SEMINARIUM CZĘŚĆ II Przyrządy i narzędzia wirtualne

SEMINARIUM CZĘŚĆ II Przyrządy i narzędzia wirtualne

VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w naukach przyrodniczych ”
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
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w naukach przyrodniczych ”
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
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w naukach przyrodniczych ”
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
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w naukach przyrodniczych ”
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
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w naukach przyrodniczych ”
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]
[2]
http://mami.uclm.es/jmruiz/materiales/Documentos/Instrumentacion%20Virtual.pdf
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