Ajoitetut portit – silmukasta silmukkaan

Koodaus tai jonkinlainen algoritminen ajattelu on viime vuosina sisällytetty useimpiin kansallisiin opetussuunnitelmiin. Opettajat tarvitsevat konkreettisia ja yksinkertaisia tapoja haastaa oppijat oppimaan ja käyttämään koodausta erilaisissa käytännön haasteissa. Mikro-ohjaimet ovat pieniä tietokoneita, joita käytetään usein opetuksessa, koska ne ovat edullisia ja helposti saatavilla. Arduino on monipuolinen taskukokoinen mikro-ohjain, joka sopii kaiken ikäisille lapsille ja on integroitavissa moniin erilaisiin projekteihin. Mikro:bit on helposti saatavilla oleva, oppimisympäristöissä yleisesti käytetty mikro-ohjain. Sillä on hyvin kehittynyt ja aktiivinen verkkoyhteisö ja joukko ilmaisia online-esimerkkejä ja -projekteja. Micro:bit soveltuu hyvin alkeistason käyttäjille ja alakoulu kontekstiin, sillä sen käyttäminen on yksinkertaista. Se kykenee muodostamaan helposti ja vaivattomasti yhteyden ympäröivään fyysiseen ympäristöön ja olemaan sen kanssa vuorovaikutuksessa. Yksinkertaisetkin luokkahuoneen koodaus tehtävät voivat usein tuntua oppilaista teoreettisista ja abstrakteista. Ympäröivää todellisuutta aistivat mikro-ohjaimet tarjoavat erinomaisia, merkityksellisiltä ja konkreettisilta tuntuvia tapoja työskennellä koodauksen parissa.  Koodaus Projektien yhdistäminen selkeään ja konkreettiseen haasteeseen luokkahuoneessa voi lisätä oppilaiden osallistumista ja sitoutumista. Se, että projektilla on selkeä tarkoitus ja tavoite (tässä tapauksessa nopeuden mittaaminen suunnitteluprojektissa), lisää projektin merkityksellisyyttä ja kiinnostavuutta.  Projekti tarjoaa oppijalle monialaisen haasteen, jonka ratkaisemiseen tarvitaan tietoa ja osaamista koodauksen, perustekniikan, fysiikan, mekaniikan, energian ja liikevoiman aloilta. Monialaisuus on linjassa lukuisten uusien kansallisten opetussuunnitelmien kanssa, jotka korostavat monialaista ja avointa ongelmanratkaisua.

Tämän tehtävän haasteena on saavuttaa marmorikuulan suurin mahdollinen nopeus rakentamalla kilparata letkujen eristys materiaalista (katso kuva 1). Kilparadassa pitäisi olla silmukka. Kilparadan lopussa marmorikuula osuu autoon, ja katsotaan, kuinka nopeasti ja kuinka kauas auto liikkuu. Tämä määrittelee, kuinka hyvin oppija on onnistunut tehtävässä ja kilparadan rakentamisessa. Vaihe 1: Rakenna auto leikkaamalla maitotölkki kahtia, teippaamalla sen alle kaksi pilliä, pujottamalla kukkatikku kuhunkin pilliin ja kiinnittämällä pyörät kummankin kukkatukun päihin. Pillit ja kukkatikku tulee leikata maitotölkin leveyden mukaan. Vaihe 2: Rakenna rata käyttämällä eristysmateriaalia ja teippiä (pituus 5 metriä). Kilparadalla on oltava silmukka jossain ylä- ja alaosan välissä. Testaa ja säädä rataa siten, että marmorikuula voisi liikkua mahdollisimman nopeasti.  Vaihe 3: Lisää joukko alumiinifolio liuskoja niille kahdelle alueelle, joiden yli auto kulkee, sekä auton pyöriin, jotta piiri sulkeutuu, kun auto kulkee kyseisen pisteen ohi. Lisää myös liitännät oikeisiin micro:bitin portteihin. Ajatuksena on, että micro:bit mittaa ensimmäisen piirin sulkeutumisen ja toisen piirin sulkeutumisen välistä aikaa ja laskee sitten auton nopeuden sen ajan mukaan, joka autolla kestää kulkea kahden piirin sulkimen (tunnetun) etäisyyden välillä. Vaihe 4: Ohjelmoi micro:bit mittaamaan auton nopeutta/aikaa/siirtymää. Kisan suorittaminen: 1.     Pudota marmorikuula kuularadan korkeimmasta kohdasta.  2.     Anna marmorikuulan osua autoon kilparadan alaosassa. 3.     Anna auton ohittaa valmisteluissa asettamasi kaksi porttia.  4.     Lue tiedot Micro:Bitistä. 5.     Vertaa tulostasi muihin ryhmiin.

Tavoitteena on saada marmorikuula laittamaan auto liikkeelle mahdollisimman nopeasti ja mitata auton nopeutta. Tämä edellyttää, että oppilaat säätävät kilparadan sellaiseksi, että se antaa marmorikuulalle maksiminopeuden määritellyissä rajoissa. Lisäksi oppilaiden on rakennettava kaksi katkeavaa piiriä, jotka on kytketty micro:bitiin, sekä koodattava micro:bit, jotta he voivat suorittaa haasteen onnistuneesti.

Haasteena on rakentaa kilparata siten, että saavutetaan suurin mahdollinen nopeus, ja tuottaa tästä lukema käyttämällä micro:bitiä. Tehtävää voidaan tehostaa lisäämällä rataan toinen silmukka tai kasvattamalla/lyhentämällä radan pituutta. Toinen parannusehdotus olisi liittää micro:bit autoon, jotta se voisi mitata auton kiihtyvyyttä ja nopeutta.

Tehtävä sopii sekä ohjelmoinnin että omaksuttavan tiedon tason puolesta osoitetulle ikäryhmälle ja sitä vanhemmille kohderyhmille.  Tehtävää voidaan yksinkertaistaa sopimaan pienemmille lapsille, jos opettajat tekevät siitä havainnollistavan esityksen kysymyksiin perustuvan tutkimuksen sijaan. Ei ole vaikeaa saada vanhemmat tai lahjakkaat lapset pohtimaan tämän tehtävän fysiikkaa korkeammalla tasolla.  Ohjelmoinnin osalta on varmasti olemassa tapoja muokata koodia muiden asioiden laskemiseksi tai tehostamiseksi.Kokoonpano – ohjelmointi ja fysiikan ymmärtäminen ei ole vaikeaa 11–12-vuotiaille lapsille.

Projektia voidaan yksinkertaistaa ja soveltaa monin tavoin. Yksinkertainen vaihtoehto on leikkiä marmorikuulalla kilparadalla ja katsoa, kuinka pitkälle marmorikuula vierii. Vaihtoehtoisesti voidaan myös tarkastella, kuinka pitkälle auto vierii.Toinen tapa tehdä tämä tehtävä on kehittää vain auton nopeusmittari piirejä ja siirtää autoa käsin piirien yli.

Tämä STEAM-oppimistehtävä paja on suunnattu peruskoulun opettajille, jotka haluavat luoda fyysisen työpajan, joka sisältää yksinkertaista suunnittelua, mekaniikkaa, elektroniikkaa, tietojenkäsittely taitoja ja koodausta.

Toiminta voidaan suorittaa työpajassa kuudessa vaiheessa: 1. Micro:bit-koodauksen ja yksinkertaisen johdotuksen esittely yksinkertaisten esimerkkien avulla. (~60 minuuttia) 2. Pyydä opettajia rakentamaan silmukallinen rata, ja pyydä heitä testaamaan rataa. Pyydä heitä rakentamaan auto ja testaamaan kokonaisuutta uudelleen marmorikuulalla. (~30 minuuttia) 3. Pyydä opettajia pohtimaan, kuinka auto voi sulkea kaksi piiriä, kun se liikkuu niiden yli. Lopuksi näytä tästä muutamia esimerkkejä, ja pyydä opettaja ryhmiä aloittamaan tehtävän parissa työskentely. (~30 minuuttia) 4. Yhdistä micro:bitin portit piireihin ja koodaa micro:bit (voidaan tehdä ohjaajan avustuksella). (~30 minuuttia) 5. Suorita tehtävä muutaman kerran ja toteuta mahdolliset säädöt. (~20 minuuttia) 6. Järjestä kilpailu ryhmien välillä suorittamalla tehtävä viimeisen kerran kaikkien ryhmien kanssa. (~15 minuuttia)

• Gibson & Bradley (2017). A study Northern Ireland Key Stage 2 pupils´perceptions of using the BBC Micro:bit in STEM education 
• https://ojs.cumbria.ac.uk/index.php/step/article/view/374 
• Sentance et.al (2017). Creating cool stuff – Pupils´experience of the BBC micro:bit
• https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3017680.3017749 
• Korhonen, T., Salo, L., & Sormunen, K. (2019). Making with micro: Bit: Teachers and students learning 21st century competences through the innovation process. In Proceedings of FabLearn 2019 (pp. 120-123).
• Simović, V., Veskovic, M., & Purenovic, J. (2022). Micro: bit as a new technology in education in primary schools. In Proceedings TIE 2022 9th International Scientific Conference Technics and Informatics in Education. University of Kragujevac, Faculty od Technical Sciences, Čačak.