PROBLEMATIKA VÝUKOVÝCH STAVEBNIC A VÝUKOVÝCH BALÍČKŮ VE VÝUCE

PROBLEMATIKA VÝUKOVÝCH STAVEBNIC A VÝUKOVÝCH BALÍČKŮ VE VÝUCE ELEKTRONIKY NA ZÁKLADNÍCH A STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH Katedra technické a informační výchovy 4.mezinárodní konference Nové technologie ve výuce Mgr.Pavel Pecina, Ph.D. Katedra didaktických technologií Pedagogická fakulta MU Poříčí 31 602 00, Brno Telefon: +420 549495488 Mail: ppecina@ped.muni.cz PaedDr. Ing. Josef Pecina, CSc. Katedra technické a informační výchovy Pedagogická fakulta MU PedF MU Brno listopad 2010 Poříčí 31 602 00, Brno Telefon: +420 54949 6212 Mail: pecina@ped.muni.cz Resumé. Předložená studie je zaměřena na problematiku výukových stavebnic a výukových balíčků ve výuce elektroniky na základních a středních školách. První část příspěvku po vymezení problému shrnuje současný stav v nabídce těchto pomůcek. Další část je věnována popisu vlastního výukového experimentálního systému, který jsme pro výuku elektroniky navrhli a také zhotovili prototyp. Klíčová slova: stavebnice, elektrotechnické stavebnice, výukové balíčky, výukový experimentální systém 1. ÚVOD V současné době je na trhu k dispozici mnoho typů elektrotechnických stavebnic a výukových balíčků využitelných ve výuce elektroniky. Tento příspěvek si klade za cíl sumarizovat nabídku existujících typů a prezentovat vlastní experimentální výukovou soupravu, kterou jsme pro výuku elektroniky navrhli a zhotovili. 2. VYMEZENÍ PROBLÉMU Stavebnice v obecné rovině lze vymezit jako sadu určitých předmětů k sestavování a spojování do libovolných nebo přesně vymezených celků, k jejich montáži a demontáži [1]. Elektrotechnickou stavebnici potom lze chápat jako takovou soustavu nosných prvků, funkčních prvků a funkčních částí, určených k jednorázovému nebo opakovanému sestavení různého počtu obvodů, která je jako celek určena svými didaktickými a technickými parametry [1]. Elektrotechnické stavebnice jsou didaktické pomůcky, které napomáhají dosahovat cílů technické výchovy v oblasti elektrotechniky a elektroniky na druhém stupni základních škol i dosahování cílů elektrotechniky a elektroniky na středních školách. Tyto stavebnice zaujmou děti nejdříve ve věku 8 až 10 let. Je možné je tedy využít již na prvním stupni ZŠ. V tomto věku je třeba začít formou hry, aby byl podchycen zájem dítěte. Vhodné jsou univerzální stavebnice bez pájení, které umožňují vytvořit řadu zajímavých pokusů, doprovázených vhodnými světelnými a zvukovými efekty. Využívání elektrotechnických stavebnic má u nás svoji historii i budoucnost. Na základní škole jejich zařazení předpokládá aktuální základní dokument Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání [7]. Jsou to učební pomůcky pro oblast učiva o elektrotechnice a elektronice, které slouží ke zvýšení názornosti a usnadnění procesu učení. Jejich přínos je ve vytváření a podpoře technické gramotnosti, technického myšlení, k rozvoji dovedností i k rozvoji technické tvořivosti. Experimentování žáků s elektrotechnickými stavebnicemi je považováno za činnost komplexního charakteru. Žáci si nevystačí pouze se zapamatovanými vědomostmi, ale musí uplatnit i praktické dovednosti a návyky. Žák je nucen analyzovat zadání a požadavky na funkci obvodu, vybrat potřebné součástky, navrhnout funkční schéma zapojení, vytvořit technickou dokumentaci, prakticky realizovat el. obvod, provést funkční zkoušku, měřit fyzikální veličiny a výsledky zaznamenat do protokolu [1]. Elektrotechnické stavebnice můžeme dělit podle více hledisek. J. Dostál [1] uvádí ve své studii následující rozdělení: A)Kategorizace podle způsobu využití ve výuce: Demonstrační (uzpůsobeny na demonstraci zapojovaných obvodů učitelem). 1

Žákovské. B) Kategorizace podle počtu oblastí, pro něž jsou určeny: Monotematické. Polytematické. C) Kategorizace podle úrovně vzdělávání: Pro základní vzdělávání. Pro středoškolské vzdělávání. Pro vysokoškolské vzdělávání. D) Kategorizace podle charakteru el. proudu Pro slaboproudou elektrotechniku. Pro silnoproudou elektrotechniku. E) Kategorizace podle výrobce: Vyráběné profesionálně. Vyráběné amatérsky. F) Kategorizace podle zaměření elektrotechniky: Pro obecnou elektrotechniku a elektroniku. Pro elektroinstalace. Pro měřicí a regulační techniku. Pro telekomunikační techniku. Pro výrobu a rozvod elektrické energie. Pro digitální a mikroprocesorovou techniku. Pro elektrické stroje. Pro automobilovou elektrotechniku. Pro výkonovou elektroniku. Pro jiné zaměření. G) Kategorizace podle typu uživatele: Pro začátečníky. Pro pokročilé. Pro velmi pokročilé. H) Kategorizace podle umístění součástek: Se součástkami pevně umístěnými na nosné desce. Se součástkami zapouzdřenými nebo na nosných štítcích. S volnými součástkami pro zapojování do propojovacích polí. CH) Kategorizace podle typu spojů mezi prvky: S nerozebíratelnými spoji. S rozebíratelnými spoji: - S ovíjenými spoji. - S pružinovými spoji. - S magnetickými spoji. - Se šroubovými spoji. - Se zásuvkovými spoji. I) Kategorizace podle reálnosti sestavování obvodů a součástek: Využívající reálné prvky. Simulované počítačem. J) Kategorizace podle oblasti aplikace: Pro obecnětechnické vzdělávání. Pro volný čas. Pro profesní vzdělávání. 3. AKTUÁLNÍ NABÍDKA STAVEBNIC A VÝUKOVÝCH BALÍČKŮ J. Dostál dále ve své studii popisuje nejpoužívanější elektrotechnické stavebnice ve školní praxi. Jsou to: Voltík I, II, III. Elektronická laboratoř. Merkur elektronic E2. Elektrotechnická stavebnice 500 v 1. Zkušební elektrický panel. Elektrotechnická stavebnice 75 v 1. Propojovací pole. Elektrotechnická stavebnice 50 v 1. Elektrotechnická stavebnice Bytové rozvody. Elektrotechnická stavebnice 130 v 1. Elektrotechnická stavebnice TASK. Žákovský stavebnicový systém Elektřina /elektronika- PHYWE Stavebnice COM3Lab. Elektrotechnická stavebnice od Leybold Didactic. MEZ Elektronik 01 as 02. Orton ALFA. Logitronik 01 a 02. Elektromontážní souprava. Elektronik 1. Stavebnice Z 3/III. Stavebnice pro technické práce a základy techniky v 8. ročníku ZŠ. EMA. Pájené stavebnice EZK- blikač a akustický indikátor. Edison. Tina Pro. Stavebnicový systém Dominoputer. Stavebnice DIDAKTIK. Stavebnice LEGO Dacta řady ROBOLAB a e.lab. Podrobněji nebudeme popisovat ani vybrané typy, protože by to přesáhlo kapacitní možnosti této studie. Oblíbené a relativně používané jsou stavebnice Voltík a Merkur. Další informace k těmto stavebnicím čtenář nalezne v použitých pramenech ([1],[5], [6]). Dále jsou na trhu k dispozici výukové pokusné balíčky a experimentální moduly. Conrad [2] nabízí následující výukové sady: Sada 25 elektronických experimentů. Výukový balíček elektronika (Franzis). Experimentální stavebnice Busch a Kosmos. Pomocí stavebnice 25 el. experimentů je možné experimentálně sestavit a odzkoušet řadu zajímavých zapojení (zvukové a světelné obvody, blikače, alarm, časová a spínací technika, vysílač VKV, test polarity, dotykový senzor atd.). Pomocí výukového balíčku Franzis lze realizovat více než 50 zapojení. Mezi nimi jsou zapojení s led diodami, tranzistory, světelnými a zvukovými senzory, čidly otřesu, operačními zesilovači a dalšími součástkami. Firma Velleman [3] nabízí kromě mnoha stavebnic typu pájené spoje také následující výukové balíčky: START KIT 2

START KIT2 Součástí balíčku START KIT je pájecí pero, pájka, štípací kleště a dvě pájecí stavebnice (hra na cvičení pamětí a světlo reagující na zvuk). Součástí balíčku START KIT 2 je multimetr, odsávačka, kleště, sada šroubováků a dvě stavebnice. 4. NÁVRH VLASTNÍHO VÝUKOVÉHO EXPERIMENTÁLNÍHO SYSTÉMU Náš systém rozšiřuje existující pomůcky o další zajímavou variantu, která není pouze stavebnicí a poskytuje řadu inspirativních možností. Existující stavebnice a výukové balíčky sice umožňují řadu možnosti, zejména realizaci nejrůznějších zapojení. Avšak jen některé obsahují i potřebné přístroje a nářadí a to ve velmi omezeném rozsahu. Systém je určen pro výuku základů elektroniky na druhém stupni základních škol i na středních školách. Integruje možnosti realizovat vybraná zapojení a ověřit jejich funkci na nepájivém poli (elektronická stavebnice). Dále je možné realizovat vybraná zapojení na univerzálních pájivých deskách a to v podobě, v jaké mohou sloužit jako hotový výrobek (součástí jsou pájivá pole v několika velikostech). Systém je také vhodný pro zájmovou experimentální činnost v oblasti elektroniky. Pří návrhu byl kladen důraz na motivaci. Zapojení a konstrukce jsou voleny tak, aby žáky zaujaly a umožnily na jedné straně zvládnutí vybraných základních poznatků z elektroniky a na druhé straně také hrovou experimentální činnost. Systém je umístěn v dřevěné krabici s přihrádkami. Víko krabice je odnímatelné a použitelné jako nevodivá podložka pro práci. Součástí systému jsou všechny elektronické součástky (včetně vodičů, tužkových baterií a devítívoltové baterie k napájení zapojení) k realizaci vybraných popsaných zapojení. Dále systém obsahuje základní přístroj, nářadí a spotřební materiál: základní multimetr, nízkovoltovou páječku, pinzetu, štípací kleště, sadu šroubováčků, lupu, izolační pásku a pájku. Systém tak obsahuje všechny základní pomůcky, nářadí, nástroje a součástky k práci, což je její výhoda. Pro výuku je vhodné mít k dispozici ještě stabilizovaný zdroj stejnosměrného elektrického napětí a osciloskop. Pokud se učitel rozhodne pro výrobu plošných spojů, je třeba mít i další vybavení. V krajním případě se však ve výuce lze obejít i bez těchto přístrojů. Systém obsahuje všechny základní potřeby. I když se tato sada (souprava) nemůže rovnat kompletně vybavené elektrotechnické laboratoři, může se stát velmi dobrým nástrojem učitele ve výuce elektroniky. Učitelé mohou tento systém podle popsané dokumentace sami sestavit v nezměněné podobě nebo ho mohou tvořivě modifikovat a vyrobit v jednodušší variantě nebo naopak systém rozšířit a doplnit ho o další pomůcky, nástroje, součástky a možnosti realizace dalších zapojení. Po zvládnutí a odzkoušení základních obvodů je vhodné systém využívat k realizaci vhodných výrobků z elektroniky. Na trhu je velké množství elektronických stavebnic směr pájené spoje, které obsahují hotový plošný spoj a všechny součástky k realizaci. Je také možné pracovat s konstrukčními náměty, popsanými v časopisech (amatérské rádio) nebo v literatuře i na Internetu. Pomůcku jsme nazvali systémem proto, že se nejedná pouze o stavebnici a to vzhledem ke své relativní komplexnosti a multifunkčnosti. Nevylučujeme také vývoj další rozšířené a zdokonalené verze. Systém obsahuje následující: 1. Technickou dokumentaci systému. 2. Popis zapojení. 3. Nepájivé pole. 4. Pájivá pole v několika velikostech. 5. Součástky (včetně konstrukčních součástek) na realizaci všech zapojení a další součástky pro experimentální tvůrčí činnost. Systém tak umožňuje vývoj vlastních aplikací. 6. Ukázku stavebnice směr pájené spoje. 7. Základní variantu digitálního multimetru, nízkovoltovou páječku, štípací kleště, pinzetu, sadu šroubováčků, lupu, izolační pásku, pájku, kalafunu. 260 Obr. 1. Mechanické řešení systému Seznam součástek, pomůcek a nářadí Nepájivé pole- 1x. Pájivá pole- několik různých velikostí. Tužkové baterie- 4x + držáky baterií(dvě v sérii, tři v sérii, čtyři v sérii), devítívoltová baterie. Vodiče- různé barvy a průměry. Vypínače, tlačítka různá. Žárovky 2,4V, 3,6V, objímky. Motorek- 2,4V. Rezistory různé hodnoty podle zapojení. Kondenzátory- různé hodnoty podle zapojení. 460 150 85 Páječka,kleště, lupa, nůž, pinzeta. Multimetr Vodiče, svorky. Rozměry Výška krabice 70mm 130 Pouzdra na články, el. články, devítivoltová baterie, ukázková stavebnice. Rezistory, kondenzátory, diody,tranzistory, piezoměnič, žárovky, motorek, vypinače... 110 180 Pájka, kalafuna,izolační páska. Nepájivé pole, pájivá pole, sada šroubováků 3

Diody led diody, diody 1N 4148, 1N 4007. Tranzistory: TIP 122, 2N 2646 a další typy.. Integrované obvody- časovač 555C, 556C, mikrokontrolér PIC 16F 84A 04I/P. Reproduktory- různé. Piezoměnič, piezosiréna. Další součástky (konektory, zdířky, banánky, elektromagnet, solární článek, magnetický rozpínací kontakt atd.). Jedna ukázková stavebnice směr pájené spoje. Základní varianta multimetru (měří stejnosměrné a střídavé el. napětí, stejnosměrný el. proud, el. odpor, přechod PN, hfe. Nízkovoltová páječka. Sada šroubováčků. Štípací kleště. Pinzeta. Lupa. Nůž. Izolační páska, pájka, kalafuna. Kondenzátor 1,50 Kč (je třeba asi 20 kondenzátorů)- 30Kč Tranzistory- 1-6Kč za kus. Bude třeba asi 5 tranzistorů, celkem asi 20Kč Relé (např. RELRAS 0515, 5V) 20Kč Integrované obvody 555C, 556C, 4011 5-10Kč za kus,bude třeba asi 5 IO, celkem asi 30Kč Magnetický kontakt (např. typ N-SA 03B) 29Kč Celkem: 850 Kč (zaokrouhleno) Celková cena za kompletní výše popsanou sestavu bez krabice(zaokrouhleno):1670kč Cena sestavy a konkrétní výbava: Přístroje, nářadí a pomůcky: Multimetr (např. typ HC- DT 860D) 150 Kč. Páječka (např. typ N- SH 815B)- 150Kč Sada šroubováčků s lupou (N-CT- 9822) 90Kč Pinzeta 40 Kč Štípací kleště- 90 Kč Nůž odlamovací- 10Kč Nepájivé pole(např. typ N-SZB120) 90Kč Pájivé pole(rozměr 105x 140) 84Kč (doporučujeme do soupravy 2 kusy) Pájka (S CIN 08-18)- 20Kč Izolační páska 10Kč Celkem: 820 Kč (zaokrouhleno) Elektronické součástky: Vodiče 100Kč Pouzdra na tužkové baterie ( 3 KS)- 30Kč Motorek, 3V- 60Kč Reproduktor 45 Kč Piezoměnič (např. KPE 222A)- 40Kč Piezosiréna (např. KPE 1501) 80Kč Vypínač kolébkový- 10Kč (doporučujeme do sestavy minimálně 6 ks) 60 Kč Vypínač páčkový 14 Kč vypínač na klíček (např. typ P-B0830)- 66Kč Tlačítko (např. P-DT6)- 12Kč( doporučujeme do sestavy minimálně 3 ks) 42 Kč Žárovka (2.5V, 4, 5V) 5 Kč(doporučujeme od každého typu 2ks)- 20Kč Rezistory 1Kč za kus( bude třeba asi 40 rezistorů)- 40Kč Potenciometr 10Kč Dioda 1Kč( je třeba asi 10 diod) 10Kč Led diody 3 až 12 Kč za kus. Je třeba asi 5 led diod standardních (různé barvy) a 6 diod vysokosvítivých. Celkem asi 80Kč. Obr.2 Fotografie prototypu Krabici je možné si vyrobit nebo použít jinou vhodnou dostatečné pevnou od zboží s menšími krabičkami uvnitř. Ceny součástek, přístrojů a pomůcek byly použity z katalogu GM ELECTRONIC, 2010. Zapojení, která je možné pomocí sady realizovat 1. Jednoduchý elektrický obvod se žárovkou a s motorkem. 2. Zapojení s rezistorem, demonstrace Ohmova zákona. 3. Zapojení s diodami, princip činnosti diody. 4. Regulátor stejnosměrného elektrického proudu, princip činnosti tranzistoru. 5. Jednoduchý blikač s led diodami, časovač 555. 6. Vícetónový zvonek, časovač 555. 7. Jednoduchý alarm 1. 8. Alarm 2. 9. Jednoduchý elektronický kódový zámek. 10. Bzučák. 11. Indikátor vlhkosti. 12. Světelný had. 13. Časový spínač. 14. Svítilna s led diodami. 15. Elektronický oheň. 16. Obvod, vytvářející různé zvuky. Výše uvedená zapojení jsem sami navrhli nebo převzali z uvedených pramenů, upravili a uvedli odkaz příslušného pramene. Jejich popis je k dispozici u autorů této studie. 4

Součástí stavebnice nejsou zapojení s jednočipovými mikrokontroléry. Tato oblast je tak významná, že by si zasloužila samostatnou experimentální výukovou sadu s příslušným vybavením i odpovídající metodikou. 5. ZÁVĚR Výše popsaný výukový systém (sada, souprava) není žádný vědecký objev. Přesto může být inspirativním podnětem pro učitele elektroniky k sestavení stejné nebo podobné sady pro výuku. V další fázi máme v plánu ověřit tento systém v praxi prostřednictvím akčního výzkumu a to jak na základní tak i střední odborné škole ve výuce základů elektroniky. Věříme, že se ukáže jeho použitelnost a potřebnost. V tom případě budeme pracovat na jeho dalším vylepšování a rozšiřování. Domníváme se, že investice do sestavení několika takových souprav může být pro školu prospěšným krokem. POUŽITÉ ZDROJE [1] DOSTÁL, J. Elektrotechnické stavebnice (teorie a výsledky výzkumu). Zábřeh: Vydáno vlastním nákladem, 2005. [2] http://business.conrad.cz/ [3]http://www.ges.cz/stavebnice/vellemanstavebnice/XNQ.html [4] http://www.gme.cz/cz/ [5]NOVÁK, D. Elektrotechnické stavebnice v technické výchově. Praha: PdF UK, 1997. ISBN 80-86039-37-4. [6]PECINA, P., PECINA, J. Elektronika (Technická praktika z elektroniky). Brno: MU, 2007. ISBN 978-80- 210-4279-7. [7]PECINA, P., PECINA, J. Elektronika v praktických činnostech na druhém stupni ZŠ I. Brno: PdF MU, 2010. [8]RAMCOVÝ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM PRO ZÁKLADNÍ VZDÉLÁVÁNÍ? Praha: MŠMT, 2005. AUTOR Mgr. Pavel Pecina, Ph.D.: Odborný asistent na katedře didaktických technologii PdF MU. Přednáší předměty obecná didaktika, didaktika odborných předmětů, vzdělávání v informační společnosti a materiály a technologie- dřevo, plasty. Zaměřuje se na otázky samostatnosti a tvořivosti žáků v technickém vzdělávání na základních školách. Je autorem více než 70 domácích a zahraničních publikací. Dlouhodobě spolupracuje s Institutem celoživotního vzdělávání VUT, Brno a katedrou technické a výtvarné výchovy pedagogické univerzity ve Vilniusu (Litevská republika). 5