Didakta 193 11 RAZVIJANJE UČNE AKTIVNOSTI PRI STROKOVNEM MODULU V PROGRAMU ELEKTROTEHNIK V SREDNJEM STROKOVNEM IZOBRAŽEVANJU / mag. Borut Pogačnik, univ. dipl. inž., učitelj strokovno teoretičnih modulov / Šolski center Kranj Učni cilji, ki jih morajo dijaki usvojiti pri posameznih modulih, so določeni v katalogih znanj, izbira didaktičnih metod pa je v največji meri prepuščena presoji učitelja, ki mora biti usposobljen tako strokovno kot didaktično. V prispevku je prikazan sistematično strukturiran didaktični pristop za doseganje učnih ciljev pri strokovnem modulu Upravljanje s programirljivimi napravami (UPN) v srednješolskem programu elektrotehnika, in sicer z uporabo merilnega in krmil- nega sistema Red Pitaya. Pri obravnavani snovi so vključene tudi vsebine že obravnavanih modulov Izdelava osnovnih vezij (IOV) in Načrtovanje in priklopi električnih naprav (NEN). S tem je prikazana tudi povezava vsebin posameznih modulov v uporabno celoto. Pri poučevanju v tehniških poklicih je namreč za doseganje učnih ciljev zelo pomembno, da znajo dijaki posamezna teoretična in praktična znanja povezovati v uporabno celoto. 1. Vzpodbujanje učne aktivnosti dijakov Motivacija dijakov za čim večjo učno aktivnost je odvisna od več faktorjev. Učitelj z načrtovanjem in uporabo ustreznih učnih oblik in metod po- stavi osnovne temelje. Pomembno pa je tudi, da zna strokovno učno vsebi- no posredovati zanimivo in aktualno. Dijaki naj bi bili čim bolj aktivni, pri tem pa je pomembna tudi uporaba moderne učne tehnologije in IKT. V modulih IOV in NEN dijaki spoznajo klasične merilne instrumente, kot so univerzalni instrument, osciloskop, spektralni analizator, meter LCR in signalni generator. Vse te instrumente lahko nadomesti odprtokodni razvojni sistem Red Pitaya, ki se lahko upora- blja tudi kot merilni sistem. Primerjava Red Pitaye kot instrumenta s klasič- nimi laboratorijskimi instrumenti je prikazana v preglednici 1. Razvojni sistem Red Pitaya je slovenski visokotehnološki produkt, ki se lah- ko uporablja za poučevanje različnih področij elektrotehnike na različnih stopnjah izobraževanja – od osnovne šole do univerzitetnega študija. V okvi- ru modula UPN je glavni cilj uporabe razvojnega sistema Red Pitaya, da se dijaki naučijo osnovnih korakov pro- gramiranja v programskem jeziku C. Ob merjenju karakteristik polprevo- dniških elementov z Red Pitayo dijaki spoznajo različna teoretična in praktič- na znanja s področja elektrotehnike in računalništva. Učenje programiranja je zelo zahtevno, ker moramo pri di- jakih razvijati nov način razmišljanja, ki pa je za precej dijakov v začetnih korakih težko. Pri vzpodbujanju učne aktivnosti dijakov je zelo pomembno, da te začetne korake zelo natančno načrtujemo in da spoštujemo didak- tična načela (nazornost, postopnost, sistematičnost). 2. Izhodiščna didaktična načela za izvajanje praktičnega dela pri strokovnem modulu UPN Pri predavanju in vajah v laboratoriju je ključno načelo nazornosti, ki omo- goča lažje dojemanje in prehajanje od konkretnega k splošnemu. Drugo načelo je načelo postopnosti, ki zahteva podajanje učne snovi od lažjega k težjemu in od enostavnejše- ga h kompleksnejšemu (Diesterweg). Načelo sistematičnosti zahteva, da znanje podajamo pregledno in je zato lažje razumljivo, trdnejše in trajnejše. Načelo povezovanja teorije s prakso nam omogoča uporabnost usvojenih znanj – aktualnost. 3. Učne metode za izvedbo vaj Učne metode za izvedbo vaj so po- membne za realizacijo didaktičnih načel. 3.1. Metoda razlage – motivacija, poznavanje, razumevanje temeljnih pojmov Z metodo razlage dijakom predstavi- mo sistem Red Pitaya, in sicer v nasle- dnjih korakih: osnovne lastnosti siste- ma, predstavitev strojne in program- ske opreme, osnovni koraki priprave Red Pitaye za uporabo, predstavitev spletnih aplikacij osciloskopa in si- gnalnega generatorja, razvoj osnovnih aplikacij, ob katerih dijaki spoznajo programiranje sistema in merjenje karakteristik polprevodniških elemen- tov s sistemom Red Pitaya. V uvodnih urah dijake opozorimo tudi na učne vsebine, ki so jih spoznali že pri dru- gih modulih (IOV, NEN) in jih bomo potrebovali pri nadaljnji obravnavi učne snovi. Pri izobraževanju tehniških poklicev je pomembno povezovanje posameznih vsebin v uporabno celoto. Predstavitev sistema Red Pitaya uvo- doma poteka v splošni učilnici šest šolskih ur. Preverjanje znanja dijakov v splošni učilnici ni bilo predvideno. Razlaga je podprta z ustrezno pred- stavitvijo v PowerPointu in demonstra- cijami s pomočjo razvojnega sistema Red Pitaya. Dijakom predstavimo tudi spletno učilnico, v kateri je celotno gradivo, ki ga dijaki potrebujejo pri svojem delu. V okviru spoznavanja sis- tema Red Pitaya dijakom razložimo tudi primerjavo Red Pitaye z drugimi razvojnimi sistemi, kot sta npr. Ardu- ino in Rasberry PI, kar je prikazano v preglednici 2. 3.2. Laboratorijsko-eksperimentalna učna metoda Laboratorijsko-eksperimentalna učna metoda temelji na praktični aktivno- sti dijakov, ki je različna. Na najnižji stopnji samostojnosti dijaki postopno sledijo učiteljevim navodilom. Nato sledi dijakovo samostojno delo, ko jim učitelj vnaprej pojasni vse postopke. Na najvišji stopnji pa samostojno do- ločijo postopke in samostojno delajo. V programu srednjega strokovnega izobraževanja elektrotehnik ima veči- na modulov tudi določeno število ur praktičnega pouka, ki je namenjen, da teoretična znanja uporabijo v praksi 12 Didakta 193 Lastnosti Red Pitaya Klasični laboratorijski instrumenti prenosljivost velikost kreditne kartice (da) zajetna naročniške možnosti odprtokodna programska oprema nobene interakcija z uporabnikom tablica ali osebni računalnik LCD z nizko ločljivostjo dostop WI-FI, WLAN, USB, I2C RS232, USB multi-instrumenti osciloskop, spektralni analiza- tor, signalni generator samostojni instrumenti Pregleddnica 1: Primerjava Red Pitaye s klasičnimi laboratorijskimi instrumenti Slika 1: Prikaz klasičnih merilnih instrumentov in merilnega sistema Red Pitaya (Vir 2) Slika 2: Razvojni sistem Red Pitaya (Vir 1) in vse skupaj povežejo v uporabno in aktualno celoto. Pri praktičnem pouku so dijaki razdeljeni v manjše skupine, v šolskem letu 2016/17 smo imeli dve skupini po dvanajst dijakov. V posa- mezni skupini dijaki delajo v dvojicah. Praktični del modula UPN poteka v specializirani učilnici za elektroteh- niko, kjer ima vsako delovno mesto osebni računalnik in osnovne merilne instrumente. Modul Upravljanje s programirljivimi napravami je razdeljen v dva vsebin- ska sklopa, in sicer v osnove progra- miranja in programirljive naprave. Da dijaki dosežejo cilje vsebinskega sklopa Osnove programiranja, morajo uspešno realizirati dve učni situaciji, in sicer: 1. učna situacija: povezovanje Red Pi- taye v omrežje in razvoj osnovnih aplikacij za Red Pitayo in 2. učna situacija: merjenje karakte- ristik osnovnih polprevodniških elementov. Zaradi obsežnosti prve učne situacije je ta sestavljena iz naslednjih vsebinskih enot: povezovanje Red Pitaye v omrež- je šolskih računalnikov, spoznavanje osnov operacijskega sistema Linux, spoznavanje programa gnuplot, razvoj osnovnih aplikacij za Red Pitayo. V vsaki od naštetih vsebinskih enot dijaki usvojijo določene cilje, ki so določeni za celotno učno situacijo. Prvi učni situaciji je namenjeno deset šolskih ur. Ker smo imeli na voljo samo eno razvojno ploščico Red Pitaya, smo z metodo demonstracije prikazali pove- zovanje le-te v omrežje šolskih raču- nalnikov s pomočjo omrežnega kabla RJ-45, ki ga priključimo na usmerjeval- nik, ki nato Red Pitayi in računalnikom dodeli ustrezen IP po protokolu DHCP, kar prikazuje slika 3. V nadaljevanju so se dijaki seznanili z operacijskim sistemom Linux in struk- turo datotečnega sistema Ubuntu ter osnovnimi ukazi za delo v terminalu. Red Pitaya deluje na operacijskem sis- temu GNU/Linux, razvoj programov praviloma poteka na osebnem računal- niku, zato so bili posebej poudarjeni Lastnosti Red Pitaya Raspberry PI Arduino UNO procesor Dual Core ARM Cortex A9 + FPGA ARM 700 MHz Microcontroller ATmega 321 FPGA da (Xilinx Zynq 7010 SoC) ne ne hitri analogni vhodi in izhodi 125 Msps 14 bit ne ne počasni analogni vhodi 100 ksps 12 bit ne 10 ksps 10 bit operacijski sistem Linux Linux ne osnovna (privzeta) funk- cionalnost multi-instrument računalnik mikrokrmilnik prosto dostopne aplika- cije da ne ne Preglednica 2: Primerjava med posameznimi razvojnimi sistemi Didakta 193 13 Lastnosti Red Pitaya Raspberry PI Arduino UNO procesor Dual Core ARM Cortex A9 + FPGA ARM 700 MHz Microcontroller ATmega 321 FPGA da (Xilinx Zynq 7010 SoC) ne ne hitri analogni vhodi in izhodi 125 Msps 14 bit ne ne počasni analogni vhodi 100 ksps 12 bit ne 10 ksps 10 bit operacijski sistem Linux Linux ne osnovna (privzeta) funk- cionalnost multi-instrument računalnik mikrokrmilnik prosto dostopne aplika- cije da ne ne Preglednica 2: Primerjava med posameznimi razvojnimi sistemi ukazi za prenos datotek med dvema sistemoma (osebni računalnik – Red Pitaya). Osnove programskega jezika C so di- jaki že spoznali, zato smo jim samo predstavili in razložili knjižnico API (Application Programming Interface), ki je na spletni strani Red Pitaye (lib- doc.redpitaya.com/rp_8h.html). Na najnižji stopnji samostojnosti smo dijakom postopoma predstavili posto- pek programiranja utripanja diode LED na razvojnem sistemu Red Pitaya, ki je razdeljen v več korakov, ki so opisani v nadaljevanju. Pripravimo vse zahtevane datoteke in knjižnice, ki jih za svoje delovanje po- trebuje program, napisan v program- skem jeziku C, kar prikazuje slika 4. V datoteki Makefile popravimo imeni objektne datoteke (OBJECTS = utrip.o) in ime datoteke z izvršljivo kodo (TAR- GET = utrip). V urejevalniku (Vim) na- pišemo programsko kodo v program- skem jeziku C, ki bo izvajala utripanje diode LED na razvojnem sistemu. Odpremo terminalno okno in s pomo- čjo križnega prevajalnika pripravimo izvršljivo datoteko utrip. Ukaz, ki ga vpišemo v ukazno vrstico za pripravo izvršljive datoteke, je naslednji: make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- clean all. Po izvršitvi gornjega ukaza, če ni napak v programski kodi, do- bimo izvršljivo datoteko utrip. Izvr- šljivo datoteko utrip prekopiramo na Red Pitayo s pomočjo ukaza scp dioda root@192.168.1.31:/tmp. Povežemo računalnik in Red Pitayo s pomočjo ukaza ssh root@192.168.1.31. Po izvršitvi ukaza ssh smo na glavnem direktoriju Red Pitaye. Zaženemo pro- gram utrip in na Red Pitayi prične utripati dioda LED. V nadaljevanju smo dijakom predsta- vili tri enostavne primere, in sicer: vklop diode na Red Pitayi s pomočjo zunanje tipke, branje analogne nape- tosti na počasnih analognih vhodih AI in nastavitev napetosti na počasnem analognem izhodu A0. Dijaki so pred- stavljene primere nato opravili samo- stojno brez večjih težav. V okviru prve učne situacije so spoznali in usvojili osnovne korake pri programiranju razvojnega sistema Red Pitaya. V drugi učni situaciji – merjenje ka- rakteristik polprevodniških elementov – dijaki že usvojena znanja pri posame- znih modulih povežejo in uporabijo pri reševanju praktične naloge. V uvodnih urah skupaj z dijaki ponovimo učne vsebine, ki so jih spoznali pri modulih IOV in NEN. Te so usmerniška dioda, bipolarni tranzistor, operacijski ojače- valnik in klasični način merjenja to- kovno napetostnih karakteristik. Pred samostojnim delom smo jim predstavili in razložili naslednje vsebine: - osnovni postopek avtomatiziranega merjenje karakteristik polprevodni- ških elementov, - merilno vezje in postopek merjenje U-I karakteristike diode. Po končani razlagi smo jim najprej demonstracijsko prikazali celoten postopek za merjenje U-I karakteri- stike diode (BA157). Pri tem je zelo pomembno, da spoštujemo didaktična načela, kot so nazornost, postopnost in sistematičnost. Po demonstraciji skupaj z dijaki na učne liste v obliki povzetka zapišemo posamezne faze merjenja U-I karakteristike diode. V nadaljevanju dijaki samostojno ponovijo posamezne faze, ki so potrebne za merjenje U-I karakteristike diode (BAY80). V zadnjem delu vsebinskega sklopa Osnove programiranja so dijaki samostoj- no realizirali avtomatizirano merjenje vhodne in izhodnih karakteristik bipo- larnega tranzistorja. Nekateri so pri tej nalogi imeli težave, zato smo jim demon- stracijsko prikazali postopek merjenja karakteristik bipolarnega tranzistorja. Polovica dijakov je samostojno opravila vse zahtevane naloge, preostali dijaki Slika 3: Primer povezovanja Red Pitaye v omrežje Slika 4: Datoteke in knjižnice, ki jih potrebuje program 14 Didakta 193 so potrebovali dodatno razlago in po- moč, na koncu pa so bili uspešni vsi. Vsa potrebna gradiva za obravnavane učne situacije so dijakom na voljo v spletni učilnici, kar uspešnejšim dija- kom omogoča, da samostojno opra- vljajo posamezne naloge. 3.3. Metoda ovrednotenja dela Ovrednotenje rezultatov dela opra- vimo na koncu učne situacije ali na koncu vsebinskega sklopa. Cilji ovre- dnotenja dela so: predstavitev rezul- tatov, ugotavljanje dijakovega napred- ka, ugotavljanje ustreznosti izbranih metod in oblik dela. Pomembno je, da za vrednotenje dela predvidimo dovolj časa. V razgovoru z dijaki smo ugotovili, da so bile učne metode in oblike dela ustrezno izbrane, da je večina dijakov obravnavano učno te- matiko z zanimanjem spremljala. Na koncu vrednotenja dela smo dijakom predstavili tudi druge aplikacije (mer- jenje temperature, merjenje vlage), kjer lahko uporabimo razvojni sistema Red Pitaya. Krmilni in merilni sistem Red Pitaya je primeren za poučevanje različnih znanj s področja elektrotehnike. Dijaki se lahko z uporabo razvojnega sistema naučijo osnove programiranja z različ- nimi programskimi jeziki. V nadaljeva- nju lahko Red Pitayo uporabijo tudi za priklop različnih elektronskih sklopov, predvsem senzorjev in aktuatorjev. 4. Preverjanje in evalvacija S preverjanjem znanja načrtno in sis- tematično zbiramo podatke o tem, koliko in katere učne cilje so dijaki usvojili. Ocenjevanje je postopek, ko učnim dosežkom dodelimo številčno ali opisno oceno. Namen preverjanja je, da dobimo ustrezne informacije o dijakovi aktivnosti oz. katere vsebinske sklope je več ali manj usvojil. Dijaka se seznani o tem, ali dela dovolj in ali uporablja pravilne metode in oblike učenja. Učitelj pa iz preverjanja prido- bi informacijo o uspešnosti posame- znih dijakov in celotnega razreda, o tem, ali uporablja ustrezne metode in oblike dela, če je hitrost obravnavanja učne snovi primerna in če so dijaki ustrezno motivirani. Preverjanje je pomembno tudi za izboljšanje kako- vosti učenja in poučevanja. Poznamo več vrst preverjanja, in sicer: začetno, sprotno in končno. V začetnem preverjanju smo ugota- vljali, katere programske jezike dijaki poznajo, ali so že programirali v kate- remkoli programskem jeziku, katere mikroprocesorske sisteme poznajo (Ar- duino, Raspberry PI, Red Pitaya …) in tudi vsebine, ki so jih že obravnavali pri drugih modulih (IOV, NEN). Veči- na dijakov se resno in sistematično s programiranjem še ni ukvarjala, po- znavanje mikroprocesorskih sistemov je minimalno. Učenje programskih jezikov je zelo zahtevno, saj gre za nov način raz- mišljanja, ki pa nekaterim dijakom povzroča nekaj začetnih težav. Zato je zelo pomembno, da posamezne vsebinske enote preverjamo sproti in s tem ugotavljamo, ali so usvojili zahtevano učno vsebino. V primeru, da ne usvojijo temeljnih znanj progra- miranja, ima to lahko več negativnih posledic, kot so neuspešno spremljanje sledečih vsebinskih sklopov, odpor in strah pred programiranjem, kar lahko povzroči tudi izostajanje od pouka in neuspešnost dijaka. Dijaki so dobili učne liste (iz spletne učilnice ali na učnem mestu), ki so jih izpolnjevali ob izvajanju posame- znih vsebinskih enot. Ob koncu vsa- ke vsebinske enote so le-to predstavili učitelju in jo na prvi strani učnega lista označili kot realizirano. Opisani način preverjanja nam lahko v veliki meri pomaga tudi pri ocenjevanju. Oceno dijakovega znanja določimo po opredeljenih kriterijih za ocenjevanje znanja (odvisna je tudi od števila opra- vljenih nalog). Z opisanim načinom dela lahko odpravimo tudi negativne učinke ocenjevanja. 5. Zaključek V prispevku je prikazan način, kako povečati učno aktivnost dijakov s pomočjo laboratorijsko-eksperimen- talne metode oziroma s praktičnim delom v specializirani učilnici. Za di- jake programa elektrotehnike znanje programiranja ni primarna vsebina, ki bi se ocenjevala na poklicni matu- ri, kljub temu pa je zelo pomembno, da jo usvojijo, ker je tudi na področju elektrotehnike prisotno vse več različ- nih programirljivih naprav, ki jih je potrebno sprogramirati. Klasične me- tode in oblike dela so za poučevanje strokovnih vsebin vse manj primerne, kajti aktivnost dijakov je pri pouku minimalna. Moderne učne tehnologije nam omogočajo, da pouk naredimo bolj zanimiv in s tem tudi povečamo aktivnost dijakov. Priprava učne situa- cije, kjer dijaki čim več delajo samostoj- no, v začetni fazi zahteva zelo veliko priprav, v nadaljevanju pa omogoča lažje delo pri vnašanju sprememb in dopolnitev. V predstavljenem načinu dela sta do- sežena aktivno sodelovanje dijakov in dober učni uspeh. Opravljena evalva- cija kaže, da so zadovoljni tudi dijaki. S tem, ko dijaka stalno spremljamo in preverjamo njegovo znanje med njegovim praktičnim delom v speci- aliziranih učilnicah, lahko tudi oce- njevanje poteka v drugačnih oblikah. Dijake, ki uspešno opravijo zahtevane naloge, lahko že na osnovi spremljanja in preverjanja ustrezno ocenimo po vnaprej določenih kriterijih za oce- njevanje znanja. Literatura Borut Pogačnik (2016) Merjenje karak- teristik osnovnih polprevodniških elementov z razvojnim sistemom Red Pitaya. Ljubljana: Fakulteta za elektrotehniko, UL – magistr- sko delo. Vira Vir 1: Spletna stran Red Pitaye http:// redpitaya.com/, 10. 4. 2017 Vir 2: https://www.youtube.com/ watch?v=hTe8gA6UCGw, 5. 5. 2017