SEMINARIUM CZĘŚĆ II Przyrządy i narzędzia wirtualne oraz ich zastosowania w edukacji Czas trwania: 4 godziny Spis treści: A. Wstęp B. Przyrządy i narzędzia wirtualne w edukacji C. Przyrządy i narzędzia wirtualne w Internecie przykłady D. Zadanie E. Bibliografia A. Wstęp Przyrządy i narzędzia wirtualne (Virtual Instrumentation - VI), są od dawna wykorzystywane w przemyśle oraz w praktyce laboratoryjnej. Zakres Ich zastosowań można podzielić na cztery grupy obejmujące: sterowanie, pomiary, analizę danych oraz symulacje. Ogólnie mówiąc, przyrządy wirtualne mogą być stosowane zarówno do celów badawczych, jak również przemysłowych i edukacyjnych.[1] Niniejsze seminarium zajmuje się zastosowaniami przyrządów i narzędzi wirtualnych w edukacji. Niektóre ważne, wysokiej jakości darmowe programy można znaleźć w Internecie. Inne ważne środowiska programistyczne (Cabri Geometry, LabVIEW, Crocodile Clips) zostaną również omówione. B. Podstawowe własności przyrządów i narzędzi wirtualnych stosowanych w edukacji Generalnie przyrządy i narzędzia wirtualne uzupełniają lub nawet zastępują eksperyment częściowo lub w całości. Wiele przyrządów i narzędzi wirtualnych nie tylko pozwala użytkownikom na przeprowadzanie pomiarów, ale również na krótkie przedstawienie podstawowej teorii zjawiska lub/i dostarczenie pełnej informacji na temat eksperymentu (jak włączyć przyrządy, jak je ze sobą połączyć, jak ustawić parametry i wykonać eksperyment, jak zbierać i analizować dane oraz weryfikować otrzymane rezultaty, itd.). Przyrządy i narzędzia wirtualne mogą być wyposażone w aplikacje, które symulują zjawisko i procesy oraz modelują przyrządy i eksperymentalne systemy pomiarowe. Dla większości eksperymentów aplikacje można uruchomić z paska menu interfejsu użytkownika, opracowanego dla sterowania wirtualnym eksperymentem. Przed rozpoczęciem akwizycji danych, eksperymentator musi przygotować wirtualny eksperyment do pomiarów. Wymaga to połączenia przyrządów wirtualnych i wybrania prawidłowych parametrów poszczególnych przyrządów oraz warunków eksperymentalnych. Zaleca się, aby eksperymenty bazowały na prawdziwych danych pomiarowych. Wirtualne eksperymenty są udostępniane na stronach internetowych lub są łatwo dostępne w postaci płyt CD (tak jak aplikacje LabVIEW wykonywalne programy opracowane w LabVIEW). Oznacza to, że mogą one być dostępne i użyteczne dla uczniów/studentów w domu w celu przećwiczenia metodyki i sposobu wykonania eksperymentu przed przyjściem do prawdziwego laboratorium, jak również w warunkach nauki na odległość i w formach mieszanych ( blended learning ). Eksperymenty te mogą być również częścią domowego laboratorium wirtualnego dla uczniów niepełnosprawnych 1
lub jako część laboratoriów wirtualnych w szkołach średnich. Ponadto nauczyciele i wykładowcy mogą użyć ich do demonstracji w trakcie zajęć teoretycznych. Oczywiste jest, że przetestowanie wykonania ćwiczenia w domu pozwala uczniom/studentom na zapoznanie się z warunkami i techniką eksperymentu zanim przystąpią do pracy w prawdziwym laboratorium. Dzięki temu można skrócić czas niezbędny do zapoznania się z ćwiczeniem w prawdziwym laboratorium. Tak więc, uczniowie/studenci mogą skoncentrować się w większym stopniu na szczegółach danego zjawiska, jak również więcej czasu spędzonego w laboratorium mogą przeznaczyć na inne sprawy (np.: zebranie większej ilości danych, weryfikację rezultatów, dyskusję, czy przygotowanie raportu). Eksperymenty wirtualne stwarzają uczniom/studentom okazję do powtarzania pomiarów wiele razy oraz przeprowadzania eksperymentów w dogodnym dla nich czasie. Podstawową zaletą domowego laboratorium wirtualnego jak również laboratoriów wirtualnych dla szkół średnich jest to, że nie wymagają zainwestowania w sprzęt, a więc nakładów finansowych, oraz to, że mogą być wykonane w dowolnym czasie używając jedynie komputera i odpowiedniego oprogramowania.[2] C. Przyrządy i narzędzia wirtualne w Internecie przykłady Obecnie umożliwia on również uruchomienie małych aplikacje w trybie on-line. Chronologicznie rzecz ujmując, język Java został zastosowany jako pierwszy do tworzenia przyrządów wirtualnych. W ostatnimi czasie, Adobe Flash wraz z językiem programowania Action Script oferuje potężne i bardzo poglądowe narzędzie do tworzenia przyrządów wirtualnych. C.1. SHOCKWAVE: W 1995 r. Raman Pfaff stworzył Explore Science, the first shocked laboratory ( pierwsze szokujące laboratorium ). Pfaff podkreśla, że Ta strona umożliwi zarówno uczniom jak i nauczycielom na interaktywne poznawanie materiału za pośrednictwem sieci web, zamiast ograniczania się tylko do jego przeczytania.[3] Ryc. 1. Widok strony internetowej Explorer Science 2
Mechanika, elektromagnetyzm, biologia, fale, astronomia, gry i inne, to główne kategorie stosowane przez Pfaff a do sklasyfikowania 45 sposobów interaktywnego współuczestniczenia. To było prawdziwie interaktywne laboratorium, gdzie studentów (lub nauczycieli) prosiło się, aby faktycznie wykonywali wirtualne eksperymenty. Gra w golfa i szukanie dziury w jednym, doprowadzanie do zderzenia dwóch brył o regulowanej masie, poruszanie wahadłem o zmiennej długości, użycie addytywnych lub substraktywnych fal świetlnych itd. to tylko niektóre przykłady. Ale najlepiej można ocenić ideę interaktywności cofając się do połowy lat dziewięćdziesiątych i odwiedzając jego (Pfaff) stronę! Obecnie Explore Science przekształciło się w Explorer Learning [4], komercyjną stronę z setkami zastosowań odnoszących się do fizyki, chemii, nauk o Ziemi, geometrii, itd.. Tam też można naocznie przekonać się, jak duża jest efektywność nauczania wykorzystującego ExploreLearning s Gizmos. [5] C.2. JAVA: Walter Fendt kilka najpopularniejszych laboratoriów fizyki zostało opracowanych nie w języku angielskim, ale chińskim lub niemieckim. Profesor Fu-Kwun Hwang z Uniwersytetu Tajwańskiego (ang. the National Taiwan Normal University) napisał ponad 70 apletów Javy. Aplety Javy obejmują większość tematów z fizyki. Profesor Hwang posługuje się Internetem jako drogą swobodnego udostępniania wiedzy i wszystkie jego aplety mogą być pobrane za darmo. W rezultacie wiele osób, na zasadzie wolontariatu, podjęło trud przetłumaczenia ich na język angielski. Aby dowiedzieć się więcej o panu Hwang polecamy jego stronę: http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/ Ryc. 2. Widok strony internetowej Waltera Fendt 3
Walter Fendt, nauczyciel fizyki w Paul-Klee-Gymnasium w Gersthofen, Bawaria, napisał aplety z fizyki, astronomii i matematyki. Również on zaoferował je społeczności internetowej. Obecnie 21 różnych wersji tych apletów jest gotowych do pobrania z jego strony internetowej: http://www.walter-fendt.de/ C.3. Inne strony w Internecie można znaleźć więcej przykładów. Są mniej znane, ale zawierają dużo wartościowych programów. La Baldufa [6] (w j. katalońskim: wirujący wierzchołek) z Politechniki Katalońskiej w Hiszpanii (ang. Polytehnic University of Catalonia, Spain), jest tego znamiennym przykładem. To wirtualne laboratorium stanowi przykład udanej współpracy między wspomnianą wyżej Politechniką a szkołami średnimi. Obraz 3. Widok strony internetowej Educaplus Educaplus (http:// educaplus.org) pokazuje, że duch don Kichota jest ciągle żywy w Hiszpanii. Jesus Penas, nauczyciel fizyki i chemii w Andaluzji, zainicjował własny projekt w 1999 r. [7]. Dzisiaj nie ma wątpliwości, że jego strona internetowa zawiera najbardziej kompletny zbiór darmowych interaktywnych programów flash owych dla szkół średnich, napisanych w języku hiszpańskim. Obejmują one niektóre działy ujęte w programach przedmiotów przyrodniczych dla hiszpańskich szkół średnich. Większość tych programów jest rzeczywiście interaktywna i może być traktowana jako małe fragmenty laboratoriów wirtualnych. Prawa gazów doskonałych [8], kinematyka [9] i optyka [10] mają swoje własne sekcje; większość tematów z poziomu szkół średnich i dotyczących wymienionych działów jest tu demonstrowana w sposób interaktywny. Wszystkie wzmiankowane powyżej strony zawierają gotowe programy interaktywne. Nauczyciele nie muszą posiadać jakichś dodatkowych umiejętności obsługi komputerów. 4
Jako użytkownicy Internetu powinni być w stanie przeprowadzać lekcje wykorzystując te programy w trybie on-line. Wyższy stopień zaawansowania wymagałby od nauczyciela znajomości języka programowania, projektowania strony, itd. Jest to dosyć odległe od zainteresowań i przygotowania nauczycieli. Z tego względu, dla nauczycieli chcących przygotowywać własne ćwiczenia bez dodatkowego żmudnego szkolenia, wymienione poniżej wirtualne (i komercyjne) laboratoria mogą być niezłym rozwiązaniem. D. Zadanie Uczestnicy proszeni są o odwiedzenie przynajmniej trzech stron internetowych (w tym jednej związanej z Crocodile Clips), które dotyczą stosowania przyrządów lub narzędzi wirtualnych w edukacji. Na tym etapie, każdy z uczestników powinien wymyślić ulepszoną wersję zadania (w stosunku do wersji zadania z poprzedniego seminarium) wnosząc nowe pomysły uwzględniające wykorzystanie przyrządów lub narzedzi wirtualnych w przewidzianym do wykonania ćwiczeniu praktycznym. Nowa wersja zadania powinna być zachowana w nowym pliku tekstowym doc i umieszczona na platformie Moodle, w sekcji Zadania rozwiązane. E. Bibliografia [1] http://mami.uclm.es/jmruiz/materiales/documentos/instrumentacion%20virtual.pdf [2] W. Tlaczala, G. Gorghiu, Adina Glava, Pilar Bazan, J. Kukkonen, W. Masior, J. Uzycki, M. Zaremba, Computer Simulation and Modeling in Virtual Physics Experiments, Current Developments in Technology-Assisted Education, Proceedings of the Fourth International Conference on Multimedia & ICT s in Education, FORMATEX, Badajoz, Spain, 2006, 1198 1202. [3] http://ww2.unime.it/dipart/i_fismed/wbt/mirror/explrsci/dswmedia/index.htm [4] http://www.explorelearning.com/ [5] http://www.explorelearning.com/index.cfm?method=ccorp.dspresearch [6] http://baldufa.upc.es/baldufa/lbindex/lbindex.htm [7] Educaplus był wielokrotnie nagradzany. Zobacz: http://www.educaplus.org/quienes/quienes.html [8] http://personal.telefonica.terra.es/web/jpc/gases/index.html [9] http://www.educaplus.org/movi/index.html [10] http://www.educaplus.org/luz/index.html [11] http://www.crocodile-clips.com/s3_4_2.jsp 5