ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ ΚΑΙ ΧΕΙΡΙΣΜΟ ΑΠΟ ΑΠΟΣΤΑΣΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΟΖΑΡΗ ΙΩΑΝΝΗ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ ΚΑΙ ΧΕΙΡΙΣΜΟ ΑΠΟ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2008

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΟΖΑΡΗ ΙΩΑΝΝΗ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ ΚΑΙ ΧΕΙΡΙΣΜΟ ΑΠΟ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ που εκπονήθηκε στο εργαστήριο Φυσικής Χημείας, του τομέα Αναλυτικής και Περιβαλλοντικής Χημείας του τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Ημερομηνία προφορικής εξέτασης: 19 Ιουνίου 2008 ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Αν. Καθηγητής ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Επιβλέπων Καθηγητής Καθηγητής ΒΟΥΛΓΑΡΟΠΟΥΛΟΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ Μέλος συμβουλευτικής επιτροπής Καθηγητής ΣΤΡΑΤΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Μέλος συμβουλευτικής επιτροπής Καθηγήτρια ΚΟΒΑΛΑ-ΔΕΜΕΡΤΖΗ ΔΗΜΗΤΡΑ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Αν. Καθηγητής ΡΙΤΖΟΥΛΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ -Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Επ. Καθηγήτρια ΓΙΟΥΡΗ-ΤΣΟΧΑΤΖΗ ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ -Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Επ. Καθηγήτρια ΒΑΡΕΛΛΑ ΕΥΑΓΓΕΛΙΑ -Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

4

5 Η επταμελής εξεταστική επιτροπή που ορίστηκε για την κρίση της Διδακτορικής Διατριβής του ΚΟΖΑΡΗ ΙΩΑΝΝΗ, Χημικού, συνήλθε σε συνεδρίαση στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης τη Πέμπτη 19 Ιουνίου 2008, όπου παρακολούθησε την υποστήριξη της διατριβής με τίτλο «Ανάπτυξη συστημάτων εκπαίδευσης σε επιστημονικά όργανα και χειρισμό από απόσταση». Η επιτροπή έκρινε( ή με ψήφους υπέρ κατά) ότι η διατριβή είναι πρωτότυπη και αποτελεί ουσιαστική συμβολή στην πρόοδο της Επιστήμης ΤΑ ΜΕΛΗ ΤΗΣ ΕΠΤΑΜΕΛΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ Αν. Καθηγητής ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Καθηγητής ΒΟΥΛΓΑΡΟΠΟΥΛΟΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ Καθηγητής ΣΤΡΑΤΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Καθηγήτρια ΚΟΒΑΛΑ-ΔΕΜΕΡΤΖΗ ΔΗΜΗΤΡΑ Αν. Καθηγητής ΡΙΤΖΟΥΛΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Επ. Καθηγήτρια ΓΙΟΥΡΗ-ΤΣΟΧΑΤΖΗ ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ Επ. Καθηγήτρια ΒΑΡΕΛΛΑ ΕΥΑΓΓΕΛΙΑ

6

7 Ιωάννης Α. Κόζαρης Α.Π.Θ. Ανάπτυξη συστημάτων εκπαίδευσης σε επιστημονικά όργανα και χειρισμό από απόσταση. ISBN «Η έγκριση της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής από το τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

8

9 Πρόλογος Η εκρηκτική ανάπτυξη των τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών τείνει να επιφέρει μια ολοκληρωτική αλλαγή στον τρόπο οργάνωσης της παραγωγής, της διανομής των αγαθών και υπηρεσιών, και συνεπώς στην ίδια τη φύση της εργασίας. Οι τεχνολογίες αυτές αποτελούν ήδη για πολλούς ανθρώπους αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινής τους ζωής, προσφέροντας χρήσιμα εργαλεία και υπηρεσίες στο χώρο εργασίας. Η ευρεία ανάπτυξη των εφαρμογών της πληροφορικής και των τεχνολογιών επικοινωνίας έχει επιφέρει σημαντικές τεχνολογικές αλλαγές με ταχύτατες και διαφορετικές διαδικασίες από οτιδήποτε έχουμε δει έως τώρα. Οι αλλαγές αυτές δεν έχουν αφήσει ανεπηρέαστο τον χώρο της Χημείας. Η ενσωμάτωση των τεχνολογικών αλλαγών στο χώρο της οργανολογίας οδήγησε στη δημιουργία επιστημονικών οργάνων με εκπληκτικές δυνατότητες που άλλαξαν ριζικά τον τρόπο εργασίας στο χημικό εργαστήριο. Από την μία η χρήση των εξελιγμένων επιστημονικών οργάνων είναι πλέον επιβεβλημένη στο σύγχρονο επιστημονικό εργαστήριο, αλλά από την άλλη πλευρά η αυτοματοποίηση των διατάξεων που επήλθε στερείται εκπαιδευτικού χαρακτήρα. Ένας από τους στόχους των εργαστηριακών ασκήσεων είναι η μεταφορά δεξιοτήτων και ο σύγχρονος οργανολογικός εξοπλισμός δεν μεταφέρει δεξιότητες. Το ερώτημα που προκύπτει είναι πως θα αποφευχθεί η ρήξη ανάμεσα στην εκπαίδευση που έχει την ανάγκη του διδακτικού χαρακτήρα των παλαιών διατάξεων και στις νέες πολύ αυτόματες πλέον διατάξεις όπου δεν διαθέτουν εκπαιδευτικό χαρακτήρα. Αναμφισβήτητα οι νέες τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνιών παίζουν σημαντικό ρόλο στην αναδιάρθρωση των επαγγελμάτων και των απαιτούμενων δεξιοτήτων. Η φύση των τεχνολογιών αυτών απαιτεί όχι μόνο ισχυρότερες ποσοτικά και ποιοτικά δεξιότητες, αλλά και την ανάπτυξη μιας 5

10 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή συγκεκριμένης εξοικείωσης με τις τεχνολογίες αυτές. Συνέπεια της εξέλιξης αυτής είναι το γεγονός ότι σε όλους σχεδόν τους χώρους εργασίας, ακόμη και στους πιο παραδοσιακούς, απαιτούνται πλέον σημαντικές δεξιότητες πληροφορικής πέρα από τις απαραίτητες γνώσεις του εκάστοτε επιστημονικού τομέα. Όπως έχει ήδη τονισθεί, η ανάπτυξη των τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας είναι ραγδαία αλλά και διαρκής, με τρόπο που να γίνεται δύσκολη η αφομοίωσή της. Στο πλαίσιο αυτό οι στερεότυπες επαγγελματικές δεξιότητες, αλλά και τα παραδοσιακά μοντέλα και τεχνικές διαχείρισης, καθίστανται ανεπαρκή τόσο στην εκπαίδευση όσο και κατ επέκταση στον εργασιακό χώρο, οι οποίοι πλέον απαιτούν το ακριβώς αντίθετο την ανάπτυξη μιας νέας νοοτροπίας που χαρακτηρίζεται από ευελιξία και ικανότητα προσαρμογής στις αλλαγές. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικής Χημείας του Τμήματος Χημείας της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κατά το χρονικό διάστημα Σκοπό της διατριβής αποτέλεσε η μελέτη της δυνατότητας ανάπτυξης συστημάτων εκπαίδευσης στη χρήση επιστημονικών οργάνων καθώς και το χειρισμό αυτών από απόσταση με τη χρήση τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας. Η εφαρμογή των τεχνολογιών της πληροφορικής και επικοινωνίας στο χημικό εργαστήριο λύνει πολλά προβλήματα, εισάγει όμως πολύ περισσότερα στην εκπαιδευτική διαδικασία των χημικών. Οι προαπαιτούμενες γνώσεις όχι μόνο αυξάνονται αλλά και διαρκώς μεταβάλλονται λόγω των τεχνολογικών εξελίξεων. Στην παρούσα διατριβή ακολουθήθηκε μια προωθημένη διαθεματική προσέγγιση που εισάγει τις τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνιών σε υπάρχουσες εργαστηριακές ασκήσεις του προγράμματος σπουδών του τμήματος Χημείας, με σκοπό τη δημιουργία παραστάσεων στους φοιτητές και την ανάπτυξη γνωστικοκοινωνικών δεξιοτήτων του επιστημονικού τρόπου σκέψης. Οι δεξιότητες αυτές είναι αναγκαίες για την αυτορυθμιζόμενη μάθηση που προϋποθέτει η δια βίου 6

11 Πρόλογος εκπαίδευση, λύση στην ανάγκη ευελιξίας και ικανότητα προσαρμογής στις αλλαγές. Τα σημεία που μελετήθηκαν ήταν η αξιοποίηση χρησιμοποιούμενων εργαστηριακών ασκήσεων μέσω της πληροφορικής τεχνολογίας δηλαδή: ανάπτυξη υποδομών στα εργαστήρια για την εισαγωγή τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας, ανάπτυξη εκπαιδευτικού λογισμικού, ενσωμάτωση του εκπαιδευτικού λογισμικού στην εργαστηριακή εκπαίδευση το επίπεδο γνώσης των φοιτητών σε θέματα πληροφορικής και επικοινωνιών ο έλεγχος αποδοχής των νέων περιβαλλόντων εκπαίδευσης από τους φοιτητές Στο πρώτο μέρος της διδακτορικής διατριβής γίνεται αρχικά μια ιστορική αναδρομή της εργαστηριακής εκπαίδευσης και στη συνέχεια βιβλιογραφική επισκόπηση του πλαισίου της εργαστηριακής εκπαίδευσης, του τρόπου που συντελείται η μάθηση στην εργαστηριακή εκπαίδευση, των εφαρμογών των νέων τεχνολογιών στην εργαστηριακή εκπαίδευση και ειδικότερα στη Χημική εργαστηριακή εκπαίδευση. Το δεύτερο μέρος αναφέρεται στην επίδραση των τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας στην οργανολογία, στη διασύνδεση παλαιών επιστημονικών οργάνων με υπολογιστικά συστήματα, τα τυποποιημένα πρωτόκολλα διασύνδεσης και στην ηλεκτρονική συλλογή δεδομένων. Στο τρίτο μέρος γίνεται περιγραφή των εργαστηριακών υποδομών που αναπτύχθηκαν με τη χρήση τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας, με σκοπό την ανάπτυξη ενός υβριδικού μαθησιακού περιβάλλοντος για την ενσωμάτωση των τεχνολογιών αυτών σε προϋπάρχουσες εργαστηριακές ασκήσεις.

12 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Το τέταρτο μέρος περιγράφει τρείς μελέτες περίπτωσης εισαγωγής τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας σε προϋπάρχουσες εργαστηριακές ασκήσεις. Η πρώτη περίπτωση αποτελεί το σενάριο στο οποίο το αναλογικό επιστημονικό όργανο διαθέτει ανοικτό πρωτόκολλο διασύνδεσης. Στο δεύτερο σενάριο το όργανο δεν διαθέτει ανοικτό πρωτόκολλο διασύνδεσης και η μεταφορά των δεδομένων γίνεται μέσω εικόνας. Στην τρίτη περίπτωση η διασύνδεση γίνεται με σκοπό την εκπαίδευση στον απομακρυσμένο χειρισμό οργάνων. Τέλος στο τέταρτο μέρος μελετήθηκε επίσης η στάση των φοιτητών καθώς και η αποδοχή της περίπτωσης εισαγωγής τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας στην εργαστηριακή εκπαίδευση. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Νικόλαο Παπαδόπουλο αναπληρωτή καθηγητή για την επιστημονική καθοδήγηση και την στήριξη σε όλη τη διάρκεια της διδακτορικής διατριβής καθώς και τους καθηγητές Αναστάσιο Βουλγαρόπουλο και Ιωάννη Στράτη για τις πολύτιμες συμβουλές και το ενδιαφέρον που έδειξαν για την ολοκλήρωση της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Επίσης ευχαριστώ θερμά την καθηγήτρια Δήμητρα Κόβαλα - Δεμερτζή, τον Γεώργιο Ριτζούλη, αναπληρωτή καθηγητή, την Αικατερίνη Γιούρη-Τσοχατζή επίκουρο. καθηγήτρια και την Ευαγγελία Βαρέλλα επίκουρο. καθηγήτρια για τις ουσιαστικές τους υποδείξεις για την διάρθρωση και διόρθωση της διατριβής. Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2008 Κόζαρης Ιωάννης 8

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος Θεωρητικό πλαίσιο Ιστορική αναδρομή Πλαίσιο Εργαστηριακής Εκπαίδευσης Μάθηση και εργαστηριακή εκπαίδευση Νέες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση Εφαρμογή πληροφορικής τεχνολογίας στην εργαστηριακή εκπαίδευση Βιβλιογραφία Υπολογιστικά Συστήματα στην Οργανολογία Επίδραση τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών στην Οργανολογία Ηλεκτρονική συλλογή δεδομένων για την προώθηση αποτελεσματικής μάθησης κατά τη διάρκεια εργαστηριακών δραστηριοτήτων Διασύνδεση οργάνων με υπολογιστές Τυποποιημένα πρωτόκολλα διασύνδεσης επιστημονικών οργάνων με υπολογιστικά συστήματα Πρωτόκολλο RS Πρωτόκολλα παράλληλης θύρας Πρωτόκολλο Ethernet

14 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή USB θύρα Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας Δικτυακή υποδομή Επικοινωνία τοπικού δικτύου με απομακρυσμένα δικτυα Σύνδεση μέσω Internet Σύνδεση μέσω τηλεφωνικού δικτύου Έλεγχος εικόνας Σύλληψη εικόνας Μετάδοση εικόνας Προσπέλαση σειριακών συνδέσεων Γλώσσες προγραμματισμού ανάπτυξη λογισμικού Γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic Γλώσσα προγραμματισμού Java Βιβλιογραφία Πειραματικές δραστηριότητες Γενικά Δημιουργία μαθησιακού περιβάλλοντος για τη διδασκαλία εισαγωγικών εννοιών απόληψης (Data acquisition) μεταφοράς και επεξεργασίας πειραματικών δεδομένων `Περιγραφή περιβάλλοντος

15 Θεωρητικό πλαίσιο Στόχοι του εκπαιδευτικού πειράματος Μεθοδολογία Υποδομή - υλικά Δικτυακή υποδομή Χρήση πολύμετρου Metex ME-21 σαν μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Φασματοφωτόμετρο Υποδομή σε λογισμικό Λογισμικό απόληψης, μεταφοράς και αποθήκευσης μετρήσεων Πρόγραμμα Εξυπηρετητή Πρόγραμμα Πελάτη Συμμετέχοντες Διαδικασίες Μετρήσεις Αναλύσεις Δημιουργία μαθησιακού περιβάλλοντος για τη χρήση επιστημονικών οργάνων που δεν διαθέτουν θύρα εξαγωγής δεδομένων Στόχοι του εκπαιδευτικού πειράματος Μεθοδολογία Περιγραφή της άσκησης

16 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Υποδομή υλικά Εξυπηρετητής εικονοροών - κάμερα Αγωγιμόμετρο Συμμετέχοντες Διαδικασίες Μετρήσεις Αναλύσεις Δημιουργία μαθησιακού περιβάλλοντος για την επίδειξη αυτοματοποίησης και χειρισμού από απόσταση κλασικής ποτενσιομετρικής τιτλοδότησης οξέος βάσεως Στόχοι του εκπαιδευτικού πειράματος Μεθοδολογία Περιγραφή της άσκησης Υποδομή - υλικά Δικτυακή υποδομή Χρήση πολύμετρου Metex ME-21 σαν μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Ενισχυτής σήματος ηλεκτροδίου Πεχαμετρικό ηλεκτρόδιο Αυτόματη Προχοίδα Οδηγός Προχοιδας Μαγνητικού αναδευτήρα

17 Θεωρητικό πλαίσιο Υποδομή σε λογισμικό Συμμετέχοντες Διαδικασίες Μετρήσεις Αναλύσεις Συμπεράσματα Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Θύρες επικοινωνίας οργάνων με υπολογιστές Α.1 Περιγραφή της σειριακής θύρας ( RS232 ) Α.2 ΔΙΑΤΑΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ υπολογιστή συνδεδεμένου με εξωτερικό όργανο μέσω της RS232 θύρας Α.3. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ μέσω της σειριακής θύρας Α.4. ΤΥΠΟΙ διασυνδετών Α.5. Καλωδίωση μεταξύ σειριακών θυρών Α.6. Τύποι σειριακών συσκευών Α.7. Τα καλώδια Α.8. Σύγχρονη και ασύγχρονη επικοινωνία Α.9. Επικοινωνία διπλής κατεύθυνσης Α.10. Επικοινωνία με τα ψηφία (bit) Α.11. Το ψηφίο ισοτιμίας (Parity bit)

18 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Α.12. Διαμόρφωση της σειριακής θύρας Α.13. Συνδέοντας το Metex ME 21 πολύμετρο Α.14. Προγραμματισμός της σειριακής θύρας Α.15 JavaComm API Α.16. Άλλες γλώσσες προγραμματισμού Παράλληλη Θύρα Α.17 Περιγραφή της παράλληλης θύρας Α.18 ΔΙΑΤΑΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ υπολογιστή συνδεδεμένου με εξωτερική συσκευή μέσω της παράλληλης θύρας Α.19. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ μέσω της παράλληλης θύρας Α.20 ΤΥΠΟΙ διασυνδετών Α.21. Καλωδίωση μεταξύ παράλληλων θυρών Α.22 Προγραμματισμός της παράλληλης θύρας Θύρα Ethernet Α.23 Περιγραφή της θύρας Ethernet Α.24 Τοπικά Δίκτυα Α.25 Στοιχεία του Δικτύου Α.26 Τα καλώδια Α.27 Τοπολογία και διατάξεις Ethernet δικτύου Α.28 Προγραμματισμός της Etnernet Α.29 Ethernet και εργαστήριο χημείας

19 Θεωρητικό πλαίσιο Η θύρα USB Α.30 Περιγραφή της USB θύρας Α.31 Τύποι διασυνδετών Α.32 USB Hub Α.33 Καλώδια Α.34 Προγραμματισμός της USB θύρας ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Κώδικας Java του πρώτου εκπαιδευτικού πειράματος Β.1 Κώδικας προγράμματος εξυπηρετητή LabServer.java UaServer_Socket.java Msgbroadcast.java SocketCallback.java AppendUserList.java B.2 Κώδικας προγράμματος πελάτη LabLogin.java LabClient.java GetSerialData.java CClient.java AlertDialog.java

20 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Messager.java Outputable.java PortSettings.java ToggleLabel.java

21 1. Θεωρητικό πλαίσιο 1.1 Ιστορική αναδρομή Η εισαγωγή της εργαστηριακής εκπαίδευσης στην τυπική εκπαίδευση είναι συγκριτικά πρόσφατη. Μπορεί να θεωρηθεί ως κομμάτι της βιομηχανικής επανάστασης, γιαυτο τόσο τα αίτια όσο και τα αποτελέσματα ανάμεσα στην ανάπτυξη, εργοστασιακών εφαρμογών και των εργαστηριακών μονάδων, χώρων δηλαδή που γίνοντα πειράματα, βρίσκονται σε στενό παραλληλισμό. Η ανάπτυξη των πρώτων εργαστηρίων έγινε στη Γερμανία ως μέρος της επιστημονικής αναγέννησης μετά από τους Ναπολεόντειους πολέμους. Το πρώτο εργαστήριο της χημείας δημιουργήθηκε από τον Justus von Liebig στο Giessen το Αυτή η κίνηση ακολουθήθηκε από τη δημιουργία παρόμοιων εργαστηρίων σε Göttingen από τον Wöhler το 1836, σε Marburg με τον Bunsen το 1840, και στη Λειψία από τον Erdmann το Το πρώτο αγγλικό εργαστήριο ήταν το College of Chemistry, τώρα τμήμα του Imperial College of Science and Technology of the University of London, το οποίο ιδρύθηκε το 1845 από τον von Hoffmann, που έφερε από τη Γερμανία ο πρίγκηπας Αλβέρτος. Ο Benjamin Silliman ίδρυσε στο πανεπιστήμιο Yale το πρώτο αμερικανικό εργαστήριο με αποκλειστικό στόχο τη διδασκαλία της χημείας. Το εργαστήριο του Liebig ήταν το πρώτο εργαστήριο ινστιτούτου στο οποίο οι σπουδαστές εκπαιδεύθηκαν σκόπιμα, με τη βοήθεια συστηματικών ερευνητικών πειραμάτων για την απόκτηση της ιδιότητα μέλους ενός ιδιαίτερα αποτελεσματικού ερευνητικού σχολείου (Morrell, 1969, 1972). Παρόλο που στα εργαστήρια του Liebig οι ασκήσεις γίνονταν με την μορφή επίδειξης στην εκπαίδευση των φοιτητών υπήρχε πάντα και ένα θέμα «μαθαίνοντας μέσα από την πράξη». Στη συνέχεια η εργαστηριακή εκπαίδευση αναπτύχθηκε βαθμιαία κατά τη διάρκεια των επόμενων πενήντα ετών μέχρι που τελικά, το 1899 θεωρήθηκε απαραίτητο να συμμετέχουν ενεργά οι σπουδαστές πραγματοποιώντας οι ίδιοι τις πειραματικές ασκήσεις. Στο μεταξύ τα περισσότερα εκπαιδευτικά ιδρύματα στην Αγγλία είχαν υιοθετήσει ήδη αυτόν 17

22 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή τον τρόπο και θεωρήθηκε ότι η πρακτική εργασία είναι ουσιαστική απαίτηση για την διδασκαλία των Θετικών επιστημών (Gee και Clackson, 1992). Κατά συνέπεια, η εργαστηριακή εκπαίδευση στη χημεία υιοθετήθηκε από όλα τα πανεπιστήμια πέρα από την Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική. Ο Charles Elliot καθηγητής της ορυκτολογίας στο πανεπιστήμιο του Harvard έγραψε το 1867 ένα εγχειρίδιο το οποίο αποτέλεσε το καθιερωμένο εγχειρίδιο εργαστηρίων και περιείχε 260 πειράματα που θα μπορούσαν να γίνουν είτε με τη μορφή επιδείξεων είτε σαν εργαστηριακά πειράματα. Η εργαστηριακή εκπαίδευση αφιερώθηκε ουσιαστικά στη διδασκαλία δεξιοτήτων που ήταν απαραίτητες στη βιομηχανία και την έρευνα (Johnstone και Letton, 1990). Η εργαστηριακή άσκηση έχει απολαύσει μακροχρόνιους κύκλους δημοτικότητας, και έπειτα περίοδους παραμέλησης. Τα πρώτα έτη του 20ου αιώνα, η εργαστηριακή εκπαίδευση αντιμετωπιζόταν ως σημαντική επέκταση της εκμάθησης μέσα από την πράξη και η ύπαρξη της υπερασπίστηκε από προοδευτικά εκπαιδευτικά ρεύματα. Αλλά στη δεκαετία του '20 και 30 " υπήρξε (Morrel 1972) έντονη διαμάχη μεταξύ των συνηγόρων της εργαστηριακής άσκησης και εκείνων που θεωρούσαν ότι οι «επιδείξεις» ήταν καλύτερος τρόπος εκπαίδευσης (Siebring 1977). Οι «επιδείξεις» ήταν πειράματα διάλεξεις στο οποίο ο εκπαιδευτικός θα συνέλλεγε τα στοιχεία για λογαριασμό των εκπαιδευόμενων οι οποίοι στη συνέχεια θα τα ανέλυαν. Η δεκαετία του '50 και η δεκαετία του '60 ήταν μια εποχή όπου άνθισε η εργαστηριακή εκπαίδευση και οδήγησε στην διόγκωση των εργαστηριακών μαθημάτων, με όλα τα συνοδευτικά προβλήματα. Εντούτοις, αρχίζοντας η δεκαετία του 70, οι εργαστηριακές απαιτήσεις άρχισαν να μειώνονται, και η κοινότητα των χημικών άρχισε να χάνει το ενδιαφέρον της για την εργαστηριακή εκπαίδευση. Όπως αναφέρει ο Pikering o Westheimer διατύπωσε αυτή την κατάσταση λέγοντας : «Η πτώση της εργαστηριακής εκπαίδευσης είναι μια αδήλωτη συνωμοσία μεταξύ των σπουδαστών που δεν επιθυμούν να την λάβουν και της εκπαιδευτικής κοινότητας που δεν επιθυμεί να τη διδάξει ". 18

23 Θεωρητικό πλαίσιο 1.2 Πλαίσιο Εργαστηριακής Εκπαίδευσης Η εργαστηριακή άσκηση αποτελεί καθιερωμένο μέρος του προγράμματος σπουδών της Χημείας στην τριτοβάθμια εκπαίδευση. Οι αρχικοί λόγοι για την υιοθέτηση των εργαστηριακών ασκήσεων βρίσκονται τόσο στην ανάγκη να παραχθούν εξειδικευμένοι επιστήμονες για τη βιομηχανία όπως και περισσότερο ικανοί επιστήμονες για τα ερευνητικά εργαστήρια ( Morrell 1699,1972). Αυτό είχε ως συνέπεια η εργαστηριακή εκπαίδευση να είναι αφιερωμένη στη διδασκαλία δεξιοτήτων που άμεσα χρησιμοποιούν στη βιομηχανία και την έρευνα (Letton 1987; Johnstone και Letton 1989; Khan 1996). Η εργαστηριακή άσκηση έπαιζε το ρόλο της επιβεβαίωσης της θεωρίας, ή οποία είχε διδαχθεί στην αίθουσα με τη μορφή διάλεξης. Σήμερα οι στόχοι μπορεί να είναι διαφορετικοί, δεδομένου ότι πολλοί πτυχιούχοι δεν απασχολούνται πλέον ως Χημικοί εργαστηρίων της βιομηχανίας (Duckett et all 1999; Statistics of chemistry education, 2006). Επίσης οι ανάγκες της έρευνας έχουν γίνει αναπόφευκτα πιο εξειδικευμένες δεδομένου ότι η Χημική γνώση έχει επεκταθεί με συνέπεια να απαιτείται περισσότερο εξειδικευμένη εργαστηριακή άσκηση. Οι εργαστηριακές ασκήσεις είναι ένα από τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της εκπαίδευσης των επιστημών σε όλα τα επίπεδα. Θα ήταν σπάνιο να βρεθεί οποιαδήποτε σειρά μαθημάτων θετικών επιστημών, σε οποιοδήποτε ίδρυμα εκπαίδευσης, χωρίς ουσιαστικό συστατικό εργαστηριακής δραστηριότητας. Εντούτοις, πολύ λίγη αιτιολόγηση δίνεται για την παρουσία τους σήμερα. Υποτίθεται ότι είναι απαραίτητα και σημαντικά. Λαμβάνεται ως δεδομένο ότι η πειραματική άσκηση είναι θεμελιώδες μέρος οποιουδήποτε προγράμματος σπουδών θετικών επιστημών και αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα προγράμματα σπουδών της χημείας. Πολύ συχνά διατυπώνεται ότι η χημεία από τη φύση της είναι ένα πρακτικό αντικείμενο και αυτό υποτίθεται ότι, κατά κάποιο τρόπο, πρόσφερε την επαρκή αιτιολόγηση για την παρουσία της εργαστηριακής εκπαίδευσης. Κατά συνέπεια, μια συχνά προτεινόμενη αιτιολόγηση είναι η ανάπτυξη των πειραματικών δεξιοτήτων των σπουδαστών. Εν τούτοις, αυτό το 19

24 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή επιχείρημα πρέπει να εξεταστεί για να δικαιολογήσει τη θέση ή το ρόλο του εργαστηρίου στον τομέα της χημικής εκπαίδευσης. Ένας από τους κύριους λόγους που δικαιολογούν την έρευνα για τη θέση της εργαστηριακής εκπαίδευσης είναι ότι τα εργαστηριακά προγράμματα είναι πολύ ακριβά τόσο από άποψη εγκαταστάσεων όσο και υλικών, αλλά και το πιο σημαντικό, από άποψη χρόνου που καταναλώνει το προσωπικό των ιδρυμάτων (Carnduff και Reid, 2003). Οι αντιδράσεις των πανεπιστημιακών σπουδαστών στην εργαστηριακή εκπαίδευση είναι συχνά αρνητικές και αυτό μπορεί να απεικονίσει την αντίληψη των σπουδαστών ότι υπάρχει έλλειψη οποιουδήποτε σαφούς σκοπού για τα πειράματα. Έτσι περνούν από το πείραμα χωρίς επαρκή υποκίνηση (δείτε παραδείγματος χάριν, Johnstone και Letton, το 1988 και το 1990). Είναι σημαντικό να σκεφτούμε τους σκοπούς στο πλαίσιο της εργαστηριακής άσκησης. Η εργαστηριακή άσκηση χρησιμοποιείται με σκοπό την περιγραφή πρακτικών δραστηριοτήτων, που οι σπουδαστές αναλαμβάνουν, για τη χρησιμοποίηση των χημικών ουσιών και του εξοπλισμού σε ένα εργαστήριο χημείας καθώς και την επιβεβαίωση της θεωρίας που έχουν διδαχθεί στις διαλέξεις. Πριν από πολλά χρόνια στο σχολικό πλαίσιο, οι Rose και Seyse (1974) έθεσαν μια σημαντική ερώτηση: θα μπορούσαν πολλοί σημαντικοί στόχοι να επιτευχθούν ακόμα κι αν η εργαστηριακή άσκηση καταργηθεί; Διατύπωσαν στη συνέχεια ότι αυτό εξαρτάται εν μέρει από την άποψη μας για την επιστήμη. Η επιστήμη μπορεί να θεωρηθεί ως : καθιερωμένη ανθρώπινη γνώση, μια δραστηριότητα επίλυσης προβλημάτων, ή ότι ενδιαφέρεται για τη σχέση μεταξύ της θεωρίας και των πειραμάτων. Μια παρόμοια ερώτηση μπορεί να τεθεί και για τη χημεία στην τριτοβάθμια εκπαίδευση: τι θα χανόταν εάν η εργαστηριακή εκπαίδευση εξαφανιζόταν από τα προγράμματα σπουδών; Είναι πιθανό ότι οι σπουδαστές θα 20

25 Θεωρητικό πλαίσιο εξακολουθούσαν να περνούν τις εξετάσεις, των μαθημάτων που βασίζονταν στη διάλεξη, με ελάχιστη ή καμία αλλαγή. Εντούτοις, οι σπουδαστές θα είχαν οποιαδήποτε «αίσθηση» για τη χημεία, για τις χημικές ουσίες, για την οργανολογία, ή για τον τρόπο που ο πειραματική διαδικασία πραγματοποιείται; Με κάποιο τρόπο, αυτό αρχίζει να καθορίζει ποιοι θα μπορούσαν να είναι οι σημαντικοί στόχοι που επιτυγχάνονται μέσω των εργαστηριακών μαθημάτων με μοναδικό τρόπο. Ο Hawkes (2004) έχει αμφισβητήσει τη θέση των εργαστηρίων σε πολλές σειρές μαθημάτων χημείας της τριτοβάθμιας εκπαίδευσης. Υποστήριξε ότι τα στοιχεία δεν δικαιολογούν την ιδέα ότι το εργαστήριο βοηθά στην επίτευξη πολλών από τους στόχους για τις σειρές μαθημάτων χημείας. Σημείωσε ότι, «οι τεράστιες δαπάνες σε χρόνο και χρήματα σε συνδυασμό με την απέχθεια των σπουδαστών για τα εργαστήρια, απαιτεί ουσιαστικά στοιχεία για την αξία τους, ίσου μέτρου με το κόστος που απαιτούν και με την απώλεια διδακτικών αντικειμένων που πρέπει να παραλειφθούν για να βρεθεί χρόνος ώστε να πραγματοποιηθούν αυτές οι ασκήσεις.» Το επιχείρημά του έχει κάποια βάση, δεδομένου ότι σήμερα πολλοί σπουδαστές που παίρνουν τις σειρές μαθημάτων χημείας δεν σκοπεύουν να γίνουν επαγγελματίες που θα δουλέψουν σε εργαστήρια υπό οποιαδήποτε έννοια. Εντούτοις, η απουσία της εργαστηριακής εμπειρίας μπορεί να αφήσει τους σπουδαστές με αντιλήψεις για τη χημεία που είναι πολύ αφηρημένες και θεωρητικές. Δεδομένου ότι δεν είναι δυνατό να είναι γνωστό ποιοι από τους σπουδαστές θα απασχοληθούν σε εργαστήρια χημείας (σύνθεσης ή ανάλυσης ή μελέτη ιδιοτήτων), είναι σημαντικό να μην απορριφθεί ολικά η σημαντική θέση του εργαστηρίου. Το βασικό επιχείρημα του Hawkes αμφισβητεί την υπερβολική έμφαση στις πρακτικές δεξιότητες και προτείνει ότι είναι σημαντικό να σκεφτούμε μέσω των στόχων της εργαστηριακής άσκησης, έτσι ώστε μερικές από τις ευρύτερες επιστημονικές δεξιότητες να μπορούν να βρούν μια κατάλληλη θέση. Οι συγκεκριμένες εργαστηριακές δεξιότητες σπάνια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ακόμη και από τους πολύ πρακτικούς χημικούς που προορίζονται για επαγγελματίες εργαστηριακών πάγκων, αλλά η θέση και η φύση του πειραματισμού θα είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος για την κατανόηση που θα επιτευχθεί. 21

26 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή O Wills (1974) αναφέρει τα αποτελέσματα έρευνας για τις απόψεις των σπουδαστών σχετικά με τη διδασκαλία πρακτικής βιοχημείας ως τμήμα μιας ιατρικής σειράς μαθημάτων. Παρατήρησε ότι οι μισοί από τους σπουδαστές παρουσίασαν μικρό ενθουσιασμό για τις εργαστηριακές ασκήσεις. Το επίπεδο της αντίληψης τους ήταν σχετικά χαμηλό, ενώ οι σπουδαστές σημείωσαν ότι η θεωρητική κατανόηση επιτεύχθηκε σχετικά αργά μέσω της πρακτικής εργασίας, παρέχοντας μια φτωχή ανταμοιβή στη γνώση που αποκτήθηκε για τη μελλοντική ιατρική σταδιοδρομία τους. Αν και αυτά τα σχόλια γράφτηκαν πολύ καιρό πριν και σε ένα διαφορετικό πλαίσιο, πολλά ισχύουν ακόμα στη χημεία όπου οι σπουδαστές δεν αισθάνονται πάντα αυτό που κάνουν (Shah, 2004). Φυσικά δεν είναι πάντα εύκολο για τους σπουδαστές να αντιληφθούν τη σημασία ορισμένων δραστηριοτήτων μέχρι να μελετήσουν, αλλά μια σχετική έλλειψη αντίληψης σε οποιοδήποτε στάδιο δεν βοηθάει και αυτό πρέπει να διερευνηθεί. Σκεπτόμενοι την εργαστηριακή εκπαίδευση, υπάρχουν μερικές αναπόφευκτες εντάσεις. Οι σπουδαστές δεν τοποθετούνται με τον καλύτερο τρόπο για να δουν τη σχετικότητα και τη σημασία όλων των στοιχείων της προγράμματος σπουδών τους. Από την άλλη πλευρά, υπάρχει μια τάση από τους ειδικούς να σκέφτονται πως θα παρουσιάσουν το θέμα τους παρά να ικανοποιήσουν τις ανάγκες των σπουδαστών. Φαίνεται να είναι σημαντική η ανάγκη για σαφώς διατυπωμένους στόχους, που κοινοποιούνται αποτελεσματικά στους σπουδαστές. Οι Meester και Maskill (1993, 1995a) μελετώντας τα εγχειρίδια χημείας για την εργαστηριακή εκπαίδευση πρωτοετών στα βρετανικά πανεπιστήμια, ανέφεραν ότι οι στόχοι της προγράμματος σπουδών δηλώθηκαν μόνο στα μισά από τα εγχειρίδια ενώ μόνο σε ένα εγχειρίδιο των 49 που ερευνήθηκαν οι στόχοι εκμάθησης ήταν σαφώς διατυπωμένοι για κάθε πείραμα που περιγραφόταν. Τα εθνικά πρότυπα εκπαίδευσης των ΗΠΑ στις φυσικές επιστήμες (National Research Council, 1996) καθώς και άλλη βιβλιογραφία σχετική με την εργαστηριακή εκπαίδευση (Lunetta, το 1998, Bybee, το 2000, Hofstein & Lunetta, το 2004) υπογραμμίζουν τη σημασία της επανεξέτασης του ρόλου και της πρακτικής της εργαστηριακής εκπαίδευσης για την διδασκαλία των φυσικών 22

27 Θεωρητικό πλαίσιο επιστήμων τόσο γενικά όσο και ειδικότερα στα πλαίσια της χημεία. εκπαίδευσης στη Η διδασκαλία του τρόπου που σχεδιάζουμε μια πειραματική διαδικασία μπορεί να είναι απίστευτα σημαντική, αλλά δεν θα επιτευχθεί εύκολα στο καθορισμένο είδος πειραμάτων που βλέπουμε συχνά στα πανεπιστημιακά εργαστηριακά εγχειρίδια. Οι εκπαιδευτές συχνά θεωρούν την εργαστηριακή άσκηση σαν προσάρτημα της θεωρητικής εκπαίδευσης καθορίζοντας ανάλογους στόχους. Οι στόχοι αυτοί σχετίζονται με την εικόνα ότι η εργαστηριακή άσκηση υποτίθεται ότι παγιώνει την εννοιολογική κατανόηση όσων διδάσκονται στα μαθήματα της θεωρίας. Μέσα σε αυτά τα πλαίσια οι καθηγητές ετοιμάζουν επιμελημένα εργαστηριακά εγχειρίδια που στοχεύουν στην καθοδήγηση των σπουδαστών βήμα-βήμα μέχρι τη λήψη του τελικού αποτελέσματος, συγκεκριμενοποιώντας τι έχουν μάθει στη θεωρία. Έτσι, το να δείξουμε πώς η θεωρία προκύπτει από τον πειραματισμό βρίσκεται σε αντίφαση με την ιδέα της επιβεβαίωσης της θεωρίας που διατυπώθηκε ως στόχος της εργαστηριακής εκπαίδευσης τόσο έντονα στο 19ο αιώνα και που υφίσταται ακόμα και σήμερα. Η ανάπτυξη των δυνάμεων της παρατήρησης, μέτρησης, πρόβλεψης, ερμηνείας, σχεδιασμού των πειραμάτων εξαρτάται από το είδος της εργαστηριακής άσκησης. Εντούτοις, τα εργαστήρια σε προπτυχιακό επίπεδο (ίσως επίσης σε άλλα επίπεδα) δεν φαίνεται να παίζουν το ρόλο τους πολύ καλά σε ότι αφορά την επίτευξη αυτών των στόχων και σκοπών (Carnduff και Reid, 2003). Συνοπτικά, αυτοί είναι μερικοί από τους λόγους ή τους στόχους που απαιτούν λίγο πολύ την παρουσία εργαστηριακής άσκησης στις σειρές μαθημάτων χημείας. Φυσικά, η εργαστηριακή εμπειρία δεν εξασφαλίζει ότι τέτοιοι στόχοι και σκοποί μπορούν να επιτευχθούν στην παρούσα κατάσταση. Είναι αλήθεια ότι πολύ συχνά η έρευνα έχει αποτύχει να παρουσιάσει μια απλοποιημένη σχέση μεταξύ της εμπειρίας που παρέχεται στους σπουδαστές στην εργαστηριακή εκπαίδευση και την διδακτική των φυσικών επιστημών. Οι κατάλληλες εργαστηριακές δραστηριότητες μπορούν να είναι αποτελεσματικές βοηθώντας τους σπουδαστές, να δομήσουν τη γνώση τους, 23

28 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή να αναπτύξουν λογικές και διερευνητικές δεξιότητες, καθώς επίσης και τις δυνατότητες επίλυσης προβλημάτων (Tobin,1990. Gunstone,1991). Μπορούν επίσης να βοηθήσουν στην ανάπτυξη των ψυχοκινητικών δεξιοτήτων (δεξιότητες χειρισμού και παρατήρησης). Επιπλέον η εργαστηριακή εκπαίδευση είναι ένα μοναδικό μαθησιακό περιβάλλον, για την προώθηση θετικών στάσεων και την παροχή στους σπουδαστές ευκαιρίων να αναπτύξουν δεξιότητες σχετικά με τη συνεργασία και την επικοινωνία. Κατά συνέπεια, έχει τη δυνατότητα να παρέχει στους καθηγητές θετικών επιστημών τις ευκαιρίες να ποικιλοποιούν τις εκπαιδευτικές τεχνικές τους ώστε να αποφευχθεί ένα μονότονο μαθησιακό περιβάλλον. Φαίνεται η ύπαρξη σημαντικής ανάγκης για να αλλαχτεί ή να βελτιωθεί η παρούσα κατάσταση ώστε να δημιουργήσει περισσότερη ευκαιρία για τους σπουδαστές να εκπληρώσουν αυτούς τους στόχους. 24

29 Θεωρητικό πλαίσιο 1.3 Μάθηση και εργαστηριακή εκπαίδευση Ο ρόλος της εκπαίδευσης στις φυσικές επιστήμες είναι η παροχή βοήθειας στους σπουδαστές για να κατανοήσουν το φυσικό κόσμο, τι περιέχει, πως λειτουργεί, και πως μπορούμε να εξηγήσουμε και να προβλέψουμε τη συμπεριφορά του. H American Chemical Society έχει ξεκινήσει μια μεγάλη προσπάθεια για την επανεξέταση της διαδικασίας της Χημικής εκπαίδευσης, τονίζοντας πως οποιαδήποτε αναμόρφωση του περιεχομένου δεν μπορεί να διαχωριστεί από την παιδαγωγική αναμόρφωση. Υποστηρίζει επίσης ότι το κρίσιμο σημείο της εκπαίδευσης βρίσκεται στους εκπαιδευτές. Οι Lazarowitz και Tamir (1995) στην έρευνα βιβλιογραφικής επισκόπησης αναφέρουν ότι πολλοί παράγοντες επηρεάζουν τη μάθηση μέσα στο εργαστήρια, αλλά ο πιο σημαντικός παράγοντας είναι ο εκπαιδευτής. Πρέπει να κατέχει τόσο τη μοντέρνα Χημεία όσο και παιδαγωγικές τεχνικές για να εξασφαλισθεί ότι οι σπουδαστές εκτίθενται στο πιο αποτελεσματικό μαθησιακό περιβάλλον. Στη συνέχεια παρουσιάζονται ουσιαστικές θεωρίες της επιστήμης της εκπαίδευσης οι οποίες έχουν σχέση με τη διαμόρφωση του μαθησιακού περιβάλλοντος μέσα στο εργαστήριο. Για τη γνωστική ψυχολογία η γνώση αποτελεί ένα σύνολο εσωτερικών καταστάσεων που προκύπτουν από την επεξεργασία και διατήρηση πληροφοριών που προσφέρουν οι μηχανισμοί υποδοχής ερεθισμών. Κάθε μια από αυτές τις καταστάσεις μπορεί να είναι προϊόν επιλεκτικής καταγραφής, αλλά αντιστοιχεί προς μία κατάσταση του κόσμου. Έτσι λοιπόν αυτός που κατέχει τη σχετική γνώση μπορεί να απαντήσει σε ερωτήσεις για την κατάσταση του κόσμου παρατηρώντας είτε άμεσα τον κόσμο είτε την αντίστοιχη γνώση (Bobrow & Collins, 1975). Οι καταστάσεις αυτές δεν είναι στατικές. Όταν οι υπάρχουσες γνώσεις δεν αντιστοιχούν πλήρως με νέες καταστάσεις του κόσμου μπορούν να τροποποιηθούν. Τις αλλαγές αυτές μπορούμε να τις χωρίσουμε σε τρεις κατηγορίες: 25

30 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή α. Την επαύξηση της γνωστικής δομής, με την προσθήκη νέων στοιχείων σε προϋπάρχουσες γνώσεις. και β. Την εναρμόνιση, που αλλάζει τα χαρακτηριστικά του αρχικού μοντέλου, γ. Την αναδιοργάνωση που είναι και η δυσκολότερη. Οι τροποποιήσεις αυτές καθοδηγούνται από κυκλώματα ανατροφοδότησης τα οποία πληροφορούν για την αποτελεσματικότητα της τροποποίησης. Για να αλλάξει η παλιά άποψη πρέπει: α. Η παλιά γνώση να είναι μη ικανοποιητική, αφού έτσι θα απαιτηθεί η αλλαγή της. β. Η νέα γνώση να είναι κατανοητή, και αυτό είναι και το δυσκολότερο σημείο αφού πολλές φορές το άτομο δεν μπορεί ακόμα να την καταλάβει. γ. Η νέα γνώση πρέπει να είναι αρχικά αληθοφανής για να μπορεί να γίνει η αρχική προσέγγισή της. δ. Η νέα γνώση πρέπει να είναι παραγωγική, καρποφόρα. Μόνο αν ανοίγει νέους δρόμους θα γίνει αποδεκτή. Η "εννοιολογική αλλαγή" έχει να κάνει με την αναδόμηση της ήδη υπάρχουσας γνώσης. Είναι σχετικό με την "προσαρμογή" του Piaget, αλλά διαφέρει από την "αφομοίωση" που ο ίδιος πρέσβευε. Διδάσκοντας φυσικές επιστήμες χτίζουμε πάνω στην καθημερινή γνώση που έχουν τα άτομα για τον κόσμο που τους περιβάλλει. Το προδιαμορφωμένο, «καθημερινό» σύστημα εννοιών με το οποίο τα άτομα εισάγονται στο επίσημο εκπαιδευτικό σύστημα, διαφέρει κατά πολύ από εκείνο της επιστήμης (Elby,2000). Η βάση των εννοιών που το συνθέτουν, έχει τοποθετηθεί μέσω της αλληλεπίδρασης των ατόμων με την κοινωνία / τον πολιτισμό τους, πολύ πριν ξεκινήσει η εμπλοκή τους με το επίσημο εκπαιδευτικό σύστημα και τις δικές του εννοιολογικές δομές. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα πρόσφατων μελετών 26

31 Θεωρητικό πλαίσιο (βλ.glaser,1994,bouvier,2001) κατά τη διαδικασία κατάκτησης νέας γνώσης, συχνά παρεισφρέουν ασύμβατες προδιαμορφωμένες έννοιες, οδηγώντας στην εμφάνιση «λαθών». Αυτό φαίνεται να ισχύει ιδιαίτερα όταν οι προγενέστερες γνώσεις έχουν εδραιωθεί ως απαντήσεις σε καθημερινούς προβληματισμούς, με ιδιαίτερη σημασία για τα άτομα. Οι απόψεις των μαθητών για τα φαινόμενα ομαδοποιούνται και συγκροτούν ερμηνευτικά πρότυπα που καταγράφονται συνήθως ως εναλλακτικές ιδέες των παιδιών ή παρανοήσεις, προϋπάρχουσες ιδέες, αυθόρμητες αντιλήψεις, διαισθητικές ιδέες, επιστήμη των παιδιών, αναπαραστάσεις ή ως νοητικά μοντέλα (Driver,1983). Το γνωστικό περιεχόμενο που έχει ήδη αποκτήσει ο μαθητής αλληλεπιδρώντας με τον περιβάλλοντα κόσμο περιέχει διαδικασίες και περιεχόμενο το οποίο πρέπει να εξελιχθεί, να αλλάξει ή να τροποποιηθεί ώστε να μετατραπεί στο επιθυμητό. Η μετατροπή αυτή μπορεί να επιτευχθεί δίνοντας στους φοιτητές προσεκτικά σχεδιασμένες δραστηριότητες στις οποίες οι φοιτητές παρατηρούν ή αλληλεπιδρούν με πραγματικά αντικείμενα και υλικά (Driver 1986). Ο Johnstone (1997) πρότεινε ότι εάν χειριστούμε την κατάσταση διδασκαλίας /εκμάθησης υπό το φως του τρόπου που οι σπουδαστές επεξεργάζονται τις πληροφορίες θα οδηγηθούμε σε μια καλύτερη απόδοση. Το σημαντικότερο μήνυμα είναι η ανάγκη η μάθηση να οργανωθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να μειωθεί η απαίτηση σε λειτουργική μνήμη. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί, προετοιμάζοντας τον εκπαιδευόμενο με προεργαστηριακές ασκήσεις, ώστε να μειώσει το θόρυβο ή το περιττό υλικό κάνοντας το σήμα ή το σημαντικό υλικό σαφές. Η μελέτη του Sweller (2004) ενδιαφέρεται για τα προβλήματα που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση μεταξύ της πολυπλοκότητας στόχου και της γνωστικής αρχιτεκτονικής του ατόμου. Οι περιορισμοί της βραχυπρόθεσμης μνήμης αποτελούν κύριο εμπόδιο για τη μάθηση και προτείνει διαδικασίες για βελτίωση του σχεδιασμού της διδασκαλίας με γνώμονα τους περιορισμούς της βραχυπρόθεσμης μνήμης (Sweller, 1994). Με βάση αυτή τη θεώρηση, οι διδακτικές δραστηριότητες δημιουργούν δύο είδη γνωστικού φορτίου στην εργαζόμενη μνήμη των εκπαιδευομένων, του εξωγενούς και του ενδογενούς. Το 27

32 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή ενδογενές γνωστικό φορτίο σχετίζεται άμεσα με τη δυσκολία του περιεχομένου της διδασκαλίας και είναι αδύνατη η τροποποίησή του με διδακτικούς σχεδιασμούς. Αντίθετα όμως το εξωγενές γνωστικό φορτίο σχετίζεται με τα χαρακτηριστικά του μαθησιακού περιβάλλοντος ή με τους τρόπους με τους οποίους σχεδιάζεται και υλοποιείται μία διδακτική δραστηριότητα και επομένως είναι ευκολότερο να μεταβληθεί. Είναι φυσικά αποδεκτό ότι σε κάθε περίπτωση που το γνωστικό φορτίο υπερβαίνει τα όρια των νοητικών δυνατοτήτων του ατόμου, τότε η μάθηση παρεμποδίζεται, αφού είναι αδύνατη η επεξεργασία των διαθέσιμων πληροφοριών. Κάθε προσπάθεια που αποβλέπει στον περιορισμό ή την ελαχιστοποίηση του εξωγενούς γνωστικού φορτίου συμβάλλει ουσιαστικά στην αποδοτικότητα και αποτελεσματικότητα της επιχειρούμενης διδακτικής προσέγγισης, αφού το συνολικό γνωστικό φορτίο περιορίζεται στα όρια των νοητικών δυνατοτήτων των ατόμων-μαθητών. Οι Shayer και Adey (1981) διαπίστωσαν ότι υπάρχει ένας κακός συνδυασμός μεταξύ της γνωστικής ικανότητας των σπουδαστών και των απαιτήσεων των προγραμμάτων σπουδών. Έτσι επιδιώκουν να χειριστούν το πρόβλημα μέσα από τη ιδέα ότι η γνωστική ανάπτυξη μπορεί να επιταχυνθεί μέσα από μια φυσική διαδικασία ανάπτυξης διαφορετικών επιπέδων ικανότητας σκέψης, μέσα από κατάλληλα διαμορφωμένες παρεμβατικές δραστηριότητες. Τα ερευνητικά αποτελέσματα, εντούτοις, δείχνουν ότι για την επίδραση στην απόδοση μεσολαβούν διάφοροι άλλοι παράγοντες και τελικά η γνωστική ικανότητα δεν έχει μια αιτιοκρατική επίδραση στην απόδοση. Οι περισσότερες από τις προτάσεις στη βιβλιογραφία είναι να ενσωματωθούν τα πακέτα επέμβασης στο πρόγραμμα σπουδών. Γενικά, η μάθηση μέσω εκπαίδευσης είναι δυνατή μόνον όταν η πληροφόρηση που προσφέρεται εσωτερικεύεται από τον εκπαιδευόμενο (Vygotsky, 1962,1978). Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, για να γίνει δυνατή η εσωτερίκευση των μεταδιδόμενων πληροφοριών ή οδηγιών, θα πρέπει το περιεχόμενό τους να είναι τέτοιο, ώστε να εντάσσεται φυσιολογικά στη ζώνη της προσεγγιστικής ανάπτυξης. Ένας άλλος τρόπος περιγραφής αυτής της γνωστικής περιοχής ή διαδικασίας, είναι προέκταση των γνωστικών σχημάτων (Piaget,1962) ή σύνθεση συγκεκριμένων πληροφοριών και γνωστικού 28

33 Θεωρητικό πλαίσιο σχήματος εννοιών (Baddeley,1997). Όσον αφορά τη δηλωτική (declarative) πληροφόρηση μέσω της εκπαίδευσης, αυτή κινδυνεύει να παραμείνει μια άσχετη πληροφορία, αν δεν προσαρμόζεται στις ήδη υπάρχουσες γνώσεις του εκπαιδευόμενου. Μια τέτοια πληροφορία ή οδηγία δεν έχει νόημα αφού δεν εσωτερικεύεται, δηλαδή δεν μαθαίνεται. Τούτο ισχύει τόσο για τη δηλωτική (declarative) όσο και για τη διαδικαστική (procedural) μάθηση μεθόδων και δεξιοτήτων. Οι παραπάνω θεωρίες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και να καθοδηγούν το σχεδιασμό δραστηριοτήτων μέσα στην εργαστηριακή άσκηση. Η εκπαίδευση αυτής της μορφής μπορεί να δραστηριοποιήσει όλες τις αισθήσεις και να προκαλέσει μια άμεση και συχνά ακούσια αντίδραση από το σώμα και το μυαλό. Η πραγματική υπόσταση των δραστηριοτήτων και η αυθεντικότητά τους είναι αρκετά δυνατοί λόγοι για να προκαλέσουν την περιέργεια και το ενδιαφέρον των εκπαιδευομένων. Είτε είναι οικεία είτε μυστηριώδη, παρέχει μια συγκεκριμένη και κατ επέκταση ασφαλή και ικανοποιητική εμπειρία. Μπορεί να δημιουργήσει οπτική μνήμη, νοητικά σύμβολα και να βοηθήσει στην «υλική απόδοση» αφηρημένων εννοιών. Σχήμα 1-3: Σχηματική περιγραφή εσωτερικών διεργασιών του εκπαιδευόμενου 29

34 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Το σχήμα της προηγούμενης σελίδας αναπαριστά μια συστηματική προσέγγιση των παιδαγωγικών θεωριών που έχουν σχέση με τη διδασκαλία της Χημείας και το σχεδιασμό των προγραμμάτων σπουδών. Σχηματικά αναπαριστάνονται οι διάφορες θεωρίες και το επίπεδο στο οποίο συνεισφέρουν. Ο θεμελιώδης λόγος οποιασδήποτε εργαστηριακής άσκησης είναι να βοηθήσει τους φοιτητές να κάνουν συσχετισμούς ανάμεσα σε δυο περιοχές την περιοχή των πραγματικών αντικειμένων και των παρατηρήσιμων πραγμάτων και την περιοχή των ιδεών. Η μάθηση μέσω των πρακτικών δραστηριοτήτων βασίζεται στην κριτική παρατήρηση που απαιτεί εκπαιδευμένες αισθήσεις και σύνθετη σκέψη. Τα δεδομένα που αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις συγκεντρώνονται και φιλτράρονται από τις «μικροθεωρίες» του υποκειμένου της μάθησης (Husbands 1994: 5), δηλαδή τις προηγούμενες γνώσεις, τις στάσεις και τις αξίες του μαθητή και τον τρόπο που δημιουργεί δεσμούς με αυτές ή τις αναδιοργανώνει. Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας των δεδομένων, οι αποτελεσματικές ερωτήσεις οδηγούν σε συγκρίσεις, ταξινομήσεις, υποθέσεις, γενικεύσεις και συμπεράσματα, που συμβάλλουν στην ερμηνεία του αντικειμένου και ενισχύουν την κριτική σκέψη και τη δημιουργία εννοιών. Μέσω της εργαστηριακής άσκησης οι σπουδαστές εκπαιδεύονται στην επιστημονική προσέγγιση στην έρευνα. Διάφοροι συγγραφείς και ερευνητές έχουν συζητήσει τη λογική των εργαστηριακών μαθημάτων στην τριτοβάθμια εκπαίδευση και έχουν παρουσιάσει τους στόχους και τους σκοπούς τους για συγκεκριμένες σειρές μαθημάτων φυσικών επιστημών καθώς επίσης και για εργαστηριακές ασκήσεις. Φαίνεται σημαντικό ότι, για να είναι αποτελεσματική η εργαστηριακή εκπαίδευση πρέπει οι σκοποί και οι στόχοι να είναι καλά διατυπωμένοι. Έτσι, ο Boud και λοιποί. (1986) τόνισαν ότι, κατά την προγραμματισμό μιας προγράμματος σπουδών που είναι σημαντικό να δηλωθούν ξεκάθαρα οι στόχοι και οι σκοποί προγράμματος σπουδών δηλαδή τι πρέπει να διδαχθεί, ποιος θα το διδάξει, με ποια μέσα, και επιπλέον το σημαντικότερο, ποια είναι τα προσδοκώμενα αποτελέσματα. Το ζήτημα είναι να βρεθεί κάποια συμφωνία για 30

35 Θεωρητικό πλαίσιο το ποιοι μπορεί να είναι αυτοί οι στόχοι και οι σκοποί. Μια τέτοια ερώτηση ήταν υπό έρευνα για δεκαετίες, ειδικά στο Ηνωμένο Βασίλειο όπου πολλά χρήματα και χρόνος έχουν δαπανηθεί για την εργαστηριακή εκπαίδευση στα σχολεία καθώς επίσης και στα πανεπιστήμια (Woolnough, 1994). Ένα μεγάλο μέρος της ερευνητικής προσπάθειας έχει εξετάσει τη θέση και τη φύση των εργαστηριακών ασκήσεων σε σχολικό σε επίπεδο. Στη βιβλιογραφία αναφέρονται μακροσκελείς λίστες στόχων και σκοπών που (π.χ. Shymansky και Penick, Johnstone και Wood, Black και Ogborn, Johnstone και Al-Shuaili, 2001.) όλες αναφέρονται στις δεξιότητες και τεχνικές καθώς επίσης και τις δεξιότητες διεξαγωγής πειραμάτων με επιστημονικό τρόπο. Μερικοί έχουν υπογραμμίσει έντονα τους συναισθηματικούς στόχους (π.χ. Kerber, 1988 Johnstone και Al-Shuaili, 2001) ενώ άλλοι έχουν υπογραμμίσει άλλους στόχους για παράδειγμα ο Pickering, το 1987, υποστήριξε ότι τα εργαστήρια μπορεί να περιγράφουν την επιστημονική μέθοδο, μπορεί να αναπτύσσουν την αυτοπεποίθηση και μπορεί να βελτιώνουν την κατανόηση. Οι Kirschner και Meester (1988) οσο αφορά την εργαστηριακή εκπαίδευση πρότειναν τους ακόλουθους μαθητο-κεντρικούς στόχους για την πρακτική εργασία: 1. Να διατυπώνει τις υποθέσεις 2.Να λύνει τα προβλήματα 3. Να χρησιμοποιεί τη γνώση και τις δεξιότητες στις άγνωστες καταστάσεις 4. Να σχεδιάζει τα απλά πειράματα και να εξετάζει τις υποθέσεις 5. Να χρησιμοποιεί τις εργαστηριακές δεξιότητες στην εκτέλεση των πειραμάτων 6. Να ερμηνεύει τα πειραματικά στοιχεία 7. Να περιγράφει σαφώς το πείραμα 31

36 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 8. Να θυμάται την κεντρική ιδέα ενός πειράματος κατά τη διάρκεια μιας σημαντικά μακριάς χρονικής περιόδου. Ο κατάλογός τους είναι ενδιαφέρων γιατί τα παραδοσιακά πανεπιστημιακά εργαστήρια συχνά δεν δίνουν ευκαιρίες για την ανάπτυξη τέτοιων δεξιοτήτων. Κατά συνέπεια, παραδείγματος χάριν, διατύπωση υποθέσεων και σχεδιασμός πειραμάτων για να εξετασθούν οι υποθέσεις αυτές είναι κατά ένα μεγάλο μέρος εκτός των ορίων της εργαστηριακής εμπειρίας των προπτυχιακών εργαστηρίων, αν και μια τέτοια προσέγγιση είναι εφικτή (Johnstone και λοιποί, 1994). Πολύ συχνά, η επίλυση των προβλημάτων φαίνεται σαν μια αλγοριθμική διαδικασία στην οποία οι σπουδαστές βάζουν τα πειραματικά στοιχεία σε έναν τύπο, ή λύνουν κάποιο πρόβλημα με την εφαρμογή μιας στερεότυπης διαδικασίας (δείτε Reid και Yang, το 2002, για μια συζήτηση της επίλυσης προβλήματος στη χημεία). Η πειραματική επίλυση προβλήματος είναι πολύ διαφορετική από τις αλγοριθμικές ασκήσεις που μπορούν να είναι μέρος των υπολογισμών σε κάποια εργαστηριακή άσκηση χημείας, ειδικά στη φυσική χημεία. Ο όγδοος στόχος στον κατάλογό τους είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρων δεδομένου ότι προτείνει ότι υπάρχουν κρίσιμες ιδέες στα πειράματα ή ότι υπάρχουν κρίσιμα πειράματα υπό την έννοια ότι τα αποτελέσματα προσφέρουν τις ακριβείς ιδέες σχετικά με μια υπόθεση που έχει αρχικά διατυπωθεί. Αυτή είναι η θεμελιώδης φύση της θέσης του πειραματισμού σε όλες τις έρευνές που βασίζονται στις φυσικές επιστήμες. Δεν υπάρχει αρκετή έρευνα για τον τρόπο με τον οποίο αυτό επιτυγχάνεται, εκτός από την πρόταση ότι δίνοντας τους σπουδαστές πολλή εμπειρία μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη των σωστών τρόπων σκέψης και την ανάπτυξη των πειραματικών ιδεών. Οι Reid και Serumola (2006a, 2006b) το εξέτασαν με τους νεότερους σχολικούς μαθητές, και δεν βρήκαν αρκετά στοιχεία που να επιβεβαιώνουν ότι αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί. Μια μεταγενέστερη εργασία παρουσίασε το ίδιο αποτέλεσμα με μαθητές στο τελικό στάδιο της εκπαίδευσής τους, αλλά τελευταίες παρατηρήσεις έδειξαν ότι μαθητές με κατεύθυνση στις φυσικές επιστήμες που έχουν αποφοιτήσει πρόσφατα (50 σπουδαστές που προέρχονται περίπου εξίσου από τη βιολογία, τη χημεία και τη φυσική) θα 32

37 Θεωρητικό πλαίσιο μπορούσαν πολύ (Alsamawat, 2007). ξεκάθαρα να χειριστούν αυτόν τον τρόπο εκπαίδευσης Οι Carnduff και Reid (2003) περιέγραψαν την ανάγκη της εργαστηριακής άσκησης στη χημεία στην τριτοβάθμια εκπαίδευση από την άποψη τριών μεγάλων περιοχών : 1. Πρακτικές δεξιότητες, που συμπεριλαμβάνουν την ασφάλεια, τους κινδύνους, την αξιολόγησης του κινδύνου, τις διαδικασίες, τα όργανα, την παρατήρηση των μεθόδων. 2. Μεταβιβάσιμες δεξιότητες, που συμπεριλαμβάνουν την ομαδική εργασία, οργάνωση, χρονική διαχείριση, επικοινωνία, παρουσίαση, ανάκτησης πληροφοριών, επεξεργασία μετρήσεων, επίπεδο μαθηματικών γνώσεων, σχεδίαση στρατηγικών, επίλυση προβλημάτων και 3. Διανοητική υποκίνηση που συμπεριλαμβάνει σύνδεση με τον πραγματικό κόσμο, αυξάνοντας τον ενθουσιασμό για τη χημεία. Αυτά δίνουν έμφαση σε πρακτικές δεξιοτήτες αλλά από την οπτική περισσότερο γενικών δεξιοτήτων παρά συγκεκριμένων, όπως ο κατάλληλος χειρισμός μιας προχοΐδας ή ο καθαρισμός ενός προϊόντος αντίδρασης. Οι Carnduff και Reid (2003) προσφέρουν έναν μακρύ κατάλογο μεταβιβάσιμων δεξιοτήτων που ξεπερνούν τα όρια της χημείας. Το να κάνουμε τη χημεία πραγματική είναι κάτι που τονίζεται, και η απουσία εργαστηριακής εμπειρίας από το πρόγραμμα σπουδών θα το έκανε πολύ δύσκολο να επιτευχθεί. Επίσης στην μελέτη τους, προκύπτουν μερικές πτυχές της επιστημονικής σκέψης. Κατά συνέπεια, οι περισσότεροι από αυτούς τους στόχους θα ανήκουν, και ίσως μπορούν μόνο να πραγματοποιηθούν, στα εργαστήρια ή σχετικές με τα εργαστήρια δραστηριότητες. Οι Carnduff και Reid (2003) προσπάθησαν να παράσχουν ένα σύνολο πιθανών λόγων για το συνυπολογισμό της πρακτικής άσκησης σε προπτυχιακές σειρές μαθημάτων στη χημεία: Επεξήγηση των βασικών εννοιών 33

38 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Βλέποντας την πραγματική υπόσταση της χημείας Εξοικείωση και εισαγωγή στο χρησιμοποιούμενο εξοπλισμό Εκπαίδευση σε συγκεκριμένες πρακτικές δεξιότητες και στην ασφάλεια Να διδάξει τον πειραματικό σχεδιασμό Ανάπτυξη δεξιοτήτων παρατήρησης Ανάπτυξη αφαιρετικών και ερμηνευτικών δεξιοτήτων Ανάπτυξη των δεξιοτήτων εργασίας σε ομάδες Επιδεικνύοντας πώς η θεωρία προκύπτει από τον πειραματισμό Γραπτή υποβολή έκθεσης, παρουσίαση, ανάλυση στοιχείων και συζήτηση Ανάπτυξη των δεξιοτήτων χρονικής διαχείρισης Ενισχύοντας το κίνητρο και χτίζοντας την εμπιστοσύνη Ανάπτυξη των δεξιοτήτων επίλυσης προβλήματος. Συνολικά, αυτοί είναι μερικοί από τους στόχους ή τους σκοπούς που απαιτούν λίγο πολύ την παρουσία εργαστηριακής άσκησης στις σειρές μαθημάτων χημείας. Φυσικά, η εργαστηριακή εμπειρία δεν εγγυάται ότι τέτοιοι στόχοι και σκοποί μπορούν να επιτευχθούν στην παρούσα κατάσταση. Υπάρχει σημαντική ανάγκη να αλλαχτεί ή να βελτιωθεί η παρούσα κατάσταση για να δημιουργηθούν περισσότερες ευκαιρίες ώστε οι σπουδαστές να εκπληρώσουν αυτούς τους στόχους. 34

39 Θεωρητικό πλαίσιο 1.4 Νέες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση Η τεχνολογία έχει λάβει κύρια θέση σε πολλές πτυχές της καθημερινής μας ζωής, περιλαμβανομένης της κοινωνικής και επαγγελματικής. Η έκρηξη που παρατηρήθηκε στην εξέλιξη της ηλεκτρονικής και πληροφορικής επιστήμης και τελευταία ιδιαίτερα στις τεχνολογίες επικοινωνιών είχε μεγάλο αντίκτυπο και στις υπόλοιπες θετικές επιστήμες. Ειδικότερα η χρήση αυτών των τεχνολογιών έχει ταυτιστεί με τον εκσυγχρονισμό της εκπαίδευσης. Κατά καιρούς, υπήρξαν διάφορες σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις οι οποίες επηρέασαν τη διαμόρφωση του κλάδου της εκπαιδευτικής τεχνολογίας, με πρώτη τη χρήση της γλώσσας και την ανακάλυψη της γραφής. Με την γραφή δόθηκε η ευκαιρία στον άνθρωπο να καταγράφει εμπειρίες, να δημιουργεί και να μεταδίδει τη γνώση πιο αποτελεσματικά. Σε αυτό συνέβαλε, κατά πολύ, και η εφεύρεση της τυπογραφίας. Η ευκολία με την οποία βιβλία, δοκίμια και συγγράμματα διαφόρων κατηγοριών μπορούσαν να ανατυπωθούν και να διαμοιραστούν, είχε ως αποτέλεσμα την έκρηξη της γνώσης. Ακολούθησαν ανακαλύψεις όπως το ραδιόφωνο, οι τηλεπικοινωνίες, ο κινηματογράφος, η τηλεόραση, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές και το διαδίκτυο. Πολλές φορές δεν υπάρχει σαφής κατανόηση του όρου «εκπαιδευτική τεχνολογία», τόσο σε εκπαιδευτικούς κύκλους όσο και στο ευρύτερο κοινό. Ο Οργανισμός Εκπαιδευτικής Επικοινωνίας και Τεχνολογίας (Association of Educational Communications and Technology-AECT) που εδρεύει στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, ορίζει την εκπαιδευτική τεχνολογία ως μια συστηματική διαδικασία, η οποία εμπλέκει υλικά, θεωρίες, ανθρώπινο δυναμικό και γνώση για τη λύση εκπαιδευτικών προβλημάτων και βελτίωση της μάθησης (AECT, 1977). To 1994 ο AECT αναθεώρησε τον ορισμό της εκπαιδευτικής τεχνολογίας και τον επαναδιατύπωσε ως εξής: «Διδακτική τεχνολογία είναι η θεωρία και η εφαρμογή του σχεδιασμού, της ανάπτυξης, χρήσης, διαχείρισης, και αξιολόγησης των διαδικασιών και υλικών που αποσκοπούν στη μάθηση» (Seels & Richey, 1994, σ.1). Άρα, λοιπόν, ο όρος εκπαιδευτική τεχνολογία δεν 35

40 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή αναφέρεται μόνο στα υλικά και μέσα (π.χ. τηλεόραση, ηλεκτρονικό υπολογιστή) αλλά σε μια συστηματική προσέγγιση, που έχει ως σκοπό την βελτίωση της ανθρώπινης μάθησης. Επιπλέον, αυτός ο ορισμός υποδηλώνει ότι η εκπαιδευτική τεχνολογία δεν είναι κάτι καινούργιο, καθώς η αναζήτηση τρόπων βελτίωσης της μάθησης ανάγεται στην αρχαιότητα. Η χρήση της πληροφορικής τεχνολογίας παρά τη δυνατότητά που έχει να βελτιώσει την εκπαίδευση, δεν έχει ασκήσει ακόμα σαρωτική επίδραση στον τρόπο που διδάσκουμε. Σ' όλη τη διάρκεια του αιώνα, έχουμε δει επανειλημμένα τους μεταρρυθμιστές να προβλέπουν ότι οι τελευταίες τεχνολογικές εξελίξεις θα φέρουν επανάσταση στην εκπαίδευση, αλλά σε κάθε περίπτωση οι υποσχέσεις δεν έχουν εκπληρωθεί. Στη δεκαετία του '20, οι κινούμενες εικόνες ήταν το νέο εκπαιδευτικό μέσο που θα αντικαθιστούσε σύντομα τα εγχειρίδια. Στη δεκαετία του '30, το ραδιόφωνο θεωρήθηκε κεντρικό μέρος μιας νέου είδους τάξης η οποία θα ήταν σε σταθερή επικοινωνία με τον κόσμο. Στη δεκαετία του '50, η εκπαιδευτική τηλεόραση προωθήθηκε ως μελλοντικό μέσο εκπαίδευσης. Στη δεκαετία του '60, οι υποβοηθούμενες από υπολογιστή οδηγίες φάνηκαν σαν ένα αξιόπιστο σύστημα που θα αντικαθιστούσε σύντομα τους δασκάλους ( Cuban, 1986, σ.9). Πιο πρόσφατα, παρόμοιες αξιώσεις υπήρξαν για τα ευφυή συστήματα, για τους παραγόμενους από υπολογιστή μικρόκοσμους και για το διαδίκτυο. Ακόμα, παρά τις ισχυρές υποσχέσεις, οι εκπαιδευτικές τεχνολογίες έχουν αποτύχει να ξεσηκώσουν την εκπαίδευση. Η ιστορία της εκπαιδευτικής τεχνολογίας είναι τόσο απογοητευτική γιατί οι μεταρρυθμιστές τείνουν να υιοθετούν μια τεχνοκεντρική προσέγγιση εστιάζοντας το ενδιαφέρων τους στο τι μπορεί να κάνει η τεχνολογία αιχμής, παρά σε μια μαθητοκεντρική προσέγγιση εστιάζοντας το ενδιαφέρον τους στο πώς η τεχνολογία μπορεί να βοηθήσει την ανθρώπινη γνώση (Sandholtz, Ringstaff, and Dwyer, 1997). Η εκπαιδευτική τεχνολογία βρίσκεται ακόμα στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης της, αλλάζει με γοργούς ρυθμούς και η επίδραση της δεν είναι γνωστή (Gipps, 2005). Η σημαντικότερη εξέλιξη στη διδακτική διαδικασία είναι η μετάβαση από την άποψη της μάθησης ως πρόσληψη γνώσης στην άποψη της δόμηση της γνώσης (Marray και λοιποί, 2002 ). 36

41 Θεωρητικό πλαίσιο Είναι αναγκαίο να επισημανθεί η αμφίδρομη σχέση που υπάρχει μεταξύ τεχνολογίας και εκπαιδευτικής αλλαγής (Cuban, 1986, Means, 1994). Η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να υποστηρίξει την αναδόμηση ενός εκπαιδευτικού συστήματος και του αναλυτικού προγράμματος που προσφέρει. Από την άλλη πλευρά, ένα εκπαιδευτικό σύστημα, μόνο εάν διαμορφωθεί κατάλληλα, μπορεί να υποστηρίξει την εισαγωγή της τεχνολογίας στην εκπαιδευτική διαδικασία. Ο Corte (1990) τονίζει ότι οι υπολογιστές από μόνοι τους δεν αναπτύσσουν ικανότητες και στάσεις αλλά πρέπει να ενσωματωθούν σε ισχυρά μαθησιακά περιβάλλοντα, μετατοπίζοντας έτσι την έμφαση από το μηχάνημα στο πλαίσιο χρήσης του. Και μια σειρά άλλων ερευνητών όπως οι Davis et al(1995), Scrimshaw (1995), Marshall (1995), Byard (1995), Ridgway (1995) ανέφεραν παραδείγματα στα οποία η χρήση του υπολογιστή στην τάξη δεν παρουσιάζει κανένα ίχνος ανανέωσης, αλλά συνιστά επανάληψη παλιών πρακτικών. Η ενσωμάτωση της Τεχνολογίας της Επικοινωνίας και της Πληροφορίας (ΤΕΠ) στη Πανεπιστημιακή εκπαίδευση αποτελεί, σύμφωνα με τους ειδικούς, επιτακτικό ζητούμενο (Green, 1998), αφού είναι διαπιστωμένο ότι τα Πανεπιστήμια δεν έχουν καλύψει με επιταχυνόμενα βήματα την απαραίτητη απόσταση. Τα ερευνητικά δεδομένα δείχνουν ότι οι Πανεπιστημιακοί δεν αξιοποιούν με συστηματικό και συνεχή τρόπο τις τεχνολογικές δυνατότητες για αναβάθμιση των προγραμμάτων σπουδών και των διδακτικών τους προσεγγίσεων (Caffarella & Zinn, 1999). Οι Massy και Zemsky (1995) υποστηρίζουν ακόμα ότι οι προσπάθειες ενσωμάτωσης της ΤΕΠ στο Πανεπιστημιακό επίπεδο επιδιώκουν κυρίως την αξιοποίηση των τεχνολογιών ως εργαλείων ενίσχυσης της αποδοτικότητας των παραδοσιακών προσεγγίσεων μια και η διδακτική διαδικασία έχει επηρεαστεί ελάχιστα και βασίζεται στη χρήση κυρίως του μαυροπίνακα, του βιβλίου και του προβολικού σε αρκετές περιπτώσεις. Η τάση αυτή αποκαλύπτεται με τους τρόπους με τους οποίους αξιοποιείται ο ηλεκτρονικός υπολογιστής (Η/Υ) και οι δυνατότητές του (α) για ηλεκτρονική επεξεργασία εγγράφων, 37

42 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή (β) για ανάρτηση πληροφοριών στο Διαδίκτυο, και (γ) για ηλεκτρονική επικοινωνία με αξιοποίηση των δυνατοτήτων του ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Μια σειρά ερευνητών που μελέτησαν την εφαρμογή της εκπαιδευτικής τεχνολογίας (Sheingold and Hadley,1990; Hadley and Sheingold, 1993; Dwyer, Ringstaff and Sandoltz, 1991) τονίζουν ότι οι εκπαιδευτικοί που χρησιμοποιούν την υπολογιστική τεχνολογία στο σχολικό χώρο τη χρησιμοποιούν για να υποστηρίξουν κυρίως τις προϋπάρχουσες διδακτικές πρακτικές τους ή για να προσφέρουν τις βασικές γνώσεις πληροφορικού αλφαβητισμού στους μαθητές (Becker, 1993). Διαπιστώνεται έτσι ότι ο τρόπος χρήσης της τεχνολογίας είναι συμβατός με τις ιδέες και τις αντιλήψεις των δασκάλων για το τι συνιστά γνώση Αρκετοί ερευνητές (Wild,1996 Donnel,1996, Willis, 1996) προκειμένου να περιγράψουν συμπεριφορές έλλειψης χρήσης του υπολογιστή στην τάξη ή εσφαλμένη εφαρμογή του, χρησιμοποιούν όρους όπως άρνηση χρήσης (Computer refusal) και φοβία χρήσης (Computer anxiety). Τα παραπάνω έγιναν αντικείμενο προβληματισμού και επισημάνθηκε η αδυναμία των εκπαιδευτικών να ενσωματώσουν τον υπολογιστή στην κύρια εκπαιδευτική διαδικασία (Willis, 1996). Το γεγονός αυτό σε συνεργασία με το ότι η χρήση του υπολογιστή παραμένει περιθωριακή οδήγησε πολλούς στο να αποδώσουν τα προβλήματα στην έλλειψη από τους εκπαιδευτικούς των κατάλληλων δεξιοτήτων χρήσης και των ανάλογων θετικών στάσεων απέναντι στους υπολογιστές. Όμως τα προγράμματα επιμόρφωσης που έγιναν για να καλύψουν αυτό το πρόβλημα δεν το έλυσαν. Έτσι ο Wild (1995) αναφέρει ότι το 83% των εκπαιδευτικών που παρακολούθησαν ένα πρόγραμμα πληροφορικής δεν χρησιμοποίησε τον υπολογιστή στην καθημερινή διδακτική του πρακτική. Αντίθετα, υπάρχουν περιορισμένες εφαρμογές του ΗΥ ως εργαλείου για την καλλιέργεια των νοητικών δεξιοτήτων των φοιτητών/τριών και υποστήριξης της προσπάθειάς τους για την οικοδόμηση ή την αναδόμηση των γνωστικών τους δομών. 38

43 Θεωρητικό πλαίσιο Η έννοια του γνωστικού φορτίου αποτελεί θεμελιακή έννοια για το εγχείρημα ενσωμάτωσης της τεχνολογίας στην εκπαίδευση. Το γνωστικό φορτίο αντιπροσωπεύει τη νοητική προσπάθεια που αναλαμβάνεται από τη βραχυπρόθεσμη μνήμη (εργαζόμενη μνήμη) σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή (Cooper, 1990) Είναι φανερό ότι η προσπάθεια ενσωμάτωσης της τεχνολογίας σε συγκεκριμένο μάθημα δημιουργεί πρόσθετο γνωστικό φορτίο. Το πρόσθετο γνωστικό φορτίο πηγάζει από τα τεχνολογικά εργαλεία που οι μαθητές πρέπει να μάθουν τη χρήση τους (ενδογενές γνωστικό φορτίο) και από τους τρόπους με τους οποίους τα εργαλεία αυτά θα ενσωματωθούν στη διδασκαλία (εξωγενές γνωστικό φορτίο). Στην περίπτωση που τα άτομα τα οποία εμπλέκονται στη διαδικασία αυτή δεν είναι ώριμοι αλλά αρχάριοι χρήστες της τεχνολογίας, τότε η ενσωμάτωση της τεχνολογίας δημιουργεί υπερβολικές απαιτήσεις στις νοητικές προσπάθειές τους για επεξεργασία του όγκου των πληροφοριών που συνοδεύoυν τις προσπάθειες αυτές. Τα γνωστικά ή νοητικά εργαλεία (Jonassen, 2000) εμπλέκουν τα άτομα σε νοητικές διεργασίες για ανάλυση και κριτική αντιμετώπιση του περιεχομένου της διδασκαλίας καθώς και στην οργάνωση και αναπαράσταση της γνώσης τους. Τα εργαλεία αυτά περιλαμβάνουν εφαρμογές που σχετίζονται με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή και οι οποίες μπορούν να μελετηθούν σε μικρό σχετικά χρόνο Τα κρίσιμα σημεία για τη χρήση νέων εκπαιδευτικών τεχνολογιών περιγράφονται από τη μελέτη της Breslow (2007) που επικεντρώνεται σε τρία σημαντικά ευρήματα: α. Το πρώτο εύρημα αναφέρεται στο γεγονός ότι οι πιο επιτυχημένες εφαρμογές εκπαιδευτικής τεχνολογίας αντιμετωπίζουν συγκεκριμένες διδακτικές ανάγκες οι οποίες δεν έχουν πλήρως ή μερικώς ικανοποιηθεί από τα παραδοσιακά μέσα. Όπως γενικά γνωρίζουμε μια συγκεκριμένη τεχνολογία μπορεί να κάνει μερικά πράγματα καλά, ενώ κάποια άλλη είναι καταλληλότερη σε ένα διαφορετικό σύνολο στόχων. Η αρχή αυτή ισχύει και για την εκπαιδευτική τεχνολογία, που πρέπει να χρησιμοποιείται για ότι είναι φυσικά 39

44 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή φτιαγμένη να κάνει. Ισχύει επίσης και το αντίθετο, εάν μια παραδοσιακότερη τεχνολογία είναι καλή για μια ιδιαίτερη εκπαιδευτική ανάγκη, δεν υπάρχει καμία ανάγκη να εισαχθεί μια νέα. β. Το δεύτερο εύρημα αναφέρεται στην επιζήμια δράση τόσο της υπερβολικής χρήσης της τεχνολογίας όσο και της τεχνολογίας που δεν δουλεύει καλά. Οι σπουδαστές χρειάζονται το χρόνο για να μάθουν: πώς να χρησιμοποιήσουν μια τεχνολογία, πώς να έχουν πρόσβαση στην εφαρμογή και να την λειτουργήσουν, ο σκοπός της στο μάθημα, και τον καλύτερο τρόπο για να ενσωματωθεί στην μαθησιακή τους εμπειρία. Όταν οι σπουδαστές πρέπει να κάνουν δύο πράγματα ταυτόχρονα (εκμάθηση της εφαρμογής και εκμάθηση του περιεχομένου του μαθήματος) το πρώτο μπορεί να κυριαρχήσει καθυστερώντας το δεύτερο, με συνέπεια να απομακρύνονται από τον πραγματικό στόχο του μαθήματος. Η εισαγωγή υπερβολικής τεχνολογίας μπορεί να προκαλέσει υπερφόρτωση στους σπουδαστές. Σε αυτές τις καταστάσεις, ξοδεύουν τόσο πολύ χρόνο μαθαίνοντας να χρησιμοποιούν την εφαρμογή ώστε η τεχνολογία παύει να είναι εργαλείο για τη κατανόηση του υλικού των μαθημάτων. Είναι γεγονός ότι μια τεχνολογία δεν είναι δυνατό να εισαχθεί χωρίς τουλάχιστον μερικά αρχικά εμπόδια. Η εκπαιδευτική διαδικασία πρέπει να αφιερώσει χρόνο και προσπάθεια προκειμένου να υπερνικηθούν αυτά τα εμπόδια. Οι εφαρμογές επίσης μπορεί να χρειαστεί να περάσουν από διάφορες αναβαθμίσεις, με σκοπό να βελτιωθεί η λειτουργία και η δυνατότητα χρησιμοποίησης. γ. Το τρίτο εύρημα τονίζει την σημαντική σχέση μεταξύ των τεχνολογιών και των μαθησιακών περιβαλλόντων μέσα στα οποία λειτουργούν. Η εκπαιδευτική τεχνολογία είναι αποτελεσματικότερη όταν υπάρχουν ισχυροί δεσμοί μεταξύ 40

45 Θεωρητικό πλαίσιο της χρήσης της τεχνολογίας, των μαθησιακών στόχων, και των υπόλοιπων παιδαγωγικών μεθόδων που υιοθετούνται. Με άλλα λόγια, η εκπαιδευτική τεχνολογία είναι η περισσότερη επιτυχής όταν ευθυγραμμίζεται με τα υπόλοιπα συστατικά του μαθησιακού περιβάλλοντος. Ο βαθμός στον οποίο η εκπαιδευτική τεχνολογία πέτυχε το στόχο της οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο γεγονός ότι λειτούργησε σε συντονισμό με τους εκπαιδευτικούς στόχους εκμάθησης και τις υπόλοιπες παιδαγωγικές μεθόδους που υιοθετηθήκαν. Αλλά η ευθυγράμμιση της τεχνολογίας, της παιδαγωγικής, και των μαθησιακών στόχων δεν είναι εύκολο θέμα, ειδικά όταν άλλα συστατικά του συστήματος όπως οι γνώσεις των σπουδαστών ή οι διδακτικές προτιμήσεις των εκπαιδευτών προστίθεται στο μίγμα. Επίσης η ίδια τεχνολογία έχει διαφορετική αποτελεσματικότητα ανάλογα με το εκπαιδευτικό πλαίσιο μέσα στο οποίο είναι ενσωματωμένη και μπορεί να ωφελήσει μερικές ομάδες σπουδαστών περισσότερο από άλλες. Η εκπαιδευτική τεχνολογία ασκεί την επίδραση της με την αλλαγή των ιδιοτήτων των πληροφοριών στο μαθησιακό περιβάλλον. Οι εκπαιδευτικές τεχνολογίες συσκευάζουν, μεταφέρουν και διαδίδουν πληροφορίες σε όλο το σύστημα (Breslow, 1986). Αποτελούν ένα είδος εργαλείου σε μία σειρά διατάξεων που χρησιμοποιείται για τη δόμηση και τη διατήρηση ενός μαθησιακού περιβάλλοντος. Διαφορετικές τεχνολογίες χρησιμοποιούν διαφορετικά συστήματα συμβόλων για να κωδικοποιούν και να κινούν τις πληροφορίες σε διαφορετικές ταχύτητες, αλλάζουν το ποσό πληροφοριών στο σύστημα και την κατεύθυνση στην οποία κινούνται και καταστούν τις πληροφορίες προσιτές στις διαφορετικές ομάδες ανθρώπων. Με αυτό τον τρόπο, επηρεάζουν την ίδια την φύση του συστήματος στο οποίο υπάρχουν. 41

46 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 1.5 Εφαρμογή πληροφορικής τεχνολογίας στην εργαστηριακή εκπαίδευση. Οι νέες δυνατότητες της πληροφορικής τεχνολογίας για τη διδασκαλία θετικών επιστημών είναι μια από τις πιο ελπιδοφόρες εξελίξεις των τελευταίων δεκαετιών. Η ενσωμάτωση της τεχνολογίας των υπολογιστών στην εργαστηριακή εκπαίδευση είναι μια πρόσθετη δυνατότητα, η οποία παρέχεται μέσω αυτής της εξέλιξης. Σε αυτό το κεφάλαιο μελετώνται οι προσεγγίσεις ενσωμάτωσης της τεχνολογία πληροφοριών και επικοινωνιών στη εργαστηριακή εκπαίδευση μέσα από την έκθεση των ερευνητικών αποτελεσμάτων. Οι τεχνολογικές εξελίξεις έχουν επηρεάσει την οργανολογία, τον τρόπο που σχεδιάζονται και εκτελούνται τα πειράματα, την λήψη και την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων. Σε ένα σύγχρονο περιβάλλον εργασίας οι Χημικοί συχνά καλούνται να αντιμετωπίσουν θέματα εγκατάστασης, ανίχνευσης λαθών, επισκευής και μερικές φορές κατασκευής, οργάνων που χρησιμοποιούνται για αναλυτικές μετρήσεις. Η πρώτη εμπειρία ενός Χημικού που πρέπει να δει μέσα σε ένα αναλυτικό όργανο είναι αρκετά εκφοβιστική. Για να μειωθεί αυτός ο φόβος του άγνωστου φάνηκε λογική η δυνατότητα να αποκτήσουν οι σπουδαστές μια εισαγωγική ευκαιρία (για την πραγματική εμπειρία) δίνοντας μερικά παραδείγματα που αποτελούν τα ουσιαστικά συστατικά των σύγχρονων οργάνων (σήμα, μετατροπείς, ηλεκτρονικά κυκλώματα, υλικό και λογισμικό υπολογιστών). Έτσι φαίνεται ότι οι τεχνολογίες της πληροφορικής και των επικοινωνιών δεν αποτελούν μονό μέσο αποτελεσματικότερης εκπαίδευσης αλλά ταυτόχρονα και αντικείμενο εκπαίδευσης του σύγχρονου Χημικού. Παρά το μεγάλο αντίκτυπο των υπολογιστών στην επιστήμη της Χημείας πολύ λίγα άρθρα έχουν περιγράψει προπτυχιακά προγράμματα σπουδών για την ανάπτυξη δεξιοτήτων σχετικά με υπολογιστές στη Χημεία(Lagowski 2005). 42

47 Θεωρητικό πλαίσιο Σύμφωνα με τους Ma και Nickerson (2006) σχετικά λίγες αναφορές στη βιβλιογραφία υπάρχουν ως προς την ενσωμάτωση νέων τεχνολογιών στην εργαστηριακή εκπαίδευση και σε αυτές τη μεγαλύτερη μερίδα την έχουν τα εργαστήρια των μηχανικών έναντι των εργαστηρίων των θετικών επιστημών. Όπως εξηγούν αυτό πιθανά μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι οι καθηγητές των θετικών επιστημών αντιμετωπίζουν τα εργαστήρια σα μέσα επιβεβαίωσης της θεωρίας και διδασκαλίας επιστημονικών μεθόδων. Οι καθηγητές των πολυτεχνικών σχολών θεωρούν ότι τα εργαστήρια αυτής της μορφής συνδέονται με τη μελλοντική απασχόληση των φοιτητών (Faucher 1985). Με άλλα λόγια η μηχανική αντιμετωπίζεται ως μια εφαρμοσμένη επιστήμη και τα εργαστήρια είναι ένα μέσο για να ασκήσουν την εφαρμογή των επιστημονικών εννοιών. Επίσης είναι πιθανό οι εκπαιδευτικοί στις ειδικότητες της εφαρμοσμένης μηχανικής να έχουν κατάλληλες τεχνικές δεξιότητες για να δημιουργήσουν τα τεχνολογικά-εμπλουτισμένα εργαστήρια. Ακόμα, δεν υπάρχει αρκετή έρευνα για την αποτελεσματικότητα της χρησιμοποίησης της τεχνολογίας των υπολογιστών στο πλαίσιο της εργαστηριακής εκπαίδευσης. Όπως επίσης δεν υπάρχουν και συγκεκριμένα κριτήρια για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της εφαρμογής των νέων τεχνολογιών στην εργαστηριακή εκπαίδευση (Psillos και λοιποί 2002). Ακόμα και οι ορισμοί των διαφορετικών εργαστηριακών ασκήσεων που προκύπτουν από την εφαρμογή της τεχνολογίας πληροφορικής και επικοινωνίας διαφέρουν ανάλογα με τον ερευνητή προκαλώντας πολλές φορές σύγχυση. Για παράδειγμα τα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού (remote labs) καλούνται εργαστήρια ιστού(web labs)(ross et al. 1997), εικονικά εργαστήρια (virtual labs) (Ko et al. 2000) ή κατανεμημένα εργαστήρια ( distributed learning labs)(winer et al.2000). Η συγκριτική αξιολόγηση των διάφορων μορφών εργαστηριακής εκπαίδευσης υποβοηθούμενης από τους υπολογιστές, τόσο μεταξύ τους όσο και σε σχέση με την παραδοσιακή εργαστηριακή εκπαίδευση βασίζεται σε διαφορετικές προσεγγίσεις κάθε φορά όπου υπερτερούν ή υπολείπονται οι διάφορες τεχνικές ανάλογα με τον ερευνητή. Οι Mo και Nickerson (2006) ανέλυσαν 60 άρθρα σε σχέση με τους εκπαιδευτικούς στόχους που 43

48 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή αναγνωρίσθηκαν, οι οποίοι άλλοτε δηλώνονται σαφώς και άλλοτε όχι, και ομαδοποίησαν τους στόχους σε τέσσερεις κατηγορίες. Οι κατηγορίες αυτές αναφέρονται στην : Ικανότητα πειραματικού σχεδιασμού: αναφέρεται στις εργαστηριακές δραστηριότητες που αυξάνουν την ικανότητα των σπουδαστών να λύνουν προβλήματα ανοικτού τύπου μέσα από το σχεδιασμό και την δημιουργία διαδικασιών και προϊόντων (επιστημονική σκέψη). Εννοιολογική κατανόηση: αναφέρεται στο βαθμό στον οποίο οι εργαστηριακές δραστηριότητες βοηθούν τους σπουδαστές να καταλαβαίνουν και να λύνουν προβλήματα σχετικά με τις βασικές έννοιες που έχουν διδαχθεί στην τάξη. Επαγγελματικές ικανότητες: αναφέρεται στο βαθμό στον οποίο οι σπουδαστές εξοικειώνονται με τις τεχνικές δεξιότητες τις οποίες αναμένεται να έχουν όταν θα ασκήσουν το επάγγελμα. Κοινωνικές ικανότητες: αναφέρεται στο βαθμό στον οποίο οι σπουδαστές μαθαίνουν πώς για να αποδώσουν παραγωγικά σε δραστηριότητες εργαστηριακές μέσα σε ομάδες. Από τη βιβλιογραφική επισκόπηση, διαπιστώθηκε ότι στις μελέτες για τα παραδοσιακά εργαστήρια, και οι τέσσερις εκπαιδευτικοί στόχοι εξετάζονται διεξοδικά από τα περισσότερα άρθρα. Ειδικότερα η βιβλιογραφία στα παραδοσιακά εργαστήρια δίνει ισχυρή έμφαση στις εννοιολογικές δεξιότητες κατανόησης και πειραματικού σχεδιασμού. Τα άρθρα σχετικά με τα εργαστήρια προσομοίωσης κλείνουν ακόμα περισσότερους προς την εννοιολογική κατανόηση και τις επαγγελματικές δεξιότητες. Όλα τα άρθρα συζητούν την εννοιολογική κατανόηση και λιγότερο από τα μισά τις δεξιότητες πειραματικού σχεδιασμού. Τα άρθρα που αναφέρονται στα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού είναι σημαντικά διαφορετικά. Αυτά εστιάζουν στην εννοιολογική κατανόηση και τις επαγγελματικές δεξιότητες. Μόνο μια εργασία συζητά δεξιότητες 44

49 Θεωρητικό πλαίσιο πειραματικού σχεδιασμού. Αυτό το γεγονός υπονοεί ότι οι υπερασπιστές των εργαστηρίων απομακρυσμένου χειρισμού μπορούν να σκεφτούν την επιτυχία τους μόνο αναφορικά με εννοιολογική και επαγγελματική εκμάθηση. Από μια άλλη πλευρά μπορεί να σκέφτονται ότι τα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού δεν είναι κατάλληλα για να διδάξουν δεξιότητες πειραματικού σχεδιασμού. Οι υποστηρικτές των παραδοσιακών εργαστηρίων δεν θεωρούν ότι τα εναλλακτικά εργαστήρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διδάξουν τις δεξιότητες του πειραματικού σχεδιασμού. Αντίθετα, οι υποστηρικτές των εργαστηρίων απομακρυσμένου χειρισμού θεωρούν ότι οι ερευνητές των παραδοσιακών εργαστηρίων αγνοούν τα στοιχεία που δείχνουν ότι τα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού είναι αποτελεσματικά για να οδηγήσουν σε εννοιολογική κατανόηση. Οι υποστηρικτές των εργαστηρίων απομακρυσμένου χειρισμού αξιολογούν τις προσπάθειές τους όσον αφορά τη διδασκαλία εννοιών και όχι των δεξιοτήτων πειραματικού σχεδιασμού. Ανάλογα με τον τρόπο εφαρμογής των τεχνολογιών της πληροφορικής και επικοινωνίας στην εργαστηριακή εκπαίδευση μπορούμε να διακρίνουμε τα εργαστήρια στους παρακάτω τύπους. Εργαστήρια υβριδικού τύπου. Πρόκειται για παραδοσιακά εργαστήρια στα οποία έχουν εισαχθεί πληροφορικά συστήματα ώστε η εκπαίδευση μέσα σε αυτά να είναι υποβοηθούμενη από ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Η εισαγωγή των υπολογιστών στην εργαστηριακή εκπαίδευση καδοθηγήθηκε από την ανάγκη οι φοιτητές να διδαχθούν σύγχρονες εργαστηριακές τεχνικές που αλλιώς απαιτείται η αγορά ακριβών οργάνων. Στα υβριδικά εργαστήρια, οι υπολογιστές χρησιμοποιούνται για την απόληψη, επεξεργασία, ανάλυση δεδομένων ή για να ελέγξουν πειραματικές διατάξεις (Barnard 1985 Oehmke και Wepfer 1985 Saltsburg και λοιποί 1982 Tuma και λοιποί 1998). Από αυτήν την άποψη, ένα εργαστήριο στο οποίο δεν μεσολαβεί ο υπολογιστής είναι σχετικά σπάνιο (Mann και Fung 2002). Η χρήση των υπολογιστών μέσα στα παραδοσιακά εργαστήρια έχει αποδειχθεί χρήσιμη (Kasten 2000 Torres και λοιποί. 2001). Εργαστήρια προσομοίωσης. Πρόκειται για μιμήσεις των πραγματικών πειραμάτων. Όλο η υποδομή που απαιτείται για τα εργαστήρια δεν είναι 45

50 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή πραγματική, αλλά προσομοιωμένη στους υπολογιστές. Οι συνήγοροι των εργαστηρίων προσομοίωσης υποστηρίζουν ότι όχι μόνο είναι απαραίτητα, αλλά και πολύτιμα. Τα εργαστήρια προσομοίωσης προσφέρουν μια οδό διαχειρισμού των αυξανόμενων δαπανών των παραδοσιακών εργαστηρίων. Οι προσομοιώσεις μειώνουν σημαντικά το χρονικό διάστημα που απαιτείται για τη μάθηση των φοιτητών. Επιπλέον, τα εργαστήρια προσομοίωσης είναι τουλάχιστον τόσο αποτελεσματικά όσο και τα παραδοσιακά εργαστήρια (Shin και λοιποί. 2002). Σε αυτά οι σπουδαστές που χρησιμοποιούν έναν προσομοιωτή, είναι σε θέση να σταματήσουν την εξέλιξη του φαινόμενου που προσομοιώνεται, να βγουν έξω από την διεργασία, για να την αναθεωρήσουν και να την κατανοήσουν καλύτερα (Parush και λοιποί. 2002). Επιπλέον, πιστεύουν ότι αναπτύσσουν τη δημιουργία ενός ενεργού τρόπου εκμάθησης που με αυτόν τον τρόπο βελτιώνει την απόδοση των σπουδαστών (Faria και Whiteley 1990 Smith και Pollard 1986 Whiteley και Faria 1989). Αυτοί που αμφισβητούν αυτού του είδους τα εργαστήρια υποστηρίζουν ότι η υπερβολική έκθεση στην προσομοίωση θα οδηγήσει σε μια αποσύνδεση μεταξύ των πραγματικών και εικονικών κόσμων (Magin και Kanapathipillai 2000). Τα δεδομένα από τα εργαστήρια προσομοίωσης δεν είναι πραγματικά και επομένως, οι σπουδαστές δεν μπορούν να μάθουν από τη διαδικασία δοκιμής-λάθους (Grant 1995). Ένας άλλος προβληματισμός για την προσομοίωση είναι το κόστος της. Μερικοί υποστηρίζουν ότι το κόστος της προσομοίωση δεν είναι απαραιτήτως χαμηλότερο από αυτό των πραγματικών εργαστηρίων (Canizares και Faur 1997). Οι ρεαλιστικές προσομοιώσεις για την ανάπτυξη τους απαιτούν χρόνο και δαπάνη μεγάλου ποσού, μπορούν ακόμα να αποτύχουν να διαμορφώσουν πιστά την πραγματικότητα (Papathanassiou και λοιποί. 1999). Εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού. Χαρακτηρίζονται από τη μεσολαβημένη πραγματικότητα. Πραγματοποιούνται σε ενόργανα εργαστήρια. Αυτό που τα καθιστά διαφορετικά από τα πραγματικά εργαστήρια είναι η απόσταση μεταξύ του πειράματος και του πειραματιστή. Στα πραγματικά εργαστήρια, ο εξοπλισμός μπορεί να ελέγχεται από υπολογιστές αλλά όλο το σύστημα βρίσκεται στον ίδιο χώρο. Αντίθετα, στα εργαστήρια απομακρυσμένου 46

51 Θεωρητικό πλαίσιο χειρισμού οι πειραματιστές λαμβάνουν τα στοιχεία με τον έλεγχο του γεωγραφικά απομακρυσμένου εξοπλισμού. Τον τελευταίο καιρό υπάρχει ολοένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού (Fujita και λοιποί Gustavsson 2002 Shaheen και λοιποί Yoo και Hovis 2004). Έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν προσιτά πραγματικά πειραματικά στοιχεία μέσω της διανομής των πειραματικών συσκευών που βρίσκονται σε διαφορετικές τοποθεσίες (Sonnenwald και λοιποί Zimmerli και λοιποί. 2003). Πολύ συχνά ο απομακρυσμένος χειρισμός μπορεί επεκτείνει την ικανότητα ενός συμβατικού εργαστηρίου. Κατά μήκος μιας διάστασης, η ευελιξία του αυξάνει την ευκολία με την οποία ένας σπουδαστής μπορεί να εκτελέσει τα πειράματα τόσο ως προς το χρόνο όσο και ως προς τον τόπο (Canfora και λοιποί Hutzel 2002). Κατά μήκος μιας άλλης διάστασης, η διαθεσιμότητά των εργαστηρίων αυτών επεκτείνεται σε περισσότερους σπουδαστές (Cooper και λοιποί. 2000b). Επιπλέον, από τις συγκριτικές μελέτες φαίνεται ότι οι σπουδαστές δείχνουν ενδιαφέρον και είναι πρόθυμοι να εργαστούν σε τέτοιου είδους εργαστήρια (Cooper και λοιποί. 2000b). Μερικοί σπουδαστές εκφράζουν την άποψη ότι τα μακρινά εργαστήρια είναι αποτελεσματικότερα από τα εργαστήρια προσομοίωσης (Scanlon και λοιποί. 2004). Παρόλο που τα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού γίνονται δημοφιλέστερα, η εκπαιδευτική αποτελεσματικότητά τους ακόμη εξετάζεται. Οι Keilson και λοιποί (1999) επεσήμαναν ότι η ισοδυναμία μεταξύ του αρχικού εργαστηριακού πειράματος και η εφαρμογή του με τη χρήση απομακρυσμένου χειρισμού, είναι υπό όρους και περιορισμένη. Υποστηρίζουν ότι οι σπουδαστές είναι πιθανό να αποσπώνται και να είναι ανυπόμονοι με τους υπολογιστές, το οποίο στη συνέχεια θα βλάψει τη εμπλοκή των σπουδαστών με το πείραμα. Οι Vaidyanathan και Rochford (1998) επίσης αναφέρουν ότι η αξία των απομακρυσμένων πειραμάτων αμφισβητείται από μερικούς σπουδαστές. Ο Nedic και λοιποί (2003) πρότειναν ότι οι σπουδαστές δεν θεωρούν τα μακρινά εργαστήρια ρεαλιστικά. Επομένως, υποστηρίζουν ότι η αίσθηση των σπουδαστών τόσο προς τα εργαστήρια προσομοίωσης όσο και τα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού είναι η ίδια, ανεξάρτητα από το γεγονός ότι τα μακρινά εργαστήρια παρέχουν τα πραγματικά στοιχεία. 47

52 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Ο Trgalova (2003) προτείνει την κατηγοριοποίηση των εργαστηριακών ασκήσεων που υποβοηθούνται από υπολογιστές βασισμένη σε δύο κριτήρια, δηλαδή τη φύση των πειραματικών στοιχείων και του βαθμού ελέγχου που ασκούν οι χρήστες. Η μορφή των σύγχρονων εργαστηρίων είναι αρκετά διαφορετική από αυτή που υπήρχε πριν από την έκρηξη της πληροφορικής και επικοινωνιακής τεχνολογίας. Ουσιαστικά πλέον όλες οι ενόργανες αναλύσεις στη βιομηχανία ελέγχονται χρησιμοποιώντας το λογισμικό που παρέχεται από τον κατασκευαστή των οργάνων. Στην πρακτική εργασία, υπολογιστές χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των οργάνων, την απόκτηση, επεξεργασία και την παρουσίαση των δεδομένων. Η απόκτηση και ο χειρισμός των δεδομένων είναι πλέον κεντρικό σημείο στη μελέτη της Χημείας. Παλαιότερα η διαδικασία αυτή γινόταν με το χέρι αλλά η τεχνολογία των υπολογιστών μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη δουλειά αυτή παρέχοντας ταχύτητα και αξιοπιστία. Είναι φανερό ότι κινούμαστε στην κατεύθυνση της ασύρματης τεχνολογίας, χωρίς τη χρήση χαρτιού. Σε πολλές χώρες η μεταφορά αυτής της εικόνας στην εργαστηριακή εκπαίδευση με τη χρήση υπολογιστών γίνεται από τη δεκαετία του 80. Η σταδιακή κυριαρχία των υβριδικών εργαστηρίων εξυπηρετεί μια εκπαίδευση πιο κοντά στις συνθήκες που επικρατούν σήμερα τόσο στα εργαστήρια της βιομηχανίας όσο και στα ερευνητικά εργαστήρια. Σε αυτή την περίπτωση, η ποιότητα που προσδίδει ο διαδραστικός χαρακτήρας της εργαστηριακής συμμετοχής μπορεί να μην διαφέρει πολύ, είτε ο σπουδαστής βρίσκεται στον ίδιο χώρο με τις συσκευές είτε όχι. Η αποτελεσματικότητα της εργαστηριακής άσκησης συσχετίζεται με την αμεσότητα της σύνδεσής της με τον πραγματικό κόσμο (Cooper και λοιποί. 2002b Rohrig και Jochheim 1999 Tzeng 2001). Κατά συνέπεια, τα εργαστήρια προσομοίωσης (και ως ένα ορισμένο βαθμό, τα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού και τα υβριδικά εργαστήρια) επικρίνονται για την ανικανότητά τους να παρέχουν αυθεντικές ρυθμίσεις και την αλληλεπίδραση με τις πραγματικές συσκευές (Zeltzer 1992 Zywno και Kennedy 2000). 48

53 Θεωρητικό πλαίσιο Η αίσθηση της ύπαρξης περιγράφεται στη βιβλιογραφία ως παρουσία. Ο Sheridan (1992) διέκρινε τρεις τύπους παρουσιών: τη φυσική, την τηλεπαρουσία και την εικονική. Η φυσική παρουσία συνδέεται με τα παραδοσιακά εργαστήρια και γίνεται αντιληπτή ως «φυσική παρουσία στο χώρο.» Η τηλεπαρουσία γίνεται αντιληπτή ως «αίσθηση παρουσίας στον απομακρυσμένο χώρο που διενεργούνται οι εργασίες». Τέλος η εικονική παρουσία γίνεται αντιληπτή ως«αίσθηση παρουσίας σε ένα εικονικό χώρο που παράγεται από υπολογιστή» (σελ. 120). Ο συντάκτης υποστήριξε ότι με την αναστολή της δυσπιστίας, μπορούμε να βιώσουμε την παρουσία σε ένα εικονικό περιβάλλον. Ο Noel και Hunter (2000) υποστήριξαν ότι το κρίσιμο ζήτημα στο σχεδιασμό των εικονικών περιβαλλόντων γενικά, είναι να δημιουργηθεί μια ψυχολογικά πραγματική ρύθμιση, παρά να αναδημιουργηθεί ολόκληρη η φυσική πραγματικότητα. Από τα πειράματά τους, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι με το χειρισμό των μεταβλητών του φυσικού κόσμου, οι σχεδιαστές μπορούν να δημιουργήσουν την επιθυμητή υποκειμενική πραγματικότητα. Ο Nunez και Blake (2003) βεβαίωσαν ότι περισσότερη προσοχή και προσπάθεια πρέπει να δοθεί στην αναστολή της δυσπιστίας που καθορίζει την παρουσία μέσα εικονικά περιβάλλοντα. Ο ρόλος των πεποιθήσεων μπορεί να είναι σημαντικός στην εξήγηση της συμπεριφοράς των σπουδαστών σε έναν περιβάλλον εκμάθησης υποβοηθούμενο από υπολογιστή (Vuorela και Nummenmaa 2004). Μπορεί αυτή η ψυχολογική πραγματικότητα (πεποίθηση το τι είναι πραγματικό) να μην περιορίζεται από τη φυσική πραγματικότητα και επομένως, μπορεί να διαδραματίζει σημαντικό ρόλο επηρεάζοντας την συμπεριφορά των φοιτητών σε ένα εικονικό περιβάλλον. Ο Bradner και Mark (2001) διαπίστωσαν ότι οι απομακρυσμένοι χρήστες τείνουν να συνεργαστούν λιγότερο με τους συνεργάτες τους εάν τους θεωρούν σε μια μακρινή πόλη, ακόμα κι αν στην πραγματικότητα, βρίσκονται στον ίδιο χώρο. Λαμβάνοντας υπόψη την αφθονία των πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στους συμμετέχοντες στο παραδοσιακό εργαστήριο, συχνά έχει υποστηριχθεί ότι η φυσική παρουσία προτιμάται από τους σπουδαστές (Ijsselsteijn και λοιποί Lombard και Ditton 1997 Short και λοιποί Snow 1996). Εντούτοις, 49

54 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή τα εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού και οι προσομοιώσεις παρέχουν εναλλακτικές μορφές παρουσίας. Ο Biocca (2001) υποστήριξε ότι η ρίζα της παρουσίας βρίσκεται στη «αντίληψη για την πραγματικότητα» παρά στη φυσική πραγματικότητα. Με άλλα λόγια, η παρουσία είναι περισσότερο για «την ψευδαίσθηση ότι βρίσκεσαι σε ένα χώρο και λιγότερο για να είσαι πραγματικά εκεί» (σελ. 550), μια άποψη που υποστηρίζεται επίσης και από τον Bentley και λοιποί. (2003). Οι Slater και Usoh (1993) έδειξαν ότι ο βαθμός στον οποίο οι συμμετέχοντες αισθάνονται βυθισμένοι στα εικονικά περιβάλλοντα εξαρτάται από πόσο πεπεισμένοι είναι από τα αποτελέσματα που συντίθενται από τον υπολογιστή. Μερικοί ερευνητές έχουν βεβαιώσει ότι η αίσθηση της παρουσίας μπορεί να προβλέψει το επίπεδο της απόδοσης. Με τη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων κάτω από έξι εκδόσεις των εικονικών περιβαλλόντων, Οι Bystrom και Barfield (1999) υποστήριξαν ότι η αίσθηση της παρουσίας είναι ένας από τους παράγοντες κλειδιά που συμβάλλουν στην υψηλότερη απόδοση στόχου. Οι Barfield και Weghorst (1993) επεξηγούν τη σχέση μεταξύ της παρουσίας και της απόδοσης με την εισαγωγή της επίδρασης της απόλαυσης που μεσολαβεί. Εντούτοις, η αιτιώδης σχέση μεταξύ της παρουσίας και της απόδοσης έχει εξεταστεί και από άλλους ερευνητές. Μια πρόσφατη μελέτη που πραγματοποιήθηκε από τους Youngblut και Huie (2003) ανέφερε ότι καμία σημαντική διαφορά στην απόδοση στόχου δεν μπορεί να αποδοθεί σε διαφορά στην παρουσία. Οι Nash και λοιποί (2000) πρότειναν ότι μόνο με την παρουσία δεν μπορεί να εξηγηθεί η διαφορά στην απόδοση. Η προαναφερθείσα εργασία στο σύνολο προτείνει ότι οι προτιμήσεις των σπουδαστών, ίσως και η μαθησιακή τους απόδοση, δεν μπορεί να αποδοθεί στην τεχνολογία του εργαστηρίου μόνο. Με άλλα λόγια, είναι σημαντικό να εστιάσουμε στον τρόπο με τον οποίο οι διανοητικές δραστηριότητες σπουδαστών συμμετέχουν στην αντιμετώπιση του εργαστηριακού περιβάλλοντος. Από αυτήν την άποψη, έχουν συζητηθεί και άλλοι παράγοντες σε σχέση με την αποτελεσματικότητα των εργαστηρίων, όπως : το κίνητρο (Edward 2002), 50

55 Θεωρητικό πλαίσιο η συνεργασία ανάμεσα στους σπουδαστές (Baxendale και Mellor 2000), η ανατροφοδότηση σωστού λάθους (Grant 1995) και η αφθονία των μέσων (Chaturvedi και λοιποί. 2003) πρέπει επίσης να γίνει διεξοδικότερη έρευνα για να παραχθούν πιο διαδραστικές και εμβυθισμένες ρυθμίσεις οι οποίες οδηγούν τελικά τους σπουδαστές σε ένα χώρο που αντιλαμβάνονται ως πραγματικό. Από αυτές τις μελέτες, αναμένουμε ότι σπουδαστές σε ένα εργαστήριο προσομοίωσης ή απομακρυσμένου χειρισμού εργαστήριο όπου η πραγματικότητα είναι τεχνητή ή μεσολαβεί απόσταση αντίστοιχα, μπορεί να βιώσει ψυχολογική παρουσία, αλλά όχι φυσική παρουσία. Με παρόμοιο τρόπο, σπουδαστές σε ένα πραγματικό πειραματικό εργαστήριο θα μπορούσαν να εκτεθούν φυσικά σε πραγματικές συσκευές, αλλά μπορεί να μην βιώσουν ψυχολογική παρουσία. Για παράδειγμα, οι σπουδαστές μπορεί να βαρεθούν ή να αποσπαστούν εάν ο ρόλος τους είναι παθητικός παρατηρώντας άλλους να αλληλεπιδρούν με κάποια συσκευή. Δεν είναι υποχρεωτικό στην εργαστηριακή εκπαίδευση να ακολουθείται μια συγκεκριμένη τακτική που προσδιορίζεται από τη χρήση ή όχι των νέων τεχνολογιών για τη διαμόρφωση του μαθησιακού περιβάλλοντος. Η εξέλιξη της τεχνολογίας σε συνδυασμό με τις νέες μαθησιακές προσεγγίσεις μπορεί να δώσει εργαλεία που μπορούν να εκπληρώσουν πολλαπλούς στόχους που άλλοτε θα φάνταζαν απίθανοι. Αυτές οι υβριδικές μορφές εργαστηριακής εκπαίδευσης έχουν αποδειχθεί χρήσιμες (Kasten 2000 Torres και λοιποί. 2001). Συνδυασμός εργαστηρίων προσομοίωσης με εργαστήρια απομακρυσμένου χειρισμού έχουν αποτελέσει αποτελεσματικές λύσεις (Sonnenwald και λοιποί. 2003). Μελέτες προτείνουν ότι ένα μίγμα τεχνολογικών στοιχείων μπορεί να είναι ανώτερο από την εφαρμογή μιας μεμονωμένης τεχνολογίας, και αυτό που πραγματικά παίζει ρόλο δεν είναι είναι ο τύπος εργαστηρίου, αλλά η βαρύτητα κάθε τύπου σε μια δεδομένη κατάσταση (Cohen και Scardamalia 1998 Riffell και Sibley 2004 Tuckman 2002). 51

56 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 1.6 Βιβλιογραφία Association for Educational Communications and Technology. (1977). Educational technology: Definition and glossary of terms. Washington, DC: Author. Baddeley, A.B. (1997). Human memory: Theory and practice (revised edition). Hove, UK: Psycology Press. Barfield, W. and Weghorst, S The sense of presence within virtual environments: A conceptual framework. In Human Computer Interaction: Software and Hardware Interfaces, G. Salvendy and M.Smith, Eds. Elsevier, Barnard, R. H Experience with low cost laboratory data. Int. J. Mechanical Eng. Education 13, Baxendale, P. and Mellor, J A virtual laboratory for research training and collaboration. Int. J. Electrical Eng. Education 37, 1, Becker H. J. (1993): Instructional computer use: findings from a national survey of school and teacher practices, The Computing Teacher, 20 (1), pp.6-7 Bentley, F., Tollmar,O.,Demirdjian,D.,Oile, K., Anddarrell, T Perceptive presence. IEEE Comput. Graph. Appl. 23, 5, Biocca, F Inserting the presence of mind into a philosophy of presence: A response to Sheridan and Mantovaniand Riva. Presence: Teleoper. Virtual Environ. 10, 5, Black P.J. and Ogborn J., (1979), Laboratory work in undergraduate teaching, in McNally, D. (ed), Learning strategies in university science, Cardiff, University College Cardiff Press. Bodrow, D. & Collins, A. (1975).Representation and understaning: Studies in cognitive science. New York : Academic. 52

57 Θεωρητικό πλαίσιο Boud D., Dunn J. and Hegarty-Hazel E., (1986), Teaching in laboratories, Milton Keynes, Milton Keynes Open University Press. Bouvier, A. (2001). Το Δικαίωμα στο λάθος. Απόδοση στα ελληνικά, Β. Ευσταθόπουλος. Ευκλείδης Γ, τόμος 6, τεύχος 21,σσ Bradner, E. and Mark, G Social presence with video and application sharing. In Proceedings of the 2001 International ACM SIGGROUP Conference on Supporting Group Work. Boulder, Colorado. ACM Press, New York, Breslow,L. (2007), Lessons Learned: Findings from MIT Initiatives in Educational Technology ( ), Journal of Science Education and Technology, 16, 4. Byard, J.M. (1995). Under school based policies for initial teacher training. Journal of Computer Assistant Learning, Vol. 11, No 2, pp Bystrom, K. E. and Barfield, W Collaborative task performance for learning using a virtual environment. Presence: Teleoper. Virtual Environ. 8, 4, Cafarella, R. S., & Zinn, L. R. (1999), Professional development for faculty: A conceptual framework for barriers and supports. Innovative Higher Education, 23(4), 24. Canfora,G.,Daponte, P., and Rapuano, S Remotely accessible laboratory for electronic measurement teaching. Comput. Standards and Interfaces 26, 6, Canizares, C. A. and Faur, Z. T Advantages and disadvantages of using various computer tools in electrical engineering courses. IEEE Trans. Education 40, 3, Carnduff J. and Reid N., (2003), Enhancing undergraduate chemistry laboratories, pre-laboratory and post-laboratory exercises, examples and 53

58 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή advice, Education Department, Royal Society of Chemistry, Burlington House, Piccadilly, London. Carnduff J. and Reid N., (2003), Enhancing undergraduate chemistry laboratories, pre-laboratory and post-laboratory exercises, examples and advice, Education Department, Royal Society of Chemistry, Burlington House, Piccadilly, London. Chaturvedi, S., Akan,O., Bawab, S., Abdej-Salam, T., and Venkataramana,M A web-based multimedia virtual experiment. In Proceedings of the 33rd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. Boulder, CO. T3F.3-T3F.8. Cohen, A. and Scardamalia, M Discourse about ideas: Monitoring and regulation in face-to-face and computer-mediated environments. Interactive Learning Environ. 6, 1 2, Cooper, G. (1990), Cognitive load theory as an aid for instructional design. Australian Journal of Educational Technology, 6(2), Cooper, M., Donnelly, A., and Ferreira, J. M. 2002b. Remote controlled experiments for teaching over the Internet: A comparison of approaches developed in the PEARL project. In Proceedings of the ASCILITE Conference Auckland, New Zealand. UNITEC Institution of Technology, M2D.1- M2D.9. Corte, D.E. (1990). Learning with new information technologies in schools: perspectives from the psychology of learning and instructions. Journal of Computer Assisted Learning, Vol. 6, No 1, pp Cuban, L. (1986). Teachers and machines. The classroom use of technology since U.S.A. Teachers College Press. Cuban, L. (2001). Oversold and underused. Computers in the classroom. Cambridge, MA: Harvard University Press. 54

59 Θεωρητικό πλαίσιο Donell, E. O. (1996). Intergrating computer into classroom, the missing key. N. Y.: Scarecrow Press. Driver, R. (1983).The Pupil as Scientist?, Milton Keynes, Open University Press. Driver, R. (1986, April). Reconstructing the science curriculum: The approach of the Children's Learning in Science Project. Paper prepared for the annual meeting of the American Educational Research Association, San Francisco. Duckett S.B., Garratt J, and Lowe N.D., (1999), What do chemistry graduates think? University Chemistry Education, 3, 1-7. Dwyer, D. C., Ringstaff, C., & Sandholtz, J. H. (1991). Changes in teachers' beliefs and practices in technology-rich classrooms. Educational Leadership, 48(8), Edward, N. S The role of laboratory work in engineering education: Student and staff perceptions. Int. J. Electrical Eng. Education 39, 1, Elby,A. (2000). What students' learning of representations tells us about constructivism. Journal of Mathematical Behavior (to appear). Available online at last access 20/12/2007.) Faria, A. J. and Whiteley, T. R An empirical evaluation of the pedagogical value of playing a simulation game in a principles of marketing course. Development in Business Simul. Experiential Learning 17, Faucher, G The role of laboratories in engineering education. Int. J. Mechanical Eng. Education 13, Fujita, J. S. T., Cassaniga, R. F., and Fernandez, F. J. R Remote laboratory. In Proceedings of the 2003 IEEE International Symposium on Industrial Electronics. Rio. de Janeiro, Brazil

60 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Gee B. and Clackson S.G., (1992), The origin of practical work in the English School science curriculum, School Science Review, 73, Glaser, R. (1994). Η Ωρίμανση της σχέσης ανάμεσα στην Επιστήμη της Μάθησης και της Γνωστικής Διαδικασίας και στην Εκπαιδευτική Πρακτική. Στο Γ. Παπαμιχαήλ (Επιμ. Εκδ.) Κοινωνιο-γνωστική Προσέγγιση και Διδακτικές Διαδικασίες της Μάθησης των Φυσικών και Λογικο-μαθηματικών Εννοιών στο Σχολείο. Gunetberg, Σειρά Ψυχολογίας/6, Αθήνα, σσ Grant, A The effective use of laboratories in undergraduate courses.int. J. Mechanical Eng. Education 23, 2, Green, K. C. (1998), 1998 Campus Computing Survey. (Online) Available: Gunstone, R.F. (1991). Reconstructing theory from practical experience. In Woolnough, B.E. (ed.),practical science, pp Milton Keynes: Open University Press. Gustavsson, I Remote laboratory experiments in electrical engineering education. In Proceedings of the 4th International Caracas Conference on Devices, Circuits and Systems (ICCDCS 2002). Aruba. I025.1 I Hadley, M. &Sheingold K. (1993): Commonalities and distinctive patterns in Teachers' integration of computers, American Journal of Education, 101, pp Hawkes S.J., (2004), Chemistry is NOT a laboratory science, Journal of Chemical Education, 81, Husbands, C Learning theories and museums: using and addressing pupils minitheories. Journal of Education in Museums 15: 5-7 Hutzel, W. J A remotely accessed HVAC laboratory for distance education. Int. J. Eng. Education 18, 6,

61 Θεωρητικό πλαίσιο Ijsselsteijn,W. A., Ridder, H. D., Freeman, J., and Avons, S. E Presence: Concept, determinants and measurement. In Proceedings of the SPIE, Human Vision and Electronic Imaging V Conference. San Jose, CA Johnstone A.H.and Wood C.A., (1977), Practical work in its own right, Education in Chemistry, 14, Johnstone A.H. and Al-Shuaili A., (2001), Learning in the laboratory: some thoughts from the literature, University Chemistry Education, 5, Johnstone A.H. and Letton K.M., (1988), Is practical work practicable?, Journal of College Science Teaching, 18, Johnstone A.H. and Letton K.M., (1989), Why do practical work? A research point of view, Kemia-Kemi, (2), Johnstone A.H. and Letton K.M., (1990), Investigation undergraduate laboratory work, Education in Chemistry, 27, 9-11 Johnstone A.H. and Letton K.M., (1990), Investigation undergraduate laboratory work, Education in Chemistry, 27, 9-11 Johnstone A.H., Sleet R.J. and Vianna J.F., (1994), An information processing model of learning: its application to an undergraduate laboratory course in chemistry, Studies in Higher Education, 19, Johnstone, A.H. (1997). Chemistry teaching: Science or alchemy? Journal of Chemical Education, 74, Jonassen, D. H. (2000). Computers as mindtools for schools: Engaging critical thinking (2 nd Ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall Kasten,D.G Integrating computerized data acquisition and analysis into an undergraduate electric machines laboratory. In Proceedings of the 30th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. Kansas City, MO. T1D.13 T1D

62 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Kasten,D.G Integrating computerized data acquisition and analysis into an undergraduate electric machines laboratory. In Proceedings of the 30th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. Kansas City, MO. T1D.13 T1D.18. Keilson, S., King, E., Sapnar, M. I. S., King, E., and Sapnar, M Learning science by doing science on the web. In Proceedings of the 29th ASEE/IEEE Frontier in Education Conference. San Juan, Puerto Rico., 13d4.7 13d4.12. Kerber R.C., (1988), Elephantiasis of the textbook, Journal of Chemical Education, 65, Khan M.I., (1996), A study of the impact of micro-scale / small scale chemistry experiments on the attitudes and achievements of the first year students in Glasgow, M.Sc. thesis, University of Glasgow. Kirschner, P.A. and Meester, M.A.M., (1988), The laboratory in higher science education, problems, premises and objectives, Higher Education, 17, Ko, C. C., Chen, B. M., Chen, S. H., Ramakrishnan, V., Chen, R., Hu, S. Y., And Zhuang, Y A large-scale web-based virtual oscilloscope laboratory experiment. Eng. Sci. Education J. 9, 2, Lagowski, J. (2005), A Chemical Laboratory in a Digital World, Chemical Education International,6,1 Lazarowitz, R. & Tamir, P. (1995). Research on using Laboratory Instruction in Science. In Gabel D. (Ed): Handbook of research on science teaching and learning. NY: Macmillan, Letton K.M., (1987), A study of the factors influencing the efficiency of learning in a undergraduate chemistry laboratory, M.Phil. thesis, Jordanhill College of Education, Glasgow, Scotland. Lombard, M. and Ditton, T At the heart of it all: The concept of presence. J. Comput. Mediated Commun. 3, 2. Online journal. 58

63 Θεωρητικό πλαίσιο Ma,J. & Nickerson, J. (2006), Hands-On, Simulated, and Remote Laboratories: A Comparative Literature Review, ACM Computing Surveys, 38, 3. Magin, D. J. and Kanapathipillai, S Engineering students understanding of the role of experimentation. European J. Eng. Education 25, 4, Mann, S. and Fung, J Mediated reality. Presence: Teleoper. Virtual Environ. 11, 2, Marshall, G. (1997). Time for change: Critical issues for teacher educators. In Passey, D. & Sumways, B. (Eds) Information technology supporting change through teachers education. U.S.A.: Chapman Hall, pp Massy, W. F., & Zemsky, R. (1995), Using information technology to enhance academic productivity. Presented at the 1995 CAUSE conference: (Online) Available: Means, B., Ed. (1994). Technology and education reform. San Francisco, CA: Jossey-Bass. Meester, M.A.M and Maskill, R., (1993), First year practical classes in undergraduate chemistry courses in England and Wales, The Royal Society of Chemistry. Meester, M.A.M and Maskill, R., (1995a), First year chemistry practicals at university in England and Wales: aims and the scientific level of the Morrell J.B., (1969), Practical chemistry at the University of Edinburgh, , AMBIX, 26, Morrell J.B., (1972), The chemistry breeders, the research schools? of Liebig and Thomas Thomson, AMBIX, 19, Nash, E. B.,Edwards, G. W., Thompson, J. A., and Barfield,W A review of presence and performance in virtual environments. Int. J. Hum. Comput Interact 12, 1,

64 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Nedic, Z., Machotka, J., and Nafalski, A Remote laboratories versus virtual and real laboratories. In Proceedings of the rd Annual Frontiers in Education Conference. Boulder, CO. T3E.1-T3E.6. Noel, R. W. and Hunter, C. M Mapping the physical world to psychological reality: Creating synthetic environments. In Proceedings of the Conference on Designing Interactive Systems: Processes, Practices,Methods, and Techniques. New York Nunez, D. and Blake, E Conceptual priming as a determinant of presence in virtual environments. In Proceedings of the 2nd International Conference on Computer Graphics, Virtual Reality, Visualization and Interaction in Africa. Cape Town, South Africa Oehmke, R. L. T. and Wepfer, W. J Microcomputers in the undergraduate instrumentation lab. In Proceedings of the ASME Computers in Engineering 1985 Conference. Boston, MA Papathanassiou, A., Oster, J., and Baier, P. W A novel simulation concept of reduced computational cost for TD-CDMA mobile radio systems with adaptive antennas. In Proceedings of the Vehicular Technology Conference (VTC 1999), Fall. Amsterdam, the Netherlands Parush, A., Hamm, H. and Shtub, A Learning histories in simulationbased teaching: The effects on self-learning and transfer. Comput. and Education 39, Piaget, J. (1962) Comments on Vygotsky s critical remarks. Cambridge, MA.: The M.I.T. Ptress. Pickering M., (1973), The teaching laboratory through history, Journal of Chemical Education,70, 699. Pickering M., (1987), What goes on in students heads in laboratory? Journal of Chemical Education, 64,

65 Θεωρητικό πλαίσιο Psillos, D. and Niedderer, H.( 2002). Issues and questions regarding the effectiveness of labwork. In Teaching and Learning in the Science Laboratory, D. Psillos and H. Niedderer, Eds. Kluwer Academic, Reid N. and Serumola L., (2006a) Scientific enquiry: the nature and place of experimentation: a review, Journal of Science Education, 7, Reid N. and Serumola L., (2006b) Scientific enquiry: the nature and place of experimentation: some recent evidence, Journal of Science Education, 7, Reid N. and Yang M-J., (2002), The solving of problems in chemistry: the more open-ended problems, Research in Science and Technological Education, 20, Ridway, J. (1997). Vygotsky, informatics capability, and proffesional development. In Passey, D. & Sumways, B.(Eds) Information technology supporting change through teachers education. U.S.A.: Chapman Hall, pp Riffell, S. and Sibley, D Using web-based instruction to improve large undergraduate biology courses: An evaluation of a hybrid course format. Comput. and Education 44, 3, Rohrig, C. and Jochheim, A The virtual lab for controlling real experiments via Internet. In Proceedingsof the 1999 IEEE International Symposium on Computer Aided Control System Design. Kohala Coast Island of Hawaii, Hawaii Rose T.L. and Seyse R.J., (1974), An upper level laboratory course of integrated experiments, Journal of Chemical Education, 51, Saltsburg, H., Heist, R. H., And Olsen, T Microcomputers in a college teaching laboratory-part I. Micro 53,

66 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Sandholtz, j., Ringstaff, C. and Dwyer, D Teaching with Technology. Teachers College Press, New York. Scanlon, E., Colwell, C., Cooper, M., and Paolo, T. D Remote experiments, reversioning and rethinking science learning. Comput. and Education 43, 1 2, Scrimshaw, P. (1997). Computers and the teacher role. In Somekh, B. & Davis, N.(Eds). Using Information Technology effectively in teaching and learning (studies in preservice and inservice teacher education). London: Routledge press, pp Seels, B. B. & Richey, R. C. (1994). Instructional Technology: The definitions and domains of the filed. Washington DC: Association for Educational Communications and Technology. Shah I, (2004), Making university laboratory work in chemistry more effective, PhD thesis, University of Glasgow. Shaheen, M., Loparo, K. A., and Buchner, M. R Remote laboratory experimentation. In Proceedings of the 1998 American Control Conference. Philadelphia, PA Sheingold K. & Hadley M. (1990): Accomplished teachers: Integrating computers into classroom practise. New York: Center for technology in Education, Bank Street College of Education. Sheridan, T. B Musings on telepresence and virtual presence. Presence: Teleoper. Virtual Environ.1, Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., And Lee, E. S A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: Issues, design and implementation. Computers and Chemical Eng. 26, 2,

67 Θεωρητικό πλαίσιο Short, J., Williams, E., and Christie, B The Social Psychology of Telecommunications. John Wiley and Sons, London. Shymansky J.A. and Penick J.E., (1979), Use of systematic observations to improve college science laboratory instruction, Science Education, 63, Siebring, B. R.; Schaff, M. E., (1977), The purpose and nature of laboratory instruction from an historical point of view (Sym), Journal of Chemical Education, 54, 270 Slater, M. and Usoh, M Presence in immersive virtual environments. In Proceedings of the IEEE Virtual Reality Annual International Symposium. Seattle, WA Smith, P. R. and Pollard, D The role of computer simulations in engineering education. Comput. and Education 10, 3, Sonnenwald, D. H., Whitton, M. C., and Maglaughlin, K. L Evaluating a scientific collaboratory: Results of a controlled experiment. ACM Trans. Comput. Hum. Interact 10, 2, Statistics of Chemistry Education, published by the Royal Society of Chemistry online (last accessed 4/2/07) Sweller, J. (1994), Cognitive load theory, learning difficulty, and instructional design. Learning and Instruction, 4, Sweller, J. (2004). Instructional design consequences of an analogy between evolution by natural selection and human cognitive architecture. Instructional Science, 32, 9-31 Tobin, K.G. (1990). Research on science laboratory activities: In pursuit of better questions and answers to improve learning. School Science and Mathematics, 90, Torres, K., Loker, D., and Weissbach, R Introducing 9 12 grade students to electrical engineering technology through hands-on laboratory 63

68 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή experiences. In Proceedings of the st Annual Frontiersin Education Conference. Reno, NV. F2E.12-F2E.16. Torres, K., Loker, D., and Weissbach, R Introducing 9 12 grade students to electrical engineering technology through hands-on laboratory experiences. In Proceedings of the st Annual Frontiers in Education Conference. Reno, NV. F2E.12-F2E.16. Trgalova, J. (2003). Systemes de formation a distance. Proposition d une typologie (Distance learning systems, a typology). In Desmoulins, C., Marquet, P., and Bouhineau,D. (Eds.), EIAH2003 Environnements Informatiques pour l Apprentissage Humain (Proceedings of EIAH 2003, April 15 17, Strasbourg, France), INRP, Paris, pp Tuckman, B. W Evaluating ADAPT: A hybrid instructional model combining web-based and classroom components. Compute. and Education 39, 3, Tuma, T., Bratkovic, F., Fajfar, I., And Puhan, J A microcontroller laboratory for electrical engineering. Int. J. Eng. Education 14, 4, Tzeng, H.-W The design of pedagogical agent for distance virtual experiment. In Proceedings of the st Annual Frontiers in Education Conference. Reno, NV. F1F.18-F1F.23. Vaidyanathan, R. and Rochford, L An exploratory investigation of computer simulations, student preferences, and performance. J. Education Business 73, 3, Vuorela, M. and Nummenmaa, L How undergraduate students meet a new learning environment? Comput. Hum. Behavior 20, 6, Vygotsky, L. S. (1962) Thought and language. Cambridge, MA.: The M.I.T. Press. 64

69 Θεωρητικό πλαίσιο Vygotsky, L.S. (1978). Mind and society. Cambridge, MA.: Harvard University Press. Whiteley, T. R. and Faria, A. J A study of the relationship between student final exam performanceand simulation game participation. Simul. Games 21, 1, Wild, M. (1995). Pre-service teacher education programmes for information technology: An effective education? Journal of Information Technology for Teacher Education, 4(1), Wild, M. (1996). Technology refusal. Rationalising the failure of student and beginning teacher to use computers. British Journal of Educational Technology, Vol. 27, No 2, pp Willis, J. (1996). Information technology and teacher education. Journal of information technology for teacher education, Vol. 5. No 1, pp Wills E.D., (1974), Comparison of student performances tested by continuous assessment and by a final examination, in Billing, D.E. and Parsonage, J.R. (eds.), Research into tertiary science education, London, Society for Research into Higher Education. Winer, L. R., Chomienne, M., and Vazquez-Abad, J A distributed collaborative science learning laboratory on the Internet. American J. Distance Education 14, 1. Woolnough B., (1994), Effective science teaching, Buckingham, Open University Press. Yoo, S. and Hovis, S Technical symposium on computer science education. In Proceedings of the 35 th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education. New York, NY

70 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Youngblut, C. and Huie, O The relationship between presence and performance in virtual environments: Results of a VERTS study. In Proceedings of the IEEE Virtual Reality 2003 Conference. Los Angeles, CA Zimmerli, S., Steinemann, M.-A., and Braun, T Educational environments: Resource management portal for laboratories using real devices on the Internet. ACM SIGCOMM Comput. Commun. Review53, 3, Zimmerli, S., Steinemann, M.-A., and Braun, T Educational environments: Resource management portal for laboratories using real devices on the Internet. ACM SIGCOMM Comput. Commun. Review53, 3, Zywno, M. S. and Kennedy, D. C Integrating the Internet, multimedia components, and hands-on experimentation into problem-based control education. In Proceedings of the th Annual Frontiers in Education Conference. Kansas City, MO. T2D.5 T2D

71 2. Υπολογιστικά Συστήματα στην Οργανολογία 2.1 Επίδραση τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών στην Οργανολογία. Η εκρηκτική ανάπτυξη των προσωπικών υπολογιστών είχε έντονη επίδραση στην οργανολογία (Malmstadt,1981). Η ραγδαία αξιοποίηση των ηλεκτρονικών υπολογιστών σε ένα τεράστιο αριθμό εφαρμογών, δεν θα μπορούσε αφήσει ανεπηρέαστο το χώρο των μετρήσεων και ελέγχου. Από τη μία πλευρά το χαμηλό κόστος του εξοπλισμού και από την άλλη πλευρά η προτυποποίηση υλικού και λογισμικού από τις εταιρίες πληροφορικής έχουν απλοποιήσει τη χρήση των υπολογιστών στην εργαστηριακή πρακτική (Baran, 2004 ). Στις πρώτες εφαρμογές των ηλεκτρονικών υπολογιστών στην επιστημονική οργανολογία, τα επιστημονικά όργανα λειτουργούσαν σαν ανεξάρτητες και λειτουργικές μονάδες χωριστά από τα υπολογιστικά συστήματα οποία ήταν απλά συνδεδεμένα με αυτά. Ο συνδυασμός ήταν εννοιολογικά απλός, αλλά στην πράξη η διασύνδεση για κάθε αλληλεπίδραση μεταξύ του οργάνου και του υπολογιστή ήταν συχνά εξειδικευμένη, σύνθετη, και ακριβή (Codding 1981) Στα μέσα της δεκαετίας του '70, άρχισαν να εμφανίζονται τυποποιημένες δομές διαύλων και θυρών, οι οποίες επέτρεψαν στους υπολογιστές και τα όργανα να επικοινωνήσουν μέσω των αυτών των καναλιών ( Enke, 1971). Σε αυτό το στάδιο, η αλληλεπίδραση υπολογιστή- επιστημονικού οργάνου περιοριζόταν συχνά στη συλλογή των στοιχείων και τον έλεγχο μόνο της μεταβλητής που ανιχνεύθηκε κανονικά από το όργανο. Αυτή η περίοδος χαρακτηρίζει τη φάση διασύνδεσης στη σχέση οργάνου-υπολογιστή. Από αυτές τις πρώτες διασυνδέσεις άρχισε να εκτιμάται, η δύναμη του υπολογιστή για τον έλεγχο των οργάνων καθώς επίσης και της επεξεργασίας των μετρήσεων (Ratzlaff 1974). Στα μέσα της δεκαετίας του '70, εντούτοις, οι επιστήμονες 67

72 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή άρχισαν να εκμεταλλεύονται την τεράστια δυνατότητα και την ευελιξία που προσέφεραν το διαθέσιμο λογισμικό και το υλικό υπολογιστών για να αναπτύξουν νέους τρόπους και αρχές μέτρησης (Enke, 1982). Καθώς όλο και περισσότερες λειτουργίες του οργάνου άρχισαν να τίθενται υπό έλεγχο υπολογιστών και ο αριθμός διεπαφών άρχισε να αυξάνεται, ο υπολογιστής γίνονταν όλο και περισσότερο ένα αναπόσπαστο τμήμα του οργάνου (Horlick 1982). Όσο το κόστος των μικροεπεξεργαστών μειωνόταν, τόσο οι εφαρμογές τους άρχισαν να επεκτείνονται και σε σχετικώς απλούστερα συστήματα (π.χ. φασματοφωτόμετρα, χρωματογράφοι, συσκευές τιτλοδοτήσεων). Πολύ σύντομα, η εφαρμογή των μικροεπεξεργαστών επεκτάθηκε και σε απλές εργαστηριακές συσκευές (ελεγκτές χρονισμού, πεχάμετρα, διανομείς διαλυμάτων, μικροσύριγγες), που διατίθενται στο εμπόριο ως ελεγχόμενες από μικροεπεξεργαστές. Δεδομένου ότι η διάκριση μεταξύ του υπολογιστή και του οργάνου εξαφανίζεται και το όργανο δεν μπορεί πλέον να λειτουργήσει ως ανεξάρτητη μονάδα, η παραδοσιακή έννοια του χωριστού οργάνου, της διεπαφής και του υπολογιστή, γίνεται ξεπερασμένη (Malcolme-Lawes 1988). Έτσι όσο όλο και περισσότερο οι λειτουργίες των μοντέρνων επιστημονικών οργάνων πραγματοποιούνται μέσω ηλεκτρονικών διατάξεων, τόσο το πεδίο της οργανολογίας εξελίσσεται ραγδαία γύρω από το σχεδιασμό οργάνων βασισμένων σε αισθητήρες(hirschfeld, 1984). Αυτό περιλαμβάνει γενικευμένα ένα πληροφορικό σύστημα που συχνά είναι ένας προσωπικός υπολογιστής με τις απαραίτητες θύρες εισόδου εξόδου και το λογισμικό. Το σύστημα αυτό είναι συνδεδεμένο με ένα μέσο ψηφιοποιητών που διαθέτει σύστημα αναλογικής επεξεργασίας του σήματος. Το σήμα αυτό προέρχεται από ένα σύστημα αισθητήρων που μετατρέπουν τις εξωτερικές μετρήσιμες ποσότητες σε ηλεκτρικά σήματα. Πολλά επιστημονικά όργανα κατασκευάζονται πλέον ως αυτόνομες μονάδες με όλα τα μέρη που τα αποτελούν να βρίσκονται σε ένα «κουτί». Η διαρκής εξέλιξη στην μικροηλεκτρονική οδηγεί σε πανίσχυρους μικροεπεξεργαστές με όλο και περισσότερη ενσωματωμένη λογική και 68

73 Υπολογιστικά συστήματα στην οργανολογία επακόλουθα σε επιστημονικά όργανα πιο «συμπαγή» και με περισσότερες λειτουργίες. Οι περιορισμοί που σχετίζονταν με τη χρήση υπολογιστικών συστημάτων στην οργανολογία πολύ γρήγορα εξαφανίστηκαν λόγω της μεγάλης εξέλιξης των πληροφορικών συστημάτων (Malmstadt 1994). Η εξέλιξη αυτή ήταν ραγδαία εξαιτίας των αναγκών άλλων αγορών για την υπολογιστική ισχύ τόσο σε υλικό όσο και σε λογισμικό. Γιαυτό οι εξελίξεις στις τεχνολογίες αυτοματισμού γραφείου και ψυχαγωγίας είναι αρκετά πιο προχωρημένες από τις πιο πρόσφατες εξελίξεις στην οργανολογία. Πρέπει να αντιληφθούμε ότι δεν θα είχαμε τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ή τους μικροεπεξεργαστές που χρησιμοποιούνται στα επιστημονικά όργανά τόσο γρήγορα και σε χαμηλό κόστος, εάν δεν υπήρχε απαίτηση από τους τομείς των στρατιωτικών εξοπλισμών, των τηλεπικοινωνιών, των επιχειρήσεων και της ψυχαγωγίας. Οι επιστήμονες, μπορούν να ικανοποιήσουν την μεγάλη πλειοψηφία των υπολογιστικών αναγκών με τη χρησιμοποίηση προϊόντων που σχεδιαστήκαν πρώτιστα για την εξυπηρέτηση άλλων αγορών και να ωφεληθούν σημαντικά από την ανάπτυξη του υλικού και του λογισμικού που δεν θα είχαν αναπτυχθεί απλώς για την επιστημονική χρήση. Η διαρκή αυτοματοποίηση των σύγχρονων επιστημονικών οργάνων περιορίζει τους χειρισμούς του χρήστη απλά σε τροφοδότηση των οργάνων με δείγματα. Παλαιότερα ο βασικός κόπος στις μετρήσεις με τα επιστημονικά όργανα ήταν η λήψη των μετρήσεων διότι τα πειραματικά δεδομένα συλλέγονταν από τον χρήστη και μετά το πέρας της συλλογής τους (ή και κατά τη συλλογή τους, εφόσον η συχνότητα λήψης το επιτρέπει) μεταφέρονται στο πληροφορικό σύστημα για επεξεργασία. Στο περιβάλλον αυτό ο ρόλος του προσωπικού υπολογιστή περιοριζόταν στην επεξεργασία των δεδομένων και όχι για τον έλεγχο του πειράματος. Σε αυτό το περιβάλλον οι δυνατότητες χειρισμού και μεταφοράς μεγάλου αριθμού μετρήσεων είναι περιορισμένες και η πιθανότητα ανθρώπινου λάθους μεγάλη. Στο σύγχρονο χημικό εργαστήριο η μετάβαση από το αναλογικό σήμα στο ψηφιακό είναι γρήγορη και αυτοματοποιημένη με αποτέλεσμα να παράγονται πλέον περισσότερα δεδομένα από τις σταδιακά γρηγορότερες μετρήσεις. Έτσι εξαφανίζονται οι 69

74 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή περιορισμοί τόσο της ταχύτητας λήψης των μετρήσεων όσο και της ποιότητας. Το κυριότερο πρόβλημα που αντιμετωπίζει σήμερα ο ερευνητής είναι η επεξεργασία των μετρήσεων και η εξαγωγή σχετικών πληροφοριών από ένα μεγάλο όγκο δεδομένων που του επιτρέπει πλέον την ελαχιστοποίηση ή αφαίρεση των σφαλμάτων (Ratzlaff 1997 ). Η συλλογή των απαραίτητων πληροφοριών για τη μελέτη των συστημάτων απαιτεί από τους ερευνητές τη χρήση των μετρήσεων. Η αξιοπιστία των μετρήσεων αυτών είναι σημαντική και γιαυτό το λόγο απαιτείται να γίνονται μετρήσεις έχοντας γνώση των εργαλείων μέτρησης που χρησιμοποιούνται, της καταλληλότητας, των προδιαγραφών και των περιορισμών τους (Jurs 1997). Σήμερα τα περισσότερα επιστημονικά όργανα που είναι απαραίτητα για τις μετρήσεις είναι εμπορικά διαθέσιμα. Έτσι οι ερευνητές πρέπει να είναι ικανοί να επιλέγουν τα κατάλληλα συστήματα μέτρησης και να συναρμολογούν περιστασιακά συγκεκριμένες ηλεκτρονικές διατάξεις για τη χρήση με τους αισθητήρες. Άμεση συνέπεια τη αλλαγής του εργαστηριακού περιβάλλοντος είναι η ανάγκη αλλαγής του τρόπου εκπαίδευσης των φοιτητών. Η εξάλειψη των απαιτητικών χειρισμών των επιστημονικών οργάνων στερεί την ανάγκη εκπαίδευσης σε αυτό τον τομέα η οποία από αδράνεια παραμένει ακόμα σα στόχος στις εργαστηριακές ασκήσεις των φοιτητών (Magner 2002). Η εκτέλεση του πειράματος όπως και η λήψη των μετρήσεων καθώς και η πρώτη επεξεργασία πραγματοποιείται αυτόματα από τα σύγχρονα επιστημονικά όργανα. Σήμερα ο στόχος μιας εργαστηριακής άσκησης μετατοπίζεται στην ανάπτυξη ικανοτήτων σχεδιασμού ενός πειράματος με την επιλογή κατάλληλων διατάξεων για την εκτέλεση αυτού καθώς επίσης και στη επεξεργασία των μετρήσεων που θα ληφθούν (Megargle 1997). Η γνώση της ανατομίας των επιστημονικών οργάνων για το σχεδιασμό ενός πειράματος αποτελεί σημαντική παράμετρο στην εκπαίδευση και πρέπει να αποτελεί ένα αναπόσπαστο τμήμα της ύλης του προπτυχιακού φοιτητή ή της μεταπτυχιακής κατάρτισης, δεδομένου ότι η κατανόηση των επιλογών βοηθά: την πραγματοποίηση των κατάλληλων τα πειραμάτων 70

75 Υπολογιστικά συστήματα στην οργανολογία και την έννοια των αποτελεσμάτων και με την επέκταση γνώση όπου οι αληθινοί βέλτιστοι όροι βρίσκονται ή ακόμα και τι «η βελτιστοποίηση» σημαίνει. Η σύγχρονη εκπαίδευση έχει σα στόχο να δώσει τα κατάλληλα ερεθίσματα στους φοιτητές ώστε να αναπτύξουν την αίσθηση δυνατοτήτων που προσφέρουν τα επιστημονικά όργανα εκτός από την κατοχή βασικών γνώσεων και αρχών Χημείας(Mason 2002). Η εκπαίδευση των φοιτητών μπορεί να γίνει μέσα από μια πλατφόρμα πάνω στην οποία ο εκπαιδευτής θα δομήσει της έννοιες και τις βασικές αρχές της οργανολογίας. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να αντιμετωπισθεί τόσο το πρόβλημα της υπερφόρτωσης όσο και της χρονικής πίεσης( Ewing 1997 ). Διδάσκοντας Χημεία μπορούμε παράλληλα να δίνουμε και παραστάσεις (γενικότερες έννοιες) τεχνολογιών που ήδη χρησιμοποιούνται ( Earl 1994 ). Η πλατφόρμα αυτή πρέπει να αποτελείται από ανεξάρτητα και χωριστά λειτουργικά επιστημονικά όργανα διασυνδεμένα με υπολογιστές ενός τοπικού εργαστηριακού δικτύου. Σκοπός αυτής της δομής είναι τα βήματα και οι διαδικασίες των μετρήσεων να γίνονται όσο το δυνατό πιο εμφανή από τη μία πλευρά ώστε να μη διαφεύγουν από το πεδίο αντίληψης των φοιτητών αλλά και από την άλλη πλευρά να είναι δυνατή η «αναβάθμιση», των παραδοσιακών εργαστηριακών ασκήσεων που ήδη υπάρχουν στο πρόγραμμα σπουδών των φοιτητών μέσω της ενσωμάτωσης πληροφορικών συστημάτων σε παλαιά αναλογικά όργανα (Bowater 1995). Η επικοινωνία των αναλογικών επιστημονικών οργάνων με τον πληροφορικό κόσμο εξασφαλίζει με απλότητα την γρήγορη μετάβαση από τον αναλογικό κόσμο στον ψηφιακό. Η αρχική ιδέα της χρήση υπολογιστικών συστημάτων στην οργανολογία είναι η βελτίωση των συνθηκών του πειράματος που προσφέρει (McCathy 1996) δηλαδή οδηγεί σε: βελτίωση της αξιοπιστίας, αύξηση της απόδοσης, μείωση των κουραστικών υπολογισμών, παρουσίαση των αποτελεσμάτων σε μια πιο χρήσιμη μορφή. 71

76 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Η φυσική και διάρκεια ζωής και χρήσης των περισσότερων προσωπικών υπολογιστών υπερβαίνει κατά πολύ τη πραγματική ζωή τους λόγω παλαίωσης. Με την επαναχρησιμοποίηση αυτών των υπολογιστών μπορούμε να αντιμετωπίσουμε τη βραχυπρόθεσμη ανάγκη για την απόσυρση εκατομμύριων χρησιμοποιημένων προσωπικών υπολογιστών. Η χαμηλότερη υπολογιστική ζήτηση για χρήση στη διασύνδεση με τα επιστημονικά όργανα των αφιερωμένων απλών οργάνων είναι μια ιδανική αντιστοιχία για αυτές τις ακόμα ισχυρές μηχανές. Ακμάζων πεδίο στην οργανολογία για πολλά έτη θα είναι η δημιουργία πρόσθετου υλικού που θα παρέχει σε τέτοιους υπολογιστές μια δεύτερη σταδιοδρομία όπως τα όργανα. Το θέμα για το πόσο ευεργετική μπορεί να είναι τέτοια αυτοματοποίηση οργάνων εξαρτάται κατά ένα μεγάλο μέρος από τη δυνατότητά μας να χρησιμοποιήσουμε αποτελεσματικά τον υπολογιστή (The Journal of Chemical Education: Software). Εκτός από τις πολύ απλούστερες εφαρμογές, η αποδοτική χρήση είναι ένα θέμα λογισμικού. Η ανάπτυξη του λογισμικού που απαιτείται εξαρτάται κυρίως από την επιλογή μιας γλώσσας υπολογιστών. Ολοκληρωμένα περιβάλλοντα ανάπτυξης λογισμικού παρέχουν αξιόπιστες λύσεις για την ανάπτυξη του κατάλληλου λογισμικού. Παρολαυτά η ανάπτυξη λογισμικού για συγκεκριμένους λόγους ( custom software) είναι μια δύσκολη και επίπονη εργασία (Muyskens 1997, Roldan 1986, Faulkner 1985). Το κόστος και η δυνατότητα χρησιμοποίησης του λογισμικού θα επηρεαστούν από την τρέχουσα επέκταση του τομέα της διασύνδεσης των οργάνων με υπολογιστές για τους σκοπούς της εργαστηριακής εκπαίδευσης. Για τη διασύνδεση οργάνων με υπολογιστές έχει αναπτυχθεί και εμπορικό λογισμικό. Το κυριότερο εμπορικά διαθέσιμο λογισμικό είναι το Labview της National Instrument (Chugani 1998 ), το οποίο όμως περιορίζει της επιλογές στη χρήση καρτών διασύνδεσης της συγκεκριμένης εταιρίας(gostowski, 1996). Το λογισμικό που χρειάζεται ο χημικός για την διασύνδεση των οργάνων, με σκοπό την εργαστηριακή εκπαίδευση, δύσκολα μπορεί να αναπτυχθεί μέσω εμπορικών εταιρειών λόγω της μικρής αγοράς για τη διάθεση του καθώς επίσης και του γεγονότος ότι δεν μπορεί να υπάρξει γενίκευση, επειδή παρόλες τις ομοιότητες μεταξύ των ενόργανων συστημάτων, το καθένα έχει και μία ιδιαιτερότητα που το κάνει διαφορετικό (Moriarty, 2003). 72

77 Υπολογιστικά συστήματα στην οργανολογία 2.2 Ηλεκτρονική συλλογή δεδομένων για την προώθηση αποτελεσματικής μάθησης κατά τη διάρκεια εργαστηριακών δραστηριοτήτων. Η επικράτηση των ηλεκτρονικών υπολογιστών και η συνεχής αύξηση της υπολογιστικής ισχύος με την συνεχή μείωση της τιμής των σημαίνει ότι μπορούν να μετατραπούν σε συσκευές ηλεκτρονικής συλλογής δεδομένων και να συνδεθούν με διάφορους αισθητήρες ή συσκευές και συνεπώς να αναπαραγάγουν τη λειτουργία πολλών εργαστηριακών οργάνων (Antler, 2005). Τα πλεονεκτήματα των σύγχρονων συστημάτων συλλογής δεδομένων περιλαμβάνουν Διατάξεις που συλλέγουν ποιοτικά ερευνητικά δεδομένα χρησιμοποιώντας μια μεγάλη ποικιλία από αισθητήρες (περίπου 80 αισθητήρες είναι εμπορικά διαθέσιμοι) Λογισμικό το οποίο εύκολα χρησιμοποιείται, ευπροσάρμοστο, και περιέχει πολλούς τρόπους για το χειρισμό των δεδομένων και την οπτικοποίηση αυτών. Τα πειράματα μπορούν να σχεδιαστούν για την επίλυση πραγματικών (δηλαδή πρακτικών) προβλημάτων τα οποία υποκινούν το ενδιαφέρον των σπουδαστών. Ικανοποιητικός χρόνος κατά τη διάρκεια των πειραμάτων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους σπουδαστές για την εξερεύνηση των πειραματικών μεταβλητών καθώς και να επαναλάβουν πειράματα στην περιορισμένη εργαστηριακή περίοδο. Η χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών εμφανίστηκε στα εργαστήρια Φυσικής και Χημείας στα τέλη της δεκαετίας του 70 και η μαζική παραγωγή φθηνών συστημάτων διεπαφής στις αρχές της δεκαετίας του 80 (Vendors 2003). Γενικά τα πρώτα συστήματα ήταν ακριβά και μπορούσαν να μιμηθούν ένα όργανο. Τρέχουσες εκδόσεις συστημάτων μπορούν να συνδέονται με πάνω 73

78 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή από 80 αισθητήρες ή όργανα. Οι αισθητήρες περιλαμβάνουν αυτούς που μπορούν να ανιχνεύουν φώς ( πυκνότητα ή χρώμα), θερμότητα, κίνηση, δύναμη, πίεση και πολλά άλλα. Τα συστήματα ηλεκτρονικής συλλογής δεδομένων αποτελούνται από τον αισθητήρα (ο οποίος είναι ικανός να μετράει την ποσότητα ή την ιδιότητα), μια ηλεκτρονική διάταξη που είναι υπεύθυνη για τη μεταφορά των μετρήσεων από τον αισθητήρα, ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής ο οποίος μέσω μιας θύρας (σειριακή, παραλλήλη, USB) είναι συνδεδεμένος με την ηλεκτρονική διάταξη ο οποίος μέσω ενός λογισμικού την ελέγχει και χειρίζεται τα δεδομένα που λαμβάνει από αυτή, τέλος το λογισμικό είναι εφοδιασμένο με γραφικό περιβάλλον διεπαφής για την γραφική προβολή των μετρήσεων. Εάν ο αισθητήρας είναι ένα phμετρικό ηλεκτρόδιο το σύστημα λειτουργεί σαν phμετρο ενώ αν ο αισθητήρας είναι ένας θερμίστορας τότε το σύστημα λειτουργεί σαν θερμόμετρο. Μια απλή αλλαγή σε ένα από τους πολλούς οικονομικούς αισθητήρες παράγει και ένα διαφορετικό όργανο. Από τις αρχές τις δεκαετίας του 80 και μέχρι σήμερα υπάρχουν βιβλιογραφικές αναφορές (ChemConf93, Woo 1997,Jurs 1997) της χημικής εκπαίδευσης για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών διατάξεων και αισθητήρων καθώς και τα πειράματα η τον τρόπο ενσωμάτωσης στα προγράμματα σπουδών. 74

79 2.3 Διασύνδεση οργάνων με υπολογιστές Οι υπολογιστές έχουν εσωτερικά μονοπάτια μετάδοσης στοιχείων που ονομάζονται δίαυλοι (bus), μέσω των οποίων η μνήμη και όλες οι πηγές ή οι προορισμοί των στοιχείων συνδέονται με την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU). Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας και οι δίαυλοι στον υπολογιστή είναι ανάλογα με τον εγκέφαλο και τον νωτιαίο μυελό στο σώμα (Enke 1982). Όλα τα στοιχεία που μεταδίδονται μέσα από τους διαύλους είναι σε ψηφιακή μορφή σήματα σε μία από δύο διαθέσιμες καταστάσεις. Κάθε τέτοιο σήμα αντιπροσωπεύει 1 bit (δυαδικό ψηφίο) πληροφοριών. Συνδυασμός ν bits, αποκαλούμενα λέξη, μπορούν να κωδικοποιήσουν οποιοδήποτε ακέραιο αριθμό από 0 έως 2 ν - 1. Οι ψηφιακές λέξεις μπορούν διαβιβάζονται με την αποστολή σημάτων bit διαδοχικά σε ένα ενιαίο δίαυλο (παρουσίαση σε σειριακή μορφή) ή ταυτόχρονα σε πολλαπλάσιους διαύλους (παράλληλη μορφή). Ο δίαυλος της κεντρικής μονάδα επεξεργασίας χρησιμοποιεί παράλληλες ψηφιακές γραμμές για τα δεδομένα. Οι ψηφιακές λέξεις με τις οποίες επικοινωνεί ο ηλεκτρονικός υπολογιστής είναι παράλληλα δυαδικά ψηφιά. Τα δεδομένα διαβιβάζονται στο δίαυλο μόνο στον κατάλληλο χρόνο όπως καθορίζεται από τα σήματα ελέγχου της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας. Μια πλήρης διεπαφή πρέπει να εκπληρώνει δύο στόχους: μετατροπή των δεδομένων μεταξύ της μορφής που χρησιμοποιείται στο όργανο και της παράλληλης ψηφιακής μορφής που χρησιμοποιεί ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, τη διαχείριση της κατάλληλης μεταφοράς των παράλληλων ψηφιακών δεδομένων από και προς το δίαυλο της κεντρικής μονάδα επεξεργασίας. Τα σήματα είναι το σύνολο των τιμών που λαμβάνει μια φυσική ποσότητα όταν αυτή μεταβάλλεται με το χρόνο, το χώρο ή με κάποια άλλη ανεξάρτητη μεταβλητή ή μεταβλητές. Τα σήματα μας προσφέρουν πληροφορίες για την κατάσταση ή συμπεριφορά ενός συστήματος. Υπάρχουν δύο κατηγορίες σημάτων: 75

80 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή τα συνεχή σήματα (αναλογικά) και τα διακριτά σήματα (ψηφιακά) Τα σήματα είναι συνεχή. Επειδή όμως η σύγχρονη τεχνολογία παρέχει κατάλληλες τεχνικές (μαθηματικές μεθόδους) επεξεργασίας διακριτών σημάτων, γι αυτό μετατρέπουμε ένα συνεχές σήμα σε διακριτό με τη μέθοδο της δειγματοληψίας (Enke 1994). Τα ηλεκτρικά σήματα λαμβάνονται με τη χρήση αισθητήρων, ενώ τα μη ηλεκτρικά σήματα μετατρέπονται σε ηλεκτρικά με κατάλληλους μετατροπείς. Τα ηλεκτρικά σήματα μπορούν να τα επεξεργασθούν εύκολα, να μεταδοθούν και να αποθηκευτούν. Ακολουθεί ένα αναλογικό τμήμα επεξεργασίας με τον ενισχυτή πρώτα να δίνει την κατάλληλη ενίσχυση και με το αναλογικό φίλτρο να κάνει το κατάλληλο φιλτράρισμα, να αφαιρεί ποσοστό θορύβου και να περιορίζει το εύρος του, για να μπορέσει μετά να μετατραπεί σε ψηφιακό. O ψηφιακός μετατροπέας (ADC- Analog to Digital Converter) μετατρέπει το συνεχές (αναλογικό σήμα) σε σήμα ψηφιακό, δηλ. πλέον το σήμα αποτελείται από σειρές διακριτών αριθμών, τόσο ως προς το πλάτος όσο και ως προς το χρόνο, τους οποίους αριθμούς εύκολα μπορούν να επεξεργασθούν ψηφιακοί επεξεργαστές. Το επεξεργασμένο σήμα είναι δυνατό να μετατραπεί σε αναλογικό από ένα ψηφιακό σε αναλογικό μετατροπέα (DAC- Digital to Analog Converter) και μετά από επεξεργασία, από ένα αναλογικό φίλτρο για αφαίρεση παροδικών συνιστωσών από τον αναλογικό μετατροπέα, να παρουσιασθεί στην οθόνη του υπολογιστικού συστήματος (Enke 1982). Η διαδικασία μεταφοράς μέσω των διαύλων εκτελείται από θύρες εισόδου\ εξόδου. Η ανταλλαγή δεδομένων η αποθήκευση στο λιμένα επιτρέπει σε το για να ανταλλάξει στοιχεία με το όργανο σε πραγματικό χρόνος και με τον υπολογιστή στην εντολή από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας. Η μετατροπή από η προς ψηφιακές λέξεις απαιτεί μια αλλαγή του τρόπου κωδικοποίησης δηλαδή αλλαγή της «περιοχής» κωδικοποίησης των δεδομένων. 76

81 Υπολογιστικά συστήματα στην οργανολογία Για την άμεση εφαρμογή στην επιστημονική οργανολογία ο υπολογιστής πρέπει να είναι σε θέση να αποκτήσει τα στοιχεία από έναν ή περισσότερους αισθητήρες στο όργανο και να ελέγξει μερικές πτυχές της λειτουργίας του οργάνου. Τα κυκλώματα που παρέχουν αυτές τις βασικές συνδέσεις στην αλληλεπίδραση όργανο-υπολογιστών καλούνται διεπαφές. Ειδικότερα η επικοινωνία των επιστημονικών οργάνων με τους υπολογιστές προϋποθέτει την ικανότητα ελέγχου εισόδου εξόδου και εικόνας Στον έλεγχο της εισόδου περιλαμβάνεται η ικανότητα μετάδοση μηνυμάτων, κυρίως ελέγχου του επιστημονικού οργάνου. Κατά τη διαδικασία αυτή ψηφιακές πληροφορίες από τον υπολογιστή μετατρέπονται σε αναλογικές. Στον έλεγχο εισόδου περιλαμβάνεται η ικανότητα ανάγνωσης των μετρήσεων που παράγει το επιστημονικό όργανο από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Σε αυτή τη διαδικασία οι αναλογικές πληροφορίες που παράγουν τα επιστημονικά όργανα μετατρέπονται σε ψηφιακές. Ο έλεγχος εικόνας περιλαμβάνει τον έλεγχο της κατάστασης του επιστημονικού οργάνου. Σε αυτή τη διαδικασία η αναλογική πληροφορία της εικόνας μετατρέπεται σε ψηφιακή. 77

82 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 2.4 Τυποποιημένα πρωτόκολλα διασύνδεσης επιστημονικών οργάνων με υπολογιστικά συστήματα Η επικοινωνία των υπολογιστών με τα επιστημονικά όργανα πραγματοποιείται εύκολα με τη βοήθεια των τυποποιημένων θυρών επικοινωνίας. Η επικοινωνία μέσω των θυρών ανάλογα με τον τρόπο μετάδοσης των πληροφοριών μπορεί είναι σειριακή ή παράλληλη Κατά τη σειριακή διασύνδεση τα δεδομένα και οι εντολές διαβιβάζονται μέσω μιας γραμμής bit προς bit, ενώ κατά την παράλληλη διασύνδεση τα δεδομένα και οι εντολές διαβιβάζονται μέσω π.χ. 8 γραμμών byte προς byte. Η τυποποίηση των θυρών επικοινωνίας γίνεται μέσω της καθιέρωσης ενός πρωτόκολλου το οποίο είναι ένα σύνολο κανόνων που ορίζουν οι διεθνείς οργανισμοί τυποποίησης ( IEEE) και υλοποιούν οι διάφοροι κατασκευαστές. όπως: Κάθε τυποποιημένο πρωτόκολλο επικοινωνίας καθορίζει παραμέτρους 1. Το είδος της ηλεκτρικής ποσότητας στην οποία κωδικοποιείται η ψηφιακή πληροφορία (τάση ή ρεύμα). 2. Τα λογικά επίπεδα. Πρέπει να καθορίζονται σαφώς ποιες περιοχές του ηλεκτρικού σήματος αντιστοιχούν στο λογικό 1 και στο λογικό Την αλληλουχία bit που δηλώνει έναρξη αποστολής ενός νέου byte. 4. Την αλληλουχία των bit στο εισερχόμενο byte (π.χ. αν ξεκινά από το μικρότερης σημαντικότητας ή από το μεγαλύτερης σημαντικότητας) 5. Τον τρόπο ελέγχου σφάλματος, ιδιαίτερα απαραίτητο σε περιπτώσεις γραμμών που διέρχονται μέσω περιοχών στις οποίες αναμένονται έντονοι ηλεκτρομαγνητικοί θόρυβοι. 78

83 Υπολογιστικά συστήματα στην οργανολογία Στη συνέχεια περιγράφονται συνοπτικά τρία από τα πλέον κοινά πρωτόκολλα επικοινωνίας, τρία σειριακής διασύνδεσης (RS-232, Ethernet, Usb) και ένα παράλληλης διασύνδεσης (ΙΕΕ-1284). Λεπτομερέστερη περιγραφή των χαρακτηριστικών των πρωτοκόλλων επικοινωνίας υπάρχει στα παραρτήματα αυτού του βιβλίου Πρωτόκολλο RS-232 Είναι το παλαιότερο πρωτόκολλο σειριακής επικοινωνίας, αρχικά κατασκευασμένο για την επικοινωνία υπολογιστών μέσω τηλεφωνικών γραμμών. Αναπτύχθηκε από την EIA (Electronic Industries Association), έχει υποστεί σημαντικές αναθεωρήσεις και σήμερα συνιστάται από τον ISO (International Organization for Standardization) να περιλαμβάνεται στα σύγχρονα ψηφιακά όργανα. Τα δεδομένα διαβιβάζονται σε αλφαριθμητική μορφή (ως χαρακτήρες ASCII). Οι ταχύτητες επικοινωνίας μέσω του πρωτοκόλλου RS-232 μπορούν να ρυθμισθούν σε καθορισμένα βήματα από 110 έως baud (περίοδοι ωρολογίου ανά δευτερόλεπτο), ωστόσο όσο αυξάνει η φυσική απόσταση μεταξύ των μονάδων, τόσο ο συλλαμβανόμενος θόρυβος δημιουργεί πρόβλημα στις υψηλές ταχύτητες. Για αποτελεσματική σύνδεση στις υψηλότερες ταχύτητες η απόσταση μεταξύ των μονάδων δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από m. Περισσότερες πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο προγραμματισμού (ανάπτυξη διεπαφής) της θύρα RS232 υπάρχουν στο παράρτημα Α. 79

84 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Πρωτόκολλα παράλληλης θύρας Η θύρα αυτά είναι πιο γνωστή ως θύρα LPT.Η παράλληλη σύνδεση κατευθύνεται σε μια LPT θύρα (θύρα εκτυπωτή), όπου μεταδίδει 8bit κάθε φορά μέσω 8 ξεχωριστών καλωδίων (8 wires). Στην πράξη αυτό την κάνει 8 φορές ταχύτερη από την σειραϊκή σύνδεση η οποία χρησιμοποιεί μόνο ένα καλώδιο ( wire ) για την μετάδοση πληροφορίας ( transmit data ). Στα πρωτόκολλα επικοινωνιών, παράλληλης σύνδεσης ορίζουμε τα δεδομένα του computer (οι πληροφορίες) να σταλθούν από μια συσκευή σε μια άλλη μεταφερόμενες μέσω συρμάτινου καλωδίου αυτά τα δεδομένα γενικά στέλνονται χρησιμοποιώντας την παράλληλη θύρα ( parallel port ) με πολλά bits (συνήθως 4 ή 8 ) τα οποία στέλνονται σε ένα χρόνο, πάνω σε πολλά σύρματα (wires), γνωστή ως παράλληλη μεταφορά. Κάθε τύπος μεταφοράς έχει τα δικά του μειονεκτήματα και πλεονεκτήματα: Στην παράλληλη σύνδεση 8 bits από δεδομένα μεταφέρονται σε ένα χρόνο(8 bits δεδομένων μεταφέρονται κάθε φορά μέσω της παράλληλων θύρας του PC).Τα δεδομένα αυτά στέλνονται χρησιμοποιώντας +5 volts ή 0 volts για να αναπαραστήσουν τα bit δεδομένων 1 ή 0 αντίστοιχα. Όπως είναι αναμενόμενο, τα δεδομένα μπορούν να μεταφερθούν σημαντικά ταχύτερα με αυτό τον τρόπο σε σχέση με την σειριακή μεταφορά δεδομένων. Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι πολλά σύρματα είναι αναγκαία για την υλοποίηση του καλωδίου που χρησιμοποιείται για την σύνδεση περιφερειακών μέσω της παράλληλης θύρας. Οι περισσότερες παράλληλες θύρες μπορούν να λειτουργήσουν αξιόπιστα με καλωδιώσεις σε αποστάσεις κάτω από 6 μέτρα. Οι 3 τύποι παράλληλης θύρας σε φθίνουσα σειρά μεταφοράς δεδομένων είναι: Fast parallel port (γρήγορη παράλληλη θύρα) Bidirectional parallel port (παράλληλη θύρα αλληλοκατεύθυνσης) Unidirectional parallel port( απλή παράλληλη θύρα ). Σε αντίθεση με τις σειριακές σύνδεση η οποία βασίζεται σε chip για να κάνει την μετάδοση δεδομένων, η παράλληλη μεταφορά δεδομένων γίνεται (διαχειρίζεται) εσωτερικά μέσω Software. Περισσότερες πληροφορίες για τα 80

85 Υπολογιστικά συστήματα στην οργανολογία χαρακτηριστικά και τον τρόπο προγραμματισμού (ανάπτυξη διεπαφής) της παράλληλης θύρας υπάρχουν στο παράρτημα Α Πρωτόκολλο Ethernet Τo πιο δημοφιλές πρωτόκολλο επικοινωνιών είναι τo Ethernet (802.3) το οποίο είναι αποδεκτό από διεθνείς οργανισμούς τυποποίησης (IEEE). Η διαδικασία μετάδοσης δεδομένων σε ένα δίκτυο περιλαμβάνει: τον υπολογιστή - αφετηρία το πρωτόκολλο επικοινωνίας το μεταδότη το καλώδιο μεταφοράς το δέκτη τον υπολογιστή - προορισμό Ο υπολογιστής - αφετηρία μπορεί να είναι οποιοσδήποτε υπολογιστής του δικτύου.το πρωτόκολλο επικοινωνίας αποτελείται από ολοκληρωμένα κυκλώματα καθώς και από τα προγράμματα της κάρτας διασύνδεσης του δικτύου και είναι υπεύθυνο για τη λογική της επικοινωνίας του δικτύου. Ο μεταδότης στέλνει ηλεκτρικά σήματα μέσα από το καλώδιο. Ο δέκτης λαμβάνει τα σήματα και τα αποκωδικοποιεί για το μηχανισμό πρωτοκόλλου. Η μετάδοση ξεκινά με τον υπολογιστή που στέλνει ακατέργαστα δεδομένα (bits) στο μηχανισμό πρωτοκόλλου. Αυτός αναλαμβάνει να δημιουργήσει πλαίσια δεδομένων που περιέχουν πεδία δεδομένων, ελέγχου και της διεύθυνσης όπου θα αποσταλούν. Στη συνέχεια, μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα και προωθούνται στο δέκτη όπου πάλι ο μηχανισμός πρωτοκόλλου αναλαμβάνει να μεταβιβάσει τα δεδομένα στον υπολογιστή-προορισμό, αφού προηγουμένως ανιχνεύσει λάθη μετάδοσης και επιβεβαιώσει την ορθή λήψη, μέσω των πεδίων ελέγχου. 81

86 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Από την όλη διαδικασία, γίνεται φανερό, ότι το πρωτόκολλο επικοινωνίας ελέγχει τη λογική της επικοινωνίας του δικτύου. Κάθε τύπος πρωτοκόλλου έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, ανάλογα με τον τρόπο εγκατάστασης του δικτύου, το πλήθος των δεδομένων που μεταφέρονται, τον αριθμό των σταθμών εργασίας κλπ. Επιπλέον, το πρωτόκολλο που επιλέγεται επηρεάζει και το είδος της καλωδίωσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί.. Περισσότερες πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο προγραμματισμού (ανάπτυξη διεπαφής) της θύρας Ethernet υπάρχουν στο παράρτημα Α USB θύρα Πρόκειται για ένα πολύ γρήγορο σειριακό πρωτόκολλο επικοινωνίας. Οι προηγούμενες εκδόσεις USB, USB 1,0 και USB 1,1, έρχονται με τη δυνατότητα μεταφοράς δεδομένων μέχρι 12 Mbps. Ενώ στο πρότυπο USB 2,0 η ταχύτητα φτάνει τα 480 Mbps.H USB θύρα επιτρέπει στο υλικό να συνδεθεί χωρίς απαίτηση οδηγών εγκατάστασης με τον Η/Υ. Αυτό βοηθά στην ώθηση των έτοιμων προς χρήση περιφερειακών που συνδέονται με τη θύρα USB καθώς τα περιφερειακά κάνουν σύνδεση ή την αποσύνδεση χωρίς να χρειάζεται να κλείσει ο υπολογιστής ή εκ νέου επανεκκίνηση του συστήματος. Όποτε μια νέα συσκευή είναι συνδεμένη με τον υπολογιστή, ο Η/Υ ανιχνεύει και αναγνωρίζει τη συσκευή, φορτώνοντας αυτόματα τον οδηγό εγκατάστασης συσκευών(drivers) που χρειάζεται. Αυτό το χαρακτηριστικό γνώρισμα προσθέτει στην θύρα USB ευελιξία. Για τη σύνδεση των συσκευών με τον υπολογιστή χρησιμοποιείται ένα τετραπλό καλώδιο με μέγιστο επιτρεπόμενο μήκος πέντε μέτρα. Από τα τέσσερα αυτά καλώδια το ένα ζευγάρι καλωδίων μεταφέρει τα δεδομένα, ενώ το δεύτερο ρεύμα τάσης 5volt.. Περισσότερες πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο προγραμματισμού (ανάπτυξη διεπαφής) της USB θύρας υπάρχουν στο παράρτημα Α. 82

87 3. Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας 3.1 Δικτυακή υποδομή Για τη εκπαίδευση και διδασκαλία αυτοματοποιημένων συστημάτων είναι σημαντικό στον κλασικό χώρο του εργαστηρίου να υπάρχει διαθέσιμο ένα μικρό δίκτυο ηλεκτρονικών υπολογιστών με το οποίο είναι δυνατό να συνδέονται επιστημονικά όργανα και να γίνεται εκπαίδευση των φοιτητών σε τεχνικές απόληψης, μεταφοράς αλλά και επεξεργασίας μετρήσεων(baran 2004). Ένα δίκτυο υπολογιστών (computer network) αποτελείται από ένα σύνολο υπολογιστών που συνδέονται μεταξύ τους με ειδικές συσκευές και προγράμματα επικοινωνίας με σκοπό την επικοινωνία μεταξύ τους δηλαδή την ανταλλαγή πληροφοριών ή δεδομένων. Για τη δημιουργία ενός τέτοιου δικτύου με χαμηλό κόστος, χρησιμοποιήθηκαν υπολογιστές παλαιότερης τεχνολογίας, οι οποίοι είχαν αποσυρθεί και ήταν εκτός λειτουργίας, λόγω ανανέωσης θέσεων εργασίας του τμήματος Χημείας με υπολογιστές νεώτερης τεχνολογίας. Ειδικότερα για το δίκτυο που δημιουργήθηκε στο εργαστήριο της Φυσικοχημείας του τμήματος Χημείας του Α.Π.Θ. χρησιμοποιήθηκαν παλαιοί υπολογιστές με επεξεργαστή Pentium II 350 MHz, στους οποίους εγκαταστάθηκε λειτουργικό σύστημα Windows98se της Microsoft. Για τις ανάγκες του δικτύου στους υπολογιστές τοποθετήθηκε προσαρμογέας PCI διαύλου 10/100Mbps Fast Ethernet (κάρτα δικτύου). Όλοι οι υπολογιστές είναι εφοδιασμένοι με θύρες εισόδου εξόδου ( δύο σειριακές και μία παράλληλη) για τη δυνατότητα διασύνδεσης με επιστημονικά όργανα. Για την αύξηση της αποδοτικότητας αυτών των συστημάτων εγκαταστάθηκε επιπλέον η Java virtual machine (jre ) της Sun όπως επίσης και το Office 2000 της Microsoft. 83

88 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Εικόνα 3-1 Διάγραμμα Δικτύου Εργαστηρίου Φυσικοχημείας. Η δικτύωση ακολούθησε τη φιλοσοφία του πρότυπου Fast Ethernet. Βασική φιλοσοφία του Fast Ethernet είναι η αύξηση της ταχύτητας επικοινωνίας μεταξύ των σταθμών στα 100 Mbps και ταυτόχρονα η συμβατότηταα με τα πρότυπα καλωδίωσης, τοπολογίας, τεχνικών πρόσβασης και απόστασης του ΙΕΕΕ BASE-T. Η επιτροπή της ΙΕΕΕ προσδιόρισε τον Ιούνιο 1995 το πρότυπο 802.3u, το οποίο αποτελεί επέκταση και βελτίωση του προτύπου Το πρότυπο 802.3u καλείται Fast Ethernet. Η υλοποίηση αυτού του προτύπου (100 Base TX) έγινε συνδέοντας του υπολογιστές με ένα μεταγωγέα 16 θυρών (16 port switch Zyxell) χρησιμοποιώντας καλώδιο μη θωρακισμένο συνεστραμμένου ζεύγους. Χρησιμοποιήθηκε το πρότυπο καλωδίωσης TIA-568B με RJ 45 συνδέσμους 84

89 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε δημιουργώντας ένα δίκτυο τοπολογίας αστέρα. Η τοπολογία αστέρα τείνει να υποκαταστήσει τις περισσότερες μορφές τοπικών δικτύων. Όλοι οι σταθμοί εργασίας συνδέονται με τον κεντρικό κόμβο του αστέρα, που συνήθως είναι ένας διανομέας (Hub) ή μεταγωγέας (Switch). Ο μεταγωγέας είναι παρόμοιος με το διανομέα, με την εξαίρεση ότι εγγράφει τις διευθύνσεις IP των υπολογιστών που είναι συνδεδεμένοι σε αυτόν. Όταν λαμβάνει κάποιο μήνυμα, απλά το στέλνει στον παραλήπτη για τον οποίον προορίζεται. Οι μεταγωγείς περικόπτουν την άχρηστη διαδικτυακή κυκλοφορία και επιτρέπουν την ύπαρξη ένα προσιτό δίκτυο υψηλής απόδοσης. Έτσι η μετάδοση από οποιονδήποτε κόμβο σε κάποιον άλλο γίνεται μέσω του κεντρικού κόμβου, αν υπάρχει πρόβλημα σε οποιονδήποτε περιφερειακό κόμβο, το δίκτυο συνεχίζει ομαλά τη λειτουργία του. Το πρόβλημα δημιουργείται αν καταρρεύσει ο κεντρικός κόμβος, οπότε έχουμε πλήρη διακοπή της επικοινωνίας. 85

90 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 3.2 Επικοινωνία τοπικού δικτύου με απομακρυσμένα δικτυα Σύνδεση μέσω Internet Για την επικοινωνία του τοπικού δικτύου (LAN) με απομακρυσμένους υπολογιστές ή τοπικά δίκτυα μέσω του διαδικτύου χρησιμοποιήθηκε ο δρομολογητής Zywall 10. Εικόνα 3-2.1α Διάγραμμα σύνδεσης απομακρυσμένων χρηστών στο τοπικό δίκτυο (LAN) μέσω Internet. Ο δρομολογητής Zywall 10 είναι εφοδιασμένος με δύο θύρες Ethernet τύπου RJ45. H μία θύρα είναι για την σύνδεση με το δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN) και η άλλη θύρα για τη σύνδεση με το τοπικό δίκτυο (LAN). Ο προγραμματισμός του δρομολογητή (ZyWALL 10_3-61.pdf, 2003) μπορεί να γίνει εύκολα με τη βοήθεια του λογισμικού που προσφέρει και είναι προσβάσιμο μέσα από τον εξυπηρετητή ιστοσελίδων (web interface programming) 86

91 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε Εικόνα 3-2.1β Δρομολογητής, πύλη IP Zywall 10 της Zyxell Στην περίπτωση του δικτύου που εγκαταστήσαμε η διεύθυνση για την ευρεία περιοχή ήταν: Διεύθυνση IP Μάσκα δικτύου Προεπιλεγμένη πύλη Εξυπηρετητής DNS Εφεδρικός εξυπηρετητής DNS Ενώ για το τοπικό δίκτυο χρησιμοποιήθηκε η διεύθυνση με μάσκα δικτύου Στη συνέχεια εγκαταστάθηκε ένας DHCP εξυπηρετητής ο οποίος ήταν υπεύθυνος για τη δυναμική διευθυνσιοδότηση του τοπικού δικτύου με δυναμικές διευθύνσεις IP. 87

92 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Σύνδεση μέσω τηλεφωνικού δικτύου Απομακρυσμένοι χρήστες ή απομακρυσμένα τοπικά δίκτυα μπορούν να συνδεθούν μέσω των ISDN τηλεφωνικών γραμμών του τηλεφωνικού δικτύου στο τοπικό δίκτυο του εργαστηρίου. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού συνδέθηκε ένα ISDN modem/router (Zyxell Prestige 480) που έχει τη Εικόνα 3-2.2α Διάγραμμα σύνδεσης απομακρυσμένου χρήστη στο τοπικό δίκτυο (LAN) μέσω τηλεφωνικού δικτύου ISDN. δυνατότητα από τη μία πλευρά να συνδέεται στην τηλεφωνική γραμμή ISDN και από την άλλη πλευρά έχει εγκατασταθεί στο τοπικό δίκτυο του εργαστηρίου. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το Prestige 480 για να συνδέσουμε δύο γεωγραφικά απομακρυσμένα δίκτυα με ταχύτητες μέχρι 256Kbps χρησιμοποιώντας δύο γραμμές ISDN BRI. Ενσωματώνει στο πρωτόκολλο σύνδεσης σημείου προς σημείο το πρωτόκολλο πολλαπλών καναλιώνppp/mp (Point-to-Point Protocol/Multilink Protocol) για την ταυτόχρονη χρήση και των δύο καναλιών Β υποστηρίζοντας το πρωτόκολλο TCP/IP. 88

93 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε Το μόντεμ επιτρέπει τους απομακρυσμένους χρήστες κάνοντας κλήση μέσω Εικόνα β Πίσω όψη του Prestige 480 της Zyxell του τηλεφωνικού δικτύου να αποκτήσουν πρόσβαση στο τοπικό δίκτυο του εργαστηρίου λειτουργώντας ως υποδοχή των κλήσεων των απομακρυσμένων χρηστών προωθώντας ταυτόχρονα αίτημα στον εξυπηρετητή DHCP για απόδοση δυναμικής IP. Με την απόκτηση της IP διεύθυνσης ο απομακρυσμένος χρήστης εγγράφεται σα μέλος του δικτύου. Δύο βασικά πλεονεκτήματα που διαθέτει το Prestige 480 είναι : H αναγνώριση καλούντος CLID (Calling Line Identification) που του επιτρέπει την ταυτοποίηση του χρήστη που καλεί πριν απαντήσει στην κλήση H επανάκτηση (Call Back) που του επιτρέπει να διακόψει την κλήση του καλούντος και να τον καλέσει με την προϋπόθεση ότι πρόκειται για εξουσιοδοτημένο χρήστη. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να επιτευχθεί υψηλού επιπέδου ασφάλεια και αποφυγή σύνδεσης μη εξουσιοδοτημένων χρηστών 89

94 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Ο προγραμματισμός του Prestige 480 γίνεται με telenet μέσω της σειριακής θύρας. Για το σκοπό αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί το πρόγραμμα των windows Hyperterminal (P-480_2.pdf, 2001). 3.3 Έλεγχος εικόνας Σύλληψη εικόνας Η σύλληψη της εικόνας έγινε με τη χρήση της αναλογικής κάμερας Sony EVI- D31 (EVID30.pdf, 2003) που προσφέρει τις παρακάτω δυνατότητες : Εικόνα 3-3.1α Κάμερα PTZ Sony EVI-D31 Επεξεργασία εικόνας υψηλής τεχνολογίας που επιτρέπει να αναγνωρίζονται αντικείμενα στόχοι. Λειτουργία επιτρέπει στη κεφαλή της κάμερας να στρέφεται αυτόματα και να ακολουθεί τις κινήσεις του προκαθορισμένου εγκλωβισμένου αντικειμένου/στόχου. Ελέγχει αυτόματα το zoom του φακού και διασφαλίζει το μέγεθος του αντικειμένου/στόχου να παραμένει σταθερό. Ανίχνευση κίνησης. Ο χρήστης μπορεί να καθορίσει δυο (2) παράθυρα οποιουδήποτε μεγέθους. Μόλις σε αυτά τα δυο προεπιλεγμένα παράθυρα ανιχνευθεί κίνηση, ένα προειδοποιητικό σήμα φθάνει στην έξοδο, και για παράδειγμα μπορεί να δώσει την εντολή σε ένα βίντεο να αρχίσει την εγγραφή. Δυνατότητα ελέγχου και από υπολογιστή με το πρωτόκολλο VISCA (Video System Control Architecture). Ο έλεγχος επιτυγχάνεται με τη 90

95 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε σύνδεση της κάμερας με τη βοήθεια του καλωδίου VISCA στη σειριακή θύρα RS232 του υπολογιστή. Εικόνα 3-3.1β Καλωδίο σύνδεσης κάμερας με τη σειριακή θύρα Η/Υ μέσω πρωτοκόλλου VISCA Μετάδοση εικόνας Η μετάδοση της εικόνας μέσω του δικτύου μπορεί να γίνει με την βοήθεια εξυπηρετητών εικονοροών. Οι εξυπηρετητές αυτοί είναι είτε έτοιμα εμπορικά συστήματα όπως το σύστημα MGW 2000e ή ισχυροί προσωπικοί υπολογιστές με κάρτες ψηφιοποίησης της αναλογικής εικόνας (encoders) καθώς και κατάλληλο υλικό για τη δημιουργία και την αποστολή των εικονοροών (streaming). Για τη μετάδοση εικόνας χρησιμοποιήθηκαν: ένας εξυπηρετητής εικονοροοών (streaming server) MGW 2000e (MGW Εικόνα Εξυπηρετητής εικονοροών Optibase MGW 2000e 91

96 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 2000 UMG5830 User Manual.pdf, 2003) που κωδικοποιούσε και την εικόνα στην μορφή Mpeg 2 και δημιουργούσε εικονοροές για την αποστολή τους μέσω δικτύου. Οι εικονοροές μπορούσαν να προβληθούν στα τερματικά του δικτύου με τη βοήθεια του QuickTime player. Προσωπικός ηλεκτρονικός υπολογιστής τύπου Pentium 4 διπλού πυρήνα (Dual Core) με μνήμη 6 Gb, κάρτα γραφικών NVidia 6800GT με λειτουργικό Windows XP professional. Στο τυπικό αυτό σύστημα προστέθηκε η κάρτα Winnov 1000plus για την κωδικοποίηση της εικόνας μέσω υλικού. Η δημιουργία και μετάδοση των εικονοροών έγινε με τη χρήση του λογισμικού Real Producer της εταιρείας Real Networks. Η δυνατότητα πρόσβασης στις εικονοροές επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ενός εξυπηρετητή (server) ο οποίος είναι ένας υπολογιστής με λειτουργικό σύστημα windows server 2003 στον οποίο έχει επιπλέον εγκατασταθεί ο Helix Server. Ο Helix Server είναι η τελευταία έκδοση της πλατφόρμας της Real Networks για τη μετάδοση πολυμέσων. Υποστηρίζει πολλά διαφορετικά πρότυπα βίντεο με αποτέλεσμα να μη δεσμεύει το χρήστη σε κάποια συγκεκριμένη τεχνολογία. Επιπλέον, υποστηρίζει τη μετάδοση με «καθαρό» multicast το οποίο δίνει τη δυνατότητα εξυπηρέτησης απεριόριστου αριθμού χρηστών, κάτι που δεν ήταν δυνατό μέχρι τώρα και οδηγεί σε σημαντική εξοικονόμηση του εύρους της μετάδοσης (bandwidth). 92

97 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε 3.4 Προσπέλαση σειριακών συνδέσεων Η πρόσβασή των προσωπικών υπολογιστών στις πειραματικές μετρήσεις μπορεί να γίνει μέσω της σειριακής θύρας που διαθέτουν. Το πρόβλημα είναι ότι τα παλαιά αναλογικά όργανα δεν διαθέτουν σειριακή θύρα για τη διασύνδεση τους με τους προσωπικούς υπολογιστές.για τη δρομολόγηση των μετρήσεων των επιστημονικών οργάνων στους προσωπικούς υπολογιστές μπορεί να χρησιμοποιηθεί σα γέφυρα ένα ψηφιακό πολύμετρο χαμηλού κόστους με σειριακή έξοδο. Στη παρούσα διαμόρφωση χρησιμοποιήθηκε το Metex ME 21 που ουσιαστικά λειτουργεί σαν μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Εικόνα:3-4α Το πολύμετρο Metex ME-21 και οι συνδέσεις του. Με αυτό τον τρόπο ταυτόχρονα επιτυγχάνεται η αναλυτική επίδειξη της σειριακής επικοινωνίας. Μια άλλη λύση είναι η χρήση κάρτας εισόδου εξόδου αναλογικών σημάτων που συχνά χρησιμοποιείται για τη σύνδεση των οργάνων με τους υπολογιστές Η κάρτα αυτή τοποθετείται σε κάποιο δίαυλο στο εσωτερικό του προσωπικού υπολογιστή και γιαυτό το λόγο παρουσιάζει διδακτικά το μειονέκτημα να μην είναι εμφανή τα στάδια που μεσολαβούν για τη μετάδοση του σήματος. Το δεύτερο μειονέκτημα είναι ότι με τη χρήση της κάρτας δεν εισάγεται διακριτά η έννοια της σειριακής επικοινωνίας δηλαδή η 93

98 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό καθώς και η σειριακή επικοινωνία φαίνεται ότι πραγματοποιούνται σε ένα στάδιο.. Το πολύμετρο που χρησιμοποιείται είναι εφοδιασμένο με θύρα σειριακή συμβατή με το πρότυπο RS232 έτσι μπορεί να παίξει το ρόλο του μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Η συσκευή αυτή μπορεί να συνδεθεί με την αναλογική έξοδο του οργάνου (π.χ. φασματοφωτομέτρο spectronic 20) από τη μια πλευρά και από την άλλη πλευρά με τη σειριακή του έξοδο, μπορεί να συνδεθεί με τη σειριακή θύρα του υπολογιστή. Εικόνα:3-4β Συνδεσμολογία του πολυμέτρου Metex ME-21 Για να μπορέσουν να επικοινωνήσουν οι σειριακές θύρες μεταξύ τους και να είναι επιτυχής η μετάδοση της πληροφορίας, θα πρέπει να συντονιστούν αποκτώντας τις ιδανικές ρυθμίσεις. Τα χαρακτηριστικά της σειριακής επικοινωνίας που πρέπει να ρυθμιστούν στην πλευρά του υπολογιστή είναι : ο ρυθμός μετάδοσης διαμορφωμένου σήματος (BaudRate) ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων για την παράσταση ενός χαρακτήρα (DataBits ) 94

99 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε το δυαδικό ψηφίο ισοτιμίας (Parity bit) και ο αριθμός των Stop Bits. Επειδή το πολύμετρο που χρησιμοποιήθηκε (Metex ME 21) δεν χρησιμοποιεί έλεγχο ροής πρέπει το RTS (Request To Send ) να είναι απενεργοποιημένο. Η ρύθμιση των παραμέτρων της σειριακής επικοινωνίας στο περιβάλλον των windows μπορεί να γίνει μέσα από το παράθυρο διαχείρισης συσκευών που μπορεί να προσεγγιστεί από το μενού έναρξη (start) επιλέγοντας ρυθμίσεις (settings) και στη συνέχεια πίνακας ελέγχου (control panel) και τέλος μέσα από Εικόνα:3-4γ της Microsoft Παράθυρο Διαχείρισης Συσκευών των Windows το παράθυρο που ανοίγει επιλογή της διαχείρισης συσκευών. Στη συνέχεια στο παράθυρο της διαχείρισης συσκευών εντοπίζουμε και επιλέγουμε τη Θύρα επικοινωνιών (COM) η οποία είναι συνδεδεμένη με το πολύμετρο. Τέλος στο παράθυρο ρυθμίσεων που εμφανίζεται επιλέγουμε τις κατάλληλες τιμές για την επικοινωνία με το πολύμετρο 95

100 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Εικόνα: 3-4δ Παράθυρο Ρύθμισης των Ιδιοτήτων των θυρών επικοινωνιών των Windows της Microsoft Οι τιμές παραμέτρων για τη σύνδεση με το πολύμετρο Metex ME 21 φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. BaudRate 2400 DataBits 7 bit ASCII Parity None StopBits 2 Τα δεδομένα αποστέλονται από το Metex με τη μορφή πακέτου που αποτελείται από 14 byte. Το τελευταίο byte είναι ο χαρακτήρας (CR) ο οποίος λειτουργεί σαν χαρακτήρας τερματισμού. Η εφαρμογή συλλέγει τα δεδομένα από το πολύμετρο διαβάζοντας διαδοχικά το ένα byte μετά το άλλο και χρησιμοποιεί το χαρακτήρα τερματισμού σαν χαρακτήρα τέλους του κειμένου που αντιπροσωπεύει την εκάστοτε μέτρηση. Για την αποστολή των τιμών από το πολύμετρο ο υπολογιστής πρέπει να στείλει αρχικά τον χαρακτήρα «D» ο οποίος λειτουργεί σαν εντολή ενεργοποίησης της αποστολής του πακέτου των 14 byte. Η επιλογή πολυμέτρου αντί κάρτας A/D έγινε με το σκεπτικό ότι τα 96

101 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε μέρη της διαδικασίας πρέπει να είναι όσο το δυνατό διακριτά για να μην δίνει το περιβάλλον την εικόνα του «μαύρου κουτιού» που παράγει τιμές. Επίσης το κόστος είναι σημαντικά χαμηλότερο ( Miller 2004). 97

102 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 3.5 Γλώσσες προγραμματισμού ανάπτυξη λογισμικού Παρόλο που πολλές από τις προγραμματιστικές απαιτήσεις στη Χημεία μπορούν να καλυφθούν από τις εμπορικές εφαρμογές, για τη διασύνδεση των εργαστηριακών οργάνων με τους υπολογιστές πρέπει να αναγνωρίσουμε ότι μπορεί να απαιτηθεί κάποια μορφή προγραμματισμού (Ratzlaff, K). Οι απαραίτητες δεξιότητες προγραμματισμού μπορούν να μαθευτούν ανεξάρτητα ή μέσω της εργασίας. Στη συνέχεια αναπτύσσονται οι προγραμματιστικές προσεγγίσεις που ακολουθήθηκαν για την ανάπτυξη των απαραίτητων εφαρμογών για την Γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic 6.0 Η γλώσσα προγραμματισμού (VB), μέλος της ομάδας προγραμμάτων του Εικόνα Προγραμματιστικό περιβάλλον της Visual Basic 98

103 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε πακέτου Visual Studio της Microsoft, είναι μια σχετικά εύκολη γλώσσα, όσο αφορά την εκμάθηση,αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού. Σχεδιάστηκε για τη γρήγορη υλοποίηση σχετικά μικρών και όχι ιδιαίτερα πολύπλοκων προγραμμάτων (Petroutsos 1998). Η Visual Basic είναι μια πολύ διαδεδομένη γλώσσα και ως εκ τούτου στο Internet υπάρχουν πολύ καλά διδακτικά βοηθήματα αλλά και πληθώρα παραδειγμάτων και οδηγιών για την υλοποίηση εφαρμογών ( Eidahl 1999 ). Με την εισαγωγή του αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού οδηγηθήκαμε σε μια λειτουργία προγραμμάτων καθοδηγούμενων από γεγονότα (event driven ) δηλαδή για την εκτέλεση οποιασδήποτε λειτουργίας από την πλευρά της εφαρμογής πρέπει να συμβεί ένα γεγονός(halvorson 1998). Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το περιβάλλον εργασίας της Visual Basic. Το περιβάλλον αυτό είναι διαιρεμένο σε υποπεριοχές και κάθε μια από αυτές έχει ένα συγκεκριμένο ρόλο στην υποβοήθηση του προγραμματιστή για τη σύνταξη ενός ολοκληρωμένου προγράμματος Γλώσσα προγραμματισμού Java Ως γλώσσα προγραμματισμού χρησιμοποιούμε την Java. Πρόκειται για μία γλώσσα που επιλέχθηκε κατά κύριο λόγο για την φορητότητά της. Η Java προσφέρει το πλεονέκτημα εκτέλεσης των προγραμμάτων της στις πιο σημαντικές πλατφόρμες εξοπλισμού καθώς και στα πιο σημαντικά λειτουργικά συστήματα χωρίς να χρειάζεται επαναμεταγλώττιση. Αυτό επιτυγχάνεται με την δημιουργία οδηγιών ψηφιακού κώδικα που δεν εξαρτάται από συγκεκριμένες αρχιτεκτονικές συστημάτων. Η Java είναι μία γλώσσα που μεταγλωττίζεται αλλά και μεταφράζεται. Ο μεταγλωττισμένος κώδικας της Java εκτελείται από ένα σύστημα πραγματικού χρόνου εκτέλεσης. Το σύστημα αυτό εκτελεί όλες τις κανονικές λειτουργίες ενός πραγματικού επεξεργαστή, αλλά το κάνει σε ένα ασφαλές, εικονικό περιβάλλον, «τρέχοντας» μία ακολουθία εντολών βασισμένη στις οδηγίες του προγράμματος και διαχειριζόμενο τη μνήμη του υπολογιστή όπως ένα λειτουργικό σύστημα. Δημιουργεί και χειρίζεται τους αρχικούς τύπους 99

104 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή μεταβλητών καθώς και τις τιμές τους και μπορεί να καλεί νεότερα τμήματα κώδικα. Για τον λόγο αυτόν, ένα πρόγραμμα που γράφεται στην Java μπορεί να τρέξει στα Windows, Unix, Linux κλπ. εφόσον υπάρχει σε αυτά εγκαταστημένη μία πλατφόρμα Java εκτέλεσης πραγματικού χρόνου. Γενικά, οι μεταφραστές (interpreters) θεωρούνται αργοί στην εκτέλεση αλλά η Java δεν είναι μία μεταφρασμένη γλώσσα με συμβατικά χαρακτηριστικά. Επιπρόσθετα, από την μεταγλώττιση του πηγαίου κώδικα μέχρι τον φορητό ψηφιακό κώδικα, η Java έχει και ένα εξαιρετικά καλά σχεδιασμένο σύστημα εκτέλεσης πραγματικού χρόνου. Το σύστημα αυτό, μπορεί επίσης να βελτιστοποιεί την απόδοσή του μεταγλωττίζοντας με την σειρά του τον ψηφιακό κώδικα της Java σε γλώσσα μηχανής για το σύστημα στο οποίο λειτουργεί, την στιγμή που ο κώδικας αυτός εκτελείται. Αυτό επιτυγχάνεται με μετατροπή του ψηφιακού κώδικα σε γλώσσα μηχανής, εναποθήκευση των αποτελεσμάτων και δυνατότητα επανάκλησής του κατά απαίτηση. Η λειτουργία αυτή ονομάζεται δυναμική μεταγλώττιση ( dynamic compilation ) ή just-in-time ( JIT). Με την JIT μεταγλώττιση, ο κώδικας της Java εκτελείται πολύ γρήγορα σαν να επρόκειτο για γλώσσα μηχανής διατηρώντας ταυτόχρονα την μεταφερσιμότητα και την ασφάλειά του. Στις ακαδημαϊκές κοινότητες υπάρχει μια ποικιλία υπολογιστών και λειτουργικών συστημάτων. Με την υπάρχουσα κατάσταση στα υπολογιστικά περιβάλλοντα, η χρήση ανεξάρτητων πλατφορμών αυξάνει πολύ την ικανότητα εκμετάλλευσης των πόρων ανάπτυξης στην παγκόσμια ακαδημαϊκή κοινότητα. Επίσης, η εκμετάλλευση πόρων κώδικα που είχαν γραφτεί για συγκεκριμένες πλατφόρμες γίνονται πλέον εφικτή για τους προγραμματιστές. Το πλεονέκτημα της επαναχρησιμοποίησης παλαιότερου κώδικα μέσα σε κώδικα επίλυσης σύγχρονων προβλημάτων έχει μία σημαντική επίπτωση στην εξοικονόμηση χρόνου ανάπτυξης κάθε νέας εφαρμογής. Χρησιμοποιώντας την Java ως εργαλείο ανάπτυξης, θα πρέπει να γνωρίζουμε τον τεράστιο πλούτο του ανοικτού λογισμικού ανάπτυξης που είναι διαθέσιμο προς χρήση. Στην διεύθυνση μπορούμε να 100

105 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε βρούμε ένα δικτυακό τόπο εστιασμένο στην Java με μια πληθώρα ελεύθερων προγραμμάτων. Μπορούμε να κατεβάσουμε την έκδοση 1.4 της Java από την θέση download. html Για να έχουμε την δυνατότητα να γράψουμε τα δικά μας προγράμματα σε Java, να τα μεταγλωττίσουμε και να τα εκτελέσουμε, πρέπει να κατεβάσουμε και το SDK (Software Developers Kit). Αν απλά θέλουμε να εκτελέσουμε ένα πρόγραμμα της Java που έχει ήδη μεταγλωττιστεί, τότε χρειάζεται μόνο να κατεβάσουμε το JRE (Java Runtime Environment) από την διεύθυνση : Αναλόγως με αυτό που χρειαζόμαστε, κατεβάζουμε είτε το SDK είτε το JRE, επιλέγοντας την έκδοση που είναι ποιο κατάλληλη για το λειτουργικό μας σύστημα. Ένα ακόμη πλεονέκτημα της χρήσης της Java για την ανάπτυξη των προγραμμάτων μας είναι το κόστος. Η αγορά των προγραμμάτων ανάπτυξης λογισμικού είναι δαπανηρή. Η Java διατίθεται ελεύθερα, χωρίς περιορισμούς για χρήση από συγκεκριμένο αριθμό χρηστών. Υπάρχει μια πληθώρα από ελεύθερα, ολοκληρωμένα περιβάλλοντα ανάπτυξης (IDEs) καθώς και επεξεργαστές κειμένου. Για τις δικές μας ανάγκες έχουμε επιλέξει το JDeveloper της Oracle ( μπορούμε να την κατεβάσουμε από την διεύθυνση της Oracle Technology Network) διότι είναι ελεύθερο και υποστηρίζεται πλήρως για σχεδιασμό, ανάπτυξη, αποσφαλματοποίηση, βελτιστοποίηση και επέκταση των Java εφαρμογών και υπηρεσιών διαδικτύου. 101

106 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Εικόνα Προγραμματιστικό περιβάλλον JDeveloper για τη Java Ένα ακόμη περιβάλλον ανάπτυξης, είναι το βραβευμένο Java Studio Enterprise της Sun αλλά προϋποθέτει την εγγραφή μας ως μέλος στο Sun Developer Network (SDN). Περισσότερες πληροφορίες για το πώς μπορούμε να αποκτήσουμε ένα ελεύθερο αντίγραφο, μπορούμε να βρούμε στην διεύθυνση : promo/freetools/index.html 102

107 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε 3.6 Βιβλιογραφία Antler, M., Salin E., Grazyna W. V., Teaching Data Acquisition, J. Chem. Educ. 2005, 82, 425. Baran, J., Curie,R., Kennepohl, D., Remote Instrumentation for the Teaching Laboratory, J. Chem. Educ. 2004, 81, Chugani, M. L., Samant, A. R., Cerna, M. "LabVIEW Signal Processing, Prentice Hall PTR, New Jersey, Codding, E. G Talanta 28(7B), Derenzo, S. E. Interfacing: A Laboratory Approach Using the Microcomputer for Instrumentation, Data Analysis and Control; Prentice- Hall: London, Durick, M. A. The Study of Chemistry by Guided Inquiry Method Using Microcomputer-Based Laboratories, J. Chem. Educ. 2001, 78, 574 Eidahl, L. D., Using Visual Basic 6 QUE corporation, 1999 Enke C. G., Anal. Chem A (1971). Enke, C. G. Computers in Scientific Instrumentation, Science, New Series, Vol. 215, No (1982), pp Gostowski, R. J. Chem. Educ. 1996, 73, Halvorson, M., Step by Step (Microsoft Visual Basic 6.0) Microsoft Press He, P., Faulkner, J. Chem. Inf. Comput. Sci.,1985, 25, Hirschfeld T., Callis J., Kowalski B., Science 226, 312 (1984). Horlick G., Recent advances in microprocessors for analytical chemistry, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 305, (1982),

108 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Manual%20PDF.zip (τελευταία πρόσβαση 22/02/2008) 480_2.pdf (τελευταία πρόσβαση 22/02/2008) WALL 10_3-61.pdf (τελευταία πρόσβαση 22/02/2008) (τελευταία πρόσβαση 22/02/2008) Malcolme-Lawes, D. J. : Microcomputers and Laboratory Instrumentation, 2nd Ed. Plenum Press,New York, Malmstadt H. V., Enke C. G., Crouch S. R., Electronics and Instrumentation for Scientist (Benjamin/Cummings, Palo Alto, Calif., 1981). Malmstadt, H. V., Enke, C. G., Crouch, S. R. : Microcomputers and Electronic Instrumentation: Making the Right Connections, American Chemical Society, Washington, DC, Malmstadt, H. V., Enke, C. G., Crouch, S. R., Horlick, G. : Electronic Measurements for Scientists,W. A. Benjamin, Inc., New York, Moriarty, P. J.; Gallagher, B. L.; Mellor, C. J.; Baines, R. R.,Am. J. Phys. 2003, 71, Mustafa, M. A. Microcomputer Interfacing and Applications, 2nd edition; Newnes: Oxford, Muyskens, M., J. Chem. Educ. 1997, (7), 850 Petroutsos, E., Visual Basic 6, Sybex, Ratzlaff, K. L. : Introduction to Computer-Assisted Experimentation, J. Wiley and Sons, New York,

109 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε Roldan, M. D., Arjona, D., Computers and Chemistry, 1986, 10, (3), 187. Devon, A. C., Initial Design and Development of an Integrated Laboratory Network: A New Approach for the Use of Instrumentation in the Undergraduate Curriculum, J. Chem. Educ. 2004, 81, Mason, D. S. J. Chem. Educ. 2002, 79, 537. Magner, J. T., Chadwich, J. E., Chickering, J., Collins, C.,Su, T., Villarba, M. J. Chem. Educ. 2002, 79, Megargle, R. "Training the Practicing Chemist" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education; Zielinski, T.J.; Swift, M.L., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC; 1997,Chapter 3. ChemConf93: Ratzlaff, K., "A Framework for the Teaching of Computer/Instrument Interfacing" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education; Zielinski, T.J.; Swift, M.L., Eds; American Chemical Society: Washington, DC; 1997 Chapter 11. Swift, M.L.; Zielinski, T.J. "What Chemists (or Chemistry Students) Need to Know About Computing," J. Sci. Ed. and Tech. 1995, 4, 171. Jurs, P.C. "Beyond the Basics: What Chemistry Students Need to Know About Computing" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education, Zielinski, T.J.; Swift, M.L., Eds; American Chemical Society: Washington, DC; 1997, Chapter 8. Ewing, M.S.; "Computing & Communications in Chemistry Education" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education; Zielinski, T.J.; Swift, M.L.; Eds.; American Chemical Society: Washington, DC; 1997, Chapter 5. An IEA Study of Science III: Changes in Science Education and Achievement: ; Keeves, J. P. Ed.; Pergamon: New York, vol

110 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Bork, A. "Guest Editorial: Why Has the Computer Failed in Schools and Universities?" J. Sci. Ed. and Tech. 1995, 4, 97. The Journal of Chemical Education: Software: Brown, J.S., and Duguid, P. "Universities in the Digital Age" Change 1996, 28, 11. Earl, B.L.; Emerson, D.W.; Johnson, B.J.; Titus, R.L.; "Teaching Practical Computer Skills to Chemistry Majors," J. Chem. Educ. 1994, 71, Bowater, I. C.; McWilliam, I.G.; Wong, M.G.; "Producing Computer-Literate Chemists" J. Chem. Educ. 1995, 72, 31. Hehre, W.J.; Huang, W. W. Chemistry With Computation: An Introduction to Spartan; Wavefunction: Irvine, CA, Hehre, W. J.; Burke, L. D.; Shusterman, A. J.; Pietro, W. J. Experiments in Computational Organic Chemistry; Wavefunction: Irvine, CA, Atkinson, D.E. "Spreadsheets for Doing and Teaching Chemistry" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education; Zielinski, T.J.; Swift, M.L., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC; 1997,Chapter 9. Rappaport, K.D. "Statistical Methods in Chemistry: Why and How They Should be Integrated into the Curriculum" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education; Zielinski, T.J.; Swift, M.L., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC; 1997 Chapter 12. Woo, N. "Industrial Considerations-Information Technology and Its Effect on Corporate Culture" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education; Zielinski, T.J.; and Swift, M.L., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC;1997, Chapter 4. Miller, L.S,. Nakhleh, M.B, Nash, J.J.,. Meyer, J.A,J. Chem. Ed. 81 (2004)

111 Ανάπτυξη υποδομών εργαστηριακής εκπαίδευσης με τη χρήση Τ.Π.Ε Stout, R.; Towns M. H.; Sauder, D.; Zielinski, T. J.; Long, G. "Cooperative Learning On-Line In Physical Chemistry," Chem. Educator 2(1): S (97) Avail. URL: Hehre, W. "Electronic Structure Theory: Next Generation Models for Organic Chemists" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education, Zielinski, T.J.; Swift, M.L.; Eds.; American Chemical Society: Washington, DC; Chapter 15. Northrup, S.H.; "Molecular Graphics and Simulation of Proteins and Nucleic Acids" In Using Computers in Chemistry and Chemical Education, Zielinski, T.J.; Swift, M.L., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC; Chapter

112 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 108

113 4. Πειραματικές δραστηριότητες 4.1 Γενικά Οι φοιτητές πρέπει από νωρίς να αποκτήσουν παραστάσεις από όργανα που ελέγχονται από υπολογιστικά συστήματα ώστε να μάθουν τις δυνατότητες και τη χρήση των υπολογιστικών συστημάτων μέσα στο εργαστήριο. Δεν μπορούμε να περιμένουμε από τους φοιτητές να είναι δημιουργικοί εάν από την αρχή ακόμα δεν επιτευχθεί ένα πλούσιο σε παραστάσεις και καλά κατανοητό εννοιολογικό υπόβαθρο. Η τεχνολογίες της πληροφορικής και της επικοινωνίας μας προμηθεύουν τα μέσα για να δώσουμε στους φοιτητές από νωρίς την εικόνα της διασύνδεσης των επιστημονικών οργάνων με τα υπολογιστικά συστήματα. Χωρίς αυτά θα ήταν δύσκολο αν όχι αδύνατο να επιτευχθεί χωρίς απεριόριστη χρηματοδότηση για την αγορά σύγχρονων εμπορικών οργάνων. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στους φοιτητές να εκτιμήσουν τον τρόπο με τον οποίο ένα υπολογιστικό σύστημα μπορεί να ελέγχει και να βελτιώνει την αξιοπιστία των χημικών αναλύσεων όπως και να επικεντρώνεται περισσότερο στην ανάλυση των δεδομένων. Παρόλο που τα επιστημονικά όργανα είναι ολοκληρωμένα δηλαδή εμπεριέχουν τη υπολογιστική μονάδα και οι περισσότερες διεργασίες γίνονται εσωτερικά εντός του οργάνου, καλός χημικός είναι αυτός που κατανοεί τη λειτουργία του οργάνου και μπορεί να το χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά. Oπως είπε και ο Megaragle «είναι ανθυγιεινή και ενοχλητική κατάσταση όταν βλέπεις ότι οι χημικοί αντιμετωπίζουν τα επιστημονικά όργανα σα μαγικά κουτιά που με κάποιο τρόπο δίνουν απαντήσεις». Οι φοιτητές δεν μπορούν να αποκτήσουν ρεαλιστική εμπειρία από τα ερευνητικά επιστημονικά όργανα τα οποία είναι πολύ ακριβά για να χρησιμοποιηθούν για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Καθώς νεότερα μοντέλα σταδιακά αντικαθιστούν τα παλαιά αναλογικά επιστημονικά όργανα ερευνητικού τύπου, αυτά συνήθως εγκαταλείπονται. Οι υπολογιστές σε αυτές τις 109

114 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή περιπτώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναλύσουν δεδομένα τα οποία έχουν λάβει απευθείας από αυτά τα όργανα. Η διασύνδεση των οργάνων αυτών με ένα τοπικό δίκτυο μπορεί να δημιουργήσει ένα κατάλληλο περιβάλλον για την εργαστηριακή εκπαίδευση των φοιτητών. Φυσικά όπως έχουμε ήδη αναφέρει τα σύγχρονα επιστημονικά όργανα έχουν πολύ καλύτερες δυνατότητες αλλά οι φοιτητές πρέπει να πάρουν μια εικόνα το τι μπορεί γενικά να επιτευχθεί με την πληροφορική τεχνολογία στο χημικό εργαστήριο. Οι φοιτητές που γενικά θεωρούν τα σύγχρονα επιστημονικά όργανα σαν πολύπλοκες διατάξεις, θα μπορέσουν να αντιμετωπίσουν τα όργανα σα συνδυασμό από χρήσιμα συστατικά που χρειάζονται για να εκτελέσουν μια συγκεκριμένη εργασία. Επιπρόσθετα αυτή η προσέγγιση μας δίνει τη δυνατότητα να διδάξουμε: πως ένα αναλογικό όργανο μεταμορφώνει μια μετρήσιμη φυσική ποσότητα σε ηλεκτρικό σήμα, τη διαδικασία μετατροπής ψηφιακού σήματος σε αναλογικό τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να διασυνδεθεί ένα αναλογικό επιστημονικό όργανο με τον κόσμο των ψηφιακών υπολογιστικών συστημάτων. την επεξεργασία των ψηφιακών δεδομένων και πως τα προγράμματα των υπολογιστικών συστημάτων πραγματοποιούν πολύπλοκους υπολογισμούς που απαιτούνται για την εξαγωγή πληροφοριών από μια σειρά πειραματικών δεδομένων. Η βασική ιδέα είναι ότι η διασύνδεση των επιστημονικών οργάνων με τα υπολογιστικά συστήματα πρέπει να αποτελεί εσωτερικό κομμάτι του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών μια εφικτή προσέγγιση που μελετάται είναι ο «εκσυγχρονισμός» των κλασικών εργαστηριακών ασκήσεων που ήδη αποτελούν μέρος του ισχύοντος προγράμματος σπουδών Αυτές οι εργαστηριακές ασκήσεις είναι δοκιμασμένες σε σχέση με τις έννοιες και τις δεξιότητες βασικής χημείας που προσφέρουν επίσης οι εκπαιδευτές είναι αρκετά εξοικειωμένοι με αυτές τις ασκήσεις με αποτέλεσμα να έχουν να αντιμετωπίσουν μόνο τη δυσκολία της εισαγωγής μιας σημαντικής καινοτομίας που όμως δεν αλλάζει ριζικά όλη τη δομή της άσκησης. 110

115 Πειραματικές δραστηριότητες Με βάση την παραπάνω ανάλυση μελετήθηκαν τρείς περιπτώσεις εντεταγμένες σε εργαστηριακές ασκήσεις που ήδη χρησιμοποιούνται για την εκπαίδευση των φοιτητών. Στην πρώτη περίπτωση που πρόκειται για μια άσκηση φασματοφωτομετρίας το επιστημονικό όργανο (φασματοφωτόμετρο) διαθέτει αναλογική έξοδο και την χρησιμοποιούμε για τη διασύνδεση με το υπολογιστικό σύστημα για τη λήψη των μετρήσεων. Στη δεύτερη περίπτωση της αγωγιμομετρίας το επιστημονικό όργανο δεν διαθέτει αναλογική έξοδο και τα δεδομένα μεταφέρονται στους φοιτητές μέσω εικόνας και ταυτόχρονα οι φοιτητές εκτελούν απομακρυσμένους χειρισμούς για τον έλεγχο του πειράματος. Στην τρίτη περίπτωση χρησιμοποιείται ένας αισθητήρας (phμετρική κυψέλη) ο οποίος διασυνδέεται με το υπολογιστικό σύστημα για τη λήψη των μετρήσεων ενώ ταυτόχρονα υπάρχει δυνατότητα απομακρυσμένου χειρισμού της πειραματικής διαδικασίας. Για τη μεταφορά της εικόνας έγινε συγκριτική μελέτη μεταξύ δύο συστημάτων που ουσιαστικά διαφέρουν στον τρόπο που κωδικοποίησης της εικόνας. Το πρώτο σύστημα που χρησιμοποιήθηκε είναι ο εξυπηρετητής εικονοροών MGW 2000e της Optibase που κωδικοποιεί την εικόνα συμφωνά με το πρωτόκολλο MPEG 2. Το δεύτερο σύστημα πρόκειται για ένα κατάλληλα διαμορφωμένο προσωπικό υπολογιστή που χρησιμοποιεί για την κωδικοποίηση το λογισμικό real producer της real networks που κωδικοποιεί την εικόνα σύμφωνα με το πρωτόκολλο MPEG 4. Συνοπτικά αναφέρουμε ότι η ποιότητα των εικονοροών που παράγεται με χρήση του MPEG 2 είναι σαφώς καλύτερη αλλά μεταφορά με ικανοποιητική ταχύτητα μπορεί να επιτευχθεί μόνο εντός του πανεπιστημιακού δικτύου, λόγω του μεγάλου όγκου δεδομένων που παράγονται εξαιτίας της χαμηλότερης συμπίεσης σχετικά με το πρωτόκολλο MPEG 4. Εικονοροές που κωδικοποιούνται με το πρωτόκολλο MPEG 4 μπορούν να μεταφερθούν με 111

116 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή ικανοποιητική ευκρίνεια και ταχύτητα ακόμα και σε ταχύτητες δικτύων των 128Kbs. 112

117 Πειραματικές δραστηριότητες 4.2 Δημιουργία μαθησιακού περιβάλλοντος για τη διδασκαλία εισαγωγικών εννοιών απόληψης (Data acquisition) μεταφοράς και επεξεργασίας πειραματικών δεδομένων Στην πρώτη περίπτωση μελετούμε τη δυνατότητα δημιουργίας ενός εκπαιδευτικού περιβάλλοντος το οποίο θα υποστηρίζεται από παλαιά επιστημονικά όργανα που διαθέτουν αναλογική έξοδο διασυνδεδεμένα με συστήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών. Σύμφωνα με την ανάλυση που προηγήθηκε στο θεωρητικό μέρος ο περιορισμένος χρόνος ανάπτυξης επιπλέον ασκήσεων και η αδυναμία αύξησης του γνωστικού φορτίου των φοιτητών Χημείας οδηγεί στην προσπάθεια εκσυγχρονισμού των εργαστηριακών ασκήσεων σχεδιάζοντας ανάπτυξη τεχνικής απόληψης μεταφοράς και επεξεργασίας ψηφιακών δεδομένων με τη χρήση τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνίας (ΤΠΕ). Για το λόγο αυτό η τεχνική αυτή ενσωματώθηκε σε μια κλασσική άσκηση φασματοφωτομετρικής παρακολούθησης κινητικής χημικής αντίδρασης που διδάσκεται στα πλαίσια του εργαστηριακού μαθήματος της Φυσικοχημείας στους δευτεροετείς φοιτητές του τμήματος Χημείας του ΑΠΘ `Περιγραφή περιβάλλοντος Ένα σύγχρονο περιβάλλον μετρήσεων έχει τη δυνατότητα να διαχειρίζεται (λήψη και επεξεργασία) τεράστιο όγκο μετρήσεων που δεν μπορούμε να τα επεξεργαστούμε με το χέρι. Η αυτοματοποίηση των διαδικασιών προσφέρει ακρίβεια στη μέτρηση, ταχύτητα στη λήψη καθώς και ευκολία στη μεταφορά και την επεξεργασία των μετρήσεων. Οι φοιτητές πρέπει να κατανοούν το πώς και το γιατί οποιασδήποτε λειτουργίας πραγματοποιείται σε ένα χημικό εργαστήριο πριν μπορέσουν να εργασθούν μέσα σε αυτό σωστά. Η αίσθηση των φοιτητών ότι εκπαιδεύονται σε ένα σύγχρονο περιβάλλον αυξάνει το ενδιαφέρον τους για τις εργαστηριακές ασκήσεις με αποτέλεσμα να αυξάνει και η απόδοση τους(ajzen και Fishbein 1980, Fishbein και Azjen 1975). Πέρα από τις Χημικές 113

118 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή αρχές που διδάσκονται οι φοιτητές στις κλασικές εργαστηριακές ασκήσεις πρέπει να είναι σε θέση να κατανοούν τις σύγχρονες ενόργανες μεθόδους(lunetta 1998). Ένα από τα προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπισθεί από το σχεδιασμό είναι ο κίνδυνος να αντιμετωπισθεί από τους φοιτητές σαν «μαύρο κουτί» που συλλέγει και επεξεργάζεται τιμές μη κατανοώντας τη διαδικασία (Miller 2004 ). Οι διαδικασίες αυτοματοποίησης διεργασιών πρέπει να παρουσιάζονται σε όσο γίνεται εμφανή και διακριτά στάδια. Το χαρακτηριστικό του περιβάλλοντος είναι ότι υπάρχει μεγάλος αριθμός εννοιών διαφορετικής φύσης που πρέπει να αφομοιωθούν από τους φοιτητές. Η ενσωμάτωση των νέων εννοιών θα πρέπει να προσεχθεί ιδιαίτερα να μην προκαλέσει υπερφόρτωση της βραχυπρόθεσμης μνήμης. Το παραπάνω πρόβλημα έρχεται να ενισχυθεί από το γεγονός ότι οι γνώσεις των φοιτητών σε ψηφιακή λήψη δεδομένων αλλά και το χειρισμό Η/Υ είναι περιορισμένη. Γιαυτο το λόγο η εισαγωγή των φοιτητών σε έννοιες αυτοματοποιημένων μεθόδων πρέπει να γίνει σε ένα όσο το δυνατό ποιο απλοποιημένο περιβάλλον. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί ώστε οι μεταδιδόμενες πληροφορίες να προσαρμοσθούν στις ήδη υπάρχουσες γνώσεις ή παραστάσεις των φοιτητών για να επιτευχθεί η εσωτερίκευση τους δηλαδή να παραχθεί γνώση και να μην παραμείνουν ασύνδετες πληροφορίες. Με τι διδασκαλία στοχεύουμε στη δημιουργία συνθηκών μάθησης που αποσκοπεί πρωταρχικά στη διαμόρφωση, από τους φοιτητές, ενός συνολικού ή δομικού πλαισίου γύρω από τη διαδικασία απόληψης, μεταφοράς και επεξεργασίας των πειραματικών δεδομένων. Μακροπρόθεσμα στοχεύει στη δημιουργία ερεθίσματος ώστε ανάλογα με το βαθμό κατανόησης (ενεργητική προσέγγιση) να συμπληρώσουν με λεπτομέρειες τα επιμέρους στοιχεία. Για το σκοπό αυτό η παρουσίαση του διδακτικού υλικού θα ακολουθήσει το παθητικό μοντέλο της προγραμματισμένης μάθησης προσφέροντας μια γραμμική ακολουθία η οποία διευκολύνει την αναγνώριση των υποκειμενικών σχέσεων. Η αποκαλυπτική μάθηση επιτρέπει ελευθερία σε σχέση με τον τρόπο προσπέλασης για την αφομοίωση του υλικού και είναι πολύ εύκολο όταν δεν υπάρχει το απαραίτητο υπόβαθρο γνώσης να οδηγήσει σε σύγχυση. Το 114

119 Πειραματικές δραστηριότητες δεύτερο στάδιο της συμπλήρωσης με λεπτομέρειες των επιμέρους στοιχείων μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας τεχνικές αποκαλυπτικής μάθησης. Η εισαγωγή γίνεται με τη μορφή επίδειξης στοχεύοντας στην κατανόηση των βασικών σταδίων της διαδικασίας απόληψης, μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό σειριακή μεταφορά σε υπολογιστικά συστήματα,διαδικασίες χειρισμού τιμών (μεταφορά,αποθήκευση) και τέλος επεξεργασία. Ταυτόχρονα με την επίδειξη γίνεται χρήση ηλεκτρονικής παρουσίασης των βημάτων που ακολουθούνται με σκοπό την οπτική καταγραφή εννοιών και διαδικασιών Στόχοι του εκπαιδευτικού πειράματος Μέσα στο εκπαιδευτικό περιβάλλον που δημιουργήσαμε έχουμε σα στόχο τη μελέτη του βαθμού ετοιμότητας των φοιτητών για την αποδοχή της τεχνολογίας που αναπτύχθηκε. της αντίληψης των φοιτητών για την πρόθεση χρήσης του διαμορφωμένου εκπαιδευτικού περιβάλλοντος Μεθοδολογία Η προσαρμοσμένη εργαστηριακή άσκηση χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της στάσης των φοιτητών στην ανάπτυξη αυτοματοποιημένων συνθηκών για την απόληψη και μεταφορά των δεδομένων μέσα σε μια παραδοσιακή εργαστηριακή άσκηση όπου όλες οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν μέσα από χειροκίνητες διαδικασίες. Η στάση των φοιτητών προσδιορίζεται από την αποδοχή του περιβάλλοντος. Ο στόχος της εισαγωγής πληροφορικών συστημάτων είναι η βελτίωση ενός υπάρχοντος συστήματος. Σύμφωνα με το μοντέλο αποδοχής της τεχνολογίας (technology acceptance model, TAM) (Davis, 1989; Davis, Bagozzi, & Warshaw, 1989) η αποδοχή του εκπαιδευόμενου είναι σημαντικός παράγοντας που καθορίζει την επιτυχία η την 115

120 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή αποτυχία μιας εφαρμογής που βασίζεται σε πληροφορικά συστήματα. Στο μοντέλο αυτό δύο άξονες προσδιορίζουν τη στάση και την συμπεριφορά των φοιτητών στη χρήση ενός εκπαιδευτικού περιβάλλοντος υποβοηθούμενο από πληροφορικά συστήματα. αντιλαμβανόμενη χρηστικότητα και αντιλαμβανόμενη ευκολία χειρισμού Μέσα σε αυτό το πλαίσιο η χρηστικότητα ορίζεται ως η υποκειμενική πιθανότητα αύξησης της απόδοσης του φοιτητή σε κάποιο μάθημα. Ενώ η ευκολία χειρισμού αναφέρεται στο βαθμό στον οποίο οι φοιτητές αναμένουν το τροποποιημένο περιβάλλον να είναι ελεύθερο επιπλέον γνωστικού φορτίου. Για την εκτενέστερη μελέτη της αποδοχής στο μοντέλο αυτό προστέθηκε και η παράμετρος της ετοιμότητας για τη χρήση της τεχνολογίας η οποία αποτελεί καθοριστικό παράγοντα προσδιορισμού αποδοχής ή μη της τεχνολογίας ανεξάρτητα από την καταλληλότητα του περιβάλλοντος (Venkatesh, 1999). Δηλαδή φοιτητές οι οποίοι δεν κατέχουν στοιχειώδεις γνώσεις γύρω από τα υπολογιστικά συστήματα δεν είναι δυνατό να περιμένουμε ότι θα αποδεχθούν το τεχνολογικό περιβάλλον. Όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία (Goh και Kinshuk 2004 ) η ετοιμότητα που έχει ένα άτομο απέναντι στη χρήση της τεχνολογίας καθορίζεται από τους παράγοντες: κατοχή ηλεκτρονικού υπολογιστή, παρακολούθηση προγραμμάτων εκπαίδευσης, ικανότητα χρήσης κοινών προγραμμάτων και εξειδικευμένος χειρισμός εξοπλισμού. 116

121 Πειραματικές δραστηριότητες Υποδομή - υλικά Δικτυακή υποδομή Για τη εκπαίδευση και διδασκαλία αυτοματοποιημένων συστημάτων χρησιμοποιήθηκε το δίκτυο των υπολογιστών που εγκαταστάθηκε στην αίθουσα εργαστηριών της Φυσικοχημείας του ΑΠΘ. Χρήση πολύμετρου Metex ME-21 σαν μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Οι περισσότερες εργαστηριακές αναλύσεις γίνονται με όργανα που ελέγχονται από υπολογιστές που είναι ενσωματωμένοι με αυτά και χρησιμοποιούν λογισμικό που παρέχεται από τον κατασκευαστή του οργάνου. Σε αυτές τις διατάξεις συνήθως υπάρχουν έξοδοι κυρίως σειριακές για τη μεταφορά των δεδομένων και πολλές φορές τον απομακρυσμένο χειρισμό. Για την αναλυτική επίδειξη της σειριακής επικοινωνίας χρησιμοποιήθηκε ένα απλό πολύμετρο χαμηλού κόστους με σειριακή έξοδο. Η χρήση κάρτας εισόδου εξόδου αναλογικών σημάτων που συχνά χρησιμοποιείται για τη σύνδεση των οργάνων με τους υπολογιστές παρουσιάζει διδακτικά το μειονέκτημα ότι βρίσκεται μέσα στον υπολογιστή με αποτέλεσμα να μην είναι εμφανή τα στάδια που μεσολαβούν για τη μετάδοση του σήματος. Το δεύτερο μειονέκτημα είναι οτι με τη χρήση της κάρτας δεν εισάγεται διακριτά η έννοια της σειριακής επικοινωνίας. Το πολύμετρο που χρησιμοποιείται είναι εφοδιασμένο με θύρα σειριακή συμβατή με το πρότυπο RS232 έτσι μπορεί να παίξει το ρόλο του μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Η συσκευή αυτή μπορεί να συνδεθεί με την αναλογική έξοδο του φασματοφωτομέτρου από τη μια πλευρά και με τη σειριακή του έξοδο με τη σειριακή θύρα του υπολογιστή από την άλλη πλευρά. Για να μπορέσουν να επικοινωνήσουν οι σειριακές θύρες μεταξύ τους και να είναι επιτυχής η μετάδοση της πληροφορίας, θα πρέπει να συντονιστούν αποκτώντας τις ιδανικές ρυθμίσεις. Τα χαρακτηριστικά της σειριακής επικοινωνίας που πρέπει να ρυθμιστούν στην πλευρά του υπολογιστή είναι ο 117

122 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή ρυθμός μετάδοσης διαμορφωμένου σήματος (BaudRate) ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων για την παράσταση ενός χαρακτήρα (DataBits )το δυαδικό ψηφίο ισοτιμίας (Parity bit) και τον αριθμό των Stop Bits. Επειδή το συγκεκριμένο πολύμετρο δεν χρησιμοποιεί έλεγχο ροής πρέπει το (Request To Send )RTS να είναι απενεργοποιημένο. Για τη ρύθμιση των παραμέτρων της σειριακής επικοινωνίας αναπτύχθηκε ξεχωριστή κλάση γίνεται μέσα από το πρόγραμμα του εξυπηρετητή. Επιλέγοντας το υπομενού Select του μενού Ports εμφανίζεται το παράθυρο ρύθμισης των παραμέτρων Είκονα 4-2.4α Εικόνίδιο ρύθμισης της σειριακής θύρας Τιμές παραμέτρων για τη σύνδεση με το πολύμετρο ο Metex ME 21 BaudRate 2400 DataBits 7 bit ASCII Parity None StopBits 2 Τα δεδομένα αποστέλονται από το Metex με τη μορφή πακέτου που αποτελείται από 14 byte. Το τελευταίο byte είναι ο χαρακτήρας (CR) ο οποίος λειτουργεί σαν χαρακτήρας τερματισμού. Η εφαρμογή συλλέγει τα δεδομένα από το πολύμετρο διαβάζοντας διαδοχικά το ένα byte μετά το άλλο και χρησιμοποιεί το χαρακτήρα τερματισμού σαν χαρακτήρα τέλους, του κειμένου που αντιπροσωπεύει την εκάστοτε μέτρηση. Για την αποστολή των τιμών από το πολύμετρο ο υπολογιστής πρέπει να στείλει αρχικά τον χαρακτήραα «D» ο οποίος λειτουργεί σαν εντολή ενεργοποίησης της αποστολής του πακέτου των 14 byte. Η επιλογή πολυμέτρου αντί κάρτας A/D έγινε με το σκεπτικό ότι τα μέρη της διαδικασίας πρέπει να είναι όσο το δυνατό διακριτά για να μην δίνει το 118

123 Πειραματικές δραστηριότητες περιβάλλον την εικόνα του «μαύρου κουτιού» που παράγει τιμές. Επίσης το κόστος είναι σημαντικά χαμηλότερο. 119

124 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Φασματοφωτόμετρο Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της σχετικής έντασης μονοχρωματικής ακτινοβολίας, η οποία διαπερνά ένα υλικό, σε συνάρτηση με το μήκος κύματος είναι τα φασματοφωτόμετρα. Τα βασικά τμήματα από τα οποία αποτελείται ένα φασματοφωτόμετρο είναι ο μονοχρωμάτορας και η φωτοδίοδος. Με ειδική διάταξη απομονώνεται η ακτινοβολία με το επιθυμητό μήκος κύματος και κατευθύνεται προς λεπτή σχισμή. Στη συνέχεια η μονοχρωματική δέσμη διέρχεται από το προς εξέταση δείγμα και προσπίπτει στη φωτοδίοδο. Το παραγόμενο ρεύμα ενισχύεται και η ένταση του μετρείται με κατάλληλη διάταξη. Εικόνα: β Σύνδεση Specronic 20 με υπολογιστικό σύστημα μέσω του πολυμέτρου Metex Για την άσκηση χρησιμοποιήθηκε ένα φασματοφωτόμετρο spectronic 20. Το φασματοφωτόμετρο spectronic 20 ανήκει στην κατηγορία των φασματοφωτομέτρων απλής δέσμης. Λειτουργεί στη φασματική περιοχή από 340 nm ως 950 nm. Στην περιοχή του φάσματος μεταξύ 340 nm και 600 nm το όργανο 120

125 Πειραματικές δραστηριότητες έχει πλήρη απόδοση. Από τα 600 nm ως τα 950 nm για να είναι οι ενδείξεις αξιόπιστες πρέπει να αλλαχθεί η φωτοδίοδος και να τοποθετηθεί ειδικό φίλτρο. Η αναλογική έξοδος που βρίσκεται στο κάτω μέρος του οργάνου συνδέθηκε με το πολύμετρο Υποδομή σε λογισμικό Για την επίτευξη των προσδοκώμενων αποτελεσμάτων τα εκπαιδευτικά εργαλεία πρέπει να προσαρμόζονται απόλυτα στις ειδικές συνθήκες της εκπαιδευτικής δράσης.η κατασκευή ή η ανακατασκευή των εκπαιδευτικών εργαλείων είναι απαραίτητη, έτσι για τους σκοπούς της άσκησης αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό χρησιμοποιώντας τεχνολογία που επιτρέπει τόσο την τροποποίηση όσο και την επαναχρησιμοποίηση αυτού. Λογισμικό απόληψης, μεταφοράς και αποθήκευσης μετρήσεων Για την ανάπτυξη του προγράμματος χρησιμοποιήθηκε η τεχνολογία Java και βασίστηκε στη δυνατότητα που προσφέρει η Java σε σχέση με την επαναχρησιμοποίηση του κώδικα που οδηγεί σε εξοικονόμηση χρόνου. Η αρχιτεκτονική της εφαρμογής αποτελεί ένα υβριδικό μοντέλο p2p το οποίο ανήκει στη γενικότερη κατηγορία της αρχιτεκτονικής πελάτη-εξυπηρετητή. Έτσι η εφαρμογή αποτελείται από δύο προγράμματα, ένα εκτελείται σε κάποιο υπολογιστή που παίζει το ρόλο του εξυπηρετητή και ένα άλλο εκτελείται στους υπόλοιπους υπολογιστές που έχουν το ρόλο του πελάτη. Ειδικότερα σε αυτή την εφαρμογή ο ρόλος του εξυπηρετητή περιορίζεται στο να είναι ενήμερος ποιοι χρήστες είναι συνδεδεμένοι καταγράφοντας τους σε μια λίστα και στην αναμετάδοση των δεδομένων που λαμβάνει στους συνδεδεμένους χρήστες. Το πρόγραμμα πελάτης λειτουργεί τόσο σαν αποδέκτης δεδομένων όσο και σαν αποστολέας δεδομένων στην περίπτωση που έχει συνδεθεί μέσω της σειριακής θύρας με κάποιο όργανο και λαμβάνει τις μετρήσεις. 121

126 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Πρόγραμμα Εξυπηρετητή Το πρόγραμμα αυτό είναι εφαρμογή κονσόλας, δηλαδή δεν έχει γραφικό περιβάλλον διεπαφής με το χρήστη και εγκαθίσταται σαν υπηρεσία (service) στον υπολογιστή. Ο εξυπηρετητής βασικά λειτουργεί σαν πύλη, σημείο συνάντησης. Το πρόγραμμα λαμβάνει δεδομένα από τον πελάτη που είναι φυσικά συνδεδεμένος με το όργανο μέτρησης και τα προωθεί προς τους υπόλοιπους χρήστες που είναι συνδεδεμένοι για την παρακολούθηση της μέτρησης. Ο κώδικας που εκτελείται στον εξυπηρετητή είναι υπεύθυνος για να δέχεται συνδέσεις από τους απομακρυσμένους χρήστες και να δημιουργεί λογισμικές θύρες (sockets) για την τόσο για την λήψη όσο και για την προώθηση των δεδομένων. Η ταυτόχρονη σύνδεση πολλαπλών χρηστών στον εξυπηρετητή μπορεί να γίνει ρυθμίζοντας τον εξυπηρετητή ως non-blocking. Η ρύθμιση επιτυγχάνεται με τη χρήση του πακέτου java.nio ( ). 122

127 Πειραματικές δραστηριότητες Το πρόγραμμα εξυπηρετητή περιέχει τις ακόλουθες κλάσεις LabServer.class: Η κλάση αυτή είναι το σημείο έναρξης της εφαρμογής του εξυπηρετητή. Στην κλάση αυτή γίνεται η αρχικοποίηση όλων των κλάσεων που αποτελούν την εφαρμογή του εξυπηρετητή. Στον κώδικα της κλάσης αυτής η μέθοδος main() UAServer_Socket.class: Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία και καταχώρηση της λογισμικής θύρας (socket) που είναι υπεύθυνη για την εκπομπή δεδομένων σε όλους τους τελικούς χρήστες που είναι συνδεδεμένοι. Msgbroadcast.class: Η κλάση αυτή υλοποιεί την εκπομπή των δεδομένων που έχει λάβει από κάποιο υπολογιστή ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το επιστημονικό όργανο σε όλους τους υπόλοιπους χρήστες που έχουν συνδεθεί στην εφαρμογή. SocketCallback.class: Η κλάση αυτή χρησιμοποιεί τις λογισμικές θύρες (sockets) για να επικοινωνήσει με τον υπολογιστή, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το όργανο, και να παραλάβει τα δεδομένα. AppendUserList.class: η κλάση αυτή χρησιμοποιείται για την καταχώρηση όλων των ονομάτων των χρηστών που είναι συνδεδεμένοι με την εφαρμογή. 123

128 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Σχήμα 4-2.5α UML διάγραμμα εφαρμογής εξυπηρετητή 124

129 Πειραματικές δραστηριότητες 125

130 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Πρόγραμμα Πελάτη Το πρόγραμμα πελάτη αποτελεί το γραφικό περιβάλλον διεπαφής με τον χρήστη. Μόλις το πρόγραμμα ξεκινά ο χρήστης πρέπει να συμπληρώσει στο φόρμα που εμφανίζεται τη διεύθυνση του εξυπηρετητή στον οποίο θέλει να συνδεθεί το όνομα του και ένα κωδικό. Πατώντας το κουμπί Connect το πρόγραμμα συνδέεται με τον εξυπηρετητή και εμφανίζεται το βασικό παράθυρο του προγράμματος. Αυτό το κομμάτι της εφαρμογής εμπεριέχει όλες τις δραστηριότητες και λειτουργεί με δύο τρόπους : Μπορεί να συνδεθεί με το όργανο μέσω της σειριακής θύρας αφού πιο πριν ρυθμίσει τις παραμέτρους λειτουργίας της θύρας. Στέλνοντας περιοδικά χαρακτήρες έλεγχου μπορεί να λαμβάνει από το όργανο δεδομένα και να τα μεταδίδει στον εξυπηρετητή. Σε περίπτωση που δεν υπάρχει φυσική σύνδεση με το όργανο μπορεί να λειτούργει σαν αποδέκτης δεδομένων που μεταδίδονται με τη βοήθεια του εξυπηρετητή. Και στις δύο περιπτώσεις το γραφικό περιβάλλον διεπαφής είναι το ίδιο. 126

131 Πειραματικές δραστηριότητες Το γραφικό περιβάλλον διεπαφής αποτελείται από τα κουμπιά έλεγχου για τη σύνδεση και τον συντονισμό με τη σειριακή θύρα, την αποσύνδεση καθώς και του καθορισμού του ρυθμού δειγματοληψίας. Μεσα από αυτό το περιβάλλον μπορεί ο χρήστης τόσο να εκκινεί όσο και να σταματά τη δειγματοληψία όπως επίσης και να επανεκκινεί τη διαδικασία. Τα δεδομένα και ο χρόνος παρουσιάζονται προοδευτικά σε μορφή πίνακα και ταυτόχρονα γίνεται και γραφική αναπαράσταση των τιμών σε ένα δυναμικό διάγραμμα Για την εμφάνιση του διαγράμματος χρησιμοποιήθηκε το JFreeChart, μια ελεύθερη βιβλιοθήκη γραφικών παραστάσεων για την πλατφόρμα της Java(tm).Η βιβλιοθήκη JFreeChart διανέμεται με τον πλήρη κώδικα με τους όρους ελεύθερου λογισμικού GNU ( General Public License ) Τέλος τα δεδομένα μπορούν να αποθηκευθούν και να εισαχθούν σε υπλογιστικό φύλλο εργασίας ( Microsoft Excel ή Open Office) για περαιτέρω επεξεργασία. Το πρόγραμμα πελάτη περιέχει τις ακόλουθες κλάσεις. 127

132 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή LabLogin.class: η κλάση αυτή αποτελεί τη βασική κλάση της εφαρμογής. Δημιουργεί το παράθυρο εισόδου στην εφαρμογή όπου ο χρήστης πρέπει να δηλώσει ένα αναγνωριστικό όνομα και ένα συνθηματικό. Το επόμενο βήμα της κλάσης είναι η αρχικοποίηση της κλάσης LabClient δημιουργώντας ένα ομότυπο αυτής. LabClient.class: Η κλάση αυτή δημιουργεί το περιβάλλον διεπαφής της εφαρμογής. Το παράθυρο του περιβάλλοντος διεπαφής περιέχει την περιοχή που φιλοξενεί τα εισερχόμενα δεδομένα είτε απευθείας από το πολύμετρο εάν υπάρχει φυσικά συνδεδεμένο με τον υπολογιστή είτε από το δίκτυο. Σε αυτό το πράθυρο υπάρχει η περιοχή του δυναμικού διγράμματος σττην οποία αναπαριστώνται γραφικά τα δεδομένα των πειραματικών μετρήσεων. Επίσης σε υτό το παραθυρο περιέχοντσι ο λα τα κουμπια που αφορούν τη σλυνδεση και τον την παραμετροποίηση της σειριακής θύρας, της ρύθμισης της ταχύτητας δειγματοληψίας όπως τόσο της εκκίησης όσο και του τερματισμού της δειγματοληψίας. Τέλος το παράθυρο αυτό δίνει τη δυνατότητα της αποθήκευσης των λαμβανόμενων τιμών σαν αρχείο κειμένου τοπικά στο δίσκο του ηλεκτρονικού υπολογιστή. GetSerialData : Με την κλάση αυτή μπορούμε να στέλνουμε χαρακτήρες ελέγχου στην σειριακή θύρα που έχουμε ανοίξει ώστε να λαμβάνουμε δεδομένα και να τα προωθούμε για παρουσίαση και εκπομπή στους υπολογιστές του δικτύου. CClient.class: Υλοποιεί τις μεθόδους που δηλώνονται ή καλούνται στην εφαρμογή πελάτη. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για τη σύνδεση του πελάτη με τον εξυπηρετητή. Messager.class: Στην κλάση αυτή ορίζεται μια μέθοδος με την οποία γράφονται μυνήματα και δεδομένα στο παράθυρο διεπαφής του προγράμματος εξυπηρετητή. 128

133 Πειραματικές δραστηριότητες Σχήμα 4-2.5β UML διάγραμμα εφαρμογής πελάτη 129

134 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Συμμετέχοντες Στη διαδικασία πήραν μέρος: δέκα μεταπτυχιακοί φοιτητές του μεταπτυχιακού προγράμματος Διδακτική της Χημείας και Νέες Εκπαιδευτικές Τεχνολογίες (ΔιΧηΝΕΤ) οι οποίοι είχαν διδακτική πείρα και καλή γνώση στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων με σκοπό την αξιολόγηση του εκπαιδευτικού πειράματος. δύο τμήματα των εργαστηριακών ασκήσεων Φυσικοχημείας που αποτελούνται συνολικά από 40 περίπου προπτυχιακούς φοιτητές 4 ου εξαμήνου του τμήματος Χημείας του ΑΠΘ. Η κατανομή των φοιτητών στα τμήματα είναι τυχαία. Θα επιλεχθούν τμήματα διαφορετικής ημέρας με μία εβδομάδα διαφορά Διαδικασίες Αρχικά μετά την ολοκλήρωση του περιβάλλοντος και πριν την εκτέλεση του εκπαιδευτικού πειράματος έγινε επίδειξη στους μεταπτυχιακούς φοιτητές του ΔιΧηΝΕΤ με σκοπό την αξιολόγηση από αυτούς της εκπαιδευτικής καταλληλότητας τόσο του λογισμικού όσο της ιδέας της ενσωμάτωσης των τεχνικών απόληψης και επεξεργασίας μετρήσεων με τη χρήση υπολογιστικών συστημάτων στη μαθησιακή διαδικασία. Για την αξιολόγηση της καταλληλότητας του εκπαιδευτικού λογισμικού στο τέλος της επίδειξης οι εκπαιδευτικοί απάντησαν σε ερωτηματολόγια. 130

135 Πειραματικές δραστηριότητες Μετά την προγραμματισμένη παράδοση της θεωρίας της άσκησης και του τρόπου υλοποίησης όσο αφορά την παρασκευή των διαλυμάτων που θα χρησιμοποιηθούν ακολούθησε η ανάπτυξη της διαδικασίας λήψης και επεξεργασίας των μετρήσεων με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή συνδεδεμένου σε φασματοφωτόμετρο. Αναλυτικότερα παρουσιάστηκαν τα βασικά βήματα της μέτρησης στο συγκεκριμένο πείραμα. Στη συνέχεια παρουσιάστηκε ο τρόπος μεταφοράς των δεδομένων από το επιστημονικό όργανο στο ηλεκτρονικό υπολογιστή, η παραπέρα μεταφορά μέσω δικτύου ηλεκτρονικών υπολογιστών. Τέλος παρουσιάστηκαν οι δυνατοτητές αποθήκευσης αλλα και επεξεργασίας των μετρήσεων με τη βοήθεια λογιστικών φύλλων ( Excel, Open Office). Η παρουσίαση έγινε με τη βοήθεια του Powerpoint και τη χρήση προτζέκτορα. Οι διαδικασία παρουσιάστηκε σε βήματα 131

136 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Το πρώτο βήμα ήταν η συλλογή της πληροφορίας από τους διάφορους αισθητήρες που στο συγκεκριμένο πείραμα το ρόλο αυτό παίζει το παλαιό αναλογικό όργανο (φασματοφωτόμετρο). Στη συνέχεια το επόμενο βήμα είναι η μεταφορά της μέτρησης από την αναλογική έξοδο του επιστημονικού όργανου Η μεταφορά αυτή γίνεται είτε μέσω απλού καλωδίου και οδηγείται στη συσκευή ψηφιοποίησης (πολύμετρο Metex Me21). Το ψηφιοποιημένο σήμα από τη σειριακή έξοδο της συσκευής ψηφιοποίησης μεταδίδεται σειριακά στον ηλεκτρονικό υπολογιστή για παραπέρα μετάδοση, επεξεργασία ή αποθήκευση. 132

137 Πειραματικές δραστηριότητες Μετά την ολοκλήρωση της παρουσίασης γίνεται επίδειξη του τρόπου λειτουργίας και της χρήσης του λογισμικού στους φοιτητές. Οι φοιτητές χωρίζονται σε ομάδες των δυο ατόμων για την πρακτική άσκηση. Μια ομάδα φοιτητών με την επίβλεψη του εκπαιδευτή αναλαμβάνει τη λήψη των μετρήσεων με τη βοήθεια του υπολογιστικού συστήματος. Οι υπόλοιπες ομάδες ακολουθούν την παραδοσιακή διαδικασία της λήψης των μετρήσεων από την οπτικά από την ένδειξη του οργάνου με τη βοήθεια χρονομέτρου. Όλες οι ομάδες των φοιτητών έχουν ηλεκτρονικό υπολογιστή συνδεδεμένο στο τοπικό δίκτυο του εργαστηρίου και μέσω αυτών παρακολουθούν από τη ίδια εφαρμογή την εξέλιξη των μετρήσεων με τη βοήθεια του υπολογιστικού συστήματος. Με την ολοκλήρωση της πειραματικής διαδικασίας όλες οι ομάδες των φοιτητών έχουν ψηφιακές μετρήσεις στους υπολογιστές τους. Ο εκπαιδευτής στη 133

138 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή συνέχεια βήμα βήμα καθοδηγεί τους φοιτητές στην επεξεργασία των μετρήσεων και την εξαγωγή του τελικού αποτελέσματος. Με την ολοκλήρωση του εργαστηρίου μοιράζονται στους φοιτητές ερωτηματολόγια για να την αξιολόγηση της διαδικασίας Μετρήσεις Οι μετρήσεις των μεταβλητών έγιναν με τη χρήση ερωτηματολογίου που περιείχε ερωτήσεις κλειστού τύπου. Ο άξονας της μεταβλητής που αναφέρεται στην εμπειρία στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων μπορεί να εκτιμηθεί με τη χρήση των παρακάτω ερωτήσεων Ερωτήσεις Ναι Όχι 1. Έχετε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο σπίτι σας ; 2. Έχετε παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; 3. Έχετε παρακολουθήσει μαθήματα προγραμματισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; Ερωτήσεις τακτικής κλίμακας (πολύ συχνά, συχνά, περιστασιακά, ποτέ) 4. Χρησιμοποιείτε προγράμματα επεξεργασίας κειμένου για την προετοιμασία των εργασιών; 5. Χρησιμοποιείτε το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ως μορφή επικοινωνίας; 6. Χρησιμοποιείς προγράμματα για την ανάλυση δεδομένων (πχ Excel); 7. Αναπτύσσετε ιστοσελίδες ή πολυμεσικές παρουσιάσεις (πχ εφαρμογές PowerPoint); 134

139 Πειραματικές δραστηριότητες 8. Χειρίζεστε τοπικά δίκτυα υπολογιστών (πχ εργασία σε τοπικά δίκτυα LAN) ; 9. Επεμβαίνετε στο υλικό του υπολογιστή (πχ αλλαγή καρτών, σκληρών δίσκων κλπ) Ο άξονας της μεταβλητής ποια είναι η αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη χρηστικότητα ενός αυτοματοποιημένου συστήματος εκπαίδευσης μπορεί να μελετηθεί μέσω των δηλώσεων των φοιτητών 1. Η εκπαίδευση στις τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνίας είναι απαραίτητη στο σύγχρονο Χημικό. 2. Ένα αυτοματοποιημένο σύστημα μετρήσεων βοηθάει στην ταχύτητα της λήψης και επεξεργασίας και έτσι μπορούμε να καταναλώνουμε περισσότερο χρόνο στην κατανόηση των εννοιών που διδάσκονται στο εργαστήριο 3. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα βοηθούν στην ανάλυση και συζήτηση των μετρήσεων κατά τη διάρκεια του πειράματος. 4. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων βοηθούν στην παρατήρηση των φαινομένων. 5. Ένα περιβάλλον αυτόματης απόληψης και επεξεργασίας δεδομένων πιστεύω ότι : μαθήματος i) θα με παρακινούσε για περισσότερη μελέτη πάνω στο αντικείμενο του ii) θα αυξήσει το ενδιαφέρον μου στο συγκεκριμένο μάθημα Για τις αποκρίσεις των φοιτητών χρησιμοποιήθηκε τακτική 5βαθμια κλίμακα τύπου Likert (Συμφωνώ απόλυτα, Συμφωνώ, Ούτε συμφωνώ ούτε διαφωνώ, Διαφωνώ, Διαφωνώ απόλυτα) (Cronbach s a =0,80). Εκτίμηση της αξιοπιστίας του ερωτηματολογίου μπορεί να δοθεί από την εσωτερική συνάφεια 135

140 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή του. Ο συντελεστής Cronbach s α παρέχει ένα χρήσιμο δείκτη για τον υπολογισμό της εσωτερικής συνάφειας της κλίμακας. Β. Ο άξονας της μεταβλητής ποια είναι η αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη ευκολία χειρισμού ενός αυτοματοποιημένου συστήματος εκπαίδευσης μπορεί να μελετηθεί μέσω των χρησιμοποιώντας τις ερωτήσεις: 1. Η εκπαίδευση στις τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνίας πρέπει να προηγείται της εκπαίδευσης στα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων. 2. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων βοηθούν στο χειρισμό των οργάνων. 3. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα βοηθούν στη λήψη μετρήσεων την καταγραφή και την παρουσίαση. 4. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα έχουν θετική επίδραση στην εξαγωγή επιστημονικών συμπερασμάτων. 5. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μειώνουν την ανάμιξη μας στην πειραματική διαδικασία επειδή αναλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας. Για τις απαντήσεις των φοιτητών στις ερωτήσεις χρησιμοποιήθηκε τακτική 5βαθμια κλίμακα τύπου Likert (Συμφωνώ απόλυτα, Συμφωνώ, Ούτε συμφωνώ ούτε διαφωνώ, Διαφωνώ, Διαφωνώ απόλυτα) (Cronbach s a =0,84). Γ. Ο άξονας της μεταβλητής της πρόθεσης χρήσης αυτοματοποιημένων συστημάτων απόληψης και επεξεργασίας μετρήσεων μελετήθηκε χρησιμοποιώντας την ερώτηση : Θα χρησιμοποιούσατε ένα αυτοματοποιημένο σύστημα εκπαίδευσης για να κάνετε πειράματα;. Για τη μέτρηση των απαντήσεων χρησιμοποιήθηκε 4βαθμη τακτική κλίμακα (πολύ συχνά, συχνά, περιστασιακά, ποτέ). 136

141 Πειραματικές δραστηριότητες Σε σχέση με την εγκυρότητα της έρευνας αρκετοί ερευνητές έχουν δείξει ότι η ένταση χρήσης των υπολογιστών έχει έντονη επίδραση σε μια σειρά από δείκτες της στάσης απέναντι τους: στον ενδιαφέρον, την αυτοπεποίθηση την εκτιμώμενη ευχρηστία και τη χρησιμότητα τους. Οι Seyal A., Rahim M και Rahman M (2000) υποστηρίζουν ότι η κατοχή ενός προσωπικού υπολογιστή το επίπεδο ικανότητας στη χρήση και η αρχική εκπαίδευση πάνω στους υπολογιστές είναι σημαντικοί παράγοντες στη διαμόρφωση της στάσης των μαθητών στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων Αναλύσεις Για την ανάλυση των ερωτηματολογίων χρησιμοποιήθηκε το στατιστικό πακέτο SPSS (Statistical Package for Social Science) έκδοση 13 Οι εκπαιδευτικοί (μεταπτυχιακοί φοιτητές του ΔιΧηΝεΤ) αξιολόγησαν Θετικά το εκπαιδευτικό περιβάλλον απαντώντας σε ερωτηματολόγιο τακτικής 5βαθμιας κλίμακας τύπου Likert (Συμφωνώ απόλυτα, Συμφωνώ, Ούτε συμφωνώ ούτε διαφωνώ, Διαφωνώ, Διαφωνώ απόλυτα) Ερώτηση Μέσος όρος Διάμεσος Τυπική απόκλιση Η χρήση των υπολογιστικών συστημάτων μεταβάλλει το παιδαγωγικό περιβάλλον δημιουργώντας ένα ευνοϊκό μαθησιακό περιβάλλον φιλικό προς τους διδασκόμενους. 4,2 4 0,12 Η εκπαιδευτική εφαρμογή στον υπολογιστή συμβάλλει στην ανάπτυξη της κατανόησης εννοιών 3,9 4 0,14 137

142 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Το λογισμικό μπορεί να προκαλέσει το ενδιαφέρον του εκπαιδευόμενου. To σύστημα παρέχει συνεχώς κατάλληλη ανάδραση της κατάστασης του σε εύλογο χρόνο. Χρησιμοποιείται απλή και κατανοητή γλώσσα και εικονικές και συμβολικές αναπαραστάσεις που είναι προσαρμοσμένες στο νοητικό επίπεδο του χρήστη. Το σύστημα χαρακτηρίζεται από καλαισθησία και μινιμαλισμό στην παρεχόμενη πληροφορία ώστε να αποφεύγεται σύγχυση του χρήστη. Το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκπαίδευση των φοιτητών σε αυτοματοποιημένες μεθόδους συλλογής και επεξεργασίας μετρήσεων. Θα χρησιμοποιούσατε το λογισμικό ή μέρος του λογισμικού στη σχεδίαση ενός ανάλογου μαθησιακού περιβάλλοντος; 4, ,0 4 0,06 3,7 4 0,11 3,9 4 0,13 3,8 4 0,11 3,2 3 0,05 Εμπειρία των φοιτητών στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων Ερώτηση Μέσος όρος Διάμεσος Τυπική απόκλιση Έχετε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο σπίτι σας ; 0,84 Έχετε παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης 0,31 χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; Έχετε παρακολουθήσει μαθήματα προγραμματισμού 0,13 ηλεκτρονικών υπολογιστών ; 138

143 Πειραματικές δραστηριότητες Χρησιμοποιείτε προγράμματα επεξεργασίας 2,5 3 1,151 κειμένου για την προετοιμασία των εργασιών; Χρησιμοποιείτε το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ως 2,16 2 1,2 μορφή επικοινωνίας; Χρησιμοποιείς προγράμματα για την ανάλυση 2,57 2 1,169 δεδομένων (πχ Excel); Αναπτύσσετε ιστοσελίδες ή πολυμεσικές 1,52 1 0,731 παρουσιάσεις (πχ εφαρμογές PowerPoint); Χειρίζεστε τοπικά δίκτυα υπολογιστών (πχ εργασία 1,55 1 0,901 σε τοπικά δίκτυα LAN) ; Επεμβαίνετε στο υλικό του υπολογιστή (πχ αλλαγή 1,91 2 1,030 καρτών, σκληρών δίσκων κλπ) Από τα παραπάνω αποτελέσματα βλέπουμε ότι το 84% των φοιτητών του τμήματος Χημείας κατέχει ηλεκτρονικό υπολογιστή το 31% έχει παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών και το 13% προγράμματα εκμάθησης προγραμματισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επίσης φαίνεται ότι συχνά χρησιμοποιούν τον ηλεκτρονικό υπολογιστή ως κειμενογράφο και περιστασιακά χρησιμοποιούν προγράμματα ανάλυσης δεδομένων όπως πχ το Excel. Ενώ ποτέ δεν αναπτύσσουν ιστοσελίδες ή πολυμεσικές παρουσιάσεις όπως πχ εφαρμογές powerpoint και ποτέ δεν χειρίζονται τοπικά δίκτυα υπολογιστών. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι το επίπεδο άνεσης με τα υπολογιστικά συστήματα των φοιτητών του τετάρτου εξαμήνου του τμήματος Χημείας είναι χαμηλό. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση για τους τρείς άξονες 139

144 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Άξονας Μέσος Όρος Τυπική απόκλιση Cronbach s Alpha Αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη 4,47 0,69 0,80 χρηστικότητα αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη 4,14 0,67 0,84 ευκολία χειρισμού Πρόθεση χρήσης αυτοματοποιημένων 4,23 0,73 συστημάτων Όλοι οι συντελεστές αξιοπιστίας που υπολογίστηκαν βρέθηκαν πάνω από την τιμή 0,70 η οποία θεωρείται το κατώφλι ώστε οι άξονες να χαρακτηρισθούν ως αξιόπιστοι (Teo, Lim και Lai, 1999). Ο συντελεστής συσχέτισης Pearson r είναι ο κατάλληλος (παραμετρικός) στατιστικός δείκτης προκειμένου να αξιολογηθεί αν υπάρχει συνάφεια μεταξύ δύο μεταβλητών. Για τον εντοπισμό της ύπαρξης σχέσης ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού όπως και ανάμεσα στην χρηστικότητα και την πρόθεση χρήσης καθώς και στην ευκολία χειρισμού και την πρόθεση χρήσης χρησιμοποιήθηκε στατιστικός έλεγχος διπλής κατεύθυνσης (two tailed test) με επίπεδο σημαντικότητας 1% (p<0,01). Η σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού είναι θετική και μέτρια ( r=0,52), δηλαδή υπάρχει σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού. Παρατηρήθηκε δυνατή σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την πρόθεση χρήσης(r=0,67) που υποδηλώνει ότι οι φοιτητές αναγνώρισαν την χρηστικότητα του περιβάλλοντος η οποία τους οδηγεί στην πρόθεση να το χρησιμοποιήσουν και στο μέλλον. Τέλος υπάρχει θετική σχέση ανάμεσα στην ευκολία χρήσης και την πρόθεση χρήσης με χαμηλότερο συντελεστή συσχέτισης( μικρή σχέση 0,42) 140

145 Πειραματικές δραστηριότητες 4.3 Δημιουργία μαθησιακού περιβάλλοντος για τη χρήση επιστημονικών οργάνων που δεν διαθέτουν θύρα εξαγωγής δεδομένων. Στην δεύτερη περίπτωση μελετούμε τη δυνατότητα δημιουργίας ενός εκπαιδευτικού περιβάλλοντος το οποίο θα χρησιμοποιεί επιστημονικά όργανα που δεν έχουν δυνατότητα διασύνδεσης με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η προτεινόμενη λύση είναι η χρήση εικονοροών για τη μεταφορά της εικόνας που συλλαμβάνεται από κάμερα διασυνδεδεμένη με υπολογιστικό και προβολικό σύστημα, για την παρουσίαση των μετρήσεων. Η τεχνική αυτή ενσωματώθηκε σε μια κλασσική άσκηση αγωγιμομετρίας που διδάσκεται στα πλαίσια του εργαστηριακού μαθήματος της Ηλεκτροχημείας στο έβδομο εξάμηνο στους φοιτητές του τμήματος Χημείας του ΑΠΘ Στόχοι του εκπαιδευτικού πειράματος Μέσα στο εκπαιδευτικό περιβάλλον που δημιουργήσαμε έχουμε σα στόχο τη μελέτη της κατανόησης της μεταφοράς δεδομένων με τη χρήση οπτικών συστημάτων του βαθμού ετοιμότητας των φοιτητών για την αποδοχή της τεχνολογίας που αναπτύχθηκε. της αντίληψης των φοιτητών για την πρόθεση χρήσης του διαμορφωμένου εκπαιδευτικού περιβάλλοντος Μεθοδολογία Η προσαρμοσμένη εργαστηριακή άσκηση χρησιμοποιήθηκε για τη χρήση ακριβών εργαστηριακών οργάνων που δεν διαθέτουν εξόδους διασύνδεσης με υπολογιστικά συστήματα ή δεν είναι δυνατή η σύνδεση διότι δεν διατίθενται από την κατασκευάστρια εταιρία οι απαραίτητοι οδηγοί. Η χρήση ακριβών 141

146 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή εργαστηριακών οργάνων στα φοιτητικά εργαστήρια γίνεται με σκοπό την απόκτηση της αίσθησης της ακρίβειας των μετρήσεων από τους φοιτητές. Από διδακτικής πλευράς μελετήθηκε όπως και στην προηγούμενη άσκηση η στάση των φοιτητών στην ανάπτυξη αυτοματοποιημένων συνθηκών για την απόληψη και μεταφορά μετρήσεων που στη συγκεκριμένη περίπτωση χρησιμοποιείται η λήψη και μεταφορά εικόνας. Η στάση των φοιτητών προσδιορίζεται από την αποδοχή του περιβάλλοντος Περιγραφή της άσκησης Η αγωγιμομετρία είναι ηλεκτροχημική μέθοδος μέτρησης της αγωγιμότητας των ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων, η μέθοδος αυτή βρίσκει εφαρμογή στον υπολογισμό της σταθεράς διάστασης ενός ηλεκτρολύτη καθώς και την εύρεση της διαλυτότητας ενός δυσδιάλυτου άλατος. Στην άσκηση των εργαστηρίων Φυσικοχημείας γίνεται προσδιορισμός της σταθεράς της αγωγιμομετρικής κυψέλης καθώς και ο προσδιορισμός της ισοδύναμης αγωγιμότητας σε διάφορες συγκεντρώσεις διαλυμάτων HCl, NaCl και HCOONa. 142

147 Πειραματικές δραστηριότητες Υποδομή υλικά Εξυπηρετητής εικονοροών - κάμερα Για την σύλληψη των εικόνων χρησιμοποιήθηκε κάμερα αυτόματης εστίασης με τηλεχειρισμό, Sony EVI D-31. Οι αναλογικές εικόνες που παράγονται από Εικόνα: 4-3.4α Σύνδεση εξυπηρετητή εικονοροών με κάμερα την κάμερα ψηφιοποιούνται και μετατρέπονται σε εικονοροές Mpeg 2 από τον εξυπηρετητή εικοροών MGW 2000e. Τέλος οι εικονοροές εκπέμπονται στο τοπικό δίκτυο και προβάλλονται στις οθόνες των υπολογιστικών συστημάτων με τη βοήθεια του κατάλληλου player (VNC player). Αγωγιμόμετρο Το όργανο αυτό είναι μια γέφυρα αγωγιμότητας που αποτελείται από δύο Εικόνα 4-3.4β Γέφυρα αγωγιμότητας 143

148 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή σταθερούς κλάδους ίσης αντίστασης. Στον τρίτο κλάδο συνδέεται η αγωγιμομετρική κυψέλη και ο τέταρτος κλάδος από τελείται από μια μεταβλητή αντίσταση και από μια μεταβλητή χωρητικότητα σε παράλληλη συνδεσμολογία. Το συγκεκριμένο αγωγιμόμετρο είναι αυτόματης αντιστάθμισης Συμμετέχοντες Στη διαδικασία πήραν μέρος: ένα τμήμα των εργαστηριακών ασκήσεων Ηλεκτροχημείας που αποτελούνται συνολικά από 17 περίπου προπτυχιακούς φοιτητές 7 ου εξαμήνου του τμήματος Χημείας του ΑΠΘ. Η κατανομή των φοιτητών στα τμήματα είναι τυχαία Διαδικασίες Αρχικά αναπτύσσεται η θεωρία της αγωγιμομετρίας καθώς επίσης και το πειραματικό μέρος στο οποίο πρόκειται να ασκηθούν οι φοιτητές σύμφωνα με τον εργαστηριακό οδηγό. Ειδικότερα στο σημείο περιγραφής του αγωγιμομέτρου γίνεται επίδειξη με τη χρήση του αγωγιμομέτρου Esi videobrige 2150 του οποίου η οθόνη καταγράφεται από την κάμερα Sony Evi D-31. Το αποτέλεσμα της καταγραφής εισάγεται στον εξυπηρετητή εικονοροών και διανέμεται μέσω αυτού στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές του δικτύου. Οι φοιτητές παρακολουθούν τις μετρήσεις αγωγιμότητας στους υπολογιστές των θέσεων εργασίας τους και καταγράφουν τα αποτελέσματα για παραπέρα επεξεργασία.με την ολοκλήρωση του εργαστηρίου μοιράζονται στους φοιτητές ερωτηματολόγια για να την αξιολόγηση της διαδικασίας Μετρήσεις Οι μετρήσεις των μεταβλητών έγιναν με τη χρήση ερωτηματολογίου που περιείχε ερωτήσεις κλειστού τύπου. Ο άξονας της μεταβλητής που αναφέρεται 144

149 Πειραματικές δραστηριότητες στην εμπειρία στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων μπορεί να εκτιμηθεί με τη χρήση των παρακάτω ερωτήσεων Ερωτήσεις Ναι Όχι 1. Έχετε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο σπίτι σας ; 2. Έχετε παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; 3. Έχετε παρακολουθήσει μαθήματα προγραμματισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; Ερωτήσεις τακτικής κλίμακας (πολύ συχνά, συχνά, περιστασιακά, ποτέ) 4. Χρησιμοποιείτε προγράμματα επεξεργασίας κειμένου για την προετοιμασία των εργασιών; 5. Χρησιμοποιείτε το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ως μορφή επικοινωνίας; 6. Χρησιμοποιείς προγράμματα για την ανάλυση δεδομένων (πχ Excel); 7. Αναπτύσσετε ιστοσελίδες ή πολυμεσικές παρουσιάσεις (πχ εφαρμογές PowerPoint); 8. Χειρίζεστε τοπικά δίκτυα υπολογιστών (πχ εργασία σε τοπικά δίκτυα LAN) ; 9. Επεμβαίνετε στο υλικό του υπολογιστή (πχ αλλαγή καρτών, σκληρών δίσκων κλπ) 145

150 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Ο άξονας της μεταβλητής ποια είναι η αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη χρηστικότητα ενός αυτοματοποιημένου συστήματος εκπαίδευσης μπορεί να μελετηθεί μέσω των δηλώσεων των φοιτητών 1. Η εκπαίδευση στις τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνίας είναι απαραίτητη στο σύγχρονο Χημικό. 2. Ένα αυτοματοποιημένο σύστημα μετρήσεων βοηθάει στην ταχύτητα της λήψης και επεξεργασίας και έτσι μπορούμε να καταναλώνουμε περισσότερο χρόνο στην κατανόηση των εννοιών που διδάσκονται στο εργαστήριο 3. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα βοηθούν στην ανάλυση και συζήτηση των μετρήσεων κατά τη διάρκεια του πειράματος. 4. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων βοηθούν στην παρατήρηση των φαινομένων. 5. Ένα περιβάλλον αυτόματης απόληψης και επεξεργασίας δεδομένων πιστεύω ότι : i) θα με παρακινούσε για περισσότερη μελέτη πάνω στο αντικείμενο του μαθήματος ii) θα αυξήσει το ενδιαφέρον μου στο συγκεκριμένο μάθημα Για τις αποκρίσεις των φοιτητών χρησιμοποιήθηκε τακτική 5βαθμια κλίμακα τύπου Likert (Συμφωνώ απόλυτα, Συμφωνώ, Ούτε συμφωνώ ούτε διαφωνώ, Διαφωνώ, Διαφωνώ απόλυτα) (Cronbach s a =0,74). Εκτίμηση της αξιοπιστίας του ερωτηματολογίου μπορεί να δοθεί από την εσωτερική συνάφεια του. Ο 146

151 Πειραματικές δραστηριότητες συντελεστής Cronbach s α παρέχει ένα χρήσιμο δείκτη για τον υπολογισμό της εσωτερικής συνάφειας της κλίμακας. Β. Ο άξονας της μεταβλητής ποια είναι η αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη ευκολία χειρισμού ενός αυτοματοποιημένου συστήματος εκπαίδευσης μπορεί να μελετηθεί μέσω των χρησιμοποιώντας τις ερωτήσεις: 1. Η εκπαίδευση στις τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνίας πρέπει να προηγείται της εκπαίδευσης στα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων. 2. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων βοηθούν στο χειρισμό των οργάνων. 3. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα βοηθούν στη λήψη μετρήσεων την καταγραφή και την παρουσίαση. 4. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα έχουν θετική επίδραση στην εξαγωγή επιστημονικών συμπερασμάτων. 5. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μειώνουν την ανάμιξη μας στην πειραματική διαδικασία επειδή αναλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας. Για τις απαντήσεις των φοιτητών στις ερωτήσεις χρησιμοποιήθηκε τακτική 5βαθμια κλίμακα τύπου Likert (Συμφωνώ απόλυτα, Συμφωνώ, Ούτε συμφωνώ ούτε διαφωνώ, Διαφωνώ, Διαφωνώ απόλυτα) (Cronbach s a =0,82). 147

152 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Γ. Ο άξονας της μεταβλητής της πρόθεσης χρήσης αυτοματοποιημένων συστημάτων απόληψης και επεξεργασίας μετρήσεων μελετήθηκε χρησιμοποιώντας την ερώτηση : Θα χρησιμοποιούσατε ένα αυτοματοποιημένο σύστημα εκπαίδευσης για να κάνετε πειράματα;. Για τη μέτρηση των απαντήσεων χρησιμοποιήθηκε 4βαθμη τακτική κλίμακα (πολύ συχνά, συχνά, περιστασιακά, ποτέ). Σε σχέση με την εγκυρότητα της έρευνας αρκετοί ερευνητές έχουν δείξει ότι η ένταση χρήσης των υπολογιστών έχει έντονη επίδραση σε μια σειρά από δείκτες της στάσης απέναντι τους: στον ενδιαφέρον, την αυτοπεποίθηση την εκτιμώμενη ευχρηστία και τη χρησιμότητα τους. Οι Seyal A., Rahim M και Rahman M (2000) υποστηρίζουν ότι η κατοχή ενός προσωπικού υπολογιστή το επίπεδο ικανότητας στη χρήση και η αρχική εκπαίδευση πάνω στους υπολογιστές είναι σημαντικοί παράγοντες στη διαμόρφωση της στάσης των μαθητών στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων. 148

153 Πειραματικές δραστηριότητες Αναλύσεις Για την ανάλυση των ερωτηματολογίων χρησιμοποιήθηκε το στατιστικό πακέτο SPSS (Statistical Package for Social Science) έκδοση 13 Εμπειρία των φοιτητών στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων Ερώτηση Μέσος όρος Διάμεσος Τυπική απόκλιση Έχετε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο σπίτι σας ; 0,83 Έχετε παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης 0,30 χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; Έχετε παρακολουθήσει μαθήματα προγραμματισμού 0,09 ηλεκτρονικών υπολογιστών ; Χρησιμοποιείτε προγράμματα επεξεργασίας 2,4 2 1,13 κειμένου για την προετοιμασία των εργασιών; Χρησιμοποιείτε το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ως 2,20 2 1,1 μορφή επικοινωνίας; Χρησιμοποιείς προγράμματα για την ανάλυση 2,37 2 1,18 δεδομένων (πχ Excel); Αναπτύσσετε ιστοσελίδες ή πολυμεσικές 1,44 1 0,83 παρουσιάσεις (πχ εφαρμογές PowerPoint); Χειρίζεστε τοπικά δίκτυα υπολογιστών (πχ εργασία 1,45 1 0,92 σε τοπικά δίκτυα LAN) ; Επεμβαίνετε στο υλικό του υπολογιστή (πχ αλλαγή 1,85 2 1,12 καρτών, σκληρών δίσκων κλπ) 149

154 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Από τα παραπάνω αποτελέσματα βλέπουμε ότι το 83% των φοιτητών του τμήματος Χημείας κατέχει ηλεκτρονικό υπολογιστή το 30% έχει παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών και το 9% προγράμματα εκμάθησης προγραμματισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επίσης φαίνεται ότι συχνά χρησιμοποιούν τον ηλεκτρονικό υπολογιστή ως κειμενογράφο και περιστασιακά χρησιμοποιούν προγράμματα ανάλυσης δεδομένων όπως πχ το Excel. Ενώ ποτέ δεν αναπτύσσουν ιστοσελίδες ή πολυμεσικές παρουσιάσεις όπως πχ εφαρμογές powerpoint και ποτέ δεν χειρίζονται τοπικά δίκτυα υπολογιστών. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι το επίπεδο άνεσης με τα υπολογιστικά συστήματα των φοιτητών του τετάρτου εξαμήνου του τμήματος Χημείας είναι χαμηλό. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση για τους τρείς άξονες Άξονας Μέσος Τυπική Cronbach s Alpha Όρος απόκλιση Αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη 4,37 0,66 0,74 χρηστικότητα αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη 4,18 0,68 0,82 ευκολία χειρισμού Πρόθεση χρήσης αυτοματοποιημένων 4,16 0,75 συστημάτων 150

155 Πειραματικές δραστηριότητες Όλοι οι συντελεστές αξιοπιστίας που υπολογίστηκαν βρέθηκαν πάνω από την τιμή 0,70 η οποία θεωρείται το κατώφλι ώστε οι άξονες να χαρακτηρισθούν ως αξιόπιστοι (Teo, Lim και Lai, 1999). Για τον εντοπισμό της ύπαρξης σχέσης ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού όπως και ανάμεσα στην χρηστικότητα και την πρόθεση χρήσης καθώς και στην ευκολία χειρισμού και την πρόθεση χρήσης χρησιμοποιήθηκε στατιστικός έλεγχος διπλής κατεύθυνσης (two tailed test) με επίπεδο σημαντικότητας 1% (p<0,01). Η σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού είναι θετική και μέτρια ( r=0,54), δηλαδή υπάρχει σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού. Παρατηρήθηκε δυνατή σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την πρόθεση χρήσης(r=0,71) που υποδηλώνει ότι οι φοιτητές αναγνώρισαν την χρηστικότητα του περιβάλλοντος η οποία τους οδηγεί στην πρόθεση να το χρησιμοποιήσουν και στο μέλλον. Τέλος υπάρχει θετική σχέση ανάμεσα στην ευκολία χρήσης και την πρόθεση χρήσης με χαμηλότερο συντελεστή συσχέτισης( μικρή σχέση 0,44) 151

156 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 152

157 Πειραματικές δραστηριότητες 4.4 Δημιουργία μαθησιακού περιβάλλοντος για την επίδειξη αυτοματοποίησης και χειρισμού από απόσταση κλασικής ποτενσιομετρικής τιτλοδότησης οξέος βάσεως Στην τρίτη περίπτωση μελετούμε τη δυνατότητα δημιουργίας ενός εκπαιδευτικού περιβάλλοντος στο οποίο οι φοιτητές χειρίζονται από απόσταση ένα πείραμα ποτενσιομετρικού προσδιορισμού του ph με τη χρήση: συνδυασμένου ηλεκτροδίου υάλου-ηλεκτροδίου αναφοράς συνδεμένου με ενισχυτή σήματος ο οποίος μέσω πολυμέτρου μπορεί να είναι συνδεδεμένος με την σειριακή θύρα ηλεκτρονικού υπολογιστή αυτόματης προχοίδας συνδεδεμένης μέσω του οδηγού προχοίδας στην παράλληλη θύρα του ηλεκτρονικού υπολογιστή μαγνητικού αναδευτήρα συνδεδεμένου μέσω οδηγού αναδευτήρα με την παράλληλη θύρα ηλεκτρονικού υπολογιστή και κάμερας που αποστέλλει τα δεδομένα στο προβολικό σύστημα. Η τεχνική αυτή ενσωματώθηκε σε μια κλασσική άσκηση ποτενσιομετρίας που διδάσκεται στα πλαίσια του εργαστηριακού μαθήματος της Ηλεκτροχημείας στους φοιτητές του εβδόμου εξαμήνου του τμήματος Χημείας του ΑΠΘ Στόχοι του εκπαιδευτικού πειράματος Μέσα στο εκπαιδευτικό περιβάλλον που δημιουργήσαμε έχουμε σα στόχο τη μελέτη κατανόηση της γενικής δομής αυτοματοποιημένων επιστημονικών οργάνων του βαθμού ετοιμότητας των φοιτητών για την αποδοχή της τεχνολογίας που αναπτύχθηκε. της αντίληψης των φοιτητών για την πρόθεση χρήσης του διαμορφωμένου εκπαιδευτικού περιβάλλοντος. 153

158 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Μεθοδολογία Η προσαρμοσμένη εργαστηριακή άσκηση χρησιμοποιήθηκε για την εισαγωγή μέσα από ένα απλοποιημένο μοντέλο βασικών εννοιών μετατροπής ψηφιακών εντολών σε αναλογικά σήματα για το άνοιγμα και κλείσιμο διακοπτών και την παρουσίαση απλοποιημένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων γιαυτό το σκοπό. λήψη μέτρησης με τη βοήθεια phμετρικού ηλεκτροδίου ενίσχυσης του σήματος μέσα από ηλεκτρονική διάταξη ενίσχυσης σήματος ψηιοποίηση με τη βοήθεια πολυμέτρου και εισαγωγή στο υπολογιστικό σύστημα. Από διδακτικής πλευράς και σε αυτή την άσκηση μελετήθηκε η στάση των φοιτητών στην ανάπτυξη αυτοματοποιημένων συνθηκών για την απόληψη και μεταφορά των δεδομένων μέσα σε μια παραδοσιακή εργαστηριακή άσκηση όπου όλες οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν μέσα από χειροκίνητες διαδικασίες. Η στάση των φοιτητών προσδιορίζεται από την αποδοχή του περιβάλλοντος. Ο στόχος της εισαγωγής πληροφορικών συστημάτων είναι η βελτίωση ενός υπάρχοντος συστήματος. 154

159 Πειραματικές δραστηριότητες Περιγραφή της άσκησης Η ποτενσιομετρία είναι βάση ενός μεγάλου αριθμού μετρήσεων στο εργαστήριο της Χημείας. Είναι μια ηλεκτροχημική τεχνική, η οποία μετρά την Εικόνα: Διάταξη συστήματος απομακρυσμένου χειρισμού για την εκτέλεση άσκησης phμετρικής τιτλοδότησης ηλεκτρεγερτική δύναμη σ ένα γαλβανικό στοιχείο. Στην υπάρχουσα εργαστηριακή άσκηση οι φοιτητές χρησιμοποιούν το σύστημα ανίχνευσης του ph για τον έλεγχο της πορείας μιας τιτλοδότησης οξέος-βάσεως. Επιπρόσθετα η πορεία αυτή έχει αυτοματοποιηθεί με τη χρήση πληροφορικών συστημάτων ώστε να είναι δυνατός ο απομακρυσμένος χειρισμός τόσο της προχοίδας όσο και του μαγνητικού αναδευτήρα. Οι μετρήσεις αφού ενισχυθούν και ψηφιοποιηθούν λαμβάνονται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή για παραπέρα επεξεργασία. 155

160 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Υποδομή - υλικά Δικτυακή υποδομή Για τη εκπαίδευση και διδασκαλία αυτοματοποιημένων συστημάτων χρησιμοποιήθηκε το δίκτυο των υπολογιστών που εγκαταστάθηκε στην αίθουσα εργαστηριών της Φυσικοχημείας του ΑΠΘ. Χρήση πολύμετρου Metex ME-21 σαν μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Όπως και στην άσκηση της φασματοφωτομετρίας έτσι και σε αυτή την άσκηση το ρόλο του μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό παίζει το πολύμετρο Metex Me21 που είναι εφοδιασμένο με θύρα σειριακή συμβατή με το πρότυπο RS232 Η συσκευή αυτή μπορεί να συνδεθεί με την αναλογική έξοδο του ενισχυτή σήματος του phμετρικού ηλεκτροδίου από τη μια πλευρά και από την άλλη πλευρά η σειριακή του έξοδος με τη σειριακή θύρα του υπολογιστή. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και η μεταφορά του στην σειριακή είσοδο του συνδεδεμένου υπολογιστικού συστήματος. Ενισχυτής σήματος ηλεκτροδίου Ο ενισχυτής σήματος είναι μια απλή ηλεκτρονική διάταξη που αποτελείται από ένα ολοκληρωμένο για την ενίσχυση του σήματος και φίλτρα για την απομάκρυνση του θορύβου. Η δίαταξη όπως φαίνεται και στο σχήμα είναι απλή και ετσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο γίνεται η ενίσχυση του σήματος. 156

161 Πειραματικές δραστηριότητες Εικόνα: 4-4.4α Εσωτερικό ενισχυτή σήματος ηλεκτροδίου Πεχαμετρικό ηλεκτρόδιο Το ηλεκτρόδιο υάλου ανήκει στην κατηγορία των ηλεκτροδίων μεμβράνης και είναι το ποιο διαδεδομένο ηλεκτρόδιο για τον εργαστηριακό προσδιορισμό του Εικόνα: 4-4.4β Ηλεκτρόδιο υάλου ph. Έχει σχήμα μικρού κοίλου σφαιρικού δοχείου το οποίο περιέχει υδατικό διάλυμα HCl γνωστής ενεργότητας Η +. Μέσα σε αυτό εμβαπτίζεται σύρμα ή έλασμα από Ag πάνω στο οποίο έχει γίνει επίθεση AgCl. Το σταντάρισμα του ηλεκτροδίου γίνεται με τη βοήθεια πρότυπου ρυθμιστικού διαλύματος. Το ηλεκτρόδιο αποτελεί τη διάταξη μέτρησης του δυναμικού που αναπτύσσεται εξαιτίας της συγκέντρωσης H 3 O +. Επειδή η διάταξη δεν παράγει ικανοποιητικό 157

162 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή σήμα, για το κύκλωμα της διαδικασίας, το δυναμικό του ηλεκτροδίου ενισχύεται και φιλτράρεται από τη διάταξη του ενισχυτή σήματος. 158

163 Πειραματικές δραστηριότητες Αυτόματη Προχοίδα Στη διάταξη της αυτόματης προχοιδας ο διακόπτης χειρός που διαθέτει για την προσθήκη ποσοτήτων διαλύματος έχει αφαιρεθεί. Η είσοδος του διακόπτη χειρός έχει συνδεθεί με τον οδηγό προχοίδας με σκοπό τον απομακρυσμένο έλεγχο της διάταξης με τη βοήθεια των υπολογιστικών συστημάτων Εικόνα: 4-4.4γ Αυτόματος τιτλοδότης Οδηγός Προχοιδας Μαγνητικού αναδευτήρα Ο οδηγός της προχοίδας και του μαγνητικού αναδευτήρα είναι μια απλή διάταξη με ηλεκτρικούς διακόπτες (ρελέ), η οποία οδηγείται μέσω της παράλληλης θύρας του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Από η μια πλευρά ο οδηγός είναι συνδεδεμένος με την παράλληλη θύρα ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή ο οποίος μέσω κατάλληλου λογισμικού που αναπτύχθηκε μπορεί να αποστέλλει εντολές και να ανοιγοκλείνει τους ηλεκτρικούς διακόπτες. Από την άλλη πλευρά ο 159

164 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή οδηγός είναι συνδεδεμένος με τις εξόδους που διαθέτει με την αυτόματη προχοίδα και τον μαγνητικό αναδευτήρα. Εικόνα: 4-4.4δ Εσωτερικό οδηγού προχοίδας μαγνητικού αναδευτήρα Υποδομή σε λογισμικό Για την επίτευξη των προσδοκώμενων αποτελεσμάτων αναπτύχθηκε λογισμικό για τον έλεγχο της προχοίδας τον έλεγχο του μαγνητικού αναδευτήρα και τη λήψη των μετρήσεων. Για την ανάπτυξη του προγράμματος χρησιμοποιήθηκε η τεχνολογία της Microsoft χρησιμοποιώντας Visual Basic Η αρχιτεκτονική της εφαρμογής αποτελεί ένα μοντέλο αρχιτεκτονικής πελάτη-εξυπηρετητή. Έτσι η εφαρμογή αποτελείται από δύο προγράμματα, ένα εκτελείται σε κάποιο υπολογιστή που παίζει το ρόλο του εξυπηρετητή και ένα άλλο εκτελείται στους υπόλοιπους υπολογιστές που έχουν το ρόλο του πελάτη. Ειδικότερα σε αυτή την εφαρμογή ο ρόλος του εξυπηρετητή είναι 160

165 Πειραματικές δραστηριότητες η λήψη εντολών για την οδήγηση της αυτόματης προχοίδας και του μαγνητικού αναδευτήρα η αποστολή μετρήσεων η σύλληψη εικόνας μέσω της κάμερας που είναι συνδεδεμένη στον υπολογιστή που εκτελεί την εφαρμογή του εξυπηρετητή η αποστολή εικονοροών μέσω του δικτύου του εργαστηρίου μηνυμάτων στους υπολογιστές των συνδεδεμένων χρηστών. και η σειριακή διασύνδεση με το πολύμετρο (στα πρότυπα του πρώτου εκπαιδευτικού πειράματος). Το πρόγραμμα πελάτης λειτουργεί τόσο σαν αποδέκτης δεδομένων και εικονοροών όσο και σαν αποστολέας εντολών προς το πρόγραμμα του εξυπηρετητή. Ο κώδικας των παραπάνω εφαρμογών βρίσκεται στο παράρτημα Γ. 161

166 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Συμμετέχοντες Στη διαδικασία πήραν μέρος: ένα τμήματα των εργαστηριακών ασκήσεων Ηλεκτροχημείας που αποτελούνται συνολικά από 17 περίπου προπτυχιακούς φοιτητές 7 ου εξαμήνου του τμήματος Χημείας του ΑΠΘ. Η κατανομή των φοιτητών στα τμήματα είναι τυχαία Διαδικασίες Μετά την παραδοσιακή ανάπτυξη της θεωρίας της άσκησης και του τρόπου υλοποίησης όσο αφορά την παρασκευή των διαλυμάτων που θα χρησιμοποιηθούν ακολούθησε η ανάπτυξη της διαδικασίας του απομακρυσμένου χειρισμού της πειραματικής διάταξης καθώς και της λήψης των μετρήσεων με τη βοήθεια του λογισμικού που δημιουργήθηκε για αυτό το σκοπό. Αναλυτικότερα παρουσιάστηκαν τα βασικά βήματα της αποστολής ψηφιακών σημάτων ελέγχου από το υπολογιστικό σύστημα και η μετατροπή τους σε αναλογικά σήματα, εντολές απομακρυσμένου χειρισμού των διατάξεων του συγκεκριμένου πειράματος. Στη συνέχεια παρουσιάστηκαν τα στάδια επεξεργασίας του σήματος (που παράγεται με τη μέτρηση) κατά τη μεταφορά 162

167 Πειραματικές δραστηριότητες των δεδομένων από το επιστημονικό όργανο στο ηλεκτρονικό υπολογιστή και την παραπέρα μεταφορά μέσω του δικτύου των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Τέλος παρουσιάστηκαν οι δυνατοτητές αποθήκευσης αλλά και επεξεργασίας των μετρήσεων με τη βοήθεια λογιστικών φύλλων ( Excel, Open Office). Η παρουσίαση έγινε με τη βοήθεια του Powerpoint και τη χρήση προτζέκτορα. Μετά την ολοκλήρωση της παρουσίασης γίνεται επίδειξη του τρόπου λειτουργίας και της χρήσης του λογισμικού στους φοιτητές. Οι φοιτητές χωρίζονται σε ομάδες των δυο ατόμων για την πρακτική άσκηση. Το πείραμα εκτελείται μια φορά για όλες τις ομάδες με την επίβλεψη του εκπαιδευτή ο οποίος ζητά κάθε φορά και από διαφορετική ομάδα να εκτελέσει κάποιο χειρισμό, για την εξέλιξη του πειράματος, από τον υπολογιστή τη θέσης εργασίας του. Όλες οι ομάδες των φοιτητών έχουν ηλεκτρονικό υπολογιστή συνδεδεμένο στο τοπικό δίκτυο του εργαστηρίου και μέσω αυτών παρακολουθούν από τη ίδια εφαρμογή την εξέλιξη των μετρήσεων με τη βοήθεια του υπολογιστικού συστήματος. Με την ολοκλήρωση της πειραματικής διαδικασίας όλες οι ομάδες των φοιτητών έχουν ψηφιακές μετρήσεις στους υπολογιστές τους. Ο εκπαιδευτής στη συνέχεια βήμα βήμα καθοδηγεί τους φοιτητές στην επεξεργασία των μετρήσεων και την εξαγωγή του τελικού αποτελέσματος. Με την ολοκλήρωση του εργαστηρίου μοιράζονται στους φοιτητές ερωτηματολόγια για να την αξιολόγηση της διαδικασίας Μετρήσεις Οι μετρήσεις των μεταβλητών έγιναν με τη χρήση ερωτηματολογίου που περιείχε ερωτήσεις κλειστού τύπου. Ο άξονας της μεταβλητής που αναφέρεται στην εμπειρία στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων μπορεί να εκτιμηθεί με τη χρήση των παρακάτω ερωτήσεων Ερωτήσεις Ναι Όχι 163

168 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 1. Έχετε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο σπίτι σας ; 2. Έχετε παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; 3. Έχετε παρακολουθήσει μαθήματα προγραμματισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; Ερωτήσεις τακτικής κλίμακας (πολύ συχνά, συχνά, περιστασιακά, ποτέ) 4. Χρησιμοποιείτε προγράμματα επεξεργασίας κειμένου για την προετοιμασία των εργασιών; 5. Χρησιμοποιείτε το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ως μορφή επικοινωνίας; 6. Χρησιμοποιείς προγράμματα για την ανάλυση δεδομένων (πχ Excel); 7. Αναπτύσσετε ιστοσελίδες ή πολυμεσικές παρουσιάσεις (πχ εφαρμογές PowerPoint); 8. Χειρίζεστε τοπικά δίκτυα υπολογιστών (πχ εργασία σε τοπικά δίκτυα LAN) ; 9. Επεμβαίνετε στο υλικό του υπολογιστή (πχ αλλαγή καρτών, σκληρών δίσκων κλπ) Α. Ο άξονας της μεταβλητής ποια είναι η αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη χρηστικότητα ενός αυτοματοποιημένου συστήματος εκπαίδευσης μπορεί να μελετηθεί μέσω των δηλώσεων των φοιτητών 1. Η εκπαίδευση στις τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνίας είναι απαραίτητη στο σύγχρονο Χημικό. 164

169 Πειραματικές δραστηριότητες 2. Ένα αυτοματοποιημένο σύστημα μετρήσεων βοηθάει στην ταχύτητα της λήψης και επεξεργασίας και έτσι μπορούμε να καταναλώνουμε περισσότερο χρόνο στην κατανόηση των εννοιών που διδάσκονται στο εργαστήριο 3. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα βοηθούν στην ανάλυση και συζήτηση των μετρήσεων κατά τη διάρκεια του πειράματος. 4. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων βοηθούν στην παρατήρηση των φαινομένων. 5. Ένα περιβάλλον αυτόματης απόληψης και επεξεργασίας δεδομένων πιστεύω ότι : i) θα με παρακινούσε για περισσότερη μελέτη πάνω στο αντικείμενο του μαθήματος ii) θα αυξήσει το ενδιαφέρον μου στο συγκεκριμένο μάθημα Για τις αποκρίσεις των φοιτητών χρησιμοποιήθηκε τακτική 5βαθμια κλίμακα τύπου Likert (Συμφωνώ απόλυτα, Συμφωνώ, Ούτε συμφωνώ ούτε διαφωνώ, Διαφωνώ, Διαφωνώ απόλυτα) με συντελεστή αξιοπιστίας 0,75 (Cronbach s a =0,75). Β. Ο άξονας της μεταβλητής ποια είναι η αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη ευκολία χειρισμού ενός αυτοματοποιημένου συστήματος εκπαίδευσης μπορεί να μελετηθεί μέσω των χρησιμοποιώντας τις ερωτήσεις: 1. Η εκπαίδευση στις τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνίας πρέπει να προηγείται της εκπαίδευσης στα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων. 165

170 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 2. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μετρήσεων βοηθούν στο χειρισμό των οργάνων. 3. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα βοηθούν στη λήψη μετρήσεων την καταγραφή και την παρουσίαση. 4. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα έχουν θετική επίδραση στην εξαγωγή επιστημονικών συμπερασμάτων. 5. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μειώνουν την ανάμιξη μας στην πειραματική διαδικασία επειδή αναλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας. Για τις απαντήσεις των φοιτητών στις ερωτήσεις χρησιμοποιήθηκε τακτική 5βαθμια κλίμακα τύπου Likert (Συμφωνώ απόλυτα, Συμφωνώ, Ούτε συμφωνώ ούτε διαφωνώ, Διαφωνώ, Διαφωνώ απόλυτα) (Cronbach s a =0,80). Γ. Ο άξονας της μεταβλητής της πρόθεσης χρήσης αυτοματοποιημένων συστημάτων απόληψης και επεξεργασίας μετρήσεων μελετήθηκε χρησιμοποιώντας την ερώτηση : Θα χρησιμοποιούσατε ένα αυτοματοποιημένο σύστημα εκπαίδευσης για να κάνετε πειράματα;. Για τη μέτρηση των απαντήσεων χρησιμοποιήθηκε 4βαθμη τακτική κλίμακα (πολύ συχνά, συχνά, περιστασιακά, ποτέ). 166

171 Πειραματικές δραστηριότητες Αναλύσεις Για την ανάλυση των ερωτηματολογίων χρησιμοποιήθηκε το στατιστικό πακέτο SPSS (Statistical Package for Social Science) έκδοση 13 Εμπειρία των φοιτητών στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων Ερώτηση Μέσος όρος Διάμεσος Τυπική απόκλιση Έχετε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο σπίτι σας ; 0,85 Έχετε παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης 0,28 χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών ; Έχετε παρακολουθήσει μαθήματα προγραμματισμού 0,11 ηλεκτρονικών υπολογιστών ; Χρησιμοποιείτε προγράμματα επεξεργασίας 2,7 3 1,144 κειμένου για την προετοιμασία των εργασιών; Χρησιμοποιείτε το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ως 2,22 2 1,18 μορφή επικοινωνίας; Χρησιμοποιείς προγράμματα για την ανάλυση 2,47 2 1,21 δεδομένων (πχ Excel); Αναπτύσσετε ιστοσελίδες ή πολυμεσικές 1,22 1 0,85 παρουσιάσεις (πχ εφαρμογές PowerPoint); Χειρίζεστε τοπικά δίκτυα υπολογιστών (πχ εργασία 1,35 1 0,821 σε τοπικά δίκτυα LAN) ; Επεμβαίνετε στο υλικό του υπολογιστή (πχ αλλαγή 1,87 2 1,130 καρτών, σκληρών δίσκων κλπ) 167

172 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Από τα παραπάνω αποτελέσματα βλέπουμε ότι το 85% των φοιτητών του τμήματος Χημείας κατέχει ηλεκτρονικό υπολογιστή το 28% έχει παρακολουθήσει προγράμματα εκμάθησης χειρισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών και το 11% προγράμματα εκμάθησης προγραμματισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επίσης φαίνεται ότι συχνά χρησιμοποιούν τον ηλεκτρονικό υπολογιστή ως κειμενογράφο και περιστασιακά χρησιμοποιούν προγράμματα ανάλυσης δεδομένων όπως πχ το Excel. Ενώ ποτέ δεν αναπτύσσουν ιστοσελίδες ή πολυμεσικές παρουσιάσεις όπως πχ εφαρμογές powerpoint και ποτέ δεν χειρίζονται τοπικά δίκτυα υπολογιστών. Τα αποτελέσματα είναι παρόμοια με τα αποτελέσματα της έρευνας που έγινε στους φοιτητές του τετάρτου εξαμήνου με αφορμή την άσκηση της φασματοφωτομετρίας. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι το επίπεδο άνεσης με τα υπολογιστικά συστήματα των φοιτητών του εβδόμου εξαμήνου του τμήματος Χημείας είναι επίσης χαμηλό όπως και των φοιτητών του τετάρτου εξαμήνου. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση για Άξονας Μέσος Τυπική Cronbach s Όρος απόκλιση Alpha Αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη 4,45 0,67 0,75 χρηστικότητα αντίληψη των φοιτητών σε σχέση με τη 4,04 0,71 0,80 ευκολία χειρισμού Πρόθεση χρήσης αυτοματοποιημένων 4,13 0,5 συστημάτων 168

173 Πειραματικές δραστηριότητες τους τρείς άξονες Όλοι οι συντελεστές αξιοπιστίας που υπολογίστηκαν βρέθηκαν πάνω από την τιμή 0,70 η οποία θεωρείται το κατώφλι ώστε οι άξονες να χαρακτηρισθούν ως αξιόπιστοι (Teo, Lim και Lai, 1999). Για τον εντοπισμό της ύπαρξης σχέσης ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού όπως και ανάμεσα στην χρηστικότητα και την πρόθεση χρήσης καθώς και στην ευκολία χειρισμού και την πρόθεση χρήσης χρησιμοποιήθηκε στατιστικός έλεγχος διπλής κατεύθυνσης (two tailed test) με επίπεδο σημαντικότητας 1% (p<0,01). Η σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού είναι θετική και μέτρια ( r=0,59), δηλαδή υπάρχει σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την ευκολία χειρισμού. Παρατηρήθηκε δυνατή σχέση ανάμεσα στην χρηστικότητα και την πρόθεση χρήσης(r=0,75) που υποδηλώνει ότι οι φοιτητές αναγνώρισαν την χρηστικότητα του περιβάλλοντος η οποία τους οδηγεί στην πρόθεση να το χρησιμοποιήσουν και στο μέλλον. Τέλος υπάρχει θετική σχέση ανάμεσα στην ευκολία χρήσης και την πρόθεση χρήσης με χαμηλότερο συντελεστή συσχέτισης( μικρή σχέση 0,46) 169

174 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή 4.5 Συμπεράσματα Συμπερασματικά μπορούμε να αναφερθεί ότι παρατηρήθηκε υψηλό ενδιαφέρον από την πλευρά των φοιτητών για την εφαρμογή και χρήση τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών το οποίο φαίνεται τόσο από το ποσοστό κατοχής υπολογιστικών συστημάτων (85%) αλλά και από την πρόθεση χρήσης στην εργαστηριακή εκπαίδευση των συστημάτων αυτών αναγνωρίζοντας τη χρηστικότητα (θετική συσχέτιση σε όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν ανάμεσα στη χρηστικότητα και την πρόθεση χρήσης 0,67<r<0,75). Υπάρχει μεγάλη αδυναμία χρήσης των συστημάτων αυτών από την πλευρά των φοιτητών λόγω της πολύ χαμηλής εισαγωγής τους στην τεχνολογία αυτή. Λίγοι φοιτητές έχουν παρακολουθήσει προγράμματα χειρισμού υπολογιστικών συστημάτων (28%) και ακόμα λιγότεροι έχουν παρακολουθήσει προγράμματα προγραμματισμού (11%). Τέλος κανένας δεν μπορεί να επέμβει στο υλικό των συστημάτων αυτών όπως επίσης δεν γνωρίζει να χειριστεί δίκτυα τέτοιων συστημάτων. Είναι λογικό ότι η απόσταση ανάμεσα στην επιθυμία και τις δυνατότητες δυσκολεύει πολύ την εισαγωγή τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών στην εργαστηριακή εκπαίδευση. Η μικρή θετική σχέση (0,42< r< 0,46) ανάμεσα στην ευκολία χειρισμού και την πρόθεση χρήσης έρχεται σε αντίθεση με άλλα ερευνητικά αποτελέσματα που θεωρούν πολύ σημαντικό μαθησιακό παράγοντα το βαθμό εξοικείωσης των φοιτητών με τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται στη μαθησιακή διαδικασία. Το γεγονός μπορεί να εξηγηθεί από το πολύ χαμηλό επίπεδο εξοικείωσης που δήλωσαν οι φοιτητές με αποτέλεσμα να μην μπορούν να αντιληφθούν το μαθησιακό φορτίο που έχουν να αντιμετωπίσουν εάν απροετοίμαστοι τους ζητηθεί η χρήση και εφαρμογή της πληροφορικής τεχνολογίας στην εργαστηριακή πρακτική. Συμπερασματικά θεωρούμε ότι είναι πρακτικά αδύνατη η εφαρμογή εάν δεν βελτιωθεί το επίπεδο των φοιτητών σε θέματα πληροφορικής και επικοινωνιών. 170

175 Πειραματικές δραστηριότητες 4.6 Βιβλιογραφία Ajzen, I. & Fishbein, M. (1980). Understanding attitudes and predicting social behavior. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. Association of European Universities. (1996). Restructuring the university: Universities and the challenge of new technologies (CRE Document No. 1). Chang, V. (1999). Students perceptions of the efficacy of web-based learning environment: The emergence of a new learning instrument. HERDSA ANNUAL International Conference, Melbourne, July. Collis, B. & Breman, J. (1997). Information technology education in cooperative environment: Design and evaluation. Annual Meeting of the Association for Educational Communications and Technology, Albuquerque, NM, Crippen, K. J., & Brooks, D. W. (2002). An analysis of student learning at a testing web site emphasizing descriptive chemistry. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching, 21 (2), Davis, F. D. (1989). Perceived usefulness, perceived ease of use and user acceptance of information technology. MIS Quarterly,13, (3), Davis, F. D., Bagozzi, R. P., & Warshaw, P. R. (1989). User acceptance of computer technology: A comparison of two theoretical models. Management Science, 35 (8), Lunetta, V.N. (1998), The school science laboratory: Historical perspectives and contexts for contemporary teaching. In Fraser, B. J. & Tobin, K. G., (Eds.), International Handbook of Science Education, , Dordrecht Miller, L.S., Nakhleh, M.B., Nash, J.J., Meyer, J.A. J. Chem. Ed. 81 (2004) Goh, T. and Kinshuk, D. (2004), Getting ready for mobile learning, Proceedings of ED-MEDIA 2004 World Conference on Educational 171

176 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Multimedia, Hypermedia & Telecommunications, Lugano, Switzerland, June 21-26, pp

177 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Θύρες επικοινωνίας οργάνων με υπολογιστές Οι περισσότερες εργαστηριακές αναλύσεις γίνονται με όργανα που έχουν ενσωματωμένους υπολογιστές και χρησιμοποιούν λογισμικό που παρέχεται από τον κατασκευαστή του οργάνου. Στις διατάξεις αυτές συνήθως υπάρχουν έξοδοι, κυρίως σειριακές, για τη μεταφορά των δεδομένων που παρέχουν την δυνατότητα για απομακρυσμένο χειρισμό. Α.1 Περιγραφή της σειριακής θύρας ( RS232 ) Η συμβατική σειριακή θύρα είναι μια πολύ παλαιά συσκευή εισόδου εξόδου (I/O). Σχεδόν όλοι οι επιτραπέζιοι (desktop) προσωπικοί υπολογιστές, έχουν τέτοια θύρα. Η θύρα αυτή θεωρείται ως μία από τις πιο βασικές εξωτερικές συνδέσεις που διαθέτει ένας υπολογιστής και αποτελεί αναπόφευκτα, βασική εσωτερική συσκευή για τους περισσότερους υπολογιστές τα τελευταία τουλάχιστον- 20 έτη. Άλλοι τύποι θυρών όπως η θύρα USB έρχονται να κυριαρχήσουν στα συστήματα προσωπικών υπολογιστών γραφείου. Οι υπολογιστές της Apple, από τα μέσα του 1998 έχουν υιοθετήσει την θύρα USB, ολοκληρωτικά. Εντούτοις, για τις τεχνικές εφαρμογές αναμένουμε ότι η σειριακή θύρα RS232 που από το 1997 επεκτάθηκε και μετονομάστηκε από την Electronic Industries Association σε EIA232F 1, θα παραμείνει ως κυρίαρχη θύρα για αρκετά έτη στο μέλλον. Υπάρχουν χιλιάδες παλαιοί, αλλά και νέοι τύποι συσκευών που χρησιμοποιούν την σειριακή θύρα για τις επικοινωνίες και θα χρειαστεί αρκετό 173

178 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή χρονικό διάστημα μέχρι να εκλείψουν εντελώς. Εκτός αυτού, είναι δυνατό, να τεθεί μια συμβατική σειριακή θύρα επάνω σε μια USB θύρα 2. Α.2 ΔΙΑΤΑΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ υπολογιστή συνδεδεμένου με εξωτερικό όργανο μέσω της RS232 θύρας. Ένα σύστημα που κάνει χρήση της RS232 θύρας για τον έλεγχο εξωτερικών οργάνων αποτελείται από τρία μέρη: 1. Τον υπολογιστή με την σειριακή έξοδό του ( UART και αρσενικό διασυνδέτη) 2. Το καλώδιο με τους διασυνδέτες του 3. Την εξωτερική συσκευή (όργανο μέτρησης) Παρακάτω αναλύονται : 1. Η μετάδοση σήματος μέσω της σειριακής θύρας και το ολοκληρωμένο κύκλωμα ελέγχου της σειριακής UART. 2. Οι τύποι των διασυνδετών (connectors). 3. Η καλωδίωση των σειριακών θυρών, η ονομασία των ακίδων των διασυνδετών καθώς και οι συνδέσεις τους. 4. Η σύγχρονη και η ασύγχρονη επικοινωνία. 174

179 Παράρτημα Α 5. Η επικοινωνία διπλής κατεύθυνσης. 6. Η επικοινωνία με τα ψηφία (bit) 7. Το ψηφίο ισοτιμίας (Parity bit) 8. Η διαμόρφωση της σειριακής θύρας. 9. Η σύνδεση ενός Metex ME 21 πολύμετρου στον υπολογιστή. 10. Ο προγραμματισμός της σειριακής θύρας Α.3. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ μέσω της σειριακής θύρας Η μετάδοση των πληροφοριών μέσω της σειριακής θύρας, γίνεται με ρυθμό ένα bit κάθε φορά, τόσο κατά την αποστολή σήματος, όσο και κατά την λήψη (σε αντιδιαστολή με την παράλληλη θύρα). Παρόλο που διεπαφές του τύπου Ethernet, FireWire και USB χρησιμοποιούν σειριακή ροή μετάδοσης δεδομένων, ο όρος σειριακή θύρα έχει σχεδόν ταυτιστεί με ένα εξάρτημα λίγο ή πολύ συμβατό με το πρότυπο RS232 που επιτρέπει την σύνδεση του υπολογιστή με κάποια περιφερειακή συσκευή. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οποιαδήποτε συσκευή συνδέουμε στην σειριακή θύρα θα χρειαστεί πρώτα η σειριακή μετάδοση να μετατραπεί σε παράλληλη έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Αυτό γίνεται από ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (UART- Καθολικά Ασύγχρονο Δέκτη/Πομπό) 3 που περιλαμβάνει 175

180 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή κυκλώματα χρονισμού, καταχωρητές εισόδου-εξόδου, κύκλώματα αποστολής και λήψης σήματος, λογικά κυκλώματα ελέγχου, προσωρινές θέσεις αποθήκευσης δεδομένων, και πιθανώς- σύστημα ανάκτησης δεδομένων. Κύκλωμα UART με αρσενικό διασυνδέτη DE-9 Πριν ξεκινήσουμε την επικοινωνία μέσω της RS-232, χρειάζεται κάποιος χρόνος προετοιμασίας του συστήματος. Το μεγαλύτερο μέρος της προετοιμασίας αυτής συντελείται από το μηχανολογικό μέρος του υπολογιστή (hardware setup), αφού προηγουμένως έχουμε εξασφαλίσει την σωστή καλωδίωση με χρήση των κατάλληλων διασυνδετών. Στην συνέχεια, πρέπει να ορίσουμε κάποιες παραμέτρους στο λειτουργικό σύστημά μας (για αναλυτικές πληροφορίες ανατρέξτε στο κεφάλαιο 8 ). Α.4. ΤΥΠΟΙ διασυνδετών Υπάρχουν 2 τύποι διασυνδετών ως προς τους ακροδέκτες τους : αρσενικοί με ακίδες και θηλυκοί με οπές. Επίσης, υπάρχουν διασυνδέτες με διαφορετικό μέγεθος, ανάλογα με τον αριθμό των ακροδεκτών του κάθε διασυνδέτη. Παρακάτω παρατίθεται ο πίνακας των ακροδεκτών αυτών. Η κατηγορία αυτή ονομάζεται D και συνήθως αναφέρεται με το όνομα «D-sub» 5. Πήρε το όνομά της από το σχήμα του μεταλλικού πλαισίου που περιβάλει τους ακροδέκτες και λειτουργεί ως αρχικός φορέας στήριξης του διασυνδέτη. 176

181 Παράρτημα Α DA-15 DB-25 DC-37 DD-50 DE-9 Η συμπαγής στήριξη του διασυνδέτη επιτυγχάνεται με παράπλευρα βοηθητικά σημεία στήριξης όπου εφαρμόζονται βίδες με συνήθως- επικάλυψη πλαστικού προς υποβοήθηση της στρέψης. Ο αρσενικός διασυνδέτης των 9 ακίδων (DE-9) είναι ο πιο συνήθης για τους περισσότερους υπολογιστές. Υπάρχει μια πληθώρα μετατροπέων από π.χ. 25 σε 9 pin, από σειριακή σε παράλληλη καθώς και μετατροπείς από αρσενικό σε θηλυκό. Μία τυπική προέκταση σειριακού καλωδίου ένα καλώδιο που φέρει ένα αρσενικό και ένα συνδετήρα ως ακροδέκτες. αποτελείται από θηλυκό 177

182 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Α.5. Καλωδίωση μεταξύ σειριακών θυρών Α. RS232 ΔΙΕΠΑΦΗ Η σειριακή διεπαφή αποτελείται από τρεις ομάδες συνδέσμων: 1. Μία κοινή γραμμή σήματος επικοινωνίας Common Ground (ακίδα 5) 2. Δύο γραμμές δεδομένων (ακίδες 2 και 3) RD: Δεδομένα λήψης TD: Δεδομένα αποστολής 3. Πέντε γραμμές διαπραγμάτευσης (ακίδες 4,6,7,8 και 1): DTR: Σήμα που στέλνει ο υπολογιστής στην εξωτερική συσκευή για να δείξει ότι είναι έτοιμος να δεχθεί μετάδοση (Data Terminal Ready) DSR: Σήμα που στέλνει η εξωτερική συσκευή στον υπολογιστή για να δηλώσει ότι η πληροφορία είναι έτοιμη προς μετάδοση ( Data Set Ready) RTS: Αίτηση αποστολής (Request To Send ) CTS: Σήμα που χρησιμοποιείται για να δείξει τη διαθεσιμότητα σύνδεσης για αποστολή σε συγκεκριμένη κατεύθυνση (Clear To Send ) DCD: Data Carrier Detect. Σήμα δήλωσης εντοπισμού φορέα δεδομένων. Ονομάζεται επίσης RLSD (Received Line Signal Detect, παραλαμβανόμενο σήμα εντοπισμού γραμμής). ΣΗΜΕΙΩΣΗ : Η ακίδα 9 στον παραπάνω διασυνδέτη είναι ανενεργή.συνήθως χρησιμοποιείται ως Ring Indicator στα modem, όταν υπάρχει κλήση στο σήμα της τηλεφωνικής γραμμής. 178

183 Παράρτημα Α Ανάλογα με τις ανάγκες των εξωτερικών συσκευών, μπορεί να υπάρχουν διασυνδέτες τριών επαφών για απλή σύνδεση, ή πέντε επαφών για έλεγχο ροής δεδομένων. Για την πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιούνται οι δύο πρώτες ομάδες (Common Ground, TD και RD) ενώ στην δεύτερη προστίθενται και τα RTS και CTS. Α.6. Τύποι σειριακών συσκευών Υπάρχουν δύο τύποι συσκευών 6 για την πραγματοποίηση μίας επικοινωνίας μέσω της σειριακής θύρας : DTE ( Data Terminal Equipment ) 7 και DCE (Data Communications Equipment ή Data Carrier Equipment) 8. DTE : H τερματική συσκευή εξοπλισμού (DTE) είναι ένας μηχανισμός-συσκευή, που μετατρέπει τις πληροφορίες που στέλνει ο χρήστης κάποιου υπολογιστή σε σήματα κατάλληλα προς μετάδοση ή αναδιαμορφώνει τα λαμβανόμενα σήματα από κάποια συσκευή σε πληροφορίες που μπορεί να χειριστεί ο χρήστης. Η μετάδοση των δεδομένων αυτών γίνεται πάντοτε σύμφωνα με το πρωτόκολλο σύνδεσης. DCE : 179

184 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή H συσκευή DCE ( Data Communications Equipment ή Data Carrier Equipment ) είναι ένας μηχανισμός που εγκαθίσταται μεταξύ μιας συσκευής DTE και ενός κυκλώματος μετάδοσης. Η συσκευή DCE εκτελεί λειτουργίες όπως μετατροπή σήματος, κωδικοποίηση και χρονισμό μετάδοσης και μπορεί να είναι τμήμα της συσκευής DTE ή ενδιάμεσου εξοπλισμού. Εξοπλισμός διεπαφής μπορεί να απαιτείται για να συνδέσει την συσκευή DTE με το κύκλωμα μετάδοσης ή από το κύκλωμα μετάδοσης προς την συσκευή DTE. Οι δύο αυτοί τύποι συσκευών (DTE και DCE) είναι συμπληρωματικοί με τα σήματα ΕΞΟΔΟΥ μιας DTE θύρας να είναι τα σήματα ΕΙΣΟΔΟΥ μιας DCE θύρας και τα σήματα ΕΞΟΔΟΥ μιας DCE θύρας να είναι τα σήματα ΕΙΣΟΔΟΥ μιας DTE θύρας. Έτσι, οι συσκευές DTE διαβιβάζουν σήμα συνήθως στην ακίδα 2 και λαμβάνουν σήμα στην ακίδα 3. Στις συσκευές DCE συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο: η ακίδα 2 λαμβάνει και η ακίδα 3 διαβιβάζει τα σήματα. 180

185 Παράρτημα Α Ένας γενικός κανόνας είναι ότι οι συσκευές DCE παρέχουν σήμα χρονισμού (εσωτερική χρονομέτρηση) και η συσκευή DTE συγχρονίζεται στο παρεχόμενο ρολόι (εξωτερική χρονομέτρηση). Παραδείγματος χάριν, σε ένα κύκλωμα σύνδεσης υπολογιστή με ένα μόντεμ θεωρούμε ως DTE την συσκευή-εξοπλισμό υποστήριξης της επικοινωνίας του υπολογιστή και ως DCE συσκευή το μόντεμ. Η ταξινόμηση DTE/DCE εισήχθη από την ΙΒΜ και, γενικά, οι υπολογιστές έχουν DTE αρσενικούς διασυνδέτες, ενώ οι περιφεριακές συσκευές έχουν DCE θηλυκούς διασυνδέτες. Α.7. Τα καλώδια Όταν συνδέουμε μία συσκευή DTE σε μία DCE ακολουθείται ακριβής αντιστοιχία (ένα προς ένα) ως προς την αντιστοίχιση των ακίδων. Όταν συνδέουμε δύο DTE ή δύο DCE συσκευές μεταξύ τους, χρησιμοποιούμε καλώδιο Crossover (διασταυρωμένο) με την εξής αντιστοίχιση : TD ->RD, RTS- >CTS, DTR->DSR. Το καλώδιο άμεσης διασύνδεσης δύο υπολογιστών (DTE) επίσης εξομοιώνει τις συνδέσεις του μόντεμ σε CD/DSR, και συνήθως καλείται "Null Modem" καλώδιο. 181

186 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Υπάρχει επίσης και διπλός διασυνδέτης χωρίς (εξωτερικό) καλώδιο σε μορφή εξαρτήματος που ονομάζεται «Null modem προσαρμογέας». Το μήκος του καλωδίου μεταξύ των συσκευών σύμφωνα με την προδιαγραφή RS232C, δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 50 πόδια ή 15,24 μέτρα για την μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης. Μετά το όριο αυτό, η μετάδοση των δεδομένων χρειάζεται ενισχυτή σήματος. Συνήθως όμως, μπορούμε να αγνοήσουμε το όριο αυτό αν χρησιμοποιούμε υψηλής ποιότητας καλώδιο με θωράκιση. Σημαντικός παράγοντας είναι ο ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος του εξωτερικού περιβάλλοντος που όσο αυξημένος είναι, τόσο χαμηλότερη πρέπει να είναι η ταχύτητα μετάδοσης για να επιτυγχάνεται αξιόπιστη επικοινωνία. Αυτό σημαίνει πως ακόμη και αν το μήκος του καλωδίου είναι κατά πολύ μικρότερο από το άνω όριο της προδιαγραφής, ενδέχεται να έχουμε προβλήματα μετάδοσης εφόσον ο εξωτερικός θόρυβος είναι πολύ ισχυρός εξαιτίας της λειτουργίας άλλων συσκευών που βρίσκονται κοντά. Σε κάθε περίπτωση που η μετάδοση γίνεται προβληματική για κάποιον ή κάποιους από τους παραπάνω λόγους, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια πληθώρα ενισχυτών που διατίθενται στο εμπόριο, ακόμη και σε συνδιασμό με μετατροπείς π.χ. από USB σε σειριακή. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι διαφορές στην ικανότητα μετάδοσης σήματος μέσω των καλωδίων, αναλόγως της ταχύτητας μετάδοσης των δεδομένων, με ή χωρίς θωράκιση. 182

187 Παράρτημα Α Ταχύτητα μετάδοσης Μήκος Θωρακισμένου Μήκος ΜΗ Θωρακισμένου (Baud Rate) Καλωδίου (μέτρα) Καλωδίου(μέτρα) ,01 15, ,20 30, ,40 76, ,60 152, ,40 152, ,20 304, ,00 304,80 Α.8. Σύγχρονη και ασύγχρονη επικοινωνία Υπάρχουν δύο τρόποι σειριακής επικοινωνίας: η σύγχρονη και η ασύγχρονη. 1. Με την σύγχρονη επικοινωνία, δύο συσκευές συγχρονίζονται και στέλνουν συνεχώς σήματα ώστε να παραμείνουν συγχρονισμένες. Ακόμη κι αν δεν υπάρχει ροή πραγματικών δεδομένων (δηλαδή, ουσιαστική μεταφορά πληροφοριών), μία συνεχή ροή από ψηφία (bit) επιτρέπει σε κάθε συσκευή να γνωρίζει την κατάσταση στην οποία βρίσκεται η άλλη. Αυτό γίνεταιι με την μετάδοση ενός χαρακτήρα δήλωσης της κατάστασης αδράνειας.η σύγχρονη μετάδοση είναι γρηγορότερη από την ασύγχρονη διότι δεν χρειάζονται επιπλέον χαρακτήρες για την σηματοδότηση έναρξης μετάδοσης δεδομένων, αλλά ούτε και χαρακτήρα τερματισμού της ροής αυτής. 2. Στην ασύγχρονη επικοινωνία, λόγω της επεξεργασίας των δύο επιπλέον bit (έναρξης και τέλους μετάδοσης δεδομένων) η ταχύτητα είναι μικρότερη της σύγχρονης. Εντούτοις, η ασύγχρονη επικοινωνία έχει το πλεονέκτημα ότι δεν επιβαρύνει τον επεξεργαστή με τους 183

188 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή χαρακτήρες δήλωσης αδράνειας. Μία ασύγχρονη γραμμή που βρίσκεται σε κατάσταση αδράνειας ορίζεται με την τιμή 1 (Ονομάζεται επίσης «mark state»). Χρησιμοποιώντας την τιμή αυτή που δείχνει την μη αποστολή δεδομένων, κάποια συσκευή μπορεί να διακρίνει αν πρόκειται για μία αδρανή γραμμή ή για μια αποσυνδεμένη γραμμή. Όταν πρόκειται να μεταδοθεί ένας χαρακτήρας, στέλνεται ένα bit έναρξης. Το bit έναρξης έχει τιμή 0 και ονομάζεται κατάσταση κενού διαστήματος (space state). Έτσι, όταν η γραμμή αλλάξει κατάσταση από την τιμή 1 στην τιμή 0, ο παραλήπτης ειδοποιείται πως ένας χαρακτήρας δεδομένων πρόκειται να μεταδοθεί. Οι σειριακές θύρες στους συμβατούς IBM υπολογιστές χρησιμοποιούν ασύγχρονες συσκευές και συνεπώς υποστηρίζουν μόνο ασύγχρονη επικοινωνία. Α.9. Επικοινωνία διπλής κατεύθυνσης Η σειριακή θύρα στους σύγχρονους υπολογιστές είναι full-duplex, που σημαίνει ότι μπορεί να αποστείλει αλλά και να παραλάβει δεδομένα, την ίδια στιγμή. Για να το επιτύχει αυτό, χρησιμοποιεί διαφορετικές γραμμές αποστολής (TD) και λήψης δεδομένων (RD). ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Κάποιοι τύποι σειριακών συσκευών χρησιμοποιούν επικοινωνία μονής κατεύθυνσης (half-duplex) και έτσι χρησιμοποιούν μόνο δύο καλώδια : το TD και Common Ground. Α.10. Επικοινωνία με τα ψηφία (bit) Μόλις αποσταλεί το ψηφίο εκκίνησης, ξεκινά η μετάδοση της πληροφορίας. Μπορούμε να ορίσουμε 5,6,7, ή 8 bit δεδομένων και θα πρέπει να τόσο ο αποστολέας όσο και ο παραλήπτης να συμφωνούν στον αριθμό αυτό, καθώς επίσης και στην ταχύτητα μετάδοσης. Οι περισσότερες συσκευές μεταδίδουν στοιχεία χρησιμοποιώντας 7 ή 8 bit δεδομένων. Είναι προφανές ότι όταν επιλέξουμε 7 bit δεδομένων δεν μπορούμε να μεταδώσουμε χαρακτήρα μεγαλύτερο από τον

189 Παράρτημα Α Α.11. Το ψηφίο ισοτιμίας (Parity bit) Επιπρόσθετα στον συγχρονισμό που παρέχεται από την χρήση των ψηφίων έναρξης και τερματισμού της μετάδοσης της πληροφρίας, υπάρχει το ψηφίο ισοτιμίας που προαιρετικά μπορεί να μεταδίδεται μαζί με τα δεδομένα. Η χρήση του ψηφίου αυτού συντελεί στον εντοπισμό λαθών κατά την μετάδοση των δεδομένων. Μπορούμε να επιλέξουμε άρτιο ψηφίο, περιττό ψηφίο, ψηφίο mark, κενό ψηφίο ή τίποτα. Όταν επιλέξουμε άρτιο ή περιττό ψηφίο, ο αριθμός το ψηφίων με τιμή 1 σε κάθε ψηφίο δεδομένων καταμετρείται και ένα μονό ψηφίο μεταδίδεται και ακολουθεί τα ψηφία δεδομένων δηλώνοντας αν ο αριθμός των ψηφίων που προηγήθηκαν με τιμή 1 είναι άρτιος ή περιττός. Παραδείγματος χάριν, όταν επιλέξουμε άρτιο ψηφίο ισοτιμίας, το ψηφίο αυτό μεταδίδεται με τιμή 0 αν ο αριθμός των ψηφίων μέσα στα δεδομένα που προηγήθηκαν είναι άρτιος αριθμός. Για την δυαδική τιμή το ψηφίο πλεονασμού θα ήταν 0. Α.12. Διαμόρφωση της σειριακής θύρας Το πρώτο μέρος (εντοπισμού του υλικού ή διαμόρφωση χαμηλού επιπέδου) είναι ο ορισμός σε κάθε θύρα μια διεύθυνση IO (εισόδου-εξόδου), μία αίτηση διακοπής IRQ (Interrupt Request), και ένα όνομα (όπως COM1 ή ttys2). Αυτή η χαμηλού επιπέδου διαμόρφωση πρέπει να τεθεί τόσο στο υλικό όσο και να δηλωθεί στον σειριακό οδηγό. Στους σύγχρονους υπολογιστές, η διαμόρφωση αυτή καθορίζεται αυτόματα κατά την εκκίνηση του υπολογιστή μέσω του bios καθώς και κατά την «φόρτωση» του λειτουργικού προγράμματος, χωρίς να απαιτούνται άλλες επιπρόσθετες ενέργειες. Στο δεύτερο μέρος (υψηλό επίπεδο διαμόρφωσης) ορίζεται το baud rate (ποσοστό εύρους της μετάδοσης), ο αριθμός των data bits (στοιχείων δεδομένων) που απαιτούνται για την κωδικοποίηση ενός χαρακτήρα, το parity bit (δυαδικό ψηφίο ισοτιμίας), τον αριθμό των stop bits (δυαδικό ψηφίο τέλους) 185

190 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή και το flow control (έλεγχο ροής) για να σταματήσει και να επαναληφθεί η διαβίβαση δεδομένων. Αυτό γίνεται συχνά από τα προγράμματα επικοινωνίας. Εντούτοις, θα πρέπει να δηλώσουμε στα προγράμματα αυτά ποια ταχύτητα θέλουμε, κ.λπ. είτε μέσα από το ίδιο το πρόγραμμα κάνοντας χρήση κάποιας επιλογής του, είτε επεξεργαζόμενοι ένα εξωτερικό αρχείο διαμόρφωσης. Α.13. Συνδέοντας το Metex ME 21 πολύμετρο Το πολύμετρο Metex ME 21 παίζει τον ρόλο του μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό. Η συσκευή αυτή συνδέεται στην αναλογική έξοδο του οργάνου και διαμέσω της RS-232 θύρας εξόδου του πολύμετρου, στην σειριακή θύρα του υπολογιστή. Προτού επιχειρήσουμε να γράψουμε ή να διαβάσουμε τα δεδομένα, θα πρέπει τόσο η σειριακή θύρα όσο και το όργανο να έχουν ταυτόσημες ρυθμίσεις επικοινωνίας. Η διαμόρφωση της σειριακής θύρας προϋποθέτει τον ορισμό των τιμών που ελέγχουν το εύρος μετάδοσης(baud rate) καθώς και τα λοιπά στοιχεία διαμόρφωσης του σειριακού σήματος. Για το Metex Me 21, τα στοιχεία αυτά παρατίθενται παρακάτω: 186

191 Παράρτημα Α BaudRate 2400 DataBits 7 bit ASCII Parity None StopBits 2 Το Metext στέλνει δεδομένα σε «πακέτα» των 14 byte. Το τελευταίο byte είναι ο χαρακτήρας αλλαγής γραμμής (carriage return character -CR) και λειτουργεί ως χαρακτήρας τερματισμού. Μέσα από την εφαρμογή μας, συλλέγουμε τα δεδομένα από την θύρα διαβάζοντας ένα byte κάθε φορά και χρησιμοποιούμε τον χαρακτήρα τερματισμού ως αναγνωριστικό τερματισμού του συνόλου των byte αυτών. O κεντρικός υπολογιστής πρέπει να στείλει στο πολύμετρο τον χαρακτήρα D ο οποίος λειτουργεί ως εντολή για την εκκίνηση μετάδοσης των δεδομένων. Επειδή το Metex ME 21 δεν χρησιμοποιεί μηχανισμούς διαπραγμάτευσης (hardware handshaking) μέσω του υλικού του, πρέπει να καθορίσουμε την κλάση σύνδεσης «Αίτηση αποστολής» (RTS) ως ανενεργή. /* ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΣΕΙΡΙΑΚΗΣ ΘΥΡΑΣ */ fcurrentport.setserialportparams(2400, SerialPort.DATABITS_7, SerialPort.STOPBITS_2, SerialPort.PARITY_NONE); fcurrentport.setrts(false); fcurrentport.setdtr(true); 187

192 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Α.14. Προγραμματισμός της σειριακής θύρας Α. Μέθοδοι προσέγγισης και λειτουργικά συστήματα Ο χειρισμός των επικοινωνίων γίνεται με δύο μεθόδους : 1. Μπορούμε να επιλέξουμε το UART, για να δούμε εάν υπάρχουν διαθέσιμα νέα στοιχεία. 2. Μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα χειριστή διακοπών (interrupt handler) για να διαβάσουμε τα νέα δεδομένα από το UART όταν παραχθεί μία διακοπή. Η χρήση του UART είναι πολύ πιο αργή μέθοδος και επιβαρύνει σημαντικά την ΚΜΕ (κεντρική μονάδα επεξεργασίας), κατά συνέπεια μπορεί μόνο να έχει μια μέγιστη ταχύτητα περίπου 34.8 KBPS μέχρι να αρχίσουμε να χάνουμε δεδομένα. Σε ένα απλό λειτουργικό σύστημα όπως το MS-DOS, είναι εύκολο να δηλώσουμε τέτοιους χειριστές διακοπών, ιδιαίτερα όταν έχουμε να χειριστούμε εξωτερικές περιφεριακές μονάδες. Άλλα λειτουργικά συστήματα όπως το Linux ή τα MS-Windows χρησιμοποιούν την προσέγγιση της χρήσης ενός «οδηγού» ο οποίος «γαντζώνεται» επάνω σε αυτούς τους χειριστές διακοπών ή επάνω σε ρουτίνες υπηρεσιών. Στην περίπτωση αυτή, τα προγράμματα εφαρμογών αποκτούν πρόσβαση και χειρίζονται τις μονάδες αυτές μέσω των οδηγών και όχι άμεσα μέσω του εξοπλισμού. Στην πραγματικότητα, το πώς το κάνει ένα πρόγραμμα πραγματικά αυτό, εξαρτάται πολύ από το συγκεκριμένο λειτουργικό σύστημα που χρησιμοποιούμε. 188

193 Παράρτημα Α Β. Προγραμματισμός σε Java Όταν τα προγράμματά μας χρειάζεται να ελέγξουν κάποια όργανα, πρέπει να έχουμε πρόσβαση στους θύρες επικοινωνίας του λειτουργικού. Χρειάζεται να στείλουμε οδηγίες μέσω της σειριακής θύρας ενός υπολογιστή σε ένα όργανο, προκειμένου να παραληφθούν τα στοιχεία μέσω αυτής της θύρας. Η εικονική μηχανή της Java δεν δίνει την δυνατότητα στην τρέχουσα εφαρμογή να επικοινωνήσει μέσω των σειριακών θυρών. Αν και η ανεξαρτησία της πλατφόρμας είναι το σημαντικότερο πλεονέκτημα της Java, μερικές εφαρμογές απαιτούν πρόσβαση στο υλικό του υπολογιστή χωρίς περιορισμούς. Επιπρόσθετα, η Java έχει διάφορες θεμελιώδεις κλάσεις (ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Στον αντικειμενοστρεφή σχεδιασμό ή προγραμματισμό, κλάσεις ονομάζονται ομάδες αντικειμένων που μοιράζονται έναν κοινό ορισμό, κοινές ιδιότητες λειτουργίες και συμπεριφορά.) που περιέχουν αρχιτεκτονικά εξαρτώμενες μεθόδους. Αυτές οι εγγενείς μέθοδοι χρησιμεύουν ως η πύλη μεταξύ της εικονικής μηχανής της Java και του πραγματικού κόσμου. Εφαρμόζονται σε μια μητρική μεταγλωττισμένη γλώσσα στην αρχική πλατφόρμα λειτουργικού και παρέχουν χαμηλού επιπέδου πρόσβαση σε πόρους όπως το δίκτυο, το παραθυρικό σύστημα, και το κεντρικό σύστημα αρχείων. Η εφαρμογή αυτών των εγγενών μεθόδων γίνεται στην γλώσσα C και όχι στην Java. Ο μεταγλωττισμένος κώδικας για τις εγγενείς μεθόδους αποθηκεύεται σε δυναμικές βιβλιοθήκες διασύνδεσης (.dll στα Windows,.so στο Unix). Για τη μεταφορά ενός προγράμματος που αναπτύχθηκε για ένα συγκεκριμένο λειτουργικό σύστημα που χρησιμοποιεί τις εγγενείς μεθόδους, δεν υπάρχει κανένας λόγος επανεγγραφής ολόκληρου του κώδικα ή επαναμεταγλώττισής του, απλά, απαιτεί τον αντίστοιχο κώδικα για την DLL στην άλλη μητρική γλώσσα, για το νέο λειτουργικό σύστημα. Αντί όμως, να δημιουργήσουμε μία DLL που θα χρησιμοποιείται ως εγγενής κώδικας, ο ευκολότερος τρόπος είναι να επικοινωνήσουμε με αυτές τις 189

194 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή σειριακές θύρες μέσα από τα προγράμματα της Java, εκμεταλλευόμενοι τις διαθέσιμες κλάσεις επικοινωνίας. Η Sun παρέχει μια διεπαφή προγραμματισμού επικοινωνίας της Java (JCA) που είναι μια βιβλιοθήκη λογισμικού και αποτελείται από το πακέτο με το όνομα javax.comm. Με αυτό το πακέτο μπορούμε να αναπτύξουμε τις εφαρμογές που θα μπορούν να λειτουργούν σε διαφορετικές πλατφόρμες και να αλληλεπιδρούν με τις συσκευές που συνδέονται στις σειριακές θύρες RS232 καθώς και περιορισμένη πρόσβαση στην παράλληλη θύρα σε λειτουργία SPP.Δυστυχώς όμως, αυτό το πακέτο δεν συμπεριλαμβάνεται στην βασική ή επιχειρηματική έκδοση της Java και η κανονική εγκατάσταση δεν περιλαμβάνει αυτό το σύνολο αρχείων. Πρέπει να το κατεβάσουμε -μεταφορτώσουμε και να το εγκαταστήσουμε χωριστά. Για τα Windows της Microsoft μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την έκδοση της ΙΒΜ (οδηγός Comm παραθύρων της ΙΒΜ, ibmcomm.dll) του παλαιότερου JCA API (Java Communications API 2.01, win32comm.dll της Java) από την διεύθυνση ή την έκδοση της Sun από την διεύθυνση A6978B629982CAF048E5D Ο διαδικτυακός τόπος της Sun στην διεύθυνση αυτήν την περίοδο (javax.comm 3.0) παρέχει τα αρχεία κατάλληλα για τα συστήματα Solaris x86, Solaris 8 & 9 - Sparc και Linux. Α.15 JavaComm API Οι επικοινωνίες API της Java(tm) είναι μια τυποποιημένη επέκταση για την πλατφόρμα της Java. Μπορούμε να χειριστούμε ένα σύνολο αντικειμένων που αντιπροσωπεύουν τις σειριακές θύρες RS232 και IEEE 1284 παράλληλες θύρες σε μια πλατφόρμα 9. Με αυτές μπορούμε να αποκτήσουμε αποκλειστική πρόσβαση σε μία θύρα, να διαβάσουμε και να γράψουμε σε αυτή, είτε 190

195 Παράρτημα Α σύγχρονα είτε ασύγχρονα και να λάβουμε τα συμβάντα από την θύρα που δείχνουν κάποια αλλαγή στην κατάστασή της, όπως η άφιξη των στοιχείων. Υπάρχουν τρία επίπεδα κατηγοριών για τις επικοινωνίες της Java μέσω API: 1. Οι υψηλού επιπέδου κλάσεις όπως CommPortIdentifier και CommPort διαχειρίζονται την πρόσβαση και τον έλεγχο της θύρας επικοινωνίας. Η κλάση CommPortIdentifier μας απαλλάσει από την ακριβή ονομασία μιας θύρας σε ένα ιδιαίτερο σύστημα (δηλαδή «/dev/ttya» στα συστήματα Unix, και «COM1» στα συστήματα Windows) καθώς και από τον τρόπο αντιστοίχισής τους στο συγκεκριμένο σύστημα, επιτρέποντας την πρόσβαση στις σειριακές θύρες. Αυτό επιτρέπει στο πρόγραμμά μας να λειτουργεί ως σχεδόν ελεύθερο από τις δεσμεύσεις της πλατφόρμας του συγκεκριμένου λειτουργικού συστήματος. Επίσης, η κλάση αυτή, μας παρέχει την στατική μέθοδο getcommportidentifiers που μπορεί να απαριθμήσει όλες τις γνωστές θύρες επικοινωνίας του συστήματος. Επιπλέον, μπορούμε να προσθέσουμε τα δικά μας ονόματα θυρών για τις ψευδοθύρες επικοινωνίας χρησιμοποιώντας την μέθοδο addportname. Μια κατηγορία κλάσεων του CommPortIdentifier είναι η κλάση CommPort η οποία ορίζει τις λειτουργίες που τυπικά επιτελούνται μέσω μίας θύρας, όπως η παραλαβή και η αποστολή αντικειμένων εισόδου-εξόδου (Ι/Ο) με την χρήση των μεθόδων InputStream και OutputStream. Η κλάση CommPort περιλαμβάνει τις μεθόδους ελέγχου του όγκου μεταφοράς των δεδομένων καθώς και μέθοδο χειρισμού των εισαγόμενων δεδομένων. Επίσης παρέχει τις μεθόδους για να αποκτήσουμε πρόσβαση στις έξι γραμμές ελέγχου. Για τις δύο γραμμές ελέγχου εξόδου, DTR και RTS, υπάρχουν μέθοδοι και για να ορίσουν τη γραμμή και για να βρούν την τρέχουσα ρύθμιση. Για τις άλλες τέσσερεις γραμμές ελέγχου εισόδου, υπάρχουν μέθοδοι για να βρούν την τρέχουσα 191

196 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή κατάστασή τους. Για τη σύνδεση με συσκευές εκτός από τα μόντεμ, είναι συχνά περιττό να χρησιμοποιηθούν όλες αυτές οι γραμμές ελέγχου. Παραδείγματος χάριν, στο παρακάτω πρόγραμμα επίδειξης, μόνο οι γραμμές CTS και RTS είναι ενεργές (συν την γραμμή γείωσης).2. Οι χαμηλού επιπέδου κλάσεις όπως η SerialPort και ParallelPort παρέχουν μια διεπαφή για τις φυσικές θύρες επικοινωνιών. Η τρέχουσα έκδοση της Java communications API επιτρέπει την πρόσβαση σε σειριακές (RS-232) και παράλληλες (IEEE 1284) θύρες.η κλάση SerialPort παρέχει μία μόνο μέθοδο για τον ορισμό του ποσοστού εύρους της μετάδοσης (baud rate), του αριθμού των στοιχείων των δεδομένων( data bits ), τον αριθμό του δυαδικού ψηφίου τέλους (stop bits), και το δυαδικό ψηφίο ισοτιμίας (parity): void SetSerialPortParams (int baud, int databits, int stopbits, int parity) 3. Οι κλάσεις των οδηγών (Driver-level classes) παρέχουν μία διεπαφή μεταξύ των κλάσεων χαμηλού επιπέδου και του λειτουργικού συστήματος που τις υποστηρίζει. Οι κλάσεις των οδηγών αποτελούν μέρος της υλοποίησης αλλά δεν αποτελούν τμήμα του Java communications API και δεν θα πρέπει να χρησιμοποιούνται από το πρόγραμμα εφαρμογής. Τα πάντα στα δυαδικά αρχεία της Java αποθηκεύονται με κωδικοποίηση bigendian, MSB(Most Significant Byte), που συνήθως ονομάζεται network order (διατάξη δικτύου). Αυτό πρακτικά σημαίνει πως αν χρησιμοποιούμε μόνο Java για την συγγραφή προγραμμάτων, όλα τα αρχεία αποθηκεύονται με τον ίδιο τρόπο σε όλα τα λειτουργικά συστήματα Mac, PC, Solaris, κλπ. Πρόβλημα προκύπτει όταν πρέπει να ανταλλαγούν αρχεία δεδομένων που έχουν παραχθεί από προγράμματα που χρησιμοποιούν διάταξη little-endian και δεν έχουν γραφτεί σε Java, όπως συνήθως γίνεται με την C σε κάποιο PC. Κάποια λειτουργικά χρησιμοποιούν διάταξη big-endian εσωτερικά όπως Mac, IBM 390. Μερικά χρησιμοποιούν little-endian διάταξη (Intel). Στο JDK

197 Παράρτημα Α (Java Development Kit) υπάρχει ένα τμήμα μεθόδου του Integer, Long, Short και Char που ονομάζεται reversebytes και που μπορεί να αλλάξει την διάταξη αυτή. Α.16. Άλλες γλώσσες προγραμματισμού H Visual Basic χρησιμοποιεί τους οδηγούς των Windows για την επικοινωνία με την σειριακή θύρα, οι ρυθμίσεις των οποίων έχουν περιγραφεί στην αρχή του κεφαλαίου αυτού. Η επικοινωνία αυτή γίνεται με χρήση της κλάσης MsComm. Αν είναι ήδη εγκατεστημένη η κλάση αυτή στην VB, θα πρέπει να εμφανίζεται στην φόρμα των συστατικών (component) ένα εικονίδιο τηλεφώνου που ως βάση του έχει ένα modem. Διαφορετικά, πρέπει να την εγκαταστήσουμε επιλέγοντας το Microsoft Comm Control στα Components ή στα Custom Controls (για την VB4). Απαραίτητη προϋπόθεση είναι να υπάρχουν τα αρχεία MsComm16.ocx ή MsComm32.ocx στον κατάλογο \WINDOWS\SYSTEM. Η κλάση αυτή παρέχει δύο τρόπους ελέγχου της επικοινωνίας: Οδηγούμενη από συμβάντα (event driven) και polling. Η πρώτη μέθοδος είναι η καλύτερη μέθοδος ελέγχου της σειριακής επικοινωνίας επειδή δεν δεσμεύει ολοκληρωτικά τον υπολογιστή και του επιτρέπει να εκτελεί και άλλες λειτουργίες. Ως συμβάν μπορούμε να ορίσουμε την παραλαβή ενός χαρακτήρα, την αλλαγή του CD(caqrrier detect) ή την αλλαγή του RS (request to send) μέσω της μεθόδου OnComm που μας παρέχει η κλάση MsComm, και ακόμη να ελέγξουμε για τα τυχόν-λάθη επικοινωνίας. Η δεύτερη μέθοδος (polling) χρησιμοποιείται όταν θέλουμε η εφαρμογή μας να περιμένει την αποστολή ενός συγκεκριμένου χαρακτήρα από την εξωτερική συσκευή. 193

198 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Χρησιμοποιείται κυρίως ως μέθοδος διαγνωστική, αλλά έχει ως συνέπεια την δέσμευση του επεξεργαστή. Χρησιμοποιώντας ένα συστατικό (component ) MsComm στην VB έχουμε την δυνατότητα να ελέγξουμε τις παραμέτρους της επικοινωνίας με τις ιδιότητες : Settings για ρύθμιση των baud rate, parity bit, data bit και stop bit, ComPort για ορισμό της θύρας και ComOpen για άνοιγμα κλείσιμο της θύρας. Για τον έλεγχο των εισερχομένων δεδομένων υπάρχουν τρείς κύριες ιδιότητες : Input που επιστρέφει τους εισερχόμενους χαρακτήρες και τους αφαιρεί από το buffer, InputBufferSize για τον ορισμό του πλήθους χαρακτήρων που μπορούν να παραληφθούν και InputBufferCount για τον συνολικό αριθμό των χαρακτήρων στην είσοδο της θύρας. Αντίστοιχα, για τα εξερχόμενα δεδομένα υπάρχουν τρείς επίσης, ιδιότητες : Output, OutBufferSize και OutBufferCount. Άλλες ιδιότητες όπως Break, CDTimeOut, CTSHolding, DSRHolding κ.ά. είναι επίσης διαθέσιμες, παρέχοντάς μας πλήρη έλεγχο της σειριακής θύρας 10. Για τις Borland Delphi, C++ Builder υπάρχει μια πληθώρα συστατικών (components) που λειτουργούν σε διάφορες εκδόσεις των Windows και μπορούμε να βρούμε ελεύθερα στην διεύθυνση Αρκετά από αυτά στηρίζονται αποκλειστικά στο API των Windows παρέχοντάς μας μεθόδους και ιδιότητες ανάλογες με αυτές που έχουν περιγραφεί παραπάνω για την VB. Εκτός από τα συστατικά αυτά, οι παραπάνω γλώσσες μπορούν να χρησιμοποιήσουν κάποια DLL για να αποκτήσουν τον έλεγχο της σειριακής. Για την ενεργοποίηση μιας τέτοιας DLL, αρκεί η κλίση της στην αρχή του προγράμματος. Ανεξάρτητα με τον αρχικό κώδικα στην οποία είναι γραμμένη, η επικοινωνία γίνεται απρόσκοπτα με χρήση διαφόρων συναρτήσεων και διαδικασιών που είναι συνήθως- γραμμένες σε C. Στην πράξη, αρκετά από τα 194

199 Παράρτημα Α συστατικά για τα οποία μιλήσαμε παραπάνω, μπορεί να αποτελούν ενθυλακώσεις τέτοιων DLL. 195

200 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Παράλληλη Θύρα Α.17 Περιγραφή της παράλληλης θύρας Η παράλληλη θύρα είναι μια διεπαφή εισόδου-εξόδου (Ι/Ο) που αρχικά δημιουργήθηκε για την επικοινωνία του υπολογιστή με τον εκτυπωτή. Σχεδόν όλοι οι υπολογιστές, έχουν τέτοια θύρα και χρησιμοποιούν -συνήθωςδιασυνδέτη τύπου DB-25 για την σύνδεση με τους εκτυπωτές αλλά και με άλλες συσκευές που χρειάζονται μεγαλύτερο εύρος μετάδοσης από την σειριακή. Συχνά καλείται θύρα Centronics 11 από το όνομα της εταιρείας που παρείχε τους εκτυπωτές στην IBM, η οποία καθιέρωσε το πρότυπο μονόδρομης επικοινωνίας μεταξύ ενός υπολογιστή και ενός εκτυπωτή. H αμφίδρομη μετάδοση (bi-directional) μέσω της παράλληλης θύρας έχει εισαχθεί από την IBM το 1987 με τα PS/2. Νεότεροι υπολογιστές που υποστηρίζουν τα EPP (Enhanced Parallel Port) και ECP (Extended Capabilities Port) πρότυπα επικοινωνίας, επιτυγχάνουν ταχύτητα μετάδοσης μέχρι και 15 φορές μεγαλύτερη από την θύρα Centronics. Η τελευταία προδιαγραφή της παράλληλης θύρας είναι η IEEE και έχει παρουσιαστεί τον Μάρτιο του 1994 από την Network Printing Alliance (NPA). Η τελευταία αναθεώρηση της προδιαγραφής ισχύει από το Η παράλληλη θύρα, λόγω της ικανότητάς της για μετάδοση μεγαλύτερου όγκου δεδομένων σε σχέση με την σειριακή, καθώς και με την δυνατότητα ελέγχου της 196

201 Παράρτημα Α εξωτερικής συσκευής, μπορεί να χρησιμοποιείται για τον έλεγχο και την επικοινωνία ενός πλήθους συσκευών, εργαστηριακών και μη. Τα τελευταία χρόνια, η παράλληλη θύρα τείνει να απουσιάζει κυρίως από τους φορητούς υπολογιστές λόγω του μεγέθους αλλά και του κόστους της, προς όφελος της νεότερης θύρας USB. Α.18 ΔΙΑΤΑΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ υπολογιστή συνδεδεμένου με εξωτερική συσκευή μέσω της παράλληλης θύρας. Η χρήση της παράλληλης θύρας για τον έλεγχο εξωτερικών συκευών εμπλέκει τον υπολογιστή μέσω της παράλληλης θύρας, το καλώδιο με τους διασυνδέτες και την εξωτερική συσκευή (εκτυπωτή, σαρωτή ή αλλη συσκευή π.χ. αποθήκευσης, ελέγχου κ.ά.). Σε σχέση με την σειριακή θύρα, ο έλεγχός της πραγματοποιείται όχι μέσω κάποιου ολοκληρωμένου κυκλώματος UART, αλλά μέσω λογισμικού. Σε συστήματα υπολογιστών με επεξεργαστή παλαιότερο από Pentium, η παράλληλη θύρα υποστηρίζεται από ξεχωριστή κάρτα και είναι τύπου SPP (Standard Parallel Port ) ή PS/2. Ο τρόπος ενεργοποίησης της κατάστασης λειτουργίας στα συστήματα αυτά, τις περισσότερες φορές, γίνεται με μικροβραχυκυκλωτήρες, επάνω στην κάρτα 13. Στους νεότερους επεξεργαστές τις ρυθμίσεις αυτές επιτυγχάνουμε μέσω του Bios.Οι συνήθεις επιλογές για την λειτουργία SPP είναι «συμβατό», «κανονικό», «σύνηθες». «Εμπλουτισμένη» λειτουργία σημαίνει EPP ή ECP κατάσταση ενώ «BPP» και «Εκτεταμένη» συνήθως σημαίνει PS/2 λειτουργία. 197

202 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Παρακάτω αναλύονται : Η μετάδοση σήματος μέσω της παράλληλης θύρας. Οι τύποι των διασυνδετών (connectors). Η καλωδίωση των παράλληλων θυρών, η ονομασία των ακίδων των διασυνδετών καθώς και οι συνδέσεις τους. Α.19. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ μέσω της παράλληλης θύρας Η μετάδοση των πληροφοριών μέσω της παράλληλης θύρας, γίνεται με ρυθμό 8 bit κάθε φορά. Αυτό σημαίνει πως η παράλληλη μετάδοση είναι τουλάχιστον 7 φορές πιο γρήγορη από την σειριακή που χρησιμοποιεί μόνο ένα καλώδιο μετάδοσης σήματος (TD). Πέντε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας έχουν υιοθετηθεί για την παράλληλη θύρα, σύμφωνα με την προδιαγραφή IEEE 1284 : 1. Κατάσταση συμβατότητητας ( Compatibility Mode )Γνωστή επίσης ως Centronics, κανονική ή SPP, είναι μία μονόδρομη μετάδοση με ελάχιστες διαφορές από την αρχική σχεδίαση της Centronics. 2. Κατάσταση Nibble ( Nibble Mode )Προσφέρει μονόδρομη μεταφορά δεδομένων που επιτρέπει στην συσκευή να μεταδίδει επιπλέον 4 bit πληροφορίας, κάθε στιγμή, χρησιμοποιώντας τις γραμμές κατάστασης. Η θύρα αυτή καθιερώθηκε από την HP (Hewlett Packard) Κατάσταση Byte ( Byte Mode )Επιτρέπει στην συσκευή να μεταδίδει 8 bit κάθε φορά χρησιμοποιώντας τις γραμμές μετάδοσης δεδομένων. 4. Enhanced Parallel Port (EPP) Προσφέρει αμφίδρομη μεταφορά δεδομένων μέσω των ίδιων γραμμών. Με την EPP επιτυγχάνονται 198

203 Παράρτημα Α ταχύτητες μέχρι 2 Mbit ανά δευτερόλεπτο, περίπου 15 φορές αυτήν της κανονικής μετάδοσης με πολύ μικρότερη χρήση του επεξεργαστή. Έχει σχεδιαστεί για την υποστήριξη εξωτερικών συσκευών, εκτός των εκτυπωτών, και ειδικά για συσκευές αποθήκευσης προσφέροντας μεγάλη ταχύτητα μετάδοσης. 5. Extended Capability Port (ECP)Είναι παρόμοια με την προηγούμενη αλλά έχει την δυνατότητα άμεσης προσπέλασης της μνήμης με ταυτόχρονη συμπίεση των δεδομένων, χωρίς να επιβαρύνει τον υπολογιστή, επιτυγχάνοντας έτσι ταχύτητες που φτάνουν τα 2,5 Mbit ανά δευτερόλεπτο. Αντίθετα με τον σχεδιασμό της EPP, η θύρα αυτή σχεδιάστηκε για να παρέχει την μέγιστη λειτουργικότητα και ταχύτητα με στόχο τους εκτυπωτές. Οι υπολογιστές τελευταίας τεχνολογίας μπορούν να λειτουργούν την παράλληλη θύρα σε ECP ή EPP κατάσταση, ή και στις δύο ταυτόχρονα. Α.20 ΤΥΠΟΙ διασυνδετών Ο διασυνδέτης που εφαρμόζεται στον υπολογιστή είναι του τύπου DB-25 (αρσενικός 25 ακίδων) από την κατηγορία D- sub (βλέπε τύποι διασυνδετών σειριακής θύρας) ενώ ο διασυνδέτης που εφαρμόζεται στην άκρη π.χ. του εκτυπωτή είναι τύπου Centronics (θηλυκός 36 ακίδων) Η συμπαγής στήριξη του διασυνδέτη Centronics επιτυγχάνεται με παράπλευρα ελάσματα τα οποία βρίσκονται επάνω στην συσκευή και τα οποία «κουμπώνουν» επάνω στον διασυνδέτη. 199

204 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Υπάρχει μια πληθώρα μετατροπέων από σειριακή DB25 αρσενική σε παράλληλη ή από USB σε παράλληλη ή από DB25 αρσενική σε Centronics36 θηλυκή κλπ. αλλά και από σειριακή σε παράλληλη (και αντιστρόφως). Μία τυπική προέκταση παράλληλου καλωδίου αποτελείται από ένα καλώδιο που φέρει ένα αρσενικό DB25 συνδετήρα και έναν αντίστοιχο θηλυκό ως ακροδέκτες. 200

205 Παράρτημα Α Α.21. Καλωδίωση μεταξύ παράλληλων θυρών Το καλώδιο της παράλληλης φέρει στην μία άκρη του διασυνδέτη DB25 αρσενικό που εφαρμόζεται στην έξοδο του υπολογιστή και στην άλλη διασυνδέτη τύπου Centronics 36 ακίδων: Κάθε ακίδα του διασυνδέτη DB25 αντιστοιχίζεται σε μία ακίδα του διασυνδέτη Centronics36 ξεκινώντας από την ακίδα 1 έως την 25. Οι υπόλοιπες ακίδες του διασυνδέτη Centronics36 είναι ανενεργές. Υπάρχουν 3 βασικές κατηγορίες συνδέσεων στην παράλληλη θύρα: Γραμμές δεδομένων - Data lines (ακίδες 2 έως 8 )Αυτές οι 8 γραμμές μεταφέρουν τα δεδομένα μεταξύ του υπολογιστή και της εξωτερικής συσκευής. Γραμμές ελέγχου - Control lines (ακίδες 1, 14, 16 και 17 )Μεταφέρουν σήματα ελέγχου από τον υπολογιστή στην εξωτερική συσκευή.αποστολή σήματος στην ακίδα 1 ειδοποιεί την εξωτερική συσκευή ότι η αποστολή δεδομένων είναι εξέλιξηαποστολή σήματος στις ακίδα 14,16 και 17 ενεργοποιούν κάποιες λειτουργίες στην εξωτερική συσκευή. (Π.χ. όταν η εξωτερική συσκευή είναι ένας εκτυπωτής ενεργοποιούνται κατά σειρά: αυτόματη τροφοδότηση, αρχικοποιήση και απενεργοποίηση συσκευής). Γραμμές κατάστασης - State lines (ακίδες 10, 11, 12, 13 και 15 )Μεταφέρουν σήματα που δείχνουν την κατάσταση της εξωτερικής συσκευήςτο σήμα στην ακίδα 10 αναφέρει στον υπολογιστή ότι η εξωτερική συσκευή έχει παραλάβει τα δεδομένατο σήμα στην ακίδα 11 δείχνει ότι η εξωτερική συσκευή είναι απασχολημένη.το σήμα στην ακίδα 12 δείχνει ότι 201

206 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή έχει τελειώσει το χαρτί του εκτυπωτή.το σήμα στην ακίδα 13 δείχνει ότι η εξωτερική συσκευή είναι συνδεδεμένη και ενεργή.το σήμα στην ακίδα 15 δείχνει ότι η εξωτερική συσκευή έχει κάποιο πρόβλημα ΣΗΜΕΙΩΣΗ 1 : Οι ακίδες 18 έως 25 είναι ακίδες γείωσης ΣΗΜΕΙΩΣΗ 2 : Η χρήση των ακίδων 18 έως 25 για μετάδοση δεδομένων επιτρέπει την full-duplex μετάδοση. Υπάρχουν δύο τύποι παράλληλων καλωδίων για υπολογιστές σε ευρεία χρήση. Ο παλαιός τύπος IBM (με προδιαγραφή της Centronics) και ο καινούργιος IEEE 1284, αμφίδρομης επικοινωνίας. Το μήκος του καλωδίου μεταξύ των συσκευών σύμφωνα με την προδιαγραφή Centronics, δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 15 πόδια ή 4,5 μέτρα. Η προδιαγραφή IEEE 1284 ανεβάζει το μήκος αυτό στα 10 μέτρα. Μετά το όριο αυτό, η μετάδοση των δεδομένων χρειάζεται ενισχυτή σήματος. Υπάρχει μια πληθώρα τέτοιων ενισχυτών, με ή χωρίς εξωτερική τροφοδοσία όπως φαίνεται παρακάτω : 202

207 Παράρτημα Α Α.22 Προγραμματισμός της παράλληλης θύρας Α ΓΕΝΙΚΑ Στα λειτουργικά συστήματα μέχρι και τα Windows Me 15 η επικοινωνία με την παράλληλη θύρα πραγματοποιείται εύκολα με χρήση συναρτήσεων του DOS που διαβάζουν και γράφουν απευθείας στην διεύθυνση της. Οι συναρτήσεις εισόδου και εξόδου δεδομένων είναι η _inp(port), για την ανάκτηση των δεδομένων από την παράλληλη θύρα και η _outp(port) για την αποστολή δεδομένων στην παράλληλη θύρα. Ο τρόπος αυτός επικοινωνίας είναι απλός αλλά αργός και δεν εξασφαλίζει τον αποκλειστικό έλεγχο της θύρας από άλλα προγράμματα ή συσκευές του συστήματος. Έτσι, στα συστήματα ΝΤ, XP και μετά, για λόγους ασφάλειας, η επικοινωνία αυτή δεν γίνεται απευθείας, αλλά μέσω οδηγών. Συνέπεια αυτού, είναι η εμφάνιση στην αγορά εταιρειών που παρέχουν ειδικούς οδηγούς, για τα προαναφερθέντα συστήματα 16. Στα Windows 3.x/9x/NT υπάρχουν συναρτήσεις του API με τις οποίες μπορούμε να έχουμε πρόσβαση στην παράλληλη θύρα. Στα Windows 2000/XP προστέθηκαν αναβαθμισμένοι οδηγοί για την παράλληλη με υποστήριξη των καταστάσεων SPP, PS/2 (Byte), EPP, και ECP. Η κλάση Parclass ελέγχει τις συσκευές που συνδέονται στην παράλληλη ενώ η Parport είναι ο οδηγός του λειτουργικού που ελέγχει την παράλληλη θύρα. Σχετικά με τους βασικούς οδηγούς αλλά και την δημιουργία νέων οδηγών για περιφερειακές συσκευές από τρίτους κατασκευαστές μπορείτε να βρείτε περισσότερες πληροφορίες στην διεύθυνση Σχεδόν όλες οι γλώσσες προγραμματισμού επιτρέπουν στους 203

208 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή προγραμματιστές να έχουν πρόσβαση στην παράλληλη θύρα, χρησιμοποιώντας συναρτήσεις δυναμικών βιβλιοθηκών (DLLs). Παραδείγματος χάριν, η Borland C παρέχει τις συναρτήσεις «Inportb» και «Outportb» για να διαβάσει ή να γράψει στις περιφερειακές μονάδες. Παραδείγματα χρήσης των συναρτήσεων «Inportb» και «Outportb» καθώς και απλές εφαρμογές χρήσης της παράλληλης θύρας γραμμένες σε C αποδεικνύουν ότι ο έλεγχος κάποιας εξωτερικής συσκευής μέσω της παράλληλης θύρας είναι σχετικά απλή διαδικασία 17. Η δημιουργία μιας DLL με ενσωματωμένες τις συναρτήσεις που δίνουν πρόσβαση στην παράλληλη θύρα, κάνει εύκολη την επικοινωνία και. σε άλλες γλώσσες προγραμματισμού π.χ. Visual Basic, Borland Delphi, C++, C#, Java, κλπ. Ένας τέτοιος οδηγός, που όμως έχει το πλεονέκτημα να λειτουργεί στα λειτουργικά των Windows 98, 2000, NT και XP, είναι ο InpOut Πρόκειται για μία DLL με την οποία μπορούμε να στείλουμε δεδομένα σε μια παράλληλη θύρα, αλλά και να ανακτήσουμε δεδομένα από αυτήν σε όλα τα λειτουργικά συστήματα των Windows. Το αρχείο αυτό διατίθεται δωρεάν, μαζί με τον πηγαίο κώδικά του, καθώς και παραδείγματα σε Borland C++ και Real Basic, στην διεύθυνση 0/NT/XP.html Για παραδείγματα σε C# μπορείτε να δείτε στην διεύθυνση Ειδικότερα για την Java πρέπει να χρησιμοποιήσουμε το πακέτο επέκτασης javax.comm για να επικοινωνήσουμε με την παράλληλη θύρα. Το πακέτο αυτό παρέχει τις ελάχιστες δυνατότητες ελέγχου της παράλληλης θύρας που είναι εστιασμένες στον εκτυπωτή, που -όπως είναι γνωστό- αποτελεί τον πρωταρχικό στόχο της παράλληλης θύρας. Στην πράξη όμως, ούτε η χρήση του πακέτου commapi 19 που παρέχει η SUN για καλύτερο έλεγχο των συσκευών εισόδου εξόδου φαίνεται να λύνει επαρκώς το πρόβλημα ελέγχου της επικοινωνίας. Οι λύσεις που φαίνεται να λειτουργούν για την Java είναι ανάλογες με τα λειτουργικά συστήματα στα οποία πρόκειται να 204

209 Παράρτημα Α χρησιμοποιηθούν και χρησιμοποιούν την δύναμη της C για τον απευθείας έλεγχο της παράλληλης σε συνδιασμό με το Java Native Interface (JNI). Σημειώστε ότι αυτό έχει ως αρνητική συνέπεια την δέσμευσή μας από την πλατφόρμα στην οποία λειτουργεί η συσκευή που θέλουμε να ελέγξουμε. Μία τέτοια Java κλάση είναι η ParallelPort που διατίθεται δωρεάν από την διεύθυνση Σχετικές οδηγίες για την εγκατάσταση υπάρχουν στην παραπάνω διεύθυνση, ενώ η κλάση αυτή είναι δοκιμασμένη σε συστήματα με λειτουργικά Windows 9x και διάφορους επεξεργαστές (Intel 486, Pentium MMX, Pentium II ). Σε λειτουργικά όπως NT, 2000 και XP χρειάζεται να εγκατασταθεί συμπληρωματικά ένας οδηγός πυρήνα (kernel mode driver) τον οποίο μπορούμε να κατεβάσουμε από την διεύθυνση επιλέγοντας το αρχείο userport.zip. 205

210 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Β ΒΑΣΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ Πηγαίνουμε Έναρξη Πίνακας ελέγχου Σύστημα Υλικό Διαχείριση συσκευών και επιλέγουμε Θύρες ( COM και LPT) Θύρα εκτυπωτή LPT. Η καρτέλα «Ρυθμίσεις θυρών» μας δίνει την δυνατότητα να ορίσουμε αν θα χρησιμοποιούνται διακοπές (interupts) για τον έλεγχο της θύρας και τον αριθμό της θύρας. Στην καρτέλα «Πόροι» εμφανίζονται οι διευθύνσεις της παράλληλης θύρας. Έστω ότι βρίσκουμε «Περιοχή εισόδου-εξόδου»= F. Αυτό σημαίνει πως η διεύθυνση των δεδομένων (data port) είναι η 0378, η διεύθυνση των καταστάσεων (status port) είναι η 0379 και η διεύθυνση του ελέγχου (control port) είναι η 037A. Αν χρειαστεί να αλλάξουμε την κατάσταση λειτουργίας της παράλληλης (συνήθως από ECP σε EPP, εκτός κι αν ο υποστηρίζεται η κατάσταση ECP+EPP), θα πρέπει να την ορίσουμε στο bios του συστήματος, πριν την εκκίνηση του λειτουργικού. Η ρύθμιση της κατάστασης λειτουργίας της παράλληλης θύρας και η γνώση της διεύθυνσης της θύρας, μας δίνουν την δυνατότητα συγγραφής ενός προγράμματος σε C που θα στέλνει δεδομένα ή θα ελέγχει την κατάσταση κάποιας εξωτερικής συσκευής χωρίς ιδιαίτερες δυσκολίες

211 Παράρτημα Α Θύρα Ethernet Α.23 Περιγραφή της θύρας Ethernet Η θύρα Ethernet σχεδιάστηκε με στόχο την πραγματοποίηση της επικοινωνίας μεταξύ υπολογιστών που συνδέονται με ένα καλώδιο το οποίο λειτουργεί ως μέσο μεταφοράς του σήματος. Αρχικά, για την περιγραφή της μετάδοσης αυτής, χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι περιγραφής αντίστοιχης των ραδιοφωνικών μεταδόσεων. Ο αντιστοιχίες αυτές σύνδεσαν αυτό το «νέο κανάλι επικοινωνίας» με τον Αιθέρα (Ether) και από αυτόν γεννήθηκε ό όρος "Ethernet". Ωστόσο, σε σχέση με την ραδιοφωνική μετάδοση υπάρχουν σημαντικές διαφορές λόγω ακριβώς της ύπαρξης καλωδίου π.χ. στην εξακρίβωση σφαλμάτων μετάδοσης που είναι πολύ πιο αποτελεσματική στο νέο μέσο 21. Φωτογραφία της IEEE του διαγράμματος με τους αρχικούς όρους για την περιγραφή του Ethernet σχεδιασμένο από τον Robert M. Metcalfe (1973). Υπάρχουν δύο βασικά είδη δικτύων : τα τοπικά (LAN Local Area Network) και τα ευρείας περιοχής (WAN Wide Area Network), ενώ τελευταία- αναπτύσσεται ταχέως ένα ακόμη είδος δικτύου που ονομάζεται PAN (Personal Area Network), το οποίο αναφέρεται στην ασύρματη επικοινωνία μεταξύ διαφόρων μικρών προσωπικών συσκευών, όπως κινητά τηλέφωνα ή υπολογιστές χειρός και παλάμης (Palmtop, Handheld, PDA)

212 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Το τοπικό δίκτυο είναι περισσότερο αξιόπιστο από το απομακρυσμένο αν και η απόσταση που μπορεί να καλύψει σήμερα έχει ενισχυθεί σημαντικά με τα καλώδια οπτικών ινών (μέχρι δεκάδες χιλιόμετρα). Το Ethernet είναι μία τεχνολογία τοπικού δικτύου (LAN) που έχει πλήρως υιοθετηθεί από την βιομηχανία και έχει ευρέως διαδοθεί, επειδή πρόκειται για μια τεχνολογία ανοικτή που συνδιάζει απλότητα και αξιοπιστία. Η προδιαγραφή IEEE δημοσιεύτηκε το 1985 ενώ νεότερες δημοσιεύσεις καλύπτουν τις τεχνολογικές εξελίξεις μέχρι σήμερα 23. Α.24 Τοπικά Δίκτυα Ένα τοπικό δίκτυο συνδέει σταθμούς εργασίας, προσωπικούς υπολογιστές, εκτυπωτές, εξυπηρετητές καθώς και διάφορες συσκευές μεταξύ τους, με μεγάλη ταχύτητα. Τα τοπικά δίκτυα προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως κοινή χρήση συσκευών και αρχείων, επικοινωνία μεταξύ χρηστών, επικοινωνία με εξωτερικές συσκευές, όργανα κλπ. To Ethernet αποτελεί το βασικό πρωτόκολλο της τεχνολογίας Carrier sense multiple access with collision detection ( CSMA/CD ) για την μετάδοση των πληροφοριών. Όταν μία συσκευή πρόκειται να στείλει δεδομένα, πρώτα «ακούει» το δίκτυο για να διαπιστώσει αν κάποια άλλη συσκευή χρησιμοποιεί το δίκτυο εκείνη την στιγμή. Αν δεν υπάρχει άλλη μετάδοση, ξεκινά την δική της. Μετά το τέλος της εκπομπής, «ακούει» για την ύπαρξη εμπλοκής (collision). Εμπλοκή παρουσιάζεται όταν δύο συσκευές μεταδίδουν δεδομένα ταυτοχρόνως. Όταν εμφανιστεί μια τέτοια εμπλοκή, κάθε συσκευή περιμένει για ένα τυχαία επιλεγχμένο χρόνο πριν ξαναρχίσει να μεταδίδει τα δεδομένα της. 208

213 Παράρτημα Α Στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν θα ξαναπαρουσιαστεί εμπλοκή μεταξύ των συσκευών αυτών. Εξαιτίας της λειτουργίας αυτής, όσο περισσότερο απασχολημένο είναι ένα δίκτυο, τόσες περισσότερες εμπλοκές εμφανίζονται σε αυτό. Έτσι, όσο αυξάνει ο αριθμός των συσκευών σε ένα δίκτυο, τόσο πέφτει η απόδοση της μετάδοσης. Μία λύση για την παραπάνω κατάσταση είναι η χρησιμοποίηση μεταγωγέων (switches) που κατατέμνουν το δίκτυο σε υποσύνολα, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο αριθμός των εμπλοκών που εμφανίζονται. Συνήθως, στα δίκτυα CSMA/CD, όταν μία συσκευή στέλνει πληροφορίες δεν μπορεί ταυτόχρονα να λαμβάνει πληροφορίες από την συσκευή με την οποία επικοινωνεί. Αυτή ονομάζεται μετάδοση half-duplex. Με την χρήση των μεταγωγέων (switches) γίνεται δυνατή η full-duplex μετάδοση, δηλ. γίνεται δυνατή η ταυτόχρονη αποστολή και λήψη δεδομένων από και προς την συσκευή 24. Υπάρχουν τρείς τρόποι μετάδοσης του σήματος μέσα σε ένα δίκτυο: unicast, multicast και broadband. Η unicast μετάδοση είναι η εκπομπή από μία πηγή σε ένα δέκτη-στόχο. Η multicast μετάδοση είναι η εκπομπή από μία πηγή σε πολλούς δέκτεςστόχους που έχουν δηλωθεί ως παραλήπτες του σήματος. Η broadcast μετάδοση είναι η εκπομπή από μία πηγή σε πολλούς δέκτεςστόχους ενός δικτύου. Α.25 Στοιχεία του Δικτύου Τα τοπικά δίκτυα (LAN) αποτελούνται από στοιχεία δικτύου και διασυνδεμένα μέσα. 209

214 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Τα στοιχεία του δικτύου αυτού, ανήκουν σε δύο κατηγορίες : DTE ( Data Terminal Equipment ) και DCE (Data Communications Equipment), για τα οποία αναφερθήκαμε αναλυτικότερα στο κεφάλαιο της σειριακής επικοινωνίας. DTE : Είναι συσκευές οι οποίες αποτελούν είτε την πηγή είτε τον προορισμό των δεδομένων. Συνήθως πρόκειται για υπολογιστές, εξυπηρετητές αρχείων, σταθμούς εργασίας ή εξυπηρετητές εκτυπωτών που συχνά αναφέρονται ως τερματικά. DCE : Είναι ενδιάμεσες συσκευές οι οποίες παραλαμβάνουν και προωθούν σήματα και δεδομένα διαμέσω του δικτύου. Μπορεί να είναι αυτόνομες συσκευές όπως αναμεταδότες, διακόπτες δικτύου ή δρομολογητές ή διεπαφές επικοινωνιών όπως κάρτες (Network interface cards-nic) ή μόντεμ. 210

215 Παράρτημα Α Α.26 Τα καλώδια Διατίθενται σε 5 διαφορετικές ανάλογα με την χρήση τους: Cat 1 - Μόνο για φωνή (απλό τηλεφωνικό καλώδιο) Cat 2 - Για δεδομένα μέχρι 4 Mbps Cat 3 - Για δεδομένα μέχρι 10 Mbps (Ethernet) Cat 4 - Για δεδομένα μέχρι 20 Mbps (16 Mbps για TokenRing συνδεσμολογία) Cat 5 και 5e - Για δεδομένα μέχρι 100 Mbps (Γρήγορο Ethernet) Cat 6 - Για δεδομένα μέχρι 200 Mbps Cat 7 - Για δεδομένα μέχρι 600 Mbps Η ευρωπαϊκή κατηγοριοποίηση είναι λίγο διαφορετική : Class A: Για καλώδια μέχρι 100 khz, για απλά τηλεφωνικά ( Hz) και ISDN βασικά (144 kbit/s) Class B: Μέχρι 1 MHz, για ISDN βασικό (144 kbit/s) και ISDN πρωτεύον (2 Mbit/s) Class C: Μέχρι 16 MHz, για 10Base-T Ethernet καιtoken Ring συνδεσμολογία (4 Mbit/s και 16 Mbit/s) Class D: Μέχρι 100 MHz, για Token ring 16 Mbit/s, 100Base-T Ethernet, CDDI (Twisted pair FDDI), ATM TP 155 Mbit/s (Twisted pair ATM) Class E: Μέχρι 250 MHz, για 1000Base-T Class F: Μέχρι 600 MHz, για εφαρμογές που δεν έχουν οριστεί ακόμη (2-3 Gbit/s). Χρειάζονται ειδικούς διασυνδέτες ( το κανονικό-τυπικό RJ- 45 δεν επαρκεί). Πλήρως θωρακισμένο σύστημα διασυνδέτη-υποδοχέα είναι απαραίτητο, πιθανώς θωρακισμένο σε κάθε ζεύγος. Optical Class: Οπτική ίνα για 10BaseF, 100BaseF, οπτική ίνα Token Ring, FDDI, ATM 211

216 Κόζαρης Ιωάννης Διδακτορική διατριβή Το ομοαξονικό καλώδιο ήταν παλαιότερα το αποκλειστικό μέσο μεταφοράς των πληροφοριών σε ένα τοπικό δίκτυο, με διασυνδέτες τύπου BNC ( bayonet Neill- Concelman ) ενώ σήμερα- το καλώδιο συνεστραμμένου ζεύγους το έχει αντικαταστήσει. Υπάρχουν 3 κατηγορίες συνεστραμμένων καλωδίων: FTP (foiled twisted pair), STP (shielded twisted pair) και UTP (unshielded twisted pair), όλα προερχόμενα από την βιομηχανία της τηλεφωνίας. Το UTP καλώδιο έχει καθιερωθεί λόγω της ευκαμπτότητάς του και του χαμηλού κόστους του. Όλα αυτά τα καλώδια χρησιμοποιούν τους ίδιους διασυνδέσμους που καλούνται- εσφαλμένα RJ45, αντί για 8P6C. Σήμερα, τα πιο ευρέως διαδεδομένα καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους είναι τα 10BASE-T, 100BASE-TX (Fast Ethernet), και 1000BASE-T(Gigabit Ethernet), με μέγιστες ταχύτητες τα 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, και 1000 Mbit/s (1 Gbit/s), αντιστοίχως. 212