Využití PLC k výuce základů algoritmizace a programování

Základy algoritmizace a programování lze vyučovat mnoha způsoby. Na jedné straně stačí tužka a papír, na té druhé je možno využít některých moderních a k tomu určených programovacích jazyků a prostředí. Při průzkumu aktuální nabídky by si jistě každý učitel našel produkt, který by byl vhodným pomocníkem při výuce algoritmizace jemu i žákům. Před podobný problém jsem byl postaven i já. Učím na technické škole, tak jsem zvolil PLC (Programmable Logic Controller). Předem bych však chtěl upozornit, že toto řešení je použitelné i pro školy bez technického zaměření.

Proč PLC?

Nabízelo se několik cest vedoucích k cíli. Dnes je nabídka prostředí i jazyků skutečně nepřeberná, ale ne všechny se hodí pro výuku na konkrétním stupni vzdělávání. Často dochází k tomu, že si učitel vybere podle vlastního uvážení a žáci pak při procházení jednotlivých ročníků tu odzkouší Scratch, tu se dostanou k Logu, tu pro změnu k Legu. Tím si sice získají slušný přehled, nikoliv však hlubší znalost. Každé nové prostředí se přitom musí naučit jak učitel, tak i žák, v případě programování je potřeba se navíc seznámit i s jazykem, jeho příkazy a syntaxí.

V naší škole jsou systémy PLC k dispozici, žáci některých oborů se s nimi v průběhu studia setkávají v různých předmětech. Programování PLC je dnes u většiny modelů možné navíc již i „vizuálně“ (graficky), pomocí jazyků FBD, případně CFC, což je i náš případ.

Ukázka programu v jazyku CFC – Hra pro dva hráče měřící rychlost reakce na podnět

Jak na to?

Oba tyto jazyky pracují více či méně se schematickými značkami logických obvodů, s nimiž se žáci seznámí již v předmětech elektronika či automatizace v rámci úvodu do tématu číslicové techniky. Díky tomu žáci tyto značky většinou znají a v podstatě odpadá potřeba učit se novému jazyku. Když ne, poznají je při naší výuce algoritmizace a užijí je v budoucnu v dalších předmětech. Kromě těchto značek je možné užít i předpřipravené naprogramované bloky, například časovače. Za další výhodu považuji to, že žáci skutečně pracují s hardwarem, kdy si mohou na výsledek své práce „sáhnout“. Cesta k tomuto „sáhnutí si“ je navíc poměrně rychlá. Po nezbytném teoretickém úvodu a seznámení se s prostředím mohou hned začít se svými prvními projekty, které jsou principiálně velmi jednoduché a velmi názorné – například realizace různých logických funkcí pomocí hradla NAND. Žáci si funkci ověří například pomocí tlačítek či přepínačů na vstupech PLC a indikací pomocí LED na výstupech.

Hardwarové možnosti závisí pouze na technickém vybavení školy. V českém prostředí se nabízí i některé přímo pro výuku určené produkty, například EDUtec Foxtrot, založený na PLC Teco Foxtrot. Je však možné nakoupit i samotné jednotky PLC a výukové panely si vytvořit podle potřeb školy. PLC může mít k dispozici každý žák, stejně tak je ale možné pořídit jedno PLC na učebnu, na kterém žáci budou své programy testovat postupně. Současné produkty jsou již standardně připojitelné do počítačové sítě, což umožňuje vzdálené programování a testování vlastního kódu. Jedno PLC pak bez problémů stačí pro celou skupinu.

Ukázka programovacího prostředí Teco Mosaic (programování pomocí CFC)

A co školy bez technického zaměření?

Možná by se mohlo zdát, že vše výše uvedené lze využít prakticky jen na technicky zaměřených školách, ale nemusí to být tak úplně pravda. PLC si samozřejmě může pořídit i škola, orientovaná na všeobecné vzdělávání, stejně tak, jako si je možné pro stejný účel pořídit například Lego Mindstorms či jinou robotickou stavebnici. Ale i v případě, kdy není škola příliš technicky vybavena a nevlastní PLC, je možno používat některá prostředí pro programování PLC v režimu simulace, kdy je funkce vizualizována na monitoru počítače.

Existují též simulátory elektronických obvodů, které obsahují kromě klasických elektronických součástek i logické členy, a lze s nimi proto pracovat skoro stejně jako s plnohodnotnými jednotkami PLC. Chybí jen ona důležitá interakce s hardwarem, který by reagoval na žáky vytvořený program. Funkce sestaveného obvodu je indikovaná pouze na virtuálních prvcích. Dnes je již možné takové simulátory pořídit zcela zdarma, ať už se jedná o klasickou aplikaci Multisim ve verzi Blue, nebo i o cloudové aplikace s podobným zaměřením, které byly rozebrány v článku Cloud computing v odborném vzdělávání.

Všem školám však doporučuji preferovat pořízení skutečného PLC. Z vlastní praxe mohu potvrdit, že žáci mnohem lépe a rychleji postupují v případě, kdy si mohou na výstupy vlastní práce skutečně sáhnout.