Verantwoording

Didactiek

De didactische basis voor dit project is het “Learning by design” principe. Het basisidee daarvan is om de kennis van de exacte wetenschappen kunnen worden verdiept door middel van het realiseren van een technisch ontwerp. Het belangrijkste kenmerk van deze didactische vorm is het verdiepende element dat een prominente rol speelt in het realiseren van zo’n ontwerp. (Geuzebroek-Frederik, 2007).

Learning by design is niet nieuw, en het leerrendement van deze onderwijsvorm zijn niet altijd positief. Recent gepubliceerd wijst er echter op dat een reeks kleine aanpassingen in het concept kan leiden tot een kwalitatief sterk leerproces.

De hier gepresenteerde cursus past in het FITS-model (Focus, Investigation, Technological design, Synergy) van van Breukelen. De onderzoekers wijzen op het hoge rendement van hun model met betrekking tot verdieping van begrip van bestaande concepten, echter, het model levert weinig extra rendement met betrekking tot het aanleren van nieuwe concepten (Van Breukelen, 2016).

Derhalve is deze cursus erop gericht om voor de leerlingen bekende concepten zoals de spanningsdeler te laten toepassen in een bekend ontwerp met relatief eenvoudige code.

Het Synergy-element is een van de belangrijkste onderdelen van het FITS model: het betreft de samenwerking. Op zich kan de docent hier een faciliterende rol in spelen, echter, het is beter voor leerlingen om deze synergie zelf te vinden. Om de instap van leerlingen in de (online) Maker communities te vereenvoudigen  is het taalgebruik qua vorm, stijl en inhoud aangepast aan de taal die wordt gehanteerd in dit soort Idea-Make-Share discussiegroepen. De cursus sluit dan ook af met verwijzingen naar enkele populaire (en toegankelijke) plekken van gelijkgestemden.

Examendomeinen

Dit project sluit aan, of is ondersteunend voor de volgende examendomeinen.

HAVO

  • Subdomein A1: Informatiervaardigheden
  • Subdomein A5: Onderzoeken
  • Subdomein A6: Ontwerpen
  • Subdomein A8: Natuurwetenschappelijk instrumentarium
  • Subdomein A10: Kennisontwikkeling en -toepassing.
  • Subdomein A11: Technisch-instrumentele vaardigheden.
  • Subdomein A14; Vakspecifiek gebruik van de computer.
  • G1 (Gebruik electriciteit)
  • G2 (Technische automatisering)
  • Subdomein I3: Ontwerp.

VWO

  • Subdomein A1: Informatiervaardigheden
  • Subdomein A5: Onderzoeken
  • Subdomein A6: Ontwerpen
  • Subdomein A8: Natuurwetenschappelijk instrumentarium
  • Subdomein A10: Kennisontwikkeling en -toepassing.
  • Subdomein A11: Technisch-instrumentele vaardigheden.
  • Subdomein A14; Vakspecifiek gebruik van de computer.
  • Subdomein E1: Elektrische systemen.
  • Subdomein I3: Ontwerp.

 Verdiepingssuggesties

Een project als dit heeft veel didactische aanknopingspunten. Zo is er het uitbreidingsprincipe. Door een LED/LDR combinatie toe te voegen kan de robot achterhalen in welke richting hij moet draaien om zo snel mogelijk weer een wit vlak te vinden: hij krijgt orientatie. Daarnaast vereenvoudigt deze opzet de mogelijkheid om van de robot een lijnvolger te maken. Een nieuw, codeeraspect hierbij is het bewerken van variabelen.

Een LCD-shield

Daarnaast is het mogelijk om de Arduino uit te rusten met shields, zoals een LCD-display om de actuele toestand van de robot weer te kunnen geven. Hiervoor is een aparte library out-of-the box beschikbaar.

Een eenvoudigere uitbreiding is door de Arduino niet te starten door middel van een drukknop, maar door middel van een andere sensor, zoals een microfoon. Ook hiervoor heeft Arduino een library. De code voor toepassing van deze sensor kan vlot worden toegepast in de bestaande code. Het belangrijkste is dat er ergens een HIGH of LOW signaal bestaat waarmee de activering van de robot (deze code staat de start van de loop { })  kan worden aangestuurd.

Technische verantwoording

Dit project is bedoeld als een eerste kennismaking met Arduino, en de mogelijkheden van het systeem. De belangrijkste basis concepten van de programmeren, de Arduino programmeertaal en bovenal de hardwarematige uitvoering komen aan bod.

Een hier toepaste servo met wiel.

De code is gebaseerd op de toepassing van de Parallax Continuous Servo vanwege de eenvoudige aansturing middels de bibliotheek <Servo.h>. Dit is een bijzondere servo in die zin, dat de meeste servo’s een beperkte draaihoek hebben, laat staan continue rotatie. Daarnaast stellen de meeste servomotoren minder eisen aan de toegepaste hardware. (zo wordt een gelijkstroommotor vaak aangestuurd via een Arduino Shield of een H-brug IC, zoals de SN754410).

De weerstanden zijn gekozen zodat de waarde van de weerstand ongeveer gelijk is aan de referentiewaarde van de toegepaste LDR (in dit geval 470 ohm). Dit geeft een gunstig meetbereik voor de Arduino als deze worden toegepast in de spanningsdeler.

De toepassing van twee spanningsbronnen zorgt ervoor dat schakelpulsen van de servo’s worden geminimaliseerd voordat zij de Arduino bereiken. Dit kan echter ook leiden tot een zwevende massa. De Arduino is dan niet meer in staat om onderscheid te maken tussen hoog en laag. Om dit probleem te verhelpen wordt de GND poort van de Arduino verbonden met de – pool van de batterij.

De ene servo is ges;piegeld ingebouwd.

Een opvallend ding in de code is dat de rechterservo in tegenovergestelde richting moet worden aangestuurd als de linkerservo. Dat heeft te maken met de plaatsing. Doordat de servo’s in spiegelbeeld zijn opgenomen in het ontwerp heeft een voorwaartse beweging voor de ene servo een tegenovergesteld effect op de andere (spiegelbeeld).

Daarnaast wordt de draaibeweging van de robot uitgevoerd door de twee servo’s in gelijke richting te laten draaien. Dat heeft als effect dat het ene wiel voorwaarts rijdt, terwijl het andere in achterwaartse richting draait.

Literatuur

Geuzebroek-Frederik, I. & Vrijman-Van Putten, M. (Red.) (2007). Ontwerpen moet je doen: creativiteit en motivatie met technisch ontwerpen. Groningen: NVON.

Van Breukelen, D., Michels, K., Schure, F. & De Vries, M. (2016a). The FITS model: An improved Learning by Design approach. Australasian Journal of Technology Education 3, 1-16