UNIT 2. Seminar. Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi opetuksessa

Transkriptio

1 UNIT 2 Seminar Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi opetuksessa Kesto: n. 4 tuntia Sisällys: A. Johdanto B. Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi opetuksessa C. Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi Internet - esimerkkejä D. Tehtävä E. Lähteet A. Johdanto Virtuaali-Instrumentaatio (VI), kuten edellisessä dokumentissa selostettiin on saanut alkunsa laboratorio työskentelystä sekä teollisuuden toiminnasta.vi:n käyttö jakaantuu pääasiallisesti neljään sovellusalueeseen: simulaatioon, mittausjärjestelmiin, data analyysiin sekä kontrolliteknologiaan, joita voidaan hyödyntää tutkimuksen, teollisuuden tai koulutuksen tarpeisiin[1] Tämä jakso käsittelee koulutuskäyttöä. B. Basic Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi opetuksessa Yleisesti ottaen virtuaali-instrumentointia voidaan käyttää täydentämään tai korvaamaan kokeellisessa työskentelyssä tehtäviä kokeita. Useat luonnontieteelliset mittalaitteet eivät pelkästään mahdollista jonkin mittauksen suorittamista vaan lisäksi ne ilmentävät myös ilmiön tai teorian periaatteellisempaa tietämystä sekä tuovat kasinkosketeltavaksi kokeeseen liittyvän käytännön tietämyksen (kuten laitteiden kytkemisen, parametrien asettamisen, kokeen suorittamisen, datan keräämisen ja analysoinnin, tulosten vertaamisen jne.). Virtuaalisissa kokeissa ilmiön ja prosessin kulkua jäljitellään mallintamalla mittaus ja koejärjestelmään kuuluvaa järjestelmää. Useimmiten tällaisissa koejärjestelyissä sovellukset ovat hallittavissa käyttöliittymään liitettyjen valikkojen ja valitsimien avulla. Ennen varsinaisen kokeen suorittamista käyttäjän on valmisteltava kokeen suorittamista kuten tavanomaisessakin kokeessa, suorittamalla tarvittavat kytkennät, parametrien asettamiset jne. Olisi suositeltavaa että tällainen koe perustuisi mahdollisimman tarkasti todellisen koejärjestelyn mukaiseen dataan. Virtuaaliset kokeet voidaan jakaa Internetiä hyödyntäen tai vaikka Cd-romeilla (joko itsenäisinä ohjelmina tai esimerkiksi java-apletteina) näin ollen ne voivat olla etäopiskelijoiden käytettävissä tai sitten valmentaa opiskelijoita ennen varsinaista laboratoriotyöskentelyä. Toisaalta virtuaalisten kokeiden avulla opiskelijat voivat työskennellä kokeellisten ongelmisen parissa myös kotityöskentelynä, tämä puolestaan voi edesauttaa myös vammaisten henkilöiden opiskelua. Lopuksi virtuaalisia kokeita ja simulaatioita voidaan käyttää teoreettisten luentojen yhteydessä havainnollistamaan vaikeita ilmiöitä. Module 2: Basic Meaning and Examples of Virtual Instrumentation in Education 1/6

2 Ennakkoon tutustuminen kokeelliseen työskentelyyn virtuaalisten kokeiden avulla voi tietenkin mahdollistaa oppilaille perehtymisen varsinaista laboratoriossa tapahtuvaa kokeellista työskentelyä varten. Tästä puolestaan voisi olla etuna se, että opiskelijoiden laitteistoihin tutustumiseen tarvittava aika lyhenee, mikä puolestaan mahdollistaa opiskelijoille ja opettajalla paremman mahdollisuuden keskittyä itse tutkittavana olevaan ilmiöön (esimerkiksi oleellisen datan tunnistaminen, tulosten analysointi ja vertaaminen sekä mahdollisesti tulosten raportoinnin valmistelu). Virtuaaliset kokeet voivat myös tarjota mahdollisuuden toistaa mittauksia ja kokeita riittävän monta kertaa itselleen sopivana aikana ilman että siitä muodostuu varsinaisesti ylimääräisiä kuluja sikäli kun käytössä on tarkoitukseen soveltuvat ohjelmistot.[2] C. Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi Internet - esimerkkejä Viimeisen vuosikymmenen aikana tapahtunut Internetin kehitys, erityisesti siirtonopeuksien kasvaminen mahdollistaa nykyisellään hyvin myös sovellusten suorittamisen verkossa. Virtuaali-instrumentoinnissa Java ohjelmointivälineet ovat ensimmäinen yleisesti käytössä olleista teknologioista, joiden avulla virtuaali-instrumentointi kokeita on voitu toteuttaa. Viimeaikoina Adobe Flash, ohjelmointikielenään Action Script mahdollistaa hyvin visuaalisen virtuaali-instrumentoinnin ja simuloinnin. C.1. SHOCKWAVE: Explore Science Yli kymmenen vuotta vanha esimerkki, aloitettu 1995, on Raman Pfaffin laatima Explore Science www-sivusto. Sivuston tarkoitus on tarjota oppilaille ja opettajille mahdollisuuden kokea todelle vuorovaikutteinen kokemus verkon käytöstä pelkän lukemisen asemasta. [3] Plaff on käyttänyt 45:n vuorovaikutteisen aktiviteetin kategorioina Mechanics, E & M, Life Sciences, Waves, Astro, Optics, Games and Basics, luokittelemaan etupäässä fysiikan aihepiiriin kuuluvien virtuaalisten kokeiden joukkoa. Sivutossa on esimerkkejä niin perinteisistä kokeista kuten ilmatyynyradasta törmäysten simulointina erimassaisilla kappaleilla kuin myös golf pallon lyönnistä ilmanvastuksen kanssa tai ilman. Nykyisellään sivuston pohjalta on kehittynyt kaupallinen satoja simulointeja käsittävä ExploreLearning [4] sivusto. C.2. JAVA: Walter Fendt Saksa ja Prof. Fu-Kwun Hwang (from the National Taiwan Normal University) Taiwan. Prof Hwang on laatinut yli 70 java applettia, jotka käsittelevät lukuisia fysiikan osa-alueita. Alun perin kiinaksi laadittuja appletteja on käännetty, vapaaehtoisten toimesta, useille eri kielille, koska Prof Hwang on julkaisut ja jakanut applettinsa Internetiin vapaasti ladattaviksi. Prof Hwangin töihin voi tutustua englannin kielisellä sivustolla osoitteessa Walter Fendt, fysiikan opettaja Paul-Klee-Gymnasium (lukio) on laatinut java appletteja fysiikkaan tähtitieteisiin ja matematiikkaan. Myös nämä appletit ovat jaettuina internetissä ja useista niistä on eri kieliversioita sivustolla esimerkiksi fysiikkaan englanniksi Module 2: Basic Meaning and Examples of Virtual Instrumentation in Education 2/6

3 Kuva 1 Walter Fendt websivu C.3. Muita sivustoja- Internetistä löytyy useita sivustoja eräs esimerkki erilaisten oppilaitosten välisestä yhteistyöstä on La Baldufa [6] Educaplus ( on monipuolisuudessaan tutustumisen arvoinen sivusto. Sivustoa on kehittyt Jesús Peñas fysiikan ja kemian opettaja Andalusiasta vuodesta 1999 [7]. Sivustolla on kattava kokoelma Flash animoinnilla toteutettuja yläkoulun opetukseen suunnattuja simulointeja. Aihealueina mm. ideaalikaasujen ominaisuudet [8], kinematiikka[9] sekä optiikka [10]. Sivustosta ei valitettavasti ole englannin kielistä versiota, mutta luonnontieteiden yleinen merkitsemistapa ja esitysmuoto auttavat sivustoon tutustumisessa. Module 2: Basic Meaning and Examples of Virtual Instrumentation in Education 3/6

4 Kuva 2 Educaplus sivusto C.4. Crocodile Clips ohjelmistolla tehtävät sovellukset. Kuten ensimmäisessä seminaari dokumentissa todettiin voidaan simulaatioita tuottaa myös tätä varten laadituilla ohjelmilla. Vaikka Crocodile Clips ohjelmistosta on oltava lisensoitu versio moduulien tuottamista varten, on valmiille moduuleille selaamista varten olemassa verkosto ladattava ilmainen katseluohjelma [11]. Ohjelmistoa voi käyttää kahdessa toimintatilassa, joko Beginner mode tilassa, jolloin käyttäjä voi toimia valmiiden moduulien ja simulointien avulla tai Advanced mode toimintatilassa, jolloin käyttäjä voi laatia itse aktiviteetteja hyödyntämällä ohjelmistoon kuuluvia valmiita simulointimoduuli kirjastoja. Ohjelmistossa on valmiita kirjastoja esimerkiksi Electricity libraries sisältää sähköön liittyvien kokeiden laadintaan tarvittavat komponentit kuten: vastukset, yleismittarit, lamput, kytkimet, yms. Ohjemistossa voi hyödyntää myös tutkittavien ilmiöiden mallintamisessa tarvittavia mallin mitattavien ominaisuuksien graafiseen esitykseen tarvittavia välineitä, jotka ovat omassa ohjelmistokirjastossa Presentation library. Ohjelmistoon perehtymiseen on valmistajan sivustolla kattava valikoima flash filmeinä (joukko lyhyitä n 5 min leikkeitä) toimitettuja tutoriaaleja, joiden avulla voi perehtyä ohjelmiston kanssa työskentelyyn. - Sähkö: - Vaihtovirtas: - Liike: Module 2: Basic Meaning and Examples of Virtual Instrumentation in Education 4/6

5 - Harmooninen liike: - Optiikka valosädemallit: - Aaltoliike: - Optiika: - Esimerkkejä Crocodile Clips kokeista, jotka soveltuvat alakouluun: D. Task Figure 4 Crocodile Science Player 2007 kotisivu Tehtävänäsi on vierailla vähintään kolmella www-sivustolla (vähintään yhden Crocodile Clipsiin), jotka käsitelevät virtuaali-instumentointia, simulaatioita ja mallintamista luonnontieteiden opetuksessa. Tehtävänäsi on edelleenkehittää laatimaasi oppimistehtävää tai oppimisaihiotasi sekä palauttaa se kurssin verkkoympärisöön (esim. Moodle). Module 2: Basic Meaning and Examples of Virtual Instrumentation in Education 5/6

6 E. Lähteet VccSSe [1] [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, [3] [4] [5] [6] [7] Educaplus has been awarded with several prices. See: [8] [9] [10] [11] Module 2: Basic Meaning and Examples of Virtual Instrumentation in Education 6/6