Mühəndislik təhsili dünyasında bir çox əla kurslar var, lakin çox vaxt onların ətrafında qurulmuş kurrikulumda bir ciddi çatışmazlıq olur - müxtəlif mövzular arasında yaxşı uyğunluğun olmaması. Biri etiraz edə bilər: bu necə ola bilər?
Təlim proqramı tərtib edilərkən, hər bir kurs üçün ilkin şərtlər və fənlərin öyrənilməli olduğu aydın ardıcıllıq göstərilir. Məsələn, primitiv mobil robotu qurmaq və proqramlaşdırmaq üçün onun fiziki strukturunu yaratmaq üçün bir az mexaniki bilmək lazımdır; Ohm/Kirchhoff qanunları səviyyəsində elektrik enerjisinin əsaslarını, rəqəmsal və analoq siqnalların təsvirini; koordinat sistemlərini və robotun kosmosdakı hərəkətlərini təsvir etmək üçün vektor və matrislərlə əməliyyatlar; verilənlərin təqdimatı səviyyəsində proqramlaşdırmanın əsasları, sadə alqoritmlər və idarəetmə ötürülməsi strukturları və s. davranışını təsvir etmək.
Bütün bunlar universitet kurslarında əhatə olunurmu? Əlbəttə var. Bununla belə, Ohm/Kirchhoff qanunları ilə biz termodinamika və sahə nəzəriyyəsini əldə edirik; matrislər və vektorlarla əməliyyatlara əlavə olaraq, İordaniya formaları ilə məşğul olmaq lazımdır; proqramlaşdırmada polimorfizmi öyrənin - sadə praktiki problemi həll etmək üçün həmişə lazım olmayan mövzular.
Universitet təhsili genişdir - tələbə geniş cəbhəyə gedir və çox vaxt aldığı biliyin mənasını və praktik əhəmiyyətini görmür. Universitet təhsilinin paradiqmasını STEM (Science, Technology, Engineering, Math sözlərindən) çevirmək və gələcəkdə tamlığın artmasına imkan verən, biliklərin ardıcıllığına əsaslanan proqram yaratmaq qərarına gəldik, yəni. fənlərin intensiv mənimsənilməsini nəzərdə tutur.
Yeni bir mövzu sahəsini öyrənmək yerli ərazini araşdırmaqla müqayisə edilə bilər. Və burada iki seçim var: ya əsas işarələrin harada olduğunu və bir-biri ilə necə əlaqəli olduğunu başa düşmək üçün tədqiq edilməli (və bu çox vaxt aparır) çoxlu təfərrüatlı çox ətraflı xəritəmiz var. ; və ya yalnız əsas məqamların və onların nisbi mövqelərinin göstərildiyi ibtidai bir plandan istifadə edə bilərsiniz - belə bir xəritə getdiyiniz zaman detalları dəqiqləşdirərək dərhal düzgün istiqamətdə hərəkət etməyə başlamaq üçün kifayətdir.
dəstəyi ilə MİT tələbələri ilə birlikdə keçirdiyimiz qış məktəbində intensiv STEM öyrənmə yanaşmasını sınaqdan keçirdik
Material hazırlığı
Məktəb proqramının birinci hissəsi cəbr, elektrik sxemləri, kompüter arxitekturası, Python proqramlaşdırması və ROS-a (Robot Əməliyyat Sistemi) girişi əhatə edən əsas istiqamətlər üzrə dərs həftəsi idi.
İstiqamətlər təsadüfən seçilməyib: bir-birini tamamlayaraq tələbələrə ilk baxışdan fərqli görünən şeylər - riyaziyyat, elektronika və proqramlaşdırma arasındakı əlaqəni görməyə kömək etməli idi.
Təbii ki, əsas məqsəd çoxlu mühazirə oxumaq deyil, tələbələrə yeni əldə etdikləri bilikləri praktikada özləri tətbiq etmək imkanı yaratmaq idi.
Cəbr bölməsində tələbələr elektrik dövrələrinin öyrənilməsində faydalı olan matris əməliyyatları və tənlik sistemlərinin həlli ilə məşğul ola bilirdilər. Tranzistorun strukturunu və onun əsasında qurulmuş məntiqi elementləri öyrənən tələbələr onların prosessor qurğusunda istifadəsini görə bilər və Python dilinin əsaslarını öyrəndikdən sonra orada real robot üçün proqram yaza bilirdilər.
Duckietown
Məktəbin məqsədlərindən biri mümkün olan yerlərdə simulyatorlarla işi minimuma endirmək idi. Buna görə də tələbələrin real komponentlərdən çörək lövhəsində yığmalı və praktikada sınaqdan keçirməli olduğu böyük elektron sxemlər dəsti hazırlanmış və layihələr üçün baza kimi Dakitaun seçilmişdir.
Duckietown, Duckiebots adlı kiçik avtonom robotları və onların keçdiyi yol şəbəkələrini əhatə edən açıq mənbəli bir layihədir. Duckiebot, Raspberry Pi mikrokompüteri və tək kamera ilə təchiz edilmiş təkərli platformadır.
Onun əsasında biz yol xəritəsinin qurulması, obyektlərin axtarışı və onların yanında dayanma kimi bir sıra mümkün tapşırıqlar və bir sıra digər tapşırıqlar hazırlamışıq. Tələbələr öz problemini də təklif edə və onu həll etmək üçün nəinki proqram yaza, həm də onu dərhal real robotda işlədə bilərlər.
Tədris
Mühazirə zamanı müəllimlər əvvəlcədən hazırlanmış təqdimatlardan istifadə edərək materialı təqdim ediblər. Bəzi dərslər videoya çəkilib ki, tələbələr onları evdə izləyə bilsinlər. Mühazirələr zamanı tələbələr kompüterlərində materiallardan istifadə edir, suallar verir, problemləri birlikdə və müstəqil şəkildə, bəzən lövhədə həll edirdilər. İşin nəticələrinə əsasən ayrı-ayrı fənlər üzrə hər bir tələbənin reytinqi hesablanıb.
Hər bir fənn üzrə dərslərin keçirilməsini daha ətraflı nəzərdən keçirək. Birinci mövzu xətti cəbr idi. Tələbələr bir gün vektor və matrisləri, xətti tənliklər sistemlərini və s. Praktiki tapşırıqlar interaktiv şəkildə quruldu: təklif olunan problemlər fərdi şəkildə həll edildi, müəllim və digər tələbələr şərhlər və məsləhətlər verdilər.
İkinci mövzu elektrik və sadə sxemlərdir. Şagirdlər elektrodinamikanın əsaslarını öyrəndilər: gərginlik, cərəyan, müqavimət, Ohm qanunu və Kirchhoff qanunları. Praktiki tapşırıqlar qismən simulyatorda yerinə yetirildi və ya lövhədə tamamlandı, lakin məntiq sxemləri, salınan sxemlər və s. kimi real sxemlərin qurulmasına daha çox vaxt sərf edildi.
Növbəti mövzu Kompüter Arxitekturasıdır - müəyyən mənada fizika ilə proqramlaşdırmanı birləşdirən körpüdür. Tələbələr fundamental əsasları öyrəndilər, onun əhəmiyyəti praktiki deyil, nəzəri cəhətdən daha çoxdur. Təcrübə olaraq, tələbələr simulyatorda arifmetik və məntiqi sxemləri müstəqil şəkildə tərtib etdilər və yerinə yetirilmiş tapşırıqlar üçün bal aldılar.
Dördüncü gün proqramlaşdırmanın ilk günüdür. Python 2 proqramlaşdırma dili olaraq seçildi, çünki ROS proqramlaşdırmada istifadə olunur. Bu gün aşağıdakı kimi qurulmuşdur: müəllimlər materialı təqdim edir, problemlərin həllinə dair nümunələr verir, şagirdlər isə kompüterlərində oturaraq onları dinləyir və müəllimin lövhədə və ya slaydda yazdıqlarını təkrarlayırdılar. Sonra şagirdlər oxşar problemləri özbaşına həll etdilər və həll yolları daha sonra müəllimlər tərəfindən qiymətləndirildi.
Beşinci gün ROS-a həsr olundu: uşaqlar robot proqramlaşdırması haqqında öyrəndilər. Bütün məktəb günü tələbələr kompüterlərinin arxasında oturaraq müəllimin danışdığı proqram kodunu işlədirdilər. Onlar əsas ROS bölmələrini təkbaşına idarə edə bildilər və Duckietown layihəsi ilə də tanış oldular. Bu günün sonunda tələbələr məktəbin layihə hissəsinə - praktiki məsələlərin həllinə başlamağa hazır idilər.
Seçilmiş layihələrin təsviri
Şagirdlərdən üç nəfərdən ibarət komandalar yaratmaq və layihə mövzusunu seçmək tapşırılıb. Nəticədə aşağıdakı layihələr qəbul edildi:
1. Rəng kalibrlənməsi. Duckiebot işıqlandırma şəraiti dəyişdikdə kameranı kalibrləməlidir, ona görə də avtomatik kalibrləmə tapşırığı var. Problem ondadır ki, rəng diapazonları işığa çox həssasdır. İştirakçılar çərçivədə tələb olunan rəngləri (qırmızı, ağ və sarı) vurğulayan və HSV formatında hər bir rəng üçün diapazonlar quran bir yardım proqramı tətbiq etdilər.
2. Ördək taksisi. Bu layihənin ideyası ondan ibarətdir ki, Duckiebot bir obyektin yaxınlığında dayana, onu götürə və müəyyən marşrutu izləyə bilər. Obyekt kimi parlaq sarı ördək seçilmişdir.
3. Yol qrafikinin qurulması. Yolların və kəsişmələrin qrafikinin qurulması vəzifəsi var. Bu layihənin məqsədi yalnız kamera məlumatlarına əsaslanaraq Duckiebot-a aprior ətraf mühit məlumatlarını təqdim etmədən yol qrafiki qurmaqdır.
4. Patrul maşını. Bu layihə tələbələrin özləri tərəfindən icad edilmişdir. Onlar bir “patrul” olan Duckiebot-a digərini, “pozucunu” təqib etməyi öyrətməyi təklif etdilər. Bu məqsədlə ArUco markerindən istifadə edərək hədəfin tanınması mexanizmindən istifadə edilmişdir. Tanınma başa çatdıqdan sonra işi başa çatdırmaq üçün "təxribatçıya" siqnal göndərilir.
Rəng kalibrlənməsi
Rəng Kalibrasiyası layihəsinin məqsədi tanınan işarələmə rənglərinin diapazonunu yeni işıqlandırma şəraitinə uyğunlaşdırmaq idi. Belə düzəlişlər olmadan dayanma xətlərinin, zolaq ayırıcılarının və yol sərhədlərinin tanınması düzgün deyildi. İştirakçılar işarələmə rəng nümunələrinin əvvəlcədən işlənməsi əsasında həll yolu təklif etdilər: qırmızı, sarı və ağ.
Bu rənglərin hər biri HSV və ya RGB dəyərlərinin əvvəlcədən təyin edilmiş diapazonuna malikdir. Bu diapazondan istifadə edərək çərçivənin uyğun rəngləri ehtiva edən bütün sahələri tapılır və ən böyüyü seçilir. Bu sahə yadda saxlanması lazım olan rəng kimi qəbul edilir. Daha sonra yeni rəng diapazonunu qiymətləndirmək üçün orta və standart sapmanın hesablanması kimi statistik düsturlardan istifadə olunur.
Bu diapazon Duckiebot-un kamera konfiqurasiya fayllarında qeydə alınıb və sonradan istifadə oluna bilər. Təsvir edilən yanaşma hər üç rəngə tətbiq olundu və nəticədə işarələmə rənglərinin hər biri üçün diapazonlar formalaşdırıldı.
Testlər, markalanma materiallarında işıq mənbələrini o qədər güclü əks etdirən parlaq lentdən istifadə edildiyi hallar istisna olmaqla, markalanma xətlərinin demək olar ki, mükəmməl tanındığını göstərdi ki, kameranın baxış bucağından orijinal rəngindən asılı olmayaraq işarələr ağ görünürdü.
Ördək Taksi
Duck Taxi layihəsi şəhərdə ördək sərnişini axtarmaq üçün alqoritmin qurulmasını və sonra onun lazımi nöqtəyə daşınmasını nəzərdə tuturdu. İştirakçılar bu problemi iki yerə böldülər: aşkarlama və qrafik üzrə hərəkət.
Şagirdlər ördəkin qırmızı üçbucaq (gaga) olan çərçivədə sarı kimi tanınan hər hansı bir sahəsi olduğunu fərz edərək ördək aşkarladılar. Növbəti kadrda belə bir sahə aşkarlanan kimi robot ona yaxınlaşmalı və sonra sərnişinin enişini simulyasiya edərək bir neçə saniyə dayanmalıdır.
Daha sonra, bütün duckietown-un yol qrafiki və botun mövqeyi əvvəlcədən yaddaşda saxlanılan və həmçinin təyinatı giriş kimi qəbul edərək, iştirakçılar Dijkstra alqoritmindən istifadə edərək, qrafikdə yolları tapmaq üçün gediş nöqtəsindən gəliş nöqtəsinə qədər bir yol qururlar. . Çıxış əmrlər dəsti kimi təqdim olunur - aşağıdakı kəsişmələrin hər birində növbələr.
Yolların Qrafiki
Bu layihənin məqsədi bir qrafik qurmaq idi - Duckietown-da yollar şəbəkəsi. Yaranan qrafikin qovşaqları kəsişmələr, qövslər isə yollardır. Bunun üçün Duckiebot şəhəri araşdırmalı və onun marşrutunu təhlil etməlidir.
Layihə üzərində iş zamanı çəkili bir qrafik yaratmaq ideyası nəzərdən keçirildi, lakin sonra atıldı, burada kənarın dəyəri kəsişmələr arasındakı məsafə (səyahət vaxtı) ilə müəyyən edilir. Bu ideyanın həyata keçirilməsi çox zəhmət tələb edirdi və məktəb daxilində buna kifayət qədər vaxt yox idi.
Duckiebot növbəti kəsişməyə çatdıqda, hələ tutmadığı kəsişmədən çıxan yolu seçir. Bütün kəsişmələrdəki bütün yollar keçdikdən sonra kəsişmə bitişiklərinin yaradılan siyahısı botun yaddaşında qalır və Graphviz kitabxanasından istifadə edərək şəkilə çevrilir.
İştirakçılar tərəfindən təklif olunan alqoritm təsadüfi Duckietown üçün uyğun deyildi, lakin məktəb daxilində istifadə olunan dörd kəsişmədən ibarət kiçik bir şəhər üçün yaxşı işlədi. İdeya, kəsişmələrin idarə olunma qaydasını izləmək üçün kəsişmə identifikatoru olan hər kəsişməyə ArUco markerini əlavə etmək idi.
İştirakçılar tərəfindən hazırlanmış alqoritmin diaqramı şəkildə göstərilmişdir.
Patrol Avtomobil
Bu layihənin məqsədi Duckietown şəhərində pozan botu axtarmaq, təqib etmək və saxlamaqdır. Patrul botu şəhər yolunun xarici halqası ilə hərəkət edərək məlum təcavüz botunu axtarmalıdır. Təcavüzkarı aşkar etdikdən sonra patrul botu təcavüzkarı izləməli və onu dayandırmağa məcbur etməlidir.
İş çərçivədə botu aşkar etmək və içindəki təcavüzkarı tanımaq ideyasının axtarışı ilə başladı. Komanda şəhərdəki hər bir botun arxa tərəfində unikal markerlə təchiz edilməsini təklif etdi - necə ki, real avtomobillərin dövlət qeydiyyat nömrələri var. Bunun üçün ArUco markerləri seçilmişdir. Onlardan əvvəllər Duckietown-da istifadə olunub, çünki onlarla işləmək asandır və kosmosda markerin oriyentasiyasını və ona olan məsafəni müəyyən etməyə imkan verir.
Bundan sonra, patrul botunun kəsişmələrdə dayanmadan ciddi şəkildə xarici dairədə hərəkət etməsini təmin etmək lazım idi. Varsayılan olaraq, Duckiebot zolaqda hərəkət edir və dayanma xəttində dayanır. Sonra yol nişanlarının köməyi ilə kəsişmənin konfiqurasiyasını müəyyən edir və kəsişmənin keçid istiqaməti ilə bağlı seçim edir. Təsvir edilən mərhələlərin hər biri üçün robotun sonlu dövlət maşınının vəziyyətlərindən biri cavabdehdir. Yol kəsişməsində dayanacaqlardan qurtulmaq üçün komanda dövlət maşını dəyişdirib ki, dayanacaq xəttinə yaxınlaşanda bot dərhal kəsişmədən birbaşa hərəkət vəziyyətinə keçsin.
Növbəti addım təcavüzkar botun dayandırılması problemini həll etmək idi. Komanda, patrul botunun şəhərdəki botların hər birinə SSH girişi ola biləcəyini, yəni hansı avtorizasiya məlumatları və hər bir botun hansı id-yə malik olduğu haqqında bəzi məlumata malik olduğunu güman etdi. Belə ki, patrul botu təcavüzkarı aşkar etdikdən sonra SSH vasitəsilə müdaxilə edən botla əlaqə saxlamağa başlayıb və onun sistemini bağlayıb.
Bağlama əmrinin tamamlandığını təsdiqlədikdən sonra patrul botu da dayanıb.
Patrul robotunun iş alqoritmi aşağıdakı diaqram kimi təqdim edilə bilər:
Layihələr üzərində işləmək
İş Scrum-a oxşar formatda təşkil olunub: hər səhər tələbələr cari gün üçün tapşırıqlar planlaşdırır, axşam isə görülən işlər haqqında hesabat verirdilər.
İlk və son günlərdə tələbələr tapşırığı və onun həlli yollarını təsvir edən təqdimatlar hazırladılar. Şagirdlərə seçdikləri planları yerinə yetirməkdə kömək etmək üçün Rusiya və Amerikadan olan müəllimlər daim layihələr üzərində iş aparılan otaqlarda olub, sualları cavablandırıblar. Ünsiyyət əsasən ingilis dilində aparılıb.
Nəticələr və onların nümayişi
Layihələr üzərində iş bir həftə davam etdi, bundan sonra tələbələr öz nəticələrini təqdim etdilər. Hər kəs bu məktəbdə öyrəndikləri, öyrəndikləri ən vacib dərslər, nəyi bəyənib və ya bəyənmədikləri barədə danışdıqları təqdimatlar hazırladı. Bundan sonra hər bir komanda öz layihəsini təqdim etdi. Bütün komandalar öz tapşırıqlarını yerinə yetirdilər.
Rəng kalibrləməsini həyata keçirən komanda layihəni digərlərinə nisbətən daha tez başa vurdu, buna görə də onların proqramı üçün sənədlər hazırlamağa vaxtları oldu. Yol qrafiki üzərində işləyən komanda, hətta layihənin nümayişindən əvvəlki son gündə də alqoritmlərini təkmilləşdirməyə və düzəltməyə çalışdı.
Nəticə
Məktəbi bitirdikdən sonra biz tələbələrdən keçmiş fəaliyyətləri qiymətləndirməyi və məktəbin onların gözləntilərini nə dərəcədə qarşıladığı, hansı bacarıqlara yiyələndikləri və s. Bütün tələbələr komandada işləməyi, tapşırıqları bölüşdürməyi və vaxtlarını planlaşdırmağı öyrəndiklərini qeyd etdilər.
Tələbələrdən keçdikləri kursların faydalılığını və çətinliyini qiymətləndirmələri də istəndi. Və burada iki qiymətləndirmə qrupu formalaşdırıldı: bəziləri üçün kurslar o qədər də çətin olmadı, bəziləri onları çox çətin kimi qiymətləndirdi.
Bu o deməkdir ki, məktəb müəyyən bir sahədə yeni başlayanlar üçün əlçatan olmaqla, eyni zamanda təcrübəli tələbələr tərəfindən təkrar və konsolidasiya üçün materiallar təqdim etməklə düzgün mövqe tutmuşdur. Qeyd edək ki, proqramlaşdırma kursu (Python) demək olar ki, hər kəs tərəfindən sadə, lakin faydalı kimi qeyd edilib. Tələbələrin fikrincə, ən çətin kurs “Kompüter Memarlığı” idi.
Şagirdlərə məktəbin güclü və zəif tərəfləri barədə sual verildikdə, çoxları müəllimlərin operativ və şəxsi yardım göstərdiyi və sualları cavablandırdığı seçilmiş tədris üslubunu bəyəndiklərini bildirdi.
Tələbələr həmçinin qeyd etdilər ki, onlar gündəlik tapşırıqları planlaşdırmaq və öz vaxtlarını təyin etmək rejimində işləməyi xoşlayırlar. Dezavantajlar kimi, tələbələr botla işləyərkən tələb olunan bilik çatışmazlığını qeyd etdilər: qoşulduqda, onun işinin əsaslarını və prinsiplərini başa düşdükdə.
Şagirdlərin demək olar ki, hamısı məktəbin gözləntilərini üstələdiyini qeyd etdilər və bu, məktəbin təşkili üçün düzgün istiqamətdən xəbər verir. Beləliklə, növbəti məktəb təşkil edilərkən ümumi prinsiplər saxlanılmalı, tələbələr və müəllimlər tərəfindən qeyd olunan çatışmazlıqlar nəzərə alınmalı və mümkün olduqda aradan qaldırılmalıdır, bəlkə də kursların siyahısı və ya onların tədrisi vaxtı dəyişdirilməlidir.
Məqalə müəllifləri: komanda в
PS Korporativ bloqumuzun yeni adı var. İndi JetBrains-in təhsil layihələrinə həsr olunacaq.
Mənbə: www.habr.com