Open source a školní měřicí systémy ve výuce chemie a STEM vzdělávání

• Thesis title in Czech: Open source a školní měřicí systémy ve výuce chemie a STEM vzdělávání
• Thesis title in English: Open source and Probeware in chemistry teaching and STEM education
• Key words: STEM, vzdělávání v chemii, školní měřicí systémy, Open Source
• English key words: STEM, Chemistry Education, Probeware, Open Source
• Academic year of topic announcement: 2020/2021
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Department of Chemistry Education (31-280)
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Šmejkal, Ph.D.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 22.10.2020
• Date of assignment: 22.10.2020

Guidelines

MC280C14 Pokročilé experimenty ve výuce chemie
MC280P26 Pedagogické a didaktické aspekty výuky přírodovědných oborů
MPGS0109 Výzkumné metody v didaktice chemie
MC280P65 Počítače a internet v chemii I (a II)

References

Petr Šmejkal, Habilitační práce, Praha, 2019 a literatura obsažená

Preliminary scope of work

1. Průmysl 4.0 a STEM
Žijeme v době bouřlivého pokroku. Digitální technologie vstupují prakticky do všech odvětví našich činností. Nové technologie přitom ovlivňují i takové oblasti, ve kterých to na první pohled nemusí být viditelné. Dovolím si jeden příklad za všechny. Všudypřítomný „chytrý telefon“ se, s odpovídající „aplikací“, stává významným nástrojem v rukou „dřevařů“ např. při práci s vytěženým dřevem – software s prvky umělé inteligence dokáže vést pracovníka k pořízení fotografie skládky dřeva a obratem vypočte objem skladovaného dřeva, zaznamená GPS souřadnice, vytvoří protokol s přehledem průměrů jednotlivých klád, navrhne optimální využití jednotlivých průměrů při dalším zpracování (a zohlední při tom požadavky zákazníků), navrhne způsob transportu, vyčíslí náklady, případně naplánuje nakládku, objedná dopravce, vytiskne QR kódy pro označení klád, … a to není zdaleka vše. Práci, která dříve trvala celé hodiny a zaměstnávala několik osob, má nyní hotovou jeden člověk během chvilky. Příklad s kládami je přitom typickou ukázkou obrovského průmyslového vlivu digitálních technologií a také předzvěstí velkých změn, a to i tam, kde bychom je třeba vůbec nečekali – vítejte v Průmyslu 4.0! A čeho všeho se Průmysl 4.0 týká? Jak to souvisí se vzděláváním? Již ve studii „Dopady Průmyslu 4.0 na trh práce v ČR“ (Národní observatoř zaměstnanosti a vzdělávání, Národní vzdělávací fond, o.p.s., 2017) je uvedeno: „Vize Průmyslu 4.0 odrážejí obecný trend pohybu ke společnosti znalostí, který je stále více umocňován informatizací a kybernetizací většiny procesů v oblasti výroby, služeb i fungování státu. Tyto změny budou mít zásadní vliv na požadované kvalifikace a na trh práce obecně, přičemž bude třeba uvažovat i sociální aspekty těchto dopadů. Budou se prosazovat nové principy organizace práce, bude docházet ke změně role zaměstnance, ke změnám ve struktuře i pracovní náplni většiny profesí, budou vyžadovány zcela nové dovednosti, projeví se dopady na vývoj zaměstnanosti a nezaměstnanosti. V důsledku toho bude nezbytné nově nastavit politiky trhu práce, vzdělávání a sociální politiku tak, aby lidem i podnikům usnadnily realizovat potřebné změny plynule a při únosných sociálně-ekonomických podmínkách. Odkládání či brzdění změn by vedlo jen k růstu napětí a k ekonomickým i společenským ztrátám.“ V souvislosti s vizí Průmyslu 4.0, která se v řadě oborů již uplatňuje, se objevuje také koncept Vzdělávání 4.0, který se snaží reflektovat požadavky nastupujícího Průmyslu 4.0. Jedním z prvků je tzv. celoživotní vzdělávání (INICIATIVY PRŮMYSL 4.0, PRÁCE 4.0 A VZDĚLÁVÁNÍ 4.0. EQF, Národní ústav pro vzdělávání [online]. [cit. 2020–04–15]. Dostupné z: http://www.nuv.cz/eqf/iniciativy-prumysl-4-0-prace-4-0-a-vzdelavani-4-0). Dalším prvkem je tzv. „polytechnický přístup“, který úzce souvisí se stále více používanou zkratkou STEM (Science – Technology – Engineering – Mathematics). Tato zkratka se vyskytuje hned v několika podobách. Mimo STEM je to varianta STEAM (ta je nejčastější), či STREAM. Ve všech případech jde o poměrně nový vzdělávací koncept, který spojuje hned několik oborů a předmětů do konzistentního celku. Co se ve zkratce skrývá konkrétně? Jsou v ní ukryty přírodní vědy (Science), technologie (Technology), technika/konstruování (Engineering) a matematika (Mathematics). Varianta STEAM obsahuje navíc umělecký aspekt (Art). Jak si to představit? S žáky se můžeme věnovat např. problematice krystalizace, což má zřejmý vědecký základ, ale když použijeme výsledek, vypěstované krystaly, k tvorbě náušnic nebo náhrdelníku, přichází na řadu umělecké vyjádření žáků. Zastánci rozšíření zkratky o písmenko R na STREAM zdůrazňují, že nezbytnou součástí vzdělání je také gramotnost, která je chápána jako základ pro kritické myšlení a kreativitu. Písmeno R (Reading = čtení) zde potom zastupuje čtení a psaní. A právě vzděláváním v duchu STEM, zohledňujícím požadavky Průmyslu 4.0, bych se chtěl zabývat ve své práci.
2. Školní měřicí systémy ve vzdělávacím procesu
Již řadu let se na školách zabydluje různorodá instrumentální technika ve formě tzv. školních měřicích systémů. Jejich využití, především v přírodních vědách, hraje velmi důležitou roli, neboť činí výuku názornější a do značné míry i zajímavější a dále umožňuje vizualizovat jevy, které není možné žákům prezentovat jiným způsobem, popř. jejich demonstrace je s využitím školních měřicích systémů jednodušší. Ať už se jedná o kterýkoli ze systémů na trhu, např. od firem NeuLog, PASCO, Vernier a dalších, jde o „uzavřený“ systém, do kterého učitel ani žáci „přímo nevidí“, a často je používán jako typický „black box“ – žákům jsou předkládána určitá „čísla“ a ti je pak bez kritického posouzení přebírají jako „pravdivá“.
S nástupem trendu podpory Průmyslu 4.0, a tím pádem většího zaměření na polytechnickou výchovu, dostává práce se školními měřicími systémy další rozměr. Jde o to nejen využívat zmiňované systémy k nějakému přírodovědnému měření a zkoumání různých jevů a jejich zákonitostí, ale také lépe porozumět tomu, jak takový měřící systém funguje, co vlastně jednotlivá čidla zaznamenávají a na jakém principu pracují. Právě tyto kompetence vedou ke správnému a smysluplnému využívání měřicích systémů v praxi, ať už ve školním nebo průmyslovém prostředí. Na tento rozměr využití měřicích systémů ve výuce se ale často zapomíná. Důraz na pochopení principu fungování různých čidel opomíjí již samotní výrobci a tvůrci výukových materiálů a učitelé pak v tomto trendu často pokračují.
2.1 Měření s Open Source
Zajímavou možnost do této oblasti vnáší „měření“ s využitím tzv. open source řešení. (Otevřený software, ale často také hardware, ke kterému je volně dostupná dokumentace. Open source řešení jsou často uvolněna pod některou z tzv. „volných“ licencí, např. GNU GPL, a můžeme je dále upravovat podle své potřeby.) Byla publikována celá řada prací, které se zabývají problematikou dílčích chemických měření s využitím různých relativně levných řešení, např. postavených na mikrokontrolérech Arduino. Společnou výhodu těchto jednotlivých projektů spatřuji především v tom, že měření je možno realizovat velice levně a současně se žáci při experimentování posunují o úroveň „níže“ – tedy seznamují se s principem a fungováním určitého čidla nebo modulu. Tím pádem je zapojení kritického myšlení při vyhodnocování naměřených dat mnohem přirozenější než v případě „black box“ systémů.
3. Vlastní zaměření práce
Ve své práci bych se chtěl zaměřit na problematiku výuky chemie s využitím open source školních měřicích systémů a STEM badatelských experimentů s důrazem na pochopení nejen problematiky „chemie“, ale také problematiky vlastního měření (čidla a jejich princip, AD převodníky, kalibrace, …).
3.1 Výzkum (a vývoj) open source školního měřicího systému
Jedním z prvních úkolů, kterými bych se chtěl v rámci své práce zabývat, je použitelnost publikovaných technických řešení v reálné výuce. Problém vidím především v tom, že publikovaná elektronická zapojení jsou často realizována pouze jako prototyp na nepájivém poli a skutečná univerzální použitelnost při výuce se skupinou žáků je zde velmi problematická (rozpojení obvodu, polití roztokem, vzdálenější umístění čidla, …). Mým cílem by v této první části bylo nalezení či vytvoření takového open source řešení, které by bylo použitelné ve výuce přírodních věd obecně a univerzálně jako skutečný školní měřicí systém, a ne pouze jednotlivá zapojení např. pro měření elektrické vodivosti. Takový systém by měl obsahovat nejběžnější čidla použitelná v chemii (měření teploty, pH, vodivosti, tlaku, koncentrace kyslíku, koncentrace oxidu uhličitého, koncentrace plynného ethanolu, zákalu, …). Předpokládám, že řada věcí typu zátek, krabiček, uzávěrů, držáků apod. by byla řešena s využitím 3D tisku. Tento inovativní přístup by byl jistě značným přínosem také pro učitele, který chce digitální měřicí technologie při výuce používat, ale nemá dostatek finančních prostředků, stejně jako pro učitele, který chce jít se svými žáky více do hloubky k principu měření s různými čidly.
3.2 Využití systému ke koncepci a tvorbě materiálů zaměřených na STEM
Jako druhý úkol vidím výběr a návrh vhodných experimentů a vytvoření odpovídajících didaktických materiálů. Prvním krokem by byla rešerše v odborném tisku s důrazem na STEM problematiku (Google Scholar vrátí v polovině dubna na dotaz „chemistry STEM education“ od začátku roku 2020 více jak 3400 odborných prací s touto tematikou). S používáním školních měřicích systémů se váže jeden nešvar, a to obvyklá praxe vzít existující laboratorní „protokoly“ a „naroubovat“ na ně nějaké to digitální čidlo tak, že místo rtuťového teploměru použijeme teploměr digitální a budeme zaznamenávat změnu teploty v čase do grafu. To je jistě možné, ale rozhodně to není optimální. Cílem této části práce by bylo vytvoření sady badatelských chemických experimentů, které půjdou napříč učivem chemie. Rád bych použil STEM/STREAM koncept výuky a v rámci každého badatelského projektu tím pádem vedle chemie kladl důraz i na další oblasti (např.: technika = měřicí systém; konstruování = 3D modelování a 3D tisk; matematika = kalibrace, výpočty, přepočty;…). Díky otevřenosti řešení měřicího systému se nabízí také vazba na automatizaci a robotiku, což je v současnosti velice aktuální trend, kterým se zabývají i komerční dodavatelé školních měřicích systémů. (Např. PASCO na přelomu roku 2019/2020 přišlo se svým řešením ve stylu posunu od „naměř a pochop“ k „přetvoř a uchop“. Jde přitom o malý první krok s velice omezenými možnostmi.) Vytvořené podklady k experimentům by měly obsahovat metodické komentáře pro učitele, motivační část, schematické návody a „pracovní listy“ pro žáky, 3D modely, schémata zapojení, schémata vysvětlující fungování čidel apod. Důraz u materiálů pro žáky by byl kladen na „grafickou komunikaci“ s minimálním množstvím textu, čímž bude následně zjednodušená lokalizace materiálů do dalších jazyků. Vzniknout by tak měla ucelená zcela originální sada materiálů. Není mi známo, že by obdobná sada materiálů byla k dispozici.
3.3 Ověření materiálů
Třetím krokem v mé práci by bylo ověření přínosu vzniklých materiálů. Základní metodou pro vyhodnocení přínosu vzniklých materiálů by bylo dotazníkové šetření mezi žáky dvou skupin. První skupina (testovací) by, na rozdíl od druhé, kontrolní, skupiny, absolvovala výuku s využitím vzniklých materiálů. Dotazníkové šetření by se mělo zaměřit především na získané kompetence s důrazem na kompetence k řešení problémů, kompetence pracovní (včetně týmové spolupráce), kompetence k učení a kompetence komunikativní.Uvědomuji si, že hodnocení kompetencí je poměrně náročné a důležitým prvkem takového hodnocení je i sebereflexe žáka. Také zde bude nezbytná rešerše v odborné literatuře. Protože mým cílem není tvorba a evaluace dotazníku testujícího klíčové kompetence žáků, chtěl bych k sestavení dotazníku využít především již publikované a ověřené přístupy a metody. Dobrým obecným základem v této oblasti je řada studií, které publikoval Národní ústav pro vzdělávání (např. Přístupy k hodnocení klíčových kompetencí ve vybraných zahraničních zemích, Národní ústav pro vzdělávání [online] [cit. 17. 04. 2020]. Dostupné z: http://www.nuv.cz/vystupy/pristupy-k-hodnoceni-klicovych-kompetenci-ve-vybranych-1. Jako velice užitečnou v tomto bodě spatřuji též analýzu České školní inspekce (Analýza zahraničních systémů hodnocení klíčových kompetencí, Česká školní inspekce, Praha, 2018).