetter bordje (USB-ADC, langwerpig bordje). • Een black box (klein zwart plaatje met draaiknoppen) • Een grijze platte verbindingskabel o Voor module 3: • Een EOG bord (groter zwart bord), met daarop een versterker • Gekleurde verbindingsdraadjes • 4 grijze ronde verbindingskabels met elektrodes De grotere bak voor de leerkracht bevat: o Reserveonderdelen in geval van defect (elektrodes, kabels, USB-ADC, EOG bord) o Weerstanden (nodig in module 3) o Tube met gel voor op de elektrodes (nodig in module 3) o Stickers om de elektrodes op de huid te bevestigen (nodig in module 3)

Opruimen na het project Wanneer het materiaal bij het beeidnigen vanhet project terug in de koffer moet, vragen wij enkel dat u de elektrodes goed reinigt, opdat de aangebrachte gel (die later opdroogt) niet tussen het grijze binnenste en het blauwe buitenste plaatje komt te zitten. Dit kan door de elektrodes te wassen onder een dunne straal stromend water (beter niet lang laten weken in een waterbad) en nadien af te drogen. Alle andere materialen mag u terug in de bakjes steken zoals ze door de leerlingen zijn gebruikt, zonder dit terug te demonteren. Wij zorgen zelf voor het terug op orde zetten van de koffers.

Luidsprekers Voor module 2 is het belangijk dat de microfoon van de gebruikte PC’s goed ingesteld wordt. De instructies hiervoor staan in het begin van het experimentblad van de module ‘analoog naar digitaal’. Dit kan best vooraf in orde gebracht worden. De instructies zijn: Klik met je rechter muisknop op de luidspreker in de taakbalk, klik op ‘opname toestellen’. Dubbel klik op de actieve microfoon. Het venster van de microfoon opties opent zich nu. Klik dan op het tabblad ‘levels’ en schuif de schuifbalk van ‘microphone boost’ naar 0,0 dB. Klik op ok en nog eens op ok.

Leerlingendocumentatie en software Alle nodige materiaal voor de uitvoering van het project wordt aangereikt via de website van InnovationLab, https://eng.kuleuven.be/innovationlab/. Pagina | 8

Meer specifiek bevat de documentatie:

Informatie voor leerkrachten • o

Infobundel Leerkrachten InnovationLab Ooggestuurde interface

• o

Oplossingen Scratch oefeningen

• •

Presentatie van bijscholing

Leerkrachten-handleiding Oplossingen van module 4 Prezi van bijscholing (module 4)

Filmpjes • o

Filmpje waarin InnovationLab wordt voorgesteld (366MB)

• o

Filmpje als start van het EOG project (187MB)

• o

Filmpje als einde van het EOG project (28MB)

Kan gebruikt worden om de leerlingen op voorhand warm te maken, of bv. op een opendeurdag van de school. Te tonen aan leerlingen aan het begin van de projectdag, als kadering. Te tonen aan leerlingen op einde van de projectdag.

Software en teksten nodig op de projectdag zelf • o o o

Documenten en software voor leerlingen (62MB). Dit bevat: Alle info-blaadjes en experiment-blaadjes voor de leerlingen De EOG software De Scratch opgaven voor module 4 ==> Deze volledige map mag op de leerlingen-PC's gekopieerd worden (bv op bureaublad).

De multimeter In diverse modules moeten de leerlingen gebruik maken van een multimeter om spanningen en stromen te meten. Deze worden niet door InnovationLab voorzien, en dient de school zelf ter beschikking te stellen (idealiter 1 per 2 á 4 leerlingen). Onderstaande info kan helpen bij het uitleggen van het gebruik van een multimeter. Men zet de multimeter aan door op de gele knop rechtsboven te drukken (dit kan verschillen afhankelijk van het type multimeter)

Pagina | 9

•

Om spanning te meten met een multimeter moet deze parallel geschakeld worden. Onderstaande figuur toont hoe de spanning over een weerstand gemeten wordt. De multimeter wordt met de draaiknop op stand VDC gezet (of V� ). Dit is de stand om gelijkspanning te meten. De rode kabel wordt met de V ingang verbonden en de zwarte met de COM ingang. Daarna worden de pinnen van de meetkabels gecontacteerd met de punten waartussen spanning gemeten dient te worden. De multimeter staat nu parallel geschakeld aan het te meten circuit, en de waarde op de display van de multimeter is de spanning die over dit circuit staat.

•

Om stroom door een circuit te meten moet de multimeter in serie met het circuit geplaatst worden. De stroom moet immers door de multimeter lopen. De opstelling wordt getoond in nevenstaande figuur. De zwarte kabel wordt verbonden met de COM ingang en de rode met de 10 A of 400 mA ingang. De draaiknop wordt op mA of A geplaatst. Om de multimeter in DC mode te zetten moet (bij sommige multimeters) de gele knop ingedrukt worden. Begin steeds met de grootste schaalverdeling om de zekeringen in het toestel niet stuk te maken.

Pagina | 10

•

Om weerstand te meten met een multimeter moet deze parallel geschakeld worden. De figuur toont hoe je dit doet: draai de draaiknop naar de stand Ω en verbind de kabels aan beide zijden van de weerstand met de COM ingang en de rode Ω ingang.

Wij bevelen aan om de multimeter voor gebruik te testen. Dit kan u doen als volgt: plaats een weerstand van 100 Ω of groter (terug te vinden in de InnovationLab koffer) in serie met een AAbatterij zoals in bovenstaande figuur. Meet de stroom op de mA en op de A-schaal. Indien er geen stroom gemeten wordt (waarde = 0 op de multimeter) op één van beide meetschalen, dan is er een zekering van de multimeter stuk. Er zijn aparte zekeringen voor de mA en de A-schaal. Vervang de kapotte zekering en test de multimeter opnieuw.

Pagina | 11

Opbouw van de project (halve)dag De projectdag zelf start met een inleidende film die de maatschappelijke context weergeeft voor het ooggestuurd project. U vindt deze terug op de website. Daarna beginnen de leerlingen met het experimenteergedeelte dat bestaat uit 4 modules. De modules moeten één voor één doorlopen worden, dus beginnend bij module 1 (biopotentiaal) en eindigend bij module 4 (programmeren). Er wordt geadviseerd de leerlingen in groepjes van 2 personen te laten samenwerken. De tijd die nodig is om de experimenten van één module te doorlopen varieert per module en wordt geschat op 1 lesuur per module (module 1 neemt wat minder tijd in beslag). Zo vermoeden wij dat, afhankelijk van de schooluren en pauzes, het mogelijk moet zijn om modules 1, 2, 3 en 4 door de leerlingen te laten verwerken op een voormiddag. Het is de bedoeling dat de leerlingen zelf leren ‘ingenieuren’. Ingenieuren betekent in eerste instantie kennis verwerven, en die nadien interactief toepassen. Wij laten hen dus per module de nodige info opdoen en vragen dat de leerlingen zo zelfstandig mogelijk het info blaadje doornemen. Nadien kunnen zij telkens starten met het experimenteer gedeelte. De aangeboden modules zijn: • Module 1: Biopotentialen • Module 2: Van analoog naar digitaal • Module 3: Elektro-oculografie • Module 4: Programmeren Ter aflsuiting van het project is een tweede filmpje voorzien. Het is daarom aangeraden alle bezigheden een 10-tal minuutjes voor het einde van de dag te staken. Dat geeft u voldoende tijd om de leerlingen kort te laten opruimen, om samen nog eens over het project te praten, en om de afsluitende film te bekijken. We apprecieren het ook steeds als u en/of uw leerlingen de tijd nemen om het evaluatie-formulier (te vinden achteraan deze bundel) in te vullen en aan ons terug te bezorgen op [email protected]. Zo kunnen wij het project blijven verbeteren. Bedankt!

Pagina | 12

Gedetailleerde toelichting bij de modules Elke module is voorzien van 2 delen documentatie voor de leerlingen: de infoblaadjes en de experimenteerblaadjes. Deze documentatie is beknopt maar bevat voldoende informatie om de module vlot uit te voeren. In de experimenteermodules zijn soms vragen verwerkt, deze zijn nodig om de leerling aan het denken te zetten over de inhoud van de modules. De antwoorden van deze vragen vindt u in deze handleiding bij de bespreking van elke module terug. Extra informatie voor de leerkrachten over de beoogde leerdoelen en de praktische uitwerking wordt hieronder per module weergegeven. Tevens staan er vermeldingen van de meest voorkomende vragen en dwalingen van leerlingen, en hoe hierop best te reageren. Waar nodig bevat de bespreking van de modules ook extra informatie die de leerkracht kan gebruiken ter ondersteuning. Het is belangrijk dat de leerlingen steeds eerst het info blad doornemen, en pas daarna starten met het experiment gedeelte. Het info blad bevat namelijk de nodige informatie om het experimentgedeelte goed te kunnen uitvoeren en begrijpen. Enthousiaste leerlingen nemen soms te weinig tijd om het info blad grondig door te nemen en willen zo vlug mogelijk aan de slag gaan. Als leerkracht kan u hier een oogje in het zeil houden. Voor enkele modules hebben wij ook een apart vragenblad en antwoordblad voorzien. Deze vragen zijn ‘extra’: deze blaadjes kunnen gebruikt worden voor leerlingen die sneller de modules doorlopen en een extra uitdaging of doordenkertje wel zien zitten. Maar ze kunnen ook zonder problemen over geslagen worden. Op die manier kan de leerkracht differentiëren naargelang het niveau van de leerlingen, of de groepjes op een gelijk tijdschema zetten bij het overschakelen naar een volgende module. De antwoordblaadjes zijn bedoeld voor de leerkracht om de leerlingen bij deze vragen te helpen indien zij de juiste antwoorden niet vinden.

Pagina | 13

Module 1: Biopotentiaal

We starten bij het menselijk oog. Het info blad geeft uitleg over de werking van het oog. De leerlingen leren dat er tussen de 2 oogkamers een stabiel elektrisch veld ligt, en dat het oog een bewegende elektrostatische dipool is waarvan de potentiaal meetbaar is. Concreet wil dit zegen dat de voorkant van ons oog op een iets hogere spanning ligt dan de achterkant van ons oog (1milli-Volt verschil). Als ons oog beweegt, verschuift deze spanning heen en weer, en dit kan gemeten worden. Deze spanningswaarden zijn echter heel klein en kunnen met een gewone multimeter niet gemeten worden. Hier komen we later op terug. Om de leerlingen daadwerkelijk te laten inzien wat het effect is van het bewegen van de ogen, laten we ze een model van het oog nabouwen in het experimentgedeelte. In de koffers bevinden zich in elk leerlingen-bakje plexiplaatjes, batterijen, weerstanden en geleidende verbindingsdraadjes.

De leerlingen maken aan de hand van de blaadjes de opstelling zoals weergegeven op de foto. De baterijen stellen hier het spanningverschil tussen voor en achterkant van het oog voor. De weerstanden representeren het geleidend pad door de huid, waarlangs stroom terug vloeit naar de achterkant van het oog. De gele kabel onderaan is het weefsel in ons hoofd, dat de achterkant van onze ogen op gelijke potentiaal houdt. Zorg ervoor dat alle draadjes goed contact maken met de batterijhouders. Dit kan door de ijzerdraadjes er een paar keer rond te draaien. De weerstanden onderling verbinden we ook door de ijzerdraadjes te laten verstrengelen en te twisten.

Om na te gaan wat er gebeurt als we rechtdoor kijken, plaatsen we de meetpunten van de voltmeter symmetrisch aan de zijkant van beide ogen (2 weerstanden onder en 2 weerstanden boven het aanhechtingspunt). Je meet nu 0 Volt.

Pagina | 14

Deze waarde kan berekend worden met de formule van de weerstandsdeling:

Voog1 =

Voog2 =

100 kΩ

+ 100 kΩ

∙ 1,5 V = 0,75 V

100 kΩ

+ 100 kΩ

∙ 1,5 V = 0,75 V

100 kΩ + 100 kΩ

100 kΩ + 100 kΩ

+ 100 kΩ + 100 kΩ

+ 100 kΩ + 100 kΩ

Gemeten spanning over beide ogen = Voog1 - Voog2 = 0,75 V – 0,75 V = 0 V

Wanneer de ogen naar links gedraaid worden over een hoek van 45°, meten we links achter de eerste weerstand, en rechts achter de derde (zie foto), en krijgen we de volgende berekeningen:

Voog1 =

100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ 100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ

∙ 1,5 V = 1,125 V

Voog2 =

100 kΩ 100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ

∙ 1,5 V = 0,375 V

Gemeten spanning over beide ogen = Voog2 - Voog1 = 0,375 V - 1,125 V = - 0,75 V

Draaien van de ogen naar rechts over een hoek van 45°, meten we links achter de derde weerstand, en rechts achter de eerste (zie foto), en krijgen we de volgende berekeningen:

Voog1 =

100 kΩ 100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ

∙ 1,5 V = 0,375 V

Voog2 =

100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ 100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ + 100 kΩ

∙ 1,5 V = 1,125 V

Gemeten spanning over beide ogen = Voog2 - Voog1 = 1,125 V - 0,375 V = + 0,75 V

Pagina | 15

De spanning tussen de ogen is in werkelijkheid veel (wel duizend maal) kleiner is dan wat we hier meten. Hier komen we in module 3 op terug. Uiteindelijk willen we deze signalen niet gaan opmeten met een multimeter, maar met een computer. Hiervoor dienen we echter eerst inzicht te krijgen in het verschil tussen analoge en digitale signalen. We gaan over naar module 2, waar we uitleggen hoe je van een analoog signaal naar een digitaal signaal gaat.

Vragen en antwoorden Afhankelijk van de richting, het leerjaar, of gewoon de handigheid van de leerling zelf kan het voorkomen dat sommige leerlingen sneller klaar zijn dan anderen. Deze leerlingen kunnen zich buigen over de extra vragen, zo houden zij hun aandacht bij het project. Tevens is het voor de leerkracht leuker als de tijdsindeling per module kan gevolgd worden voor de hele groep samen. De antwoorden op de extra vragen vindt u hier: • Waarom bouwen we weerstanden aan de buitenzijden van de plaatjes? Wat stellen ze voor in ons lichaam? Zouden ze hetzelfde zijn bij elke mens? Maakt dit uit? De weerstanden aan de buitenzijde van de plaatjes zijn een nabootsing van de wand van het oog zelf. Deze weerstand verschilt van mens tot mens. We meten echter niet de grootte van de weerstand van het oog maar de spanningsverandering bij rotatie van het oog, die enkel afhangt van een relatieve weerstandsdeling. Dit heeft dus geen belang. Ook aan de andere kant van het plaatje (tussen de twee ogen) staan soortgelijke weerstanden. Deze zijn in ons experiment weggelaten, omdat we hier niet dienden te meten met de voltmeter. • Niet alle mensen kijken steeds mooi rechtuit, wat geïllustreerd wordt door onderstaande afbeelding.

Welke waarde krijg je op je voltmeter als beide ogen over eenzelfde hoek naar binnen gedraaid worden? Als je beide ogen over eenzelfde hoek naar binnen draait krijgt je de waarde 0 op je voltmeter. • Welke spanningsveranderingen lees je af op de voltmeter bij een verticale beweging van de ogen (elektroden blijven aan de zijkant van het oog)? Als je de ogen naar omhoog en omlaag beweegt terwijl de elektroden op dezelfde plaats blijven verandert de positie van de dipool t.o.v. de elektrodes niet. Er zijn dus geen veranderingen in aflezingen op de voltmeter. • In werkelijkheid meet de dipool van ons oog geen 1,5V (zoals een batterij), maar slechts een 0,5 mV. Wat verandert dit aan het experiment? Kunnen we de oogbeweging nog registreren met de voltmeter? Pagina | 16

De waarden zijn te klein om nog met een voltmeter gemeten te worden. We zouden metingen moeten kunnen doen in de orde van micro-volts. Bijvoorbeeld als we een uitwijking willen kunnen meten met een resolutie van +-10°, dan dienen we met een nauwkeurigheid van 0,5mV*10/180 * 2= 55 microvolt te kunnen meten. We hebben dus nauwkeuriger apparatuur nodig.

Frequently asked questions bij module 1 •

Leerlingen meten altijd ~1.5V op de oogjes Waarschijnlijk hebben ze niet twee keer de – van de batterij verbonden maar de – met de + van de andere batterij verbonden.

•

Leerlingen zien bij het links of rechts kijken geen ~750mV maar een 1 De multimeter staat waarschijnlijk fout ingesteld. De multimeter moet op gelijkspanning staan en als bereik (schaal) minstens 2000mV (2V).

Pagina | 17

Module 2: Analoog naar digitaal

In deze module leren de leerlingen het verschil tussen een analoog en een digitaal signaal en leggen we uit hoe een analoog signaal omgezet wordt naar een digitaal signaal. Ze gaan ook praktisch aan de slag met behulp van het programma eog-scope om de belangrijke parameters voor de omzetting van analoog naar digitaal te onderzoeken.

Infoblad In de eerste module hebben we spanning gemeten. Spanning is een analoog signaal. Andere voorbeelden van analoge signalen zijn snelheid, druk, geluid …. Alle fysische grootheden die we kennen zijn analoge signalen. Een analoog signaal is steeds een continu signaal, dat binnen bepaalde grenzen (minima en maxima) alle mogelijke waarden kan aannemen. Bij het aflezen van een analoog signaal kunnen echter benaderingen optreden, denk maar aan een aflezing tussen 2 maatstrepen. Een digitaal signaal is een discreet signaal. Dit wil zeggen dat het slechts een beperkte set van mogelijke waarden kan aannemen. Voorbeeld: natuurlijke getallen zijn discreet, reële getallen zijn continu. Bovendien kan een digitaal signaal enkel van waarde veranderen op welbepaalde discrete tijdstippen. Om de overgang van analoog naar digitaal uit te leggen illustreren we dit met geluid.

Wat is analoog geluid? Elk geluid dat we waarnemen is intrinsiek een analoog geluid. Het praten, ruisen van de wind in de bladeren, een blaffende hond, enz. veroorzaken analoog geluid. Ons oor registreert dit analoge geluid en stuurt dit door naar onze hersenen. In dit hele proces blijft het geluid ‘analoog' en wordt het niet gedigitaliseerd.

Digitaal geluid Om analoog geluid te verwerken of op te slaan in een computer moet dit geluid eerst gedigitalliseerd worden. Dit wil zeggen dat het moet vertaald worden naar de toegelaten set van discrete waarden. Deze waarden worden typisch voorgesteld door binaire getallen, bestaande uit een reeks ‘1’-en en ‘0’-en. Door een reeks 1’-en en 0’-en achter elkaar te plaatsen en gebruik te maken van bepaalde regels kan een computer zo informatie opslaan. Als het geluid is opgeslagen en we willen het terug afspelen, zal de computer de binaire informatie versturen naar de geluidskaart van de luidspreker. De geluidskaart zal de binaire getallen terug omzetten naar een (analoog) elektrisch signaal, dat verstuurd wordt naar de luidspreker.

Pagina | 18

Hoe zetten we analoog geluid om in digitaal geluid? De kleinste eenheid van informatie waarmee onze computer werkt is één bit. Een bit staat aan (1) of uit (0). Verschillende bits samen, vormen een binair getal. Computers zijn heel snel in het verwerken van grote groepen binaire getallen. 2 bits kunnen 4 verschillende toestanden weergeven, namelijk 00, 01, 10 en 11. Zij kunnen dus vier mogelijke discrete waarden weergeven. Met 3 bits kunnen we 8 verschillende toestanden weergeven, en met 4 bits 16. Een groep van 8 bits noemt men een byte. Met 1 byte krijgen we dus 28 of 256 mogelijkheden. In het algemeen kunnen met ‘N’ bits, 2N binaire getallen weergegeven worden. Deze N bits wordt resolutie van de analoog naar digitaal omzetter genoemd. Naarmate we meer bits (of bytes) gebruiken, kan de computer een groter aantal discrete waarden voorstellen en gebruiken. De omzetting van analoog naar digitaal kan grafisch geïllustreerd worden aan de hand van een sinusoïdaal analoog signaal, zoals op de figuren hieronder wordt weergegeven. Deze figuur vertrekt van een analoog signaal (blauwe lijn). Wanneer we het analoge signaal willen digitaliseren, dienen we het eerst te bemonsteren. Dit betekent dat we op regelmatige tijdstippen dit signaal opmeten (dit wordt weergegeven door de rode bolletjes), waarna die waarde afgerond wordt naar het dichtstbijzijnde discrete niveau (dit wordt weergegeven door de zwarte pijlen). Het resultaat is een digitaal signaal (rode volle lijn).

Voor een resolutie van 2 bits kunnen we 22 of 4 niveaus (namelijk 00, 01, 10 en 11) gebruiken om aan te geven wat ongeveer de waarde van het analoge signaal is. De rode lijn geeft het gedigitaliseerde signaal weer. We zien dat met 2 bits de opgemeten en gedigitaliseerde golf niet goed op de originele golfvorm lijkt. Voor een resolutie van 3 bits (dus 23 = 8 niveaus: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 en 111) krijgen we onderstaande grafiek.

Pagina | 19

De nauwkeurigheid (resolutie) waarmee de sinus benaderd wordt door middel van de binaire niveaus ligt al een stuk hoger. We laten de leerlingen dit zelf ontdekken in het experimentgedeelte.

Experimentblad Het experimentblad start met enkele korte richtlijnen om de actieve microfoon uit te schakelen. Dit is nodig om het experiment in de EOG scope goed uit te kunnen voeren. We openen het programma ‘eogScope’. Dit gebeurt als volgt: -

Open in de folder EOG_project de subfolder EOG-software Dubbel klik op eog Klik op eogScope

Het programma heeft 3 verschillende modes: de golfvorm, de audio modus en de Eog dongle modus. We gaan elk van deze modes onderzoeken in een experiment. Het is van belang dat de leerlingen de informatie bij Instellingen in de experimentblaadjes goed lezen om te begrijpen wat er gebeurt. We plaatsen deze hier nog eens: • •

Bij “bits” kan je instellen met hoeveel bits de bovenvermelde analoge signalen gedigitaliseerd dienen te worden. Met de twee “zoom” knoppen kan je de grafiek inzoomen, dit zowel op de horizontale als op de verticale as.

Pagina | 20

• •

Met de twee “schuif” knoppen kan je de grafiek opschuiven, dit zowel op de horizontale als op de verticale as. De blauwe curve geeft steeds het analoge geluidsignaal, de rode curve geeft het gedigitaliseerd signaal van het analoge geluidsignaal.

Experiment 1 De scope wordt ingesteld op de golfvorm functie. In eerste instantie krijg je 2 gelijke grafieken te zien. De scope geeft identieke panelen naast elkaar weer, zodat het eenvoudiger is om het effect van verschillende instellingen met elkaar te vergelijken. Op de horizontale as staat de Tijd in seconden. Door de horizontale zoom functie te gebruiken kan je op deze as inzoomen. Door de horizontale schuif functie te gebruiken verschuif je op deze as, zonder in te zoomen. Op de verticale as staat links analoge waarde, tussen 0 en 5. Dit is een arbitraire as, dus staat er geen eenheid vermeld. Aan de rechterkant staat digitale waarde als discrete getallen voorgesteld door gehele getallen. De waardes op deze rechtse digitale as zullen veranderen afhankelijk van de bitsinstellingen. Wanneer de digitalisering instellen op 1 bit, krijgen we op de rechtse as 2 niveaus te zien, nl. 0 en 1 (21=2); wanneer we instellen op 2 bits krijgen we 4 niveaus, nl. 0, 1, 2 en 3 (22=4); 3 bits levert 8 niveaus (23=8), enz. Dit werd reeds uitgelegd in het info blad. Het is dus belangrijk dat leerlingen steeds het info blad grondig doornemen. Op beide verticale assen kan je terug inzoomen en schuiven. Let wel: Je kan niet schuiven als de verticale as reeds volledig is uitgezoomd (zoomknop op de verticale as staat onderaan). Om dus verticaal te kunnen schuiven moet je de zoomknop eerst naar boven verplaatsen. Wanneer je op de middelste afspeelknop klikt, hoor je het originele geluid van de golfvorm (dit is een analoog signaal), in dit geval een “la”. Door op de knoppen en te klikken, krijg je het overeenkomstige digitale signaal te horen, afhankelijk van het aantal ingestelde bits. Het aantal bits is ingesteld op 1 bit als startpositie. Bij 1 bit lijkt het rode digitale signaal nog niet op het blauwe analoge signaal. Wanneer het digitale geluid afgespeeld wordt geeft dit daarom een ‘hard’ ruizig geluid, dat niet op het analoge geluid lijkt. Nu moet het aantal bits gewijzigd worden. Dit kan zowel op kanaal 1 als op kanaal 2, zodat de invloed van de instellingen voor bits goed kan vergeleken worden op de 2 scopes naast elkaar. Men ziet dat: • Als het aantal bits stijgt, het rode digitale signaal steeds beter het blauwe analoge signaal benadert. • Als het aantal bits stijgt, je op kanaal 1 en kanaal 2 een geluid te horen krijgt dat steeds beter lijkt op het oorspronkelijke analoge geluid.

Pagina | 21

Vragen en antwoorden: 1. Verandert de kwaliteit van het analoge signaal als je het aantal bits wijzigt? Neen, want dit is het vooraf opgenomen signaal dat niet verandert door de digitale instellingen. 2. Verandert de kwaliteit van het digitale signaal als je het aantal bits wijzigt? Ja, hoe hoger het aantal bits hoe meer het signaal op het origineel lijkt. 3. Heeft het zin om tot 10 bits te gaan voor het digitale signaal? Je hoort en ziet een duidelijke verbetering tot 6 bits, daarna worden de verschillen klein. Experiment 2 In dit experiment gaan we zelf geluid opnemen, bekijken en herbeluisteren. We gebruiken daarvoor de audio mode van de eog-scope. Eerst nemen we geluid op. Dit kan door op de middelste opname knop te klikken en iets in te spreken. De opnametijd staat ingesteld op 2 seconden, maar kan verhoogd worden indien je dit wilt.

Het is belangrijk dat een groot deel van het verticale gebied gebruikt wordt (tussen 0 en 5 op de verticale as), zonder dat de microfoon overstuurd wordt (niet te veel in de buurt van de 5). Je kan diverse keren opnieuw opnemen indien nodig. Een goede opname kan er als volgt uitzien:

Vervolgens wijzigen we het aantal bits links en rechts. Zo kunnen we bijvoorbeeld de linkerscope instellen op 3 bits en de rechter op 7 bits. We krijgen de volgende weergave:

Pagina | 22

Door op de play knoppen van het digitale signaal te klikken (zowel links als rechts) horen we duidelijk het verschil wanneer het aantal bits is veranderd. Wanneer we op de play knop van het analoge signaal klikken horen we terug het origineel opgenomen signaal. Zo kunnen we het gedigitaliseerde signaal goed vergelijken met het opgenomen analoge signaal. We zien ook een verschil op de grafieken: bij 3 bits overlapt het rode gedigitaliseerde signaal het blauwe analoge signaal veel minder dan bij 7 bits.

Vragen en antwoorden:

1. Vanaf hoeveel bits hoor je geen verschil meer tussen het analoge en digitale signaal? Vanaf 8 bits kan je nog moeilijk verschil horen. 2. Zie je op de grafiek nog een verschil tussen het analoge en digitale signaal? Gebruik zowel de horizontale als de verticale zoom! Wanneer je inzoomt kan je goed het verschil zien. Op onderstaande figuur zijn zowel voor de linkse als voor de rechtse scope de zoom en schuif instellingen hetzelfde gemaakt. Selecteer een deel uit de grafiek dat goed binnen het bereik van de grafiek valt, dan is het effect van het aantal bits zeer duidelijk. Je ziet dat bij 3 bits het rode signaal minder goed past op het blauwe signaal, en dat dit bij 7 bits reeds veel beter is.

Pagina | 23

Experiment 3 In dit experiment gaan we na wat het verschil is tussen het digitaliseren van een groot en een klein signaal, of in ons geval: wanneer we zacht of hard praten. We gebruiken nog steeds de audio functie. Zorg er eerst voor dat de zoom niveaus van beide scopes gelijk staan (zowel verticaal als horizontaal). Stel het aantal bits in op 3, dit zowel voor de linker als voor de rechter scope. Gebruik de rode opname knoppen onder elke scope en spreek eerst zacht in bij de eerste scope (gebruik ) en nadien hard bij de tweede scope (gebruik ). Je kan natuurlijk ook eerst hard praten en dan zacht. Zorg wel weer dat de microfoon niet overstuurd wordt (niet te veel in de buurt van de 5). Een voorbeeld van een dergelijke opname zie je hieronder. De linkse scope geeft de zachte opname weer, de rechtse de harde.

Pagina | 24

Gebruik de play knop om beide signalen af te spelen op 3 bits resolutie. Vergelijk het analoge signaal met het digitale signaal bij K1, en idem bij K2.

Vragen en antwoorden: 1. Wat stel je visueel vast m.b.t. de grootte (amplitude) van beide signalen? De amplitude van het luidste signaal is het grootst. 2. Hoor je bij het afspelen een verschil in kwaliteit tussen beide (hard of zacht) digitale signalen? De kwaliteit van het luidste digitale signaal is het best (zie hieronder voor de verklaring hiervan). 3. Voor het zachte signaal op kanaal K1: hoeveel digitale waardes gebruikt het signaal? Kijk naar het digitale signaal en tel op de rechter as. Laat de grafiek volledig uitgezoomd staan. Dit signaal gebruikt 4 digitale niveaus (zie figuur hieronder voor toelichting) 4. Doe hetzelfde voor het luide signaal op kanaal K2. Hier tellen we 8 digitale niveaus (zie figuur hieronder voor toelichting). Pagina | 25

Het antwoord op vraag 3 en 4 wordt geïllustreerd in onderstaande figuur:

Het rode digitale signaal van K1 wordt weergegeven door 4 niveaus

Het rode digitale signaal van K2 wordt weergegeven door de zwarte pijlen. We tellen 8 niveaus.

Besluit: een kleiner signaal (zachter praten in ons experiment) gebruikt minder digitale waardes dan een groter signaal (luider praten). Een klein analoog signaal omzetten naar een digitaal signaal levert dus een kwalitatief minder goed digitaal signaal op dan een groot analoog signaal. Dit is waarom we in vraag 2 concludeerden dat het luide signaal de beste geluidskwaliteit gaf. De spanningen gemeten rond het oog zijn zeer, zeer klein. Ook hier zouden we lijden onder hetzelfde kwaliteitsverlies als bij het zachte signaal hierboven. Om dit op te lossen gaan we dit signaal versterken. Dit zal aan bod komen in module 3. Om het analoge signaal van ons ook om te zetten naar een digitaal signaal gebruiken we verder in de experimenten de volgende aparte ADC (analoog-naar-digitaal omzetter) die je in de USB poort van je computer steekt.

Pagina | 26

Frequently asked questions bij module 2 •

EOG scope werkt niet naar behoren (grafieken updaten traag) Bij gebruik van EOG scope, moet scratch in de achtergrond open staan. Start ook scratch op via de eogStarter. Als dit niet werkt, start zowel scratch als scope via de eogStarter opnieuw op.

•

Er wordt geen geluid opgenomen. Kijk of de microfoon in het juiste gaatje van de computer zit. Er zou een tekening van een microfoon boven moeten staan. Indien er kleurencodering aanwezig is, is het de rode kleur. Kijk of de microfoon stekker diep genoeg is ingestoken. Alleen de dunne metalen ring mag zichtbaar zijn, de metalen connector staaf mag niet meer zichtbaar zijn.

•

Microfoons zijn niet gevoelig genoeg. Rechter muisklik op de luidspreker in de start balk, dubbel klik op de actieve microfoon. Klik op het tabblad ‘levels’ en schuif de schuifbalk van ‘Microphone’ naar 100. Indien de leerlingen hiervoor geen toestemming hebben, probeer dan de microfoons gevoeliger te maken door ‘Microphone boost’ naar 10,0dB te verschuiven. LET OP: dit kan als gevolg hebben dat er geen verschil meer is tussen zacht en luid praten. Als dit ook niet lukt dan zal je de leerlingen de microfoon dichter tegen hun mond moeten laten houden en ze luider moeten laten praten.

•

EOGscope herkent de ADC USB dongle niet Herstart de EOGscope terwijl de usb dongle in de computer zit.

Pagina | 27

Module 3: Elektro-oculografie

In deze module bouwen de leerlingen zelf een elektrisch circuit dat het signaal van de ogen zal versterken. Deze versterking is nodig, opdat het signaal groot genoeg zou worden, zodat de computer het kan verwerken. Daarvoor moeten de leerlingen eerst goed begrijpen hoe een versterker werkt. Dit wordt uitgelegd in het info blad. Deze info hebben ze nodig om nadien het circuit voor de versterker daadwerkelijk op te bouwen. Het is dus zeer belangrijk dat de leerlingen voldoende aandacht besteden aan het info blad. Na het bouwen van het circuit wordt het bord gekoppeld aan de USB-ADC module (die we in de PC steken) en gebruiken ze opnieuw de EOG scope software van module 2 om het signaal te bekijken op de PC. Aan het einde van deze module kunnen ze effectief de elektrodes rond de ogen plaatsen en daadwerkelijk het effect van de eigen oogbewegingen zien op de computer. Dit komt vaak met de nodige euforie!

Infoblad Waarom versterking? We starten met uit te leggen aan de leerlingen waarom we ons signaal moeten versterken: Onze computer kan enkel digiale signalen uitlezen. Het doet dit door middel van de 10-bit ADC in de USB module (die we in module 2 introduceerden). Deze 10-bits ADC heeft een bereik van 5 Volt. Zoals we vorige module zagen, komt een digitaal signaal van 10 bits (het maximum van onze ADC) overeen met 210 (of 1024) digitale niveaus. De minimale resolutie waarmee we dus naar ons oogsignaal kunnen kijken met de computer is dus 5 Volt / 1024 of ongeveer 5 milliVolt. De spanningswaarden die ons oog genereert liggen echter rond de 1 milliVolt. We kunnen een dergelijk signaal dus niet (nauwkeurig) meten, en zullen dit moeten versterken om het nadien met voldoende resolutie (nauwkeurigheid) te kunnen weergeven op de PC. Werking versterker? We leggen vervolgens de werking van een versterker uit. De versterker die wij zullen gebruiken is een differentiële versterker, wat wil zeggen dat het verschil tussen zijn twee ingangen wordt versterkt. Deze twee ingangen zijn de twee elektroden die we naast onze ogen plakken.

Pagina | 28

Om het effect van een links-rechts beweging van de ogen te meten wordt bij de uitvoering van het experiment een elektrode geplaatst aan beide kanten van de ogen. De signalen van deze elektrodes zijn inkomende signalen, V-IN en V+IN De versterker moet nu het gemeten potentiaalverschil tussen V-IN en V+IN versterken. Dat versterken is eigenlijk hetzelfde als de waarde vermenigvuldigen met een bepaalde factor G. G is dan de “versterkings-factor”, die we zelf kunnen instellen. In onderstaande grafiek wordt de ingang, het potentiaalverschil tussen V-IN en V+IN, weergegeven door de linkse groene en rode pijlen.

De

Vo=(V+IN - V-IN)*G middelste grafiek geeft het verloop van dit verschilsignaal weer (groene curve). De uitgang, op de rechtse grafiek, is dan dit verschilsignaal, opgeblazen met een versterkingsfactor G (hier G=4). Dit signaal komt uit de versterker naar buiten via VO. VO staat voor Vout of uitgaand signaal. Opdat de versterker zou kunnen werken moet hij gevoed worden (vanuit een batterij, of vanuit de PC in ons geval) door verbonden te worden met de grond en de voeding. Dit gebeurt via de grondpin V- en de voedingspin V+. De grondspanning is 0 Volt en de voedingsspanning is 5 Volt. Tenslotte moet de versterker ook een referentiespanning meekrijgen, ten opzichte waarvan hij de uitgang zal positioneren. Deze is in ons geval 2,5 Volt. De leerlingen zullen in de experimenteermodule m.b.v. draadjes zelf deze verbindingen moeten maken. Hoeveel dit signaal versterkt wordt (de versterkingsfactor G), kan ingesteld worden door een weerstand. De keuze van de weerstand bepaalt dus de hoeveelheid versterking. Omgekeerd, door de gepaste weerstand te kiezen kunnen we zelf de versterking bepalen. De leerlingen zullen zelf de versterkingsfactor moeten berekenen en de weerstand moeten kiezen. Dit doen ze in het experimentgedeelte.

Pagina | 29

Experimentblad In het experimentgedeelte bouwen de leerlingen de schakeling om de versterker te verbinden met de oog-elektrodes en met de PC. We laten hen eerst grondig de verschillende onderdelen (EOG bord en versterker) bekijken. Uitdenken en bouwen versterkerschakeling: Een foto van de versterker-chip kan je zien in het info blad (zwarte behuizing met 8 pootjes). De versterker is reeds op het bordje gemonteerd. Met behulp van het schema van de versterker en het stappenplan zijn de leerlingen in staat om het schema aan te vullen. De juiste verbindingen die de leerlingen moeten maken op hun tekening, zijn hieronder weergegeven. De weerstand (zie pijl) wordt nadien tussen de 2 Rg pinnen geplaatst.

Om te weten welke weerstand er moet geplaatst worden moet eerst de versterkingsfactor berekend worden.

G = G =

𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 (𝑉𝑉) 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 (𝑉𝑉)

5 𝑉𝑉/2

0,0015 𝑉𝑉

= 1667

Pagina | 30

De weerstandswaarde Rg wordt dan Rg = 1,0 kΩ * G = 1667 kΩ of 1,6 megaOhm

De weerstanden bevinden zich in het grotere doosje voor de leerkracht in de koffer. Het is de bedoeling dat de leerlingen zelf de juiste weerstand kiezen. De weerstandswaarde van een weerstand kan met een multimeter getest worden. Schakel de multimeter naar de stand om weerstand te meten, plaats de uiteinden van 2 kabels in COM en in Ω en de andere uiteinden aan de linker en rechter zijde van de weerstand. De weerstandswaarde van de juiste weerstand zal de bovenstaande berekende waarde benaderen; het is namelijk onmogelijk (en ook niet nodig) om een weerstand te vinden die exact gelijk is aan de berekende waarde. Indien er een keuze gemaakt moet worden tussen 2 weerstanden waarvan de weerstandswaarde in de buurt ligt van de berekende waarde, is het beter die weerstand te kiezen met de lagere waarde, omdat anders de versterking te groot kan zijn (bij een te grote weerstand). Wanneer de leerlingen het schema juist hebben aangevuld kunnen ze de juiste schakelingen maken op het bordje en de weerstand plaatsen.

Aansluiten electrodes en meten EOG signaal: Nu moeten de elektrodes nog geplaatst worden. Om te zorgen dat ze goed aansluiten op de huid, dient een dubbelzijdig klevend stickertje en geleidende gel aangebracht te worden op de elektrodes alvorens ze te bevestigen. De tube met gel bevindt zich in het bakje voor de leerkracht. Volgorde van aanbrengen: o o o o o

Eerst sticker kleven op de elektrode (wit papiertje nog niet verwijderen) Gel aanbrengen op het middelste deel (in de uitsparing van het stickertje) Wit papiertje nu verwijderen Elektrodes plaatsen aan weerszijden van de ogen (zo symmetrisch mogelijk) Elektrodedraden verbinden met het EOG bord via E1 en E2

Het bordje wordt daarna met de grijze platte kabel verbonden met de ADC-USB stick en de stick wordt ingeplugd. Om het circuit te testen gebruiken we opnieuw onze EOG SCOPE, dit in de mode eog_dongle. Druk op de start knop van Kanaal 1. Er komt onmiddellijk een rood signaal. Wacht ongeveer 30 seconden totdat het signaal zich stabiliseert: de rode opname zal zich geleidelijk naar de middelste blauwe lijn van de grafiek bewegen (de referentiewaarde van 2,5V). Probeer de ogen zo weinig mogelijk te bewegen en de blik op 1 bepaald punt recht voor te fixeren. Als de rode lijn in de buurt van de blauwe lijn komt, is het signaal gestabiliseerd en kan het testen beginnen. Als er een stabiel signaal is, kan men ogen naar links bewegen, en nadien naar rechts. Voorbeeld van een opname:

Pagina | 31

Oogbeweging naar rechts Oogbeweging naar links

Extra: Omhoog-omlaag beweging meten: Ook de omhoog-omlaag beweging van het oog kan getest worden. Daartoe kan je de elektrodes boven en onder één van de ogen kleven (het linker- of rechteroog, dat maakt niet uit). Wil je graag links-rechts en boven-onder tegelijk meten, dan kan dit ook. We hebben namelijk aan de rechterkant van het bordje een kopie van de versterkerschakeling gerealiseerd. Hier zijn alle verbindingen reeds gemaakt in het bordje. De leerlingen dienen enkel een extra versterker en weerstand in de voet te plaatsen, en een extra paar elektroden in de overeenkomstige connectoren te steken. Ze kleven dan dus 4 elektrodes op het gezicht. De signalen van deze tweede versterker worden automatisch naar kanaal 2 van de USB-ADC module gestuurd, en komen dus terrecht op kanaal 2 van de EOG scope op de PC (nadat je zoals steeds op start hebt gedrukt). Opmerking: een omhoog-omlaag beweging geeft een gelijkaardige opname als een links-rechts beweging. Het wordt nog leuker als één persoon de links-rechts beweging doet, en de andere persoon de omhoog-omlaag beweging. Leerlingen zijn meestal erg enthousiast als ze zien dat wat ze gemaakt hebben ook daadwerkelijk werkt. Laat ze gerust even experimenteren, ze hebben het verdiend! Zo voelen ze zich even ingenieur..! Belangrijk: Na gebruik de elektrodes afspoelen (en wat wrijven) onder een dunne straal stromend water zodat de gel niet hard wordt. Pagina | 32

Extra taak voor snelle leerlingen: ECG meten Leerlingen die zeer vlot gewerkt hebben zijn misschien wat vroeger klaar dan andere. Wie wil kan dan even proberen om een ECG of elektro-cardiogram van zijn hart op te meten. Een ECG is een grafische weergave van de elektrische activiteit van het hart. Daartoe dient dit extra deeltje. Het signaal dat opgemeten wordt bij een ECG is iets groter dan dat van de ogen, het is ongeveer 2 milliVolt groot. Dit betekent dat onze versterkingsfactor G anders zal zijn, en ook de keuze van de weerstand. Deze waarden worden dan:

G =

5 𝑉𝑉/2

0,002 𝑉𝑉

= 1250

De weerstandswaarde Rg wordt dan Rg = 1,0 kΩ * G = 1250 kΩ of 1,25 megaOhm De elektroden die gebruikt werden voor de ogen kunnen nu aan beide zijden van de borstkast (symmetrisch rond het hart) geplaatst worden. Een ECG signaal ziet er normaal als volgt uit:

Wij hebben een opname gemaakt (met de weerstand van 1,6 mega Ohm). Deze zag er zo uit:

Dit is natuurlijk slechts een benadering, wij beschikken natuurlijk niet over de juiste professionele apparatuur. Toch leuk voor de leerlingen om ook eens te doen…! Gaat je hart bv. sneller slaan als je wat op en neer springt? Pagina | 33

Frequently asked questions bij module 3 •

Leerlingen zien een heel ruizig signaal (oog beweging is niet zichtbaar) Laat de leerling zijn huid wat opschuren met de geleidende gel. Breng opnieuw een beetje gel aan op de elektrode (al dan niet met een nieuwe kleefring). Vraag aan de leerling of de elektrode wat losjes aanvoelt op zijn huid. Indien dit het geval is zal hij een nieuwe kleefring moeten aanbrengen en moet hij ervoor zorgen dat er geen gel op deze kleefring terecht komt.

•

Het oog signaal is amper zichtbaar Controleer of de leerling de juiste weerstand heeft geplaatst en laat de leerling zijn huid wat opschuren met de geleidende gel. Het moet 1 weerstand van 1.5MOhm zijn. Indien dit toch het geval is kan je altijd een grotere versterking verkrijgen door een grotere weerstand te plaatsen (desnoods door meerdere weerstanden in serie te schakelen). Zorg er ook voor dat deze weerstanden goed contact maken met elkaar en met de versterker. Gebruik je ook het boven-onder deel van het EOG bord: Vergeet ook daar geen weerstand toe te voegen.

•

Het signaal op de scope zit altijd op de maximale of minimale waarde. Controleer de schakeling van de leerlingen, en controleer of de leerlingen de aangesloten elektrode draden op hun huid hebben gekleefd. Indien dit allemaal correct is, kan je het reserve bordje in de extra leerlingen doos gebruiken. Gelieve het ‘defecte’ bord duidelijk te markeren dat hij defect is en dit aan ons door te geven.

Pagina | 34

Module 4: Programmeren

In deze module maken de leerlingen enkele kleine programma’s in de programmeertaal ‘Scratch’, die de signalen van de oogbewegingen kunnen interpreteren. De opeenvolgende opdrachten leiden tot het maken van een spelletje, waarin ze met hun ogen een rolstoel besturen. De rolstoel moet proberen beloningen op te pikken in een doolhof en tegelijkertijd een rondzwevende donderwolk vermijden. De ervaring met programmeren, die leerlingen uit de 3de graad reeds hebben, blijkt sterk te variëren van school tot school. Sommigen hebben nog nooit geprogrammeerd. Anderen hebben dat al wel gedaan, maar niet in de taal Scratch. Nog anderen hebben in hun 2de graad gedurende verschillende maanden opdrachtjes in Scratch geprogrammeerd. De aanwezige voorkennis en ervaring van de leerlingen voor deze module is dus erg variabel. Afhankelijk van hun voorkennis zullen de leerlingen deze module als moeilijk of gemakkelijk ervaren. Toch blijkt uit vorige sessies met de module dat zelfs de leerlingen zonder enige programmeerervaring in staat zijn om de opdrachten in de eerste drie experimenten succesvol af te ronden. Als leerkracht is het wenselijk dat je het programmeerniveau van je leerlingen vooraf goed inschat. Zo zou je, voor een groep zonder enige programmeerervaring, enkele momenten binnen de sessie kunnen inplannen waarop je (een deel van) de oplossing voor een bepaald experiment zal tonen, zodat iedereen daarna aan de volgende opdracht kan beginnen.

Infoblad Het infoblad voor Module 4 biedt de leerlingen een heel korte inleiding op de programmeertaal Scratch. Scratch is een grafische programmeertaal. Dat betekent dat de programmeur niet echt code schrijft in een teksteditor, maar dat codeblokjes beschikbaar zijn in een grafische editor. Die codeblokjes kan je met de muis oppakken en in je programma plakken. Ze werken als puzzelblokjes. Een programma ontstaat door een hoeveelheid puzzelblokjes te selecteren en die op de juiste manier aan mekaar te klikken. Een dergelijke programmeeromgeving heeft voor- en nadelen. Een voordeel is dat je niet eerst de syntax en de betekenis van een boel programmeerconcepten grondig moet bestuderen, voor je aan de slag kan. De syntax ligt vast in de puzzelblokjes die gegeven zijn. De betekenis van de blokjes is ook heel erg intuïtief. In tal van cyberdojo’s in Vlaamse steden gaan 7-jarigen, vaak zonder enige instructie, gewoon aan de slag met de omgeving en bouwen er kleine programma’s mee. Tegelijk zijn die intuïtieve betekenis en de grafische vorm van de programma’s ook de oorzaak van enkele nadelen. Bij gebrek aan een Pagina | 35

formele karakterisatie van de betekenis van de blokjes, kunnen er soms door de programmeur foute interpretaties aan gegeven worden. Zo is het behoorlijk verleidelijk om in een programmablokje “x” te gebruiken om de huidige x-coördinaat van een object aan te geven. Wat eigenlijk verwacht wordt is dat je hiervoor het blokje “x-positie” gebruikt.

Het programma links laat het object niet draaien, dat doet alleen het programma rechts. Door de vrijheid waarmee je blokjes kan leggen of aan mekaar klikken wordt het soms ook moeilijk om te zien waarom een programma niet werkt. Een voorbeeld daarvan is wanneer je twee blokjes wel op de goede manier onder mekaar legt, maar ze niet in mekaar klikt.

Het programma lijkt correct, maar toch werkt het niet. Het is wel niet gemakkelijk om deze fout met Scratch te bouwen: de blokjes klikken heel gemakkelijk in mekaar. Een ander voorbeeld zou kunnen zijn dat er blokjes code bovenop andere blokjes zijn gelegd. Je ziet de onderste niet helemaal en daarom merk je een potentiële fout niet. Maar ook dit soort van fout is niet zo gemakkelijk te bouwen in Scratch, tenzij je copy-paste gebruikt (zie later).

We gaan later in op enkele andere voorkomende fouten, waar je best oog voor hebt tijdens een sessie met deze module. In het infoblad tonen we de leerlingen een aantal blokjes en leggen we de betekenis ervan uit. Het zijn blokjes die ze vrijwel zeker nodig hebben bij het oplossen van de opdrachten:

De startvlag:

Wanneer je een programma wilt uitvoeren, dan klik je op het groene vlagje boven het beeldvlak.

Waar-onwaar testen: Waarnemen: je kan testen of jouw object een bepaalde kleur raakt. Je kan ook testen of je een kleur niet raakt.

Pagina | 36

Opdrachten laten uitvoeren: Als ... dan ... anders: Indien een voorwaarde waar is, dan voert je programma de eerste opdracht uit, anders voert het de andere opdracht uit. Herhaal-zolang-als: Zolang een voorwaarde waar is, voer een bepaalde opdracht uit. Variabelen:

Als we een getal willen onthouden om later opnieuw te gebruiken kunnen we gebruik maken van een ‘variabele’. Een variabele heeft een naam en bevat een getal of een stukje tekst. Hier hebben we bijvoorbeeld een variabele genaamd ‘mijnvariabele’, waaraan een waarde 10 wordt toegekend. Als je het getal in, bijvoorbeeld, de variabele ‘mijnvariabele’ wilt gebruiken in een wiskundige operatie, zijn er blokjes voor plus, min, maal en gedeeld door.

Willekeurig getal:

Soms heb je een willekeurig getal nodig. Scratch biedt een blokje aan dat een geheel getal teruggeeft tussen twee getallen die je opgeeft.

Bemerk dat de blokjes in verschillende kleuren voorkomen. De kleur van het blokje bepaalt over welke soort van programma-instructie of programma-expressie het gaat. Zo zijn er de lichtoranje blokjes, die de besturing van je programma mogelijk maken. Met lichtblauwe blokjes kan je waarnemen, met donkerblauwe kan je bewegen, met lichtgroene kan je berekenen. Die kleuren zijn een nuttig hulpmiddel bij het zoeken naar een blokje dat je op een bepaald moment nodig hebt. We verwachten dat de leerkrachten de info- en experimentblaadjes niet in kleur zullen kopiëren, wegens de hoge kost. Daarom is het een aanrader om de tabel met de voorbeeldblokjes met een beamer te projecteren, zodat de kleurinformatie toch beschikbaar is voor de leerlingen. Naast informatie over de blokjes bevat het infoblad ook informatie over het scherm waarin Scratch de uitvoering van het programma toont. Dat scherm bestaat uit een hoeveelheid pixels: gekleurde lichtpunten. In een programma behandelen we het scherm als een vlak met een coördinatenstelsel. Plaatsposities op het scherm worden in het programma aangesproken door middel van de x- en ycoördinaat van de positie. De oorsprong van het coördinatenstelsel ligt in het midden van het scherm. Het bereik van de coördinaten wordt weergegeven in de onderstaande figuur. Wanneer we met de muis over het scherm bewegen, dan geeft Scratch de coördinaten van de muis weer, onderaan het scherm. Pagina | 37

Het infoblad sluit af met enkele bedenkingen over slimme computers en artificiële intelligentie.

Experimentblad De leerlingen worden eerst gevraagd om Scratch op te starten. Ze krijgen daarvoor de instructies: -

Open in de folder EOG_project de subfolder EOG-software Dubbel klik op eog Klik op Scratch

De ervaring leert dat die instructies soms niet opgevolgd worden en dat sommige leerlingen op een andere manier Scratch starten, bijvoorbeeld omdat Scratch al beschikbaar is op de computers van de school. Dit geeft geen problemen bij de eerste twee opdrachten, maar waarschijnlijk wel bij het 3de 2de experiment. Bij de bespreking van dat experiment komen we hierop terug.

Experiment 1 In dit eerste experiment moeten de leerlingen een programma maken dat toelaat om een figuurtje op het scherm laten bewegen, gebruik makend van de pijltjestoetsen. Het figuurtje moet daarbij wel altijd binnen de zwarte rand van het scherm blijven.

Pagina | 38

Ze openen het bestand ‘experiment1’ in Scratch (door in Scratch op Bestand -> Openen -> Module 4 Programmeren -> experiment1 te klikken). Er komt een boodschap : Sensorverbindingen met elders zijn ingeschakeld. Hier moeten ze gewoon “ok” klikken. Ze zien een rolstoel in het midden van een zwart kader. Ze worden gevraagd om op het groene vlagje te klikken, om zo te starten, en krijgen het volgende scherm te zien:

Onthoud dat het klikken op het groene vlagje, rechts bovenaan in het scherm, de manier is om aan Scratch te laten weten dat de programma-code (in het midden van het scherm) moet worden uitgevoerd. Soms zitten leerlingen bij één van de opdrachten vast omdat er schijnbaar helemaal niet gebeurt wat in hun programma-code staat, en is de reden gewoon dat ze niet op het vlagje hebben geklikt om dat programma te starten. Als je leerlingen gaat helpen is het altijd een goed idee om even op het vlagje te klikken, om zeker te zijn dat hun probleem niet hieraan te wijten is. Experiment 1 is bewust bijzonder eenvoudig gehouden. De opdracht heeft als voornaamste functie om de leerlingen wat vertrouwd te maken met de Scratch omgeving. Daarom krijgen ze de code die de rolstoel omhoog beweegt, als je op het opwaartse pijltje drukt, al mee in het Scratch programma. Die code is

Pagina | 39

Het heeft een “wanneer” instructie, die de actie start, en verandert dan de y-positie. De ”als” instructie bevat een waar-onwaar conditie, die test of we niet te ver gegaan zijn. Indien dat zo is, dan maken we de verandering van de y-positie terug ongedaan. De leerlingen dienen nu drie soortgelijke blokjes code toe te voegen, voor de drie andere richtingen. Dat vereist uiteraard vrijwel geen denkwerk. Het verplicht ze wel om tussen de beschikbare blokjes te gaan zoeken, blokjes aan te passen, blokjes in het programma te slepen en aan mekaar vast te klikken: de basisacties die je als Scratch programmeur voortdurend dient uit te voeren. Sommige leerlingen kunnen een probleem hebben met het blokje . Ze moeten immers testen op de kleur zwart, terwijl het blokje dat in de instructielijst “Waarnemen” beschikbaar is niet noodzakelijk reeds de kleur zwart heeft. Om de kleur te veranderen klikken ze op de kleur binnen het ruitje. De muis-pointer verandert dan in een pipetje. Als ze de muis nu verschuiven, het pipetje boven een object met een zwarte kleur brengen en dan opnieuw klikken, dan verandert de kleur in het ruitje ook naar zwart. De leerlingen hebben vermoedelijk geen verdere problemen met het maken van de drie nieuwe blokjes code. Toch nog de volgende tip: Het maken van code kan soms erg repetitief zijn. In dit experiment bijvoorbeeld zijn de vier blokjes code ongeveer hetzelfde, met uitzondering van het pijltje dat ingedrukt wordt, een x die soms een y wordt en een 20 die soms -20 wordt, of omgekeerd. Om gelijkaardige stukjes code niet telkens opnieuw, blokje per blokje, uit de instructielijsten te moeten samenstellen, biedt Scratch een copy-paste functionaliteit aan. Wanneer je met de rechtermuisknop bovenaan op een stukje code klikt, dan kan je kiezen om daarvan een kopie te maken. Je kan dit als hint aan de leerlingen geven. Pas wel op: het gebruik van copy-paste maakt het mogelijk om blokjes bovenop andere blokjes te leggen, een probleem dat we al eerder hebben aangehaald. Indien de leerlingen, bij dit experiment of bij één van de volgende experimenten, echt vast zitten, en er is geen tijd meer om het opnieuw te proberen, dan is er altijd nog mogelijkheid om gewoon de modeloplossing te bekijken. Voor elke opgave is er minstens één modeloplossing voorzien. Die kan je de leerlingen tonen, als het echt niet lukt. Tot slot van het experiment 1 krijgen de leerlingen nog enkele vragen waar ze even dienen over na te denken. Vraag b. Als je je programma uittest en de rolstoel staat tegen de rand, dan merk je helemaal niet dat, bij nogmaals klikken, hij op de rand springt en terug. Hoe komt dat? Antwoord: Die beweging is er wel degelijk, maar bij een normale belasting van het Scratch systeem, en van de computer, gaat die beweging zo snel dat je die niet kan zien. Vraag c. Eigenlijk lijkt de manier waarop de voorbeeld-code werkt wat te ingewikkeld. Het lijkt eenvoudiger om naar boven te gaan zolang je de rand nog niet raakt. Dus, een aanpak als in:

Wat denk je dat er fout gaat indien je het op deze manier probeert? Je kunt het ook even uitproberen met de (foute) oplossing ‘experiment1-alternatieve’. Pagina | 40

Antwoord: Indien je bij deze “oplossing” herhaaldelijk op het pijltje drukt, dat komt er een moment waarop je te ver gegaan bent en de zwarte rand wel raakt. Vanaf dat moment zit de rolstoel vast. Geen enkel pijltje levert nog een effect op de rolstoel, omdat de waar-onwaar test “niet raak ik kleur” altijd faalt.

Experiment 2 In dit experiment zetten we echt de stap naar de maatschappelijke uitdaging en ontwikkelen de leerlingen het programma dat toelaat om met de ogen de bewegingen van een rolstoel te sturen. De leerlingen openen in Scratch het bestand “experiment2” en krijgen het onderstaand scherm te zien. Meestal wordt dit project aangeboden als 4de module binnen het ruimere EOG-project. Als dat het geval is, dan kennen de leerlingen al de sensoren, het EOG-bord en de EogScope. Soms wordt het project ook aangeboden los van modules 1, 2 en 3. Als dat het geval is, dan moeten ze nu eerst vertrouwd geraken met de sensoren, het EOG-bord en de EogScope. Ze krijgen dan een boel instructies voor het aansluiten van de hardware. Die instructies geven we hier weer:

Pagina | 41

Verbind het EOG-bord, met de USB-aansluiting, aan je computer. Het rode lampje licht op. Bevestig twee sensoren aan de links-rechts aansluitpunten op het EOG-bord. Ga op je computer opnieuw naar het opstart scherm, waar je eerder Scratch hebt gestart, en klik op “eogScope”. Het EogScope scherm opent op je computer. Klik in dat scherm op de “EogDongle” knop en vervolgens op het pijltje onder “K1”. “Gestopt” verandert in “Gestart” en het signaal van de links-rechts sensoren wordt getekend op Kanaal1. Bevestig nu de beide sensoren, één links van je linkerooghoek en één rechts van je rechterooghoek. Indien ze goed bevestigd zijn, dan zal het signaal op Kanaal1 zich na enige tijd (30-tal seconden) vrij stabiel gedragen. Wanneer je met je ogen naar links of naar rechts kijkt, dan moet je op het scherm een uitwijking van het signaal naar boven of onder merken. Mocht dit niet gebeuren, dan zit er onvoldoende of net teveel geleidende gel op de elektroden, of dan zijn de sensoren mogelijk niet mooi symmetrisch of niet dicht genoeg bij de ooghoeken bevestigd. Pas ze dan aan. Check eventueel ook of je bevestigingen aan het bord goed vastzitten. Ga nu terug naar het Scratch scherm. Je ziet er een klein stukje code voor de rolstoel. Die code is onvolledig: jij moet ze aanvullen. De code is heel gelijkaardig aan de code in experiment 1. Alleen willen we het duwen op de pijltjes vervangen door een test op de waargenomen sensorwaarde.

a. Het waarnemen van de sensorwaarden: In de code zie je reeds de blokjes “waarde van sensor schuif” en “gemiddelde1”. Deze blokjes ga je moeten gebruiken om de code te vervolledigen. Klik op het pijltje naast “schuif” en kies voor de waarde “eogDongle-CH1”. Mocht deze waarde niet in het lijstje voorkomen, klik dan met je rechtermuisknop op het blokje en kies voor “sensorverbindingen met elders uitschakelen”. Doe dat vervolgens opnieuw en kies voor “sensorverbindingen met elders inschakelen”. Klik opnieuw (met linkerknop) op het pijltje naast “schuif” en nu kan je wel “eogDongle-CH1” kiezen. Om de waarde van een sensor in Scratch te tonen, ga je naar de lichtblauwe instructies “waarnemen”. Verander ook daar in het blokje “waarde van sensor” “schuif” door “eogDongle-CH1”. Het tonen van de waarde van de sensor gebeurt met het aanvinken van het ruitje: . De sensorwaarde verschijnt nu in het Scratch beeldscherm. De sensorwaarden in Scratch zijn gelijk aan de voltages in EogScope maal 1024/5.

Dit eerste deel van experiment 2 omvat activiteiten die reeds uitgevoerd werden in de module 3. Dat is in het bijzonder het geval voor het werken met de sensoren. De handleiding voor module 3 geeft daarover meer informatie, indien nodig. De richtlijnen hierboven, aangaande het instellen van het “waarde van sensor” blokje, hebben te maken met het feit dat de connectie tussen Scratch en de sensoren niet altijd automatisch start. Zoals eerder vermeld kan het zijn dat de leerlingen Scratch op een andere manier dan voorgeschreven hebben opgestart. Dan moet de connectie met de sensoren op de hierboven

Pagina | 42

beschreven manier worden gemaakt. Soms gebeurt het ook dat de connectie er wel was, maar uitvalt. Ook dan kan die hersteld worden op bovenstaande manier. Enkele seconden nadat er op het vlagje werd geklikt verschijnen ook de waarden van gemiddelde1 (en 2):

De volgende opdracht in experiment 2 is: b. We willen nu Scratch code die de waarde die je inleest omzet naar de commando’s ‘links’ en ‘rechts’ voor de ene sensor (‘eogDongle-CH1’) en naar ‘omhoog’ en ‘omlaag’ voor de andere sensor (‘eogDongle-CH2’). Omdat de waarde van de sensoren niet altijd heel stabiel blijft is het nuttig om te beschikken over de gemiddelde waarde van het sensor-signaal over de laatste seconden. Die waarde is een stabielere referentiebasis. Het bestand ‘experiment2’ bevat een oplossing voor het vorige experiment, maar daarnaast ook code die de gemiddelde waarde van de beide sensoren over de laatste seconden geeft. Druk op het vlagje om te starten. Het duurt enkele seconden voor de gemiddelden verschijnen. Vervolledig nu de Scratch code zodat die je toelaat om met je ogen de rolstoel te besturen. Werk daarbij eerst alleen op links-rechts. Sluit de onder-boven sensoren nog niet aan, omdat die – als ze los op de tafel liggen – het signaal kunnen storen. Bedenk een test op basis van de signaalwaarden en het gemiddelde1 die aangeeft dat er een oogbeweging naar rechts was en voeg die test toe in de code. De pijltjes werken nog steeds, dus die kan je bijkomend gebruiken tijdens het uitproberen. Probeer de test te verbeteren tot die goed werkt. Waarschijnlijk moet je ook een vertraging in de code insluiten, zodat je rolstoel niet in één ruk van links naar rechts op het scherm gaat. Maak dan gelijkaardige code voor oogbewegingen naar links. Tenslotte sluit je ook de twee andere sensoren aan, bevestigd boven en onder één van je ogen, en maak je ook de code voor beweging naar boven en onder.

Pagina | 43

Wat hier verwacht wordt van de leerlingen is dat ze opmerken dat de waarde van de sensor met een bepaalde grootte stijgt, of daalt, wanneer de ogen naar links, of naar rechts, bewogen worden. Vermits gemiddelde1 de gemiddelde waarde van die sensor over de laatste seconden bevat, ontstaat er dus een verschil in grootte tussen de huidige waarde van de sensor en die van gemiddelde1. De leerlingen moeten trachten in te schatten hoe groot dat verschil is. Stel dat ze merken dat het verschil steeds ongeveer 50 groot is. Ze dienen vervolgens een ondergrens op dat verschil te kiezen die veilig is, bijvoorbeeld 40. Hierbij betekent “veilig” dat, als er een verschil opgemerkt wordt dat groter is dan 40, dan hebben we te maken met een oogbeweging in die bepaalde richting. Hetzelfde doen ze uiteraard ook voor de andere richting, waarbij de uitwijking typisch negatief zal zijn en er dus een negatieve grens, bijvoorbeeld -40 wordt vastgesteld. Tenslotte brengen de leerlingen een waar-onwaar test in de code die test of het verschil tussen de twee waarden groter is dan de vastgelegde veilige grens. Het resultaat ziet er dan als volgt uit (zie experiment3-oplossing):

Het vinden van de veilige grenswaarde is niet altijd heel gemakkelijk. Het kan ook zijn dat de afwijkingen tussen de sensor en gemiddelde1 in de loop van de tijd veranderen en de grenswaarde dus moet bijgesteld worden. Ook kan er een probleem opduiken indien de leerling gedurende een te lange periode naar één kant blijft kijken. Uiteraard heeft dit tot gevolg dat de waarde van gemiddelde1 zich aanpast en het verschil met de sensor zich anders gaat gedragen. Het is dus de bedoeling om slechts voor korte tijd naar links of rechts te kijken. Indien de leerlingen niets meer doen dan alleen de test inbrengen in het reeds opgegeven stukje code, dan krijgen ze een werkend programma, maar wanneer ze in een bepaalde richting kijken zal de rolstoel plots een heel verre beweging in die richting maken. Het stukje code in de herhaal lus hierboven wordt namelijk heel vaak op korte tijd uitgevoerd en er volgen een boel bewegingen na mekaar. Waarschijnlijk is het eerder de bedoeling dat bij elke oogbeweging de rolstoel maar één stapje in die richting verplaatst wordt. Om dat te bereiken moeten de leerlingen een “wacht” instructie toevoegen in de herhaal lus:

.

Uiteraard dienen de leerlingen 4 verschillende stukjes code te maken, voor links, rechts, boven en onder. Indien daar tijd voor blijft, kunnen de leerlingen ook de onder en boven sensoren bevestigen en de besturing van de beweging van de rolstoel volledig afwerken. Bij de oogbewegingen naar onder doet er zich soms een probleem voor. Heel vaak zijn beeldschermen (minstens bij het gebruik van labtops) gepositioneerd onder de ooghoogte van de gebruiker. Indien dit zo is in de computerklas waar het EOG-project wordt uitgevoerd, dan kan het moeilijk zijn om oogbewegingen naar onder te detecteren. De gebruiker kijkt dan immers Pagina | 44

voortdurend naar beneden, zodat de extra oogbeweging in die richting erg beperkt is. Dit is alleen oplosbaar door de positie van de gebruiker ten opzichte van het scherm aan te passen. Experiment 2 wordt afgesloten met de volgende vraag: Vraag: Werkt je oplossing bij alle personen in je groepje (of voor andere mensen)? Of moet je telkens iets aanpassen om het te laten werken? Antwoord: Meestal gedraagt het signaal zich inderdaad anders voor verschillende personen. De code moet dan aangepast worden: nieuwe grenzen worden bepaald en in de code aangebracht.

Het laatste experiment valt normaal buiten de beschikbare tijd voor deze module. Indien sommige leerlingen snel met experimenten 1 en 2 klaar zijn, dan kunnen ze wat code schrijven voor het verdere vervolledigen van het spelletje. Experiment 3 De leerlingen gaan nu gaandeweg een echt spelletje maken. Ze openen daarvoor het bestand ‘experiment3’ in Scratch. Ze worden gevraagd om in het venster rechts onderaan op het beloning figuurtje te klikken en krijgen dan het volgende scherm:

Pagina | 45

De rolstoel bevindt zich nu in een doolhof, waarin bewogen moet worden. De rolstoel mag enkel op de witte delen bewegen, de zwarte stukken zijn muren. De code uit het vorige experiment, om de rolstoel te bewegen, is hier al voorzien (ze kunnen die bekijken door op het rolstoel prentje te klikken). In dit experiment gaan de leerlingen beloning laten verschijnen op nieuwe locaties, waarna de rolstoel de beloning moet oppikken. Er staat al wat code voor de beloning, die ze in deze opgave moeten uitbreiden. Je dient eerst op het prentje voor de beloning te klikken als je deze code wil bekijken.

Hieronder de instructies die de leerlingen bij deze opdracht krijgen: Voeg code toe die, nadat de rolstoel de beloning heeft aangeraakt, de beloning op een andere, geldige plaats zet. We willen graag dat die nieuwe positie niet voorspelbaar is. Laat Scratch een willekeurige x-coördinaat en y-coördinaat bepalen, binnen het bereik van het bord, en verplaats je de beloning daar naartoe. Bij deze oplossing moet je extra code voorzien voor het geval dat de gekozen positie zwart raakt en voor het geval dat de gekozen positie toch nog buiten het spelbord valt. Waarschijnlijk heb je voor deze oplossing een “herhaal” instructie nodig. Laat de batterij ook in het midden van het pad terecht komen. Dit kan je doen door de coördinaten veelvouden van 20 te maken. Pas op: als je op de x-positie van de beloning wil testen, dan moet je dat met het blokje “xpositie van beloning" uit de lichtblauwe instructies doen (niet met “x”). Zoals je in de opgave bemerkt worden de leerlingen ook bij dit experiment nog stevig bij de hand gehouden. Ze krijgen niet alleen de opdracht om de beloning naar niet voorspelbare locaties te verplaatsen, maar ze krijgen ook een hoog-niveau beschrijving van een manier waarop je dat kan realiseren. We hebben dit vooral gedaan om de begeleiding door de leerkracht te vergemakkelijken. Door een focus op bepaalde oplossingsstrategieën wordt een wildgroei aan mogelijke problemen en programmeerfouten beperkt. Die zijn nu een stuk beter voorspelbaar.

Hieronder zie je een modeloplossing voor de gevraagde strategie (experiment2-oplossing1):

Pagina | 46

Deze oplossing vereist geen extra variabele. De random waarde die Scratch genereert is zelf de positie waar de beloning naartoe gaat, dus heb je geen nood meer om te kunnen testen op de gegenereerde waarde. Bij deze oplossing springt de beloning zo vaak als nodig naar steeds andere posities, tot ze uiteindelijk op een toegelaten positie terecht komt. De bovenstaande oplossing is erg eenvoudig. Leerlingen genereren soms alternatieven, waarbij er eerst voor de x-coördinaat tussen -160 en 160 gesprongen wordt (de volledige breedte van het spelbord). In dat geval zijn er nog extra testen nodig, om uit te sluiten dat de beloning buiten de linker of rechter inham van het bord terecht komt.

De bovenstaande code vervangt de drie laatste instructies uit de vorige modeloplossing voor deze keuze. Het is een vrij moeilijke (en inefficiënte) constructie. De waar-onwaar conditie in de nieuwe “herhaal tot” instructie is vrij complex. Het bereik voor de ycoördinaat dat je wilt uitsluiten is hetzelfde voor de linker inham als voor de rechter. Er staat dan ook een “en” tussen de twee testen voor de y-coördinaat. Voor de x-coördinaat dienen we de unie van de inham links, en die rechts uit te sluiten. Om die unie uit te beschrijven gebruiken we een “of”. Bemerk ook dat de nieuwe “herhaal tot” instructie ingesloten zit binnen de vorige “herhaal tot”. Die nieuwe “herhaal tot” kan eventueel opnieuw een locatie kiezen die zwart raakt. Daarom moet de conditie “raak ik kleur zwart” opnieuw getest worden, wat we verzekeren door de nieuwe herhaal lus binnen de vorige herhaal lus te plaatsen en niet gewoon erna. Ook belangrijk in deze nieuwe variant is de manier waarop er verwezen wordt naar de huidige waarden voor de x- en de y-coördinaten van de beloning. Die worden benoemd door “x-position” en “y-position”, niet door “x” en “y”. Het is een wat inconsistente keuze die het Scratch systeem maakt. In ingebouwde blokjes verwijst het systeem zelf naar “x” en “y” (kijk maar naar de “ga naar” instructies), maar de programmeur moet “x-position/y-position” gebruiken. Hieronder zie je een modeloplossing voor de gevraagde strategie waarbij de batterij enkel naar het midden van de banen kan springen (experiment2-oplossing2):

Pagina | 47

Naast de drie modeloplossingen die we hier tonen zijn er nog tal van andere mogelijk. In de oplossingsbestanden zien de leerlingen, naast de twee eerste modeloplossingen die we hier hebben besproken, ook nog compactere versies daarvan (experiment2-oplossing1-compact en experiment2oplossing2-compact). Het zijn slimme encoderingen voor conceptueel vrijwel dezelfde oplossingen. Vermits er nog steeds een grote variabiliteit aan oplossingen mogelijk is, blijft de leerkracht mogelijk geconfronteerd met oplossingen van leerlingen die niet werken en waarvoor het niet evident is wat de oorzaak van het falen is. Een belangrijke tip die je de leerlingen kan geven is om zelf te proberen om hun programma te ‘debuggen’. Dat kunnen ze doen door op een aantal plaatsen in hun programma een schrijfinstructie toe te voegen. Hiervoor kunnen ze bijvoorbeeld de “zeg” instructie uit de paarse instructielijst “Uiterlijk” gebruiken. Door op een aantal plaatsen in het programma een dergelijke instructie toe te voegen kunnen ze, bij uitvoering van hun programma, zien op welke plaats het programma niet verloopt zoals zij dat verwacht hadden. Dit geeft hun mogelijk voldoende informatie om een fout in hun programma op te sporen. Alternatief, en zeker als de timing dat vereist, kan je hun natuurlijk ook naar de modeloplossingen verwijzen.

Pagina | 48

Afsluiten Op het eind van een drukke experimenteer (halve) dag hopen we dat de leerlingen moe, maar voldaan zijn. We laten hen echter niet zomaar de klas verlaten, maar bieden nog een klein stukje film aan als afsluiter van de dag. Het is daarom aangeraden alle bezigheden een 10-tal minuutjes voor het einde van de dag te staken. Dat geeft u ook voldoende tijd om de leerlingen kort te laten opruimen, om samen nog eens over het project te praten, en om de afsluitende film te bekijken. Dit filmpje spoelt hen letterlijk terug naar het begin van de dag waar ze voor de uitdaging gesteld werden om te ontdekken en te ingenieuren. Een korte terugblik naar de probleemstelling, naar de vraag waarom wetenschap en ingenieuren belangrijk is. We hopen dat ze een deeltje van het antwoord gevonden tijdens deze project dag, en dat ze hierin de nodige motivatie kunnen vinden om in hun eigen toekomst te blijven meedenken, mee-ontwerpen en mee-bouwen aan deze uitdagingen van de wereld. Opruimen Wanneer het materiaal op het eind van het project terug in de koffer moet, vragen wij enkel dat u de elektrodes goed reinigt, opdat de aangebrachte gel (die later opdroogt) niet tussen het grijze binnenste en het blauwe buitenste plaatje komt te zitten. Dit kan door de elektrodes te wassen onder een dunne straal stromend water (beter niet lang laten weken in een waterbad) en nadien af te drogen. Alle andere materialen mag u terug in de bakjes steken zoals ze door de leerlingen zijn gebruikt, zonder dit terug te demonteren. Wij zorgen zelf voor het terug op orde zetten van de koffers. Evaluatie We apprecieren het als u en/of uw leerlingen de tijd nemen om het evaluatie-formulier (volgende bladzijde) in te vullen en aan ons terug te bezorgen. Zo kunnen wij het project blijven verbeteren.

Bedankt dat u aan ons project deelnam!

Pagina | 49

Evaluatieformulier Wij stellen het op prijs indien u dit evaluatieformulier zou willen invullen. Met uw feedback kunnen wij verder werken aan de verbetering van dit project. 1. Algemene vragen 1) Met welke klas hebt u dit project gedaan?

2) Hoeveel leerlingen zaten er in elke klas?

3) Was de inleidende film motiverend?

4) Was de afsluiter zinvol?

5) Waren de leerlingen enthousiast bij de uitvoering van het project?

6) Beschikt de school over de voldoende infrastructuur om dit project uit te voeren?

7) Past het project in de keuzerichting van de klassen die deelnamen?

Pagina | 50

2. Het werkmateriaal voor de leerlingen 1) Denkt u dat het infoblad voldoende duidelijk is voor de leerlingen? Begrijpbaarheid infoblad slecht

matig

goed

Zeer goed

a. Biopotentiaal









b. Analoog naar digitaal









c. Electro-oculografie









d. Programmeren









2) Wat vond u van de moeilijkheidsgraad van de modules? Infoblad

Experimentblad

gemakkelijk

goed

moeilijk

gemakkelijk

goed

moeilijk

a. Biopotentiaal













b. Analoog naar digitaal













c. Electro-oculografie













d. Programmeren













3) Wat vond u van het aangeboden materiaal uit de koffers? (Was dit in goede staat, was er voldoende, hadden de leerlingen ergens problemen…..?)

Pagina | 51

3. Het materiaal voor de leerkracht Geeft de leerkrachtenhandleiding voldoende uitleg om de leerlingen te begeleiden? Zijn er eventuele knelpunten?

4. De uitvoering van het project door de leerlingen Hebt u ervaren dat de leerlingen bij bepaalde modules problemen hebben? Zijn er zaken die voor verbetering vatbaar zijn?

5. Zijn er nog opmerkingen die u graag kwijt wilt? Schrijf ze gerust neer.

Bedankt voor uw medewerking.

Pagina | 52