Pré-NLT-module Arduino Product van TU Delft, SEC Wim Sonneveld, vakdidacticus na, NLT TU Delft Arthur de la Court, docent na, O&O het College Weert 2016-2017 Science Education and Communication

Inhoud presentatie Inleiding Module Arduino Stand van zaken contexten concepten opbouw en lesschema werkvormen toetsing Stand van zaken 2 feb 2017

Inleiding TU-Delft, lerarenopleiding, SEC vak “Ontwerpen Educatief Product”, lesmodule landelijk behoefte aan nieuwe pré-NLT-modules kennis maken met de aard van NLT breed vakgebied, interessant voor leerlingen klas 3H (V) Ontwikkeld maart – juni 2016 we zoeken scholen als tester/gebruiker voor Aduino 2 feb 2017

Arduino pre-NLT module in één oogopslag Doelgroep: 3Havo Studielast: 9 lessen met mogelijkheid tot verdieping. Het grootste deel van de lessen omvat practicumopdrachten. Opdracht: Je gaat een zelfrijdende mini-auto ontwerpen én bouwen. Wedstrijd: Tijdens de laatste les wordt een wedstrijd gehouden. Ook wordt gekeken welk team de mooiste features heeft weten in te bouwen in zijn auto Contexten: Elektronica (micro-) computers Programmeren Automatiseren Robotica Zelfrijdende voertuigen Ontwerpen ethiek Tegenwoordig kun je bijna niet meer om digitale techniek heen. Bijna ieder product bevat het wel, bijna alles is wel te programmeren en te automatiseren. Omdat de Arduino een microcomputer is waarmee zonder veel voorkennis aan de slag kan worden gegaan, is deze bij uitstek geschikt om leerlingen kennis te laten maken met digitale techniek, programmeren en automatiseren en zich te verdiepen in dit actuele maatschappelijke onderwerp. 2 feb 2017

Arduino concepten Les 4 ontwerpopleidingen ontwerpcyclus   ontwerpopleidingen ontwerpcyclus di- en convergeren uittesten en evalueren Iteratie / iteratief lijn detecteren optische sensor drempelwaarde Les 1   digitale techniek automatiseren ontwerpen programmeren computerprogramma programmeertaal C instructies flowchart stroomdiagram Les 2   contacten voedingsstrip controlelampjes reset-knop codeerschijven electromotor voedingsspanning poorten GND-aansluiting Les 5   slim/reageren op de buitenwereld logica variabelen constanten statements: IF - IF ELSE - IF ELSE (geschakeld) - FOR - WHILE Les 3   rijrichting auto sturen auto slimme auto ontwerpopleidingen Les 6   H-brug schakelschema PWM Bedradingsplan optische sensor IR licht reflectie 2 feb 2017

Arduino inhoudelijke kennis De module bevat kennis en vaardigheden uit de vakken Natuurkunde en Wiskunde sluit aan op beroepen op het gebied van Industrieel Product Ontwerpen, Technisch Ontwerpen, Digitale Techniek en Informatica. In aansluiting op deze actualiteit ga je een zelfrijdende mini-auto ontwerpen en bouwen. Voor de aansturing van het voertuig maak je gebruik van Arduino en de beschikbare bijbehorende elektronische componenten. 2 feb 2017

Arduino opbouw/lesschema De module is opgebouwd uit 8 lessen, afgesloten met een wedstrijd. les 1: Introductie: vormen van teams, die elk uit 4 personen bestaan. les 2-4: Tijdens de eerste helft van de serie wordt met name basiskennis en vaardigheden opgedaan. Dit gebeurt parallel in twee “specialisaties” binnen de teams. les 5-8: Verdiepen en verfijnen: nadruk op integratie van hard- en software kennis, en iteratie in het ontwerpproces. les 9: In de laatste les komt alles samen, worden de ontwerpen uitgetest, een wedstrijd gehouden en leveren de leerlingen hun eindverslag in. Les 1: De eerste les laat de leerlingen kennismaken met programmeren en flowcharts met een praktisch opdracht, zonder de computer al in te duiken. De teams waarmee de leerlingen de rest van de lessen gaan werken worden samengesteld. Les 2 t/m 4: In deze lessen leren de leerlingen de basis van de Arduino: hardware en software. Ze beginnen ook al met het bouwen van je zelfrijdende auto. Ook wordt het vak Ontwerpen besproken, met name gericht op de iteratie (evaluatie) in het ontwerpproces. Les 5 t/m 8 In deze lessen gaan de leerlingen zich verder verdiepen in de Arduino, ze leren hoe ze fouten kunnen detecteren en hoe ze hun uiteindelijke ontwerp kunnen verfijnen door voortdurend het ontwerp te evalueren (iteratie in het ontwerpproces). Les 9 In deze laatste les komt alles samen, worden de ontwerpen uitgetest, een wedstrijd gehouden en leveren de leerlingen hun eindverslag in. 2 feb 2017

Arduino opbouw/lesschema (2) In iedere les zitten enkele activiteiten, verpakt in verschillende werkvormen. De werkvormen zijn vrij divers en zoveel mogelijk activerend. In de lessen wordt er klassikaal, zelfstandig in teams en zelfstandig in sub-teams gewerkt. er zijn ook individuele verdiepingsopdrachten opgenomen. Gebruikte werkvormen: Filmvertoning (les 1, 2) Klassikale discussie (les 1, 7) Klassikaal uitwisselen informatie (les 1, 2, 4) Rollenspel met observatie (les 1) Informatie verzamelen op internet (les 1, 3, 4) Informatie verzamelen door film te bekijken (les 3, 4) Uitzoekopdracht met tekenen flowchart (les 1 t/m 7) Uitzoekopdracht met modulekaarten (les 2 t/m 8) Practicum (les 2 t/m 8) 2 feb 2017

Arduino opbouw/lesschema (3) In de lessen zelf is voor het overzicht zo min mogelijk achtergrondinformatie opgenomen. Achtergrondinformatie is opgenomen in losse modulekaarten, waarop telkens één of enkele onderwerpen worden uitgelegd. De bedoeling is om per opdracht de juiste modulekaart(en) erbij te pakken. In de les wordt aangegeven welke kaarten dat zijn. 2 feb 2017

Arduino Les 1: Introductie De eerste les laat de leerlingen kennismaken met programmeren en flowcharts met een praktisch opdracht, zonder de computer al in te duiken. De teams waarmee de leerlingen de rest van de lessen gaan werken worden samengesteld. Leerdoelen na deze les kan de leerling: . . voorbeelden geven van wat mogelijk is met digitale techniek . . uitleggen wat programmeren is, wat een programmeertaal is en wat een computerprogramma is . . kan de leerling een eenvoudige flowchart interpreteren en uitleggen waarom je een flowchart gebruikt bij . programmeren . . zelf een flowchart opstellen . . weet de leerling wat hij de komende lessen gaat doen. Activiteiten / opdrachten: 1.1 Waarom ging het mis? 1.4 Parcours-race 1.2 Vreemde taal en programmeertaal 1.3 Instructies parcours-race Verdiepingsopdracht: Wat is een Arduino?

Arduino Les 2: Blink-a-LED Parallelsessies voor Hardware en Software over de montage omgeving en de programmeeromgeving van de Arduino (IDE). Leerdoelen na deze les kan de leerling: op een breadboard een schakeling bouwen waarmee de Arduino een LED kan laten knipperen een sketch schrijven om een LED te laten knipperen Heeft de leerling geleerd: wat een Arduino is wat een breadboard is wat het verschil is tussen hardware en software hoe hij een Arduino aansluit op een breadboard Activiteiten / opdrachten: 2.1 uitwisselen informatie 2.4 BLINK 2.2 Schakelschema maken 2.5 Bedradingsplan 2.3 Programmeren Slotopdracht: Koppelen hard- en software 2 feb 2017

Arduino Les 3: On the move Start met bouwen met als resultaat: een auto die al kan rijden. - Parallelsessies voor Hardware (3a) en Software (3b) over de motor. - Inclusief verdiepingsles (3c & 3d) voor de snellen. Les 4: De ontwerpcyclus Wat is ontwerpen, ontwerpopleidingen en de ontwerpcyclus ? - Verder met bouwen: auto die een lijn detecteert. - Parallelsessies voor Hardware (4a) en Software (4b) over sensoren. 2 feb 2017

Arduino Les 5: Logica van lijn volgen Les 6: Steeds slimmer Introductie logica, ontwerp evalueren en verder met bouwen: een lijn op de vloer volgen met behulp van logica. Les 6: Steeds slimmer Hoe maak je de auto slimmer? Introductie debugging, ontwerp evalueren en verder met bouwen: perfectioneren. Les 7: Toeters en bellen Ethiek, ontwerp evalueren en verder met bouwen: onderdelen aanbrengen ter verfraaiing van het ontwerp. Les 8: Check-up voor D-day Laatste mogelijkheid om waar nodig het ontwerp nog te optimaliseren. 2 feb 2017

Arduino Les 9: D-day Welk voertuig rijdt het meest complexe parcours ? De auto die het best het parcours weet af te leggen wint. (minste fouten, snelst, meest vloeiend etc.) Ook wordt gekeken welk team de mooiste features heeft weten in te bouwen in zijn auto. Inleveren eindverslag met beschrijving proces en gerealiseerde ontwerp en evaluatie en reflectie.

Arduino lesmaterialen De pre-NLT module bevat een aantal materialen: Modulekaarten Werkbladen voor leerlingen Docent uitwerkingen en lesplannen voor iedere les Docenten handleiding, leerling handleiding 2 feb 2017

Arduino modulekaarten Vaste en optionele modulekaarten. Behandelen relevante hardware-, software-, logica en natuurkundige concepten. Voorbeelden. Vormen basisinformatie, bieden links naar verdieping. 2 feb 2017

Arduino werkbladen Aparte bladen voor hardware en software subteams Vormen samen een geheel per les, borgen afstemming tussen teams Aftekenen / opmerkingen door docent 2 feb 2017

Arduino toetsing In vrijwel iedere les is opgenomen dat leerlingen bij de opdrachten hun werkbladen moeten laten aftekenen door de docent. Criteria bij aftekenen werkbladen Softwareopdrachten juiste flowchart gebruik van commentaarregels gebruik van juiste functies overzichtelijke structuur Hardwareopdrachten schakelschema en bedradingsplan gemaakt bedradingsplan goed nagebouwd Eindcijfer Het eindcijfer voor deze lessenserie wordt bepaald op basis van: de ingevulde werkbladen team archivering van sketches (versiebeheer) team kwaliteit van het eindproduct (auto) team reflectie individueel Eindproduct en resultaat tijdens D-day (50%) Verslag over proces en eindproduct (50%) In vrijwel iedere les is opgenomen dat leerlingen bij de opdrachten hun werkbladen moeten laten aftekenen door de docent. Hierdoor heb je als docent voortdurend in beeld waar ieder team staat. Aan het einde van de module moeten de teams alle werkbladen bundelen tot een verslag en samen met hun eindproduct, een overzicht van hun versiebeheer van sketches en een reflectie samen met hun eindproduct inleveren ter beoordeling. Daarnaast moeten ze bij verdiepingsopdracht 3.1 (ontwerpopleidingen) en 6.1 (ethiek) een individueel verslag inleveren. Er is bewust voor gekozen om niet een schriftelijke (eind)toets af te nemen. De module is primair bedoeld om leerlingen enthousiast te maken voor het vak en niet zozeer om ze te testen op kennis. Testen zou zelfs averechts kunnen werken gezien de doelgroep - 3 havo - die veelal liever pragmatisch aan de slag gaan dan droge stof leren. Daarnaast gaat het bij Arduino vooral om het zelf doen, er daadwerkelijk mee werken, door te doen leren ze het meest. 2 feb 2017

Arduino Benodigde software Om programma’s voor de Arduino te ontwikkelen en in de Arduino te laden is ondersteunende software nodig. Ook het ontwerpen en documenteren van de electronica wordt door software ondersteund. Deze software is open source, toegankelijk en uitstekend gedocumenteerd: SW: ontwikkelomgeving: de Arduino IDE (of web-based) - IDE beschikbaar voor Windows, Mac of Linux Arduino.cc website biedt veel ondersteuning, voorbeeldcode en fora. HW: gereedschap om te ontwerpen en documenteren: Fritzing 2 feb 2017

Arduino Benodigde materialen benodigde onderdelen zijn vrij universeel, bestaan in verschillende varianten, en zijn via verschillende leveranciers te verkrijgen. Afhankelijk van gekozen productkwaliteit kost een complete onderdelenpakket per auto: ca. € 50 . . €100) Bijna alle electronica onderdelen zijn herbruikbaar. Er zijn geen speciale gereedschappen of meetapparatuur benodigd voor montage. 2 feb 2017

Arduino benodigde docent De docent heeft met name een begeleidende rol, het is de bedoeling dat de leerlingen zelfstandig aan de slag gaan met de Arduino Bij sommige lessen kan aan het begin een groepsdiscussie worden gevoerd over nieuwe stof. Als docent zelf een keer de auto bouwen, om zo vertrouwd te raken met de ontwikkelomgeving, de terminologie, het maken van een Sketch, etc. Basiskennis informatica en electronica wordt verondersteld, werken met Arduino kan goed door zelfstudie worden geleerd. In vrijwel iedere les is opgenomen dat leerlingen bij de opdrachten hun werkbladen moeten laten aftekenen door de docent. Hierdoor heb je als docent voortdurend in beeld waar ieder team staat. Aan het einde van de module moeten de teams alle werkbladen bundelen tot een verslag en samen met hun eindproduct, een overzicht van hun versiebeheer van sketches en een reflectie samen met hun eindproduct inleveren ter beoordeling. Daarnaast moeten ze bij verdiepingsopdracht 3.1 (ontwerpopleidingen) en 6.1 (ethiek) een individueel verslag inleveren. Er is bewust voor gekozen om niet een schriftelijke (eind)toets af te nemen. De module is primair bedoeld om leerlingen enthousiast te maken voor het vak en niet zozeer om ze te testen op kennis. Testen zou zelfs averechts kunnen werken gezien de doelgroep - 3 havo - die veelal liever pragmatisch aan de slag gaan dan droge stof leren. Daarnaast gaat het bij Arduino vooral om het zelf doen, er daadwerkelijk mee werken, door te doen leren ze het meest. 2 feb 2017

Arduino voorbeeldscherm HW ontwerptool 2 feb 2017

Arduino voorbeeldscherm SW ontwikkelomgeving 2 feb 2017

Wat hebben/willen we nu? 3 pré-NLT-modules eerste versie docentenhandleidingen practica extra lesmateriaal uitwerkingen enz. we zoeken testscholen (enquête, logboek, e.d.) E.deWit@TUDelft.nl / W.Sonneveld@TUDelft.nl 2 feb 2017