[left][size=100][/size][size=100][/size][/left][size=100][left][/left][/size][size=100][left]Kuvaaja: José San Martín-Universidad Rey Juan Carlos[/left][/size]
Materiaalit opettajien digitaalisten taitojen kehittämiseen
Table of Contents
- Koulutusmoduuli varhaiskasvatuksen opettajille
- Arkhimedeen vipu
- Robottitanssi
- Tähtitiede-peli: Esittelyssä aurinkokunta ja ulkoavaruus (Bee-Bot/Code & Go -robotteilla tai vastaavilla)
- Immersiivisten ympäristöjen luominen koordinoitujen projektoreiden avulla
- Koulutusmoduuli perusopetuksen opettajille
- Kestävän kaupungin rakentaminen lisätyssä todellisuudessa (AR)
- Ilmatyynyaluksen suunnittelu ja rakentaminen.
- Pitääkö koodisi kasvin hengissä?
- Ajoitetut portit – silmukasta silmukkaan
- Koulutusmoduuli toisen asteen opettajille
- Itseajavan linja-auton prototyyppi
- Virtuaalinen edustavuus
- Virtuaaliset sokkelot – ongelmanratkaisun ja tietoisen päätöksenteon harjoitteluun
- Vuorovaikutteiset GeoGebra-kirjat – luovaa materiaalien kehittämistä ja jakamista
- STEAM Upgrade rakenne
- STEAM Upgrade rakenne
- STEAM-koulutuksen digitaalisten taitojen ohjeet
- STEAM-koulutuksen digitaalisten taitojen ohjeet
- Kuinka käyttää STEAM Upgrade InfoSpacea
- Kuinka käyttää STEAM Upgrade InfoSpacea
- Disclaimer
- Disclaimer
- Materiaalit muilla kielillä
- Materiaalit muilla kielillä
Arkhimedeen vipu
[justify][b]Tiivistelmä:[/b] Tämä tehtävä sisältää ensimmäisen mekanismin, Arkhimedeen vivun, luomisen ja tutkimisen. Tämä mekanismi antaa lapsille välillisesti mahdollisuuden oppia käsitteitä, jotka liittyvät esineiden painoon ja tilavuuteen.[br][br][b]Avainsanat:[/b] Arkhimedeen vipu, yksinkertainen mekanismi, 3D-tulostin[br][br][b]Resurssi Luettelo:[/b] yksi 3D-tulostin, 3D-tulostin nauha, tavallisia esineitä, kuten kolikoita, jne.[/justify][justify][/justify]
Aiheen tausta ja merkitys
[justify]Archimedeen vipu on yksi historian varhaisimmista ja yksinkertaisimmista mekanismeista. Siksi syy-seuraus-käsite on helppo ymmärtää yksinkertaisella mekanismilla.[/justify]
Tehtävän kuvaus
[justify]Tässä asiakirjassa kuvattu tehtävä esitetään yksinkertaisimmassa muodossaan käyttämällä lähestymistapaa, jota on mahdollista myös monimutkaistaa. Tehtävään on mahdollista sisällyttää esimerkiksi elementtejä, jotka yhdistävät teknologioita, kuten lisättyä todellisuutta tai virtuaalitodellisuutta, viitaten erityisesti laajuuteen ja ympäristöön, jossa tehtävää kehitetään. Tätä tehtävää voidaan siis pitää yhtenä ensimmäisistä perustehtävistä, joka suoritetaan matemaattisten taitojen sekä luonnontieteiden ja teknologian perusosaamisen, mukaan lukien tekniset järjestelmät, koneet ja työkalut, opetussuunnitelmissa.[br][br]Tässä esitellyn tehtävän päätavoitteena on näyttää lapsille edut, joita yksinkertaisimmatkin koneet, kuten tässä tapauksessa Arkhimedeen vipu, voivat tarjota. Tämän vipumallin avulla lapset ymmärtävät vivun käsitteen lisäksi peruskäsitteet esineiden painosta ja niiden nostamiseen tarvittavasta ponnistuksesta ja yhdistävät ne myös tavallisiin esineisiin, joita he voivat kohdata jokapäiväisessä elämässään.[br][br]Tämä tehtävä on selkeästi yhteydessä koulutukseen liittyvään sosiaaliseen haasteeseen, mutta yksinkertaisten muutosten avulla se voi olla rinnastettavissa myös muihin vastaavanlaisiin tehtäviin, jotka liittyvät vihreän energian tuotantokoneisiin, kuten tuulivoimaloihin.[br][/justify]
1. Arkhimedeen vipu
[justify]Arkhimedes (287–212 eKr.) oli yksi tärkeimmistä antiikin tutkijoista. Monivuotisen tutkimustyön aikana hän teki merkittäviä löydöksiä hyvin erilaisilla aloilla. Hänet tunnetaan hyvin esimerkiksi hydrostatiikan työstään, alkaen kuuluisasta kelluvuuden periaatteeseen liittyvästä "Eureka!"-huudosta tai fysiikasta yleensä, kuten ruuvista, joka myös kantaa hänen nimeään. Hänet muistetaan osittain myös populaarikulttuurissa, koska hän selitti vivun toimintaa ja popularisoi kuuluisan lauseen: "Antakaa minulle vipuvarsi ja tukipiste, niin minä siirrän maan paikaltaan.”[br][br]Tämän lauseen merkitys liittyy vivun käsitteeseen; hyvin yksinkertaiseen fysiikan käsitteeseen, jossa yksinkertaisen mekanismin avulla on mahdollista moninkertaistaa käyttäjän kohdistama voima, jolloin tuloksena on paljon suurempi voima kuin se, jota hän käyttää (kuten myös tapahtuu esimerkiksi hihnapyöriä käyttämällä). Jos yritämme nostaa jotakin esinettä kädessämme, meidän tulisi kohdistaa voima suoraan esineeseen. Tässä tapauksessa käytettävän voiman tulee olla pystysuoraan ja ylöspäin suuntautuvaa ja aina yhtä suuri tai suurempi kuin nostettavan esineen paino. Tilanne on täten hyvin tarkasti rajattu. Tämän voiman moninkertaista miseksi voimme käyttää tarkasti vivun vaikutusta.[br][br]Fysiikan näkökulmasta vipu (kuva 1) on yksinkertainen kone, jonka tehtävänä on siirtää voima sen kohdistamis pisteestä vivun läpi vivun toiseen päähän. Se koostuu jäykästä tangosta/varresta, joka voi pyöriä vapaasti tukipisteen ympäri. Vivun toiminnan tuloksena vahvistetaan vivun toisessa päässä olevan esineen vastaanottamaa voimaa vasteena voiman käyttöön.[/justify][br]
[size=100]Kuva 1. Yksinkertainen esimerkki vipu käsitteestä[br]Kuvan lähde: José San Martín-Universidad Rey Juan Carlos[/size]
[justify][/justify][justify][/justify][justify]Tukipisteen on sijaittava kuorman (tai vastuksen) ja kohdistetun voiman (tai tehon) välissä. Riippuen siitä, missä tukipiste, kuorma ja kohdistettu voima sijaitsevat, voimme käyttää hieman voimaa suuremman voiman kohdistamiseksi kuormaan. Mitä pidempi varren osa on tukipisteen ja sen pisteen välillä, jossa Bp-voimaa kohdistetaan, verrattuna Br-kuorman ja tukipisteen välisen varren osan pituuteen (kuva 2), sitä vähemmän voimaa tarvitaan saavuttamaan sama tulos samalla kuormalla. Riittävän pitkällä (ja vahvalla) vivulla ja tukipisteen sopivalla tuella Arkhimedes olisi voinut liikuttaa koko maailmaa. Vaikka tämä ei ole mahdollista, Arkhimedeen vipu on kone, joka auttaa meitä nostamaan raskaita kuormia.[/justify][justify][b]Vivun laki.[/b] Fysiikassa tasapainossa olevassa vivussa esiintyviä voimia koskeva laki ilmaistaan seuraavalla yhtälöllä (kuva 2):[/justify] [math]P\times B_p=R\times B_r[/math][br][br][justify]Kun [math]P[/math] on käyttämämme voima, [math]B_P[/math] on voiman [math]P[/math] ja tukipisteen välinen pituus, [math]R[/math] on vastukseen kohdistuva resultanttivoima ja [math]B_r[/math] on pituus vastuksen sijaintipaikan ja tukipisteen välillä.[br][br]Sekä käyttämäämme voimaan, [math]B_p[/math], että vastukseen vaikuttavaan voimaan, [math]B_r[/math], liittyy vääntömomentti (voiman ja etäisyyden tulo). Vivun laki voidaan ilmaista myös momenttien tai vääntömomenttien lakina, joka sanoo, että myötäpäivään suuntautuvan vääntömomentin (voimamme aiheuttama) ja vastapäivään suuntautuvan vääntömomentin (vastuksen aiheuttama) on oltava yhtä suuria. Siksi etäisyyksiä muuttamalla saamme modifioituja myös voimia.[/justify][br]
[left][/left][justify][/justify][size=100]Kuva 2. Yksityiskohta elementeistä, jotka liittyvät vivun lakiin.[br]Kuvan lähde: [url=https://es.wikipedia.org/wiki/Palanca]https://es.wikipedia.org/wiki/Palanca[/url][/size][size=100][left][url=https://es.wikipedia.org/wiki/Palanca][/url][/left][/size][left][url=https://es.wikipedia.org/wiki/Palanca][/url][/left]
2. 3D-tulostimet
[justify]3D-tulostimista on tullut erittäin hyödyllinen työkalu nopeiden prototyyppien, suunnittelun ja uudelleensuunnittelun eri vaiheissa olevien elementtien sekä oppimisympäristöjen valmistukseen. Tulostimen avulla pystymme luomaan paloja tai pelin elementtejä täysin tarpeidemme mukaan.[br][br]Suunnitellessamme 3D-tulostimella luotavia osia on huomioitava osien koko, sillä kaikilla tulostimilla ei ole samaa kapasiteettia. Ehdotetussa tehtävässä esitetään erilaisia suunnitelmia, joista yhdessä eräs osa jaetaan pienempiin osiin tämän ongelman ratkaisemiseksi.[br][br]Tulostinta täytyy osata myös käsitellä. Vaikkei tulostimen käyttäminen olekaan vaikeaa, se vaatii jonkin verran perehdytystä. Käyttäjällä tulisi olla kokemusta myös 3D-tulostimen tarpeellisesta huollosta.[/justify]
Tehtävän ratkaisu
[justify]Tässä osiossa kuvataan tehtävä ja materiaalit, joita tarvitaan ehdotetun tehtävän kehittämiseen. Koneen muodostavat osat (vipu) on suunniteltu AutoCADissa (kuva 3), ja ne on muutettu STL-tiedostoiksi, jotta ne on saatu 3D-tulostimelle sopivaan muotoon (kuva 4). Tällä hetkellä nämä STL-tiedostot ovat kaikkien opettajien saatavilla, jotka haluavat suorittaa tehtävän.[br][br]Sopivan STEAM-tehtävän valinnassa tulisi huomioida osallistujien ikä. Tämä kyseinen kokonaisuus on hyvin yksinkertainen, eikä siitä ole varhaiskasvatuksen puitteissa tarpeen tehdä ikäryhmäkohtaisia sovelluksia. Kuten myöhemmin mainitaan, on tarkoituksenmukaisempaa leikkiä vivussa "punnittavilla" eri elementeillä, kuten eläimillä, kolikoilla tai muilla ikätasolle sopivilla esineillä.[br][/justify]
[size=100]Kuva 3. Yksityiskohta järjestelmän muodostavista eri osista. [br]Kuvan lähde: José San Martín-Universidad Rey Juan Carlos[/size][size=100][left][/left][/size]
[justify][b]Vipuvarsi (kuva 3 - vihreä):[/b] Kyseessä on suurin pitkänomainen pala, joka on esitetty vihreänä, ja josta löytyy 3 hyvin erottuvaa osaa.[/justify][br][list][*]Toisessa päässä on kori, johon nostettavat esineet voidaan sijoittaa. Se on vastuspiste R terminologiassa, jota olemme käyttäneet vivun lakia esittäessämme.[/*][/list][br][list][*]Vivun vastakkaisessa kärjessä on piste, johon kohdistamme voimamme. Tähän asti käyttämämme terminologian mukaan tämä on piste P. Se on suunniteltu niin, että se muistuttaa kättä (sarjakuvatyyli) havainnollistamistarkoituksessa.[/*][/list][br][list][*]Lopuksi meillä on itse vipuvarsi. Siinä olevat seitsemän uraa mahdollistavat varren ankkuroimisen tukeen tapin muotoisen akselin kautta niin, että akseli sijoitetaan mihin tahansa mainituista seitsemän urasta. Valitun uran mukaan voimme muuttaa etäisyyksiä tuen ja korin välillä (Br käyttämässämme terminologiassa) sekä tuen ja käden välillä (Bp käyttämässämme terminologiassa).[/*][/list]
[justify][/justify][justify][b]Tasapainotustuki (kuva 3 - sininen):[/b] tämä vivun tuki on suositeltavaa ankkuroida vakaaseen pintaan koko järjestelmän vakauttamiseksi. Materiaaliksi sopii esimerkiksi [b]puulevy[/b], johon tuki voidaan liimata. Sen tehtävänä on sallia vipuvarren pyöriminen, ja valitusta urasta riippuen koneella on erilaisia kaltevuusasteita.[/justify]
[justify][b]Akseli (kuva 3 - punainen): [/b]Tämä on akseli, joka toimii liitoksena kahden edellisen kappaleen, vipuvarren ja tuen, välillä ja mahdollistaa siten varren suhteellisen pyörimisen suhteessa tukeen.[/justify]
[size=100]Kuva 4. Esimerkki luodusta STL-tiedostosta [br]Kuvan lähde: José San Martín-Universidad Rey Juan Carlos[/size][size=100][left][/left][/size]
[justify][b]Painot: [/b]Vivun toiminnan havainnollistamiseksi on välttämätöntä, että meillä on joukko esineitä, jotka sijoitetaan koriin. Ajatuksena on pystyä leikkimään eri painojen ja tukipiste asentojen yhdistelmillä. Yksi vaihtoehto on esimerkiksi esittää eri painoja eläiminä, jotta voidaan leikkiä eri tyyppisillä eri tiheyttä olevilla materiaaleilla (esim. muovilla, puulla, metallilla jne.) ja eri eläimillä, kuten hiiri, hevonen ja norsu.[/justify]
[justify][b]Muita[/b] hyödyllisiä tehtävän komponentteja voisivat olla esimerkiksi esitys aurinkokunnan eri planeetoista. Tässä tapauksessa voimme esittää suurempia ja raskaampia planeettoja ja toteuttaa ajatuksen "maan nostamisesta".[/justify]
[justify]Päätämme tämän osion [b]suosituksilla[/b] perus- ja täydennys materiaaleista, joita voidaan hyödyntää tehtävässä. Tämänhetkinen COVID-19-pandemia esimerkiksi edellyttää materiaalien desinfiointia. Koska kaikki koneen komponentit ovat 3D-tulostettuja (kuva 4), ne on helppo puhdistaa jokaisen käyttökerran jälkeen vaikuttamatta niiden kulumiseen tai myöhempään käyttöön. Myös muut käytössä olevat esineet, kuten painoina käytettävät komponentit, olisi desinfioitava.[/justify]
Tehtävän ratkaisu
On useita opetustehtäviä, joita voidaan suorittaa tämän Arkhimedeen vipuun perustuvan ehdotuksen pohjalta. Alla on yksinkertainen toteutusehdotus, jota voidaan täydentää muilla täydentävillä tehtävillä riippuen oppilaista, käytettävissä olevista resursseista ja didaktisesta tavoitteista. Tämän osion sisältö on jäsennelty seuraaviin osioihin:[br][br]a. Luettelo tarvittavista materiaaleista[br]b. Tehtävän valmistelu[br]c. Tehtävän kehittäminen [br] i. Pedagogiset/didaktiset tavoitteet [br] ii. Osallistuminen[justify] iii. Tavoitteiden sisällyttäminen tehtävään[br][/justify]
a. Luettelo tarvittavista materiaaleista
Tässä nimenomaisessa esimerkissä materiaaliluettelo on sama luettelo, joka on annettu tehtävän komponentit -osiossa. Jos haluamme tuottaa useita vipuja, meidän on noudatettava alla olevaa materiaaliluetteloa. Siksi tarvitsemme seuraavat elementit tämän tehtävän suorittamiseen:[list][*]STL-tiedostot tulostettaviksi.[br][/*][*]Pääsy 3D-tulostimeen.[br][/*][*]Kun olemme tulostaneet kaikki komponentit, saamme seuraavat:[br][list][*]Vipuvarsi (kuva 3 - vihreä): Tämä on suurin pitkänomainen pala, joka on esitetty vihreänä.[br][/*][*]Tasapainotustuki (kuva 3 - sininen): Tämä on järjestelmän tuki. Se on suositeltavaa ankkuroida vakaaseen pintaan.[br][/*][*]Akseli (kuva 3 - punainen): Tämä on akseli, joka liittää kaksi edellistä osaa yhteen.[/*][/list][/*][*]Erilaisia painoja koriin asetettavaksi, kuten:[br][list][*]Tilavuudeltaan samankokoisia, mutta eri materiaaleista valmistettuja esineitä, kuten esimerkiksi muovia, puuta ja metallia.[br][/*][*]Samaa materiaalia, mutta eri tilavuuksia olevia esineitä, jotka edustavat esimerkiksi eripainoisia eläimiä, kuten hiirtä, hevosta ja norsua.[br][/*][*]Kolikkosarja, joka laitetaan koriin peräkkäin niin, että mitä enemmän kolikoita on, sitä enemmän voimaa on käytettävä niiden nostamiseen tai vivun akselia täytyy siirtää.[/*][/list][/*][/list][list][*]Tarvitaan myös paperille tulostettu kuva (esitetty kuvassa 7), jolla selitetään teoreettisesti vivun käsite ja vahvistetaan ajatusta "maailman siirtämisestä".[br][/*][/list]
b. Tehtävän valmistelu
[justify]Tätä tehtävää varten osat on luotava 3D-tulostimella tai jollain muulla tavalla riippuen käytettävissä olevista materiaaleista, osista ja työkaluista. Joitakin kappaleita ei välttämättä tarvitse tulostaa 3D-tulostimella; esimerkiksi akseli voi olla mikä tahansa esine, jolla on lieriömäinen muoto, kuten kynä. Tasapainotustuen kohdalla voidaan sanoa samaa: muitakin esineitä voidaan käyttää, kunhan niissä on akselin halkaisijan mukainen reikä, ja muoto ja mitat ovat kunnossa.[br][br]Kun kaikki elementit on järjestetty, ne voidaan lopulta koota kuvan 5 mukaisesti. Lisäksi on valittava painoina käytettävät elementit ja tunnistettava, mitkä niistä painavat enemmän, mitkä taas vähemmän. On suositeltavaa, että käytössä on vähintään kolme erilaista elementtiä tai painoa, jotka ovat helposti erotettavissa.[br][br][/justify]
[size=100]Kuva 5. Kuva Arkhimedeen vivusta levossa.[br]Kuvan lähde: José San Martín-Universidad Rey Juan Carlos[/size][size=100][left][/left][/size]
[justify]Vipuvarressa on seitsemän erilaista uraa, joiden avulla järjestelmä voidaan konfiguroida eri tavalla (erilaisilla suhteellisilla etäisyyksillä tuesta voiman ja kuorman kohdistamis paikkoihin). Tämän seurauksena on mahdollista saada erilaisia konfiguraatioita erilaisten testien suorittamista varten (kuva 6).[/justify]
[size=100]Kuvien lähde: José San Martín-Universidad Rey Juan Carlos[/size][br][size=100][left][/left][/size]
[justify]Näiden erilaisten tilanteiden visualisoi miseksi (kuvat 6 a ja b) opettaja voi poistaa pyörimisakselin ja sijoittaa sen johonkin toiseen vipuvarren eri urista. Kun korissa on sama kuorma, opettaja opettaa lapsille, kuinka kohdistettava voima on vipuvarren pituudesta riippuen suurempi tai pienempi (kuten Arkhimedeen laki osoittaa).[br][/justify]
c. Tehtävän kehittäminen
[justify][/justify][justify]i. Pedagogiset/didaktiset tavoitteet. Kuvaile tehtävän pedagogisia tavoitteita. Perustehtävä (ja ehdotetut täydentävät tai laajentavat tehtävät, kohta 3.4) edistävät tiedon hankkimista, mukaan lukien lasten ympäristön havainnointi ja tutkiminen, luovuuden kehittäminen ja lasten perehdyttäminen tieteiden tuntemukseen. Tavoitteisiin voisi kuulua:[/justify][list=1][*][justify]Ymmärtää, että kone/mekanismi voi auttaa meitä tekemään tehtäviä, joita emme voi tehdä yksin.[/justify][/*][*][justify]Ymmärtää intuitiivisesti, mikä vipu on. [/justify][/*][*]Ymmärtää, että suuret eläimet painavat enemmän (hiiri < hevonen < norsu). Ymmärtää lisäksi, että eri materiaalit, joista esineitä valmistetaan, vaikuttavat myös siihen, että niillä on erilaiset painot.[br][/*][/list][justify][/justify][justify]ii. Osallistuminen Kuvaile tehtävän ympäristöä, jotta se houkuttelee osallistujia. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi ehdotetaan, että opettaja voi suorittaa osan tai kaikki seuraavista toiminnoista:[/justify][list=1][*][justify]Esittele yksinkertaisen mekanismin tai koneen käsite.[/justify][/*][*][justify]Anna esimerkki, jonka lapset saattavat tietää, kuten vaaka, joka kallistuu sinne suuntaan, missä painoa on eniten, tai keinulauta lasten leikeissä leikkikentällä.[/justify][/*][*][justify]Kysy lapsilta, mikä on raskain asia, jonka he voivat nostaa..[/justify][/*][*][justify]Kysy seuraavaksi, uskooko joku pystyvänsä nostamaan esimerkiksi jotain aikuisen kokoista, koko maapallon jne.[/justify][/*][*][justify]Kysy lapsilta, tietävätkö he, mikä vipu on. Ennen kuin selität vivun toiminnan, anna lasten kertoa eri vaihtoehtoja ja pohtia niiden toimintaa, vaikka he eivät olisikaan oikeassa.[/justify][/*][*][justify]Kysy, tietääkö kukaan millaista antiikin Kreikassa oli, onko joku nähnyt sen jossain sarjassa tai elokuvassa (esim. on mahdollista, että joku on nähnyt Disney-elokuvan Hercules tai jonkin vastaavan viittauksen). Valmistele kuva, kuten kuvassa 7. Lausu lause "Anna minulle jalansija, niin minä nostan maailman" ja kysy, ymmärtävätkö lapset, mitä se tarkoittaa. Selitä asia yksinkertaisesti.[/justify][/*][/list][justify][br]iii. Tavoitteiden sisällyttäminen tehtävään. Sovita pedagogiset tavoitteet ympäristöön ja tarinaan (narratiivin), jota tehtävässä käytetään. Ohjeista, miten tehtävän tavoitteet tuodaan käytännössä esille.[/justify][list=1][*][justify]Kun tehtävä on alkanut osallistuminen-vaiheessa kuivatuilla kysymyksillä, oppilaille annetaan kolme erilaista painoa, jotka voidaan nostaa. Jokainen voi olla eri materiaalia, kuten muovia, puuta ja metallia, mutta niillä voi olla samanlainen tilavuus.[/justify][/*][*][justify]Lapsille esitellään eri materiaalien painot ja selitetään, että jotkut eläimet painavat toisia enemmän, ja he saavat tarkistaa asian itse.[/justify][/*][*][justify]Akseli asetetaan vivun reikien väli asentoon, akseli kokoonpanon ja tasapainotus tuen väliin. Painot asetetaan koriin peräkkäin ja kättä painetaan, jolloin huomataan, että meidän on helpompi nostaa painoja, mutta norsun nostaminen on hieman työläämpää kuin hiiren nostaminen.[/justify][/*][*][justify]Akselin asentoa ja koriin laitettavia painoja vaihdellaan, jotta lapset saavat kokeilla, miten tarvittava voima vaihtuu, ja miten vipu auttaa tässä tehtävässä. Lisäksi voidaan pohtia, missä akselin asennossa painoja on vaikeampi nostaa – silloin, kun akseli on lähempänä kättä, vai silloin, kun akseli on lähempänä koria. Voidaan pohtia myös esimerkiksi seuraavanlaisia kysymyksiä: Onko vaikeampaa nostaa hiirtä, kun varsi on lähimpänä kättä, vai norsua, kun varsi on kauimpana kädestä? Ideana on jättää lasten tehtäväksi kokeilla kaikkia vaihtoehtoja ja tehdä omat johtopäätöksensä.[/justify][/*][/list]
Esittelyvideo löytyy täältä
Tehtävän tehostaminen
[justify][/justify]Aineisto on suunniteltu siten, että se helpottaa opiskelijoiden osallistumista ja erilaisten, toisiinsa liittyvien tehtävien kehittämistä muunnetun mekaniikan ja peli komponenttien käyttöön perustuen. Tästä osiosta löydät ehdotuksia esitellyn perustehtävän tehostamiseksi:[list=1][*]Materiaaleilla voi leikkiä. Voit esimerkiksi puhua kolikoista, joiden materiaalit simuloivat kultaa, hopeaa ja pronssia.[br][/*][*]Voit esittää maapallon ja laittaa sen koriin niin, että lapset yhdistävät kuvan kuuluisaan Arkhimedeen lauseeseen.[br][/*][*]Vivulla on mahdollista selittää voimien ja vääntömomenttien käsite lukiolaisille.[br][/*][*]Voit muokata vivun käyttöä muuntamalla sen esimerkiksi katapultiksi.[br][/*][*]Voit käyttää järjestelmästä pienempiä versioita (pienemmät 3D-tulostimien mallit sisältyvät toimitettuihin materiaaleihin) tai suurta versiota, joka on jaettu pienempiin, toisiinsa kiinnitettävään osiin (nämä mallit ovat myös mukana).[br][/*][/list]
Tietotesti
Mistä Arkhimedes oli kotoisin?
Miten voisit nostaa painoa paremmin?
Arkhimedeen vipu on esimerkk
Erityisoppilaille
[justify][/justify][justify]Oppilaiden, joilla on oppimisvaikeuksia ja/tai heikot kognitiiviset kyvyt, tulisi tutustua robottiin yksilöllisesti ennen kuin aktiviteetti suoritetaan ryhmän kanssa. Tämä auttaa heitä ymmärtämään tehtävää paremmin ja menestymään yhteisissä toimissa. Ryhmiä muodostettaessa tulee huomioida eri oppilaiden erilaiset kognitiiviset kyvyt. Joskus on hyödyllistä muodostaa homogeenisiä ryhmiä, jotta samankaltaiset oppijat voivat vaihtaa kokemuksia, mutta joskus on hyödyllistä luoda heterogeeninen ryhmä, jotta yksi oppilas voi auttaa ja ohjata toista oppilasta. ASD-opiskelijoiden on hyvin usein vaikeaa tehdä valintoja ja/tai ratkaista luovia tehtäviä. Heitä tulee ohjata tietyn tehtävän ratkaisemisessa hellästi.[/justify]
Vaihtoehtoinen tehtävä
[justify]Jos sinulla ei ole pääsyä 3D-tulostimeen, voit mainitun CAD-työkalun avulla luoda virtuaalisen täydennyssarjan myöhempää käyttöä varten. Työkalua voidaan käyttää myös pelkkänä 3D-suunnittelu työkaluna. Thingiverse-arkiston käyttöä suositellaan myös selventämään, että mallien luominen on valinnainen osa tehtävää[/justify]
Työpajan suorittaminen
[justify][/justify][justify]Tehtävä on esimerkki yksinkertaisesta mekanismista. Ajatuksena on, että yksinkertaisia prototyyppejä ja erilaisia pelejä luomalla voidaan havainnollistaa koneen käsitettä.[br][br]Arkhimedeen vipu on yksi vanhimmista olemassa olevista mekanismeista. Vivun malli on tehty suunnittelemalla se CAD-työkaluilla (esim. TinkerCAD) ja tulostamalla se 3D-tulostimella. Peliä täydentää sarja erikokoisia ja -painoisia eläimiä, esineitä, kolikoiden simulaatioita jne. Mekanismin avulla voit säätää vivun pituutta ja siten leikkiä eri painoilla ja erilaisilla vipuvarrella. Muita täydentäviä malleja voidaan luoda 3D-tulostuksen avulla.[br][br]Osallistujilla on eri mittakaavassa olevia Arkhimedeen vipuja, isompia tai pienempiä, sekä eripituisia varsia. Myös vivun koko ja pituus vaikuttavat lopputulokseen. Mitä isompi vipu on, sitä enemmän painoa se voi nostaa.[br][br]Peliä pelataan liikuttamalla akselia niin, että vivulla on pidempi tai lyhyempi varsi, ja opettamalla lapsille, miten voidaan vaikuttaa voiman määrään ja moninkertaistumiseen.[br][br]Kuten edellä mainittiin, ei osallistujilta odoteta aiempaa tietoa koneista, mekanismeista tai perus fysiikasta. Työpajan sisällä osallistujat tutustuvat yksinkertaisen koneen sekä painon ja tilavuuden käsitteisiin.[/justify][justify][br][/justify]
Työpaja
[justify]Työpajan alussa tarjoamme osallistujille Arkhimedeen vivun käyttöön tarvittavan sanaston ja käsitteet. Ohessa myös pieni teoreettinen johdanto, jossa selostetaan yksinkertaisella tavalla tehtävässä esitettävät mekaaniset käsitteet. Ensimmäinen yksinkertainen mekanismi on tärkeää ymmärtää, jotta lapsille voidaan sen pohjalta opettaa askel askeleelta yhä monimutkaisempia käsitteitä.[br][br]Seuraavaksi esitetään esimerkkinä yksinkertaisen kappaleen tulostaminen 3D-tulostimella. Esimerkki osoittaa, että voimme koneen avulla kopioida minkä tahansa esineen, jota haluamme käyttää missä tahansa toiminnassamme. 3D-tulostimen peruskäyttö selitetään.[br][br]3D-tulostimen esittelyn jälkeen esitellään TinkerCAD-työkalu, jonka avulla voi luoda 3D-malleja yksinkertaisella tavalla ilman teknisten piirustusten tuntemusta. Sitten esitellään muutama yksinkertainen esimerkki, jotta osallistujat voivat luoda 3D-mallejaan tulostettaviksi.[br][br]Täydennyksenä alla on esitetty Thingiverse-arkisto, jossa osallistujat voivat nähdä, että uusia malleja ei ole tarpeen luoda, koska monet niistä ovat saatavilla tässä arkistossa, ja ne voidaan ladata käyttöä varten.[br][br]Keskustelimme sitten muutaman minuutin ajan näiden työkalujen helppo käyttö isyydestä. Halusimme luoda loputtoman määrän komponentteja peleihin joiden avulla opettajat voivat leikkiä lasten kanssa luokkahuone ympäristöissä. Lopuksi jaamme tutkimukseen perustuvan ymmärryksemme siitä, miksi opettajat eivät vielä käytä laajalti 3D-suunnittelua, tulostustekniikkaa ja muita STEAM-ohjelmistopaketteja. Seuraavaksi muodostamme kolme ryhmää, joissa kussakin on erikokoisia vipuja, ja jatkamme työpajaa.[br][br]Ryhmien on ensin yhdistettävä erilaisia punnittavia kappaleita, mukaan lukien yleisesti saatavilla olevia esineitä, kuten kolikoita, lyijykyniä ja pyyhekumeja, leikkimällä vivun pyörimisakselin eri asennoilla ja erikokoisilla vivuilla.[br][br]Lopuksi jokaisen ryhmän on löydettävä mekanismille toinen yksinkertainen sovellus mahdollisesti pieniä muutoksia tekemällä. Mekanismista voi pienten muutosten avulla tulla esimerkiksi katapultti tai punnitusvaaka.[/justify][justify][/justify]Osallistujien oppimistulokset on lueteltu alla. Jokainen osallistuja pystyy:[list][*]näkemään 3D-tulostimien ja CAD-työkalun käyttömahdollisuudet motivoivana työkaluna tieteiden ja taiteiden tunneilla.[br][/*][*]käyttämään GeoGebrassa luotuja digitaalisia interaktiivisia oppimisresursseja.[br][/*][*]arvioimaan kriittisesti digitaalisen oppimisresurssin laatua ja soveltuvuutta.[/*][/list] [br][justify]60 minuutin työpaja antaa opettajille käytännön kokemusta ja tunteen siitä, kuinka he voisivat hyötyä 3D-tulostimien ja CAD-työkalujen käyttämisestä oppimisvälineinä tavallisilla matematiikan tunneilla. Toivomme saavamme aikaan hedelmällistä keskustelua työpajojen osallistujien kanssa tällaisten lyhyiden työpajojen tehokkuudesta. Keskustelun tavoitteena on selvittää, voidaanko näiden työpajojen avulla lisätä tietoisuutta STEAM-pakkausten eduista, erityisesti yksinkertaisista mekanismeista, ja vähentää STEAM-pakkausten opetuskäyttöön liittyvää epävarmuutta.[br][br][url=https://drive.google.com/drive/folders/1_60Tht03L40K_Iz90j_1XePZlI5f4Ji1?usp=sharing]STL-tiedostojen 3D-tulostus[/url][/justify]
Viitteet
[list][*]Archimedes and the Law of the Lever[url=https://physics.weber.edu/carroll/archimedes/theIndex.htm] https://physics.weber.edu/carroll/archimedes/theIndex.htm[/url][/*][*]Ultimaker 3D printers. 3D printing in education[url=https://ultimaker.com/es/applications/education] https://ultimaker.com/es/applications/education[/url][/*][*]Repository of 3D models ready to print[url=https://www.thingiverse.com/] https://www.thingiverse.com/[/url][/*][*]Tinkercad | Create 3D digital designs with online CAD [url=https://www.tinkercad.com/%20] https://www.tinkercad.com/[/url][/*][/list]
Luotu tekijä
José San Martín - Universidad Rey Juan Carlos
Kestävän kaupungin rakentaminen lisätyssä todellisuudessa (AR)
[justify]Lisätyn todellisuuden (AR) avulla Ludenso Createssa luodaan malli tulevaisuuden kestävästä kaupungista. Oppijat voivat luoda 3D-objekteja tai osallistua simuloituihin ympäristöihin ja hankkia kokemuksia tietyltä alueelta.[/justify]
[size=100]Kuvaaja: Paolo H. Scarbocci[/size]
[justify][b]Tiivistelmä:[/b] Ensimmäisessä koulutusmoduulissamme halusimme luoda tehtävän, jossa oppijat voivat osallistua ja olla mukana luomisprosessissa. Lisätty todellisuus (AR) on tehostettu teknologia, joka on peräisin virtuaalitodellisuudesta (VR). AR:n tarkoituksena on lisätä virtuaali kohteita tosielämän ympäristöihin. Koulutusmoduulissamme valitsimme käytettäväksi Ludenso Createn - [url=https://www.ludenso.com/create/]https://www.ludenso.com/create/[/url] Ludenso Create on norjalaisen Ludenso-yrityksen avoin ja ilmainen verkkosivusto. Se on helppokäyttöinen AR-luontityökalu, jonka avulla opiskelijat voivat visualisoida ideansa 3D-muodossa ja jakaa omia kohteitaan ainutlaatuisia AR-kokemuksina.[br][br][b]Avainsanat:[/b] Kestävän kehityksen haaste, lisätty todellisuus, Ludenso Create, immersiivistä teknologiat, 3D-mallinnus, virtuaali vahvisteinen todellisuus.[br][br][b]Resurssi Luettelo:[/b] Pääsy verkkosivustolle https://www.ludenso.com/ tietokoneella tai muilla laitteilla, joilla on pääsy verkkosivustolle. Asenna Ludenso Create -sovellus Apple Storesta –[br]([url=https://apps.apple.com/no/app/ludenso-create/id1527754233?l=nb]https://apps.apple.com/no/app/ludenso-create/id1527754233?l=nb[/url]) tai Google Playstä [br]([url=https://play.google.com/store/apps/developer?id=Ludenso+AS]https://play.google.com/store/apps/developer?id=Ludenso+AS[/url]). Sovellus on asennettava älypuhelimeen tai iPadiin. [br][br]AR-laseja tulee olla vähintään 4–5, esimerkiksi MagiMask - [br][url=https://www.aniwaa.com/product/vr-ar/ludenso-magimask/]https://www.aniwaa.com/product/vr-ar/ludenso-magimask/[br][/url][/justify]
Aiheen tausta ja merkitys
[justify][/justify][justify]Kestävyys on avain parempaan tulevaisuuteen meille kaikille. Planeettamme ja tulevaisuutemme perustuvat tietoisuuteen ja toimiin ekosysteemin suojelemiseksi ja luonnonvarojen säilyttämiseksi tuleville sukupolville. Kestävä kehitys on noussut keskeiseksi käsitteeksi, kun olemme oppineet ymmärtämään globaalin järjestelmämme ympäristö haasteita ja nykyistä energiakriisi ämme. Lisätyn todellisuuden käyttäminen voi tarjota oppilaille oivalluksia ja syvempää ymmärrystä aiheesta luomalla 3D-objekteja ja tarjoamalla mahdollisuuden tarkastella omia luomuksia lisätyssä todellisuudessa. [br][br]Tutkimukset osoittavat, että immersiivistä tekniikoilla voi olla myönteinen vaikutus oppilaiden oppimiseen, mutta ilmiön uutuuden vuoksi sen pedagogisesta hyödyntämisestä on vielä vähänlaisesti tietoa (Todd ym. 2016). Stavangerin yliopisto julkaisi maaliskuussa 2021 raportin tutkimushankkeesta, joka käsittelee lisätyn todellisuuden pedagogista käyttöä peruskouluissa. -[br][url=https://ebooks.uis.no/index.php/USPS/catalog/book/73]https://ebooks.uis.no/index.php/USPS/catalog/book/73[/url] (saatavana vain norjaksi). Yksi tämän tutkimuksen tärkeimmistä havainnoista oli, että AR-tekniikka ja immersio voivat avata ovia syvälliseen oppimiseen.[/justify][br]
Tehtävän kuvaus
Tehtävän nimi on "Kestävän kehityksen haaste". Tämän tehtävän tarkoituksena on haastaa opiskelijat katsomaan tulevaisuuteen ja visualisoimaan, miltä kaupungit voisivat näyttää tai miltä niiden pitäisi näyttää sadan vuoden päästä. [justify][br]Tehtävässä on kaksi kriteeriä: [br][br]1. Kestävän kehityksen missio Vuosi on 2122. Sinä ja luokkatoverisi/opiskelutoverini olette saaneet tehtävän rakentaa kestävä tulevaisuuden kaupunki. Kaupunki on rakennettava älykkäästi energiahuollon avulla, ja kaupungissa on oltava muita kestäviä ratkaisuja kaupungin ylläpitämiseksi. Miltä unelmatalosi ja unelmakaupunki näyttäisi 100 vuoden kuluttua? Käytä mielikuvitustasi! Vinkkejä! Voit hyötyä kaupungin piirtämisestä käsin ennen kuin aloitat 3D-rakentamisen ja Ludenso Createn käytön Opettajaversio: [br][url=https://www.ludenso.com/create/teacher]https://www.ludenso.com/create/teacher[/url] Oppilasversio: [url=https://www.ludenso.com/create/student]https://www.ludenso.com/create/student [br][/url][br]2. Perusta virtuaalinen luokkahuone. Kootakseen kaikki tulevat kodit yhteen kaupunkiin opettajan on luotava galleria Ludenso Createssa. Oppilaat voivat kirjautua sisään opettajalta saadulla koodilla. Tuo esiin haasteen aikana keksimiä kestäviä ratkaisuja ja selitä ajatuksesi luokalle. Miksi tämä on ensisijainen tulevaisuuden kotisi/rakennuksesi, ja miten se voisi sopia tulevaan kaupunkiin? [br][br]3. Tutustu luomuksiin ja tulevaisuuden kaupunkiin AR-laseilla tai tabletilla Lataa Ludenso-sovellus AR-yhteensopivaan laitteeseen. Voit tutkia galleriaan tai yksittäistä 3D-mallia AR:ssä siirtymällä sovelluksen valikkoon, etsimällä mallisi, avaamalla sen ja napsauttamalla AR-painiketta. Aseta älypuhelin AR-laseihin ja tutki! Sovellusta on mahdollista käyttää tabletilla myös ilman laseja.[/justify]
[size=100][size=150]Tehtävän ratkaisu[/size][/size][br][br]
UiS:n tehtävää esittelevä video
[justify]Lopulliseen ratkaisuun johtavassa prosessissa on kolme vaihetta. Ensimmäiseksi täytyy luoda 3D-objektit tietokoneen virtuaaliseen tilaan. Toisessa vaiheessa objektit siirretään lisättyyn todellisuuteen älypuhelimella. Lopuksi kokonaisuus koetaan AR-laseilla, jossa objektit sekoittuvat tosielämän ympäristöihin. Viimeisessä vaiheessa on tärkeää päästä jalkapallokentän kokoiselle avoimelle kentälle, sillä Ludenso Createn työtila on kooltaan 15 x 15 metriä.[br][br]Lisätyn todellisuuden (AR) käyttäminen Ludenso Createssa sisältää kaksi tilaa, yhden opettajille ja toisen oppilaille. Jotta opettajat saavat yleiskuvan siitä, mitä oppilaat ovat luoneet, he voivat perustaa virtuaalisen luokkahuoneen, joka on ohjelmistossa nimetty galleriaksi. Opettaja voi perustaa erilaisia luokkahuoneita ja kutsua oppilaita valitsemaansa luokkahuoneisiin. Tästä on hyötyä oppilaille, kun he työskentelevät yhdessä samassa tilassa. Jokainen oppilas voi kehittää ja luoda omia esineitään ja nähdä samalla reaaliajassa, mitä opiskelijatoverit ovat luomassa. Tämä mahdollistaa mielekkäiden keskustelujen heräämisen luokkahuoneessa ja antaa oppilaille tilaisuuden jakaa ja esitellä ideoitaan. Kun koko tila on viimeistelty, oppilaat voivat tarkastella toistensa esineitä AR-laseja käyttämällä. Näin digitaaliset esineet ja tila sekoittuvat todellisen maailman ympäristöön. Oppilaat pystyvät selvästi erottamaan digitaalisen sisällön tosielämästä. 3D-mallinnusprosessi luo digitaalisia ratkaisuja ja malleja, jotka auttavat visualisoimaan, miltä kestävä kaupunki voisi näyttää. Oppilaat voivat kokea kaupungin lisätyssä todellisuudessa. [br][br]Luovien prosessien ja AR-kokemusten kautta oppilaat pääsevät käsiksi ulottuvuuksiin, joihin heillä ei fyysisesti olisi pääsyä. Tällaisia ulottuvuuksia voivat olla esimerkiksi historialliset tapahtumat sekä tulevaisuuden skenaariot ja kestävät innovaatiot. Immersiivinen teknologia, kuten AR, mahdollistaa keskustelun mitoista, perspektiivistä ja esteettisistä valinnoista prototyyppien valmistelussa. Virtuaalisen luokkahuoneen avulla oppilaat voivat keskustella uusista teknologisista keksinnöistä ja ratkaisuista, luoda niitä 3D-ympäristössä yhdessä opiskelutovereiden kanssa ja kokea, kuinka heidän luomansa prototyyppi tulee esiin, kun se sekoittuu tosielämän ympäristöihin.[/justify]
[left][/left][left][size=100]Kuvat: Paolo H.Scarbocci/Ingrid Skrede - Ludenso[/size][/left]
[left][size=100]Kuvaaja: Paolo H. Scarbocci[/size][/left]
Tehtävän tehostaminen
[justify][/justify][justify]Toimintaa voidaan kehittää edelleen antamalla oppilaille tarkempia kestävän kehityksen osa-alueita. Jotkut oppilaat voivat keskittyä tutkimaan uusia energiaratkaisuja, toiset taas erilaisia saaste lähteitä. Aihe ja tehtävänanto voi “kestävän kehityksen haasteen” sijaan koskea esimerkiksi jonkin ympäristöongelman ratkaisua tai vihreän teknologian suunnittelua. Immersiivistä teknologioiden kuten AR:n kanssa työskentely antaa oppilaille aikaa optimoida mallejaan ja 3D-objektejaan ja kehittää työtään pitkäjänteisesti. Tässä jatkumossa oppilaat optimoivat esineensä testaamalla ja katsomalla niitä AR-laseilla ja kehittävät niitä sitten edelleen.[/justify]
[left][size=100]Kuva: Paolo H. Scarbocci[/size][/left]
Tietotesti
Mitä on AR?
Miten oppilaat voivat luoda digitaalisia objekteja Ludenso Createssa?[br]
Mikä on virtuaalinen luokkahuone Ludenso Createssa?[br][br][br]
Kuinka immersiivistä tekniikat, kuten lisätty todellisuus (AR), voivat tarjota uusia oppimistapoja?
Erityisoppilaille
[justify]Oppimisprosessin yksinkertaistamiseksi on AR-lasien sijaan mahdollista käyttää tablettia ja AR-toimintoa. Erityisoppilaat voivat suunnitella heille itselleen läheisiä 3D-objekteja, jotka ovat jäljitettävissä valmiista kuvista.[/justify]
[left][size=100][/size][size=100][/size][size=100]Kuvaaja: Paolo H. Scarbocci[/size][size=100][/size][/left]
Vaihtoehtoinen tehtävä
[justify]Vaihtoehtoinen lisättyä todellisuutta käyttävä tehtävä voisi olla tiettyjen rakennusten suunnittelu ja luominen annettujen kriteerien mukaan. Tämä tehtävä tarjoaa oppilaille mahdollisuuden tutkia yksityiskohtia tai luoda erilaisia prototyyppejä samasta rakennuksesta.[br][/justify]
[size=100]Kuvat: Paolo H. Scarbocci[/size]
Työpajan suorittaminen
[justify]Tämä STEAM-oppimis aktiviteetin työpaja on suunnattu peruskoulun opettajille, jotka saattavat olla kiinnostuneita käyttämään lisättyä todellisuutta (AR) pedagogisena työkaluna luokkahuoneessa. Tämä tehtävä esittelee Ludenso Createn hyödyllisenä verkkosivustoa ja ilmaisena työkaluna. Suunniteltu tehtävä on kestävän kehityksen haaste, jonka toivomme motivoivan oppilaita toimimaan paremman tulevaisuuden puolesta.Työpaja voitaisiin suunnitella viiteen vaiheeseen:[br][br]1. Kestävän kehityksen haasteen esittely. Tässä osassa opettaja kerää oppilaiden ideat keskustelemalla ja rajaamalla aiheen. (15–20 minuuttia)[br][br]2. Lisätyn todellisuuden (AR) käsittely ja määrittely immersiivinen teknologiana. Ludenso Createn esittely ja sovelluksen lataaminen älypuhelimiin tai tabletteihin, ohjelmistoon tutustuminen yhdessä. Opettaja voi käyttää älytaulua ohjelmiston esittelyyn. Tämän jälkeen opettaja jakaa etukäteen sovituille oppilasryhmille kutsut virtuaali luokkahuoneisiin annetulla koodilla. (15–20 minuuttia)[br][br]3. Oppilaat aloittavat Kestävän kehityksen haasteen suunnittelemalla 3D-objekteja Ludenso Createssa. (30–45 minuuttia)[br][br]4. Oppilaat siirtävät digitaaliset objektinsa älypuhelimeen. Sitten he tutkivat objekteja AR-laseilla ja vievät lasit todellisiin lähiympäristöihin. (15–20 minuuttia) Tämän jälkeen oppilaat voivat edelleen jatkaa objektien optimointia tietokoneella.[br][br]5. Kun kaikki oppilaat ovat saaneet suunnitelmansa valmiiksi, opettaja näyttää kaikki virtuaaliset ratkaisut näytöllä, ja oppilaat kertovat tekemistään ratkaisuista ja prosessin herättämistä ajatuksista. (10–20 minuuttia)[/justify]
[size=100]Kuvaaja: Paolo H. Scarbocci[/size]
Viitteet
[list][*]Brigham (2017). Reality Check: Basics of Augmented, Virtual and Mixed Reality. [url=https://www.researchgate.net/publication/316574920_Reality_Check_Basics_of_Augmented_Virtual_and_Mixed_Reality]https://www.researchgate.net/publication/316574920_Reality_Check_Basics_of_Augmented_Virtual_and_Mixed_Reality[/url][/*][*]Maas & Hughes (2020). Virtual, augmented and mixed reality in K-12 ecucation: a review of the literature. [url=https://www.researchgate.net/publication/339916216_Virtual_augmented_and_mixed_reality_in_K-12_education_a_review_of_the_literature]https://www.researchgate.net/publication/339916216_Virtual_augmented_and_mixed_reality_in_K-12_education_a_review_of_the_literature[/url][/*][/list][list][*]Scarbocci & Njå (2021). Fremtidsrettet og pedagogisk bruk av AR-teknologi i grunnskolen. [url=https://ebooks.uis.no/index.php/USPS/catalog/book/73]https://ebooks.uis.no/index.php/USPS/catalog/book/73[/url][/*][/list]
Luotu tekijä
Janika Leoste, Maire Tuul, Sirly Väät and Tiiu Tammemäe - Tallinn University
Itseajavan linja-auton prototyyppi
Perustuu LEGO Mindstorms EV3 -robottiin
[left][size=100]Kuvaaja: Janika Leoste[/size][/left]
[justify][b]Tiivistelmä:[/b] Tämä tehtävä antaa yleiskatsauksen LEGO Mindstorms EV3 -robotin etäisyysanturin käytöstä. Tehtävän tavoitteena on rakentaa itse ajava bussi prototyyppi LEGO Mindstorms EV3 -robotin avulla ja auttaa ymmärtämään taustalla olevia periaatteita (hyvin alkukantaiset tasolla), jotka ohjaavat itse ajavien linja-autojen käyttäytymistä.[br][br][b]Avainsanat:[/b] Itse Ajava bussi, LEGO Mindstorms EV3, prototyyppi, robotti[br][br][b]Resurssi Luettelo:[/b] Yksi LEGO Mindstorms EV3 -robotti jokaista oppilasryhmää (2–4 jäsentä) kohti; jokaista oppilasryhmää kohti yksi ohjauslaite (iPad, Android-tabletti, Windows 10 PC tai Macintosh-tietokone), johon on asennettu [url=https://education.lego.com/en-us/downloads/mindstorms-ev3/software#downloads]LEGO EV3 Classroom -sovellus[/url].[/justify]
Aiheen tausta ja merkitys
[justify]Itseajavat linja-autot ovat itse ajavien autojen erikoismuoto. Ensimmäiset kokeilut itse ajavilla autoilla juontavat juurensa 1920-luvulle. Ensimmäinen puoliautomaattinen auto kehitettiin vuonna 1977 Japanissa. Tämä auto kykeni ajamaan jopa 30 km/h, ja se käytti kahta kameraa, analogista tietokonetta ja korotettua kiskoa ajaakseen erikseen merkityillä kaduilla. Kehittyneiden digitaalisten teknologioiden, kuten tehokkaiden prosessorien, kameroiden, suurten tietomassojen ja tekoälyn avulla nykyaikaiset itseajavat autot pystyvät ajamaan itsenäisesti tuhansia kilometrejä. Koska tekniikka ei ole vielä tarpeeksi kehittynyttä, itse ajavia linja-autoja tutkitaan vielä toistaiseksi vain vähän, vaikka niissä voisi ideana olla paljon potentiaalia. Itseajavat linja-autot voisivat esimerkiksi alentaa käyttökustannuksia sekä vähentää teiden ruuhkia ja liikenteen päästöjä (Mouratidis & Cobena Serrano, 2021). Lisäksi itseajavat linja-autot voisivat vähentää linja-autoihin liittyvien onnettomuuksien määrää (Gibson, 2022).[br][br]Itse Ajava bussi on pohjimmiltaan robotti. Siinä on robotti runko, joka sisältää useita kehittyneitä antureita. Anturit voivat esimerkiksi määrittää linja-auton sijainnin tiellä, havaita mahdollisia vaaroja ja seurata ympäröivää liikennettä ja jalankulkijoita. Tätä robottirunkoa ohjaa yhdistelmä edistyneitä ohjelmistoja, joka sisältää tietokonenäköä, kone oppimista, dataa ja tekoälyä. Itse Ajavaa bussia voidaan alkeellisesti jäljitellä luokkahuoneessa käyttämällä yksinkertaisia opetus robotteja. Valinnat riippuvat oppilaiden taidoista, tiedoista ja kyvyistä. Jäljitelmän tarkoituksena on esitellä itse ajavien linja-autojen käsite opiskelijoille, ja kannustaa heitä oppimaan ohjelmoinnin ja robottien rakentamisen periaatteita. [/justify]
Tehtävän kuvaus
[justify]Tässä tehtävässä käytämme LEGO Mindstorms EV3 -robottia jäljittelemään itse ajavaa bussia, joka ajaa kohteesta toiseen ja takaisin (esimerkiksi koulusta rautatieasemalle ja takaisin). Esimerkki Ohjelmamme havaitsee, jos jalankulkija astuu tielle, ja estää sitten törmäyksen pysäyttämällä bussin ja päästämällä jalankulkijan tien yli. Kun jalankulkija on ylittänyt tien, bussi jatkaa ajamista. LEGO Mindstorms EV3 on suosittu ja laadukas robottisarja, jonka avulla voidaan rakentaa monenlaisia robotteja (kävely, ryömiminen, ajaminen jne.). Esimerkissä Me käytämme "Driving base" -robottia (katso ohjeet [url=https://education.lego.com/v3/assets/blt293eea581807678a/blt9f94cc95ebe17900/5f8801dd69efd81ab4debf02/ev3-medium-motor-driving-base.pdf]täältä[/url]), jossa on kaksi käyttö moottoria (mahdollistaa kääntymisen) ja useita antureita (mahdollistaa perusvuorovaikutuksen ympäröivän ympäristön kanssa). Robotin käyttäytyminen määräytyy sen ohjelman mukaan. Esimerkissä Me käytämme sen ohjelmointiin [url=https://education.lego.com/en-us/downloads/mindstorms-ev3/software#downloads]LEGO EV3 Classroom -sovellusta[/url]. Ohjelmointi on helppoa, sillä sovellus perustuu suosittuun Scratch-ohjelmointikieleen, jonka kohdeyleisön ikähaarukka on 8–16 vuotta. [br][br]Annettu esimerkki voidaan toteuttaa myös muilla opetus roboteilla, jopa päiväkoti tason Bee Bot-robotilla. Näissä tapauksissa ohjelmia tulee yksinkertaistaa ja mukauttaa kyseisten ohjelmointikielten vaatimuksiin (Bee Bot-robotin tapauksessa se on ohjelmoitava robotin painikkeilla).[/justify][br]
Tehtävän ratkaisu
[justify][/justify][justify]Ohjelma koostuu kolmesta loogisesta lohkosta, jotka käynnistetään samanaikaisesti ohjelmaa käytettäessä. Kun rakennat ohjelmaa, seuraa esimerkkiä ja aseta kaikki kolme lohkoa samalle ohjelma sivulle. Esimerkki Ohjelmaa suoritettaessa robotti (1) ajaa 4 pyörän kierrosta (tavallisella, halkaisijaltaan 56 mm pyörällä tämä on noin 70 cm); (2) kääntyy ympäri; (3) ajaa takaisin 70 cm; (4) kääntyy ympäri; ja (5) pysähtyy aloitus paikkaansa. Robotti seuraa edessään olevaa aluetta ajon aikana. Kun jalankulkija havaitaan, robotti pysähtyy ja piippaa, kunnes tie on jälleen vapaa – sitten se jatkaa alkuperäistä tehtäväänsä.[/justify]
Esittelyvideo löytyy täältä:
[size=100]Kuvaaja: Janika Leoste[/size]
Tehtävän tehostaminen
[justify]Yritä muokata ohjelmaa tehdäksesi siitä kiinnostavampi tai tarpeidesi kannalta merkityksellisempi. Hyödynnä muita antureita ja robotin ominaisuuksia (esim. [url=https://education.lego.com/en-us/lessons/mindstorms-ev3/line-detection#continue]kokeile viivan seuraamista[/url], muuta robotin LED-valojen väriä, anna robotin näyttää kuvaa tai tehdä erilaisia ääniä). Voit myös antaa ihmisten ohjata robottia jonkin verran kosteusanturia käyttämällä (esim. "itse ajava linja-auto" pysähtyy, kun käyttäjä painaa pysäytys painiketta – ja jatkaa joko automaattisesti tai kun painiketta painetaan uudelleen). [/justify]
Tietotesti
Milloin idea itse ajavista autoista esiteltiin ensimmäisen kerran?
Mitkä tekniikat ovat tärkeitä nykyaikaisille itse ajaville busseille?
LEGO Mindstorms EV3 on…
Työpajan suorittaminen
[justify][/justify][justify]Tämä STEAM-oppimis aktiviteetin työpaja on suunnattu esikoulun ja peruskoulun opettajille perehdytykseksi koulutustarkoituksiin tarkoitettujen robottien (ER, Educational Robots) käytöstä didaktisia työkaluina. Tämä tehtävä esittelee erityisesti laitteistoon ja ohjelmistoon liittyviä ER-käsitteitä opettajille, joilla ei ole aikaisempaa kokemusta robotiikasta, ja tarjoaa esimerkkejä ja keskustelua varsinaisista luokkahuone tehtävistä. [br][br]Osallistujat rakentavat ja ohjelmoivat tässä työpajassa LEGO Mindstorms EV3 -robottipohjaisen itse ajavan bussin prototyypin. Osallistujien tehtävänä on saada robotti kulkemaan paikasta toiseen ja havaitsemaan sen tielle tulevat jalankulkijat.[br][br]Kuten todettu, emme odota osallistujilta aiempaa tietoa ohjelmoinnista tai robottien kanssa työskentelystä. Työpajassa osallistujat perehtyvät robottien ja robottiohjelmoinnin käsitteisiin soveltaen yksinkertaisia matemaattisia mittauksia ja laskelmia koodin luomiseksi eri roboteille. Työpajassa käytetään yhteistoiminnallista tiimityöskentelyä, ongelmanratkaisutaitoja, digitaalisia taitoja, omatoimista oppimista ja vertaistutorointia.[br][br]Tässä työpajassa käytettävä robotti on LEGO Mindstorms EV3 -robotti.[br][/justify]
Työpaja
[justify]Työpajan alussa tarjoamme osallistujille ER:n käyttöön tarvittavan sanaston ja selitämme keskeisimmät käsitteet. Selitämme jälkeenpäin ER:n roolia houkuttelevina oppimisvälineinä ja sitä, miten niiden käyttöä voitaisiin yhdistää eri oppiaineisiin. Sitten käsittelemme robottien ikä sopivuutta. Kuvaamme myös lohko pohjaisen ohjelmoinnin periaatteita hakemalla vastaavuuksia kielten oppimisesta ja lauseiden muodostamisesta. Keskustelemme jälkeenpäin muutaman minuutin ajan työpajassa käytettyjen robottien tulojen ja lähtöjen käsitteistä sekä kuvailemme yksityiskohtaisesti kuinka kaikki nämä robotit saatetaan liikkeelle ja mitä silmukka/toista lohko tarkoittaa. Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, teoreettisessa osassa jaamme tutkimukseen perustuvaa tietoamme siitä, miksi robotit ja muut STEAM-setit eivät ole vieläkään laajalti opettajien käytössä. Seuraavaksi muodostamme kolme robottikeskeistä ryhmää (yksi ryhmä per robottityyppi) ja jatkamme haasteen ratkaisemiseen.[br][br]Ryhmät joutuvat päättämään polusta, jota heidän robottinsa tulisi kulkea, ja antureista, joita heidän robottinsa aikoo käyttää ympäröivän ympäristönsä havaitsemiseen. Seuraavaksi heidän tulee tutustua ryhmän valitsemaan robottiin ja ohjelmoida robotti toimimaan itse ajavana linja-autona. Tällöin matemaattiset laskelmat sekä logiikka ja tutkimusajattelu auttavat osallistujia löytämään parhaan mahdollisen ratkaisun. Ryhmät esittelevät ratkaisunsa muille ryhmille. Lopuksi järjestetään ryhmäkeskustelu, jossa ryhmän jäsenet keskustelevat ensin keskenään ja sitten jakavat kaikille ajatuksiaan työpaja tehtävästä ja sen pedagogisista eduista monialaisessa opetuksessa painottaen matematiikkaa, taiteita, robotiikkaa ja koodausta.[br][br]Osallistujien oppimistulokset on lueteltu alla. Jokainen osallistuja pystyy:[br][/justify][list][*]näkemään ER-robottien käytön mahdollisuudet motivoivina työkaluina matematiikan ja taiteen tunneilla,[br][/*][*]ohjelmoimaan LEGO Mindstorms EV3 -robotin yksinkertaisia liikkeitä vaiheittaisten ohjeiden avulla,[br][/*][*]käyttämään GeoGebrassa luotuja digitaalisia interaktiivisia oppimis resursseja ja[br][/*][*]arvioimaan kriittisesti digitaalisen oppimisresurssin laatua ja soveltuvuutta.[br][/*][/list][justify]90 minuutin työpaja antaa opettajille käytännön kokemusta ja tietoa siitä, kuinka he voisivat hyötyä roboteista oppimisvälineinä tavallisilla matematiikan tunneilla. Toivomme saavamme aikaan hedelmällistä keskustelua työpajojen osallistujien kanssa tällaisten lyhyiden työpajojen tehokkuudesta. Keskustelun painopisteenä on selvittää, voidaanko näiden työpajojen avulla lisätä tietoisuutta STEAM-sarjojen eduista, erityisesti roboteista, ja vähentää STEAM-sarjojen opetuskäyttöön liittyvää epävarmuutta.[/justify]
Erityisoppilaille
[justify]Äänille herkät opiskelijat voivat käyttää kuulokkeita hiljentämään robotin ääntä. Valoherkät oppilaat voivat käyttää suosikki värinsä LEGO-palikoita ja/tai LED-valoja. Vilkkuville valoille herkkien oppilaiden (epilepsia) tulee pystyä käyttämään jatkuvaa valoa. Näkö Vaikeuksista kärsivien oppilaiden tukemiseksi tulee varmistaa, että huone on riittävästi valaistu. ASD-opiskelijoiden on joskus vaikeaa tehdä valintoja ja/tai ratkaista luovia tehtäviä. Heille tulee tarjota hellävaraista tukea ja ohjeistusta tiettyjen tehtävien ratkaisemiseksi. Oppilaiden, joilla on oppimisvaikeuksia ja/tai heikot kognitiiviset kyvyt, tulisi tutustua robottiin yksilöllisesti ennen kuin aktiviteetti suoritetaan ryhmän kanssa. Tämä auttaa heitä ymmärtämään tehtävää paremmin ja menestymään yhteisissä toimissa.[/justify]
Vaihtoehtoinen tehtävä
[justify]Jos sinulla ei ole käytettävissäsi oikeita robotteja, Internetistä löydät paljon virtuaalisia robotti ohjelmointiympäristöjä. Tässä videossa [url=https://youtu.be/xrcPw_Mspu0]https://youtu.be/xrcPw_Mspu0[/url] esittelemme GearsBot-ympäristön, jossa voi suunnitella, ohjelmoida ja testata robotteja: [url=https://gears.aposteriori.com.sg/]https://gears.aposteriori.com.sg/[/url]. Tiedostot löytyvät [url=https://drive.google.com/drive/folders/11SXDq9ApqT_4tN9PmG_igvPqHmRoOEUs?usp=sharing]tästä linkistä[/url]:[/justify][list][justify][/justify][*]link_to_gearsbot_website.url on linkki gearsbotin verkkosivustolle.[/*][*]gearsbot-robot.json on virtuaalisen robotin kuvaus. Avaa se "Lataa maailma" -komennolla.[/*][*]program.xml on virtuaali robotin ohjelma. Avaa ohjelma "Lataa ohjelma" -komennolla.[/*][*]self-driving-bus-program.PNG on kuvakaappaus ohjelmasta. Tältä ohjelman pitäisi näyttää.[/*][/list]
Viitteet
[justify][/justify][list][*]Gibson, J. (2022). Autonomous Buses Will Revolutionize Public Transportation, but at What Cost? GoGoCharters, [url=https://gogocharters.com/blog/autonomous-buses-will-revolutionize-public-transportation-cost/]gogocharters.com/blog/autonomous-buses-will-revolutionize-public-[br]transportation-cost/[/url][/*][/list][list][*]LEGO EV3 Classroom app. [url=https://education.lego.com/en-us/downloads/mindstorms-ev3/software#downloads]https://education.lego.com/en-us/downloads/mindstorms-ev3/[br]software#downloads[/url][/*][*]Line Detection with LEGO Mindstorms EV3. [url=https://education.lego.com/en-us/lessons/mindstorms-ev3/line-detection#continue]https://education.lego.com/en-us/lessons/[/url][url=https://education.lego.com/en-us/lessons/mindstorms-ev3/line-detection#continue]mindstorms-ev3/line-detection#continue[/url] [/*][*]LEGO Mindstorms EV3 Driving Base Building Instructions. [url=https://education.lego.com/v3/assets/blt293eea581807678a/blt9f94cc95ebe17900/5f8801dd69efd81ab4debf02/ev3-medium-motor-driving-base.pdf]https://education.lego.com/v3/assets/blt293eea581807678a/blt9f94cc95ebe17900/5f8801dd69[/url][url=https://education.lego.com/v3/assets/blt293eea581807678a/blt9f94cc95ebe17900/5f8801dd69efd81ab4debf02/ev3-medium-motor-driving-base.pdf]efd[/url][url=https://education.lego.com/v3/assets/blt293eea581807678a/blt9f94cc95ebe17900/5f8801dd69efd81ab4debf02/ev3-medium-motor-driving-base.pdf]81ab4debf02/ev3-medium-motor-driving-base.pdf[/url] [/*][*]Mouratidis, K., Cobena Serrano, V. (2021). Autonomous buses: Intentions to use, passenger experiences, and suggestions for improvement. Transportation Research Part F: Traffic Psychology and Behaviour, 76, 321-335. [url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369847820305921]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/[/url][url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369847820305921]S1369847820305921[/url] [/*][/list]
Luotu tekijä
Janika Leoste, Maire Tuul, Sirly Väät and Tiiu Tammemäe - Tallinn University
STEAM Upgrade rakenne
STEAM-koulutuksen digitaalisten taitojen ohjeet
Kuinka käyttää STEAM Upgrade InfoSpacea
Disclaimer
[justify]This project (reference no. 2020-1-EE01-KA203-077987) has been funded with support from the European Commission.[br][br]This website and all its contents reflect the views only of the author, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.[/justify]
Creative Commons License
Our intellectual outputs will all be published under CC-SA (Creative Commons Share-Alike) licenses, allowing the widest possible dissemination level. This type of license lets others remix, adapt, and build upon the work even for commercial purposes. All delivered materials will be marked with the CC-SA label
Creators
Ana Verde - Universidad Rey Juan Carlos[br]Carlos Garre - Universidad Rey Juan Carlos [br]Elena Peribáñez - Universidad Rey Juan Carlos[br]José San Martín - Universidad Rey Juan Carlos[br]Luis Pastor - Universidad Rey Juan Carlos[br]Janika Leoste - Tallinn University [br]Maire Tuul - Tallinn University[br]Sirly Väät - Tallinn University [br]Tiiu Tammemäe - Tallinn University[br]Espen Lunde - University of Stavanger[br]Frode Skarstein - University of Stavanger[br]Paolo Haaland Scarbocci - University of Stavanger[br]Branko Andjic - Johannes Kepler Universität Linz[br]Eva Ulbrich – Johannes Kepler Universität Linz[br][url=http://makekit.no/]MakeKit.no[/url]
Materiaalit muilla kielillä
[url=https://www.geogebra.org/m/mpznnga7]Englanniksi[br][br][/url][url=https://www.geogebra.org/m/bdamvpxt]Virossa[br][br][/url][url=https://www.geogebra.org/m/axux2rh4]Saksaksi[br][br][/url][url=https://www.geogebra.org/m/ctscyjjj]Espanjaksi[br][br][/url][url=https://www.geogebra.org/m/ka6cxbhb]Norjaksi[/url]