Ana akeh kursus sing apik banget ing jagad pendidikan teknik, nanging asring kurikulum sing dibangun ing saubengé nandhang cacat serius - kekurangan koherensi sing apik ing macem-macem topik. Siji bisa mbantah: kepiye carane iki?
Nalika program latihan dibentuk, prasyarat lan urutan sing jelas babagan disiplin kasebut kudu disinaoni kanggo saben kursus. Contone, kanggo mbangun lan program robot seluler primitif, sampeyan kudu ngerti mekanika sethitik kanggo nggawe struktur fisik sawijining; dhasar listrik ing tingkat hukum Ohm / Kirchhoff, perwakilan sinyal digital lan analog; operasi karo vektor lan matriks kanggo njlèntrèhaké sistem koordinat lan obahe robot ing papan; dhasar program ing tingkat presentation data, algoritma prasaja lan struktur transfer kontrol, etc. kanggo nggambarake prilaku.
Apa kabeh iki kalebu ing kursus universitas? Mesthi wis. Nanging, kanthi hukum Ohm / Kirchhoff, kita entuk termodinamika lan teori lapangan; Saliyane operasi karo matriks lan vektor, siji kudu menehi hasil karo formulir Jordan; ing program, sinau polimorfisme - topik sing ora tansah perlu kanggo ngatasi masalah praktis prasaja.
Pendidikan universitas ekstensif - mahasiswa dadi ing ngarep sing amba lan asring ora weruh makna lan pinunjul praktis saka kawruh kang ditampa. Kita mutusake kanggo ngowahi paradigma pendhidhikan universitas ing STEM (saka tembung Science, Technology, Engineering, Math) lan nggawe program sing adhedhasar koherensi kawruh, saéngga nambah ketuntasan ing mangsa ngarep, yaiku, tegese nguwasani intensif mata pelajaran.
Sinau area subjek anyar bisa dibandhingake karo njelajah wilayah lokal. Lan ing kene ana rong pilihan: salah siji kita duwe peta sing rinci banget kanthi rincian sing akeh banget sing kudu disinaoni (lan iki mbutuhake wektu akeh) kanggo ngerti lokasi landmark utama lan kepiye hubungane. ; utawa sampeyan bisa nggunakake rencana primitif, kang mung titik utama lan posisi relatif sing dituduhake - peta kuwi cukup kanggo langsung miwiti obah ing arah tengen, njlentrehake rincian nalika sampeyan pindhah.
Kita nguji pendekatan pembelajaran STEM intensif ing sekolah musim dingin, sing dianakake bebarengan karo siswa MIT kanthi dhukungan saka
Preparation saka materi
Pérangan pisanan saka program sekolah ana minggu kelas ing wilayah utama, kang kalebu aljabar, sirkuit listrik, arsitektur komputer, pemrograman Python lan introduksi kanggo ROS (Robot Operating System).
Pandhuan kasebut ora dipilih kanthi sengaja: nglengkapi saben liyane, mesthine bisa mbantu para siswa ndeleng sesambungan antarane barang-barang sing katon beda ing sepisanan - matematika, elektronik lan pemrograman.
Mesthi, tujuan utama ora menehi akeh ceramah, nanging kanggo menehi siswa kesempatan kanggo ngetrapake kawruh sing mentas dipikolehi dhewe ing praktik.
Ing bagean aljabar, siswa bisa praktek operasi matriks lan ngrampungake sistem persamaan, sing migunani kanggo sinau sirkuit listrik. Sawise sinau babagan struktur transistor lan unsur logis sing dibangun ing basis, siswa bisa ndeleng panggunaan ing piranti prosesor, lan sawise sinau dhasar basa Python, nulis program kanggo robot nyata.
Duckietown
Salah sawijining tujuan sekolah yaiku nyilikake karya karo simulator yen bisa. Mulane, pesawat gedhe saka sirkuit elektronik disiapake, kang mahasiswa kudu ngumpul ing breadboard saka komponen nyata lan nyoba ing laku, lan Duckietown dipilih minangka basis kanggo proyèk.
Duckietown minangka proyek sumber terbuka sing nglibatake robot otonom cilik sing diarani Duckiebots lan jaringan dalan sing dituju. Duckiebot minangka platform roda sing dilengkapi mikrokomputer Raspberry Pi lan kamera siji.
Adhedhasar iki, kita wis nyiapake sawetara tugas sing bisa ditindakake, kayata nggawe peta dalan, nggoleki obyek lan mandheg ing jejere, lan liya-liyane. Siswa uga bisa ngusulake masalah dhewe lan ora mung nulis program kanggo ngatasi, nanging uga langsung mbukak ing robot nyata.
Pengajaran
Sajrone ceramah, guru ngandharake materi kanthi nggunakake presentasi sing wis disiapake. Sawetara kelas direkam ing video supaya siswa bisa nonton ing omah. Sajrone kuliah, siswa nggunakake materi ing komputer, takon, lan ngrampungake masalah bebarengan lan mandiri, kadhangkala ing papan tulis. Adhedhasar asil karya, biji saben siswa diitung kanthi kapisah ing mata pelajaran sing beda-beda.
Ayo kita nimbang tumindak kelas ing saben subyek kanthi luwih rinci. Subjek pisanan yaiku aljabar linier. Siswa nglampahi sedina sinau babagan vektor lan matriks, sistem persamaan linear, lsp. Tugas praktis disusun kanthi interaktif: masalah sing diusulake ditanggulangi kanthi individu, lan guru lan siswa liyane menehi komentar lan tips.
Subjek kapindho yaiku listrik lan sirkuit prasaja. Siswa sinau dasar-dasar elektrodinamika: voltase, arus, resistensi, hukum Ohm lan hukum Kirchhoff. Tugas praktis sebagian rampung ing simulator utawa rampung ing papan, nanging luwih akeh wektu kanggo mbangun sirkuit nyata kayata sirkuit logika, sirkuit osilasi, lsp.
Topik sabanjure yaiku Arsitektur Komputer - ing pangertene, jembatan sing nyambungake fisika lan pemrograman. Siswa sinau dhasar dhasar, sing pentinge luwih teoritis tinimbang praktis. Minangka praktik, siswa ngrancang sirkuit aritmetika lan logika kanthi mandiri ing simulator lan entuk poin kanggo tugas sing wis rampung.
Dina kaping papat yaiku dina pisanan program. Python 2 dipilih minangka basa pamrograman amarga iku sing digunakake ing pemrograman ROS. Dina iki disusun kaya mangkene: guru menehi materi, menehi conto ngrampungake masalah, nalika siswa ngrungokake, lungguh ing komputer, lan mbaleni apa sing ditulis guru ing papan utawa slide. Banjur siswa ngrampungake masalah sing padha dhewe, lan solusi kasebut banjur dievaluasi dening guru.
Dina kaping lima darmabakti kanggo ROS: wong lanang sinau babagan pemrograman robot. Ing dina sekolah, siswa lungguh ing komputer, mbukak kode program sing diomongake guru. Dheweke bisa mbukak unit ROS dhasar dhewe lan uga dikenalake ing proyek Duckietown. Ing pungkasan dina iki, para siswa wis siyap miwiti bagean proyek sekolah - ngrampungake masalah praktis.
Katrangan proyek sing dipilih
Siswa dijaluk nggawe tim telu lan milih topik proyek. Akibaté, proyek ing ngisor iki diadopsi:
1. Kalibrasi warna. Duckiebot kudu kalibrasi kamera nalika kondisi cahya diganti, supaya ana tugas kalibrasi otomatis. Masalahe yaiku rentang warna sing sensitif banget marang cahya. Peserta ngetrapake sarana sing bakal nyorot warna sing dibutuhake ing pigura (abang, putih lan kuning) lan mbangun kisaran kanggo saben warna ing format HSV.
2. Taksi Bebek. Gagasan proyek iki yaiku Duckiebot bisa mandheg ing cedhak obyek, njupuk lan ngetutake rute tartamtu. Bebek kuning padhang dipilih minangka obyek.
3. Konstruksi grafik dalan. Ana tugas kanggo mbangun grafik dalan lan prapatan. Sasaran saka proyek iki kanggo mbangun grafik dalan tanpa menehi data lingkungan priori kanggo Duckiebot, mung gumantung ing data kamera.
4. Mobil patroli. Proyek iki diciptakake dening siswa dhewe. Dheweke ngusulake mulang siji Duckiebot, "patroli," kanggo ngoyak liyane, "pelanggar". Kanggo tujuan iki, mekanisme pangenalan target nggunakake marker ArUco digunakake. Sanalika pangenalan rampung, sinyal dikirim menyang "intruder" kanggo ngrampungake karya kasebut.
Kalibrasi Warna
Tujuan proyek Kalibrasi Warna yaiku kanggo nyetel sawetara warna tandha sing bisa dingerteni menyang kahanan cahya anyar. Tanpa pangaturan kasebut, pangenalan garis mandheg, pemisah jalur lan wates dalan dadi ora bener. Peserta ngusulake solusi adhedhasar pola warna markup preprocessing: abang, kuning lan putih.
Saben werna kasebut nduweni sawetara prasetel nilai HSV utawa RGB. Nggunakake kisaran iki, kabeh area pigura sing ngemot warna sing cocog ditemokake, lan sing paling gedhe dipilih. Wilayah iki dijupuk minangka warna sing kudu dieling-eling. Rumus statistik kayata ngitung rata-rata lan simpangan baku banjur digunakake kanggo ngira-ngira kisaran warna anyar.
Kisaran iki direkam ing file konfigurasi kamera Duckiebot lan bisa digunakake mengko. Pendekatan sing diterangake ditrapake kanggo kabeh telung warna, pungkasane mbentuk kisaran kanggo saben warna markup.
Tes nuduhake pangenalan garis tandha sing meh sampurna, kajaba ing kasus-kasus nalika bahan tandha nggunakake tape nggilap, sing nuduhake sumber cahya kanthi kuat, mula saka sudut pandang kamera, tandha katon putih, preduli saka warna asline.
Taksi Bebek
Proyek Duck Taxi melu mbangun algoritma kanggo nggoleki penumpang bebek ing kutha, lan banjur ngeterake menyang titik sing dibutuhake. Para peserta mbagi masalah iki dadi loro: deteksi lan gerakan ing sadawane grafik.
Siswa nindakake deteksi bebek kanthi nggawe asumsi yen bebek yaiku sembarang area ing pigura sing bisa diakoni minangka kuning, kanthi segitiga abang (beak). Sanalika wilayah kasebut dideteksi ing pigura sabanjure, robot kudu nyedhaki lan banjur mandheg sawetara detik, simulasi kebangkrutan penumpang.
Banjur, duwe grafik dalan kabeh duckietown lan posisi bot sing disimpen ing memori sadurunge, lan uga nampa tujuan minangka input, para peserta mbangun jalur saka titik keberangkatan menyang titik tekan, nggunakake algoritma Dijkstra kanggo nemokake dalan ing grafik. . Output ditampilake minangka sakumpulan printah - giliran ing saben persimpangan ing ngisor iki.
Grafik dalan
Tujuan proyek iki yaiku nggawe grafik - jaringan dalan ing Duckietown. Titik saka grafik sing diasilake minangka persimpangan, lan busur minangka dalan. Kanggo nindakake iki, Duckiebot kudu njelajah kutha lan nganalisa rute kasebut.
Sajrone karya ing proyek kasebut, gagasan nggawe grafik bobot dianggep, nanging banjur dibuwang, ing ngendi biaya pinggiran ditemtokake dening jarak (wektu lelungan) antarane persimpangan. Implementasine gagasan iki dadi akeh banget, lan ora cukup wektu ing sekolah.
Nalika Duckiebot tekan prapatan sabanjure, dheweke milih dalan sing metu saka prapatan sing durung ditindakake. Nalika kabeh dalan ing kabeh prapatan wis liwati, dhaftar kui saka prapatan adjacencies tetep ing memori bot, kang diowahi dadi gambar nggunakake perpustakaan Graphviz.
Algoritma sing diusulake dening para peserta ora cocok kanggo Duckietown acak, nanging bisa digunakake kanthi apik kanggo kutha cilik papat persimpangan sing digunakake ing sekolah kasebut. Ing idea iki kanggo nambah panandha ArUco kanggo saben prapatan ngemot pengenal prapatan kanggo trek urutan kang intersections padha mimpin.
Diagram algoritma sing dikembangake dening peserta ditampilake ing gambar kasebut.
Mobil Patroli
Tujuan proyek iki yaiku nggoleki, nguber lan nahan bot sing nglanggar ing kutha Duckietown. Bot patroli kudu pindhah ing pinggir dalan njaba kutha, nggoleki bot penyusup sing dikenal. Sawise ndeteksi penyusup, bot patroli kudu ngetutake penyusup lan meksa dheweke mandheg.
Karya kasebut diwiwiti kanthi nggoleki ide kanggo ndeteksi bot ing pigura lan ngenali penyusup ing njero. Tim kasebut ngusulake nglengkapi saben bot ing kutha kanthi tandha unik ing mburi - kaya mobil nyata duwe nomer registrasi negara. Penanda ArUco dipilih kanggo tujuan iki. Dheweke wis digunakake sadurunge ing duckietown amarga gampang digarap lan ngidini sampeyan nemtokake orientasi panandha ing papan lan jarak kasebut.
Sabanjure, perlu kanggo mesthekake yen bot patroli dipindhah kanthi ketat ing bunder njaba tanpa mandheg ing persimpangan. Kanthi gawan, Duckiebot obah ing jalur lan mandheg ing garis mandeg. Banjur, kanthi bantuan pratandha dalan, dheweke nemtokake konfigurasi persimpangan lan nggawe pilihan babagan arah dalan persimpangan. Kanggo saben tahapan sing diterangake, salah sawijining negara mesin negara winates robot tanggung jawab. Kanggo nyingkirake mandeg ing prapatan, tim ngganti mesin negara supaya nalika nyedhaki garis mandheg, bot kasebut langsung ngalih menyang status nyopir langsung liwat prapatan.
Langkah sabanjure yaiku ngrampungake masalah kanggo mungkasi bot penyusup. Tim kasebut nggawe asumsi yen bot patroli bisa duwe akses SSH menyang saben bot ing kutha, yaiku, duwe sawetara informasi babagan data wewenang lan id apa sing diduweni saben bot. Mangkono, sawise ndeteksi penyusup, bot patroli wiwit nyambung liwat SSH menyang bot penyusup lan mateni sisteme.
Sawise ngonfirmasi yen printah mateni rampung, bot patroli uga mandheg.
Algoritma operasi robot patroli bisa dituduhake minangka diagram ing ngisor iki:
Nggarap proyek
Karya kasebut diatur kanthi format sing padha karo Scrum: saben esuk para siswa ngrancang tugas kanggo dina saiki, lan ing wayah sore padha nglaporake babagan karya sing wis rampung.
Ing dina pisanan lan pungkasan, siswa nyiapake presentasi sing njlentrehake tugas lan cara ngatasi. Kanggo mbantu siswa ngetutake rencana sing dipilih, guru saka Rusia lan Amerika terus-terusan ana ing kamar ing ngendi proyek ditindakake, njawab pitakonan. Komunikasi njupuk Panggonan utamané ing Inggris.
Asil lan demonstrasi
Ngerjani proyek kasebut suwene seminggu, sawise para siswa nampilake asile. Saben uwong nyiapake presentasi ing ngendi dheweke ngomong babagan apa sing disinaoni ing sekolah iki, apa pelajaran sing paling penting, apa sing disenengi utawa ora. Sawise iku, saben tim nampilake proyeke. Kabeh tim ngrampungake tugase.
Tim sing ngetrapake kalibrasi warna ngrampungake proyek luwih cepet tinimbang liyane, saengga dheweke uga duwe wektu kanggo nyiapake dokumentasi kanggo program kasebut. Lan tim sing nggarap grafik dalan, sanajan ing dina pungkasan sadurunge demonstrasi proyek, nyoba nyaring lan mbenerake algoritma kasebut.
kesimpulan
Sawise rampung sekolah, kita takon siswa kanggo ngevaluasi aktivitas kepungkur lan njawab pitakonan babagan carane sekolah ketemu pangarepan, apa skills padha angsal, etc. Kabeh siswa nyathet yen dheweke sinau kerja ing tim, mbagekke tugas lan ngrancang wektu.
Siswa uga dijaluk menehi rating babagan kegunaan lan kesulitan kursus sing ditindakake. Lan ing kene ana rong klompok evaluasi: kanggo sawetara kursus kasebut ora angel banget, liyane menehi rating minangka angel banget.
Iki tegese sekolah wis njupuk posisi sing tepat kanthi tetep bisa diakses kanggo pamula ing lapangan tartamtu, nanging uga nyedhiyakake bahan kanggo pengulangan lan konsolidasi dening siswa sing berpengalaman. Perlu dicathet yen kursus pemrograman (Python) dicathet dening meh kabeh wong minangka ora rumit nanging migunani. Miturut siswa, kursus sing paling angel yaiku "Arsitektur Komputer".
Nalika siswa ditakoni babagan kekiyatan lan kelemahane sekolah, akeh sing mangsuli yen dheweke seneng karo gaya pamulangan sing dipilih, ing ngendi guru menehi pitulung kanthi cepet lan pribadi lan mangsuli pitakon.
Siswa uga nyathet yen dheweke seneng nggarap mode perencanaan saben dinane tugas lan nyetel tenggat wektu dhewe. Minangka cacat, siswa nyathet kekurangan kawruh sing diwenehake, sing dibutuhake nalika nggarap bot: nalika nyambungake, ngerti dhasar lan prinsip operasi.
Meh kabeh siswa nyathet yen sekolah ngluwihi pangarepan, lan iki nuduhake arah sing bener kanggo ngatur sekolah. Mangkono, prinsip umum kudu dijaga nalika ngatur sekolah sabanjure, kanthi nimbang lan, yen bisa, ngilangi kekurangan sing dicathet dening siswa lan guru, bisa uga ngganti dhaptar kursus utawa wektu mulang.
Penulis artikel: tim в
PS Blog perusahaan kita duwe jeneng anyar. Saiki bakal darmabakti kanggo proyek pendidikan JetBrains.
Source: www.habr.com