Ingeniaritza-hezkuntzaren munduan ikastaro bikain asko daude, baina askotan haien inguruan eraikitako curriculumak akats larri bat jasaten du: hainbat gairen arteko koherentzia eza. Batek aurka egin dezake: nola izan daiteke hau?
Prestakuntza-programa bat osatzen ari direnean, kurtso bakoitzerako aurrebaldintzak eta diziplinak zein ordenatan ikasi behar diren adierazten dira. Adibidez, robot mugikor primitibo bat eraikitzeko eta programatzeko, mekanika apur bat ezagutu behar duzu bere egitura fisikoa sortzeko; elektrizitatearen oinarriak Ohm/Kirchhoff-en legeen mailan, seinale digital eta analogikoen irudikapena; bektore eta matrizeekin eragiketak robotaren espazioan koordenatu-sistemak eta mugimenduak deskribatzeko; datuen aurkezpen mailan programazioaren oinarriak, algoritmo sinpleak eta kontrol-transferentzia-egiturak, etab. portaera deskribatzeko.
Hori guztia unibertsitateko ikastaroetan jasotzen al da? Noski. Hala ere, Ohm/Kirchhoff-en legeekin termodinamika eta eremuen teoria lortzen ditugu; matrizeekin eta bektoreekin egindako eragiketez gain, Jordan formekin jorratu behar da; programazioan, polimorfismoa aztertzea, arazo praktiko sinple bat ebazteko beti beharrezkoak ez diren gaiak.
Unibertsitate-hezkuntza zabala da - ikaslea fronte zabal batean doa eta askotan ez du ikusten jasotzen duen ezagutzaren esanahi eta esangura praktikoa. STEM (Zientzia, Teknologia, Ingeniaritza, Matematika hitzetatik abiatuta) unibertsitate-hezkuntzaren paradigmari buelta ematea erabaki genuen eta ezagutzaren koherentzian oinarritutako programa bat sortzea, etorkizunean osotasuna areagotzea ahalbidetuz, hau da. irakasgaien menderatzea intentsiboa dakar.
Gai-arlo berri bat ikastea tokiko eremu bat arakatzearekin alderatu daiteke. Eta hemen bi aukera daude: edo mapa oso zehatza dugu aztertu beharreko xehetasun ugarirekin (eta honek denbora asko behar du), mugarri nagusiak non dauden eta elkarren artean nola erlazionatzen diren ulertzeko. ; edo plano primitibo bat erabil dezakezu, puntu nagusiak eta haien posizio erlatiboak soilik adierazten diren - mapa hori nahikoa da berehala norabide egokian mugitzen hasteko, xehetasunak argituz joan ahala.
STEM ikaskuntza intentsiboaren ikuspegia probatu genuen neguko eskola batean, eta MITeko ikasleekin batera egin genuen laguntzarekin
Materialen prestaketa
Ikastetxeko programaren lehen zatia arlo nagusietako klaseen astea izan zen, hau da, aljebra, zirkuitu elektrikoak, konputagailuen arkitektura, Python programazioa eta ROS-en (Robot Operating System) sarrera izan ziren.
Norabideak ez ziren kasualitatez aukeratu: elkarren osagarri izanda, ikasleek itxuraz desberdinak ziren gauzen arteko lotura lehen begiratuan ikusten lagundu behar omen zuten -matematika, elektronika eta programazioa-.
Noski, helburu nagusia ez zen hitzaldi asko ematea, baizik eta ikasleek lortu berri diren ezagutzak beraiek praktikan aplikatzeko aukera ematea.
Aljebra atalean, ikasleek zirkuitu elektrikoak aztertzeko baliagarriak ziren ekuazio-sistemak eta ekuazio-sistemak ebazteko eragiketak matricialak landu zituzten. Transistore baten egitura eta bere oinarrian eraikitako elementu logikoak ezagututa, ikasleek prozesadore-gailu batean haien erabilera ikusi ahal izan zuten, eta Python lengoaiaren oinarriak ikasi ondoren, bertan benetako robot baterako programa bat idatzi.
Duckietown
Eskolaren helburuetako bat simulagailuekin lana ahalik eta gehien murriztea zen. Hori dela eta, zirkuitu elektronikoen multzo handi bat prestatu zen, ikasleek osagai errealetatik abiatuta ohol batean muntatu eta praktikan probatu behar zituztenak, eta Duckietown aukeratu zuten proiektuen oinarri gisa.
Duckietown kode irekiko proiektu bat da, Duckiebots izeneko robot autonomo txikiak eta haiek ibiltzen diren errepide sareak parte hartzen duena. Duckiebot Raspberry Pi mikroordenagailu batekin eta kamera bakarrarekin hornitutako gurpildun plataforma da.
Hortik abiatuta, egin daitezkeen zereginen multzoa prestatu dugu, hala nola, errepide mapa eraikitzea, objektuak bilatzea eta haien ondoan gelditzea, eta beste hainbat. Ikasleek beren arazoa ere proposa dezakete eta konpontzeko programa bat idatzi ez ezik, berehala exekutatu ahal izango dute benetako robot batean.
Irakaskuntza
Hitzaldian zehar, irakasleek materiala aurkeztu zuten aurrez prestatutako aurkezpenak erabiliz. Klase batzuk bideoan grabatu ziren ikasleek etxean ikusi ahal izateko. Hitzaldietan, ikasleek materialak erabiltzen zituzten ordenagailuetan, galderak egin eta arazoak elkarrekin eta modu independentean ebatzi zituzten, batzuetan arbelean. Lanaren emaitzen arabera, ikasle bakoitzaren balorazioa irakasgai ezberdinetan bereizita kalkulatu da.
Azter dezagun zehatzago irakasgai bakoitzeko klaseen jokabidea. Lehenengo gaia aljebra lineala izan zen. Ikasleek egun bat eman zuten bektoreak eta matrizeak, ekuazio linealen sistemak eta abar aztertzen. Lan praktikoak modu interaktiboan egituratu ziren: proposatutako problemak banan-banan ebatzi ziren, eta irakasleak eta gainerako ikasleek iruzkinak eta aholkuak eman zituzten.
Bigarren gaia elektrizitatea eta zirkuitu sinpleak dira. Ikasleek elektrodinamikaren oinarriak ikasi zituzten: tentsioa, korrontea, erresistentzia, Ohm-en legea eta Kirchhoff-en legeak. Zeregin praktikoak neurri batean simulagailuan egiten ziren edo arbelean osatu ziren, baina denbora gehiago eman zen benetako zirkuitu eraikitzen, hala nola, zirkuitu logikoak, zirkuitu oszilatzaileak, etab.
Hurrengo gaia Konputagailuen Arkitektura da - zentzu batean, fisika eta programazioa lotzen dituen zubia. Ikasleek oinarrizko oinarria aztertu zuten, eta horren esangura teorikoa baino praktikoagoa da. Praktikan, ikasleek modu independentean diseinatu zituzten zirkuitu aritmetikoak eta logikoak simulagailuan eta puntuak jaso zituzten burututako atazengatik.
Laugarren eguna programazioaren lehen eguna da. Python 2 aukeratu zen programazio-lengoaia gisa, ROS programazioan erabiltzen dena delako. Egun hau honela egituratu zen: irakasleek materiala aurkeztu zuten, arazoak ebazteko adibideak eman zituzten, ikasleek entzuten zituzten bitartean, ordenagailuen aurrean eserita, eta irakasleak arbelean edo diapositiban idatzitakoa errepikatzen zuten. Ondoren, ikasleek beren kabuz ebatzi zituzten antzeko arazoak, eta konponbideak ebaluatu zituzten gero irakasleek.
Bosgarren eguna ROSri eskaini zioten: mutilek roboten programazioari buruz ikasi zuten. Eskola-egun osoan, ikasleak ordenagailuen aurrean eserita egon ziren, irakasleak hitz egin zuen programa-kodea exekutatzen. Oinarrizko ROS unitateak beren kabuz exekutatu ahal izan zituzten eta Duckietown proiektua ere aurkeztu zuten. Egun honen amaieran, ikasleak ikastetxeko proiektuaren zati bat hasteko prest zeuden, arazo praktikoak konpontzeko.
Hautatutako proiektuen deskribapena
Ikasleei hiruko taldeak osatu eta proiektuko gai bat aukeratzeko eskatu zitzaien. Ondorioz, honako proiektu hauek onartu ziren:
1. Koloreen kalibrazioa. Duckiebot-ek kamera kalibratu behar du argi-baldintzak aldatzen direnean, beraz, kalibrazio-zeregin automatikoa dago. Arazoa da kolore-barrutiak argiarekiko oso sentikorrak direla. Parte-hartzaileek marko batean beharrezkoak diren koloreak nabarmentzen zituen (gorria, zuria eta horia) eta kolore bakoitzerako barrutiak HSV formatuan eraikitzen zituen erabilgarritasun bat ezarri zuten.
2. Ahate Taxia. Proiektu honen ideia da Duckiebot objektu baten ondoan gelditzea, jaso eta ibilbide jakin bat jarraitzea. Ahate hori distiratsu bat aukeratu zen objektu gisa.
3. Errepide-grafiko baten eraikuntza. Errepideen eta bidegurutzeen grafiko bat eraikitzeko zeregina dago. Proiektu honen helburua errepide-grafiko bat eraikitzea da, Duckiebot-i a priori ingurumen-datuak eman gabe, kameraren datuetan soilik oinarrituz.
4. Patruila-kotxea. Proiektu hau ikasleek eurek asmatu dute. Duckiebot bati, "patruila" bati, beste bati, "urratzaile" baten atzetik, irakastea proposatu zuten. Horretarako, ArUco markatzailea erabiliz helburuak ezagutzeko mekanismoa erabili da. Aitorpena amaitu bezain laster, seinale bat bidaltzen zaio "intrusoari" lana amaitzeko.
Koloreen kalibrazioa
Kolore-kalibrazio proiektuaren helburua marka-kolore ezagugarrien sorta argi-baldintza berrietara egokitzea zen. Egokitzapen horiek gabe, geralekuen, errei-bereizleen eta errepideen mugak antzematea okerrak ziren. Parte-hartzaileek aurreprozesatzeko kolore-ereduetan oinarritutako irtenbide bat proposatu zuten: gorria, horia eta zuria.
Kolore horietako bakoitzak HSV edo RGB balioen sorta aurrez ezarritakoa du. Barruti hau erabiliz, kolore egokiak dituzten markoaren eremu guztiak aurkitzen dira eta handiena hautatzen da. Eremu hori gogoratu beharreko koloretzat hartzen da. Ondoren, kolore-barruti berria kalkulatzeko, batez bestekoa eta desbideratze estandarra kalkulatzea bezalako formula estatistikoak erabiltzen dira.
Barruti hau Duckiebot-en kameraren konfigurazio fitxategietan grabatzen da eta geroago erabil daiteke. Deskribatutako ikuspegia hiru koloreei aplikatu zitzaien, azken finean, marka-kolore bakoitzaren barrutiak osatuz.
Probak markatze-lerroen antzemate ia ezin hobea erakutsi zuten, markatzeko materialek zinta distiratsua erabiltzen zuten kasuetan izan ezik, zeinak argi-iturriak hain gogor islatzen baititu non kameraren ikus-angelutik markak zuriak agertzen zirela, jatorrizko kolorea edozein izanda ere.
Ahate Taxia
Duck Taxi proiektua hirian ahate bidaiari bat bilatzeko algoritmo bat eraikitzea eta, ondoren, behar den puntura garraiatzea izan zen. Parte-hartzaileek arazo hau bitan banatu zuten: grafikoan zehar detekzioa eta mugimendua.
Ikasleek ahateen detekzioa egin zuten, ahatea horia dela antzeman daitekeen markoko edozein eremu dela suposatuz, triangelu gorri bat (mokoa) duela. Hurrengo fotograman halako eremu bat detektatu bezain laster, robota bertara hurbildu eta segundo batzuetan gelditu beharko litzateke, bidaiari baten lurreratzea simulatuz.
Ondoren, duckietown osoaren errepide grafikoa eta bot-aren posizioa memorian gordeta aldez aurretik, eta helmuga sarrera gisa ere jasoz, parte-hartzaileek bide bat eraikitzen dute irteera-puntutik helmugara, Dijkstra-ren algoritmoa erabiliz grafikoan bideak aurkitzeko. . Irteera komando-multzo gisa aurkezten da: txandaka hurrengo elkarguneetako bakoitzean.
Errepideen grafikoa
Proiektu honen helburua grafiko bat eraikitzea zen, Duckietown-eko errepide sare bat. Sortutako grafikoaren nodoak elkarguneak dira, eta arkuak errepideak. Horretarako, Duckiebot-ek hiria arakatu eta bere ibilbidea aztertu behar du.
Proiektuan zehar, grafiko haztatu bat sortzearen ideia kontuan hartu zen, baina gero baztertu zen, non ertz baten kostua bidegurutzeen arteko distantziaren arabera (bidaiatzeko denbora) zehazten baita. Ideia honen ezarpena lan-eskaintza handiegia izan zen, eta ez zegoen eskola barruan horretarako denbora nahikorik.
Duckiebot-ek hurrengo bidegurutzera iristen denean, oraindik hartu ez duen bidegurutzetik ateratzen den errepidea aukeratzen du. Bidegurutze guztietako errepide guztiak igaro direnean, sortutako elkarguneen aldamenen zerrenda bot-aren memorian geratzen da, eta Graphviz liburutegia erabiliz irudi bihurtzen da.
Parte-hartzaileek proposatutako algoritmoa ez zen ausazko Duckietown baterako egokia, baina ondo funtzionatu zuen eskola barruan erabilitako lau bidegurutzetako herri txiki baterako. Ideia bidegurutze bakoitzean ArUco markatzaile bat gehitzea zen, bidegurutze-identifikatzaile bat zuen bidegurutzeen ordena jarraitzeko.
Parte-hartzaileek garatutako algoritmoaren diagrama irudian ageri da.
Patruila Autoa
Proiektu honen helburua Duckietown hirian urratzen duen bot bat bilatzea, atzematea eta atxilotzea da. Patruila-bot batek hiriko errepide baten kanpoko eraztunean zehar mugitu behar du, intrusitzaile-bot ezagun baten bila. Intruso bat detektatu ondoren, patruila-botak intrusioari jarraitu behar dio eta gelditzera behartu.
Lana marko batean bot bat detektatzeko eta bertan intrusibo bat antzemateko ideia baten bila hasi zen. Taldeak proposatu zuen hiriko bot bakoitza atzealdean markatzaile bakarraz hornitzea - ββbenetako autoek estatuko matrikula-zenbakiak dituzten bezala. ArUco markatzaileak aukeratu ziren horretarako. Duckietown-en aurretik erabili izan dira lan egiteko errazak direlako eta espazioan markatzailearen orientazioa eta distantzia zehazteko aukera ematen baitute.
Ondoren, beharrezkoa zen patruila bot-a zorrozki mugitzen zela kanpoko zirkuluan, bidegurutzeetan gelditu gabe. Lehenespenez, Duckiebot errei batean mugitzen da eta geldiunean gelditzen da. Ondoren, bide-seinaleen laguntzaz, bidegurutzearen konfigurazioa zehazten du eta bidegurutzearen igarobidearen noranzkoari buruzko hautua egiten du. Deskribatutako fase bakoitzeko, robotaren egoera finituko makinaren egoeretako bat arduratzen da. Elkargunean geldialdiak kentzeko, taldeak egoera-makina aldatu zuen, geldialdi-lerrora hurbiltzean, bot-a berehala bidegurutzetik zuzen gidatzeko egoerara pasa zedin.
Hurrengo urratsa intruder bot geldiarazteko arazoa konpontzea izan zen. Taldeak suposizioa egin zuen patruila-botak SSH sarbidea izan zezakeela hiriko bot bakoitzean, hau da, zer baimen-datu eta bot bakoitzak zer ID duen. Horrela, intrusoa detektatu ondoren, patruila bot-a SSH bidez konektatzen hasi zen intruder botarekin eta bere sistema itzaltzen hasi zen.
Itzali komandoa amaitu zela baieztatu ondoren, patruila bot-a ere gelditu zen.
Patroi-robot baten funtzionamendu-algoritmoa diagrama honetan irudikatu daiteke:
Proiektuetan lan egitea
Lana Scrum-en antzeko formatuan antolatu zuten: goizero ikasleek egungo eguneko lanak planifikatzen zituzten, eta arratsaldean egindako lanaren berri ematen zuten.
Lehenengo eta azken egunetan, ikasleek aurkezpenak prestatu zituzten ataza eta nola konpondu deskribatuz. Ikasleek aukeratutako planak jarraitzen laguntzeko, Errusia eta Amerikako irakasleak etengabe egon ziren proiektuak lantzen ziren geletan, galderei erantzuten. Komunikazioa ingelesez egiten zen batez ere.
Emaitzak eta haien erakustaldia
Proiektuen lanak astebeteko iraupena izan du, eta ondoren ikasleek euren emaitzak aurkeztu dituzte. Denek aurkezpenak prestatu zituzten eta bertan eskola honetan ikasitakoari buruz hitz egin zuten, zeintzuk ziren ikasitako ikasgai garrantzitsuenak, zer gustatu zitzaien edo ez. Horren ostean, talde bakoitzak bere proiektua aurkeztu zuen. Talde guztiek beren zereginak bete zituzten.
Kolore-kalibrazioa inplementatzen duen taldeak besteek baino azkarrago osatu zuten proiektua, beraz, euren programarako dokumentazioa prestatzeko denbora ere izan zuten. Eta errepideko grafikoan lanean ari den taldea, proiektuaren erakustaldiaren aurreko azken egunean ere, bere algoritmoak hobetzen eta zuzentzen saiatu zen.
Ondorioa
Eskola amaitu ondoren, ikasleei iraganeko jarduerak ebaluatzeko eta eskolak beren itxaropenak zenbateraino betetzen dituen, zein gaitasun lortu dituzten eta abarri buruzko galderei erantzuteko eskatu diegu. Ikasle guztiek taldean lan egiten, zereginak banatzen eta denbora planifikatzen ikasi zutela adierazi zuten.
Ikasleei egindako ikastaroen erabilgarritasuna eta zailtasuna baloratzeko ere eskatu zitzaien. Eta hemen bi ebaluazio-talde osatu ziren: batzuentzat kurtsoek ez zuten zailtasun handirik izan, beste batzuek izugarri zailtzat jo zuten.
Horrek esan nahi du eskolak posizio egokia hartu duela arlo jakin batean hasiberrientzat eskuragarri egonez, baina esperientziadun ikasleei errepikatzeko eta finkatzeko materialak ere eskainiz. Kontuan izan behar da programazio ikastaroa (Python) ia denek konplexurik gabe baina erabilgarria dela adierazi zutela. Ikasleen arabera, ikastarorik zailena βKonputagailuen arkitekturaβ izan zen.
Ikasleei ikastetxearen indarguneei eta ahuleziei buruz galdetu zitzaienean, askok erantzun zuten aukeratutako irakaskuntza estiloa gustuko zutela, non irakasleek laguntza azkarra eta pertsonala emanez eta galderei erantzunez.
Ikasleek euren zereginen eguneroko planifikazioan lan egitea eta euren epeak finkatzea gustatzen zitzaiela ere adierazi zuten. Desabantaila gisa, ikasleek emandako ezagutza eza nabarmendu dute, botarekin lan egitean beharrezkoa zena: konektatzean, bere funtzionamenduaren oinarriak eta printzipioak ulertzea.
Ia ikasle guztiek adierazi dute ikastetxeak aurreikuspenak gainditu dituela, eta horrek eskola antolatzeko norabide egokia adierazten du. Horrela, printzipio orokorrak mantendu behar dira hurrengo ikastetxea antolatzerakoan, ikasle eta irakasleek adierazitako gabeziak kontuan hartuz eta, ahal bada, ezabatuz, beharbada ikastaroen zerrenda edo haien irakaskuntzaren ordutegia aldatuz.
Artikuluen egileak: taldea Π²
PS Gure blog korporatiboak izen berri bat du. Orain JetBrains-en hezkuntza-proiektuetara dedikatuko da.
Iturria: www.habr.com