Informatica e meteorologia nella didattica per competenze

di Gianpaolo Rizzi

Liceo Scientifico Galileo Galilei, Erba (CO)

gprizzi@liceoerba.it

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MeteoNet  è una delle attività di un progetto più vasto, pensato da un gruppo di docenti del liceo scientifico Galileo Galilei, per la diffusione della cultura scientifica sul territorio.

Il progetto MeteoNet  nasce dall’attenzione data al desiderio espresso dagli studenti di diventare creatori e non solo fruitori di applicazioni. Osservando la soddisfazione degli studenti che, durante alcune attività laboratoriali, hanno scoperto la bellezza del creare piccole ma originali applicazioni  abbiamo ritenuto utile assecondare la loro curiosità per le tecnologie digitali per proporre una didattica più efficace.

La principale finalità del progetto è quella di offrire un occasione per favorire un apprendimento efficace, cioè stabilmente acquisito, in termini di conoscenze, abilità e competenze interdisciplinari.
L’esperienza desidera rispondere alle domande di senso spesso fatte dagli studenti che, di fronte alla fatica dell’apprendimento di nozioni astratte, pongono la rituale domanda “ma a cosa serve”.
A questa domanda, il gruppo di docenti che ha dato vita al progetto, non vuole rispondere con un’ulteriore spiegazione astratta, ma con un invito: “fai e verifica tu stesso”.

Il tema scelto per la sperimentazione è quello della realizzazione di una rete di stazioni meteorologiche. La scelta deriva dalla presenza nel gruppo di progetto di insegnanti di fisica, scienze, matematica ed informatica che, nell’area della supervisione dei fenomeni meteorologici locali, hanno individuano temi interdisciplinari ed interessi e competenze sovrapposte.

Il presupposto del progetto è l’adesione allo spirito della Riforma della Scuola che sottolinea l’importanza del  passaggio dalla Didattica delle conoscenze alla Didattica delle competenze.

Il progetto utilizza come strumenti per raggiungere gli obiettivi prefissati alcune delle tecnologie informatiche più interessanti del momento: la piattaforma Arduino, i servizi disponibili sul Cloud, i sistemi mobili basati su Android, il web programmabile e l’ Internet delle cose(IoT).

Il progetto meteoNet è stato definito nei dettagli operativi nei mesi estivi del 2015 e la sua realizzazione è iniziata nei primi mesi dell’anno scolastico 2015.
Il progetto si è sviluppato in modalità mista nel senso che sono state svolte sia attività curriculari per tutti gli studenti che attività pomeridiane facoltative.

Le discipline coinvolte

Il progetto ha una natura interdisciplinare che coinvolge le discipline di fisica, scienze, matematica, informatica e disegno.

Il gruppo di progetto ha effettuato alcune riunioni plenarie per concordare gli obiettivi ed i criteri generali di progetto. I docenti hanno poi sviluppato i temi concordati, monitorando gli avanzamenti e le criticità con brevi incontri informali e con l’utilizzo della comunicazione digitale, strumento che si è mostrato efficace per la condivisione delle informazioni.
Nel corso del progetto si sono aggiunti due docenti di tecnologie, di una scuola media del territorio e che condividono la passione per l’utilizzo della tecnologia come leva didattica e che prevedono di utilizzare la metodologia del progetto per proporre analoghe attività nelle loro classi.

I criteri di progetto

Sul piano metodologico il criterio guida utilizzato è stato quello di attingere sempre alle conoscenze  acquisite dagli studenti nello svolgimento dei  programmi curriculari  e di trasformarle, con l’esecuzione di attività correlate allo sviluppo del progetto, in competenze saldamente acquisite.

Nel progetto MeteoNet è la concretezza del fare che trasforma le conoscenze in competenze utilizzabili dagli studenti in modo consapevole ed autonomo.

Più volte durante lo svolgimento delle attività abbiamo avuto modo di constatare come gli studenti abbiano ampliato autonomamente e migliorato quanto realizzato con il gruppo classe, proponendo originali soluzioni a particolari problemi incontrati nella fase di realizzazione. L’autonomia della rielaborazione è stata la conferma dell’efficacia del meccanismo di acquisizione delle competenze.

Il progetto è rivolto a studenti del quarto e quinto anno del liceo scientifico delle scienze applicate, e prevede la costruzione di una rete di stazioni meteorologiche per il monitoraggio delle grandezze fisiche che caratterizzano la situazione meteorologica della località in cui la stazione è  installata.

Le stazioni realizzate sono installate nell’istituto e presso le abitazioni degli studenti.

La prima fase del progetto che ha portato alla costruzione del prototipo della stazione ed alla creazione di una rete composta da 5 stazioni è terminata agli inizi del mese di maggio ed ha fornito i risultati previsti. La seconda fase che prevede l’analisi dei dati acquisiti, si svolgerà il prossimo anno scolastico quando le stazioni avranno registrato un congruo numero di dati.

Le competenze sviluppate dal progetto

La stazione nella sua versione base è in grado di misurare temperatura, pressione, umidità, intensità della radiazione luminosa ed umidità del terreno. E’ prevista una versione più completa in grado di misurare anche intensità delle precipitazioni e direzione del vento. Una successiva versione sarà in grado di effettuare anche misure relative alla qualità dell’aria.

Rizzi-1Per acquisire le misure la stazione utilizza una scheda di prototipazione elettronica interfacciata con appropriati sensori.
Le attività svolte per lo sviluppo della stazione sono organizzate in modo da trasformare in competenze le conoscenze della programmazione procedurale oggetto di studio dell’attività curriculare del terzo anno di informatica e le conoscenze acquisite nel corso di fisica del quarto e quinto anno relative allo studio dell’elettricità, del magnetismo e dei componenti elettrici.

L’analisi e la scelta delle grandezze da misurare e della correlazione di tali grandezze con la meteorologia locale, la scelta dei sensori e della loro collocazione è pensata con lo scopo di applicare le conoscenze acquisite nello studio del clima nella disciplina di scienze della terra.

I docenti di matematica presenti nel gruppo di progetto hanno suggerito  di archiviare i dati per poterli successivamente analizzare con l’uso di tecniche statistiche per evidenziare tendenze e correlazioni temporali e spaziali. Questa attività consentirà agli studenti di consolidare le loro competenze nell’ambito dell’utilizzo dei metodi statistici trattati curricularmente nella disciplina di matematica.

Per l’archiviazione si è deciso di optare per l’uso di servizi di archiviazione presenti sul Cloud. Questa scelta rende i dati più facilmente accessibili di quanto sarebbe stato permesso da una archiviazione locale ed inoltre consente di mostrare una significativa applicazione delle tecniche e dei protocolli di comunicazione in rete studiati nella materia di informatica nel quarto e quinto anno, trasformando anche in questo caso le conoscenze acquisite in competenze.

Tutte le stazioni meteorologiche disponibili commercialmente consentono di visualizzare le grandezze fisiche misurate su dei display lcd e le più evolute e più costose possiedono  un interfaccia bluetooh che permette di visualizzare le misure su un dispositivo mobile quando si è nelle vicinanze della stazione.
Il progetto prevede di sviluppare  una App per  telefono e tablet in grado di mostrare i valori misurati, non solo quando si è nel raggio d’azione del bluetooh, ma da qualunque posizione nella quale il telefono possa connettersi ad internet, ottenendo in questo caso funzionalità superiori a quelle di molte stazioni commercialmente disponibili.
Questo consente di sperimentare le tecniche di costruzione di applicazioni per dispositivi mobili dotate di interfaccia grafica, con lo scopo di sviluppare le competenze nel campo della creazione di programmi ad oggetti  gestiti ad eventi la cui teoria è oggetto di studio del programma curriculare di informatica del quarto anno.

Per sviluppare competenze anche nell’area del web programmabile, che offre preziose risorse che possono essere rielaborate localmente dall’utente per generare informazioni utili per scopi specifici, il progetto prevede di completare le funzionalità della stazione aggiungendo alla possibilità dell’accesso non solo ai dati registrati dalle stazioni ma anche ai dati previsionali, mostrati con diversi intervalli temporali e diverse risoluzioni. Per questo si è deciso di aggiungere all’ App anche la possibilità interrogare un servizio web di previsioni meteorologiche per visualizzare le previsioni tri -orarie per le 24 ore successive e le previsioni su base giornaliera per i cinque gironi successivi ottenute

Per fornire misure attendibili la stazione deve essere opportunamente posizionata.  Grazie alla disponibilità ed alle competenze di un docente dell’organico potenziato gli alunni hanno progettato un alloggiamento in grado di ospitare la stazione ed i sensori fornendo la protezione necessaria e le garanzie sull’attendibilità delle misure. Questa attività è stata svolta nell’ambito di un corso extracurriculare sull’uso del CAD al termine de quale gli studenti hanno utilizzato le competenze acquisite per proporre la propria soluzione.

La tabella successiva indica gli obiettivi suggeriti dalle linee guida ministeriali per il liceo scientifico delle scienze applicate ed evidenzia le competenze sviluppate dagli studenti nel corso del progetto.

Argomento delle linee guida Attività del progetto per lo sviluppo delle competenze
Implementazione di un linguaggio di programmazione, studio delle metodologie di programmazione Sviluppo di programmi per il sistema Arduino deputati alla gestione dei sensori digitali ed analogici.
Apprendere la sintassi di un linguaggio orientato agli oggetti Realizzazione del programma di gestione della stazione eseguibile su sistemi mobile basato sul   paradigma di programmazione ad oggetti e di gestione degli eventi
Studiare le funzionalità dei protocolli di rete, Scrittura del codice per la gestione della comunicazione tra Arduino ed il servizio di memorizzazione dei dati disponibile sul Cloud mediante l’utilizzo di socket e la gestione della sessione di comunicazione. Utilizzo del protocollo I2C per la comunicazione con i sensori della stazione meteo.
Studio di linguaggi di markup Decodifica dei dati restituiti dal servizio web in formato XML e JSON e loro presentazione in formato grafico e testuale all’utente
Studio dei complessi fenomeni meteorologici con approfondimento anche su temi applicativi Scelta e studio delle grandezze da acquisire, analisi dell’andamento temporale e spaziale dei parametri meteorologici sul territorio
Costruzione di un modello matematico di un insieme di fenomeni anche utilizzando strumenti informatici di rappresentazione geometrica e di calcolo Analisi statistica dei dati acquisiti, tramite il linguaggio e l’ambiente di sviluppo R
Nel secondo biennio e infine necessario che gli studenti siano introdotti alla conoscenza e all’ uso degli strumenti informatici per la rappresentazione grafica e la progettazione, in particolare dei programmi di CAD. Progettazione del contenitore per la scheda a microprocessore e per i sensori

I colori della tabella individuano le discipline coinvolte secondo la corrispondenza sotto indicata

Informatica
Scienze della terra
Matematica
Disegno

Gli strumenti  utilizzati

Il progetto è complesso e per rendere possibile la sua realizzazione a studenti del liceo delle scienze applicate è stato necessario scegliere con cura gli strumenti informatici, che devono essere ad un tempo potenti, per consentire di realizzare quanto desiderato,  ma il più possibile semplici per essere padroneggiati con le conoscenze curriculari di informatica che il ridotto numero di ore di insegnamento consente di trasmettere.

La scelta degli strumenti  ha considerato prioritaria la selezione di hardware e software a basso costo e open. Questa scelta è motivata dalla convinzione che il modello open di condivisione del sapere sia più efficace e più attento nell’uso delle risorse di altri modelli  e anche dalle limitate risorse economiche disponibili nell’istituto per l’acquisto sia di software che di hardware.

Questi criteri, anziché costituire una limitazione, sono stati degli indicatore di direzione che ci hanno portato a scegliere alcuni degli strumenti  in assoluto interessanti per un “artigiano digitale”.

Rizzi-2La piattaforma Arduino

Per la realizzazione della stazione meteorologica che si deve occupare dell’acquisizione delle misure delle grandezze fisiche è stata scelta la piattaforma Arduino uno R3, per il suo basso costo, per la semplicità d’uso e per la sua adesione alla filosofia open.

Rizzi-3Arduino è una scheda elettronica di piccole dimensioni con un microcontrollore ATmega, utile per creare rapidamente prototipi e per scopi hobbistici, didattici e professionali. Con Arduino si possono realizzare in maniera relativamente rapida e semplice progetti che utilizzano sensori, attuatori e comunicazione con altri dispositivi.
È fornito di un semplice ambiente di sviluppo integrato per la programmazione.
Tutto il software a corredo è libero, e gli schemi circuitali sono distribuiti come hardware libero

L’essere una piattaforma open hardware ha una positiva ricaduta economica, in quanto è possibile trovare sul mercato fornitori che offrono il prodotto anche a costi molto contenuti.
Inoltre il fatto che Arduino sia un progetto sviluppato in Italia è di incentivo alla creatività degli studenti che constatano come anche nel nostro paese le buone idee possono essere fonte di progresso per la collettività intera.
La scelta è risultata particolarmente gradita agli studenti che pur conoscendo di nome il progetto Arduino ed essendone incuriositi temevano di non avere conoscenze sufficienti per poterlo utilizzare. Alla scheda Arduino sono stati aggiunti opportuni sensori di misura.

Il servizio di memorizzazione dei dati sul Cloud

Esistono molti servizi web gratuiti che consentono di sviluppare progetti  di IoT anche di media complessità, dopo aver testato alcuni di questi servizi abbiamo scelto il servizio fornito da Thingspeak.com.

Rizzi-4ThingSpeak è un servizio web gratuito che permette di memorizzare dati nel Cloud e di sviluppare appicazioni IoT. Il servizio ThingSpeak™ mette a disposizione un interfaccia web che consente di visualizzare i dati e di analizzarli utilizzando MATLAB®. Il servizio consente anche di effettuare azioni sulla base dei valori attuali dei dati. Il servizio fornisce una documentazione esaustiva ed un protocollo di comunicazione che rende semplice trasferire i dati, bastano poche righe di codice scritte nello sketch di Arduino per inviare o ricevere i valori delle misure.

La creazione dell’ App di visualizzazione dei dati

Gli alunni delle classi quarte e quinte del liceo scientifico scienze applicate possiedono le conoscenze relative alla programmazione procedurale ed alla programmazione ad oggetti. Gli studenti del nostro liceo possiedono anche le conoscenze relative alla struttura delle applicazioni dotate di interfaccia grafica e gestite ad eventi. Dato l’esiguo numero di ore di insegnamento gli studenti non hanno l’opportunità di trasformare queste conoscenze in competenze utilizzabili per lo sviluppo di App utilizzando gli strumenti di sviluppo nativi del sistema Android.

Questo ostacolo può essere superato utilizzando un’ ambiente di sviluppo che è disponibile sul web ed è tanto semplice quanto potente: MIT App Inventor.

Rizzi-5Lo strumento attualmente del Massachusetts Institute of Technology, si propone di rendere il più semplice, intuitivo e rapido possibile il processo di realizzazione di una App (ovvero di un’applicazione destinata a essere eseguita su dispositivi di mobile computing, come smartphone o tablet) per sistemi operativi di tipo Android.

Grazie ad App Inventor, infatti, la creazione di AppAndroid diventa un processo incredibilmente intuitivo e, come tale, non più riservato ad una stretta cerchia di professionisti ma aperto anche (e soprattutto) a chi è alle prime armi e non ha solide conoscenze di programmazione (normalmente lo sviluppo di AppAndroid richiederebbe una buona conoscenza di Java quale pre-requisito per addentrarsi nel mondo dello sviluppo per Android). MIT App Inventor rappresenta un’opportunità importante anche per i programmatori più esperti. La potenza dell’interfaccia grafica può infatti essere molto utile anche per loro, per risparmiare tempo e velocizzare alcuni processi di sviluppo grazie all’integrazione della libreria Java Open Blocks mediante la quale è possibile gestire processi di programmazione in modo visuale attraverso semplici operazioni all’interno della GUI.

La potente interfaccia grafica di MIT App Inventor consente di organizzare ogni aspetto della propria app senza la necessità di scrivere codice, rimuovendo un importante ostacolo per i non addetti ai lavori.

La grafica dell’interfaccia è molto semplice ed intuitiva, grazie al drag-and-drop ed è molto simile ad altri ambienti di programmazione visuali come Scratch.
Oltre alle funzioni base (ad esempio aggiunta di pulsanti, caselle di testo, animazioni), sono messe a disposizione, sempre tramite interfaccia grafica, anche funzionalità più complesse, come ad esempio l’integrazione con social network come Twitter.

MIT App Inventor si propone come un software dedicato esclusivamente alla piattaforma Android ma, nonostante questo “limite” (se così lo si può definire), il progetto dl MIT ha raggiunto un grandissimo successo potendo vantare quasi due milioni di utenti in 195 Paesi.

Le previsioni meteo

Sul web esistono molti servizi che forniscono dati e previsioni meteorologiche. Alcuni dei servizi richiedono il pagamento di una tariffa altri invece consentono un utilizzo personale gratuito. Dopo aver effettuato un analisi dei servizi meteo disponibili gratuitamente abbiamo scelto il servizio di OpenWeatherMap.

Rizzi-6Questo servizio fornisce i dati meteo gratuitamente per più di 200.000 città. I dati possono essere richiesti da programmi scritti in qualunque linguaggio tramite le API di OpenWeatherMap.
La filosofia di OpenWeatherMap è analoga a quella di OpenStreetMap e di Wikipedia in quanto la società vorrebbe “rendere le informazioni meteo disponibili gratuitamente per tutti.”

Le API di OpenWeatherMap possono essere utilizzate dagli sviluppatori per creare applicazioni autonome  che utilizzano dati relativi alle condizioni meteo attuali, dati sulle previsioni a cinque giorni con risoluzione di tre ore e dati sulle previsioni a 16 giorni con risoluzione giornaliera.
Poiché i dati sono relativi ad un area di 10 Km di estensione nel progetto si utilizzano dati delle stazioni come valori attuali in quanto maggiormente precisi ed i dati forniti dal servizio per mostrare le previsioni della zona.
Le ‘API del servizio possono essere utilizzate gratuitamente per ottenere fino a 60 dati al minuto e questo è ampiamente sovrabbondante per l’applicazione di gestione della stazione meteo.

Strumenti ausiliari

Poiché nel progetto si sviluppano alcuni schemi circuitali per rappresentare i collegamenti tra i sensori e la scheda Arduino si è colta l’opportunità per trasferire agli studenti  competenze specifiche nell’uso di Fritzing un programma di Electronic Design Automation.  

Rizzi-7Il programma è rivolto a un’utenza non ingegneristica ed agevola la progettazione di prototipi basati su breadboard grazie alla vastissima libreria di componenti che mette a disposizione.
Fritzing è stato creato nello stesso spirito di Arduino  ossia fare in modo che designer, artisti, hobbisti o ricercatori possano documentare i loro prototipi basati su Arduino e creare i circuiti stampati da fabbricare.
Fritzing è  stato sviluppato dall’Interaction Design Lab della Fachhochschule Potsdam (Università di scienze applicate di Potsdam)

Questo è il potente set di strumenti dell’ “officina digitale” del nostro liceo, il loro uso  ha permesso di realizzare una interessante esperienza didattica, al termine della quale ciascun alunno ha realizzato il proprio prototipo funzionante della stazione di acquisizione di dati meteorologici.

Attualmente le prime stazioni realizzate lavorano in rete ed acquisiscono  i dati che saranno presto oggetto di analisi statistiche.

Sul web si trovano diversi progetti di stazioni meteo basate su Arduino analoghi a quello di MeteoNet, generalmente realizzati da hobbisti ed appassionati di elettronica.

Tuttavia anche va rimarcato che il progetto MeteoNet ha uno specifico scopo didattico che lo distingue da quelli. In ogni caso quanto realizzato nel progetto MeteoNet  è più completo perché oltre alla realizzazione  della stazione di misura ed al trasferimento dei dati sul Cloud, fornisce anche un’applicazione per telefono e tablet che integra la visualizzazione dei dati acquisiti e la gestione delle previsioni meteorologiche.

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