Kreativní prvek ve výuce - elektronické stavebnice

Čestmír Serafín

Katedra technické a informační výchovy

Souhrn

Moderní technické vzdělávání by mělo akceptovat realitu, tj. soudobá společnost se rychle transformuje na společnost informačních a komunikačních technologií. V technickém vzdělávání jsou velmi důležité psychomotorické dovednosti. Domnívám se, že didaktický aspekt rozvoje těchto dovedností, který vědecky řeší právě didaktika technických předmětů je ve výuce laboratorních praktik elektrotechnického charakteru primární. Elektrotechnické stavebnice mají zvláštní význam v tomto vzdělávání.

Klíčová slova

Oborová didaktika, technické vzdělávání, kreativita, elektrotechnické a elektronické stavebnice

Summary

Creative element in education - electro technical combination box

The modem technical education should accept the reality that the contemporary society is being rapidly transformed into the society of informational and communication technologies. In technical sciences the psycho-motoric skills are of great importance. I deem that the didactic aspect of the development of these skills that is processed by the didactics of technical subjects on the scientific level has a primary position in teaching the laboratory practices electro technical character. Electro technical combination box has anomalous meaning in this education.

Keywords

Creative element in education, electro technical combination box

Úvod

Mezi základní formy výuky v technicky orientovaných předmětech na základní, střední ale mnohde i vysoké škole patří práce s různými stavebnicemi a především s elektrotechnickými a elektronickými. Stavebnice jsou též vhodnou materiální základnou i pro individuální rozvíjení technické tvořivé činnosti. U elektrotechnických stavebnic je cílem seznámit žáky se základními poznatky elektrotechniky a elektroniky, prohlubovat a rozšiřovat vědomosti, vytvářet a zdokonalovat pracovní dovednosti a návyky. Úlohy řešené na stavebnicích na základě osvojení určité úrovně teoretických znalostí napomáhají rozvíjet logické a tvořivé myšlení. Úspěšné provedení montáže a operací spojených se správným zapojením a oživením obvodu, přístroje nebo zařízeni poskytuje navíc žákům určitý stupeň seberealizace.

1. Teoretické východiska využívání stavebnic ve výuce

Technické vzdělávání je základní složkou všeobecného vzdělávání, poskytovaného všeobecně vzdělávací školou ať už základní, nebo střední. Pokud mluvíme o technickém vzdělávání, jako nejširším smyslu tohoto slova, pak se nejedná o odborné technické vzdělávání, jehož výsledkem je odborná kvalifikace. Jeho cílem je tedy všeobecné pojetí technického vzdělávání, které sleduje budování technické gramotnosti všeobecně, což tedy znamená, že (1):

  1. studenti (žáci) získají poznání o účelu a významu techniky, technických činností, jejich hlavních komponent a průběhů,
  2. podněcuje a rozvíjí psychický potenciál a manuální zručnost, kreativní vlastnosti a dovednosti,
  3. studenti (žáci) jsou vybaveni systémem základních technických vědomostí a dovedností,
  4. přibližuje technické profese nejrůznějšího charakteru.

Základní technické vědomosti - ty, které umožní jedinci správně se orientovat v situacích, kdy dochází k jeho kontaktu s technikou, s technickým objektem, stává-li se především jeho uživatelem, pomohou mu však i v situaci, kdy bude řešit problémy, plynoucí ze selhávání funkce technických objektů, popř. kdy sám chce vytvořit přiměřeně náročný technický objekt nebo se má na jeho tvorbě podílet.

Jedná se o vědomosti o technice, jako složce lidské kultury a jejím významu pro lidstvo a následně o vědomosti z klíčových technických disciplín - zejména z nauky o technických materiálech, technologie materiálů, technické grafiky, nauky o strojích, částech a mechanismech strojů, z elektrotechniky a elektroniky a v neposlední řadě o informačních technologiích.

V této souvislosti je účelné hovořit o tvořivosti, v daném kontextu pak o tvořivosti technicky orientované. Tvořivá technická činnost (kreativita) představuje základní technické dovednosti – to jsou dovednosti technické komunikace - verbální i grafické, dovednosti v používání běžných technických pracovních prostředků a v následné aplikaci technické ale i netechnické praxi. S tímto i úzce souvisí pojem technická zručnost, čímž rozumíme schopnost vykonávat pracovní pohyby v souhře příslušných svalových skupin i v souhře myšlení a činnosti svalů.

Abychom mohli uplatnit technickou kreativitu musíme osvojit si základy technického myšlení, což je proces, který se odvíjí od představy uvedených výsledků technické činnosti a směřuje k vyřešení dílčích problémů a ke splnění zadaného úkolu. Uplatňují se při něm zejména následující postupy (1):

Z výše uvedeného pak vyplývají i metodiky zprostředkování učiva a tedy i realizace interaktivní činnosti učitele a žáka (jedná se zejména o metody analyticko-syntetické, induktivní, deduktivní, analogie a modelová, genetická a případová – viz. (7)). Důležitou sférou v této oblasti (cíle výuky, didaktické zásady, podmínky výuky, apod.) jsou prostředky výuky, zejména ty materiální (nemateriální jsou metody a formy výuky). Mezi materiálně technické prostředky řadíme učební pomůcky, didaktické prostředky a zejména stavebnice. Posledně jmenované můžeme tedy charakterizovat jako učební pomůcky i didaktické prostředky zároveň – viz kap. 3.

Uplatněním elektrotechnických stavebnic ve výuce se do ní zavádějí prvky hravosti. Právě hra je tou činností, se kterou se děti setkávají od nejranějšího věku a která uspokojuje jejich vnitřní potřeby. Aby mohly tuto činnost vykonávat, potřebují mimo jiné herní prostředky, kterými hru realizují. Pokud se děti mohou pomoci elektrotechnických stavebnic efektivně učit (a to mohou), potom takové stavebnice lze zahrnout pod pracovní pojem didaktické hračky (2) a lze tak navázat na kategorizaci materiálně-didaktických prostředků podle (8). Vědeckou teorii o materiálních didaktických prostředcích a jejich kategorizaci z pohledu pedagogiky se pokusil vytvořit i (9).

Podle (10) dítě a hra jsou dva pojmy, které odedávna patří k sobě. Tak, jak se postupně rozvíjejí vývojové předpoklady dítěte pro orientaci v okolním světě, tak se zdokonaluje i jeho hra. Bránu do světa dětských her otevírá hračka. Právě zde svou roli plní stavebnice. Hra se stavebnicí podporuje uvědomění si tvaru, velikosti, vztahu jednoho prvku k druhému. Přispívá k vytváření jednoduchých přírodovědných a matematických představ. Stavebnice patří mezi první hračky, které můžeme dát dítěti už od sedmého měsíce. Hra se stavebnicí poskytuje možnosti výchovného působení na dítě. Pro svůj kognitivní rozvoj potřebuje dítě hračky, které rozvíjejí psychické funkce: vnímání, paměť, představivost, myšlení. Tento požadavek plní právě stavebnice. Z tohoto pohledu je hra se stavebnicí pro děti opravdovým zážitkem. Tím, že dítě pozoruje, vnímá, získává nové informace a poznatky, dostává podnět ke konstrukci modelu. Při všech těchto aktivitách je nuceno přemýšlet, využívat už dříve osvojené poznatky, představivost a hlavně – musí tvořit, přičemž se zároveň učí hodnotit. Stavebnice rozvíjejí nejen technické schopnosti, ale i sociální vztahy. Podle (11) si stavba skoro vždy vynutí spolupráci, žáci spolu komunikují, vyměňují si prvky, které na stavbu potřebují. Vyměňují si zkušenosti, a tím se zapojují do společné práce.

Problematikou kreativity a zejména technické kreativity se zabývá řada významných autorů, například (12, 13, 14).


2. Technický experiment

Technický experiment je významnou součástí poznávacího procesu. Ve školských podmínkách je účelné hovořit o výukovém technickém experimentu. Jde vlastně o realizaci heuristické metody expozice nových poznatků prostřednictvím promyšleného postupu zkoumání, pozorování, měření a vyhodnocování pozorovaných nebo jinak smyslově (subjektivně) vnímaných tedy i exaktně, tj. měřením (objektivně) zjištěných realit s cílem získat novou informaci o daném jevu, materiálu apod. (1).

Neméně důležité jsou zajisté i výchovné aspekty technického experimentu (7):

Neoddiskutovatelně se v technickém experimentu jedná o metodu expoziční, použitou jako následnou po jiné metodě expozice nových poznatků. To ovšem znamená, že pro expozici určitého tematického celku je třeba mít připraven vyčerpávající systém technických výukových experimentů, zakomponovaný do systému technických úkolů.

Technické výukové experimenty můžeme rozlišovat z různých pohledů, např. :

  1. Podle vztahu k technické praxi (technický nebo technologický experiment).
  2. Podle vnější formy (školní, v zájmovém kroužku nebo domácí experiment).
  3. Podle vnitřní formy (žákovské - realizují žáci nebo demonstrační - realizuje vyučující).
  4. Další rozlišení viz. (7).

S technickým experimentem úzce souvisí zejména pojem modelování ve výuce technických předmětů. Slovo model vzniklo z latinského modus, modulas, které znamenalo míru, vzor, způsob. Modelem lze rozumět účelové zjednodušení zobrazení reálného nebo abstraktního objektu, které má stejnou fyzikální podstatu jako originál (2). Model ve vědeckém a technickém zkoumání je prostředkem k dosažení určitého poznání, zpravidla doplňuje další formy poznání - teorii a experiment. Představuje určitý most mezi teorií a objektivní skutečností. Umožňuje interpretaci teorií i interpretaci studovaných jevů. Je jedním z kritérií správnosti teorie a zároveň zprostředkovaným, pravděpodobnostním důkazem platnosti teorie v dané oblasti jevů.

Jednou z nejpodstatnějších funkcí modelu je funkce vysvětlující. V souvislosti s experimentem rozumíme pod pojmem modelování vztah dvou nezávislých objektů - primárního problémového a sekundárního modelového, který umožňuje řešení problému na jednom objektu (fyzickém či matematickém) myšlenkovými procesy odvozovat řešení na objektu druhém. Základem je vždy vztah podobnosti obou objektů či podobnosti jejich chování. Modelování se dělí na:

  1. Fyzikální modelování - na fyzickém modelu objektu; fyzikální model vystihuje nejen geometrické parametry, ale i podstatné fyzikální chování modelu. Rozlišujeme:
    1. Podobnostní modelování - řešené problémy jsou si fyzikálně podobné, což znamená, že mají společný bezrozměrný popis a odpovídající si bezrozměrné argumenty, tzv. kritéria podobnosti.
    2. Analogové modelování - jedná se prakticky o dva problémy, které jsou popsány stejným matematickým popisem. Dva zcela fyzikálně odlišné objekty (např. proudění kapaliny v potrubí a elektrický proud ve vodiči) lze popsat stejným matematickým popisem.
  2. Výpočtové modelování - pro tento typ modelování je nutná určitá teorie, ale naopak není potřeba fyzikální model.

Modely a modelování technické reality je základní myšlenkou, která provází tvorbu a aplikaci elektrotechnických stavebnic.

3. Elektrotechnické stavebnice

Významným didaktickým prostředkem k dosažení většiny cílů u učiva zaměřeného na elektrotechniku jsou elektrotechnické stavebnice. Elektrotechnické stavebnice patří mezi materiální vyučovací prostředky (6), jejímž prostřednictvím se uplatňuje technická tvořivost ve výuce. V oblasti techniky jsou lidé, kteří mají schopnost tvořivě pracovat, neobyčejně ceněni. Vytvořením vhodných pomůcek a motivací lze vytvořit pro rozvoj tvořivosti vhodné podmínky a to samozřejmě za pomocí tvořivého učitele.

Stavebnice jsou základním prvkem ve výuce a jsou mezičlánkem mezi technickou realitou a technickou teorií. Vytváří mimo jiné i kreativní vazby v myšlení a jednání žáků. Je tedy jasné, že stavebnice jsou základním kreativním prvkem technické praxe. Žáci prostřednictvím stavebnic získají různé dovednosti a návyky technické povahy, které by jinak těžko mohli na reálném objektu nabýt (když pro nic jiného, tak z pohledu bezpečnosti). Zejména pak elektrotechnické stavebnice, ty jsou velmi pozoruhodnou součástí materiálně didaktických prostředků. Umožňují modelovat technické, respektive elektrotechnické objekty, při dodržení bezpečnosti, přiměřenosti a zejména názornosti. Podle (2) je definice elektrotechnická stavebnice jako soustavy nosných prvků, funkčních prvků a funkčních částí, které jsou určeny k jednorázovému nebo opakovanému sestavení různého počtu obvodů a jenž je jako celek určena svými didaktickými a technickými parametry.

Elektrotechnické a elektronické stavebnice vhodné pro zařazení do školní výuky je možné třídit na základě jejich použití ve vyučovací hodině na stavebnice demonstrační a frontální (žákovské) (1), (2), (3).

Třídění stavebnic z hlediska využitelnosti jejich součástkové základny je možné na:

Třídění víceúčelových stavebnic z hlediska doplňování a rozšiřování jejich součástkové základny a možnosti vytvářeni nových zapojení:

Třídění stavebnic z hlediska základního konstrukčního uspořádání:

Další třídění stavebnic lze v dostatečné míře najít v odborné literatuře (2), (3).

O elektrotechnických stavebnicích by se dalo dlouze pojednávat, což je nad rámec tohoto textu, proto se zde zmíním jen o stavebnicích demonstračních. Ty plní totiž hned dvojí účel, jednak zprostředkovávají kontakt mezi učitelem a žákem a umožní tak učiteli názorně demonstrovat jevy technické povahy, které žáci mohou pak snáze pochopit. A jednak umožňují názorně řídit výukový proces za vzájemné interakce a využití stavebnic frontálních. Je samozřejmé, že technická realizace takovýchto stavebnic musí splňovat podmínky přehlednosti a dobré viditelnosti. Pomocí demonstračních stavebnic je vhodné a dokonce nutné sestavovat elektrické obvody tak, aby vytvářely obraz schématu zapojení (obvodu nebo celého technického objektu). Obvody se sestavují z jednotlivých součástek nebo funkčních bloků umístěných zespodu na nosných deskách, na kterých je svrchu nakresleno schéma odpovídající součástky nebo funkčního bloku. Nosné desky je možno upevnit a zapojit na magnetické tabuli nebo na děrovaném panelu, popřípadě v systému vodících lišt – jsou rozmanité způsoby realizace podle technické erudice autora.

U demonstračních stavebnic není vždy třeba, aby byly vidět všechny součástky, pokud jsou dobře viditelné u korespondujících žákovských (frontálních) stavebnic. Dokonce by u některých typů demonstračních stavebnic mohli rušit přehlednost schématu. Je ovšem nutné naopak viditelně umisťovat u demonstračních stavebnic pouze součástky s aktivní funkcí při styku s okolím, např. fotorezistory, fotodiody, žárovky, zvonek, reostat a potenciometr, tlačítka, přepínače apod.. Vzhledem k tomu, že je nutná dobrá viditelnost z dálky je schéma provedeno s maximální možnou tloušťkou čar a zároveň s maximálním využitím prostoru a není nutné ve všech místech schématu striktně dodržovat zásady elektrotechnického kreslení (i když by tomu tak z hlediska norem mělo být). Spojení jednotlivých součástek nebo funkčních bloků navzájem je třeba provést tak, aby se příliš neporušil celkový vzhled schématu. Na schématu se snažíme vytvořit vhodný systém měřících bodů tak, aby bylo možno při demonstraci předvést též ukázky elektrotechnického měření a vysvětlit některé problémy spojené s oživováním zapojení a vyhledáváním a odstraňováním poruch u frontálních stavebnic.

Pro širší využitelnost je třeba, aby demonstrační stavebnice měly k dispozici větší množství součástek a funkčních bloků než mají odpovídající stavebnice frontální. Tím je možno zajistit, že na demonstrační stavebnici je možno sestavit větší množství obvodů než na korespondující stavebnici žákovské. Výhodou u demonstrační stavebnice je ovšem i její návaznost na výpočetní techniku (5). Možnost srovnání ideálních průběhů s reálně naměřenými, dává studentů možnosti si realitu a model správně srovnávat a vyvozovat tak příslušné závěry.

Jako příklad lze uvést aktuálně používané stavebnice pro základní a střední školy, které jsou v současnosti na trhu výrobců stavebnic:

  1. DIDAKTIK, která zahrnuje jak elektrotechniku (včetně modelů elektrických strojů), tak elektroniku. Tato stavebnice se vyrábí jak ve formě demonstrační, tak i menší žákovské.
  2. ČEZ, která je ve své podstatě velmi podobná stavebnici DIDAKTIK, ale na rozdíl od ní umožňuje zároveň práci demonstrační i frontální v jedné modifikaci stavebnice.
  3. DOMINOPUTER, která je velmi kvalitní stavebnicí elektronickou, zahrnující i oblast regulačních pohonů, její použitelnost je zaměřena zejména na střední a vysoké školství.

Uvážíme-li i zahraniční výrobce, zdálo by se, že nabídka je dosti pestrá a každý zájemce si vybere podle svých požadavků. Bohužel tento stav je dnes a zřejmě i v budoucnu determinován ekonomickou situací našeho školství.

4. Závěr

Elektrotechnické a elektronické stavebnice jsou svým působením v systému předávání informací důležitým mezičlánkem, který spojuje názornost výkladu s praktickou složkou. Vývoj elektrotechnických stavebnic neustále probíhá, technická invence výrobců je velmi silná a zejména provázanost s výpočetní technikou dává nový rozměr. Vývoj probíhá samozřejmě i v pedagogickém výzkumu a to zejména v oblasti organizačních forem a ve specifických metodách výuky i aplikací mezipředmětových a mezivědních vztahů – podrobněji (7). V tomto textu byly jen částečně nastíněny některé otázky a okruhy týkající se této velmi zajímavé technické stránky ve sféře školní laboratorní práce, která si jistě zaslouží i širší pohled.

Literatura

  1. Škára, I. Technika a základní všeobecné vzdělání. Brno: MU 1996
  2. Novák, D. Elektrotechnické stavebnice v technické výchově. Praha: UK 1987
  3. Křenek, M. - Kotrbová, A. Elektronika v technických pracích 8. ročníku ZŠ. Praha: SPN 1985
  4. ČERVENKA, J. - JANDA, O. - KŘENEK, M. - ROTHANZL, B. Praktické činnosti – elektrotechnika kolem nás pro 6. - 9. roč. ZŠ. Praha: FORTUNA 1997
  5. SERAFÍN, Č. Technické praktikum z elektrotechniky a elektroniky. Olomouc: VUP 2001
  6. FRIEDMANN, Z. Didaktika technické výchovy. Brno: MU 2001
  7. KROPÁČ, J. – KUBÍČEK, Z. – HAJDA, V. Oborové didaktiky. Olomouc: PdF UP 1994
  8. TOLINGEROVÁ, D. Tradiční a netradiční zdroje zvyšování účinnosti výchovně vzdělávací práce. Pedagogika, 1973, č. 6. s. 703-709
  9. STRAČAR, E. Systém a metody riadenia učebného procesu. Bratislava: SPN, 1967
  10. TAKÁČOVÁ, E. Význam hry se stavebnicí. Informatorium, 2000 č. 3-8
  11. MIŠURCOVÁ, V. a kol. Hra a hračka. Praha: SPN, 1980
  12. HUNTEROVÁ, M. Účinné vyučování v kostce. Praha: PORTÁL, 1999
  13. KOŽUCHOVÁ, M. Rozvoj technickej tvorivosti. Bratislava: UK, 1995
  14. PETTY, G. Moderní vyučování. Praha: PORTÁL, 1996

Autor

Dr. Ing.-Paed. Čestmír Serafín,
Katedra technické a informační výchovy
Pedagogická fakulta
Univerzita Palackého
Žižkovo nám. 5
771 40 Olomouc
+420 585 635 801
serafin@pdfnw.upol.cz