Výpočetní technika na škole s technickým zaměřením

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání

Výpočetní technika na škole s technickým zaměřením Závěrečná práce

Vedoucí práce:

Vypracoval:

doc. Ing. Jiří Rybička, Dr.

Vladimír Provazník

Brno 2008

1

2

Poděkování

„Děkuji tímto vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Dr. Jiřímu Rybičkovi, který mi poskytl cenné rady a kritické připomínky při řešení závěrečné práce.”

3

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci zpracoval samostatně za použití uvedené literatury a podle pokynů vedoucího práce.

V Lanškrouně dne 5. 5. 2008

Vladimír Provazník

4

Abstrakt V této závěrečné práci popisuji činnost ICT koordinátora na střední odborné škole se zaměřením na elektroniku. Na několika příkladech jsou přiblíženy možnosti využití ICT v elektronických oborech při použití výukového programu stavebnice µLAB s porovnáním měření na profesionálních měřicích přístrojích. Dále si všímá práce ICT koordinátora a jeho pomoci při zřizování nové učebny.

Abstract The aim of this abstract is to outline an activity of an ICT co-ordinator at an electronics-oriented secondary school. The possibilites of an ICT usage at an electronics field with using a tutorial programme of the uLAB kit in comparison with the measurements made on the professional´s measurement devices are shown in examples. Further, there is also described the co- ordinator work and his / her help with establishment of a new classroom.

5

Motto Čínské přísloví o vzdělávání: „Jak mně něco vysvětlíš – zapomenu, jak mi něco ukážeš – zapamatuji si to, ale jak to udělám – pochopím.“

6

Obsah ÚVOD............................................................................................................................................ 9 CÍL ................................................................................................................................................. 11 ANALÝZA POTŘEB ICT NA ODBORNÉ ŠKOLE ................................................................. 12 ÚLOHA KOORDINÁTORA ICT NA ŠKOLE S OBORY ZABÝVAJÍCÍMI SE ELEKTRONIKOU ....................................................................................................................... 14 PŘEHLED MOŽNOSTÍ VYUŽITÍ ICT V OBORECH SE ZAMĚŘENÍM NA ELEKTRONIKU .......................................................................................................................... 16 MOŽNOSTI VÝPOČETNÍ TECHNIKY .............................................................................................. 16 ÚVOD DO MECHATRONIKY .......................................................................................................... 18 DEFINICE MECHATRONIKY .......................................................................................................... 18 MECHATRONIKA ......................................................................................................................... 19 VÝZNAM A VÝHLED MECHATRONIKY ......................................................................................... 20 MĚŘENÍ POMOCÍ PROGRAMU RC2000............................................................................... 21 SEZNÁMENÍ S FIRMOU RC DIDACTIC .......................................................................................... 21 SPEKTRUM VYUŽITÍ SYSTÉMU ..................................................................................................... 21 FILOZOFIE SYSTÉMU ................................................................................................................... 22 POPIS SYSTÉMU RC2000 .............................................................................................................. 23 KOMPONENTY SYSTÉMU ............................................................................................................. 25 ÚLOHY ........................................................................................................................................ 26 VLASTNOSTI SYSTÉMU................................................................................................................ 26 LABORATOŘ ............................................................................................................................... 26 ORGANIZACE VÝUKY .................................................................................................................. 27 UKÁZKA PRÁCE S PROGRAMEM .................................................................................................. 29 ZPRACOVÁNÍ VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ POMOCÍ OSCILOSKOPU ..................................... 34 OSCILOSKOPY ............................................................................................................................. 34 PROGRAM SCOPE 5.5 .................................................................................................................. 35 ZÁKLADNÍ NASTAVENÍ PROGRAMU A OSCILOSKOPU ................................................................... 36 UKÁZKA PRÁCE S PROGRAMEM .................................................................................................. 37 ÚLOHA ICT KOORDINÁTORA PŘI VÝUCE ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ ............................... 41 ÚLOHA KOORDINÁTORA PŘI ZAVÁDĚNÍ NOVÝCH TECHNOLOGIÍ V PERSPEKTIVNÍCH OBORECH ... 41 NÁVRH NOVÉ UČEBNY ................................................................................................................ 41 OBRAZOVÁ UKÁZKA UČEBNY ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ....................................................................... 42 ZÁVĚR .......................................................................................................................................... 46

7

POUŽITÁ LITERATURA................................................................................................................. 47

8

Úvod I v dnešní době stále platí Komenského myšlenka, že názornost a praktická zkušenost je nejlepší možností k zapamatování si a následnému osvojení probírané látky. Současné možnosti výuky umožňují velmi efektivně do pedagogického procesu zapojit výpočetní techniku s prakticky neomezenými možnostmi vzdělávání. A to od jednoduchých prezentací a psaní textu včetně využití internetu a elektronické pošty až po multimediální výukové a speciální programy. Také s sebou přináší i výuku programovacích jazyků a programování. O bezproblémový chod IT techniky se po organizační, ale velmi často i praktické stránce stará ICT koordinátor. Aby mohl tuto práci kvalitně vykonávat, je nutné sledovat směry vývoje v ICT a vhodně motivovat a vést další vyučující. Spolupracovat s vedením školy a vést aktuální dokumentaci a licence včetně ICT plánu školy. Také na naší škole se snažíme žáky a studenty co nejlépe připravit pro vstup do skutečné reality běžného života. Základní výuka v profilových předmětech oboru probíhá v teorii. Skutečné praktické ověření následuje v návaznosti na teoretické vyučování a výuka probíhá ve specializovaných laboratořích. Zde se žáci učí ovládat i moderní měřicí přístroje a také navrhnout a sestavit automatizované pracoviště pomocí jednoduchých manipulátorů a čidel řízených výpočetní jednotkou. Význam této výuky je v ověření znalostí pomocí zpětné vazby a směřuje k tomu, aby se žák nad danou úlohou zamyslel a naučil se přemýšlet. V závěru práce má žák zhodnotit teoreticky vypočítané hodnoty s výsledky získané při praktickém měření a provést jejich rozbor včetně vyhodnocení. Studijní tvorba a užití didaktických médií podporuje tvořivý a hledající přístup učitele nebo lektora k využívání dnes již klasických i moderních didaktických prostředků. Také kurikulární reforma v našem školství podpořená přijatým školským zákonem a schválenými rámcovými vzdělávacími programy (v současné době se již vytváří na středních školách), předpokládá tvorbu specifických školních vzdělávacích programů. V nich si mohou školy dle vlastních možností vhodně do výuky začlenit ICT. Tento nový směr organizace výuky bude vyžadovat aktivní přístup učitelů spočívající ve vyhledávání vhodných pomůcek a programů na trhu, nebo v jejich modifikaci či vlastní tvorbě. Tím zde nabízí široké pole dalších možností pro práci ICT koordinátora.

9

Jednou její samostatnou částí je aktivní činnost žáků při praktické výuce elektroniky. Mezi ně patří i začlenění učeben do sítě LAN. Plánování a údržby IT a speciální techniky nutné ke zkvalitnění výuky a dalšího uplatnění absolventů na trhu práce a vzdělávání na vysokých školách.

10

Cíl Seznámit s prací koordinátora ICT na střední odborné škole. V současné době i ve výhledu do budoucna je činnost koordinátora nezastupitelná a rozmanitá. Zdá se, že nikdy nekončící neboť vývoj techniky a metodika výuky se stále vyvíjí. Cílem práce je zde také ukázat na některé rozdílné požadavky v práci ICT koordinátora a jeho pomoci pedagogům ve všeobecných předmětech. Hlavní záměrem této práce je ukázat pomoc koordinátora ve specializovaných odborných předmětech, kde je výpočetní technika nutnou a nedílnou součástí výuky. V další části se budu zabývat specifiky střední odborné školy elektrotechnického směru, požadavky na kvalitní vybavení laboratoří a odborných učeben. Porovnáme možnosti stavebnice vyráběné přímo pro tuto oblast výuky a výuku na profesionálních měřicích přístrojích z pohledu koordinátora. Dále se chci zaměřit na nově vzniklý obor mechatroniku spojující strojírenské a elektronické obory s informatikou. Vznik tohoto oboru si vynutily nové trendy pohledu a řízení výrobních procesů. Pro názornost jsem si vybral výukovou stavebnici pro školy od RC Didactic Systems. Jako další jsem zvolil profesionální měřicí přístroj. Jedná se o číslicový osciloskop Tektronix a jeho možnosti ve spojení s výpočetní technikou. Na závěr je seznámení s ovládáním průmyslových robotů a požadavek na vybavení učebny. Zde bych chtěl upozornit na náročnost ICT. Neustále se musí sledovat směr a vývoj nejen hardwaru i softwaru, ale také technologie a modernizace řízení v průmyslových odvětvích. Nejen moderní výuka je ovlivněna kvalitou a úrovní výpočetní techniky, ale i kvalitou moderních výukových pomůcek a přístrojů. Výuka v odborných technických oborech je o to náročnější, že se neustále vyvíjí nové průmyslové standardy sběrnic. Toto musí výpočetní technika podporovat, ale také zpětně musíme udržovat v chodu starší počítače, protože některé rozšiřující desky jsou ještě s ISA sloty a běží jen na dnes již výrobcem nepodporovaném operačním systému WIN 98. Jako příklad bych uvedl starší stavebnici Dominoputer nebo je port RS 232, který již na nových noteboocích není vyveden. Setkáváme se i s tím, že výrobce nepodporuje v novém operačním systému ovladače a musíme udržovat v provozuschopném stavu i starší výpočetní techniku. Tyto problémy musí ICT koordinátor řešit s odbornými učiteli. Tato údržba je dále ztížena o vhodnou spolupráci rozšiřujících desek, softwaru a sběrnic včetně převodníků.

11

Analýza potřeb ICT na odborné škole Při analýze vycházím z náplně práce ICT koordinátora a jeho činnosti na škole základního typu, ale hlavně se zaměřím na odbornou školu technického typu. Nejprve bych se chtěl zmínit, že naše odborná škola a učiliště vznikla sloučením dvou škol s velmi rozdílným zaměřením. Na jedné straně se jednalo o průmyslovou školu slaboproudá elektrotechnika a čtyřletý učební obor mechanik elektronik. Tento učební obor časem převedeme na mechatroniku v souladu požadavky regionu. Z kovooborů vyučujeme tříletý učební obor nástrojař. Zaměření druhé školy byly tříleté službové obory kadeřnice a knihař a maturitní čtyřletý obor kosmetička. Z pohledu všeobecných předmětů na výuku jsou si oba typy škol blízké, ale v odborné výuce jsou naprosto odlišné na nároky na vybavení učeben. Výuka všeobecných předmětů je z pohledu koordinátora podobná jako na jiných školách. Zde by se měl snažit vybudovat multimediální učebny. Jeho činnost začíná, když po dohodě s vedením a vyučujícími vytipuje vhodnou učebnu. Do této učebny musí být zajištěny elektrické rozvody a LAN síť včetně připojení na internet. Koordinátor musí vybrat v dané době aktuální výpočetní techniku. Zde se musí uplatnit jistý kompromis, a to aby na jedné straně splňovala současný standard a byla finančně výhodná a vybavená vhodným operačním systémem. V případě počítačové učebny je nutné provést výběrové řízení včetně volby výběrové komise, která určí výběr firmy spolu s vybavením adekvátního zařízení. Například u dataprojektorů je dobré se zaměřit na cenu a životnost žárovky. Výhodné je použít objektiv s krátkou ohniskovou vzdáleností a nastavit jej od plátna tak, aby osvítil celou plochu a byl co nejblíže. Většinou je světelný výkon i u levnějších dataprojektorů v těchto případech dostačující. Na běžnou učebnu pro ozvučení postačí dva středně velké aktivní reproduktory. V takto vybavených učebnách se učí chemie, fyzika a teoretická část odborných předmětů. Je dobré, aby koordinátor pomohl zaškolit vyučující do ovládání techniky, poskytl jim rady, kde najít vhodné informace na internetu a jak využít některé pokusy umístěné na webových stránkách. Většinou se s těmito vyučujícími podílí i na výběru výukových CD a DVD. Alespoň v počátcích musí zasvětit vyučující do ovládání těchto programů. Pro výuku je velmi dobrým přínosem výklad pomocí zajímavé prezentace. Zde by měl koordinátor zkonzultovat a poučit vyučující o zásadách tvorby prezentací, aby byly atraktivní, čitelné a měly spád. Mám na mysli nejen

12

vhodnost probírané látky, ale i volbu pozadí, velikost a barvu textu s minimem efektů. Interaktivní tabule máme zatím jen ve větších učebnách. Zde se využívá mimo odborných předmětů i programování a výuka jazyků. Opět se musí vyučující seznámit s ovládáním tabule a případnou tvorbou výukové látky. V našem případě podobně jako i na většině škol se jedná o tabule SMART Board spolu s programem SMART Notebook. Osvědčuje se, aby se hned po koupi tabule zajistilo školení a využila chuť vyučujících si z právě nabitých zkušeností vytvořit výukové programy. V případě, že je v učebně centrální vypínání elektrických zásuvek pro napájení ICT techniky, je nutné pro zvýšení spolehlivosti a nezkresleného promítaného obrazu poučit vyučující o včasném vypnutí dataprojektoru, aby došlo k ochlazení žárovky. Pokud škola má více budov je dobré, aby si koordinátor budoval LAN síť již s ohledem na jejich vzájemné propojení. V dnešní době již existuje spousta metod jak sítě spolu propojit včetně zabezpečení dat. Již dnes je nutností, aby zaměstnanci měli přístup na informační systém školy a uměli s ním pracovat. Také zde je dobré provést školení s následnou individuální pomocí. Při vybavování odborných učeben ICT technikou se musí přihlédnout k charakteru práce a skutečným potřebám daného oboru. Je jisté, že u službových oborů nemusí být moderní ICT, žáci zde používají jen základní softwarové vybavení a minimum speciálních programů. Nástrojař už potřebuje techniku, na které budou pracovat CAD programy s možností převodu do programu pro ovládání CNC strojů jako je fréza nebo soustruh. Zde probíhá výuka tak, že si žák program připraví v počítačové učebně a po síti LAN pošle hotový a zkompilovaný program do řídicího počítače daného stroje. Před vlastní prací si musí nechat program zkontrolovat pomocí vizualizace, aby nemohlo dojít k poškození skutečného kovoobráběcího stroje. U elektrooborů, kde je počítač nebo mikropočítač jako součást daného zařízení, je možné si program vytvořit a odladit na jiném počítači. Do vlastního zařízení je možné jej nahrát pomocí přenosu po síti nebo přes USB flash. Výhodou této možnosti je, že si žák může program poslat nebo přenést i na starší typ počítače z důvodu, které již byly uvedeny, a není při tvorbě programu omezen jeho rychlostí. Dále počítač slouží k vyhodnocení získaných údajů a jejich dalšího zpracování. Často také se nasimulují přesně definované vstupní údaje přes počítač a ten ještě následně vyhodnotí odezvu na ně. Jak je vidět je v těchto učebnách zapotřebí většího počtu ICT techniky, která v některých případech nesmí být zastaralá. Další důležitou část, kterou musí mít ICT koordinátor na starosti, je případná výuka v budovách různě rozmístěných ve městě. Dále bych sem zařadil

13

i domov mládeže, ve kterém by měl být dostatečný počet počítačů, včetně jejich připojení na internet, a to pro zábavu, ale také na přípravu výuky. V domově mládeže je také třeba vhodně upravit pravidla používání ICT, která se budou částečně lišit od běžného provozu na učebnách. Nesmíme opomenout i ekonomický úsek školy, kde musí koordinátor často pomoci s vyplněním různých tabulek a jejich vyhodnocením nebo dodáním podkladů o stavu a množství ICT. Je dobré, aby si vedl svůj přehled o umístění a stáří jednotlivých zařízení včetně konfigurace a rozmístění LAN sítě. Rady by měl koordinátor předávat přirozeně, jako naprosto běžnou věc, aby na kolegy jejich dnes již spíše vyjímečná neznalost špatně nepůsobila. Velkým přínosem je vést odborné diskuze s kolegy nebo ještě lépe s kvalifikovanými pracovníky specializovaných firem.

Úloha koordinátora ICT na škole s obory zabývajícími se elektronikou Jako koordinátor mám na starosti školu s téměř 200 počítači a další techniku jako jsou tiskárny a kopírky. Všechny počítače jsou připojeny k počítačové síti LAN. Koncepce sítě je klient-server. Rozvody sítě jsou převážně tvořené metalovým vedením UTP (stíněnou kroucenou dvojlinkou). Některé prostory jsou již pokryty Wifi signálem a jejich počet se bude nadále rozšiřovat. Topologie školní sítě je hvězdicová. Vzhledem k odbornému zaměření naší školy na elektroniku mám na starosti jako odborný učitel i vybavení odborných laboratoří a učeben. Jedná se o širší spektrum učebních pomůcek, jako například dataprojektory, promítací plátna, interaktivní tabule a scannery. Zde se musí vyhodnotit nejen vhodnost a efektivnost pomůcek v dané učebně, ale i jejich správné umístění, případně zatemnění oken nebo vybudování stupínku a vhodné ozvučení. Dále se musí přihlédnout k zabezpečení daných pomůcek před případným poškozením. Samostatnou částí je výběr vhodných měřicích přístrojů, speciálních mikropočítačů a řídících jednotek. V těchto případech musíme brát v úvahu propojovací rozhraní, případně typ interní karty vkládané do počítače, ale také na jakém operačním systému pracují a zda pro ně existují vhodné ovladače k zajištění správné celkové činnosti jejich možností. Velkým omezením často bývá i ekonomická nedostupnost pro školu. Musí se brát i zřetel na vlastní umístění a připojení k výpočetní technice. Nabídka trhu je dost rozmanitá, často se jedná o obdobná zařízení, ale s různým programovacím jazykem. Zde se musí zvážit další směr výuky a skloubit jej s možnostmi sponzora. Firmy totiž dávno

14

vědí, že pokud se žáci naučí dobře pracovat s jejich výrobky, budou je i později prosazovat ve svém zaměstnání. Poslední dva roky již máme na údržbu hardware samostatného správce sítě. Do té doby jsem případné problémy řešil se správci odborných učeben. Na náročnější úpravy počítačů a sítě jsme si zvali technika z firmy, se kterou jsme měli také uzavřenu smlouvu o rychlé výpomoci v případě náhlého výpadku výpočetní techniky. Všechny počítače včetně učeben a laboratoří jsou připojeny na LAN síť a mají přístup na internet. Se správcem sítě jsme vyřešili vytvoření jedné centrální LAN sítě. Tento úkol například vznikl s úkolem zpřístupnit síťově program bakalář ze všech budov různě rozmístěných ve městě. Do té doby měla každá budova svoji vlastní LAN síť a IP adresy. Na přímé viditelnosti mezi budovami použili propojení pomocí Wifi technologie, v jednom případě bylo nutné internetové připojení. Některé tyto úpravy vyžadovaly rozšíření a doinstalování nových licencí na serveru. V současné době ještě používáme operační program Windows Server 2003. Po dohodě se správcem uvažujeme o zakoupení nového serveru s novějším síťovým operačním systémem Windows Server 2007 a diskovým polem Raid. V loňském školním roce jsme s webmastrem řešili připojení rodičů pomocí webu na program Bakalář. Zpřístupnili jsme rodičům kontrolu prospěchu svých dětí pomocí internetového připojení. Po necelém roce provozu mohu říci, že si tuto novou funkci kontroly chválí. Samozřejmě musí i zde koordinátor umět poradit nejen učitelům, ale i hospodářským a ekonomickým pracovníkům školy. Sice se nikde přímo neuvádí v povinnostech ICT koordinátora starat se o provádění a vhodné uložení datových záloh. Já osobně se starám o řádné provádění záloh všech důležitých dat, včetně jejich uložení na server umístěný v jiné budově. Mám špatné zkušenosti s poruchou disku s účetnictvím školy a poškozeným CD se zálohou. Naštěstí se podařilo specializované firmě data z vadného disku zachránit. Zodpovědně mohu říci, že počítačová gramotnost pedagogů se velmi zlepšila. Nyní již neřeším tolik problémů, jak mají něco udělat s tabulkou nebo s textem, ale spíše odpovídat na otázky proč mají dělat ještě na takto starém počítači. Na druhé straně v případě modernizace hlavně softwaru, zase otázky obráceného typu, které s sebou přinesly současné Office 2007 nebo Visty. Proč se mají zase učit něco nového a že předchozí programy jim plně vyhovovaly. Samostatnou a zajímavou částí v používání ICT techniky ve výuce odborných předmětů jsou laboratoře elektrického měření a prvků řídicích systémů. Zde totiž nestačí zapojit sluchátka, případně interaktivní tabuli s dataprojektorem. Žáci se musí nejdříve v hodinách teorie seznámit s programováním v konkrétním jazyce pro hardwarové prvky daného zařízení.

15

Teprve na zvládnutí dané problematiky mohou jít řešit úlohy v odborných učebnách. Nabídka trhu měřící a řídící techniky je velmi rozsáhlá, spousta firem používá svůj vlastní programovací jazyk. To vyžaduje neustálé sledování směru trendu vývoje, ale také i výroby. Zde opět musí dojít ke spolupráci koordinátora ICT a odborného vyučujícího k posouzení nejen vhodnosti daného zařízení, ale i ekonomických možností školy spolu s jejím vedením. Další činností koordinátora je role poradce při nákupu nejen IT techniky, ale i posouzení výukových CD a DVD. Do této kategorie patří i úzká spolupráce s vyučujícími předmětu technického kreslení a konzultovat s nimi výběr vhodných programů pro výuky CAD a Office programů včetně platnosti licencí. Jak již bylo zmíněno výše sledovat trendy hardwaru a jejich rozhraní. Mezi další aktivity patří starost o aktuální náplň webových stránek a spolu s vedením školy koordinuje jejich návrh a náplň. Ty se v současné době předělávají http://www.spslan.cz a na stránkách již pracuje nový webmaster. Důležitou funkcí koordinátora je, působit jako poradce při údržbě nebo zavádění nových hospodářských a ekonomických programů. Mimo těchto většinou nárazových věcí má koordinátor na naší škole údržbu informačního systému. Zde používáme program Bakalář, prakticky od jeho uvedení na trh. Pro svoji potřebu i pro potřebu různých hlášení a výkazů si vedu evidenci výpočetní techniky v programu Excel. Zde eviduji typ počítače, kde se nachází a rok pořízení. Pokud je starší než pět let program na stáří upozorňuje červeně. Také se mi daří nemít starší počítače než pět let v počítačových učebnách neboť v předstihu mohu s vedením školy naplánovat jejich výměnu a původní počítače z učeben použít do laboratoří a sboroven.

Přehled možností využití ICT v oborech se zaměřením na elektroniku Možnosti výpočetní techniky Možnosti výpočetní techniky na všech typech škol jsou velmi rozmanité a rozsáhlé. V zaměření výuky v naší škole je ještě náročnější, protože naši absolventi by měli znát činnost výpočetní techniky jak ze softwarové, ale i z hardwarové oblasti. Také někteří z nich pracují jako technici a správci počítačových sítí. Vzhledem k prudkému rozmachu výpočetní techniky nejen v kancelářských a manažerských aplikacích, se velmi rychle vyvíjí i stávající průmyslová sféra. Výpočetní technika zde už několik desetiletí vždy více zasahuje

16

do oblasti řízení, vyhodnocování a uchování dat a informací. V průmyslových oborech a v průmyslu vůbec, výpočetní technika prošla od jednoduchého řízení pomocí vaček a relé přes další generace jako jsou elektronky, tranzistory, integrované obvody jak analogové, ale hlavně logické TTL, s nimiž se již navrhovaly složité výpočetní jednotky řízené pomocí programu zavedeného pomocí děrné nebo magnetické pásky a nakonec mikroprocesory. Vznikají stále inteligentnější systémy a zároveň i nové specializované obory. Klasickým příkladem je i naše škola, která získala grant na vytvoření nového studijního oboru mechatronika, včetně vybavení odborné učebny odpovídající technikou. Také se aktivně podílela na vytvoření nových úloh a napsání učebnice ve spolupráci s univerzitami, školami a firmami zabývající se danou tématikou. Také na naší Střední odborné škole a Středním odborném učilišti, které bylo zřízeno pro potřeby regionu s velmi rozvinutým elektrotechnickým průmyslem, se zaměřujeme na výuku studentů v oboru elektroniky, řídicích systémů, automatizace a programování CNC strojů. V elektrooborech vyučujeme výpočetní techniku již od dob 8bitových počítačů. V té době se vyučovalo programování v jazyku Basic. Další možností výuky bylo ovládání výstupních portů pro ovládání tiskárny nebo změny velikosti výstupního napětí stabilizovaného zdroje pomocí výstupních portů IMS2 a překladače strojového kódu assembleru. Mimo elektrooborů naše škola vyučuje i v oblasti služeb jako jsou kadeřnice nebo kosmetičky. I v těchto oborech musí absolventi zvládnout kromě základního ovládání počítače a kancelářských programů Office i počítačový návrh účesu nebo líčení pro konkrétní zákaznici. Její portrét si pořídí digitálním fotoaparátem a zákaznici mají možnost navrhnout různé varianty účesu, včetně dalších barevných variant pomocí počítačového programu. Vzhledem k tomu, že naše škola úzce spolupracuje s místními firmami, je výuka přizpůsobena jak všeobecným, tak i místním podmínkám. Zde mám na mysli předměty výpočetní technika, elektronické a elektrické měření, řídicí systémy a automatizaci. Velké množství zdejších firem je zařízeno na zpracování plastů například pro automobilový průmysl. Na toto reaguje vedení naší školy a pořádá poradní schůzky s manažery těchto podniků a firem, kde jsme informováni o směru vývoje trhu a požadavcích na naše absolventy. Na základě těchto jednání se například vhodně upravily osnovy předmětu chemie s větším zaměřením na plasty.

17

Úvod do mechatroniky Naše škola vypracovala grant na nově vzniklý obor mechatronika a také koordinovala vytvoření a vydání učebnice pro tento obor. Pojem mechatronika se začal používat poprvé v Japonsku v polovině 70. let. Název vznikl ze slov MECHAnical systems and elecTRONICS. Japonci si uvědomili, že při projektování moderních inteligentních výrobků lze dosáhnout nejlepších výsledků postupem shora dolů (vertikálně), vycházejícím ze specifikace projektovaného výrobku a zabývajícím se stále více podrobnějšími detaily. Pro tento účel vytvořili nový obor, integrující poznatky nejen z mechachaniky, elektrotechniky a informatiky, ale i dalších současných oborů. Nově vzniklý obor byl nazván mechatronikou a za další důležitou část považuje strategie plánování výroby a projektování. Na technické a obchodní úspěchy Japonců v této oblasti rychle reagovaly USA a vyspělé průmyslové země Evropy. V těchto zemích došlo nejen k zásahům do organizace výzkumu, výroby a plánování, ale i do osnov školství a nově se zavádí i u nás. V české republice se pojem mechatronika vyskytuje asi od roku 1985. V současné době se vyučuje na VUT FS Brno, FS ČVUT Praha, ZČU Plzeň, TU v Ostravě a v Liberci.

Definice mechatroniky Zásadně lze říci, že v mechatronice se jedná o průnik mnoha vyspělých technických a informačních oborů. V těchto jednotlivých oborech se navzájem prolínají úzké specializace jako je programování, kreslení pomocí CAD programů s přímým propojením na CNC stroje, vývoj hardwaru, mikroprocesorů a modelování systémů. V technickém inženýrství se jedná o propojení a funkční spolupráci elektroniky, senzoriky se strojními pohony a mechanikou. Zde se také modernizuje a miniaturizuje vlivem vývoje nových materiálů a maziv. Vzhledem k tomu, že se tento nový obor neustále vyvíjí, nejsou přesně vymezeny definice pojmu. Uvádím zde jen několik přístupů k jejímu definování. Synergická integrace strojního inženýrství s elektronikou a inteligentním počítačovým řízením při návrhu a výrobě výrobků a procesů. Tento směr návrhové integrace vede k produktu, který má oproti předchozímu vyšší kvalitu přidáním nové dimenze funkčnosti.

18

Návrh a výroba výrobků a zařízení je zaměřena nejen na mechanickou funkci, ale také na počítačové řízení pomocí integrovaného algoritmu. Mechatronické výrobky vykonávají mechanické funkce včetně zpracování dat. Jejich činnost je řízena pomocí algoritmu, který dokáže vyhodnotit a zpracovat informace třeba i z klasických PID regulátorů nebo senzorů. Při navrhování inteligentních strojů je kladen důraz na programovatelnost, adaptivitu, samodiagnostiku, komunikaci, samoopravitelnost, učení a hledání dalšího postupu v případě poruchy části zařízení. Tato inteligence u strojů umožňuje rychlé odstranění závady, a pokud je to možné pracovat v náhradním nebo nouzovém režimu. Právě inteligence je nejdůležitější výsledek technologických změn vedoucí k mechatronice a tím i modernímu řízení výroby.

Mechatronika U mechatroniky rozlišujeme dva specifické rysy. Zvýšený význam inženýrského návrhu, tvořivosti návrhářské a týmové práce a užší spojení mezi návrhem a analýzou trhu. Zvláště vysoké nároky jsou kladeny na návrh nových a neotřelých řešení, která se dosud nepoužívala, případně jsou naprosto nová. Mechatronický tým musí kombinovat různé druhy metodiky pro strojní, elektronické a softwarové technologie. V současné době neexistuje speciální návrhová metodika pro mechatroniky. Používají se jen návrhové postupy tradičních oblastí elektroniky, strojního inženýrství a softwaru. Mechatronika by tyto odlišné technologie měla sloučit do jednoho stejně značeného celku. Pojem mechatronický přístup se používá v souvislosti s návrhy výrobků, jejichž struktura je složena z několika různých technologií a vlastností daných metodou původního zaměření. Výsledkem je mechatronický výrobek, který jako celek vykazuje ve svém chování určitý stupeň inteligence. Vzniká paralelní inženýrství, které je složené sloučením klasického sériového inženýrství až po moderní integrované inženýrství, umocněné synergickým efektem (společné působení více prvků), dosahovaným při navrhování mechatronických systémů. Jedná se o návrh výrobků a v nich probíhajících procesů, včetně jejich výroby, údržby, životnosti a konkurenceschopnosti na trhu. Mechatronické inženýrství syntetizuje (slučuje) různé mechatronické komponenty, moduly, systémy a produkty. Mechatronici musí ovládat tyto schopnosti.

19

Interdisciplinárnost – jde o všeobecné znalosti o produktu a výrobních principech ze širokého spektra technologií, zahrnujících mechaniku, elektroniku a informatiku. Systémové myšlení – což je systematický postoj ve vztahu kombinování principů na rozdíl od technologií, které formují optimální koncepci Kreativita – musí mít odvahu navrhnout a experimentovat s dosud neznámou kombinací technologií. Mít orientaci v chování a směru trhu i v obchodní sféře. Současné návrhové přístupy jsou dnes podpořeny softwarovými prostředky CAD a profesionálním matematickým systémem MATLAB, který se výborně hodí pro inženýrské výpočty, vývoj algoritmů, simulací a analýz dat. Na ČVUT byl vyvinut programový produkt DYNAST, který je k dispozici na http://virtual.cvut/dyn/ a je využíván i v zahraničí.

Význam a výhled mechatroniky Význam mechatroniky nabývá stále více na významu v pronikání výpočetní a informační techniky do všech oblastí průmyslu a vědy. Umožňuje spolupráci úzce specializovaných oborů do jednoho celku a tím i vzniku nových výrobků a technologií. V širším výhledu si musíme uvědomit, že do výroby prakticky libovolného oboru, silně zasahuje robotika a to v různých formách. Od vědy přes potravinářský až po vrcholový automobilový průmysl. Také se s ním můžeme setkat i na pojízdných lesnických strojích ovládané hydraulikou, které poráží stromy, vhodně upravují kmeny odkůrováním a odvětvením. Opracované kmeny zkracují na nastavenou délku a ještě na zabudovaném počítači evidují množství zpracovaného dřeva a další údaje. Protože se jedná o nový obor, který je postaven na perspektivních technologiích a součástkové základně, klade jak na odborného pedagoga, tak i ICT koordinátora vysoké odborné znalosti a orientaci v daném oboru. Navíc je současný výběr možností a uplatnění tohoto oboru velmi široký a rozmanitý. Osobně mi tento směr zaměření ICT vyhovuje, neboť si jako koordinátor stále udržuji přehled nejen běžné výpočetní technice, ale i v dalších oborech a oblastech využívající výpočetní výkon a komfort standardních počítačů.

20

Měření pomocí programu RC2000 Seznámení s firmou RC Didactic výrobce: RC Didaktic Systems http://www.rcdidactic.cz/cz/ RC2000 je počítačový program, který rozšiřuje možnosti stavebnice μLAB o komunikaci s výpočetní technikou. Tato firma je zaměřena na vývoj a výrobu výukových prostředků pro oblast elektrotechniky, elektroniky, analogové techniky, regulace a automatizace, měřící techniky, senzoriky, mechatronika a výpočetní techniky. Zvláštní pozornost je přitom věnována zejména základním principům v těchto oblastech s možností počítačového zpracování zjištěných výsledků a případného opětovného ověření. Firma navazuje na mnohaleté zkušenosti svých zakladatelů s výukovými prostředky pro uvedené školy. V současné době se systém používá na více jak 200 školách odborného zaměření včetně stavební, chemické a zemědělské např. MZLU. Moduly jsou neustále vyvíjeny a modernizovány. Modulová řada μLAB vytváří se systémem rc2000 kompletní a produktivní mikrolaboratoř. Plně také nahrazuje dřívější systém Dominoputer při využití základní myšlenky a jen zdokonalených technologií a počítačové podpory. Firma pracuje i na pedagogicko-didaktických aktivitách, jako pořádání různých kurzů, školení a seminářů pro budoucí i stávající uživatele a tvorba systému učebních úloh s aktivní zpětnou vazbou na školy. Ze svého pohledu mohu tuto stavebnici doporučit alespoň k seznámení všem koordinátorům, co mají na starosti výpočetní techniku a případné vybavení učeben vhodnými pomůckami.

Spektrum využití systému Současná výuková stavebnice μLAB plně nahrazuje dřívější systém Dominoputer. Spolupráce stavebnice a výpočetní techniky je prováděna pomocí programu rc2000. Stavebnice je navržena pro nejširší oblast použití. Jako základ je výuka elektrotechniky, elektroniky a automatizace. V elektrotechnice lze provádět měření na třífázových soustavách, motorech a generátorech. Elektronika je rozdělena na analogovou a číslicovou část. V číslicové části je možno simulovat i chování výpočetní techniky s jejím následným ověřením. Při výuce mechatroniky se dají plně opět využít automatizační prvky, jako jsou regulátory, senzory a akční členy. Samozřejmostí je provádění libovolných měření a demonstrování pokusů z fyziky.

21

Obr. 1 Spektrum systému µLAB

Filozofie systému Výuka se systémem rc2000 je založena na reálném experimentu s podporou počítače. Moderní technologie, ochrana a přesnost jednotlivých komponent systému k souladu teoretické výuky a výsledky experimentu. Použitím spolehlivých modulů, které jsou odolné proti zkratu, přepólování a částečně i hrubšímu zacházení vede k vysoké produktivitě měření spolu s použitím kvalitních vodičů a zlacených kontaktních spojů. Měření je tím možno realizovat v relativně krátkém čase s úspěšným výsledkem. S tím souvisí i opakovatelná reprodukovatelnost a následné ověření měření jinou skupinou. U žáků se naměřenými výsledky, kterými je ověřen teoretický výpočet a vlastnosti

22

zapojení podporuje sebevědomí a také snaha přemýšlet a tvořit další možné varianty obvodů.

Popis systému rc2000 Systém se skládá z jednotlivých vzájemně kompatibilních modulů definovaných rozměrů i značení. V modulech jsou zabudovány základní elektrotechnické prvky pasivních i aktivních součástek. Například modul rezistorů nebo kapacit je řešen jako dekáda s pevně nastavenou velikosti kroku, s celkovou změnou téměř čtyři dekády. Přístrojové moduly například zdroje, převodníky se navíc vyznačují spolehlivostí a vysokým stupněm přesnosti. Nejslabším místem jsou propojovací prvky. Mají kvalitní zlacené kontakty s minimálním přechodovým odporem, ale kontaktní špičky se přerušují nesprávným zacházením od žáků v místě napájení na ohebný kablík. Jen bych doplnil, že případná oprava poškozeného vodiče trvá jen několik vteřin Hlavním modulem je interface pro připojení k počítači a příslušný počítačový program pro vysoce efektivní využití výpočetní techniky jako výkonné periferie pro sběr dat z měření, řízení procesů počítačem a zabezpečení interaktivního vstupně-výstupního systému podpory výuky počítačem. Program umožňuje velice názorné zobrazení učebních úloh na obrazovce monitoru, jejich záznam a tisk. Původní PC PID INTERFACE od Dominoputeru byl maximálně u µLABu předělán. Slučuje v sobě nové funkce včetně A/D a D/A převodníků a analogových zesilovačů. K počítači už není připojem silným paralelním kabelem do rozšiřující karty, ale po sériovém portu PS 232, který jistě bude nahrazen modernějším USB portem. Také v počítači se musí použít nový a propracovanější software. Důležitou vlastností modulů je spolehlivost zajištěná zlacenými kontakty a systémem elektronických ochran proti nesprávnému zapojení. Vysoká přesnost modulů zajišťuje dokonalý soulad teoretických výpočtů s naměřenými výsledky. Pro zkoumání reálného měření se dají libovolně zavádět definované chyby do zkoumaných obvodů a vyhodnotit jejich vliv oproti ideálnímu stavu. Technické parametry jsou dány použitím a výběrem kvalitních, vysoce přesných a stabilních součástek. Po mechanické stránce je stavebnice také velmi dobře řešena a vyznačuje se vysokou odolností. Zde bych jen uvedl, že je nutné používat originální napájecí zdroje nastavené na 5,35V a se zabudovanou proudovou ochranou nastaveným omezením na 3 A. V modulech vyžadující jiný typ napájení jsou zabudované vhodné měniče. Stavebnice má proto jen jedno napájecí napětí +5V.

23

Moduly mají rozměry 10 x 5 cm nebo 10 x 10 cm a konstrukční výšku 2 případně 5 cm. Rozvody mají dvě velikosti pro umístění šesti nebo deseti základních modulů. Systém rc2000 je univerzální a otevřený což umožňuje propojení s jinými výukovými systémy (např. elektropneumatickým systémem firmy Festo) Metodika práce se systémem Systém rc2000 podporuje velký poddíl samostatné práce žáka i učitele. Názornost modulů vede prakticky k stoprocentní úspěšnosti žáka při zapojování úloh. Přispívá to ke klidné atmosféře v laboratoři, kde učitel ani žák není ve stresu z neúspěšné práce. Tato skutečnost vytváří vhodné podmínky pro vlastní, ničím neomezovanou tvořivost žáků a pro růst jejich zdravého sebevědomí. Učitel se může plně věnovat pedagogické práci. Další předností je možnost zavedení diferencované výuky pro slabší žáky na jedné straně a talentované na straně druhé. Výsledky jsou natolik přesvědčivé, že i slabší žák pochopí základní principy a talentovanému umožní rozvíjet tvůrčí schopnosti, protože je možné vyzkoušet i různé kolizní věci, což by v reálu vedlo i k vážnému poškození zařízení. Při využití systému se mi osvědčilo rozdělit žáky do dvojic a každý si týden dopředu určí a u mě zapíše, jakou úlohu z tematického plánu na dané pololetí bude měřit. Výhoda je ta, že je vždy dostatek vhodných modulů a měřicích přístrojů pro každou dvojici. Lze lépe a efektivněji využít i speciální měřicí přístroje vhodné pro měření jiných typů úloh průběžně v daném pololetí. Žáci se musí na zvolenou úlohu lépe připravit, neboť mohou spoléhat jen na sebe a spolužáka ve dvojici, nikoliv na celou skupinu. Samozřejmě na vyučujícího jsou kladeny mnohem vyšší nároky, musí být připraven okamžitě pomoci řešit různé typy měřených úloh a hlavně vzniklých problémů. Tím se totiž jak vyučující, tak i žáci zdokonalují ve svých reakcích a postupech. Prakticky si při hledání chyby ověří postup začít hledat od jednoduššího a základního ke složitějšímu. Musí si ujasnit i chování a rozsah jednotlivých obvodů a postupně při hledání případné závady ověřovat jejich funkčnost a návaznost na další bloky, až nakonec oživí celek. Je hezké je sledovat, jak jsou se sebou sami spokojení, když se jim samotným, případně jen s řízenou nápovědou podaří měřený obvod oživit a změřit. Pro potřeby jednohodinové teoretické výuky firma RC Didaktic Systems vyrábí mikrolaboratoř v lehce přenosné kufříkové soupravě. Tato sestava obsahuje pouze základní moduly, pomocí kterých lze při hodinách vyučujícím demonstrovat probírané téma. Žákům takto rychle a názorně předvést právě probíranou odbornou látku. Toto lze vhodně doplňovat s řízenou prezentací

24

a pomocí vizualizéru promítat praktické ukázky dataprojektorem přímo na plátno.

Komponenty systému Poněvadž se jedná o modulovou stavebnici, jsou tyto prvky vyrobeny jako samostatné moduly, ale u složitějších obvodů například regulátor PID jsou všechny tři regulátory vloženy do jednoho modulu, s možností každý samostatně ovládat. Moduly zpracování dat Modul PC Interface Převádí signály a data z a do Systém rc2000 - Programy PC Propojovací moduly Ovládací program v PC Modul prvků Slouží k propojení modulů Univerzální modul Aktivní a pasivní prvky Operační zesilovač Budič Bipolární tranzistor Odporové dekády Kapacitní dekády Cívka

Základní stavební analogové součástky

Přístrojové moduly Funkční generátor Programovatelný DC zdroj Voltmetr DC&AC RMS

Pomocné přístroje pro nastavení pracovních podmínek a měření dějů Regulační moduly

PID regulátor Zpožďovací členy Rozdílový člen Soustava motor-generátor

Složitější prvky složené z více modulů v jeden celek Číslicové moduly

Univerzální modul 74xxx Logická sonda Logický volič Časová základna

Moduly pro práci s TTL obvody

25

Úlohy Z pozice koordinátora mohu velice kladně hodnotit vlastní provedení úloh. Systém je schopný v rozumné době vyhodnocovat úlohy i na počítačích s RAM 512 MB a procesoru nad 1GHz.Úlohy jsou založeny na výuce experimentem. Systém umožňuje snadno vytvářet úlohy z libovolných učebnic. Moduly jsou navrženy, aby se co nejvíce blížily ideálním součástkám, je výhodné ověřovat teoretické výpočty s praktickým zapojením. Velice kvalitně je zpracována prezentace výsledků úloh počítačovým systémem a její následné nahrání a přenesení na USB flash disk nebo poslání elektronickou poštou a další zpracování dané úlohy formou domácí práce pomocí počítače. Jednotlivá praktická cvičení lze stavět od jednodušších obvodů s postupným rozšiřováním na složité celky a neustále sledovat a vyhodnocovat chování sestaveného zapojení. Na takovýchto sestavách je možné simulovat jak náhodné, tak i cílené chyby. Například velký výběr nastavení i simulace chyb a následných odezev na ně umožňuje PID regulátor, což je vlastně jeden ze základních stavebních prvků v automatizaci

Vlastnosti systému Myslím si, že firma si zakládá ve všech směrech na perfektní preciznosti a kvalitě. Je to vidět jak na vlastních výrobcích a jejich propracování, tak je to cítit i při osobních jednáních. Konstrukce respektuje vysoké nároky na spolehlivost a odolnost proti poškození při práci žáků na školách. K další spolehlivosti přispívají mechanicky odolné zlacené konektory, ochrana modulů proti chybnému zapojení jako je přepólování, zkrat nebo přivedení nevhodného vstupního signálu. A hlavně pouze jedno bezpečné napájecí napětí +5 V, které se v modulech, kde je zapotřebí pro správnou činnost odlišné napájení pomocí zabudovaných měničů automaticky upraví. Také případné upadnutí modulu na zem při přenášení žáky v naprosté většině moduly vydrží.

Laboratoř Systém obsahuje moduly, jako jsou generátory signálů, zdroje regulovaného stejnosměrného napětí, voltmetr s ručním i automatickým nastavením vhodného rozsahu. Ve spojení s počítačem lze monitor využít pro zobrazení elektrických dějů a signálů jako osciloskop, logický analyzátor, měřič frekvenčních charakteristik, které mohou nahradit běžné laboratorní přístroje. Toto umožňuje vytvořit vysoce produktivní elektronickou mikrolaboratoř na každém pracovišti. Její širokospektrální záběr podporuje výuku více předmětů. Výběr systému a modulů je možno sestavit dle požadavků zákazníka.

26

Organizace výuky Vlastní výuka pomocí stavebnice RC2000 probíhá jako skupinová nejčastěji po dvojicích. Výběr výukového spektra úloh je velmi široký. Stavebnice se dá použít i bez propojení s počítačem na výuku základů měření, například ověření Kirchhoffových zákonů. Zde se žáci nižších ročníků učí zacházet se základními měřicími přístroji jako je voltmetr a ampérmetr. Tyto měřicí přístroje se učí správně zapojit do měřeného obvodu. Žáci se naučí počítat s konstantou rozsahu měřicího přístroje a ověří si chování napětí a proudu v daném zapojení cvičné úlohy. Naměřené výsledky musí použít do laboratorní zprávy, která je zpracována pomocí výpočetní techniky. Při vypracování laboratorní zprávy se naučí použít výsledky z vlastního měření pomocí stavebnice RC2000 nebo Dominoputeru a případně jejich následnou úpravu v některém grafickém editoru, jako je třeba označení důležitých bodů. Výsledky z měření by měli být zpracovány v tabulkovém editoru včetně vhodně zvolených grafů a celá práce napsaná v textovém editoru. Pro náročnější měření stavebnice nabízí další režimy připojení měřené úlohy. V menu základní obrazovky programu se volí tyto režimy dle typu úloh a požadavků na naměřené hodnoty. Pro spolupráci stavebnice rc2000 je nutný modul PC Interface, který je s počítačem propojen pomocí sběrnice RS 232. U předchozí stavebnice Dominoputer bylo propojení PC - Dominoputer také pomocí obdobného modulu PC Interface, ale pro měření analogových signálů se muselo vytvořit propojení pomocí analogově-číslicového nebo číslicově-alogového převodníku případně kombinace obou. U obou stavebnic je možné zvolit režim jednoho průběhu signálu, nepřetržitého běhu a barevného rozlišení čtyř jednotlivých paměťových průběhů, libovolně spuštěných obsluhou. Dvoukanálový osciloskop pracuje jako digitální osciloskop a elektrický signál se zobrazuje na monitoru počítače. Stavebnice pracuje ve vstupním režimu. Zobrazené údaje lze velmi snadno uložit jako data. Velkou výhodou je barevné rozlišení stop obou kanálů a snadný odpočet hodnot napětí i času z obrazovky. Modul jednokanálový osciloskop a generátor kladou již vyšší nároky na PC. Měření probíhá ve vstupně výstupním režimu. To znamená, že se v počítači vygeneruje kmitočet, který je možné si nastavit v určitém frekvenčním rozmezí max 10 kHz a harmonického, obdélníkového nebo trojúhelníkového průběhu. Na monitoru počítače se následně porovnává vygenerovaný vstupní signál zároveň se zobrazením odezvy z měřeného obvodu.

27

Voltampérové charakteristiky umožňují měřit a zobrazit přechodové charakteristiky elektronických prvků v gausově rovině. Frekvenční charakteristiky, jedná se o měření na harmonickém analyzátoru. Opět je zapotřebí vyšší výpočetní výkon počítače, aby měření netrvalo zbytečně dlouho. Nejdříve musíme nastavit, zda chceme měřit v první, druhé nebo třetí kmitočtové dekádě. Na displeji se následně zobrazují výsledky měření v závislosti na plynulé změně kmitočtu vstupního signálu. Jedná se přímo o ideální měření pro ověření teoretických výpočtů na RLC obvodech, pásmových propustí, zádrží a podobně. Vertikální stupnice je ocejchována v dB a s vyznačením ±3 dB. Logický analyzátor slouží k vyhodnocování chování TTL obvodů. Je maximálně osmibitový. Lze sledovat dynamické chování měřeného obvodu nebo si v režimu editace připravit vhodný sled signálů a po jejich spuštění vyhodnotit chování zkoumaného obvodu. Logická nula a jednička jsou barevně rozlišeny. Nula je zelená jednička červená. Tyto logické hodnoty se v režimu editace pohodlně nastavují pomocí levého tlačítka myši. Poslední režim je funkce dvoukanálového čítače.

28

Ukázka práce s programem

Obr. 2 Základní nabídka pro zvolení volby měření programu rc2000

29

Obr. 3 Pohled na zapojené pracoviště s externím generátorem pro měření derivačního a integračního článku.

30

Obr. 4 Pohled na zapojení pro měření analogových modulů včetně připojení interface a externího funkčního generátoru.

31

Obr. 5 Na monitoru je vidět odezvy derivačního a integračního článku jejich průnik odpovídá, výpočtu f0.

32

Obr. 6 Ukázka zobrazení naměřených dat a jejich vlastností pomocí programu

Obr. 7 Ukázka velikosti zvlnění vlivem zátěže při měření můstkového usměrňovače.

33

Do legendy se dají zapsat podmínky měření. Další důležitá věc je, ocejchování napěťových os i velikosti výstupních napětí z přístrojů je v maximálních hodnotách a nikoliv v efektivních. Na stavebnici µLAB a programu RC2000 jsem se snažil ukázat možnosti víceúčelových stavebnic. Vývoj těchto pomůcek neustále směřuje k názornosti a zkvalitnění výuky, ale zároveň klade stále vyšší požadavky na výpočetní techniku. Výrobce spolupracuje se školami a tak stavebnice pracují velmi dobře i na počítačích použitých po pětileté modernizaci výpočetní techniky v počítačových učebnách. Dle mého názoru by se totiž koordinátor měl podílet alespoň radou, výpisem a organizováním výběrového řízení jak při nákupu nové ICT techniky, ale i při rozhodování a postupu přemisťování stárnoucích přístrojů.

Zpracování výsledků měření pomocí osciloskopu Osciloskopy Jako koordinátor a zároveň vyučující předmětu elektrické měření, zavádím do tradičních forem měření i výuku na moderních měřicích přístrojích s vyhodnocením výsledků pomocí připojeného počítače. Snažím se u ostatních vyučujících vytvořit zájem osobní pomocí nebo vzájemným přesunem skupin studentů při náročných měřeních. Pro seznámení s touto problematikou jsem si vybral osciloskop. Osciloskop je nejuniverzálnější měřicí přístroj v elektronice. S kvalitním osciloskopem dokážeme změřit velikost stejnosměrného i střídavého napětí včetně možnosti nasuperponovaného velmi malého střídavého napětí na vysokém stejnosměrném napětí. Vzhledem k tomu, že přístroj pracuje v reálném čase, je možné měřit okamžité časové průběhy i frekvenci ve velmi širokém rozsahu od desítek sekund do nanosekund. Ale hlavní a jedinečnou výhodou osciloskopu je, že dokážeme zobrazit elektrický signál a doslova se podívat jak vlastně vypadá jeho tvar a průběh ve skutečnosti. Provedení a druhy osciloskopů. Dříve se většinou vyráběly analogové osciloskopy jedno až čtyřkanálové, ale nejčastěji se používaly osciloskopy dvoukanálové. Ty dokázaly zobrazit na stínítku elektrostatické obrazovky dva na sobě nezávislé signály. Tyto přístroje měly velkou stavební hloubku, danou obrazovkou. Tento typ obrazovky se vyznačuje malým vychylovacím úhlem a tak velikost stínítka nebývá větší než asi 10 cm a co nejblíže stínítka bývá umístěna

34

mřížka, pomocí které se odečítá čas a napětí. Na elektroniku osciloskopu jsou kladeny vysoké nároky, neboť musí naprosto přesně zesilovat velmi široké kmitočtové spektrum signálů a promítnutý obraz zasynchronizovat což vlastně znamená vytvořit stojící obraz na stínítku obrazovky. Analogové osciloskopy se vyráběly již dávno před vývojem počítačů. Tím nemají možnost s počítačem pracovat, ale umožňovaly pořizování fotografie obrazovky a paměťové osciloskopy měly v sobě malý magnetofon, kam na smyčku magnetofonového pásku dokázaly signál uložit do paměti. S rozvojem elektroniky a nových technologií a principů měření, kde se analogový signál převádí pomocí analogově číslicových na digitální signál, s nímž se dále pracuje. Konstrukce těchto osciloskopů je již na bázi mikroprocesorů a pamětí což je vlastně jistý druh počítače. Zobrazovaný signál se promítá na LCD displej a u současných typů je barevný a až pro čtyři multiplexované stopy. Číslicové osciloskopy mají možnost od předchozího typu zvolit více druhů a možností zobrazení signálu s určením spouštěcího bodu, od kterého probíhá načítání do paměti, ale také provádět Fourierovu analýzu signálu včetně zobrazení. Pomocí kurzorů odečítat časy a velikost napětí a tyto údaje zobrazit na určité místo displeje. U analogového osciloskopu se tyto výpočty musely provádět ručně. V odborných kruzích se vedou diskuze, zda je lepší osciloskop analogový nebo digitální (DSO). Ve své knize Osciloskopy od A do Z autor v úvodu uvádí, před kolika lety měly analogové osciloskopy druhy zobrazení, které se dnes uvádějí, že je dokáží zobrazit jen DSO, ale tyto speciální osciloskopy nebyly běžně používány. Můj názor je, že musíme vždy porovnat modely ve stejné cenové kategorii. Výhoda analogových je, že zobrazují v reálném čase skutečný průběh napětí. DSO nezobrazuje skutečný signál, nýbrž více méně zkreslený rekonstruovaný obraz. Jenže DSO má navíc spoustu dalších možností, daných digitální i počítačovou technikou, které si v následující stati ukážeme. Vzhledem k tomu, že pracují na obdobném principu jako počítače, lze naměřené hodnoty pomocí programu přenášet do PC a zpět, včetně nastavení přístroje po sériovém portu RS-232 nebo nověji po mnohem rychlejším USB portu. Rychlost přenosu zobrazení z osciloskopu Tekronix TDS 210 na kterém měření provádíme je pro oba kanály (dvě stopy) zobrazeno na monitoru počítače do jedné minuty. Tato pomalá odezva klade vysoké nároky na přípravu vlastního měření jak pedagoga, tak i žáků. Program Scope 5.5 Program Scope vyžaduje, aby byl osciloskop vybaven zásuvným modulem pro připojení a spolupráci s počítačem. Při zapnutí program Scope automaticky

35

hledá na datových sběrnicích GPIB a pokud nenajde, připojené zařízení přepíná se na sběrnici RS-232 kde najde příslušný COM. Po navázání spojení dostane obsluha základní informace o typu osciloskopu a čísle příslušného portu, v opačném případě se vypíše chybové hlášení. Základní nastavení programu a osciloskopu Protože záměrem této práce není popis činnosti a nastavení osciloskopu, což popisuje několikastránkový manuál, zmíním se jen o několika vlastnostech pro bližší představu. Před vlastním měřením se musí datově přenést nastavení z osciloskopu do počítače. Teprve pak můžeme zobrazit vlastní sledovaný signál, vlastní přenos trvá asi minutu pro oba kanály. Program na monitoru zobrazuje barevně rozlišené stopy z osciloskopu, včetně údajů o citlivosti kanálů a časové základny. Zobrazené stopy lze vertikálně posouvat pomocí myši. Další údaje se velice efektivně získají pomocí dvou svislých posuvných kurzorů, na kterých je navíc pohyblivý bod. Rozteč těchto kurzorů zobrazuje časový úsek mezi nimi a vertikální nastavení bodů zase velikost napětí. Oba tyto základní údaje se zobrazí v barvě příslušné stopy v pravém horním rohu obrazovky. Mezi další možnosti patří i frekvenční analýzy signálu. Všechny naměřené údaje se dají uložit jako data v číselné nebo obrazové formě. Pomocí výpočetní techniky se pak dají dále zpracovat a využít.

36

Ukázka práce s programem

Obr. 8 Zapojené pracoviště pro měření pomocí osciloskopu

37

Obr. 9 Osciloskop se zobrazenými průběhy

38

Obr. 10 Zobrazené průběhy na monitoru počítače

39

Obr. 11 Tiskový výstup z programu Scope V této části jsem se snažil přiblížit možnosti profesionálních přístrojů. ICT koordinátor by měl vhodně působit na skloubení výukových stavebnic se skutečnými úlohami ověřené pomocí běžně užívaných měřicích přístrojů. Nemělo by docházet jen k běžnému naměření hodnot, ale i k jejich následnému zpracování pomocí výpočetní techniky.

40

Úloha ICT koordinátora při výuce řídicích systémů Úloha koordinátora při zavádění nových technologií v perspektivních oborech Koordinátor na odborné škole musí spolupracovat s pedagogy vyučující odborné předměty. Obzvláště pokud se jedná o nově vnikající obory nebo předměty nesouvisející s jeho odbornou profesí. Zde je dobré si stanovit kritéria čeho chceme dosáhnout a jednotlivé etapy pro uskutečnění daného plánu. Koordinátor v těchto případech musí zvážit nákup nebo přesun IT techniky a poskytnout rady co se týká umístění a připojení k síti. Softwarové vybavení je již často součástí techniky nebo daný vyučující má jasnou představu a požadavek na jeho zakoupení. V těchto případech funguje koordinátor spíše jako poradce. Návrh nové učebny Pro potřeby výuky řídicích systémů úzce souvisejících nejen s mechatronikou, ale i dalších elektronických předmětů byla ve škole vhodně upravena a vybavena stávající učebna řídicích systémů. Z důvodu prostorové náročnosti pomůcek zřízena ještě jedna nová a větší učebna. Při jejich návrhu se muselo přihlédnout nejen k hygienickým požadavkům, jako osvětlení a větrání, ale i k technickému zázemí. Mezi ně například patří rozšíření sítě LAN o metalické i Wifi připojení. Přidělení IP adres novým počítačům a instalace nových výukových programů na ovládání manipulátorů, ale i celých výrobních celků a programu Matlab. S učebnou je zároveň propojen kabinet, který navíc slouží i jako uzamykatelný sklad výukových pomůcek a měřicích přístrojů. Stávající učebna byla doplněna dalším zařízením, aby se daly realizovat ucelenější úlohy, ale z prostorových důvodů jen drobnější technikou. Na novou učebnu se využila místnost, která je bez oken. Takže se do stropu musely umístit světlíky, které zajišťují dostatečné větrání a také denní světlo. Manipulátory jako pohonné prvky používají krokové elektromotory nebo pneumotory. Ty ke své činnosti potřebují rozvody stačeného vzduchu, na jehož kvalitu jako je vlhkost a prašnost jsou kladeny velmi vysoké požadavky. Takto upravený vzduch patří mezi drahá pohonná média. Musí se vyřešit umístění a odhlučnění kompresorů včetně rozvodů stlačeného média tak, aby nikde tyto rozvody nepřekážely a nemohly způsobit úraz. Samotné stavebnice s manipulátory jsou většinou na pojízdných stojanech, ve kterých je též umístěna potřebná řídící a mikroprocesorová technika. Tím mají studenti možnost se stavebnicí i prostorově manipulovat a přemisťovat je k dalším stavebním celkům.

41

Počítačové vybavení bylo použito z učebny, kde se v rámci modernizace vyměnila výpočetní technika. Tyto počítače se nahrály čistým operačním systémem a provedla se dále instalace vhodných programů a ovladačů. Instalaci programů na vlastní počítač v učebně nebo laboratoři řešíme z důvodu co nejrychlejší údržby a opravy tak, že používáme vždy stejný model v celé učebně, na který nahrajeme klon, který se nejdříve odzkouší. Tímto klonem jsou potom osazeny ostatní počítače a záloha je uložena na serveru. Podle druhu učebny a velikosti klonu, trvá následné přeinstalování 10 až 15 minut a počítač je s čistě nainstalovaným systémem a programy. Na vybudování těchto nových učeben se podílela i řada sponzorských firem. Tím mají možnost v těchto učebnách pro své zaměstnance pořídit rekvalifikační nebo školicí kurzy. Obrazová ukázka učebny řídicích systémů

Obr. 12 Pohled na pojízdné výukové stojany elektropneumatiky

42

Obr. 13 Kráčející a pojízdný robot ze stavebnice Biolouid je možné programovat i pomocí jazyka C+

43

Obr. 14 Manipulátor Festo

44

Programovací jazyky na programování automatů a robotů rozlišujeme na základní dvě skupiny. 1.

Grafický jazyk LADDER je to jazyk releových symbolů

2. Textový jazyk Instruction list je jazyk seznamu instrukcí Výrobci jednotlivých systémů a mikroprocesorů většinou používají svůj vlastní programový jazyk, čímž se výběr těchto zařízení pro výuku ztěžuje, i když jsou postaveny na předchozích dvou typech programovacích jazyků. V automatizační a řídící technice je snaha o zavedení univerzálních typů programů například Control Panel. Pomocí těchto programů se dají simulovat nebo řídit i složité procesy.

45

Závěr V této práci jsem se snažil přiblížit další možnosti využití ICT při výuce elektronických oborů. Snahou bylo ukázat možnosti tematicky zaměřené výukové stavebnice a komerčních měřicích přístrojů používaných v průmyslu, kam odborné školy připravují své absolventy. Zde mohu říci, že na stavebnici lze provádět více možných variant ukázek a demonstrací měření z širšího spektra oborů. Výsledky měření téměř přesně odpovídají vypočteným hodnotám měřených veličin. Při použití běžných přístrojů se již projevuje vliv nedokonalosti použitých součástek, což je v této práci také vysvětleno. Dále jsem se zaměřil na důležitou úlohu vzájemné spolupráce koordinátora ICT s pedagogy na příkladu vybavení odborné učebny. Věřím, že na školách budou kvalifikovaní učitelé, kteří si budou uvědomovat a využívat přednosti ICT.

46

Použitá literatura [1] Maixner, L. a kolektiv. Mechatronika. Brno: Computer Press, 2006. ISBN 80-251-1299-3. [2] PhDr. Josef Malach, CSc., Ing. Milan Mikošek. Tvorba a užití didaktických médií, Dokument ve formátu PDF, dostupný z Internetu, [3] RC přístroje pro vědu a vzdělání spol. s.r.o. Modulový výukový system Dominoputer, Praha 4: 1997 (návod ke stavebnici Dominoputer) [4] RC Didactic Systems, Výukový systém rc2000, Popis systemu, Praha 4, (návod ke stavebnici μLAB) [5] RC společnost s.r.o. přístroje pro vědu a vzdělání, dostupné na internetu, [6] Ing. Hlinovský, CSc., Vít. Scope 5.5 Program pro počítačovou podporu osciloskopů Tektronix, Praha 6: II. vydání, 1999 (příručka dodaná s programem Scope 5.5) [7] Prof. Ing. Haasz, CSc., Vladimír, Doc. Ing. Sedláček, CSc. Miloš, Elektrická měření Přístroje a metody, Praha: ČVUT, 2000. ISBN 80-01-01717-6. [8] Seibrt, Artur. Osciloskopy od A do Z. Ostrava: HEL, 2000. ISBN 8086167-11-9. [9] Novák, Petr. Mobilní roboty polohy senzory řízení. Praha: BEN 2005. ISBN 80-7300-141-1. [10] Wagner, Pöllath, Schumacher, Novotný. Technika a programování robotů. Plzeň: Delex, 1994. ISBN 80-901-657-8-8.

47