Timing-porter - loop i loop

Konstruer en løpebane for en ball på en slik måte at ballen beveger en bil ved enden av løpebanen så langt som mulig. Ved å bruke en mikrokontroller for å måle hastigheten på bilen gir prosjektet en enkel og tilgjengelig blanding av praktiske ingeniørferdigheter og koding. Ved å bruke Micro:bit-kontrollere i denne praktiske og spørsmål-baserte aktiviteten kan elever utvikle kodeferdigheter for å løse en tverrfaglig utfordring fra det virkelige liv.

Koding eller former for algoritmisk tenkning har i de siste årene vært inkludert i de fleste nasjonale læreplaner. Lærere trenger konkrete og enkle måter å utfordre elever til å lære å bruke koding for relevante og praktiske utfordringer. Mikrokontrollere er små datamaskiner som ofte brukes i undervisningssammenheng da de kan være billige og lett tilgjengelige. Arduino er en allsidig mikrokontroller i lommestørrelse som kan integreres i alle slags prosjekter, noe som gjør den egnet for barn i alle aldre Mikrobit-en er en lett tilgjengelig og er en ofte brukt mikrokontroller i undervisningsmiljøer. Den har et godt utviklet og aktivt nettsamfunn og en rekke gratis eksempler og prosjekter på nettet. Enkelheten til micro:bit og muligheten til enkelt å koble til og samhandle med det fysiske miljøet gjør denne mikro-kontrolleren til en svært nyttig enhet på inngangsnivå for bruk i tidlig barneskolegang.  Svært ofte kan enkle kodeoppgaver i klasserommet fremstå som veldig teoretiske og abstrakte for elevene. Mikrokontrollere med sin evne til å sanse og samhandle med virkeligheten rundt dem gir utmerkede måter å jobbe med koding på. Måter som fremstår som relevante og konkrete for elevene.  Å integrere kodeprosjekter med en klar og konkret utfordring i klasserommet kan øke involvering fra elevene og engasjementet. I tillegg, ved å få prosjektet til å dreie seg om et formål, som i dette eksempelet, måling av hastighet i et ingeniørprosjekt, gjør det prosjektet relevant og engasjerende for elevene.  En slik prosjektutfordring gir også eleven en tverrfaglig utfordring da kunnskap og kompetanse innen koding, grunnleggende ingeniørarbeid, fysisk mekanikk, energi og bevegelsesmengde er nødvendig for å løse denne utfordringen. Dette er i samsvar med mange nye nasjonale læreplaner der tverrfaglighet og mer åpen problemløsning er en fremvoksende egenskap.

Utfordringen med denne aktiviteten er å oppnå høyest mulig hastighet på en kule ved å konstruere en løpebane ved hjelp av materiale til bruk for isolering av slanger (se figur 1). Løpebanen skal ha en loop på seg. På slutten av løpebanen vil klinkekulen treffe en enkel bil, og suksessen til løpebanen ved å gi klinkekulen hastighet og påfølgende bevegelsesmengde blir deretter skåret basert på hvor raskt og langt bilen beveger seg. Trinn 1: Konstruer bilen ved å kutte melkekartongen i to, teipe to sugerør under, stikke en blomsterpinne inn i hvert sugerør og feste hjulene i hver ende av de to blomsterpinnene. Strå og blomsterpinne bør kuttes for å passe med bredden på melkekartongen. Trinn 2: Konstruer løpebanen ved å bruke materialet for isolasjon og tapen (5 meter lang). Løpebanen må ha en loop et sted mellom toppen og bunnen. Test løpebanen kontinuerlig og juster den for å få klinkekulen til å bevege seg så fort som mulig.  Trinn 3: Legg til et sett med strimler av tinnfolie på to områder hvor bilen skal passere, og til hjulene på bilen slik at en krets blir lukket når bilen kjører over. Den har tilkoblinger til relevante porter på micro:bit-en. Tanken er at micro:bit-en skal måle tiden mellom når den første kretsen er lukket til når den andre kretsen er lukket, og deretter beregne hastigheten på bilen ved å måle tiden bilen bruker på å kjøre mellom den (kjente) avstanden mellom de to krets-lukkerne. Trinn 4: Programmér mikro:bit-en for å måle hastigheten/tiden/forskyvningen til bilen. Gjennomføring av løpet: 1.     Slipp klinkekulen fra det høyeste punktet på løpebanen for kulen.  2.     La klinkekulen treffe bilen i bunnen av løpebanen 3.     La bilen passere de to portene du satte opp under forberedelsene.  4.     Les dataene fra Micro:Bit 5.     Sammenlign resultatet med de andre gruppene

Målet er å få klinkekulen til å få bilen til å bevege seg så fort som mulig, samt å måle hastigheten på bilen. Dette vil kreve at elevene justerer løpebanen for å gi klinkekulen maksimal hastighet innenfor spesifikasjonenes grenser. Videre vil elevene også måtte konstruere to kretser som kan brytes som er koblet til mikro:bit-en, og kode mikro:bit-en for å kunne fullføre utfordringen.

Utfordringen er å konstruere en løpebane på en slik måte at den oppnår maksimal hastighet og produserer en avlesning av denne ved å bruke en micro:bit. En forbedring av aktiviteten kan være å legge til en ny loop til løpebanen eller å øke eller redusere lengden på løpebanen. En annen forbedring ville vært å ha en micro:bit ombord i bilen for å måle akselerasjon og hastighet.

Både programmeringen og vitenskapen er på et nivå som passer best for den tiltenkte aldersgruppen eller høyere. Aktiviteten kan skaleres ned for å passe svært små barn hvis lærerne utvikler den til en demonstrasjon i stedet for en utforskning basert på undersøkelser. Det er ikke vanskelig å få eldre eller begavede barn til å reflektere over fysikken i denne aktiviteten på et høyere nivå. Når det gjelder programmering vil det mest sannsynlig finnes måter å modifisere koden for å beregne andre ting, eller gjøre den mer effektiv. Oppsettet – programmering og å faktisk å forstå fysikken er ikke vanskelig gjøre for barn i alderen 11-12.

Dette prosjektet kan forenkles og omorganiseres på mange måter. En veldig enkel alternativ versjon er å bare leke med klinkekulen i en løpebane og se hvor langt kulen ruller. Alternativt, hvor langt bilen ruller. En annen måte å gjøre denne aktiviteten på er å kun utvikle kretsene for å måle hastighetene til bilen, og rett og slett flytte bilen for hånd over kretsene.

Denne STEAM-workshopen for læring gjennom aktivitet henvender seg til grunnskolelærere som ønsker å lage en fysisk workshop og legge til enkelt design, mekanikk, elektronikk og data og kodeferdigheter.

Denne aktiviteten kan gjennomføres i en workshop i seks trinn: 1. Introduser micro:bit-koding og enkel kabling ved å gå gjennom noen enkle eksempler. (~60 minutter). 2. La lærerne bygge løpebanen med loopen og få dem til å teste dette. La de konstruere bilen og test på nytt igjen med en klinkekule. (~30 minutter) 3. La lærerne tenke gjennom og diskutere hvordan bilen kan lukke to kretser når den kjører over de. Vis til slutt noen eksempler på dette og få grupper av lærere til å begynne å jobbe med dette. (~30 minutter) 4. Koble porter fra micro:bit-en til kretsene, kode micro:bit-en (med hjelp fra instruktør). (~30 minutter) 5. Kjør oppsettet noen ganger, med rom for justeringer. (~20 minutter) 6. Ha en konkurranse mellom gruppene ved å kjøre oppsettet en siste gang for hver gruppe (~15 minutter)

• 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.