Physical Computing

Maak de wereld om je heen slimmer

Voor wie

Leerlingen havo en vwo, 5e of 6e klas.

Beschikbaarheid

Sinds september 2019

Bij physical computing draait het om computersystemen die gebruik maken van sensoren (om iets waar te nemen) en actuatoren (om iets in gang te zetten). Een simpel voorbeeld is de thermostaat die je in de meeste huizen vindt. De thermostaat meet de temperatuur met de temperatuursensoren in huis. Als de temperatuur te laag is, zet het systeem de verwarming aan. Maar een sporthorloge hoort bij physical computing. Een veel complexer systeem is een zelfrijdende auto. Of een robotchirurg. En zo zijn er duizenden toepassingen.

Het mooie is dat je al snel zelf allerlei systemen kunt ontwikkelen.

Plant-water-geef-systeem
Plant-water-geef-systeem

Dingen die je zelf kunt maken zijn bijvoorbeeld een automatisch plantwatergeefsysteem bouwen zoals in de figuur hieraast. Of een stappenteller. Een nieuw muziekinstrument. Een kunstwerk dat reageert op de omgeving. Enzovoort, enzovoort.

In deze module leer je hoe je zelf op een gestructureerde manier zo’n systeem kunt ontwerpen en bouwen. Je maakt gebruik van de Micro:bit of Arduino, dat zijn eenvoudige microcontrollers waar je sensoren en actuatoren op kunt aansluiten.

Micro:bit
Micro:bit

Activiteiten

Dit zijn de belangrijkste activiteiten binnen de module:

  • In het begin leer je hoe je eenvoudige systemen kunt maken, zoals een eenvoudig lampje met een aan/uit-knopje.
  • Je leert daarbij hoe je dat op een gestructureerde manier kunt ontwerpen en programmeren.
  • Je maakt voorbeelden na, breidt ze uit en bouwt zelf systemen die steeds complexer worden. Denk aan een duurzame lantaarnpaal, een parkeersensor en een stappenteller.
  • De opdrachten maken het heel goed mogelijk om samen te werken.
  • Tot slot van de module ga je zelf samen met andere leerlingen een nieuw systeem bouwen dat jullie relevant vinden.

Nog enkele voorbeelden van opdrachten:

Pasgeboren Tamagotchi’s. Bron: Algemeen Dagblad

Een tamagotchi is een virtueel huisdier dat je kunt voeren, aaien door op de bijbehorende knoppen te drukken. Je maakt een ontwerp voor deze Tamagotchi en ontwikkelt het op de Micro:bit. Het ontwerp maak je met een toestandsdiagram.

Je leert hoe je met behulp van toestandsdiagrammen zo’n systeem kunt ontwerpen.

Maak een parkeersensor met behulp van een ultrasone sensor. Hiermee kun je de afstand meten tot ander object, min of meer zoals vleermuizen dat ook doen: door geluiden met een hoge frequentie uit te zenden.

Ultrasoonsensor

Ontwikkel een stappenteller en test deze. Houd jouw systeem het aantal stappen goed bij?

Sensoren spelen een belangrijke rol bij physical computing. Weet jij welke sensoren er allemaal in je telefoon zitten? De meeste telefoons hebben een versnellingssensor. In deze module leer je hoe je met zo’n versnellingssensor een stappenteller kunt maken.

Locatie materiaal

Voor de docent

Opbouw

De module bestaat uit de volgende onderdelen:

  • Inleiding – De leerling leert over physical computing en leert werken met de materialen, zoals de Micro:bit of Arduino.
  • Cyclus 1 – De leerlingen leren hoe ze een systeem kunnen ontwerpen met behulp van toestandsdiagrammen, met als eindopdracht het maken van een hotelschakeling.
  • Cyclus 2 – De leerling leert hoe ze systemen kan maken waarbij tijd een belangrijke rol speelt en gaat een duurzame lantaarnpaal ontwikkelen.
  • Cyclus 3 – De vraag hier is hoe je complexere systemen kunt ontwikkelen. De leerling ontwikkelt daarbij een parkeersensor.
  • Cyclus 4 –De leerling ontwikkelt een stappenteller ontwikkelen met behulp van een versnellingssensor zoals die ook in de meeste telefoons zit.
  • Eindopdracht – Tot slot van de module ontwerpen en ontwikkelen de leerlingen in samenwerking een systeem naar eigen keuze.

Belangrijkste leerdoelen en begrippen

Het belangrijkste leerdoel is dat de leerlingen op gestructureerde wijze een systeem kan ontwerpen en ontwikkelen. De leerdoelen staan in meer detail beschreven in de docentenhandleiding.

De belangrijkste begrippen bij deze module zijn: physical computing, sensoren, actuatoren, toestandsdiagrammen, programmeren, real-time en embedded systemen, timers, ontwerpen, iteratief werken.

Vereiste hard- en software

De module biedt keuze uit drie hardwareplatforms:

  • Micro:bit
  • Arduino
  • Lego Mindstorms

De materialen voor de Micro:bit zijn het beste uitgewerkt en is ook meest toegankelijke platform.

Voor de module zijn dus materialen vereist, in de docentenhandleiding staat beschreven welke materialen nodig zijn. Er zijn meerdere varianten, het is zelfs mogelijk om de module te doorlopen zonder hardware, hoewel dat wel de minst aantrekkelijke variant is.

Voorkennis

Voorkennis over programmeren (domein D uit het kernprogramma) is vereist. Kennis over toestandsdiagrammen (domein B3 uit het kernprogramma) is een pre.

Keuze en verdieping

De module kan voldoende uitdaging bieden voor leerlingen die dat willen:

  • op diverse plekken staan extra opdrachten beschreven
  • de opdrachten zijn eenvoudig uit te breiden met extra eisen/wensen (eventueel door de leerlingen zelf bedacht)
  • de eindopdracht biedt de mogelijkheid om eindeloos te verdiepen.

Niet alle cycli hoeven te worden doorlopen, het is bijvoorbeeld mogelijk om alleen cyclus 1 en 2 te behandelen.

Wijze van beoordelen

Beoordeling kan op basis van de eindopdracht, hiervoor is een beoordelingsmodel beschikbaar.

Omvang

De totale omvang van de module, inclusief eindopdracht is ongeveer 60 SLU. Niet alle cycli hoeven te worden doorlopen. Het is bijvoorbeeld mogelijk om alleen de inleiding en cyclus 1 en 2 te doen. Ook dan kan de module al gauw 40 of meer SLU in beslag nemen.

Docentenhandleiding

De docentenhandleiding is beschikbaar via het materiaal. Uitwerkingen zijn op aanvraag beschikbaar.

Geef een reactie