Στοιχεία του εκπαιδευτικού σεναρίου

Διδακτικό αντικείμενο

Τίτλος: Εισαγωγή στο Physical Computing. Σχέδιο μαθήματος ασύγχρονης διδασκαλίας στην πλατφόρμα Moodle για την υλοποίηση του Project: "Σχεδιάζω και προγραμματίζω ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ελέγχου μιας ισόπεδης σιδηροδρομικής διάβασης με κινητά φράγματα" με χρήση του περιβάλλοντος σχεδίασης Tinkercad και του μικροελεγκτή Arduino.

Λέξεις-κλειδιά: Physical Computing, Tinkercad, Arduino, Moodle, STEM Education, Οπτικός προγραμματισμός, Ασύγχρονη διδασκαλία

Τάξη: Α’ Γυμνασίου

Άτομα: 20 μαθητές/μαθήτριες

Εμπλεκόμενες γνωστικές περιοχές: Πληροφορική Α’ Γυμνασίου. Άξονας Προσδοκώμενων Μαθησιακών Αποτελεσμάτων: Διερευνώ, ανακαλύπτω και λύνω προβλήματα. Προγραμματίζω υπολογιστικές συσκευές και ρομποτικά συστήματα

Εκπαιδευτικό υλικό

· Γ τάξη Κεφ.1 Σ. 176-185, Κεφ. 2 §2.4, §2.5 του βιβλίου μαθητή

· Πλατφόρμα Ψηφιακού Σχολείου Συστήματα Εκπαιδευτικής Ρομποτικής (Arduino με Scratch, Raspberry Pi με Scratch, κ.α.)

Διάρκεια: 6 διδακτικές ώρες (4 ώρες και 30 λεπτά) χωρισμένες σε δύο εβδομάδες, με 3 διδακτικές ώρες ανά εβδομάδα.

Γνωστικά προαπαιτούμενα: Οι μαθητές θα πρέπει να γνωρίζουν βασικές έννοιες προγραμματισμού όπως: τη δομή επανάληψης, τη μεταβλητή (ορισμό, αρχικοποίηση και μεταβολή τιμής) και προγραμματισμό με πλακίδια.

Βαθμός εξοικείωσης με τα εκπαιδευτικά υπολογιστικά εργαλεία: Οι μαθητές είναι αρκετά εξοικειωμένοι με τον προγραμματισμό με πλακίδια και γνωρίζουν το περιβάλλον Scratch από το δημοτικό. Διαθέτουν προσωπικό υπολογιστή, έχουν πρόσβαση και είναι απόλυτα εξοικειωμένοι με την περιήγηση στο διαδίκτυο. Ωστόσο, ο σχεδιασμός κυκλωμάτων στο περιβάλλον Tinkercad circuits, ίσως είναι κάτι που για πρώτη φορά έρχονται σε επαφή και ενδεχομένως να τους προβληματίσει ή και να τους κεντρίσει το ενδιαφέρον.

Περιγραφή

Το παρόν εκπαιδευτικό σενάριο αφορά στην ασύγχρονη διδασκαλία του Physical Computing μέσω της πλατφόρμας εξ αποστάσεως εκπαίδευσης Moodle σε μια τάξη 20 μαθητών της Α' Γυμνασίου. Οι μαθητές καλούνται να συμμετέχουν στη δημιουργία ενός σπονδυλωτού project χρησιμοποιώντας το περιβάλλον Tinkercad για τη δημιουργία ενός ψηφιακού κυκλώματος και τον προγραμματισμό του. Το project αφορά στην κατασκευή ενός αυτοματοποιημένου συστήματος ελέγχου σιδηροδρομικής διάβασης με κινητά φράγματα, το οποίο οι μαθητές θα προσεγγίσουν:

α. γνωρίζοντας και αναλύοντας τις ανάγκες ενός τέτοιου συστήματος

β. κατασκευάζοντας το κύκλωμα ελέγχου του και

γ. προγραμματίζοντας το κύκλωμα ελέγχου ώστε αυτό να λειτουργεί με προκαθορισμένο τρόπο.

Το διδακτικό σενάριο έχει στόχο οι μαθητές:

α.       να αναπτύξουν ομαδο-συνεργατικές δεξιότητες αλλά και δεξιότητες ανάθεσης ρόλων
β.       δεξιότητες ανάλυσης, αποδόμησης και ανασύνθεσης λύσεων για επίλυση προβλημάτων
γ.       να εξοικειωθούν με τη χρήση μιας πλατφόρμας ασύγχρονης εκπαίδευσης
δ.       να έρθουν σε επαφή με μια πλατφόρμα εικονικής σχεδίασης
ε.       να πειραματιστούν με την κατασκευή ψηφιακών κυκλωμάτων σε εικονικό περιβάλλον
στ.    να καταλάβουν τη σχέση μεταξύ του υλικού και του λογισμικού σε ένα ενσωματωμένο σύστημα
ζ.       να ενημερωθούν για τη ρομποτική τεχνολογία και την έννοια του Internet Of Things

Κατά τη διάρκεια του μαθήματος, οι μαθητές έχουν πρόσβαση σε υλικό όπως σύνδεσμοι URL, σελίδες, βιβλία, video, και παρουσιάσεις, όπως επίσης και στην πρόοδο του project μέσα από την πλατφόρμα Moodle στην οποία μπορούν να έχουν απομακρυσμένη πρόσβαση κάθε στιγμή.

Στο τέλος του μαθήματος, οι μαθητές παρουσιάζουν το Project που κατασκεύασαν.

Στόχοι του εκπαιδευτικού σεναρίου

Οι μαθητές μετά το πέρας του μαθήματος θα είναι σε θέση:

·         Επίπεδο ΑΝΑΛΥΣΗ κατά Bloom: Να ξεχωρίζουν τα μέρη τα οποία συνθέτουν μια λύση σε ένα υπαρκτό πρόβλημα στον πραγματικό κόσμο
·         Επίπεδο ΣΥΝΘΕΣΗ κατά Bloom: Να κατασκευάζουν εικονικά κυκλώματα με τη χρήση μικροεπεξεργαστή Arduino μέσω του περιβάλλοντος σχεδιασμού Tinkercad
·         Επίπεδο ΣΥΝΘΕΣΗ κατά Bloom: Να συνθέτουν τμήματα λύσεων σε ένα γενικό σύνολο που αποτελεί μια ολική λύση σε ένα πρόβλημα.

Σχέδιο μαθήματος

Link σχεδίου μαθήματος: https://v.gd/edXHsd

Δομή του μαθήματος στο Moodle

Για το σχεδιασμό του μαθήματος στο Moodle χρησιμοποιήθηκε ο εβδομαδιαίος μορφότυπος μαθήματος, δημιουργώντας έτσι δύο βασικές ενότητες. Ωστόσο, κάθε μία από αυτές έχει διαφορετική δομή. Στην αρχή της σελίδας και πριν από τις δύο βασικές ενότητες, υπάρχει χώρος με υλικό που αφορά γενικά στο μάθημα (Forum, Wiki, Γλωσσάρι). Σε κάθε πόρο ή δραστηριότητα αναγράφεται όπου έχει σημασία, ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωσή του (ανάγνωση, παρακολούθηση video κλπ.). Σε κάθε ενότητα αναγράφεται η διάρκειά της σε διδακτικές ώρες. Έγινε προσπάθεια προσέγγισης της διεπαφής χρήστη και του υλικού προς μελέτη, με παιγνιώδη χαρακτήρα έτσι ώστε, αφενός να κεντρίσει το ενδιαφέρον των μαθητών και αφετέρου, να τους ωθεί να συνεχίσουν. Το μάθημα εισάγει ο Robo-Teacher, μια φιγούρα-ρομπότ που τους καλωσορίζει και στη συνέχεια τους ενθαρρύνει να συνεχίσουν το μάθημα με έξυπνα και αστεία μηνύματα.

Η πρώτη εβδομάδα χωρίζεται σε τρεις υπο-ενότητες, κάθε μία διάρκειας μιας διδακτικής ώρας και περιλαμβάνει την προετοιμασία για την εισαγωγή των μαθητών στις έννοιες του project και των εργαλείων που θα χρησιμοποιηθούν. Κάθε υπο-ενότητα περιλαμβάνει τρείς διακριτούς άξονες: Πηγές, Δραστηριότητες και Εργασίες.

Η δεύτερη εβδομάδα έχει άκρως ομαδο-συνεργατική προσέγγιση, καθώς αφορά στο στάδιο της υλοποίησης του project από τους μαθητές. Δίνεται περισσότερη βαρύτητα στη διάκριση όχι τόσο των ενοτήτων διδασκαλίας, όσο των ομάδων έργου. Οι μαθητές χωρίζονται από τον καθηγητή σε τρείς ομάδες (Α, Β και Γ) βάσει του γνωστικού τους επιπέδου, και ανατίθεται σε κάθε μία η υλοποίηση ενός έργου που χωρίζεται σε υπο-έργα. Με την έναρξη της εβδομάδας εισάγεται η πρώτη ομαδική εργασία όπου, οι μαθητές καλούνται να αποφασίσουν ελεύθερα για τρείς διακριτούς ρόλους σε κάθε ομάδα. Κάθε έργο έχει δύο περιόδους εκτέλεσης, διάρκειας μιας διδακτικής ώρας. Οι δυο πρώτες ομάδες παραδίδουν το έργο κατά την πρώτη και δεύτερη διδακτική ώρα, ενώ η τρίτη ομάδα παραλαμβάνει το έργο των δύο πρώτων ομάδων τη δεύτερη και παραδίδει την τρίτη διδακτική ώρα. Η μία «κενή» ώρα που προκύπτει από αυτή τη μεθόδευση, καλύπτεται από δραστηριότητες που οδηγούν σε ατομική εργασία και έχουν ενημερωτικό χαρακτήρα (δεν αποτελούν τμήμα υλοποίησης του παραδοτέου έργου). Κάθε τμήμα της δεύτερης εβδομάδας υποστηρίζεται από στοχευμένους στα έργα πόρους, ομαδικές δραστηριότητες (συνομιλία ομάδας), δύο ομαδικές και μία ατομική εργασία, άρα και σε αυτή την ενότητα έχουμε μια εργασία ανά διδακτική ώρα. Ακολουθούν στιγμιότυπα οθόνης από το σχεδιασμό του μαθήματος στο Moodle.

Ερωτηματολόγια αξιολόγησης Κουίζ

1^η Εβδομάδα/1^η Ενότητα

Κουίζ: Τι γνωρίζουμε για τις ισόπεδες διαβάσεις (Συνολικός χρόνος 15'). Με το κουίζ που ακολουθεί θα εξετάσουμε τις γνώσεις μας στη χρησιμότητα, το περιεχόμενο και τον τρόπο λειτουργίας ενός συστήματος ελέγχου ισόπεδης διάβασης.

Το αρχικό κουίζ εξετάζει ελλείψεις και παρανοήσεις των μαθητών σχετικά με τα είδη διαβάσεων, τη χρησιμότητά τους και τον εξοπλισμό που περιλαμβάνουν.

1^η Εβδομάδα/2^η Ενότητα

Κουίζ: Απαιτήσεις για το σχεδιασμό ενός συστήματος ελέγχου διάβασης στο Tinkercad (Συνολικός χρόνος 15'). Με το κουίζ που ακολουθεί θα εξετάσουμε τις γνώσεις μας σχετικά με τις απαιτήσεις σε υλικό και λογισμικό για το σχεδιασμό του project μας στο Tinkercad Circuits.

Το δεύτερο κουίζ εξετάζει ελλείψεις και παρανοήσεις των μαθητών σχετικά με το σχεδιασμό του συστήματος από άποψη υλικού και λογισμικού στο Tinkercad.

Δραστηριότητες που σχεδιάστηκαν

Συνολικά, το μάθημα στο Moodle περιλαμβάνει τα εξής στοιχεία:

ΠΟΡΟΙ

ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ

· Πόρος βιβλίο: 2

· Πόρος σελίδα: 1

· Πόρος αρχείο: 6

· Πόρος διεύθυνση URL: 8

· Πόρος Wiki: 1

· Πόρος Γλωσσάριο: 1

· Δραστηριότητα Κουίζ: 2

· Δραστηριότητα Ανάθεση εργασίας: 7

· Δραστηριότητα Forum: 3

· Δραστηριότητα συζήτηση: 3

· Δραστηριότητα Saba Meeting: 1

Δημιουργία Project στο Tinkercad

Link του project: https://www.tinkercad.com/things/bFK4UDhApaX

Το έργο που δημιουργήθηκε στο Tinkercad είναι στην ουσία το project πάνω στο οποίο βασίστηκε όλο το μάθημα στο Moodle και αποτελεί την ενδεδειγμένη λύση της ομαδικής εργασίας της Ομάδας Γ. Αφορά επίσης, ένα πραγματικό πρόβλημα: την ασφάλεια της ζωής, σε ένα πραγματικό περιβάλλον: μια σιδηροδρομική ισόπεδη διάβαση, το οποίο επιλύεται με το Physical Computing. Το project έχει τον τίτλο: «Σύστημα ελέγχου ισόπεδης διάβασης με κινητά φράγματα».

Πιο συγκεκριμένα, το έργο χωρίζεται δύο διακριτά μέρη:

α. τα συστήματα ειδοποίησης και φραγμάτων και
β. τα συστήματα ελέγχου κίνησης

Τα συστήματα ειδοποίησης και φραγμάτων υλοποιούνται με τη χρήση λαμπτήρων LED, ηχείου piezo Buzzer και σερβοκινητήρα. Τα συστήματα ελέγχου κίνησης υλοποιούνται με τη χρήση αισθητήρα κίνησης και διακόπτη ελέγχου αλλαγής κατάστασης (Pushbutton). Το σύστημα ενεργοποιείται όταν ενεργοποιηθεί οποιοδήποτε από τα δύο συστήματα ελέγχου κίνησης, το οποίο με τη σειρά του, ενεργοποιεί τα συστήματα ειδοποίησης και φραγμάτων. Το σύστημα επανέρχεται στην αρχική κατάσταση όταν τα συστήματα ελέγχου κίνησης αλλάξουν κατάσταση σε LOW.

Το έργο πιστεύω ότι ακολουθεί πιστά το μοντέλο ταξινομίας με τις πρακτικές της Υπολογιστικής Σκέψης που εισήγαγαν οι Weintrop κ.ά. (2016) αφού περιλαμβάνει:

α. πρακτικές για τη συλλογή δεδομένων, με την λεπτομερή παρουσίαση, παρατήρηση και συλλογή δεδομένων σχετικών με τις υπάρχουσες δομές ισόπεδων διαβάσεων

β. πρακτικές μοντελοποίησης και προσομοίωσης με τη χρήση του Tinkercad circuits

γ. πρακτικές υπολογιστικής επίλυσης προβλήματος με τον προγραμματισμό με code blocks

δ. πρακτικές διερεύνησης λειτουργίας των συστημάτων με την αρχική τμηματοποίησή τους και τελική τους σύνθεση σε ένα «όλο» σύστημα

Ακολουθούν στιγμιότυπα οθόνης από το project στο Tinkercad.