Esineiden internet

Perehtymisen ohella suunnitelma alkaa kehkeytyä jo itsestään, ja perehtymiseen ja suunnitteluun kannattaa varata opetustyön ohella 2–3 viikkoa.

Tutustukaa tästä kuinka kokonaisuus eteni Juhani Vuorisen koulussa.

Osaaminen

Mallin toteuttaminen vaatii alkuun perehtymistä ohjelmoinnin ja elektroniikan perusteisiin. Mitään tiettyä ohjelmointikieltä ei tarvitse osata täydellisesti, mutta ohjelmoinnin perusteet, looginen rakenne ja lausekielinen ohjelmointi on hyvä osata alkeistasolla ennen projektin aloittamista. Arduino-ohjelmointiympäristössä käytetty kieli on c-kieleen perustuvaa.

Perehtymistä varten voi hankkia kirjoja, joiden yksityiskohtaisilla ohjeilla ja neuvoilla pääsee hyvään alkuun.

• Arduino perusteista hallintaan -kirjasta saa käsityksen Arduino-piirilevystä eli työskentelyn fyysisestä alustasta, jolla rakentelu tapahtuu. Lisäksi kirjasta saa perustiedot arduino IDE:stä eli ohjelmointiympäristöstä, jota hallitaan tietokoneella.


• Toinen tekemistä tukeva kirja on Arduino projects book. Kirjan tarkkoja ohjeita ja harjoitustehtäviä toteuttamalla ja koodia kirjoittamalla oppii rakentamaan laitteita, joilla saadaan aikaan esimerkiksi ääntä, liikettä ja valoa.

Materiaalit

Perehtymisen pohjalta materiaalit voi valita omaan osaamiseen sopivalla tavalla. Arduinosta on kuitenkin yksinkertaista aloittaa. Juhani Vuorisen koulussa käytettiin seuraavia materiaaleja:

• Ohjelmoitava elektroninen alusta (Arduino, ostettavissa verkkokaupoista)


• Tietokone, jossa ohjelmointiympäristö (Arduino IDE, ilmaiseksi verkosta)


• Elektroniikkakomponentit ja kytkentäpiirilevy


• Esineiden itserakentelua varten esimerkiksi 3D-tulostin sekä kuvataiteen ja käsityön materiaalit

Pallon voi heittää oikeastaan jokaiseen opettajatiimin jäsenen oppiaineeseen ja miettiä, minkälaista oppiainerajat ylittävää toiminnallisuutta lähdetään toteuttamaan. Opettajatiimin osaamisella voidaan ideoida laitteita ja niihin rakennettavissa olevia toiminnallisuuksia.

Alussa kannattaa antaa ideoiden sinkoilla vapaasti. Hyvät ideat eivät tule hetkessä, vaan ne muodostuvat ja kehittyvät prosessin kuluessa.

Oppiainerajat ylittävä kokonaisuus voi olla esimerkiksi veistos (kuvataide), joka esittää eläintä (biologia) ja johon on yhdistetty ledejä ja piirilevyjä (käsityö ja matematiikka):

"Kuvataiteen lähtökohtana oli, että suunnitellaan ja rakennetaan oppilaiden kanssa ohjelmoitaville ledeille ja niiden piirilevyille sopiva kuori. Päädyimme kolmiulotteiseen malliin. Rakensimme paperimassasta kalan muotoisia veistoksia. Niiden sisälle voi kätevästi sijoittaa projektin vaatimat piirilevyt ja tehdä johtovedot ledeille siististi ja näkymättömästi. Paperimassa on kuivuttuaan todella kestävää ja myös kevyttä ja helppoa työstää ja maalata."
– Juhani Vuorisen koulu, kuvataiteen opettaja

Ohjelmoinnin toteuttamiseksi tarvitaan tietokone, johon ladataan internetistä ilmaiseksi saatava Arduino IDE. Ohjelman lataamiseen ja asentamiseen tarvitaan usein tietokoneen pääkäyttäjän oikeudet, joten kannattaa kääntyä koulun it-tukihenkilöstön puoleen.

Ohjelmien kirjoittamiseen löytyy runsaasti ohjeita Arduino-paketin mukana tulevista ohjekirjoista sekä internetistä, esimerkiksi Arduinon kehittäjäyhteisön ylläpitämiltä sivuilta (https://www.arduino.cc/). Näitä on helppo hyödyntää opetuksen suunnittelussa.

Aluksi kannattaa edetä pienin askelin kokeillen monia erilaisia yksittäisiä toimintoja. Kun ne saadaan toimimaan, voidaan siirtyä tutkimaan eri toimintojen yhdistelymahdollisuuksia.

Oppilaiden kanssa kannattaa ensin tutustua elektroniikan eri komponentteihin, erityisesti resistoreihin ja ledeihin. Tämän jälkeen on hyvä opetella resistanssin, virran ja jännitteen laskemista ja mittaamista. Yhteistyö laskuharjoituksissa myös matemaattisten aineiden kanssa on hyödyksi.

Arduino projects book -kirjan tarkkoja ohjeita ja harjoitustehtäviä toteuttamalla oppii rakentamaan laitteita, joilla saadaan aikaan esimerkiksi ääntä, liikettä ja valoa. Toimivan laitteen ympärille ideoidaan, suunnitellaan ja rakennetaan itse “kuoret”, jotka voivat esittää melkein mitä vain.

Juhani Vuorisen koulussa laitteiden suunnitteluun käytettiin oppilaiden kanssa SketchUp-suunnitteluohjelmaa, jonka voi ladata internetistä. SketchUp-pikaoppaan avulla oppii nopeasti suunnittelemaan tietokoneella kolmiulotteisia kappaleita. Siistit kuoret laitteelle voi valmistaa käsityönä tai tulostaa 3D-tulostimella.

Juhani Vuorisen koulussa ohjelmointiin käytettiin puoli tuntia viikossa, ja laitteiden rakentaminen kesti kokonaisuudessaan 20 oppituntia. Kun toteutat projektia itse, voitte sopia opettajatiimin kanssa, miten työmäärä eri oppituntien välillä jakaantuu.

Juhani Vuorisen koulussa oppilaiden rakentaessa liikennevalokytkentää heräsi idea muidenkin toimintojen toteuttamisesta samalla alustalla. Alkoi hahmottua liikennepuiston pienoismalli, johon rakennettiin liikennevalojen lisäksi servomoottorilla toimiva puomi, taloja valaistuksineen, liiketunnistimia, katulamppuja ja tuulimylly. Koska käytössä oli 3D-tulostin, oppilaiden oli helppo suunnitella SketchUp-ohjelmalla erilaisia esineitä ja tulostaa ne laitteiden kuoriksi.

Kuvataiteen puolella oppilaat ideoivat, suunnittelivat ja valmistivat erilaisia eläinhahmoja, joiden sisälle rakennettiin erilaisia toiminnallisuuksia. Silmiin asennettiin led-valot, jotka syttyivät ja sammuivat Arduinolla tehdyn ohjelman mukaisesti halutulla tavalla.

Paperimassasta valmistettujen onttojen kalojen sisälle pystyttiin asentamaan ledit ja piirilevyt. Teknisen työn opettajan kanssa käytiin keskusteluja, mihin ja miten ledit voidaan kalojen sisälle asentaa. Esimerkiksi silmiin asennettavat ledit valittiin kirkasvaloledeistä. Silmät tehtiin pingispallojen puolikkaista, joiden läpi led valaisee.