MASARYKOVA UNIVERZITA

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technické a informační výchovy Využití H&S robotického systému ve výuce technických předmětů na ZŠ Bakalářská práce Brno 2014 VEDOUCÍ PRÁCE: doc. Ing. Jiří Hrbáček, Ph.D. VYPRACOVAL: Lubor Maněk

2 Bibliografický záznam MANĚK, Lubor. Využití H&S robotického systému ve výuce technických předmětů na ZŠ. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra technické a informační výchovy, s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Jiří Hrbáček, Ph. D. Bibliography MANĚK, Lubor. Use of H&S robotic system in teaching technical subjects at school. Brno: Masaryk university, Faculty of education, Department of technical education and information science, p. The supervisor of the bachelor thesis doc. Ing. Jiří Hrbáček, Ph. D. Anotace Bakalářská práce Využití H&S robotického systému ve výuce technických předmětů na ZŠ se zabývá vytvořením výukové opory a sady úloh pro výuku stavby a programování robotů v předmětech spadající v RVP do oblasti Člověk a svět práce. Konkrétně do vzdělávacích oborů Práce s drobným materiálem, Konstrukční činnosti, Práce s technickými materiály a Design a konstruování. Součástí bakalářské práce je výběr vhodné robotické stavebnice pro výuku a popis jejích jednotlivých hardwarových komponentů, včetně vývojového prostředí pro vlastní programování procesoru robota. Annotation The bachelor thesis "Use of H & S robotic system in teaching technical subjects at school" deals with the creation of tutorial support a set of tasks for teaching building and programming robots in the subjects covered in RVP in "Human and world of Work". Specifically, in the educational field "Work with fine materials, Construction activities, Work with technology and Design and construction." Part of the thesis is

3 the selection of a suitable robotic kit for teaching and a description of its various hardware components, including the development environment for custom programming of the robot. Klíčová slova Konstruování, programování, učební pomůcka, robotická stavebnice, výuková opora, algoritmus, žáci. Keywords Designing, programming, teaching aid, robotic kit, study support, algorithm, pupils.

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem závěrečnou bakalářskou práci na téma Využití H&S robotického systému ve výuce technických předmětů na ZŠ vypracoval samostatně, s využitím pouze citovaných literárních pramenů, dalších informací a zdrojů v souladu s Disciplinárním řádem pro studenty Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity a se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů. Souhlasím, aby práce byla uložena na Masarykově univerzitě v Brně v knihovně Pedagogické fakulty a zpřístupněna ke studijním účelům.... Maněk Lubor V Brně, 15. dubna 2014

5 PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Jiřímu Hrbáčkovi, Ph.D. za cenné rady, připomínky a za jeho strávený čas, který mi věnoval při tvorbě této bakalářské práce.

6 OBSAH ÚVOD TECHNICKÁ VÝCHOVA Oborová didaktika Zařazení robotických systému do RVP Výukové metody v technických předmětech Motivace žáků k výuce technických předmětů ROBOTICKÉ SYSTÉMY VE VÝUCE Obecná charakteristika robotů Dostupné robotické stavebnice pro výuku Popis hardwaru vybrané robotické stavebnice Popis vývojového prostředí pro programování VYUŽITÍ H&S ROBOTICKÉHO SYSTÉMU VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ NA I. STUPNI ZŠ Propojení desky procesoru s držákem baterií a desky 4LED/8LED Montáž jednotlivých prvků stavebnice na podvozek robota VYUŽITÍ H&S ROBOTICKÉHO SYSTÉMU VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ NA II. STUPNI ZŠ Řízení indikačních LED a práce s tlačítky Řízení pohybu podvozku robota Systémy využívající IR čidla ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA POUŽITÉ INTERNETOVÉ ZDROJE SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK

7 ÚVOD Cílem bakalářské práce je zmapovat situaci v dostupnosti vhodných robotických stavebnic na trhu. Porovnat jejich výhody a nevýhody z pohledu potřeb pro výuku na ZŠ. Vybrat nejvhodnější, a pro ni vytvořit výukovou oporu pro výuku technických předmětů na prvním a druhém stupni základních škol. Součástí opory bude také vytvoření sady úloh pro pochopení základních postupů při programování a principu činnosti některých technických zařízení, se kterými se setkáváme v běžném životě. Při návrhu jednotlivých úloh je třeba se zaměřit také na konstrukční činnosti, které by měly sloužit ke zlepšení jemné motoriky a zručnosti u žáků ZŠ. Práce je rozdělena do čtyř částí. První z nich se věnuje oborové didaktice, včetně možného začlenění robotických systémů do rámcově vzdělávacího programu základních škol, následně motivaci žáků k výuce technických předmětů a typu výukových metod. V další části se zabývá charakteristikou robotů, výběrem ideální robotické stavebnice vhodné pro využití ve výuce a popisem jednotlivých hardwarových komponentů vybrané stavebnice včetně vývojového prostředí pro vlastní programování procesoru robota. V následujících dvou částech se práce věnuje praktickému využití robotického systému ve výuce na prvním a druhém stupni základní školy, navržením sady úloh a vytvořením výukových opor pro výuku technických předmětů. 7

8 1. TECHNICKÁ VÝCHOVA Technika (z řečtiny techné = umět) je základním kamenem pokroku. Z prvopočátku byla považována za souhrn dovedností uplatňovaných v řemeslné a umělecké tvorbě. V dnešní době ji však chápeme, jako souhrn všech prostředků a poznatků, které člověk uplatňuje při práci a vede k usnadnění jeho činností a rozšíření schopností. Je důležité vytvářet kladný vztah člověka k technice podobně jako k hudbě a přírodě. Bez základních technických vědomostí by nebylo možné, aby člověk vedl plnohodnotný život založený na plnění své společenské funkce (Friedmann, Z., 2001). S vývojem lidské kultury je technika velmi úzce spjata, neboť člověk žije s technikou od svého biologického prvopočátku (Friedmann, Z., 2001). 1.1 Oborová didaktika Podle M. Čadílka (1995) je termínem didaktika označována teorie vzdělávání a vyučování. Dříve byl pojem didaktika spojován s termínem pedagogika. Dnes je předmět pedagogiky chápán jako celek řešící problémy výchovy ze širokého hlediska. Výstižná definice didaktiky je od M. Čadílka (1995, s. 5) didaktika, je jedním z oborů pedagogiky, který se zabývá problematikou vzdělávacího systému. Zabývá se kategoriemi cílů, obsahu vzdělávání a vyučování, vyučovacími principy, vyučovacími metodami, organizací vyučování a jeho řízením. Základní pojmy Nejzákladnějším pojmem v oboru didaktiky je pojem vzdělávání. Lze jej chápat jako záměrné osvojování vědomostí, dovedností a návyků, těsně spjaté s rozvíjením poznávacích, citových a volných procesů, směřujících ke společensky žádoucímu chování a jednání člověka. (Šimoník, O., 2003, s. 4) Vyučování, taktéž vyučovací proces, je základní formou vzdělávání. Jde o cílevědomé, záměrné a systematické působení pedagoga na žáka, v rámci určitých organizačních forem. Vymezuje taktéž činnost učitele, který má za úkol řídit a realizovat činnost žáků. Školní učení je definováno jako aktivita žáků při záměrné cílevědomé činnosti a probíhá v organizovaných podmínkách. Výsledky učení jsou systematicky hodnoceny. Cíl vyučování se dá charakterizovat jako předpokládaný 8

9 výsledek, kterého má být dosaženo. Odvíjí se od něj i další prvky, jako například obsah vyučování, metody, formy, prostředky a podmínky (Švarcová-Slabinová, I., 2005). Další důležité pojmy uvádí Friedmann, Pecina (2013): Výchova v užším smyslu jde o formování postojů ke skutečnosti, zájmů, potřeb i utváření určitých forem chování a jednání. Vědomosti jsou pochopená a zapamatovaná fakta, osvojené poznatky a vztahy mezi nimi. Dovednosti jsou cvikem získané motorické, nebo myšlenkové struktury, které umožňují rychlé a kvalitní provádění určité činnosti. Jde o praktickou aplikaci vědomostí. Návyky jde o schopnosti automatického výkonu určité činnosti (bez uvažování a rozhodování). Schopnosti jsou získané předpoklady pro určitý poznávací, nebo motorický výkon. Vytváří se mimo jiné na základě vloh. Nadání je souborem schopností, který umožňuje pozoruhodné výkony v oboru konkrétní činnosti. Vlohy jsou předpokladem nadání (vloha=gen). Mohou existovat, ale nemusí být využity. Inteligence souhrn rozumových schopností. J. Sup (1982) ve své publikaci uvádí, že základní myšlenkovou formou je pojem, který vyjadřuje podstatu jevů. V oboru elektrotechniky jsou tyto pojmy velice abstraktní, a tudíž jsou pro žáky obtížné k pochopení. Z tohoto důvodu jsou v elektrotechnice definice těchto pojmů strukturovány velmi obecně a k jejich podstatě se dochází v průběhu studia až během vyššího stupně vzdělání. Průběh a fáze učení Dle M. Čadílka (1995, s. 15) lze průběh učení znázornit křivkou (viz Obrázek 1), která znázorňuje vztah pracovní činnosti na době učení počtu cvičení. Na vodorovnou osu nanášíme počet cvičení (n) a na svislou osu nanášíme stupeň osvojení vyjádřený indexem výkonu (y). 9

10 Obr. 1: Grafické znázornění křivky učení v pravoúhlých souřadnicích M. Čadílek (1995) rozděluje učení do tří fází. První fáze učení se skládá ze seznámení s učebním úkolem, příjímání nové informace a následného vytvoření představ o cíly. V první chvíli se pozoruje postup činnosti, na který se následně vytvoří individuální algoritmus a snaží se o naplnění cíle. Výsledkem je vytvoření přesné představy o pracovní činnosti. Tato fáze bývá z pravidla nejkratší a probíhá bez přerušení. Fáze druhá navazuje na část předchozí bez časové prodlevy. Pomocí vytvořeného algoritmu se realizuje činnost a ověřuje se její správně provedení. Osvojením pohybů dochází k výraznému zlepšení koordinace pohybů a vytvoří se základní dovednosti. Celá fáze probíhá bez přerušení. V případě složitějších činností je vhodné rozdělení úkonů na jednotlivé části s přestávkami, neboť klesá počáteční zájem a aktivita. Předejdeme tak možnému výskytu únavy. Třetí fáze učení následuje s určitým časovým odstupem od fáze druhé. Jde o zdokonalení dovednosti a zautomatizování pohybů, které mohou probíhat mimo kontrolu vědomí. Je vhodné tuto fázi rozdělit do několika částí. V každé části dochází k obměně vnějších podmínek práce změna pracoviště, materiálu, stroje, aj. M. Čadílek (1995, s. 18) uvádí orientační rozdělení dle K. Vláška, že první fáze zabírá kolem 10%, druhá přibližně 50% a třetí fáze 40% času potřebného k plnému osvojení dané pracovní činnosti. 10

11 1.2 Zařazení robotických systémů do RVP Učivo je v RVP ZV strukturováno do jednotlivých tematických oblastí (témat, činností) a je chápáno jako prostředek k dosažení očekávaných výstupů. Pro svoji informativní a formativní funkci tvoří nezbytnou součást vzdělávacího obsahu (RVP, 2013). Podle RVP (2013) lze téma vzdělávání pomocí robotického systému zařadit do jedné z deseti vzdělávacích oblastí RVP konkrétně do oblasti Člověk a svět práce. 1. Stupeň základní školy: o Konstrukční činnosti Očekávané výstupy 1. období Žák - zvládá elementární dovednosti a činnosti při práci se stavebnicemi. Očekávané výstupy 2. období Žák - provádí při práci se stavebnicemi jednoduchou montáž a demontáž. - pracuje podle slovního návodu, předlohy, jednoduchého náčrtu. - dodržuje zásady hygieny a bezpečnosti práce, poskytuje první pomoc při úrazu. Učivo - stavebnice (plošné, prostorové, konstrukční), sestavování modelů. - práce s návodem, předlohou, jednoduchým náčrtem. 2. Stupeň základní školy: o Design a konstruování Očekávané výstupy Žák - sestaví podle návodu, náčrtu, plánu, jednoduchého programu daný model. 11

12 - navrhne a sestaví jednoduché konstrukční prvky a ověří a porovná jejich funkčnost, nosnost, stabilitu aj. - provádí montáž, demontáž a údržbu jednoduchých předmětů a zařízení. - dodržuje zásady bezpečnosti a hygieny při práci a bezpečnostní předpisy; poskytne první pomoc při úrazu. Učivo - stavebnice (konstrukční, elektrotechnické, elektronické), sestavování modelů, tvorba konstrukčních prvků, montáž a demontáž. - návod, předloha, náčrt, plán, schéma, jednoduchý program. o Využití digitálních technologií Očekávané výstupy Žák - ovládá základní funkce digitální techniky; diagnostikuje a odstraňuje základní problémy při provozu digitální techniky. - propojuje vzájemně jednotlivá digitální zařízení. - pracuje uživatelským způsobem s mobilními technologiemi. - ošetřuje digitální techniku a chrání ji před poškozením. - dodržuje základní hygienická a bezpečnostní pravidla a předpisy při práci s digitální technikou a poskytne první pomoc při úrazu. Učivo - digitální technika počítač a periferní zařízení, videokamera aj. - digitální technologie bezdrátové technologie (USB, bluetooth, WIFI, GPRS aj). - počítačové programy pro zpracování hlasových a grafických informací, operační systémy, vzájemná komunikace zařízení (synchronizace s PC). - mobilní služby (RVP, 2013, s ). 12

13 Dle RVP (2013, s. 121) je minimální časová dotace ve vzdělávací oblasti Člověk a svět práce pro první stupeň základní školy 5 vyučovacích hodin. Pro druhý stupeň základní školy jsou 3 vyučovací hodiny. Poznámky ke vzdělávací oblasti Člověk a svět práce: - vzdělávací obsah vzdělávacího oboru Člověk a svět práce je realizován na 1. i 2. stupni základního vzdělávání. - na 1. stupni je vzdělávací obsah realizován ve všech ročnících, všechny tematické okruhy jsou pro školu povinné; na 2. stupni je povinný tematický okruh Svět práce a z ostatních okruhů si škola vybírá jeden tematický okruh, který je nutný realizovat v plném rozsahu (RVP, 2013, s. 124). 1.3 Výukové metody v technických předmětech Methodos, slovo původu řeckého, znamená cestu, postup. V didaktice lze pod pojmem vyučovací metoda chápat postup činností, mezi učitelem a žákem, směřující k naplnění daných cílů. Skalková (1999) ve své publikaci uvádí, že koncepce vyučovacích metod, jichž se používá v současné škole, se v průběhu let měnila v závislosti na historickospolečenských podmínkách vyučování v daném období. V době Antiky Démosthenés ( ) své vyučování vedl metodou přednášky, Platón ( ) ve své výuce prosazoval vzdělávání formou hry a Sokrates ( ) učil metodou rozhovoru a otázek. Nikdy však neopravoval své žáky, ale kladením dalších otázek je ke správně odpovědi dovedl. Mezi významné pedagogy, kteří přispěli k vývoji výukových metod lze zařadit i Marcuse Fabiuse Quintilianuse. Tento římský pedagog doporučoval, aby se vyučování vedlo pomocí tří stupňů: 1. Napodobení 2. Teoretické poučení návod 3. Cvičení V 17. stol Jan Amos Komenský ( ) prosazoval přirozenou metodu vzdělávání, která byla úzce spjata s poznáváním přírody a jejím napodobováním. 13

14 V posledních letech 20. století se vlivem inovace rozšiřují alternativní metody. Jde o metody, které budou umožňovat aktivitu žáků při formulaci cílů a plánování procesu učení, podporovat individuální i kolektivní strategie učení, budou vytvářet prostor pro iniciativní a tvořivé činnosti, získávání osobních zkušeností, pro seberealizaci žáků, které budou přispívat k omezování úzkosti, strachu i nudy ze školního vyučování, které povedou k sebekontrole a k vlastní odpovědnosti žáků (Skalková, 1999, s. 167). Maňák (1995, in Friedmann, Z., Pecina, P., 2013) uvádí klasifikaci základních metod vyučovaní: A. Metody z hlediska pramene poznání a typu poznatků aspekt didaktický. I. Metody slovní. 1. Monologické metody (vysvětlování, výklad, přednáška). 2. Dialogické metody (rozhovor, dialog, diskuse). 3. Metody písemných prací (písemná cvičení, kompozice). 4. Metody práce s učebnicí, knihou, textovým materiálem. II. Metody názorně demonstrační. 1. Pozorování předmětů a jevů. 2. Předvádění (předmětů, činností, pokusů, modelů). 3. Demonstrace statických obrazů. 4. Projekce statická a dynamická. III. Metody praktické. 1. Nácvik pohybových a pracovních dovedností. 2. Laboratorní činnosti žáků. 3. Pracovní činnosti (v dílnách, na pozemku). 4. Grafické a výtvarné činnosti. B. Metody z hlediska aktivity a samostatnosti žáků aspekt psychologický. I. Metody sdělovací. II. Metody samostatné práce žáků. III. Metody badatelské, výzkumné, problémové. C. Charakteristika metod z hlediska myšlenkových operací aspekt logický. I. Postup srovnávací. II. Postup induktivní. 14

15 III. Postup deduktivní. IV. Postup analyticko syntetický. D. Varianty metod z hlediska fází výchovně vzdělávacího procesu - aspekt procesuální. I. Metody motivační. II. Metody expoziční. III. Metody fixační. IV. Metody aplikační. E. Varianty metod z hlediska výukových forem a prostředků aspekt organizační. I. Kombinace metod s vyučovacími formami. II. Kombinace metod s vyučovacími pomůckami. F. Aktivizující metody aspekt interaktivní. I. Diskuzní metody. II. Situační metody. III. Inscenační metody. IV. Didaktické hry. V. Specifické metody (Friedmann, Z., Pecina, P., 2013, s. 28,29). Výběr výukových metod Pro stanovení optimálních metod pro danou výuku je nutné, aby si učitel naplánoval a promyslel průběh vyučování. I sebedetailnější přehled výukových metod vždy nemá za následek zvolení těch nejvhodnějších. Rozhodování o volbě vyučovacích metod probíhá jak na základě charakteru učiva, analýzy a znalosti žáků, tak i na osobních zkušenostech vyučujícího a dané situaci. Učitel by rozhodně měl respektovat zájmy a potřeby žáků (Maňák, J., Švec, V., 2003; Skalková, J., 1999). Ve vyučovacím procesu se uplatňuje více metod současně a ve vzájemném propojení. Nejsou od sebe odděleny a během vyučování se mohou mezi sebou libovolně měnit. Skalková (1999) považuje za nevhodné aplikovat do vyučování jednostranné zaměření metod (např. slovních nebo naopak praktických). Následkem může být neefektivnost vedené hodiny. V humanitních předmětech (např. dějepis nebo čeština) je 15

16 důležité oprostit se pouze od slovní metody a zapojit i metody přímých činností žáků. Naopak v hodinách fyziky, chemie, nebo techniky je třeba kromě metod laboratorních a pracovních činností využít i metody slovní. Přístup k vyučování technickým předmětům Podle I. Škáry (1996) rozlišujeme čtyři přístupy podle míry originality, čí naopak podle stereotypnosti vyučování. Tyto přístupy ovlivňují motivaci žáků k technickým činnostem. o Amatérský přístup dominoval v době, kdy se s výukou techniky začínalo. Jednalo se především o učitele 1, kteří měli o techniku zájem a v této problematice se orientovali, ale neměli potřebné aprobace. Tento přístup by měl být vnímán pozitivně, protože učitelé měli o techniku opravdový zájem a snažili se jej přenést na své žáky. V dnešní době je nutné tento přístup chápat negativně, protože buďto učitel příliš lpí na metodických postupech, anebo naopak učitel dané metodické postupy přehlíží. o Prakticistický přístup je založen na přesném dodržování všech pokynů učitele v takovém rozsahu, že žákům schází prostor pro rozvoj jejich vlastní tvořivosti, samostatnosti a myšlení. Naopak kladně můžeme vnímat, že si žák osvojí správný postup provádění pracovních operací a technologickou kázeň. o Produkční přístup je podobný předešlému přístupu s tím rozdílem, že učitel dbá na to, aby počet výrobků 2, které žáci vyprodukují, byl maximální. o Profesionálně seriózní přístup učitelé berou výuku techniky velice pečlivě a záleží jim na tom, aby žáci pochopili podstatu tohoto oboru, k čemuž dojde při pravidelném střídání intelektuálních a praktických činností. Výuku technické výchovy učitel staví na stejnou úroveň jako výuku matematiky, českého jazyka, či chemie. 1 Mnoho z těchto učitelů si v době, kdy to bylo možné, rozšířilo svoji pedagogickou způsobilost i na technické obory. 2 Výrobek je zde mimo jiné chápan i jako vytvořený softwarový program. 16

17 Domácí učební práce žáků Samostatnou domácí práci žáků chápeme jako takovou učební aktivitu, při níž žáci získávají poznatky vlastním úsilím, relativně nezávisle na cizí pomoci a vnějším vedení, a to zejména řešením problému (Maňák, J., Švec, V., 2003, s. 153). Skalková (1999) poukazuje na souvislost, mezi vyučováním žáků ve škole a jejich vzdělávací činností mimo školu, jenž je dána především cílem a obsahem této činnosti. Domácí učební práce, jinak také řečeno domácí úkoly, považuje za jednu ze základních organizačních forem vyučování. Je třeba kriticky se zaměřit na situace, kdy vlivem nedostatečného a neefektivního využití času ve vyučovací hodině dochází k přesunutí tíhy učení na domácí přípravu. Tato situace je neospravedlnitelnou prací učitele. Dalším základním předpokladem pro úspěšné splnění zadaného samostatného domácího úkolu je přiměřená forma a objasnění domácí práce tak, aby žáci neměli komplikace s porozuměním zadání a cíle, který je po nich vyžadován, a práce svým množstvím a složitostí nepřetěžovala žáky. Takto náročná práce zpravidla nevede k naplnění svých požadavků a k úspěšnosti žáka. Pro domácí samostatné práce můžeme využít označení poznávací samostatnost, která úzce souvisí se samostatným myšlením (samostatnost se projevuje na teoretické úrovni) a s kritickým myšlením (odhalování, všestranná analýza a vyhodnocování závěru). Je třeba vidět rozrůzněné stupně samostatnosti (viz Obrázek 2) po kvalitativní i kvantitativní stránce. 1. samostatnost napodobující, 2. reprodukující, 3. produkující a 4. přetvářející, které učiteli napomáhají k podpoření a usměrnění osamostatnění osobnosti žáka (Maňák, 2003). Obr. 2: Stupně samostatnosti Z hlediska metod lze domácí práce založit na práci s učebnicí, s doplňkovou literaturou, na pozorování, experimentování, na různých praktických i konstruktivních 17

18 činnostech a pokusech. Abychom se vyvarovali negativním emocím, ke kterým dochází především u mladších žáků, je třeba při zadávání úkolu brát ohled na délku práce. Některým starším žákům je samostatná práce dlouhodobější povahy naopak vhodnější a účelnější (Skalková, 1999). Domácí práce žáků plní i významné výchovné funkce. Utvářejí návyky pravidelně vykonávat třeba i drobné úkoly, učí organizovat a plánovat si vlastní práci, dělat ji pečlivě a nést odpovědnost za její kvalitu (Skalková, 1999, s. 223). 1.4 Motivace žáků k výuce technických předmětů Již od padesátých let 20. století, se výkonovou motivací zabývá mnoho psychologů (např. Atkinson, Clark, Heckhausen, u nás především Hrabal, Man, Pavelková). Podle Atkinsonovy teorie (1974) je třeba vidět souvislost mezi výzkumem výkonové motivace a výzkumem úzkosti, jinak řečeno je zapotřebí úspěšného výkonu (PÚV) a potřeby vyhnutí se neúspěchu (PVN). Tento model je základem výkonové orientace, který je dále ovlivněn: přitažlivostí výkonové aktivity pro jedince a subjektivní pravděpodobnosti očekávaného výsledku (Hrabal, V., Pavelková, I., 2011, s. 6). K rozvoji výkonových potřeb jsou důležité nároky, které na dítě kladou jeho rodiče. Pokud jsou kladeny přiměřené nároky, cíle a je snaha o vedení k samostatnosti, dochází u žáka, ve většině případů, k potřebě úspěšného výkonu. Při kladení vysokých nároků na dítě a očekávání pouze úspěchů se u takového žáka rozvíjí potřeba vyhnutí se neúspěchu. To má za následek strach a obavy ze selhání. Situace může dospět až k vyhýbání se jakýchkoliv výkonových situací, aby případné selhání a poškození žákova JÁ vůbec nemohlo nastat. Ve třetím případě, kdy na žáka ze strany rodičů není kladen žádný požadavek, dochází k zabrzdění rozvoje dítěte a výkon, potřebný k učení, bude nedostatečný (Hrabal, V., Pavelková, I., 2011). Vnitřní motivace Vnitřně motivovaný žák se učí proto, že učení je pro něj zdrojem poznání, které ho zajímá. Jde tedy o uspokojení dané potřeby žáka samotnou učební činností. To, že se žák učí, dělá plně z vlastní vůle a není ovlivněn žádnými vnějšími potřebami. Vnitřní motivace má pozitivní dopad na školní úspěchy a kvalitu učení. Pokud se žák zajímá o učební činnost, více se angažuje, pociťuje vnitřní uspokojení a více chápe souvislosti ve 18

19 složitějších výkladech učební látky. Navozená vnitřní motivace je velice stálá a napomáhá k motivaci učení i po skončení povinné školní docházky, kdy tito žáci častěji volí náročnější pokračující vzdělávání. I přes veškeré tyto pozitivní aspekty je třeba neopomíjet některé situace, při kterých je vnitřní motivace nedostatečná. V životě i ve škole nastávají chvíle, kdy musíme provádět aktivity (učení), které nejsou pro nás zajímavé Zvláště jedinci s nadprůměrným nadáním, kteří nemývají problémy s vyřešením i velmi náročných úkolů, často ztroskotávají na relativně jednoduchých úkolech, neboť je nebaví (pro svou jednoduchost) a nejsou tak dostatečně motivovaní (Pavelková, 2002). Vnější motivace Vnější motivace je podle časového členění rozdělena na motivaci krátkodobou a dlouhodobou. Mezi krátkodobé motivace lze zařadit například pochvalu, dárek, nebo slíbenou činnost za úspěch. Dlouhodobou motivaci můžeme charakterizovat jako snahu o budoucí úspěch v životě. Příkladem může být studium na prestižní škole, dobře placené zaměstnání, nebo budování profesionální kariéry (Pavelková, 2002). Mareš, Man, Prokešová (1996, in Pavelková, I., 2002) rozlišují čtyři typy vnější motivace: o Externí regulace - Působí na ni pouze vnější činitelé. Impulsem bývá rodič, nebo jiná osoba, která slibuje konkrétní ocenění nebo naopak poukazuje na možnou poznámku za nesplnění úkolu. Píši domácí úkoly protože nechci dostat od učitele poznámku a když ho zvládnu napsat, tak dostanu od rodičů novou hru na počítač. o Introjektovaná regulace - Jde o pasivní převzetí pravidel chování, aniž by si je žák přímo uvědomoval a akceptoval je. Domácí úkoly se mají dělat, i když si konkrétně neuvědomuji proč. Vím jen, že pokud je nesplním, budu mít špatný pocit a může mě postihnout trest. o Identifikovaná regulace - Žák přijímá daná pravidla, bere je za své, jedná z vlastního rozhodnutí a ochotně. Vím, proč jsou domácí úkoly a proč se musí dělat. Jsou pro mě důležité a dělám je pro sebe. o Integrovaná regulace - Tento typ podporuje autodeterminační chování a je nejvyšším stádiem vnější motivace. Činnosti žák dělá z vlastní vůle, ale 19

20 podnětem není činnost samotná (jako u vnitřní motivace), ale její důležitost a konečný výsledek. Důvod dělání veškerých domácích úkolů je z mého vnitřního přesvědčení. Je to má vlastní vůle. Vnitřní a vnější motivace mají často mezi sebou složité vzájemné vztahy. Někdy jejich působení má na výsledný stav pozitivní dopad, což znamená, že se tyto dvě motivace kladně doplňují. Jindy naopak může být vzájemná interakce na škodu. Například, když je vnitřní motivace velmi silná a je k ní ještě dodávaná vnější motivace, tak se může výsledný efekt zhoršovat (Pavelková, 2002). Motivační preference žáků k učení Pavelková (2002) pro zmapování struktury žákovské motivace oslovila na základních školách celkem 886 dětí ze 7. třídy a 855 dětí ze třídy 8. Dívky a chlapci měli za úkol ze šesti předložených motivací vytvořit stupnici od nejpreferovanějšího po nejméně preferovaného motivačního druhu. Celkové výsledky všech dětí ze stejné třídy se zprůměrovaly a vytvořily tak výsledné pořadí motivační preference žáků k učení od nejpreferovanějšího. o 7. ročník ZŠ - dobrý pocit z dobrého výkonu, poznávací motivace, morální motivace (povinnost), obava z následku, sociální motivace, prestižní motivace. o 8. ročník ZŠ - dobrý pocit z dobrého výkonu, poznávací motivace, morální motivace (povinnost), obava z následku, prestižní motivace, sociální motivace. Výsledky mapování v sedmých a osmých třídách jsou shodné u prvních čtyř druhů motivace. Pouze prestižní motivaci upřednostňují žáci 8. třídy před motivací sociální, což je přesně opačné upřednostnění než ve výsledcích mapování u žáků 7. tříd. 20

21 2. ROBOTICKÉ SYSTÉMY VE VÝUCE 2.1 Obecná charakteristika robotů Tak často používané slovíčko ROBOT pochází z češtiny a poprvé veřejně zaznělo v divadelní hře R. U. R v roce Karel Čapek hledal do svého spisovatelského díla označení pro umělé dělníky. Původně vymyšlené označení laboři se autorovi zdálo příliš papírové a tak pro radu zašel ke svému bratrovi Josefovi, malíři, aby mu s vytvořením slova pomohl. Během pár okamžiků vznikl název robot a Josef Čapek se tak stal skutečným původcem tohoto slova, které je velmi podobné výrazu robota, jenž byl znám již v 17. století, ve významu otrocká práce poddaných ( McKerrow (1986, in Tocháček, D., Lapeš, J., 2012, s. 9) uvádí, že robota zle definovat jako stroj, který může být naprogramován k vykonávání různých činností. Robot pracuje částečně samostatně, předepsaným způsobem vykonává zadané úkoly a vytváří si vlastní představu (model) o okolí, které může vnímat pomocí senzorů a následně do něj určitou činností zasahovat. Tuto činnost lze považovat za zpětnou vazbu robota. Už v 19. století se objevily první příběhy o plně automatizovaném stroji, ale až roku 1954 si společnost Unimation v čele s Georgem Charlesem Devolem ( ) nechala patentovat prvního průmyslového robota, který dovedl přenášet objekty z jednoho místa na druhé. Tento patent byl od roku 1961 využívaný v praxi. Až na některé japonské firmy, které se zabývaly robotikou a neuznávaly americké patentové právo, neměla firma Unimation až do konce 70. let konkurenci. V dnešní době je Japonsko ve výzkumu průmyslové robotiky na prvním místě (Tocháček, D., Lapeš, J., 2012). Dělení robotů D. Tocháček a J. Lapeš (2012) uvádí rozdělení robotů: 1. Podle generace o roboty 1. generace pracují na základě pevného programu. 21

22 o roboty 2. generace vybavené senzory a čidly, díky nimž reagují na okolní podmínky. 2. Podle jejich schopností přemisťovat se o stacionární nemohou se pohybovat z místa na místo (například průmyslové manipulátory). o mobilní mohou se přemisťovat (například vesmírné sondy a vozítka na Marsu). 3. Dále také podle o pohybových možností. o autonomie. o účelu (boj, výroba, tiskárny a plotry, přeprava, průzkum). o způsobu programování, atd. Systém a logické obvody Zařízení využívající číslicovou techniku má do jisté míry částečně nahradit lidskou činnost. Člověk zpravidla jedná, až po uvážení situace, kdy se rozhodne pomocí určitých pravidel, která jsou předem daná. Dodržuje následující postup: zjištění informací, následné rozhodování a na závěr jedná. Tuto situaci lze výrazy z číslicové techniky popsat následovně: člověk pomocí smyslů přijme logické proměnné, probíhá rozhodování a následuje logická operace. Podobná činnost se očekává od digitálních přístrojů, ale ty umí pracovat pouze se dvěma základními stavy na rozdíl od člověka. Této činnosti se říká dvojstavová logika. Tyto dva stavy se označují symboly 0 a 1. Označujeme je jako logické, nebo boolovské hodnoty, případně signály. Stav 0 je označení pro nepřítomnost signálu (kontakt nevede), stav 1 pak značí přítomnost signálu kdy je kontakt provedený a vede signál. Realizace kontaktu může být libovolným fyzikálním způsobem např. magneticky, elektronicky, nebo mechanicky (Malina, V., 2006; Tocháček, D., Lapeš, J., 2012). Podle Z. Diviše J. Zdrálka a Z. Chmelíkové (1999, s. 5) se často v literatuře používá i značení L, H, (z angličtiny low, high ), vyjadřující nižší a vyšší úroveň signální veličiny, která zobrazuje logické hodnoty. 22

23 I v běžném životě nastávají chvíle, které vyžadují rozhodnutí mezi dvěma stavy ANO NE. V případě, že nastane složitá situace je zapotřebí si složitý případ rozložit na řadu jednoduchých rozhodování (Malina, 2006). Vlastnosti logického systému vycházejí ze vstupních veličin X0, X1, které mění svou hodnotu v čase. Okolí systému (např. teplota, síla, rychlost atd.) zapříčiňuje změny těchto veličin. Součástí systému jsou i výstupní veličiny Y0, Y1. Jejich hodnota je závislá na hodnotách vstupních veličin. Vztahy mezi vstupními a výstupními veličinami (viz Obrázek 3) jsou dány vnitřními veličinami systému Z0, Z1, označované jako stavové (Diviš, Z., Zdrálek, J., Chmelíková, Z., 1999). Obr. 3: Definice proměnných logického systému Typy logických obvodů podle D. Tocháčka a J. Lapeše (2012) lze rozdělit na kombinační logické obvody (výstup závisí pouze na vstupních proměnných obvod bez paměti) a sekvenční logické obvody (výstup je závislý na vstupních proměnných a jejich časovém sledu obvod s pamětí). 2.2 Dostupné robotické stavebnice pro výuku Pro výběr vhodného robotického systému budeme porovnávat několik nejdostupnějších programovatelných stavebnic dostupných v České republice. Konkrétně se budeme zabývat těmito robotickými stavebnicemi: Lego Mindstorms NXT vyráběné dánskou firmou Lego, ROBO TX od německé firmy Fishertechnik, RoboKit vytvořený jihokorejskou firmou RoboRobo a dvěma zástupcům České republiky Merkur a H&S elektronic systems. 1. Lego Mindstorms Robotické stavebnice Lego Mindstorms jsou k dispozici v několika verzích. První verze (RCX 1.0) byla uvedena na trh již v roce Ovšem aktuálně nejnovější sadou 23

24 je k dostání Lego Mindstorms EV3 (viz Obrázek 4), která se začátkem roku 2013 dostala na pulty obchodních řetězců jako nový nástupce verze NXT 2.0. Právě touto nejnovější verzí stavebnice Lego Mindstorms se budeme zabývat v následujícím srovnávání. Obr. 4: Stavebnice Lego Mindstorms EV3 ( Výhody Programovatelnost: Kromě dodávané softwarové aplikace NXT-G a běžných programovacích jazyků C++, nebo Java, ke kterým potřebujete počítač, lze stavebnici jednoduše naprogramovat pomocí ovládacího panelu s displejem na řídící kostce. Software: Programovací prostředí EV3 Mindstorms Software je dodávané na cd, které je součástí stavebnice. Možnost stažení zdarma na webu výrobce. Rozšiřitelnost: Jednotlivé moduly lze zvlášť dokoupit. Manuál (CZ): Je k dispozici v češtině na stránkách výrobce. Kompatibilnost: Stavebnice Mindstorms lze kombinovat s ostatními stavebnicemi Lego Technic. Nevýhody Konstruování: Při sestavování robota se spojují jednotlivé moduly dvěma způsoby. První variantou je pevné spojení pomocí kostek, které do sebe zapadají. Pokud potřebujeme vytvořit u spojených dílů pohyblivý kloub, využijeme plastové kolíky. Materiál: Veškeré moduly a součástky jsou vyrobené převážně z plastu. Cena: Začátkem roku 2014 byla stavebnice k dostání na českém trhu za cenu v rozmezí 8.000,- Kč až ,- Kč. 24

25 Věk: Výrobce uvádí doporučený věk pro práci se stavebnicí od 10 let. ( ROBO TX Stavebnice ROBO TX je nekompatibilní obdobu robotické stavebnice Lego Mindstorms. Je k dostání ve více variantách přizpůsobených dle konkrétní využitelnosti. K porovnání s ostatními robotickými stavebnicemi využijeme sadu - ROBO TX Traning Lab (viz Obrázek 5). Obr. 5: Stavebnice ROBO TX Training Lab ( Výhody Kompatibilnost: Veškeré řady stavebnic Fischertechnik jsou vzájemně kompatibilní. Věk: Výrobce uvádí doporučený věk pro práci se stavebnicí od 8 let. Nevýhody Materiál: Veškeré moduly a součástky jsou vyrobené převážně z plastu. Rozšiřitelnost: Jednotlivé moduly nelze zvlášť dokoupit. Pro rozšíření o potřebné díly je nutné zakoupení kompletní stavebnice. Cena: Kompletní balení včetně Accu Setu je k dispozici za cenu od ,-Kč do ,-Kč. Software: Není dostupný zdarma ke stažení. Je dodáván na cd jako součást stavebnice. Napájení: NiMH akumulátor není součástí balení. Stavebnici není možné napájet pomocí AA baterií. Manuál (CZ): Se stavebnicí je dodávána pouze anglická verze. Českou verzi lze dokoupit. 25

26 Nezařazeno Konstruování: Hodnocení způsobu konstruování této stavebnice, kvůli chybějícím osobním zkušenostem autora tohoto srovnávání, není do hodnocení zařazené ( Robo Kit Firma RoboRobo nabízí stavebnice RoboKit v pěti verzích, které se vzájemně liší množstvím komponentů dodávaných v balení. Porovnávat s ostatními stavebnicemi budeme verzi RoboKit 3 (viz Obrázek 6), neboť její obsah balení splňuje optimálně naše požadavky pro výuku. Obr. 6: Stavebnice RoboKit 3 ( Výhody Cena: Stavebnici lze pořídit za cenu 5.000,-Kč. Materiál: Převážně pájené plošné desky a elektroinstalační materiál. Konstruování: S využitím šroubků a matic. Desky je možné spojit vzdáleně od sebe pomocí sloupků se závity. Software: Je k dispozici ke stažení na Manuál (CZ): Nalezneme například na v dokumentaci ke stavebnici. Je kompletně v češtině. Nevýhody Rozšiřitelnost: Díly stavebnice nelze jednotlivě dokoupit. Rozšíření o nové moduly je možné pouze zakoupením různých sad RoboKit Upgrade. Motory: Motory stavebnice jsou hlučné. Výdrž: Stavebnice disponuje krátkou výdrží baterií. 26

27 Odolnost: Lámání nevhodně umístěných USB klíčů ( Merkur Počátky výroby stavebnic Merkur sahají až do roku V dnešní době existují již celé řady sad těchto kovových stavebnic, které jsou rozčleněny do několika kategorií. Při hledání ideální robotické stavebnice sloužící pro výuku, však nastává problém. Robotické stavebnice jsou zaměřeny na jednu konkrétní činnost (jízda po čáře, jízda v sumo ringu aj.). Výrobce uvádí možnost dokoupení komponentů, ale k jejich umístění na tyto roboty již není dostatečné místo. Pro porovnání jsme využili stavebnici Merkur Kolový podvozek 02 (viz Obrázek 7) spadající do kategorie Robotiky a mechatroniky, kterou jsme doplnili o potřebné moduly. Obr. 7: Stavebnice Merkur Kolový podvozek 02 ( Výhody Materiál: Pro stavebnice Merkur jsou typické lakované profily z ocelového plechu různých tvarů a délek s otvory. Cena: Podvozek včetně řídící desky a základních modulů lze pořídit za cenu 4.800,-Kč. Procesorová deska: Může být osazena mikrokontrolérem ATMEL, nebo PICAXE. Nevýhody Počet vstupů: Oproti konkurenčním stavebnicím RoboKit a H&S electronic systems má řídící deska pouze 6 vstupů. Manuál (CZ): Je k dispozici v češtině, ale v návodu je popsaná pouze konstrukce jednotlivých dílů. Veškeré informace a postupy k řízení procesorové desky a 27

28 ostatních modulů v balení této stavebnice chybí ( H&S elektronic systems Tento otevřený robotický systém je prodáván nejen pro výuku, ale může sloužit také pro výrobu prototypů skutečných robotických automatizačních systémů. To je umožněno tím, že jednotlivé části obsahují standardní obvody využívané v mikroprocesorové a automatizační technice. Procesorové desky jsou dvojího druhu. Základní a univerzální. Základní procesorová deska obsahuje mimo jiné také stabilizovaný zdroj, USB/COM port převodník a prostřednictvím ní lze programovat i jiné libovolné typy mikrokontrolérů PICAXE. Základní typ mikrokontroléru pro ni je PICAXE20M2. Lze ji však osadit také jinými typy mikrokontrolérů, například PICAXE8M2, PICAXE14M2, nebo také PIC12FXXX, 16F527, 16F631, 16F639, PIC16F685, 16F689, PIC16F690, PIC16F721, PIC16F785 a řada dalších. Lze ji osadit přímo. K dostání je v sadě BASIC (viz Obrázek 8), která je vytvořená a zkompletovaná s ohledem na výuku. Touto sadou se budeme zabývat v našem hodnocení. Obr. 8: Stavebnice H&S elektronic systems BASIC ( Výhody Materiál: Základní částí této stavebnice je duralová deska podvozku, na kterou se upevňují plošné desky pomocí ocelového spojovacího materiálu. Cena: Kompletní robotickou stavebnici Basic lze zakoupit na stránkách výrobce za cenu 4.250,-Kč. Cena nezhotovené stavebnice je 3.349,-Kč. Při objednávce nad 10ks je cena jedné stavebnice zlevněna o 400,-Kč. Software: Je k dispozici zdarma ke stažení na stránkách výrobce PICAXE. Věk: Výrobce uvádí doporučený věk pro práci se stavebnicí od 8 let. 28

29 Rozšiřitelnost: Veškeré moduly stavebnice lze zvlášť dokoupit. Lze také pouze zakoupit jednotlivou součást modulu v obchodě a desku stavebnice si sám opravit. Konstruování: Jednotlivé moduly se upevňují pomocí šroubků, matic, železných kvádru s vnitřními závity a sloupků s vnějším závitem. Při zakoupení neosazených desek si jednotlivé součástky může uživatel osadit a napájet sám. Manuál (CZ): Je velmi přehledný a názorný. Dostupný je na stránkách výrobce kompletně v češtině. Procesorová deska: Možnost výměny procesoru za jiný, který bude podporovat programovací jazyk Assembler. Nevýhody Osobní zkušenosti autora hodnocení této stavebnice zatím neprokázaly její slabé stránky ( Zhodnocení Výběr robotické stavebnice pro výuku technických předmětů na základních školách musí být především účelný. Základní podmínkou je podpora ideálního způsobu konstruování pro rozvíjení jemné motoriky žáků. Spojování dílů pomocí nacvaknutí plastových kostek není pro nabytí dovednosti jemné motoriky dostatečné, a proto budeme raději volit variantu ocelového spojovacího materiálu, jakým jsou šroubky, matice a sloupky se závity. Dalším faktorem je životnost a odolnost použitého materiálu na výrobu stavebnice. V tomhle ohledu upřednostníme kovové díly před plastovými. Ve výuce technických předmětů může docházet k opotřebení, nebo k úplnému zničení pomůcek nevyjímaje robotických stavebnic. Pro kvalitní výuku je proto nezbytné mít veškeré díly stavebnice k dispozici a plně funkční. Jelikož je nereálné, aby škola zakupovala celé stavebnice a nahrazovala jimi pravidelně stavebnice nekompletní, zaměříme se při jejich výběru na ty, jejichž firmy nabízejí dokoupení jednotlivých dílů stavebnic zvlášť. Výhodou je i možnost kombinace s jinými stavebnicemi vyráběnými stejnou firmou, ale i se stavebnicemi konkurence. V neposlední řadě je mnohdy rozhodujícím faktorem mnoha škol cena stavebnice. Podmínkou účelné výuky je splnění požadavku počtu jedné stavebnice na jednoho žáka. 29

30 Vycházíme-li z předpokladu, že škola dodržuje maximální kapacitu dětí ve třídách 3 a na hodiny technické výchovy a druhého předmětu stanoveného školou se třída půlí, budeme pro výuku potřebovat 15 stavebnic pro žáky a minimálně 1 stavebnici pro vyučujícího. Při uvedeném počtu stavebnic je jejich nízká cena pro školu důležitým faktorem. S cenou úzce souvisí i případný software a manuál, který lze k některým stavebnicím dokoupit pouze za příplatek. Kromě ceny softwaru je podstatný i jeho programovací jazyk a prostředí. Na základní škole je programování v jazyce basic 4 příliš složité. Je třeba využívat grafické programovací prostředí řešené například formou napojování jednotlivých oken s příkazy. Pro výuku je takovéto prostředí jednodušší a pro žáky záživnější. Někteří výrobci stavebnic nabízí v rámci jejich projektů školení a nejrůznější soutěže. Po shrnutí vlastností stavebnic a našich požadavků jsme dospěli k vyhodnocení, že nejvhodnější robotickou stavebnicí sloužící k výuce technických předmětů na základních školách je H&S electronic systems. 2.3 Popis hardwaru vybrané robotické stavebnice H&S robotický systém byl navržen jako učební pomůcka pro volnočasové aktivity žáků základních, středních a vysokých škol. Lze je využívat také v oblasti tvorby elektronických systémů v průmyslu. Při práci s těmito systémy je možnost využití jejich propojitelnosti s jinými polytechnickými stavebnicemi, kterou je například stavebnice Merkur, u které se ovšem využívají otvory o rozdílném průměru ( Deska procesoru PICAXE 20M2 (viz Obrázek 9) má osm vstupů označených IN0 až IN7, osm výstupů označených OUT0 až OUT7 a obsahuje stabilizátor napětí 5V/2A. Lze ji napájet pomocí napájecího konektoru z externího zdroje stejnosměrným napětím 5 až 12 V DC, nebo bateriovým zdrojem s vypínačem 5. Je osazena kompaktním a 3 Maximální kapacita dětí ve třídách na základních školách je 30 žáků. Bez udělené výjimky nelze tuto kapacitu překročit ( 4 Programovací jazyk basic funguje na základě tvorby příkazů formou jednotlivých kódů a klíčových slov, která vychází ze slov běžné angličtiny. 5 Bateriovým zdrojem s vypínačem je tomto případě označován držák baterií pro 4 články AA 1.5V 30

31 výkonným mikrokontrolérem, který podporuje až 18 vstupů/výstupů. Pomocí desky procesoru a kabelu USB 2.0 A-B připojujeme systém k počítači ( Obr. 9: Deska DIP20 se stabilizátorem napětí 5V Desky 8 LED a 4 LED (viz Obrázek 10) jsou osazeny podle příslušného množství nízko příkonových LED červené barvy. Provádí se v zapojení LED dvěma způsoby a to se společnou anodou, nebo katodou. Obr. 10: Deska 8 LED a deska 4 LED Deska tlačítek (viz Obrázek 11) obsahuje čtyři tlačítka a jumpery 6, pomocí kterých lze desku nakonfigurovat pro výstup v H, nebo pro výstup v L. Obr. 11: Deska čtyř tlačítek Deska dvojitého bipolárního spínače do 1A (viz Obrázek 12). Slouží k připojení motorů, nebo jiných zařízení, které vyžadují pro svoji činnost vyšší proud, než jaký 6 Při osazování jumperů (často označovaných jako propojky) je nezbytná správnost osazení. Při nesprávném osazení může dojít ke zkratu napájecího napětí. Proto případnou změnu osazení propojek bude žákům vždy kontrolovat vyučující. 31

32 dokáže, poskytnou procesor. Pokud je na vstupu desky spínače přivedena úroveň H, rozjede se připojený motor. V případě že je na vstupu úroveň L, motor bude stát. Pro změnu směru otáčení motoru je nutné prohození konektoru daného motoru na desce spínačů ( Obr. 12: Deska dvojitého bipolárního spínače do 1A Deska H-bridge do 2A (viz Obrázek 13). Slouží pro připojení dvou motorů. Výhodou této desky oproti desce spínače do 1A je, že zvládá změny směru otáčení motoru bez fyzického přepojení konektoru. Obr. 13: Deska H-bridge do 2A Reflexní čidlo s krátkým dosahem (viz Obrázek 14) osazené modulem CNY70. Díky jeho citlivosti na černou a bílou barvu slouží především k programům jízdy robota po vymezené černé čáře. Jeho umístění na spodní části podvozku je pro nejpřesnější citlivost ideální do 4mm od země. Obr. 14: Reflexní čidlo s kratším dosahem Reflexní čidlo s dlouhým dosahem (viz Obrázek 15) je osazené Fototranzistorem 5mm a IR LED. Díky délce jeho dosahu je nejčastěji využívané v programech detekování překážky a jejímu vyhnutí se. 32

33 Obr. 15: Reflexní čidlo s delším dosahem Základem podvozku je černá montážní kruhová deska z duralového plechu (viz Obrázek 16) s vyvrtanými otvory o průměru 1mm. Díky jejímu tvaru se lépe pohybuje v prostoru a nedochází k zaseknutí o hranu. Na přední spodní části desky je přimontované kolečko s ostruhou sloužící jako podpěra podvozku. V zadní části jsou umístěny dva motory s převodovkou a duralovými koly s gumou. Mezi předním kolečkem s ostruhou a zadními motory je pomocí šroubů připevněn držák baterií 7 s vypínačem a konektorem pro připojení k desce procesoru. Je konstruován k uchycení ke spodní, nebo vrchní části podvozku a pro připojení čtyř tužkových baterii ( Obr. 16: Montážní deska, držák baterii, dva motory s koly a kolečko s ostruhou Jednotlivé elektronické komponenty umisťujeme na desku podvozku pomocí montáží sady. Ta se skládá ze šroubků různých velikostí, matiček, a dalších spojovacích prvků s vnějším, nebo vnitřním závitem. K propojení jednotlivých elektronických prvků robotického systému využíváme vodivé kabely různých barev např. k napájení je vyhrazený modro-červený kabel. Pro vizuální i funkční dokonalost nenecháváme jednotlivé kabely volné, ale pomocí plastových upínacích pásků je stáhneme k sobě, nebo k desce podvozku. V případě častého přepojování desek nebudeme stahovat vodiče k sobě páskou, ale povedeme je pod jednotlivými deskami. 7 Držák baterií je možné přimontovat na spodní i vrchní část podvozku. 33

34 2.4 Popis vývojového prostředí pro programování Pro programování na H&S robotického systému využíváme program PICAXE programming editor dostupný zdarma ke stažení na adrese Tohle vývojové prostředí je dobře přehledné a jeho jednotlivé funkce a nastavení jsou pro žáky základních škol lehce naučitelná. Po jeho úspěšném stažení z internetu jej nainstalujeme do počítače, ale program ještě nespouštíme. Před samotným spuštěním a prací s programem je nutné spárovat robota 8 s počítačem. V první řadě odpojíme desku procesoru od počítače a vypneme její napájení. Poté ji bez napájení připojíme pomocí USB kabelu k počítači a počkáme, až proběhne aktivace a zobrazí se nám informace, že je propojení připraveno k použití. Při každém propojení s novým počítačem je nutné zkontrolovat číslo COM portu (viz Obrázek 17), který je realizován modulem, a na různých počítačích může být pod jiným číslem. Pro informace o COM portu 9 si spustíme správce zařízení. V našem případě se jedná o USB Seriál Port (COM 3). Obr. 17: Nastavení portu COM ve správci zařízení Číslo portu se dá pevně nastavit na libovolný COM, nám nabízených z COM Port Settings 10 (viz Obrázek 18). 8 Ke spárování robota s počítačem se využívá deska procesoru a USB kabel 9 Do Správce zařízení se dostaneme cestou: start > nastavení > ovládací panely > systém > hardware > správce zařízení > porty 10 Do Port Settings se dostaneme pomocí kliknutí pravým tlačítkem myši na USB seriál Port a vybráním: Vlastnosti > Port Settings > Advanced > COM Port Number 34

35 Obr. 18: Nastavení čísla portu v nabídce COM Port Settings Následně spustíme PICAXE Programming editor. Po spuštění nám automaticky vyskočí úvodní okno Options pro nastavení Serial Port (viz Obrázek 19) a Picaxe modes (viz Obrázek 20). V nastavení Seriál Port vybereme příslušný COM pro USB Seriál Port a volbu potvrdíme, stisknutím tlačítka Apply. Obr. 19: Nastavení Seriál Port v okně Options V nabídce PICAXE modes, zvolíme typ procesoru 11, se kterým budeme pracovat (v našem případě PICAXE-20M2). Nyní robota, který je propojený kabelem k počítači, můžeme zapnout pomocí vypínače na držáku baterii a kliknout na Check Firmware Version. Obr. 20: Nastavení Picaxe modes v okně Options 11 Typ procesoru je v našem případě napsaný na jeho horní straně 35

36 Pokud jsme dodrželi veškerý postup nastavení programu a máme robotický systém správně připojený pod napětím, vyskočí nám okno s upozorněním správného propojení (viz Obrázek 21). Potvrdíme stisknutím OK a můžeme se pustit do programování. Obr. 21: Okno s upozorněním správného propojení Návod k úspěšnému spárování robotického systému s počítačem si povinně všichni žáci zapíší do sešitu. Našim dalším úkolem bude přejít do Flowchart programovacího prostředí. Toho dosáhneme kliknutím na ikonu Flowchart a následně volbu potvrdíme stisknutím tlačítka OK v nově zobrazeném okně (viz Obrázek 22). Obr. 22: Spuštění Flowchart programovacího prostředí Po dokončení tohoto kroku se nám zobrazí pracovní prostředí programu (viz Obrázek 23). Každý program je třeba začínat příkazem start, který se nám, po přejití do flowchart prostředí, automaticky zobrazí v levé horní části. Obr. 23: Pracovní prostředí programu 36

37 Při tvorbě programu využíváme panel nástrojů a příkazů. Jednotlivé příkazy (viz Obrázek 24 v zeleném ohraničení) napojujeme vzájemně na sebe, případně propojujeme funkcí draw lines (viz Obrázek 24 v červeném ohraničení) a popisujeme jejich činnosti či označení pomocí ikony label (viz Obrázek 24 v modrém ohraničení). Obr. 24: Panel nástrojů a příkazů Během programování v PICAXE programming editoru je možné, pro ověření správného postupu vytváření programu, využít simulaci 12. Ikona simulace se nachází na Standardní liště (viz Obrázek 25 v zeleném ohraničení). Obr. 25: Standardní lišta Po stisknutí ikony simulace se nám zobrazí okno (viz Obrázek 26). Na jeho levé straně máme 8 polí pro simulování vstupů 13 (v červeném rámečku), a v pravé straně 8 polí pro simulaci výstupů 14 (v zeleném rámečku). Obr. 26: Simulační okno 12 Úkolem simulačního programu je zjistit, jak se bude systém chovat pro zadaná vstupní data. 13 Na vstupních polích simulujeme zařízení, která jsou připojená na vstup procesorové desky (např. tlačítka) 14 Na výstupních polích simulujeme zařízení, která jsou připojená na výstup procesorové desky (např. LED diody nebo motory) 37

38 Po dokončení tvorby v PICAXE programming editoru, musíme program nahrát do paměti robota. Na Standardní liště zvolíme volbu Program (viz Obrázek 25 v červeném ohraničení). Ihned po stisknutí nám vyskočí okno downloading program, které nám ukazuje průběh nahrávání dat vytvořeného programu do paměti procesoru (viz Obrázek 27). Obr. 27: Nahrávání programu do paměti procesoru V našem případě budeme do robota nahrávat prázdný program (viz Obrázek 23), tudíž robot nebude po nahrání programu provádět žádnou činnost. Tvorbě programu se budeme věnovat v následujících hodinách. Po úspěšném dokončení nahrávání programu se zobrazí informativní okno, které nám hlásí, že program byl úspěšně nahraný (viz Obrázek 28) Obr. 28: Program byl úspěšně nahraný do paměti procesoru Na případ, kdy se nahrávání programu do robota nezdaří, nás upozorní nově zobrazené okno Error! (viz Obrázek 29). Závad, které zapříčinily neúspěšné přetažení programu, může být více. V první řadě zkontrolujeme, zda máme v robotickém systému baterie 15. Dalším krokem je ověření správného nastavení COM portu a připojení USB kabelu jak k počítači 16, tak i k desce procesoru. V posledním případě je třeba vypnout napájení desky procesoru a odpojit programovací USB kabel. Znovu připojíme USB kabel, zapneme napájení desky procesoru a opakujeme nahrávání dat do paměti procesoru. 15 I když baterie v robotovi jsou, můžou být vybité nebo nesprávně vložené. 16 Ve třídách, kde jsou vždy dva počítače umístěny vleže na sobě, je nutné si ověřit, zda USB kabel připojujeme do požadovaného počítače. Může dojít k prohození počítačů a tím k neúspěšnému nahrávání programů do robota u obou spolužáků. 38

39 Obr. 29: Hlášení chyby při nahrávání programu do paměti procesoru Aktuální téma nesmí být ve výuce pojaté pouze prezentační formou. Pokud je učebna náležitě vybavena, využijeme data projektor a k zlepšení efektivity si žáci jednotlivé kroky k úspěšnému spárování robota a nastavení programu budou zkoušet na svém počítači. Je nezbytné přizpůsobit tempo výkladu a žáky kontrolovat, zda veškeré kroky zvládají a chápou. V opačném případě se vrátíme v prezentaci o potřebné kroky zpět. 39

40 3. VYUŽITÍ H&S ROBOTICKÉHO SYSTÉMU VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ NA I. STUPNI ZŠ Úvodní část Systém je určený pro žáky od třetí do deváté třídy základní školy. Je vyžadováno, aby každé dítě při konstruování, nebo programování pracovalo na svém robotickém systému 17 a počítači. Začátkem každé vyučovací hodiny proběhne případná kontrola domácích úkolů a jejich opravování. Před zahájením nové látky je důležité dětem vysvětlit, k čemu nám nové poznatky budou vhodné a kde je můžeme využít. Je vhodné děti motivovat formou zajímavého vyprávění, nebo poutavým videem na dané téma. Během vysvětlování nové látky, nebo při samostatné práci dbá vyučující na kázeň žáků a je vyžadován naprostý klid. Závěrem hodiny může vyučující zadat samostatnou domácí práci, kterou si všechny děti povinně zapíší do svých sešitů. Žákům je doporučeno nosit do vyučovacích hodin vlastní flash paměť, kterou využijí k zálohování nedokončených programů. Při odcházení z místnosti si každý žák uklidí nepořádek na svém stole a vypne počítač. Než se pustíme do konstruování a programování je potřeba děti seznámit se základními pojmy a činností systému. Vůbec první zajímavostí je vznik slova robot. Kdo tento pojem vymyslel? Jak roboty využíváme v běžném životě? Máte někde doma nějakého robota? A co vlastně ten robot je? Robot je mechanický systém, který je řízený počítačem a je schopný samostatného řešení situací a rozhodování. I pomocí těchto otázek a odpovědí rozvineme diskuzi a zjistíme, co si děti pod tímto pojmem představují a jak široce jim je téma blízké. Dále je zapotřebí vysvětlit rozdíl mezi hardwarem a softwarem a jaká je jejich vzájemná spolupráce. Software je programové vybavení počítače a hardwarem označujeme jeho veškeré fyzicky existující technické vybavení. Pro žáky prvního stupně lze použít zjednodušenou definici: hardware je všechno v počítači, na co si můžeme sáhnout a software je vše, co v počítači osahat nelze. Jako motivační doplněk lze pustit s využitím datového projektoru krátké videa. 17 Práce na jednom zařízení ve dvojicích není, po stránce individuální tvořivosti efektivní. 40

41 3.1 Propojení desky procesoru s držákem baterií a desky 4LED/8LED Před samotným propojováním jednotlivých dílů stavebnice je nezbytné všechny žáky důkladně upozornit, aby na desku procesoru nepřipojovali napájení, dokud správnost jejich zapojení nezkontroluje vyučující. Na procesorové desce se nachází 8 vstupů a 8 výstupů, které jsou realizované piny. Jednotlivé desky stavebnice připojujeme na vstupy, nebo výstupy desky procesoru pomocí propojovacích kabelů. Každou desku propojíme napájecími kabely 18 k napájecímu napětí +5V a GND na desce procesoru. Prvním úkolem žáků bude propojit desku procesoru s deskou 4LED (s využitím OUT 0,1,2,3) a po zkontrolování správného zapojení i držákem baterií. Pro ověření správnosti zapojení nahrajeme do každého robota následující program (viz Obrázek 30). Obr. 30: Program blikání 4LED, perioda 2sec Při správném zapojení budou všechny led diody na desce 4LED svítit po dobu jedné sekundy a následně budou jednu sekundu zhasnuté. Program se bude opakovat. Začátkem druhého úkolu nahrajeme žákům do procesoru program (viz Obrázek 31). Obr. 31: Program blikání 4LED, perioda 4sec 18 Napájecí kabely připojujeme z desky procesoru na každou desku stavebnice vždy po jednom páru. 41

42 Jejich úkolem bude propojit výstupy desky procesoru se vstupy na desce 4LED podle následujícího zadání (viz Tabulka 1), které si přepíší do svých sešitů. Deska 4LED Deska procesoru (OUT) Tab. 1: Zadané propojení vstupů 4LED s výstupy desky procesoru Správnost zapojení vstupů s výstupy si žáci ověří spuštěním programu. Rozsvítí se LED1 a LED4 po dobu 1 sekundy a zhasnou. Rozsvítí se LED2 a LED3 po dobu 1 sekundy a zhasnou. Rozsvítí se LED1 a LED2 po dobu 1 sekundy a zhasnou. Rozsvítí se LED3 a LED4 po dobu 1 sekundy a zhasnou. Následně se celý program opakuje. Ke splnění třetího úkolu si žáci odpojí všechny propojovací vodiče z desky 4LED a všech 8 výstupů desky procesoru propojí s deskou 8LED dle zadání (viz Tabulka 2), které si přepíší do svých sešitů. Deska 8LED Deska procesoru (OUT) Tab. 2: Zadané propojení vstupů 8LED s výstupy desky procesoru (1) Po dokončení propojení vstupů s výstupy dle zadání, přehrajeme všem žákům původní program nahraný v procesoru jejich robota následujícím programem (viz Obrázek 32): Obr. 32: Program blikání 8LED, perioda 4sec 42

43 V případě, že propojovací kabely jsou zapojeny správně, bude na desce 8LED viditelné následující blikání: LED1,2,3,4 se rozsvítí po dobu jedné sekundy a zhasnou. Jednu sekundu nebude svítit žádná LED. LED5,6,7,8 se rozsvítí po dobu jedné sekundy a zhasnou. Jednu sekundu nebude svítit žádná LED. Program se bude opakovat. Ve čtvrtém úkolu se pustíme do zapojení vstupů desky 8LED s výstupy desky procesoru, které nejsou seřazeny popořadě, ale je jim dané pořadí v následujícím zadání (viz Tabulka 3). Zadání si všichni žáci přepíší do sešitu a při zapojování budou začínat LED1 a končit LED8. Deska 8LED Deska procesoru (OUT) Tab. 3: Zadané propojení vstupů 8LED s výstupy desky procesoru (2) Každý žák si vytvořené propojení alespoň dvakrát pečlivě zkontroluje. Pro ověření správného zapojení a kontroly nahrajeme žákům do desky procesoru program (viz Obrázek 33). Činnost programu je následující: LED1,8 svítí po dobu 0,5 sekundy -> LED2,7 svítí po dobu 0,5 sekundy -> LED3,6 svítí po dobu 0,5 sekundy -> LED 4,5 svítí po dobu 0,5 sekundy -> LED3,6 svítí po dobu 0,5 sekundy -> LED2,7 svítí po dobu 0,5 sekundy. Program se bude opakovat. Obr. 33: Program blikání 8LED, perioda 3sec 43

44 Závěrem této lekce zkontrolujeme všechny sešity, zda jsou v nich přepsané tabulky daných zapojení. Náhodně vyvoláváme žáky, aby nám pro zopakování látky popsali postup při propojování desky procesoru s deskami LED. 3.2 Montáž jednotlivých prvků stavebnice na podvozek robota Cílem tohoto tématu je osvojení konstrukční zručnosti u dětí a získání dovedností pro práci s návodem, případně podle daného vzoru. Při práci využijeme následující nářadí: křížový šroubovák 19, tenké kleště a pinzetu. Tyto 3 pomůcky bude mít k dispozici každý žák. Veškeré ostatní spojovací materiály jsou součástí H&S stavebnice. Pracovní plocha je uklizená, čistá a dobře osvětlená. Žáky poučíme o bezpečné práci a zdůrazníme jim, aby svému vyučujícímu hlásili veškeré případné úrazy. Prvním úkolem bude sestavení podvozku robota (viz Obrázek 34). Začneme namontováním černých gumových koleček na motory za pomocí závrtného šroubu. Obr. 34: Podvozek s držákem baterií Při utahování šroubu je důležité, aby kolečko nebylo vychýlené do strany, což by způsobovalo nerovnou jízdu. Zkompletované motory přiděláme na spodní část podvozku (viz Obrázek 35) pomocí železných destiček, šroubků a matek a pevně utáhneme. Dva páry kabelů protáhneme přes výřez v podvozku na jeho horní část. V dalším kroku přimontujeme kolečko s ostruhou a vytvarujeme jeho držák tak, aby byl podvozek v rovině. Nyní přiděláme držák baterií na horní část podvozku. Šrouby držící batery pack neutahujeme matičkami, ale středně dlouhými želenými sloupky s vnitřním závitem. Ujistíme se, že držák baterií je vypnutý. Bílý a červený drát zatím necháme volně viset. 19 Ideální velikost křížového břitu #1. 44

45 Obr. 35: Podvozek - spodní pohled Po zhotovení první části podvozku začneme přidělávat na horní část podvozku jednotlivé desky. Desku procesoru položíme na přichystané čtyři sloupky u držáku baterií. Její spodní část přimontujeme dvěma šroubky a vrchní část dvěma dlouhými železnými sloupky s vnějším závitem, na které následně upevníme desku čtyř tlačítek 20 (viz Obrázek 36). Následně připojíme desku 4LED a desku dvojitého bipolárního spínače do 1A. Desky upevníme úhlopříčně dvěma krátkými sloupky tak, aby jejich piny pro připojení k desce procesoru byly směrem do středu podvozku. Obr. 36: Podvozek - boční pohled Desku H-bridge do 2A přimontujeme k desce podvozku čtyřmi krátkými sloupky tak, aby piny pro připojení k motorům byly směrem k výřezu v podvozku (viz Obrázek 37). Desku 8LED spojíme třemi šrouby k desce procesoru. Na přední a zadní horní část podvozku upevníme železné kvádry s díry s vnitřním závitem, sloužící k přišroubování desek s reflexními čidly dlouhého dosahu. 20 Spodní část desky tlačítek se nesmí dotýkat chladiče desky procesoru. V opačném případě si podpěrné sloupky prodloužíme přiděláním matek. 45

46 Obr. 37: Podvozek - horní pohled Reflexní čidla s krátkým dosahem přiděláme na spodní část podvozku pomocí dlouhých sloupků s vnějším závitem (viz Obrázek 38). Je důležité, aby moduly CNY70 byly ve stejné rovině. Vzdálenost mezi oběma moduly přizpůsobujeme dle potřeby konkrétních programů. Jelikož jeho ideální funkčnost je při vzdálenosti do 4mm od země, můžeme držící sloupky prodloužit přiděláním jedné až dvou matiček. Obr. 38: Podvozek - připojení čidel na přední část Jakmile mají žáci zkompletovaný robotický systém, nechají si správnost osazení a dotažení jednotlivých spojů zkontrolovat vyučujícím a případné nedostatky si opraví. V další části si propojí všechny desky pomocí napájecích kabelů k desce procesoru. Napájecí kabely se snažíme vést pod jednotlivými deskami 21. Cestu vedení napájecích kabelů volíme ideálně tak, aby byla využita celá délka kabelu. Ostatní kabely připojujeme stejným způsobem do desky procesoru podle zadání v programových úlohách. 21 K protahování napájecích kabelů pod jednotlivými deskami je vhodné využít pinzetu. 46

47 4. VYUŽITÍ H&S ROBOTICKÉHO SYSTÉMU VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ NA II. STUPNI ZŠ Algoritmus Wróblewski (2004) uvádí ve své knize definici algoritmu jako souhrn postupů charakteristických pro informatické funkce. Slovo algoritmus se často spojuje se jménem Euklidus ( př. n. l.), jenž je tvůrce regulí, které krok za krokem vystihují postup operací. I v běžném životě se s algoritmem setkáváme a mnohdy si jej ani neuvědomujeme. Kupříkladu malé dítě dostane od rodičů za úkol ve svém pokoji uklidit si veškeré dřevěné kostky do krabice, kam patří. Příkaz zněl: Seber všechno dohromady a vrať to zpět do krabice. Tento úkol, který byl pojatý komplexně, dítě, díky svým omezeným dovednostem, nedokáže ihned splnit. Bude volit jednodušší postup, aniž by nad ním muselo dlouze přemýšlet. Přijde k první kostce, zvedne ji, přenese ji ke krabici a vloží ji dovnitř. Tuhle činnost dítě opakuje, dokud všechny kostky nejsou v krabici. Dalším příkladem využití algoritmu v běžném životě může být postup při telefonním hovoru v budce (viz Obrázek 39). Obr. 39: Algoritmus telefonního hovoru 47

48 Pochopení činnosti algoritmu je pro žáky nezbytně nutné. Vytváření algoritmů žáci uplatní při tvorbě programů, nebo při čtení jejich zadání. 4.1 Řízení indikačních LED a práce s tlačítky Každý program vždy začíná příkazem start, který se nám po spuštění flowchart okna automaticky zobrazí v jeho levé horní části 22. Další příkazy napojujeme postupně pod sebe do sloupce. V případě delšího programu nebudeme veškeré příkazy napojovat stále pod sebe, ale pro lepší přehlednost si z nich vytvoříme několik sloupců, které propojíme funkcí draw lines. Symboly Output commands (out): V této nabídce budeme využívat příkazy high a low. Jejich funkcí je nastavení jednoho výstupu procesoru do high, nebo low 23. Čísla výstupů měníme po označení konkrétního příkazu v levém dolním rohu okna programu (viz Obrázek 40). Obr. 40: Změna čísla výstupu u příkazu high Delay commands (delay): Zde budeme využívat příkaz pause, který nám v programu udává čekací dobu před vykonáním dalšího příkazu. Udává se v milisekundách. Při vložení příkazu se nám automaticky zapíše hodnota 1000ms. Pro její přepsání si označíme příkaz a v levém dolním rohu vložíme do bílého okna novou hodnotu v milisekundách (viz Obrázek 41). 22 Programovací jazyk basic nebudeme k programování ve vyučovacích hodinách využívat. 23 Procesor PICAXE20M2 má 8 výstupů značených OUT 0-7.

49 Obr. 41: Změna čekací doby u příkazu pause If commands (if): Po otevření této funkce se nám zobrazí panel příkazů. Pro nás jsou důležité první čtyři příkazy označované pin. Jejich funkce je v prvotním nastavení stejná, ale liší se umístěním připojovacích čar Y/N. Po označení myší libovolného příkazu pin se nám v levém dolním rohu programovacího okna objeví dva bílé rámečky (viz Obrázek 42). První z nich slouží k nastavení výstupu tlačítka (pin0-7). Ve druhém rámečku nastavujeme výstupní hodnotu 0 (tlačítko není stisknuté - low), nebo výstupní hodnotu 1 (tlačítko je stisknuté - high). Obr. 42: Nastavení výstupu high/low tlačítka Add label (label): Tato funkce vkládá text do programu. Využíváme ji ke krátkému a výstižnému popisu jednotlivých příkazů v programu 24. Podporuje přehlednost programu a pomáhá žákovi, při jeho zpětné kontrole správného vytvoření algoritmického postupu jednotlivých činností programu. Funkcí label budou žáci popisovat všechny příkazy ve všech následujících programech! 24 Text je nutné umístit tak, aby bylo zřejmé, ke kterému příkazu patří. 49

50 Tabulka flowchart symbolů Tato tabulka slouží k pojmenování vstupů a výstupů desky procesoru. Zjednodušeně lze říci, že do tabulky ke konkrétnímu vstupu/výstupu procesoru napíšeme konkrétní součást robotického systému, která je na daný vstup/výstup připojena. Pro otevření tabulky (viz Obrázek 43) klikneme na nabídku Flowchart -> Flowchart Symbol Table, v nabídce horního panelu programu. Obr. 43: Tabulka flowchart symbolů Tabulka nesmí obsahovat mezery, znaky s diakritikou a slova, která jsou využívaná programem basic. V našem případě jsme do tabulky zadali 8 výstupů LED1-LED8 na output 0-7 a 4 vstupy Tlacitko1-Tlacitko4 na input 0-3 (viz obrázek 43). Pro navrácení původních textů do tabulky klikneme na ikonu Reset to Defaults. Tabulku potvrdíme stisknutím tlačítka OK. Pro vytvoření následujících programů si všichni žáci nastaví do tabulky stejné popisky, jako v uvedeném případě! Na případné změny v této tabulce upozorní vyučující vždy při zadávání programu. První program, který žáci individuálně vytvoří, bude začínat rozsvícení LED1 po dobu 1 sekundy, zhasnutí LED1 po dobu 1 sekundy a program se bude opakovat. Blikání LED diody budou děti pozorovat ze vzdálenosti pěti metrů a postupným odstupováním budou zjišťovat, při jaké vzdálenosti blikání nebude viditelné 25. Pro 25 Pro realizaci pokusu není optimální uzavřená místnost. Je vhodné pokus zkoušet venku, nebo umístit desku s blikající LED za okno a pozorovat ji z okolí budovy. 50

51 zlepšení podmínek tohoto pokusu si desku 4LED připevníme na kruhovou desku podvozku pomocí vytvořeného sloupku (viz Obrázek 44). Obr. 44: Sloupek k uchycení desky 4LED Před samotným tvořením programu si každý žák propojí desku 4LED s napájením a výstupy desky procesoru. Poté se může pustit do programování v PICAXE editoru. Výsledný program nahraje do procesoru robota. Vyučující má za úkol zkontrolovat správné blikání LED1 a vytvořený program (viz obrázek 45), včetně pojmenování jednotlivých kroků funkcí label a vyplněné flowchart tabulky. Obr. 45: Program blikání LED1 K vytvoření druhého programu si děti zapojí desku 8LED a desku 4 tlačítek s napájením a vstupy k desce procesoru dle vyplněné tabulky flowchart. Zadání úkolu: Po stisknutí tlačítka 1 se postupně rozsvítí LED1 - LED8 s čekací dobou 0,5 sekundy mezi každou LED. Všech 8 LED bude svítit. Součástí hotového programu budou u všech příkazů popisy činností funkcí label (viz Obrázek 46). 51

52 Obr. 46: Program postupného rozsvícení LED1-8 Začátkem třetího programu se dětí zeptáme, zda znají nezničitelné, inteligentní a mluvící auto KITT ze seriálu Knight Rider. Tento vůz byl na přídi vybaven podélným červeným světlem, které imitovalo pohyb světelného bodu zleva doprava. Krátkou diskuzí na dané téma motivujeme děti k vytvoření programu Knight Rider (viz Obrázek 47). Zadání: Na zmáčknutí tlačítka 1 jednotlivě za sebou bliknou LED1-8 a ihned poté LED8-1. Blikání na sebe bude navazovat a doba svícení jedné LED bude 50ms. Program se bude opakovat bez nutnosti opětovného zmáčknutí tlačítka. Výsledkem programu je vizuální podobnost blikání desky 8LED s blikáním červeného světla, kterým disponovalo vozidlo KITT. Obr. 47: Program - Knight Rider Námětem následujících dvou programů lze považovat civilizovanou společnost, která pro bezpečnou dopravu využívá různých signalizací. Využíváním těchto signalizací se předchází dopravním nehodám a chaosu. Vyučující rozvine ve třídě diskuzi na téma 52

53 dopravní signalizace, pomocí několika otázek (např. Jaké dopravní signalizace znáte? Jak fungují? Liší se podle dopravních prostředků?). V našem případě nás bude zajímat především semafor, který se využívá na silničních komunikacích a maják, který své uplatnění zastává ve vodní dopravě, kde slouží k navigaci lodí. Silniční semafory se od sebe odlišují především dobou mezi rozsvícením červené, oranžové a zelené barvy, která je přizpůsobená potřebám dané křižovatky. Majáky se vzájemně liší typem zabudovaného světla, které může stále svítit, blikat v určitém intervalu, nebo se otáčet kolem své osy. K vytvoření programů s využitím těchto dvou signalizací budeme potřebovat desku procesoru, desku 4 tlačítek, maják a semafor (viz Obrázek 48). Obr. 48: Semafor, maják, deska procesoru a deska 4tlačítek Nejdříve si propojíme desku procesoru s deskou 4 tlačítek. Pro realizaci programu Maják (viz Obrázek 49), nám bude stačit pouze tlačítko1. V dalším kroku propojíme barevné vodiče majáku s výstupy OUT a GND na desce procesoru. V našem případě je propojení následující: Černý kabel -> GND, modrý kabel -> OUT0, červený kabel -> OUT1, žlutý kabel -> OUT2 a zelený kabel -> OUT3 26. Vyučující zkontroluje žákům správnost zapojení a vysvětlí zadání programu, které je následující: Pomocí blikání 4LED napodobte maják, jehož světlo svítí ve formě paprsku, který se otáčí o 360 kolem své osy. Program bude začínat na stisknutí tlačítka1 a doba blikání jednotlivých LED bude 100ms. 26 Pořadí propojení barevných vodičů majáku s deskou procesoru se může lišit v závislosti na barvě vodičů. Je důležité, aby na desku procesoru byly postupně za sebou do OUT0-OUT3 připojeny sousedící LED majáku. 53

54 Obr. 49: Program - Maják Pro realizaci programu Semafor (viz Obrázek 50), využijeme stejného propojení desky 4tlačítek a procesoru. Semafor má oproti majáku pouze 3 LED, avšak každá z nich je jiné barvy. Díky této skutečnosti a pro lepší přehlednost v programu, si zapojíme vodiče těchto tří LED do prvních tří výstupů desky procesoru dle zadání: Červená LED -> OUT0, oranžová LED -> OUT1, zelená LED -> OUT2. Následně upravíme popisy ve flowchart tabulce symbolů tak, aby bylo zřejmé, která LED dioda je připojena na konkrétním výstupu. Obr. 50: Program - Semafor Při tvorbě programu budou žáci vycházet z těchto zadaných časových hodnot: Červená LED (stůj) bude na semaforu svítit pět sekund, následně bude svítit společně 54

55 s oranžovou LED (připrav se k jízdě) další dvě sekundy, než ji vystřídá zelená LED (jeď), která bude svítit po dobu pěti sekund. Poté se na dvě sekundy rozsvítí oranžová LED (připrav se k zastavení) a následovat bude opakování programu počínaje rozsvícením červené LED (stůj) na pět sekund. V dalším programu si každý žák vytvoří hru na postřeh. Hra je určena pro dva hráče. První hráč ovládá tlačítko1 a druhý hráč tlačítko2. Oba hráči vyčkávají na rozsvícení LED4 a LED5. Jakmile se obě diody zaráz rozsvítí, musí hráč stisknout svoje tlačítko dříve, než jeho soupeř. K sestrojení hry budeme potřebovat desku procesoru, desku 8LED, kterou na pevno umístíme na spodní část desky procesoru a desku 4tlačítek, kterou necháme volně položenou na vzdálenost vodičů pro dosažení lepší manipulace (viz Obrázek 51). Obr. 51: Propojení desky procesoru, 8LED a 4tlačítek pro program - Hra na postřeh Děti si pomocí vodičů propojí tlačítka1,4 a LED1,4,5,8 s deskou procesoru. Při propojování se budou řídit zadanou tabulkou flowchart symbolů na začátku této lekce. Zadání programu (viz Obrázek 52): Začátkem programu jsou všechny LED zhasnuté 27 po dobu, kterou si každý žák libovolně zvolí (v našem případě je doba nastavena na 5555ms). 27 Pro činnost všechny LED jsou zhasnuté, můžeme nově využít zkrácený příkaz let pins=0, jenž se nachází ve flowchart okně v nabídce OUT. 55

56 Obr. 52: Program - Hra na postřeh Po uplynutí této doby se zároveň rozsvítí LED4 a LED5. V tu chvíli program vyčkává na stisknutí tlačítka1, nebo tlačítka4 jedním z hráčů. Při rychlejším stisknutí tlačítka1 se rozsvítí LED1. Pokud však bude dříve zmáčknuté tlačítko4, bude svítit LED4. V obou případech bude LED dioda svítit po dobu tří sekund společně s LED4,5 a poté se bude program opakovat. Vytvořený program si žáci nahrají do procesoru a utvoří dvojice, ve kterých budou mezi sebou soutěžit. Aby nedocházelo k zvýhodnění jednoho z dvojice tím, že se bude soutěžit na jeho vytvořené hře, u které zná časové rozmezí mezi zhasnutím a rozsvícením LED4,5, bude tato dvojice soutěžit na zařízení, které naprogramoval některý z jejich spolužáků. Úvodem následujícího příkladu se zeptáme dětí, zda ví co je to Morseova abeceda a kde se využívá. Jako příklad využijeme nouzový kód (volání o pomoc) lodí SOS. Tabulku (viz Obrázek 53) dostanou žáci od vyučujícího vytištěnou na papíře. Obr. 53: Morseova abeceda ( Žáci budou mít za úkol vytvořit v programu SOS kód, pomocí blikání jedné z LED (viz Obrázek 54). Zadání: Program začíná stisknutí tlačítka 4. Znázorněte písmena S ( ), O 56

57 (- - -), S ( ) Morseovy abecedy, pomocí blikání LED4. Tečka 100ms, čárka 500ms, pauze mezi jednotlivými tečkami a čárkami 100ms, pauze mezi jednotlivými písmeny 600ms. Program se bude opakovat při opětovném stisknutí tlačítka. Obr. 54: Program Morseova abeceda - SOS kód V další úloze si vyzkoušíme program s využitím dvou tlačítek. Nejdříve si děti do sešitu zapíší své iniciály 28 a následně si k nim zapíší jejich kódové značení z Morseovy abecedy. Poté si žáci zapojí desky 8LED a 4 tlačítek do napájení a vstupů/výstupů procesoru dle zadání (viz Tabulka 4). Deska LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 Výstup OUT7 OUT5 OUT8 OUT6 OUT3 OUT1 OUT4 OUT2 Deska TL1 TL2 TL3 TL4 Vstup IN5 IN3 IN7 IN1 Tab. 4: Zadané propojení desek 8LED, 4tlačítek a procesoru Zadání úkolu: Na stisknutí tlačítka 1, bude blikat LED1 první písmeno z iniciálu. Na stisknutí tlačítka 3, bude blikat LED8 druhé písmeno z iniciálu. V našem případě jsme při tvorbě programu (viz Obrázek 55) použili písmeno L (.-..) na tlačítko 1 a písmeno M (--) na tlačítko 3. Součástí programu bude vyplněná tabulka flowchart 29 a popisy jednotlivých příkazů funkcí label. Vyučující má za úkol kontrolovat, kromě zadaných požadavků v úkolu, také vzhledovou úpravu programu. 28 Pokud má žák iniciály složené ze stejných písmen, vyučující mu jedno z nich libovolně změní. 29 Tabulka flowchart bude vyplněna pro všech 8LED a 4 tlačítka i v případě, že v programu jsou využity pouze některé z nich. Žáci si tak procvičí připojování kabelů a na vstupy/výstupy procesorové desky 57

58 Obr. 55: Program Morseova abeceda - Iniciály (LM) Další programy k procvičování budou vycházet ze stejného propojení desek 8LED, 4 tlačítek a procesoru (viz Tabulka 4). Jejich kontroly vyučujícím budou totožné s předchozím příkladem. Př. 1: Pokud je stisknuté tlačítko 4 -> bliká zároveň LED2,3,4,5,6,7 v intervalu 0,5 sec. Pokud není stisknuté tlačítko 4 -> bliká zároveň LED1,8 v intervalu 1 sec. Př. 2: Na zapnutí tlačítka 1 -> budou LED blikat v intervalu 0,4 sec následovně: LED1 LED1,2 LED1,2,3 LED1,2,3,4 LED1,2,3,4,5 LED1,2,3,4,5,6 LED1,2,3,4,5,6,7 LED1,2,3,4,5,6,7,8. Př. 3: Pokud není stisknuté tlačítko 2 -> svítí zároveň LED1,2,3,4,5,6,7,8. Pokud je stisknuté tlačítko 2 -> bliká zároveň LED1,2,3,4,5,6,7,8 v rozmezí 0,3sec. Př. 4: Tlačítkem 1 rozsviť LED4 + LED8 Tlačítkem 2 rozsviť LED3 + LED7 Tlačítkem 3 rozsviť LED2 + LED6 Tlačítkem 4 rozsviť LED1 + LED5 Př. 5: Tlačítkem 1 rozsviť LED1 + LED3 + LED5 + LED7 Tlačítkem 2 rozsviť LED2 + LED4 + LED6 + LED8 Tlačítkem 3 zhasni LED1 + LED3 + LED5 + LED7 Tlačítkem 4 zhasni LED2 + LED4 + LED6 + LED8 Př. 6: Pokud je stisknuté tlačítko 1 -> blikají postupně LED1 LED 2 LED 3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 v intervalu 0,8 sec. Pokud je stisknuté tlačítko 2 -> blikají postupně LED1 LED 2 LED 3 58

59 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 v intervalu 0,4 sec. Pokud je stisknuté tlačítko 3 -> blikají postupně LED1 LED 2 LED 3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 v intervalu 0,2 sec. Pokud je stisknuté tlačítko 4 -> blikají postupně LED1 LED 2 LED 3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 v intervalu 0,1 sec. 4.2 Řízení pohybu podvozku robota V prvním kroku si propojíme desku dvojitého bipolárního spínače do 1A s oběma motory pomocí černobílých kabelů. Pravý motor připojíme na piny M1 desky spínače a levý motor k pinům M2. Napájecí kabel bude připojen k desce procesoru a propojíme piny 1 a 2 na desce spínače s výstupy na desce procesoru OUT0 a OUT2. Nyní spustíme Programming editor a vyplníme tabulku flowchart symbolů dle vzoru (viz Obrázek 56). Obr. 56: Tabulka flowchart symbolů (2) Takto vyplněnou tabulku budeme využívat u všech následujících témat! Žáci si veškeré údaje z Outputs a Inputs přepíší do sešitu. Po vložení popisů do tabulky flowchart se děti pustí do vytvoření programu - Jízda vpřed (viz Obrázek 57). Zadání: Na stisknutí tlačítka 1 rozjeď oba motory vpřed. Obr. 57: Program motory - Jízda vpřed 59

60 Pokud se některý z motorů otáčí vzad, obrátíme příslušný konektor na desce spínačů. Tím docílíme změny směru otáčení motoru. Před zadáním následující úlohy vytvoří vyučující pomocí dobře viditelné lepicí pásky dráhu s délkou jednoho metru. Děti s nahraným programem - Jízda vpřed v procesoru, umístí svého robota na začátek dráhy 30. Společně se stisknutím tlačítka 1 začínají na stopkách měřit čas ujetí dráhy 1m. Po dokončení měření si každý žák zapíše výsledný čas do sešitu a matematicky si z naměřeného údaje vypočítá, za jak dlouho robot urazí 0,5m; 0,1m a 1cm. V našem případě jsme naměřili a vypočítali tyto hodnoty: 1m = 9,800sec; 0,5m = 4,900sec; 0,1m = 0,980sec; 1cm = 0,098sec. Úlohou bude vytvoření programu - Otáčení vlevo (viz Obrázek 58). Zadání: Na stisknutí tlačítka 1 rozjeď pravý motor vpřed. Obr. 58: Program motory - Otáčení vlevo Vyučující vytvoří pomocí viditelné pásky rovnou čáru o minimální délce 17 cm 31. Robota s nahraným programem v procesoru umístíme zadními koly na čáru. Se stisknutím tlačítka 1 začínáme měřit čas na stopkách a měření zastavíme, jakmile se robot otočí o 360. Výsledný čas si děti zapíší do sešitu a matematicky si z této hodnoty vypočítají dobu otočení robota o 180 a 90. V našem případě jsme naměřili a vypočítali tyto hodnoty: 360 = 9,40sec; 180 = 4,70sec; 90 = 2,35sec. Po dokončení všech měření vyučující zkontroluje, zda žáci mají všechny požadované údaje změřené, správně vypočítané a zapsané v sešitě. Bez těchto údajů děti nebudou mít dovolené pokračovat v práci na dalších programech. Při tvorbě následujícího programu - čtverec (viz Obrázek 59), využijeme naměřené hodnoty. Zadání: Na stisknutí tlačítka 1 urazí robot dráhu ve tvaru čtverce. Jízda robota začíná z rohu, jízdou vpřed. Směr otáčení = vlevo; strana čtverce = 0,5 metru; úhel 30 Na startovní čáru dráhy umístíme vždy kolečka s motory. Měření jízdy končíme v okamžiku, kdy kolečka s motory projedou cílovou čáru dráhy cm je vzdálenost mezi koly s motory. 60

61 otočení = 90. Jednotlivé činnosti popište funkcí label a tabulku flowchart symbolů vyplňte dle vzoru v sešitě. Než se žáci pustí do programování, načrtnou si do sešitu čtverec s délkami stran a úhly. K těmto zadaným hodnotám si napíší také příslušné hodnoty, které naměřili, případně vypočítali, v minulých úlohách a vytvoří algoritmus. Pokud je vyučující spokojený s vytvořeným algoritmem 32, dovolí žákovi přejít k tvorbě programu. Obr. 59: Program motory - Čtverec K vytvoření dalšího programu je nutné nahradit desku dvojitého bipolárního spínače do 1A deskou H-bridge do 2A. Odpojíme konektory motorů z M1,M2 a konektory 1,2 z desky spínače. Aby ovládání motorů souhlasilo s údaji v tabulce flowchart symbolů, musíme desku H-bridge propojit s motory a výstupy procesoru dle následujícího zadání: výstup OUT0 na desce procesoru propojíme kabelem se vstupem +IN1 na desce H- bridge. Stejným způsobem propojíme OUT1 -> -IN1; OUT2 -> +IN2; OUT3 -> -IN2. Pravý motor: černý kabel -> +M1 a bílý kabel -> -M2; levý motor: černý kabel -> -M1 a bílý kabel -> +M2. Zadání programu - 4 tlačítka 4 směry (viz Obrázek 60), s využitím desky H-bridge je následující: Po dobu stisknutí tlačítka 1 jede robot vpřed; po dobu stisknutí tlačítka 2 jede robot vzad; po dobu stisknutí tlačítka 3 se robot otáčí vlevo; po dobu stisknutí tlačítka 4 se robot otáčí vpravo. Pokud není žádné tlačítko stisknuté, budou všechny 32 Posuzována je správnost i vzhledová úprava algoritmu. 61

62 motory zastaveny. Vytvořte program s popisy jednotlivých činností pomocí funkce label a vyplňte tabulku flowchart symbolů dle údajů v sešitě 33. Obr. 60: Program motory - 4 tlačítka 4 směry 4.3 Systémy využívající IR čidla Čidlo vysílá okem neviditelný paprsek, který však za pomocí některých technologií (kamera na mobilu, nebo fotoaparát) můžeme vidět. Žáci se o tom můžou v hodině sami přesvědčit. Pokud je paprsek přerušen překážkou, čidlo to zaznamená a vyšle tuto informaci na desku procesoru. V následujícím příkladě využijeme čidlo s delším dosahem na vyhnutí se překážky při jízdě. K desce procesoru budeme mít připojený spínač do 1A s oběma motory, tlačítko1 a čidlo s delším dosahem umístěné na přední části podvozku. Čidla jsou pro svoji funkci vstupní zařízení, proto je budeme připojovat na vstupy IN0-IN7 na desce procesoru. Zadání programu Překážka vpředu (viz Obrázek 61) je následující: Program začíná stisknutím tlačítka1. Pokud před čidlem není překážka, pojedou oba motory vpřed bez časového omezení. V případě, že čidlo detekuje překážku, motory se na 0,2 sekundy zastaví a překážku objede z levé strany. Pří objíždění překážky využijeme naměřenou hodnotu pro otočení robota o 90 z předchozích příkladů. Po vyhnutí se 33 Pro pohodlnější řízení robota můžeme odmontovat desku 4 tlačítek z podpěrných sloupků a ovládat ji přímo z ruky. 62

63 překážky bude robot pokračovat stále v jízdě vpřed a vyčkávat na případnou další překážku. Obr. 61: Program čidla dl. - Překážka vpředu s využitím desky Spínače Před začátkem druhého úkolu se dětí zeptáme, zda znají princip fungování vysoušeče mokrých rukou. Jak je možné, že fouká vzduch, aniž bychom jej zapnuli tlačítkem? Co je podmínkou aby začal foukat? Závěrem bude zjištění, že součástí vysoušeče je čidlo, které vysílá paprsek a vyčkává na mokré ruce. Jakmile se ruce přiblíží k vysoušeči a tento paprsek protnou, čidlo zaznamená tuto informaci a vysoušeč začne foukat vzduch. Naše ruce v tomto případě zastupují překážku. K sestavení vysoušeče rukou (viz Obrázek 62) využijeme dvě čidla s delším dosahem, spínač do 1A, desku procesoru a motor s vrtulí. Čidla umístíme naproti sobě a připojíme je na vstupy desky procesoru. Spínač do 1A připojíme na výstup desky procesoru a propojíme jej s motorem vrtule. Obr. 62: Vysoušeč rukou 63

64 Zadání programu Vysoušeč rukou (viz Obrázek 63): Pokud před žádným z čidel není překážka (ruce), bude vysoušeč vypnutý. V případě, že alespoň jedno z čidel zaznamená překážku, zapne se vysoušeč. Postup: Úprava tabulky flowchart symbolů podle připojených zařízení, vytvoření programu a popsání jednotlivých činností funkcí label. Obr. 63: Program - Vysoušeč rukou Sestavené zařízení (viz Obrázek 62) využijeme i v následujícím úkolu. Zeptáme se žáků, zda by se čidla, použitá v zařízení vysoušeče rukou, mohla využít i jako ochranný prvek a pomocí debaty se společně dopracujeme k několika příkladům ze života (ochrana před nebezpečným zařízením, zabezpečení proti krádežím, aj). Názorným příkladem bude ventilátor, který má v technice vícero využití (chlazení zařízení, větrání, odvod spalin aj). Součástí ventilátoru je elektromotor s vrtulí, která rozhání vzduch. Díky vyšším otáčkám motoru a rozměru vrtule, se takové zařízení mnohdy může stát životu nebezpečné. Nyní si vytvoříme program, v rámci kterého budou čidla zastávat funkci ochrany proti nechtěnému střetnutí ruky s vrtulí ventilátoru. Zadání programu Ventilátor (viz Obrázek 64): Vytvořte program s využitím dvou čidel delšího dosahu a motoru s vrtulí. Pokud v prostoru mezi čidly se nenachází žádná překážka, bude ventilátor spuštěný. V případě, že alespoň jedno z čidel zaznamená překážku, ventilátor se okamžitě zastaví. Pro přehlednost programu vytvořte pro jednotlivé činnosti popisy funkcí label a aktualizujte tabulku flowchart symbolů dle připojených zařízení. Obr. 64: Program - Ventilátor 64

65 Pro další úlohy si připojíme na podvozek robota desku H-bridge, včetně desky procesoru, desky 4 tlačítek, batery packu a dvou čidel s delším dosahem. První čidlo umístíme na přední část podvozku a druhé na zadní. Tím vytvoříme pojízdného robota s detekcí překážky při jízdě vpřed i vzad. Zadání programu (viz Obrázek 65): Na stisknutí tlačítka 1 pojede robot vpřed. V případě, že čidlo ve směru jízdy zaznamená překážku, robot zastaví oba motory. Na stisknutí tlačítka 2 pojede robot vzad. Pokud čidlo umístěné na zadní části podvozku detekuje překážku, oba motory se zastaví. Obr. 65: Program čidla dl. - Překážka vpředu/vzadu na tlačítka V jedné z předchozích úloh - Překážka vpředu s využitím spínače (viz Obrázek 61), jsme vytvořili program, díky kterému robot, při jízdě vpřed, zjišťoval pomocí čidla možný výskyt překážky. Pokud čidlo překážku zaznamenalo, robot se zastavil a objel překážku z levé strany a pokračoval dále v jízdě vpřed. Ovšem překážka se před robotem mohla objevit náhle a dostat se tak do jeho přiliž velké blízkosti. To mohlo mít za následek, že při objíždění překážky došlo k vzájemnému střetnutí. Nyní program budeme inovovat, aby k podobným nehodám nedocházelo. Je nezbytné, aby se robot dostal na větší vzdálenost od překážky, které se vyhýbá. Zadání programu Překážka vpředu s využitím desky H-bridge (viz Obrázek 66): Na stisknutí tlačítka 1 se rozjedou motory vpřed. Pokud čidlo při jízdě zaznamená překážku, robot se zastaví -> 1,5 sekundy pojede vzad -> zastaví motory -> otočí se vlevo o 90 -> pojede vpřed po dobu 1,5 sekundy -> zastaví motory -> otočí se vpravo o 90 a bude pokračovat v jízdě vpřed v rámci opakování programu. Mezi jednotlivými činnostmi bude robot vždy 200ms čekat. 65

66 Obr. 66: Program čidla dl. - Překážka vpředu s využitím desky H-bridge V poslední úloze zaměřené na využití čidel s delším dosahem budou žáci vytvářet program reagující na situaci dvou překážek. První čidlo bude umístěné na přední části a druhé čidlo na zadní části podvozku. Zadání programu Překážka vpředu i vzadu (viz Obrázek 67): Program bude začínat na stisknutí tlačítka 1. Robot pojede vpřed, pokud je splněná podmínka, že přední čidlo nezaznamenalo překážku. V opačném případě se zastaví motory po dobu 0,2 sekundy. Následně se rozjedou oba motory robota vzad, dokud zadní čidlo nezaznamená překážku. V opačném případě se zastaví motory po dobu 0,2 sekundy a následuje vybočení z dráhy mezi přední a zadní překážkou následujícím způsobem: oba motory vpřed po dobu 0,2 sec -> zastavit motory po dobu 0,2 sec -> otočit vlevo o 90 -> čekat 0,2 sec -> oba motory vpřed po dobu 1,5sec -> zastavit motory po dobu 0,2sec -> otočit vpravo o 90. Robot bude pokračovat jízdou vpřed v rámci opakování celého programu bez nutnosti opětovného stisknutí tlačítka 1. Obr. 67: Program čidla dl. - Překážka vpředu i vzadu 66

67 V následující sadě programů využijeme dvě reflexní čidla s krátkým dosahem. Tyto čidla jsou nejvhodnější pro programy, které zahrnují jízdu robota po čáře. Reagují na matnou černou a matnou bílou barvu. V programu PICAXE Programming (ve funkci Pin) můžeme volit mezi logickou 1 a 0. Žákům můžeme napomoci informací, že matná černá barva zastupuje logickou 1 a logická 0 naopak barvu matnou bílou. Tyto programy budeme aplikovat na robotickou dráhu 34 (viz Obrázek 68) určenou pro stavebnici H&S elektronic systems. Obr. 68: Robotická dráha Žáci si připevní na spodní část podvozku reflexní čidla s krátkým dosahem (viz Obrázek 38) a propojí si je s deskou procesoru. Při propojování jednotlivých modulových desek budou vycházet ze zadané tabulky flowchart symbolů z kapitoly 4.2 Řízení pohybu podvozku robota. Pro první program budou reflexní čidla od sebe vzdáleny tak, aby jejich vzájemná vzdálenost nebyla vyšší, než je šířka černé čáry pro konkrétní dráhu. Při ideálním nastavení této vzdálenosti nebude docházet k vyjíždění robota z čáry do prostoru mimo dráhu. Zadání programu Jízda po černé čáře (viz Obrázek 69): Program bude začínat na stisknutí tlačítka 1. Vytvořte program pro jízdu robota po černé dráze tak, aby robot objížděl nepřetržitě celou dráhu a nedocházelo k jeho vybočení. 34 Široká černá čára, která je kolmá na černou čáru znázorňující dráhu, znázorňuje začátek a konec jednoho okruhu dráhy. 67

68 Obr. 69: Program čidla kr. - Jízda po černé dráze Pro realizaci druhého programu je nutná změna vzájemné vzdálenosti reflexních čidel s kratším dosahem. Po umístění robota na dráhu se obě čidla budou nacházet na bílém povrchu dráhy a v těsnosti mezi nimi bude černá čára. Zadání programu Jízda po bílém povrchu dráhy (viz Obrázek 70): Program bude začínat na stisknutí tlačítka 1. Robot začíná jízdu před černou čárou znázorňující začátek dráhy a po objetí jednoho okruhu dráhy (jakmile se čidla dostanou na černou kolmou čáru) jízdu končí. Obr. 70: Program čidla kr. - Jízda po bílém povrchu dráhy K vytvoření následujícího úkolu využijeme zhotovený program z minulé úlohy (viz Obrázek 70), který doplníme o potřebné činnosti. Zadání doplněných činností pro program Jízda po bílém povrchu dráhy s otočením (viz Obrázek 71): Po objetí jednoho okruhu dráhy se robot otočí o 180 a pokračuje v jízdě vpřed po dráze v opačném směru. 68

69 Obr. 71: Program čidla kr. - Jízda po bílém povrchu dráhy s otočením 69