Primjena interaktivnog videa u obrazovnim nastavnim

Primjena interaktivnog videa u
obrazovnim nastavnim sredstvima
Danijel Vrbanc, dipl. ing.
Željeznička tehnička škola – Moravice, Vrbovsko, Hrvatska
[email protected]
Sažetak - U radu je prikazan način interpretacije električnih
shema iz dvaju predmeta: Elektronički sklopovi i Učinska
(energetska) elektronika. Prikaz je namijenjen učenicima i
studentima koji su na nastavi, tj. predavanjima bili upoznati
s radom određenih elektroničkih sklopova, a za bolje
razumijevanje i zornost rada istih - trebao bi im poslužiti
interaktivni video. Dok se pisani i slikovni sadržaj u
udžbenicima ili prezentacijama uglavnom koristi na
uobičajen način, interaktivni video u danim primjerima ne
rabi pisanu riječ već samo slike i pokretne slike tijeka struje
i iscrtavanje valnih oblika (uglavnom napona i struja). Time
se paralelnim i slijednim promatranjem objašnjava princip
rada određenog sklopa, a izostanak pisane riječi omogućuje
jednostavnu internacionalizaciju. Princip rada ovog prikaza
prikazan je na dva primjera. Za prvi primjer je odabran
rad mosnog punovalnog ispravljača (Graetzov spoj), na
kojem su pokazani mehanizmi rada videa. Drugi primjer je
iz učinske elektronike, (opis rada ciklopretvarača), kojim se
jedan složeniji elektronički sklop interpretira na način
kojim ga je jednostavnije pojmiti. Dakle, naglasak rada je
stavljen na pokazivanju nevidljivog vidljivim. Zna se da je
električna struja usmjereno gibanje nosioca naboja, pa se ta
definicija, zajedno s valnim oblicima, koristi u prikazivanju
električne struje u danim primjerima.
I.
UVOD
U današnje vrijeme se mogućnost ostvarivanja učenja
na daljinu već praktički udomaćila. Način dislociranog
učenja u svrhu usvajanja novih sadržaja ili utvrđivanja
gradiva postaje sve više jedan od modela obrazovanja.
Učenje na daljinu nije vezano samo uz pojavu računala.
Već se nekoliko desetljeća koristi sustav učenja putem
radija i televizije kroz obrazovne programe. Oni su se
redovito svaki dan emitirali a i danas se emitiraju ali u
smanjenom obimu. Pojavom i širenjem računalne tehnike
te izgradnjom širokopojasnog interneta, informacija je
postala dostupnija pa se tako i ta mogućnost iskoristila za
proces obrazovanja.
Sadržaji koji su se emitirali ili se emitiraju putem
radija i televizije su uglavnom slijedni i vezani uz jedan
određeni termin emitiranja. Postoji mogućnost snimanja
programa putem video snimača i naknadnog prikazivanja,
ali takvi sadržaji opet imaju mogućnost samo slijednog
(sekvencijalnog) gledanja. Danas su također medijski
obrazovni sadržaji locirani na računalu ili mreži te se
mogu koristiti na isti način. No računala imaju i drugu
mogućnost koja se prije nije mogla ostvariti, a to je sustav
usvajanja znanja na računalu kroz programske pakete koji
služe za razne proračune, simulaciju laboratorijskih
vježbi i slično. Međutim uporaba takvih računalnih
paketa ima svoje nedostatke. Uglavnom njihova uporaba
MIPRO 2014/CE
je vezana uz potrebu licenciranja, a osim toga potrebna je
određena vještina kako bi se mogli koristiti u pravom
obimu za koje su namijenjeni. Dakle to iziskuje znatna
financijska sredstva kao i vještine za njihovu uporabu. U
elektrotehnici je primjer takvih programa „Elektronic
Workbench“, „SIMPLORER“ i slično.
II.
MULTIMEDIJA U NASTAVI ELEKTROTEHNIKE
Dakle, za usvajanje osnova iz određenog predmeta
potrebno je na početnoj razini objasniti suštinu. Da bismo
u elektrotehnici i posebno elektronici, matematički
gledano, podskupu elektrotehnike, mogli lakše proučiti
pojave koje se događaju, postavljaju se razni modeli
prikaza određenih fizičkih veličina poput struje, napona
magnetskih i električnih polja (silnica). Predočavanjem
kroz različite simbole i matematičkim prikazom valnih
oblika, pojednostavnjuje se prikaz prirode raznih pojava u
poluvodičima i strujnim krugovima, tj. povećava se
zornost električkih pojava.
U elektronici postoji čitav niz aktivnih elemenata
različitih osobina čije djelovanje u strujnim krugovima
nije jednostavno objasniti, a time nije niti jednostavno
usvojiti kod slušatelja. Ako pri tome uzmemo da postoje
predavači koji nemaju podjednake kvalitete predavanja,
kao i to da uvijek postoji mogućnost izostanka učenika i
studenata sa predavanja, tada još više dolazi do izražaja
problematika vezana uz prijenos i utvrđivanje znanja.
Udžbenici su, pored predavanja, glavna poluga u
usvajanju znanja, ali je njihova nedostatnost (naročito
zadnjih godina pa i desetljeća u Hrvatskoj), jedan od
glavnih nedostataka. U doba kada nije postojala
računalna i mrežna infrastruktura postojalo je
kontinuirano obrazovno nakladništvo. Nažalost u ovo
računalno „moderno“ doba, broj naslova koji se
pojavljuje na hrvatskom obrazovnom području se
smanjio.
Na sveprisutnom internetu se može pronaći niz
obrazovnih sadržaja. Nažalost, pregledavajući razne
postavljene datoteke na mreži (PowerPoint, PDF...), često
se nailazi na radove koji sadrže tzv. „copy-paste“
električnih shema, valnih oblika kao i teksta iz knjiga
koje su objavljene kao udžbenici, te koji su nerijetko,
kršeći autorska prava, završili u raznim seminarskim
radovima ili predavanjima objavljenih na internetu.
Uporaba Web 2.0 alata je prisutna, ali u jednoj mjeri koju
bi trebalo povećati. U nastavi se najviše koristi
PowerPoint prezentacijski alat, dok se ostali alati koriste
jedanput do dva puta tjedno i to najviše u svrhu razmjene
audio ili video materijala [2]. Dakle razvoj računalne
1075
tehnike i infrastrukture ne prati i kvalitetan obrazovni
sadržaj koji je vrlo često kompilacija prethodno
objavljenih, a često i kopiranih dijelova već objavljenih
radova.
U ovom radu će se pokazati pristup kojim se želi
napraviti jedan iskorak u procesu poučavanja a koristi
danas sveprisutne računalne i mrežne mogućnosti. Na dva
primjera, jedan iz elektroničkih sklopova a drugi iz
učinske (energetske) elektronike pokazat će se primjena
interaktivnog videa.
Pretpostavimo u obzir čimbenike u poučavanju i to
redoslijedom kako je napisano:




predavanje,
udžbenik,
rješavanje zadataka,
računalni simulacijski program.
Predavanje kao takvo je vezano uz određeni prostor
(ako nije predavanje na daljinu) i točno određeno vrijeme,
dok se udžbenik, zadaci i simulacijski programi
uglavnom mogu rabiti kao takvi u bilo koje vrijeme i
uglavnom na bilo kojem mjestu.
U tom slijedu interaktivni video spada u nastavno
sredstvo koje se može koristiti u predavanju ali i kao
samostalni medijski sadržaj koji u dobroj mjeri može
nadomjestiti predavanje. To je u biti osnova, polazište,
kojim se objašnjava princip rada pojedinog elektroničkog
sklopa. On nije računalni program s mogućnostima koje
takav program daje, već daje osnovnu predodžbu
funkcionalnosti određenog sklopa i sadrži početne uvjete
spoznaje koji su uobičajeni u radu toga sklopa kako bi se
što jednostavnije predočila njegova funkcionalnost.
Cilj obrazovanja u elektrotehnici je poimanje
interakcije među fizikalnim veličinama i tvarima koji su
golim okom nevidljivi. Te pojave ne možemo direktno
promatrati jer nemamo receptore za takve pojave, ali
možemo promatrati ili mjeriti učinke koji su iz toga
proizašli. Zato se ukazuje potreba za predočivanjem
električnih veličina (napon, struja, silnice magnetskog ili
električnog polja i sl.) tj. da se te električne pojave ljudskom oku
prikažu prihvatljivim nadomjesnim
simbolima. To se već usvojilo na razne više manje
unificirane načine pri pisanju udžbenika i objavi
električnih shema.

Klasične funkcije kod prikaza videa (kreni,
stani, skok na određenu poziciju, postavi video na
početak, postavi video na kraj zapisa)
A. Tijek struje
Kao što je poznato električna struja je usmjereno
gibanje nosioca naboja kroz medij. U ovom
interaktivnom videu električna struja je prikazana kroz
elementarnu česticu naboja u obliku stošca (slika 1).
Gledajući taj element s njegovog vrha, vidi ga se kao
kružnica s točkom u sredini – dakle naboj se kreće prema
promatraču. U suprotnom pogledu, vidi se baza stošca,
koja na sebi ima križić pa je i u tom slučaju postignut
sklad s definicijama smjera struje u vodičima.
Struja se sastoji od niza usmjerenih elementarnih
naboja koji prolaze kroz medij. Prema tome se struja
unutar vodiča u shemama elektroničkih sklopova
prikazuje kao neprekidni niz elementarnih stožaca koji
idu jedan iza drugog u određenom smjeru (slika 2).
Orijentacija stošca i njegovo kretanje određuju smjer
struje.
Brzina kretanja struje u vodičima je veličina koja se
može podudarati sa brzinom kretanja u interaktivnom
videu pa je tim jednostavnije pojmiti kretanje struje kroz
vodiče.
Struja u vodičima može imati različiti karakter. Može
biti stalnog iznosa, pa kažemo da je istosmjerna, a može
biti i promjenjivog karaktera. Najpoznatija struja
promjenjive veličine je izmjenična struja sinusnog valnog
oblika. Bilo da se radi o istosmjernoj struji stalnog iznosa
ili izmjeničnoj struji promjenjivog iznosa, element struje
će biti prikazan kroz njegovu veličinu. Dakle veća struja veći elementarni naboj tj. veći stožac, manja struja manji
simbol elementarnog naboja tj. stošca.
B. Valni oblici strujnog kruga
Prikaz tijeka električne struje kroz vodiče i elemente
Slika 1:
Stožac kao prikaz elementarnog naboja u prostoru
Za razliku od klasičnog udžbenika (koji može biti u
elektronskom ili materijalnom obliku) interaktivni video
koristi pokretnu sliku za objašnjenje funkcionalnosti
određenog elektroničkog sklopa. U tu svrhu koriste se
slijedeći elementi prikaza:

Tijek struje

Valni oblici strujnog kruga (većinom napona i
struja)

PiP (picture in picture) – slika u slici, tj. video u
videu

Prikaz pojedinih ili svih prikaza na određenoj
električnoj shemi
o supstitucija
postojeće
sheme
sa
nadomjesnom shemom
o uključivanje samo nekih
prikaza valnih oblika
1076
ili
određenih
Slika 2:
Struja električnih naboja kroz vodič (primjer protjecanja
struje)
MIPRO 2014/CE
elektroničkih sklopova je najvažniji i najbitniji element za
razumijevanje rada sklopa. Napon kao razliku potencijala
je na sličan način teže prikazati pa se za njegovo
prikazivanje koriste simboli i valni oblici pridruženi tim
simbolima.
Valni oblici, većinom napona i struja, prikazani su
kroz grafičke prikaze funkcija koji su već prema
željenom odabiru vidljivi ili sakriveni na videu.
C. Slika u slici (PiP –Picture in picture)
Kako bi interaktivni video bio to u svom punom
značenju, koristi se prikaz slike u slici kako bi se što
jednostavnije objasnila funkcionalnost pojedinog sklopa.
U početku pregledavanja videa koristi se osnovna shema
na kojoj se promatra način rada, a onda se dodaju dodatni
sadržaji kao što su na primjer, nadomjesna shema, ili
ostali video sadržaji koji pojašnjavaju rad sklopa.
D. Prikaz pojedinih ili svih prikaza na određenoj
električnoj shemi
Pored glavne sheme spoja postoji slobodan prostor
koji se rabi za prikaz valnih oblika. Zbog toga je važno da
se koristi format videa 16:9 kako bi se što efikasnije i
svrsishodnije iskoristila zadana površina. Pojedini prikazi
tijekom prikazivanja videa mogu se po želji uključivati i
isključivati kako bi gledaocu shema bila što prihvatljivija
s njegovog osobnog stanovišta ili faze usvajanja principa
djelovanja.
mijenjajući orijentaciju kretanja, odabire i druge vodove
za svoj prolazak.
Zbog toga video ima opciju promjene aktivne
elektroničke komponente. Može se pokazati nadomjesna
shema gdje su diode zamijenjene s neupravljivim
sklopkama (slika 5). Sklopke se otvaraju i zatvaraju
ovisno o polaritetu napona koji se nalazi na njima.
Dakle, na nadomjesnoj shemi je prikazana sklopka
umjesto diode i u ovom slučaju se jasno vidi da
prolaskom jedne cijele periode električne struje iz
transformatora (pozitivne i negativne poluperiode) – kroz
otpor, prolaze samo pozitivne poluperiode. Ovime je
postignut efekt punovalnog ispravljanja.
Kako plastična slika same sheme i tijeka elektrona
kroz vodiče, pasivne i aktivne elemente nije dovoljna,
potreban je grafički prikaz pojedinih električnih veličina.
Interaktivni video omogućava prikaz pojedinih
karakterističnih veličina struja i napona. To se radi
postavljanjem kvačice u kvadratić „PRIKAZIVANJE
KARAKTERISTIČNIH VALNIH OBLIKA“. (slika 5)
Odabirom na shemi može se sada kombinirati prikaz
valnih oblika po vlastitom nahođenju. Grafički prikazi
funkcija nisu stacionarni već su sinkronizirani s
događanjima u električnoj shemi (slika 6).
Svaki od pojedinih valnih oblika se može isključiti i
ponovno uključiti u prikazu.
E. Klasične funkcije kod prikaza videa
Pri uporabi interaktivnog videa koriste se klasične
funkcijske tipke i klizač („slider“) za navigaciju kroz
video: kreni, stani, skoči na poziciju, skoči na početak,
skoči na kraj. Svi video zapisi koji se nalaze unutar
interaktivnog videa sinkronizirani su sa tim tipkama za
navigaciju (slika 3).
III.
PRIMJERI INTERAKTIVNOG VIDEA
U ovom radu obrađena su dva primjera interaktivnog
videa. Prvi primjer je izvedba mosnog ispravljača
(Graetzov spoj) koji je dobro poznat svim
elektrotehničarima i kojim se pokazuju principi rada
interaktivnog videa. Drugi primjer je iz učinske
(energetske) elektronike gdje se objašnjava princip rada
ciklopretvarača.
Slika 4:
Električna shema mosnog punovalnog ispravljača s
poluvodičkim diodama (Graetzov spoj)
A. Mosni punovalni ispravljač (Graetzov spoj)
Kao prvi primjer na kojem je najjednostavnije
pokazati funkcionalnost interaktivnog videa je
jednostavan sklop za ispravljanje izmjenične struje u
istosmjernu. (slika 4).
Na videu se zamjećuju putujući elementi koji
predstavljaju električnu struju. Ovisno o amplitudi,
elementi struje su veći ili manji. Također je definiran i
smjer struje koji se za izmjeničnu struju također mijenja.
Prva pojava koja se zamjećuje je ta, što struja
Slika 3:
Navigacijske tipke u interaktivnom videu (skroz nazad,
stani, reprodukcija, skroz naprijed – ispod tipki je navigacijski
klizač
MIPRO 2014/CE
Slika 5:
Električna shema mosnog punovalnog ispravljača s idealnim
sklopkama koje zamjenjuju diode
1077
Kompletna slika rada punovalnog ispravljača je
pokazana na potpuno popunjenom prikazu interaktivnog
videa za taj sklop (slika 7).
Iz samog prikaza je vidljiva popunjenost zaslona sa
mnogo podataka. Zbog toga je važno imati opciju za
uključivanjem pojedinih prikaza po vlastitom nahođenju
kako bi slika rada sklopa bila što razumljivija.
B. Ciklopretvarač
Mnogo kompliciraniji za objašnjenje principa rada je
pretvornik frekvencije pod nazivom ciklopretvarač. U biti
to je sklop učinske elektronike koji se koristi za
transformaciju karaktera električne mreže na velikim
snagama. U ovom primjeru se mijenja frekvencija.
Princip rada mu je na prvi pogled isti kao i kod
Graetzovog spoja. Međutim ovdje se umjesto dioda u
mostu uporabljuju upravljive sklopke (tiristori, GTO-i,
IGBT). Obzirom da je potrebno objasniti princip rada
ciklopretvarača, aktivni element učinske elektronike će se
Slika 6:
zamijeniti
upravljivom
sklopkom.
Mehanizam
upravljanja sklopkom nije predmet ovog razmatranja pa
se neće niti spominjati.
Shema spoja prema [1] je prikazana na slici 8.
Osnovno pitanje koje se postavlja je: kako od ulazne
frekvencije ω1 dobiti izlaznu frekvenciju ω2? Za odgovor
na ovo pitanje nam je potreban prikaz ulaznog napona i
napona koji prolazi kroz otpor R.
Ciklopretvarači mogu konvertirati frekvenciju samo
na niže (ω2 < ω1). Odgovarajućim uklapanjem i
isklapanjem sklopki dobit će se jedan interesantan valni
oblik (slika 9).
Na slici je vidljivo da se idući po osnovnoj sinusoidi
ulazne
frekvencije, izmjeničnim uklapanjem i
isklapanjem sklopki dobiju dijelovi sinusoide koji na
odsječku od 0-10π imaju uglavnom pozitivan predznak, a
na odsječku od 10π-20π uglavnom negativan predznak.
Ako se hoće vidjeti srednja vrijednost napona za te
odsječke onda treba u strujni krug staviti induktivitet
koji zajedno sa otporom čini vremensku konstantu
koja utječe na faktor glađenja („peglanja“) krivulje tj.
smanjenje amplituda viših harmonika koji se ovakvim
načinom pretvorbe frekvencije javljaju u izlaznom
signalu.
U tu svrhu se s radio gumbom promijeni shema
prikaza (slika 10).
Isto tako se i upotpuni valni oblik s izravnatom
(„ispeglanom“) krivuljom (slika 11). Iz slike na
interaktivnom videu je vidljivo da je ovime dobivena
promjena frekvencije koja je na izlazu 10 puta manja.
Naravno da je to idealizirana slika, te da prava slika
rada ciklopretvarača treba biti verificirana kroz
simulacijski program ili mjerenjem.
Kako je na zaslonu slika stvaranja valnog oblika
relativno mala i nepregledna, to je kreiran jedan detalj
slike koji se prati tijekom projiciranja videa. Dio sadržaja
koji se posebno može pratiti je na slici 11 označen s
bijelim kvadratom, a sam izgled dodatnog prozora je
prikazan na slici 12.
Kompletan
prikaz
interaktivnog
videa
s
ciklopretvaračem i svim otvorenim prozorima te
mogućnostima, prikazan je na slici 13.
Detalj prikaza valnih oblka na karakterističnim točkama
Graetzovog spoja (odozgo prema dolje: izmjenična struja,
poluvalno ispravljanje jedne grane, poluvalno ispravljanje
druge grane, punovalni iznos struje na otporu R)
Slika 8:
Slika 7:
1078
Kompletan izgled zaslona interaktivnog videa s primjerom
punovalnog ispravljača (Graetzov spoj)
Osnovni prikaz sheme spoja ciklopretvarača uključujući
idealne sklopke (S1-S3 i S2-S4 koje ukapčaju i iskapčaju u
parovima) [1]
MIPRO 2014/CE
Slika 9: Detalj prikaza valnog oblika napona na otporniku R kao
posljedica određenog ritma ukapčanja i iskapčanja parova
sklopki S1-S3 i S2-S4
Na primjeru ciklopretvarača se ne spominju
kvantitativni podaci o veličinama koje se koriste u
prikazu. U ovom slučaju je npr. bitna vremenska
konstanta L/R sklopa, koja mora biti u određenom odnosu
s vremenom trajanja periode ulaznog i izlaznog signala,
kako bi mogla efikasno (do određene mjere) izgladiti
napon niže frekvencije u svrhu dobivanja izlaznog signala
što sličnijeg sinusnom obliku.
Tako je predviđeno i u ostalim primjerima
interaktivnog videa, čime se ispunjava osnovna zadaća
ovog nastavnog sredstva koji je upućen na objašnjenje
rada sklopa. Za egzaktne odnose fizikalnih veličina se
mogu koristiti simulacijski računalni programi.
ZAKLJUČAK
Slika 10: Detalj prikaza ciklopretvarača koji u seriju s otpornikom ima
induktivitet L koji služi za izravnavanje krivulje
Slika 11: Detalj prikaza valnog oblika napona na otporu R (plava
krivulja) kao posljedica „izravnavanja“ krivulje induktivitetom L
U dosta primjera uporabe moderne računalne i mrežne
tehnologije, ne vidi se toliki napredak iste za obrazovne
svrhe [2]. Još uvijek se računalo koristi za pregledavanje i
razmjenu medijskih sadržaja koji se koriste na sličan
način kao da čitamo udžbenik ili gledamo televiziju.
Dakle sadržaj je isti, način prezentiranja sadržaja isti, a
jedina je razlika u pomagalu koji koristimo. Dok je to
prije bila isključivo knjiga kao fizička jedinica – danas je
to pored knjige: računalo, tablet, čitač knjiga, mobitel. Ili
rečeno nastavnim rječnikom – nastavno sredstvo je ostalo
isto, samo se promijenilo nastavno pomagalo (tu se
izuzima uporaba simulacijskih programskih paketa koji
imaju nemjerljivu ulogu danas u odnosu na nekada – ali
imaju nedostatak, kao što je važno ponoviti iz uvoda, što
su većinom vezani uz licencu, a trebaju i ne malu vještinu
za njihovu uporabu).
U tu svrhu uporaba interaktivnog videa ima svoju
opravdanost. Snaga računala koja se danas rabe,
premašuju potrebe ove vrste prikaza, te njihovo uvođenje
u nastavni proces ima smisla. Nameće se potreba za
eventualna poboljšanja, nadogradnje i ostale izmjene
kojima bi se zornost takvog načina prikaza poboljšala.
Potrebu za unificiranjem tj. nekom vrstom standardizacije
ovakvog načina prikaza, trebalo bi isto tako razmotriti, te
time napraviti iskorak u smislu poučavanja.
Slika 12:
Detalj prikaza krivulje koja se iscrtava tijekom rada
I na kraju ostaje pitanje: kako kvalitetno opisati
interaktivni video u pisanom obliku? Ovaj rad je samo
pokušaj dočaravanja njegovih odlika koje treba doživjeti i
ocijeniti na zaslonu prezentacijskog uređaja.
LITERATURA
[1]
[2]
John G. Kassakian Martin F. Schlecht George C. Verghese,
“Osnove energetske elektronike”, I dio, Graphis, Zagreb, 2000.
stranice 5-30.
M. Gligora Marković, M. Rauker Koch , Miro Frančić, „Uporaba
Web 2.0 alata u poučavanju“, Mipro, 2012.
Slika 13: Kompletan prikaz ciklopretvarača koji u seriju s otpornikom
ima induktivitet L koji služi za izravnavanje krivulje
MIPRO 2014/CE
1079

Download Report