Guidelines for ICETA 2007 Paper Preparation

Guidelines for ICETA 2007 Paper Preparation

PROBLEMATIKA VÝUKOVÝCH STAVEBNIC A VÝUKOVÝCH BALÍČKŮ VE VÝUCE
ELEKTRONIKY NA ZÁKLADNÍCH A STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH
Katedra technické a
informační výchovy
4.mezinárodní
konference
Nové technologie ve
výuce
PedF MU Brno
listopad 2010
Mgr.Pavel Pecina, Ph.D.
Katedra didaktických technologií
Pedagogická fakulta MU
Poříčí 31
602 00, Brno
Telefon: +420 549495488
Mail: [email protected]
PaedDr. Ing. Josef Pecina, CSc.
Katedra technické a informační výchovy
Pedagogická fakulta MU
Poříčí 31
602 00, Brno
Telefon: +420 54949 6212
Mail: [email protected]
Resumé.
Předložená studie je zaměřena na problematiku výukových stavebnic a výukových balíčků ve výuce
elektroniky na základních a středních školách. První část příspěvku po vymezení problému shrnuje
současný stav v nabídce těchto pomůcek. Další část je věnována popisu vlastního výukového
experimentálního systému, který jsme pro výuku elektroniky navrhli a také zhotovili prototyp.
Klíčová slova: stavebnice, elektrotechnické stavebnice, výukové balíčky, výukový experimentální
systém
hry, aby byl podchycen zájem dítěte. Vhodné jsou
univerzální stavebnice bez pájení, které umožňují vytvořit
řadu zajímavých pokusů, doprovázených vhodnými
světelnými a zvukovými efekty.
Využívání elektrotechnických stavebnic má u nás svoji
historii i budoucnost. Na základní škole jejich zařazení
předpokládá aktuální základní dokument Rámcový
vzdělávací program pro základní vzdělávání [7]. Jsou to
učební pomůcky pro oblast učiva o elektrotechnice a
elektronice, které slouží ke zvýšení názornosti a usnadnění
procesu učení. Jejich přínos je ve vytváření a podpoře
technické gramotnosti, technického myšlení, k rozvoji
dovedností
i
k rozvoji
technické
tvořivosti.
Experimentování žáků s elektrotechnickými stavebnicemi je
považováno za činnost komplexního charakteru. Žáci si
nevystačí pouze se zapamatovanými vědomostmi, ale musí
uplatnit i praktické dovednosti a návyky. Žák je nucen
analyzovat zadání a požadavky na funkci obvodu, vybrat
potřebné součástky, navrhnout funkční schéma zapojení,
vytvořit technickou dokumentaci, prakticky realizovat el.
obvod, provést funkční zkoušku, měřit fyzikální veličiny a
výsledky zaznamenat do protokolu [1].
Elektrotechnické stavebnice můžeme dělit podle více
hledisek. J. Dostál [1] uvádí ve své studii následující
rozdělení:
A)Kategorizace podle způsobu využití ve výuce:
• Demonstrační (uzpůsobeny na demonstraci
zapojovaných obvodů učitelem).
1. ÚVOD
V současné době je na trhu k dispozici mnoho typů
elektrotechnických stavebnic a výukových balíčků
využitelných ve výuce elektroniky. Tento příspěvek si klade
za cíl sumarizovat nabídku existujících typů a prezentovat
vlastní experimentální výukovou soupravu, kterou jsme pro
výuku elektroniky navrhli a zhotovili.
2. VYMEZENÍ PROBLÉMU
Stavebnice v obecné rovině lze vymezit jako sadu určitých
předmětů k sestavování a spojování do libovolných nebo
přesně vymezených celků, k jejich montáži a demontáži [1].
Elektrotechnickou stavebnici potom lze chápat jako
takovou soustavu nosných prvků, funkčních prvků a
funkčních částí, určených k jednorázovému nebo
opakovanému sestavení různého počtu obvodů, která je
jako celek určena svými didaktickými a technickými
parametry [1]. Elektrotechnické stavebnice jsou didaktické
pomůcky, které napomáhají dosahovat cílů technické
výchovy v oblasti elektrotechniky a elektroniky na druhém
stupni základních škol i dosahování cílů elektrotechniky a
elektroniky na středních školách. Tyto stavebnice zaujmou
děti nejdříve ve věku 8 až 10 let. Je možné je tedy využít již
na prvním stupni ZŠ. V tomto věku je třeba začít formou
1
•
• Žákovské.
B) Kategorizace podle počtu oblastí, pro něž jsou určeny:
• Monotematické.
• Polytematické.
C) Kategorizace podle úrovně vzdělávání:
• Pro základní vzdělávání.
• Pro středoškolské vzdělávání.
• Pro vysokoškolské vzdělávání.
D) Kategorizace podle charakteru el. proudu
• Pro slaboproudou elektrotechniku.
• Pro silnoproudou elektrotechniku.
E) Kategorizace podle výrobce:
• Vyráběné profesionálně.
• Vyráběné amatérsky.
F) Kategorizace podle zaměření elektrotechniky:
• Pro obecnou elektrotechniku a elektroniku.
• Pro elektroinstalace.
• Pro měřicí a regulační techniku.
• Pro telekomunikační techniku.
• Pro výrobu a rozvod elektrické energie.
• Pro digitální a mikroprocesorovou techniku.
• Pro elektrické stroje.
• Pro automobilovou elektrotechniku.
• Pro výkonovou elektroniku.
• Pro jiné zaměření.
G) Kategorizace podle typu uživatele:
• Pro začátečníky.
• Pro pokročilé.
• Pro velmi pokročilé.
H) Kategorizace podle umístění součástek:
• Se součástkami pevně umístěnými na nosné desce.
• Se součástkami zapouzdřenými nebo na nosných
štítcích.
• S volnými součástkami pro zapojování do
propojovacích polí.
CH) Kategorizace podle typu spojů mezi prvky:
• S nerozebíratelnými spoji.
• S rozebíratelnými spoji:
- S ovíjenými spoji.
- S pružinovými spoji.
- S magnetickými spoji.
- Se šroubovými spoji.
- Se zásuvkovými spoji.
I) Kategorizace podle reálnosti sestavování obvodů a
součástek:
• Využívající reálné prvky.
• Simulované počítačem.
J) Kategorizace podle oblasti aplikace:
• Pro obecnětechnické vzdělávání.
• Pro volný čas.
Pro profesní vzdělávání.
J. Dostál dále ve své studii popisuje nejpoužívanější
elektrotechnické stavebnice ve školní praxi. Jsou to:
• Voltík I, II, III.
• Elektronická laboratoř.
• Merkur elektronic E2.
• Elektrotechnická stavebnice 500 v 1.
• Zkušební elektrický panel.
• Elektrotechnická stavebnice 75 v 1.
• Propojovací pole.
• Elektrotechnická stavebnice 50 v 1.
• Elektrotechnická stavebnice – Bytové
rozvody.
• Elektrotechnická stavebnice 130 v 1.
• Elektrotechnická stavebnice TASK.
• Žákovský stavebnicový systém Elektřina
/elektronika- PHYWE
• Stavebnice COM3Lab.
• Elektrotechnická stavebnice od Leybold
Didactic.
• MEZ Elektronik 01 as 02.
• Orton ALFA.
• Logitronik 01 a 02.
• Elektromontážní souprava.
• Elektronik 1.
• Stavebnice Z 3/III.
• Stavebnice pro technické práce a základy
techniky v 8. ročníku ZŠ.
• EMA.
• Pájené stavebnice EZK- blikač a
akustický indikátor.
• Edison.
• Tina Pro.
• Stavebnicový systém Dominoputer.
• Stavebnice DIDAKTIK.
• Stavebnice LEGO Dacta řady ROBOLAB
a e.LAB.
Podrobněji nebudeme popisovat ani vybrané typy, protože
by to přesáhlo kapacitní možnosti této studie. Oblíbené a
relativně používané jsou stavebnice Voltík a Merkur. Další
informace k těmto stavebnicím čtenář nalezne v použitých
pramenech ([1],[5], [6]).
Dále jsou na trhu k dispozici výukové pokusné balíčky a
experimentální moduly. Conrad [2] nabízí následující
výukové sady:
• Sada 25 elektronických experimentů.
• Výukový balíček elektronika (Franzis).
• Experimentální stavebnice Busch a Kosmos.
Pomocí stavebnice 25 el. experimentů je možné
experimentálně sestavit a odzkoušet řadu zajímavých
zapojení (zvukové a světelné obvody, blikače, alarm,
časová a spínací technika, vysílač VKV, test polarity,
dotykový senzor…atd.). Pomocí výukového balíčku Franzis
lze realizovat více než 50 zapojení. Mezi nimi jsou zapojení
s led diodami, tranzistory, světelnými a zvukovými senzory,
čidly otřesu, operačními zesilovači a dalšími součástkami.
Firma Velleman [3] nabízí kromě mnoha stavebnic typu
pájené spoje také následující výukové balíčky:
• START KIT
3. AKTUÁLNÍ NABÍDKA STAVEBNIC A
VÝUKOVÝCH BALÍČKŮ
2
• START KIT2
Součástí balíčku START KIT je pájecí pero, pájka, štípací
kleště a dvě pájecí stavebnice (hra na cvičení pamětí a
světlo reagující na zvuk). Součástí balíčku START KIT 2 je
multimetr, odsávačka, kleště, sada šroubováků a dvě
stavebnice.
Pomůcku jsme nazvali systémem proto, že se nejedná pouze
o stavebnici a to vzhledem ke své relativní komplexnosti a
multifunkčnosti. Nevylučujeme také vývoj další rozšířené a
zdokonalené verze.
Systém obsahuje následující:
1. Technickou dokumentaci systému.
2. Popis zapojení.
3. Nepájivé pole.
4. Pájivá pole v několika velikostech.
5. Součástky (včetně konstrukčních součástek) na
realizaci všech zapojení a další součástky pro
experimentální tvůrčí činnost. Systém tak
umožňuje vývoj vlastních aplikací.
6. Ukázku stavebnice směr“ pájené spoje“.
7. Základní
variantu
digitálního
multimetru,
nízkovoltovou páječku, štípací kleště, pinzetu,
sadu šroubováčků, lupu, izolační pásku, pájku,
kalafunu.
4. NÁVRH VLASTNÍHO VÝUKOVÉHO
EXPERIMENTÁLNÍHO SYSTÉMU
Náš systém rozšiřuje existující pomůcky o další zajímavou
variantu, která není pouze stavebnicí a poskytuje řadu
inspirativních možností. Existující stavebnice a výukové
balíčky sice umožňují řadu možnosti, zejména realizaci
nejrůznějších zapojení. Avšak jen některé obsahují i
potřebné přístroje a nářadí a to ve velmi omezeném rozsahu.
Systém je určen pro výuku základů elektroniky na druhém
stupni základních škol i na středních školách. Integruje
možnosti realizovat vybraná zapojení a ověřit jejich funkci
na nepájivém poli (elektronická stavebnice). Dále je možné
realizovat vybraná zapojení na univerzálních pájivých
deskách a to v podobě, v jaké mohou sloužit jako hotový
výrobek (součástí jsou pájivá pole v několika velikostech).
Systém je také vhodný pro zájmovou experimentální
činnost v oblasti elektroniky. Pří návrhu byl kladen důraz
na motivaci. Zapojení a konstrukce jsou voleny tak, aby
žáky zaujaly a umožnily na jedné straně zvládnutí
vybraných základních poznatků z elektroniky a na druhé
straně také hrovou experimentální činnost.
Systém je umístěn v dřevěné krabici s přihrádkami. Víko
krabice je odnímatelné a použitelné jako nevodivá podložka
pro práci. Součástí systému jsou všechny elektronické
součástky (včetně vodičů, tužkových baterií a devítívoltové
baterie k napájení zapojení) k realizaci vybraných
popsaných zapojení. Dále systém obsahuje základní
přístroj, nářadí a spotřební materiál: základní multimetr,
nízkovoltovou páječku, pinzetu, štípací kleště, sadu
šroubováčků, lupu, izolační pásku a pájku. Systém tak
obsahuje všechny základní pomůcky, nářadí, nástroje a
součástky k práci, což je její výhoda. Pro výuku je vhodné
mít k dispozici ještě stabilizovaný zdroj stejnosměrného
elektrického napětí a osciloskop. Pokud se učitel rozhodne
pro výrobu plošných spojů, je třeba mít i další vybavení.
V krajním případě se však ve výuce lze obejít i bez těchto
přístrojů. Systém obsahuje všechny základní potřeby. I
když se tato sada (souprava) nemůže rovnat kompletně
vybavené elektrotechnické laboratoři, může se stát velmi
dobrým nástrojem učitele ve výuce elektroniky. Učitelé
mohou tento systém podle popsané dokumentace sami
sestavit v nezměněné podobě nebo ho mohou tvořivě
modifikovat a vyrobit v jednodušší variantě nebo
naopak systém rozšířit a doplnit ho o další pomůcky,
nástroje, součástky a možnosti realizace dalších
zapojení. Po zvládnutí a odzkoušení základních obvodů je
vhodné systém využívat k realizaci vhodných výrobků
z elektroniky. Na trhu je velké množství elektronických
stavebnic směr“ pájené spoje“, které obsahují hotový
plošný spoj a všechny součástky k realizaci. Je také možné
pracovat s konstrukčními náměty, popsanými v časopisech
(amatérské rádio) nebo v literatuře i na Internetu.
Rozměry
460
150
85
180
260
130
110
Výška krabice 70mm
Páječka,kleště, lupa, nůž, pinzeta.
Pájka, kalafuna
,izolační páska.
Multimetr
Pouzdra na články,
el. články,
devítivoltová baterie,
ukázková stavebnice.
Vodiče,
svorky.
Rezistory, kondenzátory,
diody,tranzistory,
piezoměnič, žárovky,
motorek, vypinače...
Nepájivé pole,
pájivá pole,
sada
šroubováků
Obr. 1. Mechanické řešení systému
Seznam součástek, pomůcek a nářadí
• Nepájivé pole- 1x.
• Pájivá pole- několik různých velikostí.
• Tužkové baterie- 4x + držáky baterií(dvě v sérii, tři
v sérii, čtyři v sérii), devítívoltová baterie.
• Vodiče- různé barvy a průměry.
• Vypínače, tlačítka – různá.
• Žárovky – 2,4V, 3,6V, objímky.
• Motorek- 2,4V.
• Rezistory – různé hodnoty podle zapojení.
• Kondenzátory- různé hodnoty podle zapojení.
3
• Diody – led diody, diody 1N 4148, 1N 4007.
• Tranzistory: TIP 122, 2N 2646 a další typy..
• Integrované obvody- časovač 555C, 556C,
mikrokontrolér PIC 16F 84A 04I/P.
• Reproduktory- různé.
• Piezoměnič, piezosiréna.
• Další součástky (konektory, zdířky, banánky,
elektromagnet, solární článek, magnetický rozpínací
kontakt…atd.).
• Jedna ukázková stavebnice směr“ pájené spoje“.
• Základní varianta multimetru (měří stejnosměrné a
střídavé el. napětí, stejnosměrný el. proud, el. odpor,
přechod PN, hFE.
• Nízkovoltová páječka.
• Sada šroubováčků.
• Štípací kleště.
• Pinzeta.
• Lupa.
• Nůž.
• Izolační páska, pájka, kalafuna.
•
Kondenzátor – 1,50 Kč (je třeba asi 20
kondenzátorů)- 30Kč
• Tranzistory- 1-6Kč za kus. Bude třeba asi 5
tranzistorů, celkem asi 20Kč
• Relé (např. RELRAS 0515, 5V) – 20Kč
• Integrované obvody 555C, 556C, 4011…5- 10Kč
za kus,bude třeba asi 5 IO, celkem asi 30Kč
• Magnetický kontakt (např. typ N-SA 03B) – 29Kč
Celkem: 850 Kč (zaokrouhleno)
Celková cena za kompletní výše popsanou sestavu bez
krabice(zaokrouhleno):1670Kč
Cena sestavy a konkrétní výbava:
Přístroje, nářadí a pomůcky:
• Multimetr (např. typ HC- DT 860D) – 150 Kč.
• Páječka (např. typ N- SH 815B)- 150Kč
• Sada šroubováčků s lupou (N-CT- 9822) – 90Kč
• Pinzeta – 40 Kč
• Štípací kleště- 90 Kč
• Nůž odlamovací- 10Kč
• Nepájivé pole(např. typ N-SZB120) – 90Kč
• Pájivé pole(rozměr 105x 140)
– 84Kč
(doporučujeme do soupravy 2 kusy)
• Pájka (S CIN 08- 18)- 20Kč
• Izolační páska – 10Kč
Celkem: 820 Kč (zaokrouhleno)
Obr.2 Fotografie prototypu
Krabici je možné si vyrobit nebo použít jinou vhodnou
dostatečné pevnou od zboží s menšími krabičkami uvnitř.
Ceny součástek, přístrojů a pomůcek byly použity
z katalogu GM ELECTRONIC, 2010.
Zapojení, která je možné pomocí sady realizovat
1. Jednoduchý elektrický obvod se žárovkou a
s motorkem.
2. Zapojení s rezistorem, demonstrace Ohmova
zákona.
3. Zapojení s diodami, princip činnosti diody.
4. Regulátor stejnosměrného elektrického proudu,
princip činnosti tranzistoru.
5. Jednoduchý blikač s led diodami, časovač 555.
6. Vícetónový zvonek, časovač 555.
7. Jednoduchý alarm 1.
8. Alarm 2.
9. Jednoduchý elektronický kódový zámek.
10. Bzučák.
11. Indikátor vlhkosti.
12. Světelný had.
13. Časový spínač.
14. Svítilna s led diodami.
15. Elektronický oheň.
16. Obvod, vytvářející různé zvuky.
Elektronické součástky:
• Vodiče – 100Kč
• Pouzdra na tužkové baterie ( 3 KS)- 30Kč
• Motorek, 3V- 60Kč
• Reproduktor – 45 Kč
• Piezoměnič (např. KPE 222A)- 40Kč
• Piezosiréna (např. KPE 1501) – 80Kč
• Vypínač kolébkový- 10Kč (doporučujeme do
sestavy minimálně 6 ks) – 60 Kč
• Vypínač páčkový – 14 Kč
• vypínač na klíček (např. typ P-B0830)- 66Kč
• Tlačítko (např. P-DT6)- 12Kč( doporučujeme do
sestavy minimálně 3 ks) – 42 Kč
• Žárovka (2.5V, 4, 5V) – 5 Kč(doporučujeme od
každého typu 2ks)- 20Kč
• Rezistory – 1Kč za kus( bude třeba asi 40
rezistorů)- 40Kč
• Potenciometr – 10Kč
• Dioda – 1Kč( je třeba asi 10 diod) – 10Kč
• Led diody – 3 až 12 Kč za kus. Je třeba asi 5 led
diod standardních (různé barvy) a 6 diod
vysokosvítivých. Celkem asi 80Kč.
Výše uvedená zapojení jsem sami navrhli nebo převzali
z uvedených pramenů, upravili a uvedli odkaz příslušného
pramene. Jejich popis je k dispozici u autorů této studie.
4
Součástí stavebnice nejsou zapojení s jednočipovými
mikrokontroléry. Tato oblast je tak významná, že by si
zasloužila samostatnou experimentální výukovou sadu s
příslušným vybavením i odpovídající metodikou.
5. ZÁVĚR
Výše popsaný výukový systém (sada, souprava) není žádný
vědecký objev. Přesto může být inspirativním podnětem pro
učitele elektroniky k sestavení stejné nebo podobné sady
pro výuku. V další fázi máme v plánu ověřit tento systém
v praxi prostřednictvím akčního výzkumu a to jak na
základní tak i střední odborné škole ve výuce základů
elektroniky. Věříme, že se ukáže jeho použitelnost a
potřebnost. V tom případě budeme pracovat na jeho dalším
vylepšování a rozšiřování. Domníváme se, že investice do
sestavení několika takových souprav může být pro školu
prospěšným krokem.
POUŽITÉ ZDROJE
[1] DOSTÁL, J. Elektrotechnické stavebnice (teorie a
výsledky výzkumu). Zábřeh: Vydáno vlastním nákladem,
2005.
[2] http://business.conrad.cz/
[3]http://www.ges.cz/stavebnice/vellemanstavebnice/XNQ.html
[4] http://www.gme.cz/cz/
[5]NOVÁK, D. Elektrotechnické stavebnice v technické
výchově. Praha: PdF UK, 1997. ISBN 80-86039-37-4.
[6]PECINA, P., PECINA, J. Elektronika (Technická
praktika z elektroniky). Brno: MU, 2007. ISBN 978-80210-4279-7.
[7]PECINA, P., PECINA, J. Elektronika v praktických
činnostech na druhém stupni ZŠ I. Brno: PdF MU, 2010.
[8]RAMCOVÝ
VZDĚLÁVACÍ
PROGRAM
PRO
ZÁKLADNÍ VZDÉLÁVÁNÍ? Praha: MŠMT, 2005.
AUTOR
Mgr. Pavel Pecina, Ph.D.:
Odborný
asistent
na
katedře
didaktických technologii PdF MU.
Přednáší předměty obecná didaktika,
didaktika
odborných
předmětů,
vzdělávání v informační společnosti a
materiály a technologie- dřevo,
plasty. Zaměřuje se na otázky samostatnosti a tvořivosti
žáků v technickém vzdělávání na základních školách. Je
autorem více než 70 domácích a zahraničních publikací.
Dlouhodobě spolupracuje s Institutem celoživotního
vzdělávání VUT, Brno a katedrou technické a výtvarné
výchovy pedagogické univerzity ve Vilniusu (Litevská
republika).
5