Έξυπνη καταγραφή πειραματικών μετρήσεων στο εργαστήριο ηλεκτρολογίας με χρήση ανοιχτών τεχνολογιών
Σχολείο: Εσπερινό ΕΠΑΛ Αλιάρτου
Τάξεις: Β’ και Γ’ Ηλεκτρολόγου
Περιγραφή project
Το project αφορά στη δημιουργία ενός συστήματος αυτόματης καταγραφής και ψηφιακής αρχειοθέτησης πειραματικών μετρήσεων ηλεκτρικών κυκλωμάτων, με χρήση αποκλειστικά ανοιχτού λογισμικού και ανοιχτού υλικού (open hardware).
Στο πλαίσιο των εργαστηριακών ασκήσεων Ηλεκτρολογίας, οι μαθητές μέτρησαν τιμές τάσης και ρεύματος σε κυκλώματα που υλοποίησαν οι ίδιοι. Αντί για καταγραφή σε χαρτί, τα δεδομένα συλλέγονταν αυτόματα μέσω Arduino, αποστέλλονταν στο Node-RED (εγκατεστημένο σε Raspberry Pi Zero 2W) και από εκεί στην εκπαιδευτική πλατφόρμα MoodleBox (εγκατεστημένη σε Raspberry Pi 500), χωρίς σύνδεση στο διαδίκτυο — μια πλήρως αυτόνομη και φορητή εκπαιδευτική υποδομή.
Τεχνολογίες και εξοπλισμός
Όλες οι τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν είναι ανοιχτές και ελεύθερες:
-
Arduino — συλλογή αναλογικών μετρήσεων από αισθητήρες τάσης και ρεύματος
-
Node-RED — ροή επεξεργασίας και αποστολής δεδομένων
-
MoodleBox — εκπαιδευτική πλατφόρμα τοπικού δικτύου
-
Raspberry Pi Zero 2W & Raspberry Pi 500 — διακομιστές εκτέλεσης
-
3D εκτύπωση — κατασκευή θηκών προστασίας εξοπλισμού
-
Αισθητήρες τάσης και ρεύματος — στερεωμένοι σε ξύλινες βάσεις για ευκολότερη συνδεσμολογία
-
Πρωτότυπη πλακέτα (breadboard & PCB) — για την υλοποίηση του κυκλώματος μετρήσεων
Εκπαιδευτική αξία
Η υλοποίηση του project σε πολλαπλά επίπεδα — σχεδιασμός, κατασκευή, προγραμματισμός, δοκιμή, αποσφαλμάτωση — ενεργοποίησε τους μαθητές ουσιαστικά και τους έβαλε απευθείας σε επαφή με τις πραγματικές συνθήκες τεχνολογικής ανάπτυξης. Μέσα από την ανάγκη να τροποποιήσουν τον αρχικό σχεδιασμό κατά τη διάρκεια υλοποίησης, οι μαθητές βίωσαν τη διαφορά ανάμεσα στη θεωρία και την πράξη, αναπτύσσοντας δεξιότητες επίλυσης προβλημάτων, κριτικής σκέψης και ομαδικής εργασίας.
Το MoodleBox είναι μια εκπαιδευτική πλατφόρμα ανοιχτού λογισμικού που τρέχει πάνω σε ένα Raspberry Pi και δημιουργεί ένα τοπικό ασύρματο δίκτυο χωρίς καμία σύνδεση στο διαδίκτυο. Βασίζεται στο γνωστό σύστημα διαχείρισης μάθησης Moodle και ο σκοπός του είναι να φέρει την ψηφιακή εκπαίδευση παντού — ακόμα και σε χώρους χωρίς WiFi ή υποδομή δικτύου, όπως ένα σχολικό εργαστήριο. Οι μαθητές συνδέονται στο δίκτυό του από τις συσκευές τους, έχουν πρόσβαση σε δραστηριότητες, ασκήσεις και υλικό που έχει ετοιμάσει ο εκπαιδευτικός, και μπορούν να καταθέτουν εργασίες ή δεδομένα — όλα τοπικά, άμεσα και χωρίς κόστος.
Στάδια υλοποίησης
-
Σχεδιασμός κυκλώματος βάσει datasheet εξαρτημάτων
-
Κατασκευή θηκών με 3D εκτυπωτή για Arduino και Raspberry Pi
-
Στερέωση αισθητήρων σε ξύλινες επιφάνειες
-
Υλοποίηση πρωτότυπης πλακέτας μετρήσεων
-
Αντιμετώπιση προβλημάτων και αναθεώρηση κυκλώματος
-
Ανάπτυξη κώδικα Arduino για σειριακή επικοινωνία
-
Εγκατάσταση και διαμόρφωση Node-RED και MoodleBox
-
Ασύρματη διασύνδεση των συστημάτων
-
Επαναλαμβανόμενες δοκιμές και αποτίμηση αποτελεσμάτων
Τι δεν ολοκληρώθηκε — και γιατί αξίζει να αναφερθεί
Η ειλικρίνεια είναι μέρος της επιστημονικής μεθόδου. Η δεύτερη πλακέτα, που αφορά συνδεσμολογία αντιστάσεων παράλληλα με τέσσερα αμπερόμετρα και ένα βολτόμετρο, έχει ήδη υλοποιηθεί υλικά — το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο. Αυτό που παραμένει σε εκκρεμότητα είναι η ανάπτυξη του λογισμικού (κώδικας Arduino και ροή Node-RED) που θα το υποστηρίζει πλήρως. Επομένως η πλακέτα υπάρχει και είναι έτοιμη να ενσωματωθεί μόλις ολοκληρωθεί το αντίστοιχο λογισμικό.
Όσον αφορά στη μεταφορά των αρχείων μετρήσεων στο MoodleBox, η λειτουργία αυτή παρέχεται και είναι διαθέσιμη — απλώς όχι ακόμα πλήρως αυτοματοποιημένη. Ο χρήστης μπορεί να μεταφέρει τα δεδομένα είτε χειροκίνητα (manual) είτε μέσω USB stick, με ελάχιστες κινήσεις. Ο στόχος για τη συνέχεια είναι η μετάβαση σε πλήρη αυτόματη αποστολή χωρίς καμία χειροκίνητη παρέμβαση.
Και οι δύο λειτουργίες, δηλαδή η υποστήριξη της δεύτερης πλακέτας και η αυτοματοποιημένη μεταφορά αρχείων, αποτελούν τα επόμενα συγκεκριμένα βήματα για την εξέλιξη του project.
Αποτίμηση
Το project ολοκληρώθηκε σε ικανοποιητικό επίπεδο και επιβεβαίωσε ότι ανοιχτές τεχνολογίες χαμηλού κόστους μπορούν να ενσωματωθούν αποτελεσματικά στο σχολικό εργαστήριο, μετατρέποντας την κλασική εργαστηριακή άσκηση σε μια ολοκληρωμένη εμπειρία STEM με πραγματικά δεδομένα και πραγματική τεχνολογία.
Για όλες τις λεπτομέρειες του project επισκεφθείτε την σελίδα