Hemm ħafna korsijiet eċċellenti fid-dinja tal-edukazzjoni tal-inġinerija, iżda ħafna drabi l-kurrikulu mibni madwarhom ibati minn difett wieħed serju - nuqqas ta’ koerenza tajba bejn suġġetti varji. Wieħed jista’ joġġezzjona: kif jista’ jkun dan?
Meta jkun qed jiġi ffurmat programm ta’ taħriġ, għal kull kors jiġu indikati prerekwiżiti u ordni ċara li fiha jridu jiġu studjati d-dixxiplini. Pereżempju, sabiex tibni u tipprogramma robot mobbli primittiv, trid tkun taf ftit mekkanika biex toħloq l-istruttura fiżika tagħha; bażiċi tal-elettriku fil-livell tal-liġijiet ta 'Ohm/Kirchhoff, rappreżentazzjoni ta' sinjali diġitali u analogi; operazzjonijiet b'vettori u matriċi sabiex jiġu deskritti sistemi ta' koordinati u movimenti tar-robot fl-ispazju; bażiċi tal-ipprogrammar fil-livell tal-preżentazzjoni tad-dejta, algoritmi sempliċi u strutturi ta’ trasferiment tal-kontroll, eċċ. biex jiddeskrivi l-imġieba.
Dan kollu huwa kopert fil-korsijiet universitarji? Naturalment għandhom. Madankollu, bil-liġijiet ta 'Ohm/Kirchhoff nikbru termodinamika u teorija tal-kamp; minbarra l-operazzjonijiet b'matriċi u vectors, wieħed irid jittratta l-forom tal-Ġordan; fl-ipprogrammar, studja l-polimorfiżmu - suġġetti li mhux dejjem huma meħtieġa biex issolvi problema prattika sempliċi.
L-edukazzjoni universitarja hija estensiva - l-istudent imur fuq front wiesa 'u ħafna drabi ma jarax it-tifsira u s-sinifikat prattiku tal-għarfien li jirċievi. Iddeċidejna li nbiddlu l-paradigma tal-edukazzjoni universitarja fl-STEM (mill-kliem Xjenza, Teknoloġija, Inġinerija, Matematika) u noħolqu programm li huwa bbażat fuq il-koerenza tal-għarfien, li jippermetti żieda fil-kompletezza fil-futur, jiġifieri, jimplika ħakma intensiva tas-suġġetti.
It-tagħlim ta’ qasam ta’ suġġett ġdid jista’ jitqabbel ma’ l-esplorazzjoni ta’ qasam lokali. U hawn hemm żewġ għażliet: jew għandna mappa dettaljata ħafna b'ammont kbir ta' dettalji li jeħtieġ li jiġu studjati (u dan jieħu ħafna ħin) sabiex nifhmu fejn huma l-punti familjari ewlenin u kif jirrelataw ma 'xulxin. ; jew tista 'tuża pjan primittiv, li fuqu huma indikati biss il-punti ewlenin u l-pożizzjonijiet relattivi tagħhom - tali mappa hija biżżejjed biex immedjatament tibda timxi fid-direzzjoni t-tajba, tiċċara d-dettalji kif tmur.
Ittestjajna l-approċċ tat-tagħlim STEM intensiv fi skola tax-xitwa, li għamilna flimkien mal-istudenti tal-MIT bl-appoġġ tagħhom
Preparazzjoni ta 'materjal
L-ewwel parti tal-programm tal-iskola kienet ġimgħa ta’ klassijiet fl-oqsma ewlenin, li kienu jinkludu alġebra, ċirkwiti elettriċi, arkitettura tal-kompjuter, programmazzjoni Python u introduzzjoni għal ROS (Robot Operating System).
Id-direzzjonijiet ma ntgħażlux b’kumbinazzjoni: li jikkumplimentaw lil xulxin, suppost kellhom jgħinu lill-istudenti jaraw il-konnessjoni bejn affarijiet apparentement differenti mal-ewwel daqqa t’għajn – il-matematika, l-elettronika u l-ipprogrammar.
Naturalment, l-għan ewlieni ma kienx li jagħti ħafna lekċers, iżda li jagħti lill-istudenti l-opportunità li japplikaw l-għarfien ġdid miksub huma stess fil-prattika.
Fis-sezzjoni tal-alġebra, l-istudenti setgħu jipprattikaw l-operazzjonijiet tal-matriċi u s-soluzzjoni ta 'sistemi ta' ekwazzjonijiet, li kienu utli fl-istudju taċ-ċirkwiti elettriċi. Wara li tgħallmu dwar l-istruttura ta 'transistor u l-elementi loġiċi mibnija fuq il-bażi tiegħu, l-istudenti setgħu jaraw l-użu tagħhom f'apparat ta' proċessur, u wara li tgħallmu l-baŜi tal-lingwa Python, jiktbu programm għal robot reali fih.
Duckietown
Wieħed mill-għanijiet tal-iskola kien li jimminimizza x-xogħol bis-simulaturi fejn possibbli. Għalhekk, tħejja sett kbir ta 'ċirkwiti elettroniċi, li l-istudenti kellhom jiġbru fuq breadboard minn komponenti reali u jittestjawhom fil-prattika, u Duckietown intgħażlet bħala l-bażi għall-proġetti.
Duckietown huwa proġett ta’ sors miftuħ li jinvolvi robots awtonomi żgħar imsejħa Duckiebots u n-netwerks ta’ toroq li jivvjaġġaw flimkien. Duckiebot hija pjattaforma bir-roti mgħammra b'mikrokompjuter Raspberry Pi u kamera waħda.
Ibbażat fuqha, ħejjejna sett ta’ ħidmiet possibbli, bħall-bini ta’ road map, it-tiftix ta’ oġġetti u l-waqfien ħdejnhom, u għadd ta’ oħrajn. L-istudenti jistgħu wkoll jipproponu l-problema tagħhom stess u mhux biss jiktbu programm biex isolvuha, iżda wkoll imexxuh immedjatament fuq robot reali.
Tagħlim
Waqt it-taħdita, l-għalliema ppreżentaw il-materjal permezz ta’ preżentazzjonijiet ippreparati minn qabel. Xi klassijiet ġew irrekordjati fuq vidjo sabiex l-istudenti jkunu jistgħu jarawhom id-dar. Waqt il-lekċers, l-istudenti użaw materjali fuq il-kompjuters tagħhom, staqsew mistoqsijiet, u solvew problemi flimkien u b'mod indipendenti, xi drabi fuq il-blackboard. Fuq il-bażi tar-riżultati tax-xogħol, il-klassifikazzjoni ta’ kull student ġiet ikkalkulata separatament f’suġġetti differenti.
Ejja nikkunsidraw it-tmexxija tal-klassijiet f'kull suġġett f'aktar dettall. L-ewwel suġġett kien l-alġebra lineari. L-istudenti qattgħu ġurnata jistudjaw vectors u matrices, sistemi ta 'ekwazzjonijiet lineari, eċċ. Ħidmiet prattiċi ġew strutturati b'mod interattiv: il-problemi proposti ġew solvuti individwalment, u l-għalliema u studenti oħra pprovdew kummenti u pariri.
It-tieni suġġett huwa l-elettriku u ċirkwiti sempliċi. L-istudenti tgħallmu l-baŜi tal-elettrodinamika: il-vultaġġ, il-kurrent, ir-reżistenza, il-liġi ta' Ohm u l-liġijiet ta' Kirchhoff. Ħidmiet prattiċi saru parzjalment fis-simulatur jew tlestew fuq il-bord, iżda aktar ħin inqatta 'bini ta' ċirkuwiti reali bħal ċirkwiti loġiċi, ċirkwiti oscillanti, eċċ.
Is-suġġett li jmiss huwa l-Arkitettura tal-Kompjuter - f'ċertu sens, pont li jgħaqqad il-fiżika u l-ipprogrammar. L-istudenti studjaw il-bażi fundamentali, li s-sinifikat tagħha huwa aktar teoretiku milli prattiku. Bħala prattika, l-istudenti ddisinjaw b'mod indipendenti ċirkwiti aritmetiċi u loġiċi fis-simulatur u rċevew punti għal kompiti lesti.
Ir-raba' jum huwa l-ewwel jum tal-programmazzjoni. Python 2 intgħażel bħala l-lingwa ta 'programmar minħabba li hija dik użata fl-ipprogrammar ROS. Din il-ġurnata kienet strutturata kif ġej: l-għalliema ppreżentaw il-materjal, taw eżempji ta’ kif isolvu problemi, filwaqt li l-istudenti semgħuhom, bilqiegħda quddiem il-kompjuters tagħhom, u tennew dak li kiteb l-għalliem fuq il-bord jew slide. Imbagħad l-istudenti solvew problemi simili waħedhom, u s-soluzzjonijiet ġew sussegwentement evalwati mill-għalliema.
Il-ħames jum kien iddedikat għal ROS: il-guys tgħallmu dwar l-ipprogrammar tar-robot. Il-ġurnata kollha tal-iskola, l-istudenti qagħdu bilqiegħda fil-kompjuters tagħhom, imexxu l-kodiċi tal-programm li l-għalliem tkellem dwaru. Huma setgħu jmexxu unitajiet ROS bażiċi waħedhom u ġew introdotti wkoll fil-proġett Duckietown. Fi tmiem din il-ġurnata, l-istudenti kienu lesti biex jibdew il-parti tal-proġett tal-iskola - isolvu problemi prattiċi.
Deskrizzjoni ta' proġetti magħżula
L-istudenti ntalbu jiffurmaw timijiet ta’ tlieta u jagħżlu suġġett tal-proġett. Bħala riżultat, ġew adottati l-proġetti li ġejjin:
1. Kalibrazzjoni tal-kulur. Duckiebot jeħtieġ li tikkalibra l-kamera meta jinbidlu l-kundizzjonijiet tad-dawl, għalhekk hemm kompitu ta 'kalibrazzjoni awtomatika. Il-problema hija li l-firxiet tal-kulur huma sensittivi ħafna għad-dawl. Il-parteċipanti implimentaw utilità li tenfasizza l-kuluri meħtieġa f'qafas (aħmar, abjad u isfar) u jibnu firxiet għal kull kulur fil-format HSV.
2. Taxi tal-Papra. L-idea ta 'dan il-proġett hija li Duckiebot jista' jieqaf ħdejn oġġett, jiġbor u jsegwi ċerta rotta. Papra isfar jgħajjat intgħażlet bħala l-oġġett.
3. Kostruzzjoni ta' graff tat-triq. Hemm kompitu li jinbena graff ta 'toroq u intersezzjonijiet. L-għan ta 'dan il-proġett huwa li jinbena graff tat-triq mingħajr ma jipprovdi data ambjentali a priori lil Duckiebot, billi tiddependi biss fuq data tal-kamera.
4. Karozza tal-għassa. Dan il-proġett kien ivvintat mill-istudenti nfushom. Huma pproponew li wieħed jgħallmu Duckiebot, “għassa,” biex jiġru wara ieħor, “violatur.” Għal dan il-għan, intuża l-mekkaniżmu ta 'rikonoxximent tal-mira bl-użu tal-markatur ArUco. Hekk kif jitlesta r-rikonoxximent, jintbagħat sinjal lill-"intruż" biex jitlesta x-xogħol.
Kalibrazzjoni tal-Kulur
L-għan tal-proġett tal-Kalibrazzjoni tal-Kulur kien li jaġġusta l-firxa ta 'kuluri tal-immarkar rikonoxxibbli għal kundizzjonijiet tad-dawl ġodda. Mingħajr dawn l-aġġustamenti, ir-rikonoxximent tal-linji tal-waqfien, is-separaturi tal-karreġġjati u l-konfini tat-toroq saru żbaljati. Il-parteċipanti pproponew soluzzjoni bbażata fuq mudelli tal-kulur tal-markup tal-ipproċessar minn qabel: aħmar, isfar u abjad.
Kull wieħed minn dawn il-kuluri għandu firxa issettjata minn qabel ta 'valuri HSV jew RGB. Bl-użu ta 'din il-firxa, jinstabu l-oqsma kollha tal-qafas li fihom kuluri xierqa, u jintgħażel l-akbar wieħed. Din iż-żona hija meħuda bħala l-kulur li jeħtieġ li jiġi mfakkar. Formuli statistiċi bħall-kalkolu tal-medja u d-devjazzjoni standard huma mbagħad użati biex tiġi stmata l-firxa tal-kulur il-ġdida.
Din il-firxa hija rreġistrata fil-fajls tal-konfigurazzjoni tal-kamera ta' Duckiebot u tista' tintuża aktar tard. L-approċċ deskritt ġie applikat għat-tliet kuluri kollha, u fl-aħħar mill-aħħar ifforma firxiet għal kull wieħed mill-kuluri tal-markup.
It-testijiet urew rikonoxximent kważi perfett tal-linji tal-immarkar, ħlief f'każijiet fejn il-materjali tal-immarkar użaw tejp tleqq, li jirrifletti sorsi tad-dawl tant b'mod qawwi li mill-angolu tal-vista tal-kamera l-marki dehru bojod, irrispettivament mill-kulur oriġinali tiegħu.
Taxi Papra
Il-proġett Duck Taxi kien jinvolvi l-bini ta’ algoritmu biex ifittex passiġġier tal-papra fil-belt, u mbagħad jittrasportaha sal-punt meħtieġ. Il-parteċipanti qasmu din il-problema fi tnejn: skoperta u moviment tul il-graff.
L-istudenti wettqu l-iskoperta tal-papri billi għamlu l-assunzjoni li papra hija kwalunkwe żona fil-qafas li tista 'tiġi rikonoxxuta bħala isfar, bi trijangolu aħmar (munqar) fuqha. Hekk kif żona bħal din tiġi skoperta fil-qafas li jmiss, ir-robot għandu jersaq lejha u mbagħad jieqaf għal ftit sekondi, jissimula l-inżul ta 'passiġġier.
Imbagħad, wara li l-graff tat-triq tal-duckietown kollu u l-pożizzjoni tal-bot maħżuna fil-memorja minn qabel, u wkoll jirċievu d-destinazzjoni bħala input, il-parteċipanti jibnu mogħdija mill-punt tat-tluq sal-punt tal-wasla, billi jużaw l-algoritmu ta 'Dijkstra biex isibu mogħdijiet fil-graff . L-output huwa ppreżentat bħala sett ta 'kmandi - dawriet f'kull waħda mill-intersezzjonijiet li ġejjin.
Grafika tat-Toroq
L-għan ta’ dan il-proġett kien li jinbena graff – netwerk ta’ toroq f’Duckietown. In-nodi tal-graff li jirriżulta huma intersezzjonijiet, u l-arki huma toroq. Biex tagħmel dan, Duckiebot irid jesplora l-belt u janalizza r-rotta tagħha.
Matul ix-xogħol fuq il-proġett, l-idea li tinħoloq graff peżat ġiet ikkunsidrata, iżda mbagħad twarrbet, li fiha l-ispiża ta 'tarf hija ddeterminata mid-distanza (ħin għall-ivvjaġġar) bejn l-intersezzjonijiet. L-implimentazzjoni ta' din l-idea rriżulta li kienet ta' xogħol intensiv wisq, u ma kienx hemm biżżejjed ħin għaliha fi ħdan l-iskola.
Meta Duckiebot jasal għall-intersezzjoni li jmiss, jagħżel it-triq li toħroġ mill-intersezzjoni li tkun għadha ma ħaditx. Meta t-toroq kollha fl-intersezzjonijiet kollha jkunu għaddew, il-lista ġġenerata ta 'l-intersezzjonijiet kontinwi tibqa' fil-memorja tal-bot, li tiġi kkonvertita f'immaġni bl-użu tal-librerija Graphviz.
L-algoritmu propost mill-parteċipanti ma kienx adattat għal Duckietown każwali, iżda ħadem tajjeb għal belt żgħira ta 'erba' intersezzjonijiet użati fi ħdan l-iskola. L-idea kienet li żżid markatur ArUco ma 'kull intersezzjoni li jkun fiha identifikatur ta' intersezzjoni biex issegwi l-ordni li fiha ġew misjuqa l-intersezzjonijiet.
Id-dijagramma tal-algoritmu żviluppat mill-parteċipanti hija murija fil-figura.
Karozza tal-Għassa
L-għan ta’ dan il-proġett huwa li jfittex, isegwi u jżomm bot li jikser fil-belt ta’ Duckietown. Bot ta 'għassa għandu jimxi tul iċ-ċirku ta' barra ta 'triq tal-belt, ifittex bot intruż magħruf. Wara li jiskopri intruż, il-bot tal-għassa għandu jsegwi lill-intruż u jġiegħlu jieqaf.
Ix-xogħol beda bit-tfittxija għal idea biex jinstab bot f'qafas u jiġi rikonoxxut intruż fih. It-tim ippropona li jgħammar kull bot fil-belt b'markatur uniku fuq wara - bħalma l-karozzi reali għandhom numri tar-reġistrazzjoni tal-istat. Markers ArUco ġew magħżula għal dan il-għan. Intużaw qabel f'duckietown peress li huma faċli biex jaħdmu magħhom u jippermettulek tiddetermina l-orjentazzjoni tal-markatur fl-ispazju u d-distanza għalih.
Sussegwentement, kien meħtieġ li jiġi żgurat li l-bot tal-għassa jimxi b'mod strett fiċ-ċirku ta 'barra mingħajr ma jieqaf fl-intersezzjonijiet. B'mod awtomatiku, Duckiebot jiċċaqlaq f'korsija u jieqaf fil-linja tal-waqfien. Imbagħad, bl-għajnuna tas-sinjali tat-toroq, huwa jiddetermina l-konfigurazzjoni tal-intersezzjoni u jagħmel għażla dwar id-direzzjoni tal-passaġġ tal-intersezzjoni. Għal kull wieħed mill-istadji deskritti, wieħed mill-istati tal-magna tal-istat finit tar-robot huwa responsabbli. Sabiex jeħles mill-waqfiet fl-intersezzjoni, it-tim biddel il-magna tal-istat sabiex meta resaq lejn il-linja tal-waqfien, il-bot immedjatament qaleb għall-istat tas-sewqan dritt mill-intersezzjoni.
Il-pass li jmiss kien li ssolvi l-problema tat-twaqqif tal-bot intruż. It-tim għamel is-suppożizzjoni li l-bot tal-għassa jista 'jkollu aċċess SSH għal kull bot fil-belt, jiġifieri, ikollu xi informazzjoni dwar liema data ta' awtorizzazzjoni u x'id għandu kull bot. Għalhekk, wara li skopra l-intruż, il-bot tal-għassa beda jgħaqqad permezz ta 'SSH mal-bot tal-intruż u għalaq is-sistema tiegħu.
Wara li kkonferma li l-kmand tal-għeluq tlesta, il-bot tal-għassa waqaf ukoll.
L-algoritmu tat-tħaddim ta 'robot ta' għassa jista 'jiġi rappreżentat bħala d-dijagramma li ġejja:
Ħidma fuq proġetti
Ix-xogħol kien organizzat f’format simili għal Scrum: kull filgħodu l-istudenti ppjanaw ħidmiet għall-ġurnata kurrenti, u filgħaxija kienu jirrappurtaw dwar ix-xogħol li sar.
Fl-ewwel u fl-aħħar jiem, l-istudenti ħejjew preżentazzjonijiet li jiddeskrivu l-kompitu u kif isolvuh. Biex jgħinu lill-istudenti jsegwu l-pjanijiet magħżula tagħhom, għalliema mir-Russja u l-Amerika kienu kontinwament preżenti fil-kmamar fejn sar xogħol fuq proġetti, iwieġbu l-mistoqsijiet. Il-komunikazzjoni saret primarjament bl-Ingliż.
Riżultati u d-dimostrazzjoni tagħhom
Ix-xogħol fuq il-proġetti dam ġimgħa, u wara l-istudenti ppreżentaw ir-riżultati tagħhom. Kulħadd ħejja preżentazzjonijiet li fihom tkellmu dwar dak li tgħallmu f’din l-iskola, x’kienu l-aktar lezzjonijiet importanti li tgħallmu, x’għoġbu jew le. Wara dan, kull tim ippreżenta l-proġett tiegħu. It-timijiet kollha temmew il-kompiti tagħhom.
It-tim li jimplimenta l-kalibrazzjoni tal-kulur temm il-proġett aktar malajr minn oħrajn, għalhekk kellhom ukoll ħin biex jippreparaw id-dokumentazzjoni għall-programm tagħhom. U t-tim li jaħdem fuq il-graff tat-triq, anke fl-aħħar jum qabel id-dimostrazzjoni tal-proġett, ipprova jirfina u jikkoreġi l-algoritmi tagħhom.
Konklużjoni
Wara li spiċċajna l-iskola, staqsejna lill-istudenti biex jevalwaw l-attivitajiet tal-passat u jwieġbu mistoqsijiet dwar kemm l-iskola laħqet l-aspettattivi tagħhom, liema ħiliet kisbu, eċċ. L-istudenti kollha nnutaw li tgħallmu jaħdmu f’tim, iqassmu l-kompiti u jippjanaw il-ħin tagħhom.
L-istudenti ntalbu wkoll jivvalutaw l-utilità u d-diffikultà tal-korsijiet li ħadu. U hawnhekk ġew iffurmati żewġ gruppi ta 'valutazzjonijiet: għal xi wħud il-korsijiet ma ppreżentawx ħafna diffikultà, oħrajn ikklassifikawhom bħala estremament diffiċli.
Dan ifisser li l-iskola ħadet il-pożizzjoni t-tajba billi baqgħet aċċessibbli għal dawk li jibdew f’qasam partikolari, iżda pprovdiet ukoll materjali għar-ripetizzjoni u l-konsolidazzjoni minn studenti b’esperjenza. Għandu jiġi nnutat li l-kors tal-ipprogrammar (Python) ġie nnutat minn kważi kulħadd bħala mhux ikkumplikat iżda utli. Skont l-istudenti, l-aktar kors diffiċli kien "Arkitettura tal-Kompjuter".
Meta l-istudenti ġew mistoqsija dwar is-saħħiet u d-dgħufijiet tal-iskola, ħafna wieġbu li jogħġbu l-istil ta’ tagħlim magħżul, li fih l-għalliema pprovdew għajnuna fil-pront u personali u wieġbu l-mistoqsijiet.
L-istudenti nnutaw ukoll li għoġobhom jaħdmu fil-mod ta 'ppjanar ta' kuljum tal-kompiti tagħhom u jistabbilixxu l-iskadenzi tagħhom stess. Bħala żvantaġġi, l-istudenti nnutaw in-nuqqas ta 'għarfien ipprovdut, li kien meħtieġ meta taħdem mal-bot: meta tikkonnettja, fehim l-affarijiet bażiċi u l-prinċipji tat-tħaddim tiegħu.
Kważi l-istudenti kollha nnutaw li l-iskola qabżet l-aspettattivi tagħhom, u dan jindika d-direzzjoni t-tajba għall-organizzazzjoni tal-iskola. Għalhekk, il-prinċipji ġenerali għandhom jinżammu meta tiġi organizzata l-iskola li jmiss, billi jitqiesu u, jekk possibbli, jiġu eliminati n-nuqqasijiet innutati mill-istudenti u l-għalliema, forsi tinbidel il-lista tal-korsijiet jew iż-żmien tat-tagħlim tagħhom.
Awturi tal-artikoli: tim в
PS Il-blog korporattiv tagħna għandu isem ġdid. Issa se tkun iddedikata għal proġetti edukattivi ta’ JetBrains.
Sors: www.habr.com