STEM Intensiv Léieren Approche

Et gi vill exzellent Coursen an der Welt vun der Ingenieursausbildung, awer dacks leiden de Léierplang ronderëm si ënner engem seriöse Feeler - e Mangel u gudder Kohärenz tëscht verschiddenen Themen. Et kéint een dogéint: Wéi kann dat sinn?

Wann en Trainingsprogramm geformt gëtt, gi Viraussetzungen an eng kloer Uerdnung an där d'Disziplinen studéiert musse fir all Cours uginn. Zum Beispill, fir e primitive mobilen Roboter ze bauen an ze programméieren, musst Dir e bësse Mechanik kennen fir seng kierperlech Struktur ze kreéieren; Grondlage vun Elektrizitéit um Niveau vun Ohm / Kirchhoff Gesetzer, Representatioun vun digital an Analog Signaler; Operatioune mat Vektoren a Matrizen fir Koordinatesystemer a Bewegunge vum Roboter am Weltall ze beschreiwen; Basis vun der Programméierung um Niveau vun der Datepresentatioun, einfache Algorithmen a Kontrolltransferstrukturen, asw. Verhalen ze beschreiwen.

Ass dat alles an Universitéitscoursen ofgedeckt? Natierlech hunn. Mat dem Ohm/Kirchhoff senge Gesetzer kréien mir awer Thermodynamik a Feldtheorie; Nieft Operatiounen mat Matrixentgasung a Vecteure, muss ee mat Jordan Formen ze këmmeren; am programméiere, studéieren polymorphism - Themen déi net ëmmer néideg sinn fir eng einfach praktesch Problem ze léisen.

D'Universitéitsausbildung ass extensiv - de Student geet op eng breet Front a gesäit dacks net d'Bedeitung an d'praktesch Bedeitung vum Wëssen, deen hie kritt. Mir hu beschloss, de Paradigma vun der Universitéitsausbildung am STEM ze dréinen (aus de Wierder Science, Technology, Engineering, Math) an e Programm ze kreéieren deen op der Kohärenz vum Wëssen baséiert, wat eng Erhéijung vun der Vollständegkeet an Zukunft erlaabt, dat heescht implizéiert intensiv Meeschter um Sujeten.

En neit Fachberäich léiere kann mat der Entdeckung vun enger lokaler Géigend verglach ginn. An hei ginn et zwou Méiglechkeeten: entweder mir hunn eng ganz detailléiert Kaart mat vill Detailer déi musse studéiert ginn (an dat brauch vill Zäit) fir ze verstoen wou d'Haaptrei Landmarken sinn a wéi se matenee bezéien ; oder Dir kënnt e primitive Plang benotzen, op deem nëmmen d'Haaptpunkte an hir relativ Positiounen uginn sinn - sou eng Kaart ass genuch fir direkt an déi richteg Richtung ze bewegen, d'Detailer ze klären wéi Dir gitt.

Mir hunn déi intensiv STEM Léier Approche an enger Wanterschoul getest, déi mir zesumme mat MIT Studenten mat der Ënnerstëtzung ofgehalen hunn JetBrains Fuerschung.

Materialpräparatioun

Den éischten Deel vum Schoulprogramm war eng Woch vu Klassen an den Haaptberäicher, déi Algebra, elektresch Circuiten, Computerarchitektur, Python-Programméierung an eng Aféierung an ROS (Robot Operating System) enthalen.

D'Richtungen goufen net zoufälleg gewielt: géigesäiteg ergänzen, si sollen de Studenten hëllefen, d'Verbindung tëscht anscheinend ënnerschiddlech Saachen op den éischte Bléck ze gesinn - Mathematik, Elektronik a Programméierung.

Natierlech war d'Haaptzil net vill Virträg ze maachen, mä de Studenten d'Méiglechkeet ze ginn, dat neit erfuerscht Wëssen selwer an der Praxis ëmzesetzen.

An der Algebra Sektioun konnten d'Schüler Matrixoperatioune üben a Systemer vun Equatioune léisen, déi nëtzlech waren fir elektresch Circuiten ze studéieren. Nodeems Dir iwwer d'Struktur vun engem Transistor geléiert hutt an déi logesch Elementer op senger Basis gebaut hunn, konnten d'Schüler hir Benotzung an engem Prozessorapparat gesinn, an nodeems se d'Basis vun der Python Sprooch geléiert hunn, e Programm fir e richtege Roboter dran schreiwen.

Duckietown

Ee vun den Ziler vun der Schoul war d'Aarbecht mat Simulatoren ze minimiséieren, wa méiglech. Dofir gouf e grousse Set vun elektronesche Circuiten virbereet, déi d'Studenten op engem Broutbrett aus realen Komponenten hu misse montéieren an se an der Praxis testen, an Duckietown gouf als Basis fir d'Projete gewielt.

Duckietown ass en Open-Source Projet mat klengen autonome Roboteren genannt Duckiebots an d'Netzwierker vu Stroossen, déi se laanscht reesen. Duckiebot ass eng Riederplattform mat engem Raspberry Pi Mikrocomputer an enger eenzeger Kamera ausgestatt.

Op der Basis hu mir eng Rei vu méiglechen Aufgaben virbereet, wéi zum Beispill eng Stroossekaart ze bauen, Objeten ze sichen an nieft hinnen ze stoppen, an eng Rei vun aneren. D’Schüler konnten och hiren eegene Problem proposéieren an net nëmmen e Programm schreiwen fir en ze léisen, mee och direkt op engem richtege Roboter lafen.

Léier

Wärend der Virliesung hunn d'Enseignanten d'Material mat preparéierte Presentatiounen virgestallt. E puer Klasse goufen op Video opgeholl sou datt d'Schüler se doheem kucke konnten. Während de Virliesungen hunn d'Schüler Material op hire Computer benotzt, Froen gestallt a Problemer zesummen an onofhängeg geléist, heiansdo um Tafel. Baséierend op d'Resultater vun der Aarbecht, gouf d'Bewäertung vun all Student getrennt a verschiddene Fächer berechent.

Loosst eis d'Behuelen vu Klassen an all Thema méi detailléiert betruechten. Dat éischt Thema war linear Algebra. D'Studenten hunn een Dag verbruecht fir Vektoren a Matrizen ze studéieren, Systemer vu linearer Equatioune, asw. Praktesch Aufgabe goufen interaktiv strukturéiert: déi proposéiert Problemer goufen individuell geléist, den Enseignant an aner Schüler hunn Kommentaren an Tipps ginn.

Dat zweet Thema ass Elektrizitéit an einfache Circuiten. D'Studenten hunn d'Grondlage vun der Elektrodynamik geléiert: Spannung, Stroum, Resistenz, Ohms Gesetz a Kirchhoff Gesetzer. Praktesch Aufgaben goufen deelweis am Simulator gemaach oder um Bord ofgeschloss, awer méi Zäit gouf verbruecht fir richteg Circuiten wéi Logikkreesser, Oszilléierekreesser etc.

Dat nächst Thema ass Computerarchitektur - an engem Sënn, eng Bréck déi Physik a Programméierung verbënnt. Studente studéiert d'fundamental Basis, d'Bedeitung vun deem ass méi theoretesch wéi praktesch. Als Praxis hunn d'Studenten onofhängeg arithmetesch a logesch Circuiten am Simulator entworf a krut Punkte fir ofgeschloss Aufgaben.

De véierten Dag ass den éischten Dag vun der Programmatioun. Python 2 gouf als Programméierungssprooch gewielt well et déi ass déi an der ROS Programméierung benotzt gëtt. Dësen Dag war wéi follegt opgebaut: D'Enseignanten hunn d'Material virgestallt, Beispiller ginn fir Problemer ze léisen, während d'Schüler no nolauschteren, um Computer sëtzen, a widderhuelen wat den Enseignant op der Tafel oder Rutsch geschriwwen huet. Dunn hunn d'Schüler ähnlech Problemer eleng geléist, an d'Léisunge goufen duerno vun den Enseignanten bewäert.

De fënneften Dag war dem ROS gewidmet: d'Jongen hunn iwwer Roboterprogramméiere geléiert. De ganze Schouldag souzen d'Schüler op hire Computer, lafen de Programmcode iwwer deen den Enseignant geschwat huet. Si konnten Basis ROS-Eenheeten eleng lafen a goufen och mam Duckietown-Projet agefouert. Um Enn vun dësem Dag waren d'Schüler prett fir de Projet Deel vun der Schoul ufänken - praktesch Problemer léisen.

Beschreiwung vun ausgewielt Projeten

D'Schüler goufen opgefuerdert Teams vun dräi ze bilden an e Projet Thema ze wielen. Als Resultat goufen déi folgend Projeten ugeholl:

1. Faarf Eechung. Duckiebot muss d'Kamera kalibréieren wann d'Beliichtungsbedéngungen änneren, sou datt et eng automatesch Kalibrierungstask gëtt. De Problem ass datt Faarfberäicher ganz empfindlech op Liicht sinn. D'Participanten hunn en Utility implementéiert deen déi erfuerderlech Faarwen an engem Frame markéiert (rout, wäiss a giel) a bauen Range fir all Faarf am HSV Format.

2. Int Taxi. D'Iddi vun dësem Projet ass datt den Duckiebot bei engem Objet ophalen konnt, en ophuelen an e bestëmmte Wee verfollegen. Eng hell giel Ente gouf als Objet gewielt.

3. Bau vun enger Strooss Grafik. Et gëtt eng Aufgab fir eng Grafik vu Stroossen a Kräizungen ze bauen. D'Zil vun dësem Projet ass eng Stroossgrafik ze bauen ouni a priori Ëmweltdaten un Duckiebot ze liwweren, nëmmen op Kameradaten vertrauen.

4. Patrull Auto. Dëse Projet gouf vun de Schüler selwer erfonnt. Si hu proposéiert een Duckiebot ze léieren, eng "Patrouillen", fir en aneren ze verfolgen, e "Verletzer". Fir dësen Zweck gouf de Mechanismus vun der Zilerkennung mam ArUco Marker benotzt. Soubal d'Unerkennung ofgeschloss ass, gëtt e Signal un den "Intruder" geschéckt fir d'Aarbecht ofzeschléissen.

Faarf Eechung

D'Zil vum Color Calibration-Projet war d'Gamme vun erkennbaren Markéierungsfaarwen un nei Beliichtungsbedéngungen unzepassen. Ouni esou Upassunge gouf d'Unerkennung vun den Arrêtlinnen, Spuertrenneren a Stroossegrenzen falsch. D'Participanten hu proposéiert eng Léisung baséiert op Virveraarbechtung Markup Faarfmuster: rout, giel a wäiss.

Jiddereng vun dëse Faarwen huet e Virausbezuelung vun HSV oder RGB Wäerter. Mat dësem Sortiment ginn all Gebidder vum Frame mat passenden Faarwen fonnt, an de gréisste gëtt ausgewielt. Dëse Beräich gëtt als Faarf geholl, déi muss erënnert ginn. Statistesch Formelen wéi d'Berechnung vun der Moyenne a Standarddeviatioun ginn dann benotzt fir déi nei Faarfpalette ze schätzen.

Dës Gamme gëtt an den Duckiebot Kamera Konfiguratiounsdateien opgeholl a ka spéider benotzt ginn. Déi beschriwwe Approche gouf op all dräi Faarwen applizéiert, schlussendlech bilden d'Bande fir jiddereng vun de Markup Faarwen.

Tester hu bal perfekt Unerkennung vu Markéierungslinnen gewisen, ausser a Fäll wou d'Markéierungsmaterial Glanzband benotzt huet, déi d'Liichtquellen esou staark reflektéiert datt aus dem Gesiichtswénkel vun der Kamera d'Markéierunge wäiss ausgesinn, onofhängeg vun hirer ursprénglecher Faarf.

Duck Taxi

Den Duck Taxi-Projet huet involvéiert en Algorithmus ze bauen fir no engem Entepassagéier an der Stad ze sichen, an duerno op den erfuerderleche Punkt ze transportéieren. D'Participanten hunn dëse Problem an zwee opgedeelt: Detektioun a Bewegung laanscht d'Grafik.

D'Studenten hunn d'Entenkennung duerchgefouert andeems se d'Annahme maachen datt eng Int all Gebitt am Frame ass, deen als giel erkannt ka ginn, mat engem roude Dräieck (Back) drop. Soubal esou e Gebitt am nächste Frame festgestallt gëtt, soll de Roboter et ugoen an dann e puer Sekonnen ophalen, an d'Landung vun engem Passagéier simuléieren.

Dann hunn d'Stroossegrafik vun der ganzer Duckietown an d'Positioun vum Bot am Viraus gespäichert, an och d'Destinatioun als Input kréien, bauen d'Participanten e Wee vum Ausgangspunkt op den Arrivéepunkt, andeems d'Dijkstra Algorithmus benotzt fir Weeër an der Grafik ze fannen. . D'Ausgab gëtt als Set vu Kommandoen presentéiert - dréit op jiddereng vun den folgenden Kräizungen.

Grafik vun Stroossen

D'Zil vun dësem Projet war eng Grafik ze bauen - e Netzwierk vu Stroossen an Duckietown. D'Knäppercher vun der resultéierender Grafik sinn Kräizungen, an d'Béien si Stroossen. Fir dëst ze maachen, muss Duckiebot d'Stad entdecken a seng Streck analyséieren.

Wärend der Aarbecht um Projet gouf d'Iddi vun der Schafung vun enger gewiichter Grafik berücksichtegt, awer duerno verworf, an där d'Käschte vun engem Rand duerch d'Distanz (Zäit fir ze reesen) tëscht Kräizungen bestëmmt ginn. D'Ëmsetze vun dëser Iddi huet sech als ze Aarbechtsintensiv erausgestallt, an et war net genuch Zäit dofir an der Schoul.

Wann den Duckiebot op déi nächst Kräizung kënnt, wielt se d'Strooss déi aus der Kräizung féiert, déi se nach net geholl huet. Wann all d'Stroosse bei all Kräizunge passéiert sinn, bleift déi generéiert Lëscht vun de Kräizungsnächst an der Erënnerung vum Bot, wat an e Bild ëmgewandelt gëtt mat der Graphviz Bibliothéik.

D'Algorithmus proposéiert vun de Participanten war net gëeegent fir eng zoufälleg Duckietown, mee geschafft gutt fir eng kleng Stad vu véier Kräizung bannent der Schoul benotzt. D'Iddi war en ArUco Marker op all Kräizung ze addéieren mat engem Kräizungsidentifizéierer fir d'Uerdnung ze verfolgen an där d'Kräizungen gedriwwe goufen.
Den Diagramm vum Algorithmus entwéckelt vun de Participanten gëtt an der Figur gewisen.

Patrullauto

D'Zil vun dësem Projet ass e verletzend Bot an der Stad Duckietown ze sichen, ze verfolgen an ze halen. A patrouilléieren Bot muss laanscht de baussenzege Rank vun enger Stad Strooss plënneren, sicht eng bekannten Andréngen Bot. Nodeem en Andréngen entdeckt huet, muss d'Patrouillenbot den Andréngen verfollegen an hien zwéngen ze stoppen.

D'Aarbecht huet ugefaang mat der Sich no enger Iddi fir e Bot an engem Frame z'entdecken an en Andréngen dran z'erkennen. D'Team huet proposéiert all Bot an der Stad mat engem eenzegaartege Marker op der Réck ze equipéieren - sou wéi richteg Autoen Staatsregistrierungsnummeren hunn. ArUco Markéierer goufen fir dësen Zweck gewielt. Si goufen virdru an Duckietown benotzt, well se einfach mat ze schaffen an erlaben Iech d'Orientéierung vum Marker am Raum an d'Distanz dohinner ze bestëmmen.

Als nächst war et néideg ze suergen, datt d'Patrouille-Bot sech strikt am baussenzege Krees bewegt ouni op de Kräizung ze stoppen. Par défaut bewegt Duckiebot an enger Spur an hält op der Arrêtlinn. Dann, mat der Hëllef vu Stroosseschëlder, bestëmmt hien d'Konfiguratioun vun der Kräizung a mécht e Choix iwwer d'Richtung vum Passage vun der Kräizung. Fir all eenzel vun de beschriwwenen Etappen ass ee vun de Staate vun der endlecher Staatsmaschinn vum Roboter verantwortlech. Fir vun den Arrêten op der Kräizung lass ze ginn, huet d'Equipe d'Staatsmaschinn geännert, sou datt de Bot beim Ukaf op d'Stopplinn direkt op den Zoustand vun der Kräizung gewiesselt ass.

Den nächste Schrëtt war de Problem ze léisen fir den Intruder Bot ze stoppen. D'Team huet d'Annahme gemaach datt de Patrullbot SSH Zougang zu jiddereng vun de Bots an der Stad kéint hunn, dat heescht e puer Informatioun iwwer wéi eng Autorisatiounsdaten a wéi eng ID all Bot huet. Also, no der Entdeckung vum Intruder, huet de Patrullbot ugefaang iwwer SSH mam Intruder Bot ze verbannen a säi System auszeschalten.

Nodeems d'Bestätegung datt de Shutdown-Kommando ofgeschloss ass, huet de Patrullbot och gestoppt.
Den Operatiounalgorithmus vun engem Patrullroboter kann als folgend Diagramm duergestallt ginn:

Aarbecht op Projeten

D'Aarbecht war an engem Format ähnlech wéi Scrum organiséiert: all Moien hunn d'Schüler Aufgabe fir den aktuellen Dag geplangt, an owes berichten si iwwer d'Aarbechten.

Op den éischten a leschten Deeg hunn d'Schüler Präsentatiounen virbereet, déi d'Aufgab beschreiwen a wéi se se léisen. Fir Studenten ze hëllefen hir gewielte Pläng ze verfollegen, waren Léierpersonal aus Russland an Amerika stänneg an de Raim präsent, wou d'Aarbechten u Projeten stattfonnt hunn, Froen beäntweren. Kommunikatioun huet haaptsächlech op Englesch stattfonnt.

Resultater an hir Demonstratioun

D'Aarbechten un de Projeten hunn eng Woch gedauert, duerno hunn d'Schüler hir Resultater presentéiert. Jiddereen huet Präsentatiounen virbereet, an deenen e geschwat huet, wat e an dëser Schoul geléiert huet, wat déi wichtegst Lektioune si geléiert hunn, wat e gär hätt oder net. Duerno huet all Equipe hire Projet virgestallt. All Équipë hunn hir Aufgaben ofgeschloss.

D'Team déi Faarfkalibratioun implementéiert huet de Projet méi séier ofgeschloss wéi anerer, sou datt se och Zäit haten fir Dokumentatioun fir hire Programm virzebereeden. An d'Team, déi un der Stroossegrafik geschafft huet, och um leschten Dag virun der Demonstratioun vum Projet, huet probéiert hir Algorithmen ze verfeineren an ze korrigéieren.

Konklusioun

Nodeems mir d'Schoul ofgeschloss hunn, hu mir d'Schüler gefrot fir vergaangen Aktivitéiten ze evaluéieren a Froen ze beäntweren iwwer wéi gutt d'Schoul hir Erwaardungen entsprécht, wéi eng Fäegkeeten si kruten, etc. All Studenten hu festgestallt datt si geléiert hunn an engem Team ze schaffen, Aufgaben ze verdeelen an hir Zäit ze plangen.

D'Studente goufen och gefrot d'Nëtzlechkeet an d'Schwieregkeet vun de Coursen ze bewäerten, déi se gemaach hunn. An hei goufen zwou Gruppe vu Bewäertunge geformt: fir déi eng hunn d'Coursen net vill Schwieregkeeten, anerer hunn se als extrem schwéier bewäert.

Dëst bedeit datt d'Schoul déi richteg Positioun geholl huet andeems se fir Ufänger an engem bestëmmte Beräich zougänglech bleiwen, awer och Material fir Widderhuelung a Konsolidéierung vun erfuerene Schüler ubidden. Et sollt bemierkt datt de Programméierungscours (Python) vu bal jiddereen als onkomplizéiert awer nëtzlech bemierkt gouf. Laut Studenten, war dee schwéierste Cours "Computerarchitektur".

Wéi d'Schüler iwwer d'Stäerkten a Schwächten vun der Schoul gefrot goufen, hu vill geäntwert datt se de gewielte Léierstil gefall hunn, an deem d'Enseignanten séier a perséinlech Hëllef geliwwert hunn a Froen beäntwert hunn.

D'Studenten hunn och bemierkt datt se gär hunn am Modus vun der deeglecher Planung vun hiren Aufgaben ze schaffen an hir eege Frist ze setzen. Als Nodeeler hunn d'Studenten de Manktem u geliwwert Wëssen bemierkt, wat erfuerderlech war wann Dir mam Bot schafft: wann Dir konnektéiert, d'Grondlage an d'Prinzipien vu senger Operatioun verstoen.

Bal all Schüler hu festgestallt, datt d'Schoul hir Erwaardungen iwwerschratt huet, an dat weist op déi richteg Richtung fir d'Schoul ze organiséieren. Also sollen déi allgemeng Prinzipien bei der Organisatioun vun der nächster Schoul erhale bleiwen, andeems d'Defiziter vun de Studenten an den Enseignanten Rechnung gedroe ginn a wa méiglech eliminéiert ginn, eventuell d'Lëscht vun de Coursen oder den Timing vun hirem Enseignement änneren.

Artikel Auteuren: Equipe Laboratoire vu mobilen Roboter Algorithmen в JetBrains Fuerschung.

PS Eise Firmeblog huet en neien Numm. Elo gëtt et fir pädagogesch Projete vu JetBrains gewidmet.

Source: will.com