Project:Physical Computing

Opzet en resultaten

Het doel van de module is docenten en leerlingen kaders en ondersteuning bieden. Dat betekent dat de module het volgende gaat bieden.

Leerdoelen en concepten

We maken concreet wat de docent van leerlingen moet verwachten om aan de leerdoelen van dit keuzethema te voldoen. Het gaat daarbij om enerzijds concepten en anderzijds vaardigheden. De leerdoelen en de vaardigheden uit het vernieuwde examenprogramma (http://www.slo.nl/organisatie/recentepublicaties/adviesinformatica/) vormen de basis. In de module zullen alle drie basisvaardigheden zoals beschreven in het nieuwe examenprogramma een plek krijgen. We interpreteren physical computing breder dan robotica.

Concreet resultaat module

• Lijst van concrete leerdoelen, zowel wat betreft concepten als wat betreft vaardigheden.
• Een concept-map waarin de centrale concepten en de relaties tussen deze concepten en met concepten buiten deze module staan beschreven

Verbinding tussen theorie en praktijk, open problemen

In deze module legt de leerling een verbinding tussen theorie en praktijk. De leerling leert op basis van de theorie zelf een fysiek digitaal artefact te ontwerpen en ontwikkelen en daarmee te experimenteren. Anderzijds zou het mooi zijn als de leerling ook begrip ontwikkelt door het experimenten, ontwerpen en ontwikkelen (of dat kan is echter nog weinig bewijs voor).

De grote beschikbaarheid van goedkope bordjes, sensoren, actuatoren maakt het mogelijk om de leerlingen veel zelf te laten experimenteren en ontwikkeling. De module biedt de mogelijkheid tot tinkering. Steeds in kleine stapjes iets uitproberen en ervaring opdoen en op die manier tot oplossingen komen.

De leerlingen zullen uiteindelijk op basis van een redelijk open probleem een fysiek digitaal artefact gaan ontwerpen en ontwikkelen. Slechts ter illustratie: bedenk, ontwerp en ontwikkel een systeem dat een probleem in je eigen omgeving oplost. Een automatische stofopveger, een plant-watergeef-systeem, een oefen-eend, etc.

Een deel van de theorie zal ook los van de open problemen aan bod komen.

Contexten

In de module worden op minstens twee manieren contexten geboden:

1. De leerling leert over de mogelijkheden en beperkingen van physical computing in verschillende contexten. Soms wordt een context maar kort behandeld, op andere plekken in de module kan een context wat uitgebreider aan bod komen.
2. De open problemen die de leerlingen krijgt voorgeschoteld zijn gedefinieerd vanuit een context, bijvoorbeeld vanuit de directe leefwereld van de leerlingen.

• CoCo1.jpg

  Uit: Concept-contextvenster, SLO, oktober 2013

• CoCo2.jpg

  Uit: Concept-contextvenster, SLO, oktober 2013

De contexten maken dat de stof relevant wordt voor een brede groep leerlingen en kunnen de leerlingen daardoor motiveren. Daarnaast is één van de centrale vaardigheden uit het vernieuwde examenprogramma ‘informatica hanteren als perspectief’. Uit het examenprogramma: met kennis van zaken kunnen we verschijnselen in het dagelijks leven en de maatschappij duiden en redeneringen en oplossingen op waarde schatten. In een wereld waarin informatica zo in elk facet is doorgedrongen, is een dergelijke vaardigheid onontbeerlijk. De leerling kan in contexten onder meer mogelijkheden en beperkingen van digitale artefacten inschatten en beredeneren in vaktermen.

Concreet resultaat module

• Een weergave van toepassingen van physical computing in diverse contexten.

Doelgroep en voorkennis

De module is geschikt voor zowel leerlingen van de HAVO (denkende doeners) als VWO (doende denkers), maar kent onderscheid tussen beide onderwijstypen. De leerlingen kunnen uit alle vier profielen komen. We willen graag een brede groep leerlingen aanspreken met deze module. Dat doen we op verschillende manieren:

• Door verschillende contexten aan te bieden, die gerelateerd zijn aan verschillende profielen (zie hierboven)
• Door leerlingen te laten samenwerken in multidisciplinaire teams. Physical Computing en specifieker Robotica zijn domeinen waarin typisch verschillende expertises/vaardigheden samenkomen: modelleren, programmeren, ontwerpen, ontwikkelen, mens-machine-interactie, werktuigbouw, industrieel ontwerp, etc.
• Door keuzevrijheid te geven en meerdere paden te bieden binnen de module en/of keuzevrijheid te geven in de opdrachten die leerlingen oppakken.
• Door relaties met andere vakken te benoemen (zie hieronder)

We beschouwen de kennisdomeinen uit het kernprogramma als voorkennis. Alle leerlingen hebben dus al enige ervaring met Grondslagen, Informatie, Programmeren, Architectuur en Interactie.

Relaties met andere vakken en met andere domeinen binnen informatica

Indien de inhoud dat vereist wordt een relatie gelegd met andere vakgebieden. Het ligt bijvoorbeeld voor de hand om bij het behandelen van sensoren en actuatoren het concept spanning uit de natuurkunde te behandelen. We hebben echter niet als vooropgezet doel om concepten uit andere vakgebieden te integreren in deze module. Wel ligt het voor de hand om contexten uit andere vakgebieden te gebruiken (zie contexten). Denk bijvoorbeeld aan het programma ‘Spy in the Wild’, waarin robots worden gebruikt om dieren in het wild te observeren en zelfs het gedrag te beïnvloeden. Ook bij vakken als kunst, economie, wiskunde, filosofie en maatschappijwetenschappen liggen mogelijkheden voor contexten. De relaties met andere domeinen uit het vak informatica zijn er veelvuldig, zowel uit het kernprogramma als de keuzemodules. Die maken we zo veel mogelijk expliciet.

Concreet resultaat module

• Relaties met andere vakgebieden expliciteren
• Relaties met andere domeinen binnen het informaticacurriculum expliciteren

Opzet module

De module bestaat uit drie hoofdcomponenten:

1. Een reeks cases. Daarin worden binnen een context de toepassingen van physical computing getoond en behandeld. Deze toepassingen worden vanuit meerdere kanten geanalyseerd door de leerlingen, aan de hand van onder meer de volgende vragen:

• Welke sensoren en actuatoren worden hier gebruikt?
• Wat is de werking van het systeem, daarbij de sensoren en actuatoren in acht nemend, beschreven in vaktermen?
• Wat zijn de beperkingen van het systeem?
• Wat zijn de maatschappelijke consequenties?

Deze vragen moeten worden aangevuld en aangescherpt, op basis van de precieze leerdoelen die nog moeten worden geformuleerd. De reeks cases laten zien wat de state-of-the-art is ten aanzien van physical computing. Wellicht dat de leerlingen hier al kunnen kiezen uit verschillende cases.

1. Een reeks gesloten opdrachten waarbij leerlingen een fysiek digitaal artefact moeten nabouwen. Ze leren hierbij welke bouwstenen beschikbaar zijn en hoe je die kunt combineren. Het legt de basis voor het derde hoofdcomponent (zie hieronder). De leerlingen kunnen kiezen uit verschillende opdrachten.
2. Een reeks open problemen waarbij leerlingen een fysiek digitaal artefact moeten ontwerpen en ontwikkelen om tot een oplossing te komen. Dit kan ook het ontwikkelen van een kunstobject zijn. Leerlingen werken in teams aan één van deze problemen. De leerlingen kunnen hierbij kiezen uit verschillende opdrachten en wellicht ook zelf een opdracht aandragen, bijvoorbeeld op basis van een open probleem in hun eigen leefwereld.

Concreet resultaat module

• Een reeks cases met state-of-the-art toepassingen van physical computing in verschillende contexten.
• Een reeks gesloten opdrachten waarbij leerlingen een fysiek digitaal artefact moeten nabouwen.
• Een reeks open problemen waarbij leerlingen een fysiek digitaal artefact moeten ontwerpen en ontwikkelen om tot een oplossing te komen.

Omvang

Het lesmateriaal kan uit één of meerdere submodules bestaan van tussen de 10 en 20 SLU. De omvang van het totale lesmateriaal ligt rond de 60 SLU. Ter vergelijking, een gemiddelde NLT-module beslaat 40 SLU.

Gebruik van hardware

Arduino’s, Raspberry PI’s, MicroBit, Leaphy, Lego Mindstorms, er is veel hardware verkrijgbaar. Het zou mooi zijn als de module de kaders kan bieden voor hoofdcomponent 2 zoals hierboven beschreven, zonder dat de docent verplicht wordt te kiezen voor één specifiek platform. Binnen de module werken we deze kaders op basis van één of twee platforms meer in detail uit voor hoofdcomponent 2 hierboven. Docenten die kiezen voor een ander platform krijgen daarmee die ruimte. Docenten die meer houvast willen vinden die in de specifiek uitwerking.

Concreet resultaat module

• Overzicht van benodigde materialen voor één of twee hardware platforms, inclusief verkrijgbaarheid, kosten, etc.
• Uitwerking van de kaders voor hoofdcomponent 2 op basis van één of twee van deze hardware platforms.

Beoordelingsinstrumenten

Voor de hoofdcomponenten één en twee worden voorbeelduitwerkingen beschreven. Daarnaast leveren we voor alle drie hoofdcomponenten beoordelingsinstrumenten aan de hand waarvan de docent het proces en de producten kan beoordelen.

Concreet resultaat module

• Voorbeelduitwerkingen van de opdrachten in hoofdcomponent één en twee.
• Beoordelings- en/of toetsinstrumenten voor beoordeling van het proces en de producten van leerlingen in hoofdcomponenten één, twee en drie.

Aandachtspunten voor docenten en docentenhandleiding Wat is belangrijk om leerling op te coachen bij het experimenteren, ontwerpen en ontwikkelen? Denk bijvoorbeeld aan het belang van werken in kleine stapjes en het testen van tussenoplossingen. Waar liggen misconcepten op de loer? Waar hebben leerlingen moeite mee? Wat zijn handige trucjes om effectief te kunnen werken? De module geeft allerlei aanwijzingen ter ondersteuning van de docent, op basis van eerdere ervaringen en op basis van testresultaten.

Concreet resultaat module

• Instructies, aanwijzingen en aandachtspunten voor de docent
• Een docentenhandleiding, met daarin onder meer uitwerkingen, voorbeeldplanning, werkvormen, etc.

Bronnen en lesmateriaal

Waar het kan maken we gebruik van bestaande bronnen, bij voorkeur open bronnen. Het lesmateriaal dat speciaal wordt ontwikkeld voor deze module komt vrij beschikbaar. Het precieze licentiemodel moet nog worden bepaald, in overeenstemming met de andere modules die voor het nieuwe examenprogramma worden ontwikkeld. We publiceren het materiaal online, voor iedereen beschikbaar. We bieden een rijk aanbod met onder meer filmpjes, interactief materiaal, die maken dat de leerlingen veelal zelfstandig de kennis kunnen opdoen. Eisen aan formaat, opmaak en dergelijke zijn nog niet voorhanden.

Concreet resultaat module

• Verwijzingen naar of integreren van bestaande bronnen voor leerlingen.
• Waar nodig, nieuw, online materiaal voor leerlingen, waaronder filmpjes

Gebruik van de module

We vinden het belangrijk dat de module draagvlak heeft bij docenten en dat de module veelvuldig gaat worden gebruikt in het informatica-onderwijs in Nederland. We hopen dat zowel leerlingen als docenten veel plezier halen uit het werken met deze module. We zullen daarom docenten geregeld om feedback vragen over de opzet en uitwerkingen van de module. Het is belangrijk dat de module in de onderwijspraktijk goed bruikbaar is, realistisch is dus. Daarnaast sorteren we voor op mogelijke nascholing van docenten op basis van deze module.

Concreet resultaat module

• We verzamelen en verwerken feedback van docenten en leerlingen.
• We ontwikkelen nascholing om docenten te stimuleren en faciliteren in het gebruik van de module.

Organisatie

Team

• /Team
  • Google doc: [1]

Voorbereiding

• /Concepten-brainstorm
• /Vragen-brainstorm

Agenda en bijeenkomsten

• /Bijeenkomsten

Planning (en voortgang)

• /Planning (en voortgang)
  • /Planning/Backlog
  • /Planning/Oriëntatie
  • /Planning/Sprint-1
  • /Planning/Test-1
  • /Planning/Sprint-2
  • /Planning/Test-2
  • /Planning/Sprint-3

Opmerkingen

• gebruiken we het thema of de naam van de module als categorie? dat maakt het wel gemakkelijker om de verschillende onderdelen bij elkaar te zoeken, ook in het overzicht van alle pagina's.
• wat is de beoogde omvang van het lesmateriaal (mogelijk afgezien van het achtergrondmateriaal)?
  • hoeveel bladzijden (hoeveel woorden?) zijn redelijk per SLU? => 1 a 2 pagina's per SLU
  • (natuurlijk hangt dat af van het soort werk - vgl. een tutorial of een wiskundige tekst/programmatekst...)
• de toetsbaarheid van de leerlingen-resultaten speelt een belangrijke rol
  • formatieve toetsen als onderdeel van het leesmateriaal
  • criteria voor de beoordeling van praktische opdrachten (Rubrics?)
    • ik heb een sterke voorkeur voor "mastery based learning": leerlingen ronden een onderdeel pas af als ze dit "goed" beheersen. Dit is voor volgende onderdelen een ingangseis: je hebt de basis van de voorafgaande onderdelen nodig.
• om na te gaan op welke manier de exameneisen in het lesmateriaal verwerkt zijn, is het nodig om deze te identificeren.
  • moeten we per eis een pagina opnemen? Eventueel hiërarchisch, per domein/thema?
  • we verfijnen deze eisen ook verder in concepten en leerdoelen; hoe is de relatie met de exameneisen?
  • een leerdoel kan bijv. meerdere exameneisen adresseren.

Als we de wiki gebruiken, is het dan voldoende om alleen de actuele versie te beschrijven (met de historie van de afzonderlijke onderdelen); of moeten we ook een historische versie kunnen vastleggen, voor het totale product?

Nuttige links

• http://swcarpentry.github.io/lesson-example/01-design/
  • de manier van werken bij software carpentry lessen.
• /Materiaal van elders