SAM Labs a výuka v duchu STEAM

Stále více se mluví o tom, že je třeba změnit přístup nás učitelů k výuce. Ono se není čemu divit, doba pokročila a především digitální technologie ovlivňují dosud nebývalé množství oborů a zasahují do naší každodenní činnosti v práci i ve volném čase. Ruku v ruce s tím jde neustálé zvětšování objemu našich znalostí, ať už teoretických nebo převedených do konkrétního „produktu“. Nové věci z vývoje a výzkumu se často dostávají do aplikační úrovně raketovým tempem. Na zásadní inovace jsme kdysi čekali celá staletí, posléze desetiletí a mám pocit, že dnes se takovéto inovace objevují v řádu let v podstatě kontinuálně. Jejich společným jmenovatelem bývá „mezioborovost“. Hezkým příkladem může být raketový rozvoj technologií 3D tisku. 3D tisk je přitom již nějaký ten čas skutečnou výrobní technologií, ne pouze testovacím nástrojem konstruktérů a designérů či hračkou modelářů a technologických nadšenců.

V souvislosti s výše řečeným je v oblasti vzdělávání velmi důležitý polytechnický přístup k výuce, do něhož patří i populární STEM (Science Technics Engineering Mathematics). Změna pojetí vzdělávání v těchto oborech je skutečně zásadní a vyžaduje jiné uspořádání výuky, které nebude stavět mezi obory „hranice“ předmětů, ale naopak bude předměty propojovat do nového STEM celku. A zde máme na našich školách skutečně co dohánět. Naštěstí je zde celá řada pomůcek, které nám se změnou v pojetí výuky mohou nenásilně pomoci. Pojďme se pro tentokrát podívat na zajímavou programovatelnou stavebnici SAM Labs.

1. Jak to začalo?

SAM Labs, konstrukční elektronická programovatelná stavebnice, vzešla z kampaně Kickstarter započaté koncem roku 2014. Kampaň byla velmi úspěšná, což dokládá nejen aktuální celosvětové rozšíření této stavebnice, ale také celá řada posbíraných ocenění. Za jejím úspěchem stojí především dvě věci: 1. jednotlivé prvky není potřeba propojovat kabely (je použito propojení pomocí Bluetooth), 2. programování je realizováno graficky s využitím tzv. flow-based (či node-based) přístupu, kde výsledný program vzniká propojením jednotlivých prvků (bloků, nodů) pomocí spojek (čar). Pojďme si tyto dva body rozebrat podrobněji na stavebnicích, které jsme měli možnost dlouhodobě testovat – SAM Labs STEAM kit a SAM Labs Classroom kit.

2. Jde to i bez drátů

Základním prvkem je modul („krabička“) v silikonovém pouzdře, který obsahuje baterii, Bluetooth a další nezbytnou elektroniku. Na jedné straně krabičky je pak, a to zraku přístupné, určité čidlo nebo např. malý DC motor. Velkou výhodu spatřuji právě v tom, že žák vidí, s čím pracuje, a tak se nejedná o typický „blackbox“. Dokonce je možné sejmout silikonový obal a odhalit vnitřní uspořádání krabičky SAM Labs (jde o dvě destičky plošných spojů, mezi kterými je umístěna malá LiPo baterie; pokud bude v budoucnu nutné baterii vyměnit, nevidím v tom problém).

V sadě Classroom kit jsou následující elektronické moduly: 20 DC motorků, 10 světelných senzorů, 10 RGB LED. Ty doplňují další díly: 20 kol, 10 univerzálních nosičů, 10 podvozků aut, 10 kuličkových kol (pivot kolo), 10 ozubených kol LEGO, 20 malých LEGO dílů, 20 velkých LEGO dílů, 8 micro USB nabíjecích kabelů 5 v 1. Díly jsou přehledně uspořádány v plastových vaničkách tak, že si každá skupina žáků může snadno vzít svoji sadu, se kterou bude pracovat. Classroom kit obsahuje takových vaniček deset a je tedy určen pro práci více žáků. Sám výrobce uvádí (v maximalistickém pojetí) práci až 30 žáků.

Sada STEAM kit (nově Maker kit) je co do obsahu čidel a dalších prvků pestřejší. Posuďte sami: 2 tlačítka, 2 RGB LED, 1 senzor teploty, 1 senzor vzdálenosti, 1 bzučák, 1 senzor náklonu, 1 světelný senzor, 1 senzor tlaku (tenzometr), 2 posuvné měniče (lineární potenciometry), 4 DC motorky, 1 servomotorek. Sadu doplňují další díly: 4 kola, 2 univerzální nosiče, 2 podvozky aut, 2 kuličková kola, 2 ozubená kola LEGO, 10 malých LEGO dílů, 4 velké LEGO díly, 3 micro USB nabíjecí kabely 5 v 1, 6 Bluetooth USB adaptérů.

Tato sada se tím pádem hodí pro menší počet žáků (výrobce uvádí 4–6). Pro celou třídu bychom potřebovali takových sad alespoň 5. Oproti Classroom kitu máme mnohem více možností a použití ve výuce je skutečně univerzální. To dokládá i přiložená metodická příručka, ke které se později ještě vrátíme.

Každý modul má na sobě tlačítko, kterým se zapíná, indikační LED a micro USB konektor (k nabíjení integrované baterie). Indikován je jak stav baterie, tak aktivní připojení modulu pomocí Bluetooth. Otazníky u nás vyvolávala výdrž baterie. A výsledek? Při intenzivním používání vydrží baterie v modulu motorů kolem 30 minut. To není mnoho, ale na druhou stranu, neděláme neustále závody autíček, že?! Pokud budeme motor používat střídmě, tak se dostaneme na hranici 60 minut. S čidly to bylo výrazně lepší, vydržela bez nabíjení dva až tři dny (hodně záleží na konkrétním typu čidla). Každopádně se vyplatí moduly „pověsit“ na nabíječku hned, jak je to možné. Tím předejdeme nepříjemným překvapením v podobě červené kontrolky a automatickému vypnutí z důvody vybité baterie.

Další výhodou pro školní prostředí je to, že se moduly dají koupit i jednotlivě. Pokud se vám či vašim žákům podaří něco zničit, je dobré vědět, že kvůli doplnění setu nebudete muset kupovat celou novou stavebnici, ale objednáte pouze zničený modul.

3. Stavebnice

Konstrukční možnosti jsou poměrně omezené. Nejvíce žáci oceňovali možnost sestavení „autíčka“, které se dá ovládat pomocí tabletu nebo s využitím vlastního ovladače sestaveného z modulů SAM Labs. Jak se zde vlastně „staví“? Spojování modulů je možné s využitím silikonového obalu – modul se zasune do prostoru, který je o něco menší, a tím pádem tam drží. Dílky drží opravdu pevně a někdy je problém moduly do otvorů a drážek vůbec dostat, což může být problematické především pro nejmladší žáky. Další možností je využít LEGO kompatibility a zkombinovat SAM Labs s běžnými kostičkami stavebnice LEGO. Právě tato možnost nám přijde jako skvělý tah, který ale postrádá „finalizaci“. V době testování se nám nepodařilo najít žádný rozšiřující LEGO balíček, který by výrobce doporučoval nebo sám nabízel (s návody a metodikou pro učitele). Přitom právě zde vidíme další potenciál „růstu“ směrem ke konstrukčním činnostem. (Aktualizace: Na webu výrobce se objevila první vlaštovka – LEGO Ball Sorter.)

4. Programování

Grafické programování s využitím tzv. flow-based (či node-based) přístupu, kde výsledný program vzniká propojením jednotlivých prvků (bloků, nodů) pomocí spojek (čar), s sebou přináší několik výhod. Asi tou největší je možnost „programovat“ prakticky hned, s nulovou znalostí čehokoli, co se programování týká. Potřebujeme pouze nainstalovat SAM Space na své zařízení (podporovány jsou platformy MS Windows, Android, Chromebook, iOS a iPAD). V našem případě jsme používali tablety s Androidem a klasická PC s MS Windows 10. V případě PC nastal menší problém, a to absence vyžadovaného Bluetooth 4.0. Sada SAM Labs STEM naštěstí obsahuje šest USB Bluetooth 4.0 adaptérů. S nimi vše fungovalo dle očekávání. V případě Classroom kitu je dobré myslet na to, že bude možná třeba USB Bluetooth adaptéry dokoupit.

Bezdrátové spojení s jednotlivými moduly bylo bezproblémové (viz příručka Jak rychle začít). Samotná aplikace SAM Space je poměrně intuitivní a žákům stačila krátká instruktáž a ukázka, jak s aplikací pracovat – jak přidat čidlo/motor, jak umístit čidlo/ovládací prvek na pracovní plochu a jak je mezi sebou propojovat. Bloky, které můžeme na plochu umístit, jsou dvojího typu. První představuje skutečný hardware (krabičku připojenou pomocí Bluetooth) a druhý je čistě softwareový (např. sw tlačítko zapnout/vypnout apod.). Na stránkách prodejce najdete velice pěkný přehled všech bloků ve formátu PDF.

Je třeba mít na paměti, že v případě SAM Labs je program vykonáván na zařízení typu tablet/PC, a není tak možné vytvořit autonomního robota, do kterého bychom náš program „nahráli“, a tablet/PC pak mohli vypnout a odložit.

Kromě uvedeného způsobu můžete aktuálně SAM Labs programovat také alternativně, a to pomocí Google Workbench (grafické programování ve stylu „Blockly“). Tím pádem je zde v případě zájmu i možnost přesunu ke klasičtější podobě programování, což je vhodné především pro starší žáky.

5. Materiáy

O tom, že je SAM Labs velice propracovaná vzdělávací pomůcka, svědčí dostupné materiály. Na stránkách výrobce najdeme kompletní materiály ve formě uceleného STEAM kurikula, včetně videotutoriálů a části s ukázkami několika „mejkr“ projektů. Nechybí ani metodika. Vše je samozřejmě v angličtině (dále např. německy či arabsky). Místní distributor se velmi snaží a pracuje na lokalizaci materiálů, za což si zaslouží pochvalu. Přehled českých materiálů, včetně české metodické příručky, naleznete na stránkách aktivnitrida.cz (vedle osmi námětů s pracovními listy to jsou ještě příručky: Popis sad, Jak rychle začít, Seznam bloků, Metodická příručka). Všechny materiály jsou volně ke stažení.

6. Zkušenosti z výuky

Sady jsme používali při výuce s žáky 5. třídy ZŠ, se skupinou žáků primy víceletého gymnázia a se staršími zájemci (věkový mix). Kladně hodnotíme robustní kufřík/box a systém organizace jednotlivých prvků. Vše je přehledné, stále k dispozici a snadno se kontroluje, zda něco nechybí. SAM Labs žáky velice zaujal a jeho přítomnost ve třídě měla velkou aktivizační roli. Po základním seznámení (bez dalšího upřesňování) začali žáci sami experimentovat. Samozřejmě ne vše ihned fungovalo. Možností propojení jednotlivých čidel/prvků je celá řada a žáci přirozeně dospěli i k nefunkčním propojením. Rozvinula se diskuze, co komu jde, co nejde a jak je třeba to či ono změnit. Žáci řešili předložené problémy a úkoly v týmech i samostatně. Ukázalo se, že systém je snadno přístupný všem žákům a umožňuje značnou individualizaci „postupu kupředu“ u žáků nadaných i žáků hendikepovaných. Ověřili jsme si také, že SAM Labs výrazně posiluje týmovou spolupráci. Dobře zafungovalo i předávání zkušeností mezi jednotlivými týmy. Celkově kladně hodnotíme metodickou příručku, ve které je řada námětů jdoucích napříč obory a předměty. Poněkud zarážející je nízká kvalita (rozlišení) obrázků a fotografií v materiálech (dostupných v PDF souborech). Tento nešvar se objevuje jak v anglických, tak v českých materiálech. Bohužel, nebylo to lepší ani v případě přiložené české tištěné metodické příručky.

7. Závěr

SAM Labs je velice zajímavou pomůckou, která je výrazně zacílena na podporu STEM výuky. Tomu odpovídají i dostupné materiály, kterých je značné množství a jdou napříč různými obory (od elektrotechniky přes přírodní vědy a environmentální problémy až po hudební výchovu). Důležitý je všudypřítomný důraz na poznávání věci s porozuměním a vazba na reálný život a svět kolem nás. Doporučený věk žáků začíná již 5. rokem a končí věkem 14 let (vyčteno z materiálů dostupných v době našeho testování, testované sady spadají do kategorie 5–11 let). SAM Labs má co nabídnout značně široké věkové škále žáků. Je ale potřeba upozornit, že vše je zde podřízeno STEM přístupu. Právě v tomto přístupu je zajištěno, že žák s využitím SAM Labs objevuje a poznává stále něco nového a zajímavého. Pokud bychom SAM Labs zredukovali na pouhou pomůcku pro úvod do programování či robotiky, může poměrně rychle ztratit svůj půvab. Osobně vidíme největší uplatnění systému SAM Labs spíše u mladších žáků, tedy především žáků prvního stupně ZŠ. V této věkové kategorii podobných univerzálních pomůcek s takto rozsáhlým STEM kurikulem mnoho nenalezneme. V případě starších žáků je ale situace odlišná a je otázkou, zda spíše neinvestovat do takové STEM výukové platformy, která umožní žákům třebas i účast v různých mezinárodních soutěžích. Je vidět, že i sám výrobce si tento fakt uvědomuje a přináší novou sadu Learn to Code Kit, která v sobě navíc obsahuje micro:bit, a tím posunuje možnosti sady na vyšší úroveň. (Mimochodem, v této sadě je jinak poněkud problematické dobíjení modulů elegantně vyřešeno.)

Na konec jsme si nechali cenový přehled. Testovanou stavebnici SAM Labs Classroom kit zakoupíte za 38 800 Kč, STEAM kit (nyní Maker kit) za 18 800 Kč. Je to hodně, nebo málo? Když postavíme proti ceně nejen vlastní hardware, ale také všechny dostupné anglické materiály, přijde nám cena velice vstřícná. A jakou sadu do školy pořídit? Pokud chcete začít se STEAM výukou na 1. stupni ZŠ, doporučujeme především Maker kit, který obsahuje podstatně více různých modulů. Pro pokrytí celé třídy ale cena takového řešení výrazně stoupne. Nouzové řešení spatřujeme v kombinaci sad tak, jak jsme je testovali, tedy jeden Classroom kit doplněný jedním Maker kitem. I v této konfiguraci si můžete se svojí třídou pořádně zaSTEAMovat!

Aktualizace: Doplnění několika fotografií ze sady Learn to Code Kit, která se nám bohužel dostala do rukou až po uzávěrce tohoto článku.

Autoři: Jarmila Andrlová, Základní škola Hradec nad Svitavou a Tomáš Feltl, Gymnázium Polička & Časopis e-Mole.cz