An open hardware mechanism for remote implementation of laboratory activities in science, STEAM and educational robotics in educational environments: development, usability and technological acceptance by educators

The growing need for distance education caused by the COVID-19 pandemic brings to the fore problems with a focus on laboratory exercises. The need to investigate the introduction of remote implementation of laboratory activities (with open hardware) is reflected in the international literature through a number of issues in the development of laboratory structures in every educational institution from primary to secondary school and university. All these factors make the existence of remote labs as the next step in educational technology. The aim of the dissertation is to design and develop an educational tool, with open hardware which used by teachers in the distance implementation of laboratory activities in the teaching of Science, STEAM and Educational Robotics, in educational environments. This training mechanism was designed so that the teacher could create his own remote laboratory activities without the complexity of closed systems. In evaluation involved 125 persons (students of program EPPAIK of ASPAITE) in a series of operations and evaluations. The research investigated a) the Technological Anxiety and the expectations of the remote open source mechanisms for laboratory exercises, b) the Usability of the system and c) the evaluation of the educational mechanism (open hardware) for remote implementation of laboratory activities through a proposed, modified model of the Unified Theory of Acceptance and Use (UTAUT). The results show the positive contribution of the mechanism of the dissertation to the distance implementation of laboratory activities in the teaching of Natural Sciences, STEAM and Educational Robotics, in educational environments.Σήμερα, ειδικά μετά την πανδημία του COVID-19, η αυξανόμενη ανάγκη για εξ αποστάσεως εκπαίδευση, φέρνει στην επιφάνεια προβλήματα στον τομέα υλοποίησης εργαστηριακών ασκήσεων και εργαστηριακών πειραμάτων. Η ανάγκη για τη διερεύνηση της εισαγωγής μηχανισμών, με ανοικτό υλικό, για την εξ αποστάσεως υλοποίηση εργαστηριακών δραστηριοτήτων, αποτυπώνεται από τη διεθνή βιβλιογραφία μέσα από ένα πλήθος ζητημάτων που αναφέρονται και στις τρεις εκπαιδευτικές βαθμίδες. Τέτοιοι μηχανισμοί ανοικτού υλικού επιτρέπουν στους εκπαιδευτικούς να δημιουργούν τις δικές τους εξ αποστάσεως εργαστηριακές ασκήσεις δίχως την πολυπλοκότητα των κλειστών και μεγάλου κόστους εμπορικών συστημάτων. Δημιουργοί τέτοιων μηχανισμών ανοικτού υλικού μπορούν να είναι εκπαιδευτικοί που έχουν κατάρτιση και/ή εμπειρία στην ανάπτυξη δραστηριοτήτων STEAM και Εκπαιδευτικής Ρομποτικής με χρήση της πλατφόρμας Arduino. Χρήστες τέτοιων μηχανισμών μπορούν να είναι εκπαιδευτικοί Α/θμιας εκπαίδευσης για τη διδασκαλία μαθημάτων Φυσικών Επιστημών και δραστηριοτήτων Εκπαιδευτικής Ρομποτικής και STEAM στο πλαίσιο των Εργαστηρίων Δεξιοτήτων, καθώς και εκπαιδευτικοί Φυσικών Επιστημών και Τεχνολογικών Ειδικοτήτων στην Β/θμια εκπαίδευση. Στη διατριβή προτείνεται η σχεδίαση και η υλοποίηση ενός ενδεικτικού μηχανισμού ανοικτού υλικού για την εξ αποστάσεως υλοποίηση εργαστηριακών δραστηριοτήτων σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα Φυσικών Επιστημών, STEAM και Εκπαιδευτικής Ρομποτικής. Ερευνητικός στόχος της διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της στάσης των εκπαιδευτικών στην προοπτική αποδοχής και εκπαιδευτικής χρήσης τέτοιων μηχανισμών μέσω προσαρμοσμένου μοντέλου της Ενοποιημένης Θεωρίας Αποδοχής και Χρήσης της Τεχνολογίας. Στην έρευνα αξιολόγησης του μηχανισμού συμμετείχαν 125 άτομα με σπουδές Μηχανικών-Τεχνολόγων, Θετικών Επιστημών και άλλων Επιστημών, σε παράρτημα του Ετήσιου Προγράμματος Παιδαγωγικής Κατάρτισης (ΕΠΠΑΙΚ) της ΑΣΠΑΙΤΕ. Στην έρευνα διερευνήθηκαν, α) η πιθανή ύπαρξη «Τεχνολογικού Άγχους» και οι προσδοκίες των ατόμων ως προς την παιδαγωγική χρησιμότητα των εξ αποστάσεως μηχανισμών για υλοποίηση εργαστηριακών δραστηριοτήτων, β) ο παράγοντας Ευχρηστίας του προτεινόμενου συστήματος ως προς: τη Χρησιμότητα (Usefulness), την Ευκολία Χρήσης (Ease of Use), την Ευκολία Εκμάθησης (Ease of Learning) και την Ικανοποίηση (Satisfaction) του χρήστη και γ) η τεχνολογική αποδοχή και η υιοθέτηση του προτεινόμενου ενδεικτικού μηχανισμού ανοικτού υλικού για την εξ αποστάσεως υλοποίηση εργαστηριακών δραστηριοτήτων σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα Φυσικών Επιστημών, STEAM και Εκπαιδευτικής Ρομποτικής. Τα αποτελέσματα παρουσιάζουν θετικότητα ως προς την αποδοχή του μηχανισμού σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα Φυσικών Επιστημών, STEAM και Εκπαιδευτικής Ρομποτικής για εξ αποστάσεως υλοποίηση εργαστηριακών δραστηριοτήτων

Development of advanced measurements systems and techniques for electrophysiological phenomena

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται η ανάπτυξη ενός προηγμένου μετρητικού συστήματος για τη διερεύνηση ηλεκτροφυσιολογικών φαινομένων σε φυτικούς οργανισμούς. Κάθε ζωντανός οργανισμός παράγει διάφορους τύπους ενδοκυτταρικών και μεσοκυττάριων ηλεκτρικών σημάτων τα οποία αξιοποιούνται ποικιλοτρόπως σε πολλές εμπορικές και ερευνητικές εφαρμογές (ιατρική, μηχανολογία, αεροναυπηγική κλπ). Στον κανόνα αυτό υπόκεινται και οι φυτικοί οργανισμοί, στους οποίους πολύ λίγη δουλειά έχει γίνει μέχρι στιγμής και αυτή περιστασιακά, για τη διερεύνηση, τηn ταυτοποίηση και την αξιοποίηση των αντίστοιχων ηλεκτρικών σημάτων που παράγουν, ενώ είναι σε μηδενικό επίπεδο η συσχέτιση τους, με τους παράγοντες που τα προκαλούν, όπως η προσβολή από ασθένειες και εχθρούς, η έλλειψη ή η τοξικότητα θρεπτικών στοιχείων, η έλλειψη νερού και η επίδραση των κλιματικών παραμέτρων (θερμοκρασία, η υγρασία και ηλιακή ακτινοβολία). Με την ανάπτυξη του συστήματος που προτείνεται στην παρούσα εργασία γίνετε δυνατή η καταγραφή και η ερμηνεία των ηλεκτρικών σημάτων στα φυτά. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός προηγμένου συστήματος απόκτησης βιοηλεκτρικών σημάτων για τη μελέτη ηλεκτροφυσιολογικών φαινομένων σε φυτικούς οργανισμούς καθώς και οι πειραματικές μέθοδοι και διατάξεις που εφαρμόστηκαν: α) για την αξιολόγηση του συστήματος και β) για τη συσχέτιση των ηλεκτροφυσιολογικών φαινομένων με τα αίτια που τα προκάλεσαν. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων και γίνεται η απαιτούμενη ανάλυση και συζήτηση ώστε να εξαχθούν τα απαραίτητα συμπεράσματα. Ο τομέας εφαρμογής των αποτελεσμάτων της παρούσης εργασίας αφορά στη γρήγορη διάγνωση και την κάλυψη των αναγκών των καλλιεργειών με χρήση των βιοσημάτων, όταν ακόμα δεν έχουν εμφανιστεί συμπτώματα καταπόνησης από την επίδραση βιοτικών (προσβολή από εχθρούς ή ασθένειες) ή αβιοτικών παραγόντων (έλλειψη νερού ή θρεπτικών στοιχείων, υψηλά ή χαμηλά επίπεδα φωτισμού, θερμοκρασίας, υγρασίας ή αλατότητας). Αυτό κρίνεται ιδιαίτερα σημαντικό γιατί βοηθά στην έγκυρη αντιμετώπιση του προβλήματος, στην αύξηση της παραγωγής και στην αναβάθμιση της ποιότητας του παραγόμενου προϊόντος

Application of Flipped Classroom Methodology in Applied Sciences through STEM Exploitation Activities during COVID Pandemic Period

Differentiated instruction is an approach that presupposes the existence of a diverse number of students and their ability to access knowledge provided that a variety of methods and activities is used. Differentiated instruction is a way to incorporate and diagnose the individual needs of every student separately and to create such a learning environment so as to cover all needs. All students are not the same that means that they learn in different ways and at a different pace. Based on this knowledge, differentiated instruction applies an approach both to teaching and learning that offers the students a variety of choices to gain information and better understand the newly acquainted knowledge. Differentiated instruction is a teaching approach based on the principle that all teaching techniques must vary and adapt accordingly in relation to the needs and the various ways of learning on the part of the students with the view of enhancing the understanding of knowledge within the classroom. The model of differentiated instruction proposed requires on the part of the teachers to be flexible in the technique they use and adaptable in the curriculum and in the presentation of the information based on the needs of the students. Based on the idea that change in teaching practices may help overcome the ineffectiveness of the educational systems and their inability to cover the needs of the students, it is considered necessary to examine whether the use of differentiated instruction learning approach could improve the understanding of the students in the fields of applied sciences

An Application Study of the UTAUT Methodology for the Flipped Classroom Model Adoption by Applied Sciences and Technology Teachers

The teaching method of flipped classroom (FC), gives students the opportunity to participate actively during class, while the teacher’s role is supportive than intrusive. The application of FC improves teaching and learning process, especially in applied sciences and technology, as literature study reveals. The current study aims to investigate the application of Unified Theory of Acceptance and Use of Technology (UTAUT) methodology, by applied sciences and technology teachers, who combine FC to improve learning results and better meet their teaching goals. To this end, we apply quantitative research, exploit, and discuss our data findings. A total number of 65 high school teachers, around the area of Central Greece, in the region of Thessaly, took part in our research. Our data is analyzed via Structural Equation Models (SEMs)which belong to a family of multivariable statistical analysis that refer to linear correlations among quantitative mainly variables, with confirmatory role. The results of our study reveal that social influence is significant for the prediction of teachers’ intention (current of future) to apply flipped classroom model approach. Additionally, our study claims to support that flipped classroom model plays a crucial role in updating educational demands of the 21st century, especially in guaranteeing the use of technology tools in equally during teaching and learning process. Finally, this study may assist teachers to adjust and reinforce flipped classroom’s approach, by distinguishing the technology acceptance factors inside a contemporary classroom.&nbsp

Enhancing Security on IoT Devices via Machine Learning on Conditional Power Dissipation

The rapid development of connected devices and the sensitive data, which they produce, is a major challenge for manufacturers seeking to fully protect their devices from attack. Consumers expect their IoT devices and data to be adequately protected against a wide range of vulnerabilities and exploits. Successful attacks target IoT devices, cause security problems, and pose new challenges. Successful attacks from botnets residing on mastered IoT devices increase significantly in number and the severity of the damage they cause is similar to that of a war. The characteristics of attacks vary widely from attack to attack and from time to time. The warnings about the severity of the attacks indicate that there is a need for solutions to address the attacks from birth. In addition, there is a need to quarantine infected IoT devices, preventing the spread of the virus and thus the formation of the botnet. This work introduces the exploitation of side-channel attack techniques to protect the low-cost smart devices intuitively, and integrates a machine learning-based algorithm for Intrusion Detection, exploiting current supply characteristic dissipation. The results of this work showed successful detection of abnormal behavior of smart IoT devices

Development of a computerized ECG analysis model using the cubic spline interpolation method

An electrocardiogram (ECG) is a bioelectrical signal which records the heart's electrical activity versus time. It is an important diagnostic tool for assessing heart functions. The interpretation of ECG signal is an application of pattern recognition. The techniques used in this pattern recognition comprise: signal preprocessing, QRS detection, creation of variables and signal classification. In this method, signal processing and programs implementation are based in Matlab environment. Matlab was used to develop a program that could further examine, analyze and study the ECG samples. Since the heart waveform can be simulated by cubic spline interpolation, this feature was used by the implemented Matlab program. The ECG samples were normalized and processed to produce 4 specific coefficients. These 4 coefficients of cubic spline were used in the applied methodology in order to evaluate and separate the various heart disorders with mathematical terms and equations. Based on the results of the applied methodology, the categorization of heart disorders without actual clinical examination is possible

Development of a novel system to analyse and detect small changes in ECG signals that indicate cardiac disorders

The analysis of the electrocardiogram as a diagnostic tool is a relatively old field and it is therefore often assumed that the ECG is a simple signal that has been fully explored. However, there remain difficult problems in this field that are being incrementally solved with advances in techniques from the fields of filtering, pattern recognition, and classification, together with the leaps in computational power and memory capacity that have occurred over the last couple of decades. While the ECG is routinely used to diagnose arrhythmias, it reflects an integrated signal and cannot provide information on the micro-spatial scales of cells and ionic channels. For this reason, the field of computational cardiac modeling and simulation has grown over the last decade. The aim of this paper is by using a novel system to develop methods to analyze and detect small changes in ECG waves and complexes that indicate cardiac diseases and disorder

An integrated development hardware design for an advanced wireless Ag/AgCl sensor to acquiring biosignals form ornamental plants

Electrical signals (biosignals) in higher plants could be the information carriers in intracellular and intercellular communication during environmental changes and pathogens attack. Biosignals are currently acquiring by Ag/AgCl electrode attached on plants' shoots and leaves. These plants are usually placed in Faraday's cage (FC) to eliminate the signal-noise. In this paper, we present an integrated hardware design for the development of an advanced wireless Ag/AgCl sensor for plants' biosignals measurements. In order to avoid white Gaussian noise, 50 Hz power line noise as well as the noise of the operating electrical devices, microcontroller embedded systems and IEEE 802.15.4 communication protocol was used for the system performance. The electrical potential was measured on leaves of Chrysanthemum (Chrysanthemum moriflorum) plants using Ag/AgCl electrodes and recorded in data logger: i) placed inside the FC, ii) in a distance of 15 meter away from FC, connected by interface circuit via wire and iii) in a distance of 60 meter away from FC using a wireless embedded system for data transfer. The wireless connection between embedded systems of Ag/AgCl electrodes did not show signals errors. The wire transmission of biosignal showed harmonics distortions in spectral analysis and the amplitude of biosignal showed modification at 50%. The same result was showed under the effect of a low power RF signal (1- 3,3 Mhz), which transmitted near the location of FC