diplomka/kapitoly/2-analyza.tex

\chapter{Analýza didaktických materiálů} \label{kapitola:analyza}

Tato kapitola poskytuje výběr dostupných didaktických materiálů vhodných pro výuku na gymnáziích, v~kroužcích a~podobných vzdělávacích prostředích v~rámci výuky programování s~využitím jedno\-či\-po\-vých počítačů. Z~těchto učebnic jsou dále odvozeny specifické jednočipové počítače, tedy vývojové desky. Jejich vlastnostem a~hodnocení v~kontextu jejich využití ve výuce je dále věnována pozornost v~kapitole \ref{kapitola:nastroje}.

S~ohledem na specifické zaměření na vyšší stupeň gymnázia se tato práce nezabývá oblastí robotických hraček, jako jsou například \emph{Ozobot} nebo \emph{Sphero}. Tyto robotické hračky přinášejí do výuky nejen možnost rozvoje algoritmického myšlení, ale také zvýšení motivace žáků k~učení, rozvoj kreativity a~samostatného myšlení \parencite{vankova2019}. Přestože tyto nástroje mají své nezastupitelné místo zejména na základních školách, patří mimo rozsah zaměření této práce, která se věnuje pokročilejším nástrojům a~technologiím vhodným pro starší studenty a~náročnější projekty.


\section{Dostupné didaktické materiály} \label{sekce:materialy}

V~této sekci jsou shrnuty různé didaktické materiály, které učitel může zapojit do své výuky. Výběr materiálů byl sestaven na základě konzultací s~kolegy, kteří se věnují výuce programování jednočipových počítačů, a~analýzy běžně dostupných tištěných učebnic, ale také materiálů v~online podobě, které lze snadno nalézt při rychlém vyhledávání.

Významným zdrojem jsou učebnice a~vzdělávací materiály pro školy z~projektu iMyšlení, které se zaměřují na programování s~využitím různých nástrojů na různých úrovních vzdělávání. Tyto materiály byly rozsáhle ověřeny v~praxi, a~tudíž představují spolehlivý zdroj, podle kterého mohou učitelé modelovat svou výuku. \parencite{imysleni-ucebnice}

První z~nich nese název \emph{Robotika pro základní školy: programujeme micro:bit pomocí Makecode} \parencite{imysleni-microbit-makecode}. Jak již napovídá samotný název, tato učebnice je určena pro základní školy a~zaměřuje se na výuku vizuálního blokového programování. Studentům nabízí přístupný a~intuitivní způsob, jak si osvojit základy programování prostřednictvím vizuálních bloků, což značně usnadňuje pochopení principů imperativního programování. Svým obsahem však není vhodná pro výuku na vyšším stupni gymnázia či na středních školách, a~proto slouží spíše jako úvod do programování a~nástroj pro rozvoj algoritmického myšlení.

Druhá učebnice s~názvem \emph{Robotika pro střední školy: programujeme micro:bit pomocí Pythonu} \parencite{imysleni-microbit-python} se zaměřuje na imperativní programování v~jazyce MicroPython, který se více blíží cílům této práce, avšak výsledný kód lze stále použít pouze pro platformu micro:bit. Nabízí také vlastní knihovny, které nejsou univerzální mezi dalšími platformami.

Třetí z~učebnic, \emph{Robotika pro střední školy: programujeme Arduino} \parencite{imysleni-arduino}, se zaměřuje na populární otevřenou platformu Arduino, která je široce využívána po celém světě pro tvorbu elektronických zařízení a~systémů \parencite{arduino-introduction}. Podrobnější informace o~platformě Arduino jsou uvedeny v~sekci \ref{sekce:nastroje-arduino}. Učebnice se věnuje základní práci s~platformou, konkrétně s~deskou Arduino UNO, a~seznamuje čtenáře se základy jejího programovacího jazyka. Kromě teoretického základu obsahuje řadu projektů, které lze přímo začlenit do výuky. Velká část obsahu je navíc věnována základům elektrotechniky, jako je propojování jednotlivých součástek, což je nedílnou součástí práce s~touto platformou.

Podobným materiálem k~učebnici projektu iMyšlení je učebnice s~názvem \emph{ARDUINO PROJECTS BOOK} \parencite{arduino-projects-book}, která byla distribuována jako součást \emph{Arduino Starter Kit} a~byla dříve využívána v~rámci výuky na Gymnáziu Jana Keplera. Tato učebnice obsahuje stručné a~přehledné popisy elektronických součástek a~jejich zapojení. Kromě toho poskytuje příklady projektů uspořádaných podle obtížnosti a~pokročilosti. Každý z~těchto projektů má detailně popsáno zapojení a~příklad kódu, který je rozdělen do jednotlivých částí, přičemž každá část je jasně popsána v~tom, co konkrétně dělá.

Společnost Arduino, která se specializuje na návrh a~výrobu této platformy, nabízí vlastní sadu edukačních materiálů rozdělených do tematických bloků \parencite{arduino-courses}. Ty zahrnují jak základní práci s~vývojovou deskou, tak i~pokročilejší aplikace, například obecnou robotiku, tvorbu automatizovaného skleníku nebo práci se stavebnicí \emph{Braccio++}, tedy robotickou paží. Všechny tyto materiály propojují programování s~integrací elektronických součástek a~konstrukcí větších mechanických systémů.

Jedna z~dostupných učebnic, \emph{Mastering the Arduino Uno R4} \parencite{ibrahim2023}, se zaměřuje na práci s~vývojovou deskou \emph{Arduino UNO R4}, jejíž podrobnější popis je uveden v~sekci \ref{sekce:nastroje-arduino}. Učebnice obsahuje řadu příkladů ilustrujících různé možnosti využití této desky a~může posloužit jako hodnotný zdroj úkolů i~inspirace pro učitele.

Česká firma Hardwario, dříve známá jako BigClown, vznikla oddělením od známé firmy Jablotron a~věnuje se tvorbě vlastního hardwaru. V~letech 2017 až 2019 se firma intenzivně věnovala tvorbě stavebnic určených pro výuku na školách. Stavebnice byla založena na principu připravených modulů, které bylo možné jednoduše kombinovat bez nutnosti zapojování kabelů a~dalších součástek \parencite{lupa-bigclown}. Tato stavebnice byla společně s~vlastními didaktickými materiály nabízena školám, včetně katedry informačních technologií pedagogické fakulty, kde byla využita ve výuce, které se účastnil i~autor této práce. Didaktické materiály byly mnohokrát revidovány až do jejich finální podoby pro STEM výuku \parencite{hardwario-stem}.

Zdá se však, že společnost Hardwario se nyní zaměřuje spíše na industriální a~profesionální technologická řešení než na edukační materiály. Tento posun je patrný ze stagnujících úprav didaktických materiálů, nefunkčních hypertextových odkazů a~neaktivního vývoje nástrojů pro práci se stavebnicí TOWER. Tato skutečnost naznačuje, že společnost pravděpodobně upustila od aktivní podpory vzdělávacích projektů ve prospěch vývoje technologií určených pro průmyslové aplikace.

Další často používanou učebnicí je \emph{Hradla, volty, jednočipy: Úvod do bastlení} \parencite{maly2017}, která se zaměřuje na základy elektroniky. Začíná vysvětlením pojmů jako napětí, proud a~odpor, včetně Ohmova zákona, a~dále se zabývá elektronickými součástkami, digitálními obvody řady TTL (74xx) a~pokročilejšími prvky, jako jsou senzory, paměti či různé jednočipové počítače. Nepředpokládá roz\-sáh\-lé technické znalosti, vyžaduje pouze základní orientaci v~práci s~počítačem, a~znalost programování není nutná. Učebnice není založena na konkrétní vývojové desce či jednotné pomůcce, což ji činí univerzální, avšak svým zaměřením se hodí spíše pro výuku na středních odborných školách.

Podobná je také relativně nová učebnice \emph{ESP32 prakticky} \parencite{esp32-prakticky}, která se věnuje vývojovým deskám založeným na platformě ESP32 od společnosti Espressif. Pokrývá témata od základního nastavení a~programování v~Arduino IDE, přes připojení k~Wi-Fi a~Bluetooth, až po pokročilé techniky, jako je použití operačního systému FreeRTOS, příjem satelitních signálů nebo programování v~ESP-IDF. Obsahuje praktické návody a~příklady, které z~ní tvoří užitečnou příručku jak pro začátečníky, tak pro pokročilé vývojáře.

V~praxi se lze setkat také s~různými edicemi učebnice \emph{The Official Raspberry Pi Beginners Guide} \parencite{raspberry-pi-guide}, přičemž nejnovější je pátá edice. Tato učebnice se zaměřuje na práci s~populárním mikropočítačem Raspberry Pi, včetně základního zapojení, instalace operačního systému, připojení dalších hardwarových komponent a~také samotnému programování. Programovací část je pokryta jak vizuálním jazykem Scratch, tak i~imperativním jazykem Python, což umožňuje přizpůsobit obsah uživatelům s~různou úrovní zkušeností. Díky tomu je učebnice využitelná ve výuce na různých úrovních vzdělávání a~je přizpůsobitelná schopnostem a~potřebám žáků.

V~návaznosti na didaktické materiály pro Raspberry Pi lze zmínit i~podobnou učebnici s~názvem \emph{Exploring BeagleBone: Tools and Techniques for Building with Embedded Linux} \parencite{exploring-beaglebone}, která se věnuje obdobné problematice, ale s~využitím vývojové desky \emph{BeagleBoard}. Tato deska představuje hybridní řešení mezi jednoduchým Arduinem a~komplexním Raspberry Pi. Učebnice pokrývá základy práce s~touto deskou a~programování v~prostředí Embedded Linux.


\newpage
\section{Shrnutí dostupných technologií}

Z~výše zmíněných didaktických materiálů lze tedy vyvodit následující technické pomůcky, tedy stavebnice či vývojové desky, které nacházejí uplatnění při výuce programování jednočipových počítačů na úrovni vyššího gymnázia:

\begin{itemize}
    \item BBC micro:bit
    \item Arduino
    \item ESP32
    \item Raspberry Pi
    \item BeagleBone
    \item Hardwario TOWER
\end{itemize}

Každá z~těchto technologií nabízí specifické vlastnosti a~možnosti využití, což z~nich činí užitečné nástroje pro rozvoj dovedností v~oblasti elektroniky, programování a~informatického myšlení. Podrobné analýze a~vyhodnocení jednotlivých nástrojů se věnuje kapitola \ref{kapitola:nastroje}, která zohledňuje jejich technické parametry, cenovou dostupnost a~další kritéria, která jsou definována v~kapitole \ref{kapitola:kriteria}.