Tietokoneavusteinen mittaus luonnontieteiden opetuksessa

Transkriptio

1 Tietokoneavusteinen mittaus luonnontieteiden opetuksessa Historiaa, tutkimusta, didaktiikkaa Sommarkurs 2012 Ari Hämäläinen Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos 1

2 Tietokoneavusteinen mittaus Hyödynnetty niin kauan kun on ollut tutkimuslaboratorioon mahtuvia tietokoneita Mikrotietokoneiden vallankumous mahdollisti laajamittaisen käyttöönoton myös opetuksessa Tutkimuskäyttö: Erikoiskäyttöinen laitteisto Pysyvä mittausasetelma Ankarat tarkkuusvaatimukset Asiantuntijakäyttäjät 2

3 Tietokoneavusteinen mittaus Opetuskäyttö Monikäyttöinen laitteisto ja ohjelmisto Nopeasti ja usein vaihdettava mittausasetelma Oltava helppokäyttöinen Kestävyys ei-asiantuntijoiden käsissä Kevyemmät tarkkuusvaatimukset Kohtuullinen hinta 3

4 Edut kaikessa mittauskäytössä: Tietokone on monipuolinen mittausväline. Se korvaa useita instrumentteja. Voi mitata useaa suuretta yhtä aikaa. Tulostenkäsittely voidaan tehdä samalla laitteella kuin mittaus. Mittaustulokset voidaan tallettaa ja jatkaa käsittelyä myöhemmin. Mahdollistaa monipuolisen ja nopean tulosten käsittelyn ja esittämisen. 4

5 Lisäedut opetuskäytössä: Rutiinitehtävät vähenevät Enemmän aikaa aktiiviseen oppimiseen Mahdollisuus tehdä vaativampia kvantitatiivisia kokeita Graafisen esityksen avulla kokeellinen lakien löytäminen ja testaaminen helpottuu oleellisesti Nykyaikaiseen mittaustekniikkaan tutustuminen Tulokset voidaan esittää suurelle joukolle videotykillä 5

6 Haittoja opetuskäytössä Valmistelutyö kasvaa Enemmän välineitä, enemmän testattavaa ja harjoiteltavaa Kvantitatiiviset kokeet ovat vaativampia kuin pelkkä ilmiöiden havainnointi Asialla vaara hukkua tekniikan alle Mittausjärjestelmän pitää olla työkalu, ei itsetarkoitus Mittausjärjestelmän pitäisi olla läpinäkyvä : tärkeitä ovat ilmiöt ja tulokset, ei mittaaminen ja prosessointi 6

7 Historia: Apple II, Commodore 64, BBC..., (IBM PC) Yksinkertainen, avoin arkkitehtuuri Helppo ohjelmoida Harrastaja-opettajat rakensivat ja ohjelmoivat itse mittaussovelluksia Ensimmäiset kaupalliset sovellukset Britannia: BBC Computer Literacy Project 7

8 Historia: PC-yhteensopivat MS-DOS: graafisilla ohjelmilla ei yhtenäistä käyttöliittymää Monta tapaa yhdistää mittauslaite tietokoneeseen Apple Macintosh Graafinen käyttöjärjestelmä RS-232 -sarjaväylä Kotimaista kehitystyötä Empirica Mitta-Masa (floppi) 8

9 Historia: Macintosh vakiinnuttaa asemansa USA:ssa Applella valta-asema USA:n opetusmaailmassa PC-yhteensopiville käyttökelpoinen GUI: Windows 3.x Ensimmäiset Windows-mittausohjelmat Edelleen suuri väyläkirjavuus: sisäiset liitäntäkortit, sarjaväylä, rinnakkaisväylä, SCSI, peliportti... Suomessa: Mittausjärjestelmiä hankitaan kouluille runsaasti Empirica ja UIA (Is-Vet) markkinajohtajia 9

10 Historia: Apple ajautuu lähes konkurssiin PC-yhteensopivat: Vernier ja Pasco esittelevät Windows-versiot Plug and Play: laitteiden helpompi liitettävyys RS-232 -sarjaliitäntä hetkeksi standardin asemaan Calculator-based laboratory (CBL) Texasin graafisia laskimia käyttävä järjestelmä Ideana mittauslaite jokaisen oppilaan käteen Ongelmana laskimen tehokkaan käytön oppiminen, hidas verrattuna tietokoneeseen 10

11 Historia: Applen uusi nousu alkaa USB-sarjaväylä liitäntästandardiksi Koneeseen voi lisätä portteja helposti Toimiva Plug&Play, helppo asennus Laitteiden liittäminen sammuttamatta Nopea tiedonsiirto Antureiden automaattinen tunnistus Videoanalyysi Vernierille ja Pascolle kotimaiset maahantuojat, Empirican valmistus loppuu 11

12 Historia: Monen kastin mittausyksiköt: Monipuoliset, suorituskykyiset, integroidut laitteet Graafisella näytöllä varustetut mobiilit mittausyksiköt, toimivat myös itsenäisesti Edulliset, helppokäyttöiset, ominaisuuksiltaan rajoitetummat mittausyksiköt Suoraan USB-väylään kytkettävät anturit Bluetooth-tekniikka: langattomat anturit Yhä monipuolistuva tulostenkäsittely Kokeelliset Linux-ohjelmistot 12

13 Nykyhetki ja tulevaisuus: Langaton tiedonsiirto mittausyksiköstä (Bluetooth, Wi-Fi) Mittausdata voidaan lähettää langattomasti oppilaiden omiin koneisiin analysoitavaksi Mobiilius lisääntyy - sovellukset tableteissa ja älypuhelimissa? Riippumattomuus alustasta? Älytaulujen avaamat mahdollisuudet? Dataa pilveen? 13

14 Tietokoneavusteisen mittauksen tutkimus 1980-luku: pioneeriaika laitteiden ja ohjelmien rakentamista 1990-luku: aktiivisen tutkimuksen aika kehitettiin tietokonemittauksen mahdollistamia opetusmenetelmiä osoitettiin että ne parantavat oppimistuloksia 2000-luku: akateeminen tutkimus hiipuu yksittäisten kokeiden kehittämistä kehityksen painopiste välinevalmistajilla 14

15 Klassikko -tutkimuksia Thornton, R., Sokoloff, D. Learning motion concepts using real-time microcomputer based laboratory tools. Am. J. Phys. 58 (9), September Tinker, R. (ed). Microcomputer-Based Labs: Educational Research and Standards. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1996 Thornton, R. Using Large-Scale Classroom Research to Study Student Conceptual Learning in Mechanics and to Develop New Approaches to Learning. Sokoloff, D. Teaching Electric Circuit Concepts Using Microcomputer-Based Current/Voltage Probes. Sokoloff, D., Thornton, R. Using Interactive Lecture Demonstrations to Create an Active Learning Environment. The Physics Teacher, Vol. 35, September

16 Kotimainen tutkimus Lavonen, J. Tietotekniikan hyödyntäminen kokeellisen lähestymistavan yhteydessä. Lisensiaatintutkimus, Helsingin yliopiston fysiikan laitos, Lavonen, J. Fysiikan opetuksen kokeellisuus ja mittausautomaatio. Väitöskirja. Helsingin yliopisto, Hämäläinen, A. Opetuskäyttöön tarkoitetulle tietokoneavusteiselle mittausjärjestelmälle asetettavat vaatimukset hahmottavan lähestymistavan kannalta. Lisensiaatintutkimus. Helsingin yliopiston fysiikan laitos, Hämäläinen, A. An Open Microcomputer-based Laboratory System for Perceptional Experimentality. Väitöskirja. Helsingin yliopiston fysiikan laitos,

17 Kotimainen tutkimus Parkkonen, M. CBL-mittausjärjestelmän mahdollisuudet fysiikan opetuksessa. Pro Gradu. Helsingin yliopiston fysiikan laitos, Torniainen, V-V. Haulikkoammunnan fysiikkaa. Pro Gradu Rahikka, M. Interaktiivinen video fysiikan opetuksessa. Laudatur-tutkielma Uotinen, I. Ilmatyynypöydän käyttö lukion fysiikan opetuksessa. Opetusvälineen kehittämisprosessi. Lisensiaatintutkimus Bergström, J. Xplorer GLX - en dataloggers lämplighet i fysikundervisning utgående från gestaltningprincipen. Pro Gradu

18 Tutkimuksen pedagoginen sanoma Tärkeintä ei ole väline, vaan opetusmenetelmät jotka väline mahdollistaa. Kokeellisuus Vuorovaikutteisuus Hands-on, Minds-on Vertaisoppiminen Hake, R. Interactive-engangement versus traditional methods: A six-thousandstudent survey of mechanics test data for introductory physics courses. Am. J. Phys 66 (1), January