Инженерлік білім беру әлемінде көптеген тамаша курстар бар, бірақ көбінесе олардың айналасында құрылған оқу жоспары бір елеулі кемшіліктен зардап шегеді - әртүрлі тақырыптар арасындағы жақсы үйлесімділіктің болмауы. Біреу қарсы болуы мүмкін: бұл қалай болуы мүмкін?
Оқыту бағдарламасы құрылу кезінде әрбір курс үшін алғышарттар мен пәндер оқытылатын нақты тәртіп көрсетіледі. Мысалы, қарабайыр мобильді роботты құрастыру және бағдарламалау үшін оның физикалық құрылымын жасау үшін кішкене механиканы білу керек; Ом/Кирхгоф заңдары деңгейіндегі электр тоғының негіздері, цифрлық және аналогтық сигналдарды бейнелеу; координат жүйелері мен роботтың кеңістіктегі қозғалысын сипаттау мақсатында векторлармен және матрицалармен операциялар; мәліметтерді ұсыну деңгейінде бағдарламалау негіздері, қарапайым алгоритмдер және басқаруды беру құрылымдары және т.б. мінез-құлықты сипаттау.
Мұның бәрі университет курстарында қамтылған ба? Әрине бар. Дегенмен, Ом/Кирхгоф заңдарымен термодинамика мен өріс теориясын аламыз; матрицалармен және векторлармен операциялардан басқа, Йордандық формалармен айналысу керек; бағдарламалауда полиморфизмді зерттейді - қарапайым практикалық мәселені шешу үшін әрқашан қажет емес тақырыптар.
Университеттік білім ауқымды – студент кең майданға шығып, жиі алған білімінің мәні мен практикалық мәнін көре бермейді. Біз университеттік білім беру парадигмасын STEM (Science, Technology, Engineering, Math сөздерінен) бұрып, болашақта толықтықты арттыруға мүмкіндік беретін білімнің үйлесімділігіне негізделген бағдарлама құруды шештік, яғни ол пәндерді қарқынды меңгеруді білдіреді.
Жаңа тақырыпты меңгеруді жергілікті жерді зерттеумен салыстыруға болады. Мұнда екі нұсқа бар: немесе бізде негізгі белгілердің қайда екенін және олардың бір-бірімен қалай байланысатынын түсіну үшін зерттеуді қажет ететін өте егжей-тегжейлі карта бар (және бұл көп уақытты алады). ; немесе сіз тек негізгі нүктелер мен олардың салыстырмалы позициялары көрсетілген қарабайыр жоспарды пайдалана аласыз - мұндай карта сіз жүріп бара жатқанда егжей-тегжейлерді нақтылай отырып, дұрыс бағытта қозғалуды дереу бастау үшін жеткілікті.
Біз қолдауымен MIT студенттерімен бірге өткізген қысқы мектепте қарқынды STEM оқыту әдісін сынап көрдік
Материалды дайындау
Мектеп бағдарламасының бірінші бөлімі алгебра, электр тізбектері, компьютер архитектурасы, Python бағдарламалау және ROS (Robot Operating System) жүйесіне кіріспеден тұратын негізгі бағыттар бойынша сабақ аптасы болды.
Бағыттар кездейсоқ таңдалған жоқ: бірін-бірі толықтыра отырып, олар студенттерге бір қарағанда әртүрлі болып көрінетін нәрселердің - математика, электроника және бағдарламалау арасындағы байланысты көруге көмектесуі керек еді.
Әрине, басты мақсат көп дәріс оқу емес, студенттердің жаңадан алған білімдерін тәжірибеде өз бетінше қолдануына мүмкіндік беру болды.
Алгебра бөлімінде оқушылар матрицалық амалдар мен теңдеулер жүйесін шешуге машықтана алды, бұл электр тізбектерін зерттеуде пайдалы болды. Транзистордың құрылымымен және оның негізінде құрастырылған логикалық элементтермен танысқан студенттер олардың процессорлық құрылғыда қолданылуын көре алды және Python тілінің негіздерін үйренгеннен кейін оған нақты робот үшін бағдарлама жаза алды.
Дакитаун
Мектептің мақсаттарының бірі мүмкіндігінше тренажерлармен жұмысты азайту болды. Сондықтан студенттер нақты құрамдас бөліктерден нан тақтасында құрастырып, тәжірибеде сынап көруі тиіс электронды схемалардың үлкен жинағы дайындалды, ал жобалардың негізі ретінде Дакитаун таңдалды.
Duckietown - бұл Duckiebots деп аталатын шағын автономды роботтарды және олар жүретін жол желілерін қамтитын ашық бастапқы жоба. Duckiebot - Raspberry Pi микрокомпьютерімен және бір камерамен жабдықталған дөңгелекті платформа.
Соның негізінде біз жол картасын құру, объектілерді іздеу және олардың жанына тоқтау және басқа да бірқатар мүмкін болатын тапсырмаларды дайындадық. Студенттер өз есептерін ұсына алады және оны шешу үшін бағдарлама жазып қана қоймай, оны бірден нақты роботта іске қоса алады.
Оқыту
Дәріс барысында оқытушылар алдын ала дайындалған презентацияларды пайдалана отырып, материалды таныстырды. Кейбір сабақтар видеоға түсірілді, осылайша студенттер оларды үйде көре алады. Дәріс барысында студенттер компьютерде материалдарды пайдаланып, сұрақтар қойып, есептерді бірлесіп, өз бетінше, кейде тақтада шешті. Жұмыстың нәтижесі бойынша әр студенттің рейтингі әртүрлі пәндер бойынша жеке есептелді.
Әр пән бойынша сабақ өткізуді толығырақ қарастырайық. Бірінші пән сызықтық алгебра болды. Студенттер бір күн векторлар мен матрицаларды, сызықтық теңдеулер жүйесін және т.б. Практикалық тапсырмалар интерактивті түрде құрылымдалды: ұсынылған есептер жеке шешілді, мұғалім мен басқа студенттер түсініктемелер мен кеңестер берді.
Екінші пән электр және қарапайым тізбектер. Оқушылар электродинамика негіздерін: кернеу, ток, кедергі, Ом заңы және Кирхгоф заңдарын меңгерді. Тәжірибелік тапсырмалар ішінара симуляторда орындалды немесе тақтада орындалды, бірақ логикалық схемалар, тербелмелі тізбектер және т.б. сияқты нақты схемаларды құруға көбірек уақыт жұмсалды.
Келесі тақырып Компьютер архитектурасы – белгілі бір мағынада физика мен бағдарламалауды байланыстыратын көпір. Студенттер іргелі негізді зерттеді, оның маңыздылығы практикалық емес, теориялық. Тәжірибе ретінде студенттер симуляторда арифметикалық және логикалық схемаларды өз бетінше құрастырып, орындалған тапсырмалар үшін ұпай алды.
Төртінші күн - бағдарламалаудың бірінші күні. Бағдарламалау тілі ретінде Python 2 таңдалды, себебі ол ROS бағдарламалауда қолданылады. Бұл күн келесідей құрылымдалды: мұғалімдер материалды таныстырды, есептерді шешуге мысалдар келтірді, ал оқушылар оларды компьютерде отырып тыңдады және мұғалімнің тақтада немесе слайдта жазғанын қайталады. Содан кейін оқушылар ұқсас есептерді өз беттерімен шешті, ал шешімдерді кейін мұғалімдер бағалады.
Бесінші күн ROS-қа арналды: балалар роботты бағдарламалауды үйренді. Бүкіл мектеп күні оқушылар компьютерде отырып, мұғалім айтқан бағдарлама кодын орындады. Олар негізгі ROS қондырғыларын өздігінен басқара алды, сонымен қатар Дакитаун жобасымен танысты. Бұл күннің соңында оқушылар мектептің жобалық бөлігін – практикалық есептерді шешуге кірісуге дайын болды.
Таңдалған жобалардың сипаттамасы
Студенттерге үш адамнан топ құрып, жоба тақырыбын таңдау ұсынылды. Нәтижесінде келесі жобалар қабылданды:
1. Түсті калибрлеу. Жарық жағдайлары өзгерген кезде Duckiebot камераны калибрлеуі керек, сондықтан автоматты калибрлеу тапсырмасы бар. Мәселе мынада, түс диапазоны жарыққа өте сезімтал. Қатысушылар кадрдағы қажетті түстерді (қызыл, ақ және сары) бөлектейтін және HSV пішіміндегі әрбір түс үшін ауқымдарды құрайтын қызметтік бағдарламаны іске асырды.
2. Үйрек такси. Бұл жобаның идеясы - Duckiebot объектінің жанында тоқтап, оны алып, белгілі бір маршрут бойынша жүре алады. Нысан ретінде ашық сары үйрек таңдалды.
3. Жол графигін тұрғызу. Жолдар мен қиылыстардың графигін тұрғызу тапсырмасы бар. Бұл жобаның мақсаты - тек камера деректеріне сүйене отырып, Duckiebot-қа априорлық экологиялық деректерді бермей, жол графигін құру.
4. Патрульдік автокөлік. Бұл жобаны студенттердің өздері ойлап тапқан. Олар бір Дакиботты, яғни «патрульді» екіншісін, «бұзушыны» қууға үйретуді ұсынды. Осы мақсатта ArUco маркері арқылы нысананы тану механизмі қолданылды. Тану аяқталғаннан кейін жұмысты аяқтау үшін «бұзушыға» сигнал жіберіледі.
Түстерді калибрлеу
Түсті калибрлеу жобасының мақсаты танылатын таңбалау түстерінің диапазонын жаңа жарық жағдайларына реттеу болды. Мұндай түзетулерсіз тоқтау сызықтарын, жолақ бөлгіштерін және жол шекараларын тану дұрыс болмады. Қатысушылар таңбалау түс үлгілерін алдын ала өңдеуге негізделген шешімді ұсынды: қызыл, сары және ақ.
Бұл түстердің әрқайсысында HSV немесе RGB мәндерінің алдын ала орнатылған ауқымы бар. Бұл диапазонды пайдаланып, қолайлы түстерді қамтитын жақтаудың барлық аймақтары табылып, ең үлкені таңдалады. Бұл аймақ есте сақтауды қажет ететін түс ретінде алынады. Содан кейін жаңа түс ауқымын бағалау үшін орташа мәнді және стандартты ауытқуды есептеу сияқты статистикалық формулалар пайдаланылады.
Бұл ауқым Duckiebot камерасының конфигурация файлдарында жазылған және оны кейінірек пайдалануға болады. Сипатталған тәсіл барлық үш түске қолданылды, сайып келгенде белгілеу түстерінің әрқайсысы үшін ауқымдарды құрады.
Сынақтар таңбалау материалдарында жарық көздерін қатты көрсететін жылтыр таспаны пайдаланған жағдайларды қоспағанда, таңбалау сызықтарын дерлік тамаша тануды көрсетті, сондықтан камераның көру бұрышынан таңбалар оның бастапқы түсіне қарамастан ақ болып көрінді.
Үйрек такси
Duck Taxi жобасы қалада үйрек жолаушысын іздеу алгоритмін құруды, содан кейін оны қажетті нүктеге жеткізуді қамтыды. Қатысушылар бұл мәселені екіге бөлді: анықтау және график бойынша қозғалыс.
Оқушылар үйректі анықтауды үйрек деп рамкадағы сары түспен тануға болатын, қызыл үшбұрыш (тұмсық) бар кез келген аймақ деп болжау арқылы жүзеге асырды. Келесі кадрда мұндай аймақ анықталған бойда робот оған жақындап, одан кейін жолаушының қонуына ұқсай отырып, бірнеше секундқа тоқтауы керек.
Содан кейін, бүкіл Дакитаунның жол графигі және боттың позициясы алдын ала жадта сақталады, сонымен қатар тағайындалған жерді кіріс ретінде қабылдай отырып, қатысушылар диаграммадағы жолдарды табу үшін Дийкстра алгоритмін қолдана отырып, кету нүктесінен келу нүктесіне дейінгі жолды салады. . Шығару пәрмендер жиынтығы ретінде ұсынылған - келесі қиылыстардағы бұрылыстар.
Жолдар графигі
Бұл жобаның мақсаты графикті - Дакитаундағы жолдар желісін салу болды. Алынған графиктің түйіндері қиылыстар, ал доғалар жолдар болып табылады. Ол үшін Дакибот қаланы зерттеп, оның бағытын талдауы керек.
Жоба бойынша жұмыс кезінде өлшенген графикті құру идеясы қарастырылды, бірақ содан кейін шеттің құны қиылыстар арасындағы қашықтыққа (жүру уақыты) байланысты жойылды. Бұл идеяны жүзеге асыру тым көп еңбекті қажет ететін болып шықты, мектеп ішінде оған уақыт жеткіліксіз болды.
Дакибот келесі қиылысқа жеткенде, ол әлі жүрмеген қиылыстан шығатын жолды таңдайды. Барлық қиылыстардағы барлық жолдар өткенде, қиылыстардың іргелес жерлерінің жасалған тізімі бот жадында қалады, ол Graphviz кітапханасының көмегімен кескінге түрлендіріледі.
Қатысушылар ұсынған алгоритм кездейсоқ Дакитаун үшін жарамсыз болды, бірақ мектеп ішінде пайдаланылатын төрт қиылыстан тұратын шағын қала үшін жақсы жұмыс істеді. Идея қиылыстардың қозғалу ретін бақылау үшін қиылысу идентификаторы бар әр қиылысқа ArUco маркерін қосу болды.
Қатысушылар әзірлеген алгоритмнің диаграммасы суретте көрсетілген.
Патрульдік автокөлік
Бұл жобаның мақсаты - Дакитаун қаласында бұзушы ботты іздеу, іздеу және ұстау. Патрульдік бот қала жолының сыртқы шеңберімен қозғалып, белгілі зиянкес ботты іздеуі керек. Қауіпсіздікті анықтағаннан кейін патрульдік бот бұзушының соңынан еріп, оны тоқтатуға мәжбүр етуі керек.
Жұмыс кадрдағы ботты анықтау және ондағы зиянкесті тану идеясын іздеуден басталды. Команда қаладағы әрбір боттың артқы жағындағы бірегей маркермен жабдықтауды ұсынды - нақты көліктердің мемлекеттік тіркеу нөмірлері бар сияқты. Ол үшін ArUco маркерлері таңдалды. Олар бұрын Дакитаун қаласында қолданылған, өйткені олармен жұмыс істеу оңай және маркердің кеңістіктегі бағытын және оған дейінгі қашықтықты анықтауға мүмкіндік береді.
Әрі қарай, патрульдік боттың қиылыстарда тоқтамай, сыртқы шеңберде қатаң қозғалуын қамтамасыз ету қажет болды. Әдепкі бойынша, Duckiebot жолақпен қозғалады және тоқтау сызығында тоқтайды. Содан кейін жол белгілерінің көмегімен жол қиылысының конфигурациясын анықтайды және қиылыстың өту бағыты туралы таңдау жасайды. Сипатталған кезеңдердің әрқайсысы үшін роботтың соңғы күй машинасының күйлерінің бірі жауапты. Жол қиылысындағы аялдамадан құтылу үшін команда аялдама сызығына жақындаған кезде бот бірден қиылыс арқылы тікелей жүру күйіне ауысатындай күй машинасын ауыстырды.
Келесі қадам бұзушы ботты тоқтату мәселесін шешу болды. Команда патрульдік бот қаладағы әрбір ботқа SSH қол жеткізе алады, яғни қандай авторизация деректері және әрбір боттың қандай идентификаторы бар екендігі туралы кейбір ақпаратқа ие болуы мүмкін деген болжам жасады. Осылайша, бұзушыны анықтағаннан кейін патрульдік бот бұзушы ботқа SSH арқылы қосыла бастады және оның жүйесін өшірді.
Өшіру пәрменінің аяқталғанын растағаннан кейін патрульдік боты да тоқтатты.
Патрульдік роботтың жұмыс алгоритмін келесі диаграмма түрінде көрсетуге болады:
Жобалармен жұмыс істеу
Жұмыс Scrum-қа ұқсас форматта ұйымдастырылды: күн сайын таңертең студенттер ағымдағы күнге тапсырмаларды жоспарлады, ал кешке олар орындалған жұмыстар туралы есеп берді.
Бірінші және соңғы күндері студенттер тапсырманы және оны шешу жолдарын сипаттайтын презентациялар дайындады. Студенттерге таңдаған жоспарларын орындауға көмектесу үшін Ресей мен Америкадан келген мұғалімдер жобалармен жұмыс жүргізілетін бөлмелерде сұрақтарға жауап беріп отырды. Қарым-қатынас негізінен ағылшын тілінде жүргізілді.
Нәтижелер және олардың көрсетілімі
Жобалармен жұмыс бір аптаға созылды, содан кейін студенттер өз нәтижелерін көрсетті. Барлығы презентациялар дайындады, онда олар осы мектепте не үйренгені, ең маңызды нені үйренгені, нені ұнатқаны немесе ұнамағаны туралы әңгімеледі. Осыдан кейін әр топ өз жобасын таныстырды. Барлық командалар өз тапсырмаларын орындады.
Түсті калибрлеуді жүзеге асыратын топ жобаны басқаларға қарағанда тезірек аяқтады, сондықтан олардың бағдарламасына құжаттама дайындауға да уақыттары болды. Ал жол графигі бойынша жұмыс істейтін топ жобаны көрсетудің соңғы күнінде де алгоритмдерін нақтылауға және түзетуге тырысты.
қорытынды
Мектепті бітіргеннен кейін біз студенттерден өткен іс-әрекеттерді бағалауды және мектеп олардың үміттерін қаншалықты орындағаны, қандай дағдыларды меңгергені және т.б. сұрақтарға жауап беруін сұрадық. Барлық студенттер топпен жұмыс істеуді, тапсырмаларды бөлуді және уақытты жоспарлауды үйренгендерін атап өтті.
Сондай-ақ студенттерден өткен курстардың пайдалылығы мен қиындығын бағалау ұсынылды. Ал мұнда бағалаудың екі тобы құрылды: кейбір курстар үшін онша қиындық тудырмаса, басқалары өте қиын деп бағалады.
Бұл мектеп белгілі бір салада жаңадан бастағандар үшін қолжетімді болып қала отырып, сонымен қатар тәжірибелі оқушыларды қайталау және бекіту үшін материалдарды беру арқылы дұрыс ұстанымды ұстанғанын білдіреді. Айта кету керек, бағдарламалау курсы (Python) барлығы дерлік күрделі емес, бірақ пайдалы деп атап өтті. Студенттердің айтуынша, ең қиын курс «Компьютер архитектурасы» болды.
Оқушылардан мектептің күшті және әлсіз жақтары туралы сұралғанда, көпшілігі мұғалімдердің жедел және жеке көмек көрсетіп, сұрақтарға жауап беретін таңдалған оқыту стилі ұнайтынын айтты.
Сондай-ақ студенттер өз тапсырмаларын күнделікті жоспарлау және өз мерзімдерін белгілеу режимінде жұмыс істегенді ұнататынын атап өтті. Кемшіліктер ретінде студенттер берілген білімнің жетіспеушілігін атап өтті, ол ботпен жұмыс істеу кезінде қажет болды: қосылу кезінде, оның жұмыс істеу негіздері мен принциптерін түсіну.
Оқушылардың барлығы дерлік мектеп олардың күткеннен асып түскенін атап өтті, бұл мектепті ұйымдастырудың дұрыс бағытын көрсетеді. Осылайша, келесі мектепті ұйымдастыру кезінде студенттер мен мұғалімдер атап өткен кемшіліктерді ескере отырып, мүмкін болса, оларды жою, мүмкін курстар тізімін немесе оларды оқыту мерзімін өзгерту кезінде жалпы принциптерді сақтау керек.
Мақала авторлары: команда в
PS Біздің корпоративтік блогымыздың жаңа атауы бар. Енді ол JetBrains білім беру жобаларына арналады.
Ақпарат көзі: www.habr.com