MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technické a informační výchovy Realizace elektronických systémů v prostředí základní školy Bakalářská práce Brno 2014 Vedoucí práce: Autor práce: Mgr. Martin Kučera Tomáš Hromčík Bibliografický záznam Hromčík, Tomáš. Realizace elektronických systémů v prostředí základní školy: bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra technické a informační výchovy, 2014. 64 l., 3 l. příl. Vedoucí bakalářské práce Mgr. Martin Kučera. Anotace Bakalářská práce „Realizace elektronických systémů v prostředí základní školy“ pojednává o možnosti zařazení této problematiky do výuky v technicky zaměřených předmětech na 2. stupni ZŠ. Dále se zabývá metodami návrhu desek plošných spojů – pomocí informačních technologií a návrhového systému EAGLE, i technikami jejich realizace. Práce je koncipována jako výuková opora pro pedagogy těchto předmětů na ZŠ. Annotation Diploma thesis „Realization of electronic systems in the enviroment of elementary school“ deals with the possibility of including this range of problems into teaching of technical subjects on the second grade of primary school. It also deals with designing of Printed Circuit Boards (PCB) – by using information technology and design-system EAGLE, and also techniques for their creating. Thesis is conceived as an educational support for teachers of technical subjects in elementary school. Klíčová slova Elektronické systémy, program EAGLE, metody návrhu DPS, techniky vytváření DPS, technická výchova na ZŠ. Keywords Electronic systems, programme EAGLE, methods of designing PCB, techniques for creating PCB, technical education at elementary school. 2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně a použil jen prameny uvedené v seznamu literatury. V Brně dne 20. dubna 2014 Tomáš Hromčík 3 Poděkování Především bych chtěl poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce, Mgr. Martinu Kučerovi za odborné vedení při zpracování bakalářské práce, za cenné rady, připomínky a odborné konzultace. 4 5 Obsah ÚVOD ..................................................................................................................................................................... 7 1 SOUČASNÉ TRENDY V TECHNICKÉM VZDĚLÁVÁNÍ NA ZŠ ............................................................. 8 1.1. MOTIVACE PRO ZAŘAZENÍ TÉMATU DO VÝUKY NA 2. STUPNI ZŠ .................................................................. 9 1.2. MOŽNOSTI ZAŘAZENÍ PROBLEMATIKY TVORBY DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ PODLE RVP-ZV ......................... 10 2 REALIZACE DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ................................................................................................. 14 2.1 SOUČASNÉ METODY NÁVRHŮ DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ............................................................................... 15 2.2 MOŽNOSTI VYUŽITÍ INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ PRO TVORBU NÁVRHŮ DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ............ 21 2.3 SOUČASNÉ NEJPOUŽÍVANĚJŠÍ TECHNIKY VÝROBY DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ................................................ 26 3 NÁVRHOVÝ SYSTÉM EAGLE V PROSTŘEDÍ ZŠ .................................................................................. 35 3.1 POPIS VÝVOJOVÉHO PROSTŘEDÍ .................................................................................................................. 36 3.2 ZÁKLADY VYTVÁŘENÍ SCHÉMAT ................................................................................................................. 43 3.3 ZÁKLADY VYTVÁŘENÍ NÁVRHŮ DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ............................................................................ 51 4 ZÁVĚR .............................................................................................................................................................. 57 POUŽITÁ LITERATURA ................................................................................................................................. 58 SEZNAM OBRÁZKŮ ........................................................................................................................................ 61 SEZNAM PŘÍLOH ............................................................................................................................................. 64 PŘÍLOHY ............................................................................................................................................................ 65 6 Úvod Práce si klade za cíl vytvořit výukovou oporu zabývající se problematikou realizace elektronických systémů v prostředí ZŠ. Informace, uvedené v opoře, mohou využít učitelé technicky zaměřených předmětů k obsahovému rozšíření učiva. První kapitola pojednává o aspektech zařazení problematiky realizace elektronických systémů do výuky technicky zaměřených předmětů na druhém stupni ZŠ podle Rámcového vzdělávacího programu pro základní vzdělávání (dále jen RVP-ZV). Ve druhé kapitole práce popisuje náležitosti správně nakresleného schématu zapojení, návrhu DPS včetně osazovacího plánu. Práce popisuje pravidla, týkající se kreslení schémat a vytváření návrhů DPS. Dále jsou zde v přehledu uvedeny návrhové systémy pro vytváření DPS. Následující podkapitola popisuje tři techniky, které jsou adekvátní podmínkám ZŠ. Jedná se o tyto: vyškrabávání barvy nanesené na cuprextitové desce, nažehlování toneru a fotocestu. Poslední kapitola této práce je zaměřena na možnost zařazení počítačového návrhového systému EAGLE do výuky a práci s ním. Nejprve je popsáno vývojové prostředí tohoto programu. Dále je na vybraném zapojení ukázána práce s modulem schémat – Schematic a modulem pro návrh DPS – Board. Všechny postupy jsou popsány na vybraném elektronickém obvodu – zapojení dvou- LED diodového blikače s integrovaným obvodem NE555. 7 1 Současné trendy v technickém vzdělávání na ZŠ Vyučování technické výchovy na základních školách prošla velkými změnami. Nynějším trendem vyučování technické výchovy na základních školách je vyučování informatiky a dílenské praxe jsou zanedbávány. Hrbáček (2012, str. 1) uvedl: „Je obecně známo, že za posledních dvacet let se téměř vytratily v mnoha oblastech výuky experimenty, učební pomůcky, modely, praktické ukázky a cvičení. Výuka technické výchovy na základních školách se významně zredukovala, změnila svůj obsah a práce v dílnách je již téměř vzácností. Uvedené bylo většinou nahrazeno počítačovými animacemi, simulacemi či videonahrávkami.“ Zela (2012, str. 41-61) ve své diplomové práci prezentuje výsledky výzkumného šetření, které se zabývá zařazováním tematických okruhů ze vzdělávací oblasti Člověk a svět práce do výuky na 2. stupni základní školy. Výzkum byl na ZŠ prováděn ve školním roce 2010/2011, a to formou dotazníku. Do šetření bylo zapojeno 26 základních škol. Byly zde zahrnuty jak menší ZŠ, tak i školy ve větších městech. Rozložení dotazovaných škol bylo následující: 7 škol v obcích (do 3 000 obyvatel), 7 škol v malých městech (3 001 – 30 000 obyvatel) a 12 škol ve velkých městech (více jak 30 000 obyvatel). Výsledky výzkumu jsou následující: Podle výzkumu je předmět pracovní činnosti na základních školách nabízen častěji jako předmět povinný, než volitelný. Když předmět pracovní činnosti není žákům nabízen, tak nejčastějším důvodem, proč tomu tak je, bývá absence školních dílen. Ve výzkumu se dále zabývá otázkou, zda jsou pracovní činnosti vyučovány častěji v obcích, než-li větších, či velkých městech. Tato hypotéza nebyla potvrzena. Dále se zabýval náplní předmětu pracovní činnosti. Zde bylo zjištěno, že tematický okruh Práce s technickými materiály je v tomto předmětu vyučován častěji, než tematický okruh Design a konstruování. Právě elektronika, do které spadá mj. i zaměření této práce, bývá ze všech výše zmíněných oblastí vyučována nejméně. Dále bylo zjištěno, že 21% dotazovaných škol nemá aprobované učitele pro výuku pracovních činností. Výuku tohoto předmětu má v ŠVP zahrnutou 73% škol, které se do výzkumu zapojily. A poslední zjišťovanou oblastí byla dotace předmětu. Výsledky jsou následující: na 68% škol je předmět vyučován pouze jednu hodinu týdně, 21% škol vyučuje předmět 2 hodiny týdně, 11% škol vyučuje předmět 5 hodin týdně formou blokové výuky ve školním roce. Nejčastější důvody, proč se to tak děje jsou tyto – buď nemá škola dostatečně zařízenou školní dílnu pro výuku technických předmětů, nebo v této oblasti pedagogové, do 8 jejichž kompetence tato výuka spadá, nemají potřebné znalosti a dovednosti pro zařazení tohoto, i podobných témat do výuky. (Zela, 2012, str. 41-61) 1.1. Motivace pro zařazení tématu do výuky na 2. stupni ZŠ Proč by měla být do výuky na ZŠ zařazen právě obsah realizace elektronických systémů? Z úvodu v první kapitole vyplývá, že témata týkající se návrhu a vytváření DPS nebo v širším pojetí elektroniky a elektrotechniky, většinou nebývají zařazována do výuky, i když je k tomu podle RVP-ZV vyčleněno několik tematických okruhů ve vzdělávací oblasti Člověk a svět práce. Jak píše Pecina (2009, str. 1): „Elektronika je v současné době velmi významným fenoménem, že je nutné se jí v odpovídající podobě ve výuce praktických činností na druhém stupni základní školy věnovat.“ Dále popisuje, že podmínkou pro tuto výuku není třeba mít profesionálně zařízenou laboratoř nebo dílnu, nýbrž i v amatérských školních či domácích podmínkách je možná realizace různých zajímavých elektronických zařízení – jako jsou například různé blikače, melodické zvonky, nabíječky, alarmy, elektronické zámky a mnohá další. „Zkušenosti z praxe ukazují, že se žáci experimentální praktické činnosti v této oblasti rádi věnují. Elektronika je také ideálním nástrojem