{"id":38147,"date":"2019-10-31T22:21:56","date_gmt":"2019-10-31T19:21:56","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/podhod-intensivnogo-obucheniya-stem\/"},"modified":"2019-10-31T22:21:56","modified_gmt":"2019-10-31T19:21:56","slug":"podhod-intensivnogo-obucheniya-stem","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/pt\/blog\/news\/podhod-intensivnogo-obucheniya-stem","title":{"rendered":"Abordagem ao Aprendizado Intensivo em STEM","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

No mundo da educa\u00e7\u00e3o em engenharia, existem muitos cursos excelentes, mas geralmente o programa de estudo constru\u00eddo sobre eles apresenta uma s\u00e9ria desvantagem \u2014 a falta de uma boa conex\u00e3o entre os diversos temas. Pode-se argumentar: como assim? <\/p>\n

Quando um programa de estudo \u00e9 elaborado, para cada curso s\u00e3o especificados pr\u00e9-requisitos e uma ordem clara em que as disciplinas devem ser estudadas. Por exemplo, para montar e programar um rob\u00f4 m\u00f3vel primitivo, \u00e9 necess\u00e1rio ter um entendimento b\u00e1sico de mec\u00e2nica para criar sua estrutura f\u00edsica; no\u00e7\u00f5es de eletricidade ao n\u00edvel das leis de Ohm\/Kirchhoff, representa\u00e7\u00e3o de sinais digitais e anal\u00f3gicos; opera\u00e7\u00f5es com vetores e matrizes para descrever sistemas de coordenadas e o movimento do rob\u00f4 no espa\u00e7o; e fundamentos de programa\u00e7\u00e3o ao n\u00edvel de representa\u00e7\u00e3o de dados, algoritmos simples e estruturas de controle, entre outros, para descrever o comportamento. <\/p>\n

Est\u00e1 tudo isso presente nos cursos universit\u00e1rios? Com certeza. Contudo, \u00e0s leis de Ohm\/Kirchhoff juntam-se a termodin\u00e2mica e a teoria de campo; al\u00e9m das opera\u00e7\u00f5es com matrizes e vetores, \u00e9 necess\u00e1rio entender formas de Jordan; em programa\u00e7\u00e3o, estudar polimorfismo \u2014 temas que nem sempre s\u00e3o necess\u00e1rios para resolver uma simples tarefa pr\u00e1tica. <\/p>\n

O ensino universit\u00e1rio \u00e9 extensivo \u2014 o aluno avan\u00e7a por uma ampla gama de t\u00f3picos e muitas vezes n\u00e3o v\u00ea o sentido e a relev\u00e2ncia pr\u00e1tica do conhecimento que adquire. Decidimos inverter a paradigma do ensino universit\u00e1rio em STEM (Science, Technology, Engineering, Math) e criar um programa que se baseia na conex\u00e3o do conhecimento, permitindo o aprofundamento no futuro, ou seja, implicando em uma assimila\u00e7\u00e3o intensiva das mat\u00e9rias.
\n<\/a><\/noindex>
\nO estudo de um novo campo pode ser comparado a explorar uma nova \u00e1rea. E existem duas op\u00e7\u00f5es: ou temos um mapa muito detalhado com uma imensid\u00e3o de detalhes que precisam ser estudados (o que leva muito tempo), para entender onde est\u00e3o os pontos principais e como eles se relacionam; ou podemos usar um plano primitivo, que mostra apenas os principais marcos e sua disposi\u00e7\u00e3o m\u00fatua \u2014 tal mapa \u00e9 suficiente para come\u00e7ar a seguir na dire\u00e7\u00e3o certa, refinando os detalhes ao longo do caminho. <\/p>\n

Testamos a abordagem de aprendizado intensivo em STEM durante a escola de inverno, que realizamos em conjunto com estudantes do MIT com o apoio de JetBrains Research.<\/a><\/noindex> <\/p>\n

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Prepara\u00e7\u00e3o do material<\/h3>\n

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\nA primeira parte do programa da escola consistiu em uma semana de aulas sobre as principais disciplinas que inclu\u00edam \u00e1lgebra, circuitos el\u00e9tricos, arquitetura de computadores, programa\u00e7\u00e3o em Python e familiariza\u00e7\u00e3o com o ROS (Robot Operating System). <\/p>\n

As disciplinas foram escolhidas intencionalmente: complementando-se, deveriam ajudar os alunos a ver a conex\u00e3o entre, \u00e0 primeira vista, coisas aparentemente diferentes \u2014 matem\u00e1tica, eletr\u00f4nica e programa\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Claro, o objetivo principal n\u00e3o era dar muitas palestras, mas permitir que os alunos aplicassem assim que obtiveram os conhecimentos recebidos na pr\u00e1tica. <\/p>\n

Na se\u00e7\u00e3o de \u00e1lgebra, os alunos puderam praticar opera\u00e7\u00f5es com matrizes e resolu\u00e7\u00e3o de sistemas de equa\u00e7\u00f5es, que foram \u00fateis no estudo de circuitos el\u00e9tricos. Ao aprender sobre o funcionamento do transistor e dos elementos l\u00f3gicos constru\u00eddos com base nele, os estudantes puderam ver sua aplica\u00e7\u00e3o no funcionamento do processador e, ap\u00f3s estudar os fundamentos da linguagem Python, escrever um programa para um rob\u00f4 real.<\/p>\n

\"Abordagem
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Duckietown<\/h3>\n

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\nUma das tarefas da escola era minimizar o uso de simuladores onde fosse poss\u00edvel. Portanto, foi preparado um grande conjunto de circuitos eletr\u00f4nicos que os alunos deveriam montar em uma placa de ensaio com componentes reais e test\u00e1-los na pr\u00e1tica, e Duckietown foi escolhido como base para os projetos.<\/p>\n

Duckietown \u00e9 um projeto aberto que inclui pequenos rob\u00f4s aut\u00f4nomos chamados Duckiebots e uma rede de estradas pelas quais eles se movem. O Duckiebot \u00e9 uma plataforma sobre rodas equipada com um microcomputador Raspberry Pi e uma c\u00e2mera. <\/p>\n

Com base nisso, preparamos um conjunto de poss\u00edveis tarefas, como a constru\u00e7\u00e3o de um mapa de estradas, a busca por objetos e a parada ao lado deles, entre outras. Os alunos tamb\u00e9m podiam propor seus pr\u00f3prios problemas e n\u00e3o apenas escrever um programa para resolv\u00ea-los, mas tamb\u00e9m execut\u00e1-lo imediatamente em um rob\u00f4 real.<\/p>\n

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Ensino<\/h3>\n

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\nDurante as aulas, os professores apresentavam o conte\u00fado usando apresenta\u00e7\u00f5es previamente preparadas. Algumas aulas eram gravadas em v\u00eddeo, proporcionando aos alunos a oportunidade de assisti-las em casa. Durante as aulas, os alunos utilizavam materiais em seus computadores, faziam perguntas, resolviam problemas em conjunto e individualmente, \u00e0s vezes no quadro. No final, foi calculada uma classifica\u00e7\u00e3o para cada aluno separadamente em diferentes disciplinas.<\/p>\n

\"Abordagem
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\nVamos analisar a condu\u00e7\u00e3o das aulas em cada disciplina com mais detalhes. A primeira disciplina foi \u00c1lgebra Linear. Os alunos estudaram vetores e matrizes, sistemas de equa\u00e7\u00f5es lineares, etc., ao longo de um dia. As atividades pr\u00e1ticas foram realizadas de maneira interativa: os problemas propostos eram resolvidos individualmente, e o professor e os outros alunos ofereciam coment\u00e1rios e dicas.<\/p>\n

\"Abordagem
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\nA segunda disciplina foi Eletricidade e Circuitos Simples. Os alunos estudaram os fundamentos da Eletrodin\u00e2mica: tens\u00e3o, corrente, resist\u00eancia, Lei de Ohm e Leis de Kirchhoff. As atividades pr\u00e1ticas foram parcialmente realizadas em simuladores ou no quadro, mas mais tempo foi dedicado \u00e0 constru\u00e7\u00e3o de circuitos reais, como circuitos l\u00f3gicos e circuitos oscilantes, etc.<\/p>\n

\"Abordagem
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\nO pr\u00f3ximo tema \u2014 Arquitetura de Computadores \u2014 \u00e9, de certa forma, uma ponte que conecta f\u00edsica e programa\u00e7\u00e3o. Os alunos estudaram a base fundamental, cuja import\u00e2ncia \u00e9 mais te\u00f3rica do que pr\u00e1tica. Como pr\u00e1tica, os alunos projetaram de forma independente circuitos aritm\u00e9tico-l\u00f3gicos em um simulador, recebendo pontos pelos trabalhos realizados.<\/p>\n

O quarto dia \u2014 o primeiro dia de programa\u00e7\u00e3o. A linguagem de programa\u00e7\u00e3o escolhida foi Python 2, pois \u00e9 a utilizada para programar em ROS. Este dia foi estruturado da seguinte forma: os instrutores apresentavam o conte\u00fado, fornecendo exemplos de resolu\u00e7\u00e3o de problemas, enquanto os alunos os escutavam, sentados em frente aos computadores, e reproduziam o que o instrutor escrevia no quadro ou no slide. Em seguida, os alunos resolviam problemas semelhantes de forma independente, e as solu\u00e7\u00f5es eram avaliadas pelos instrutores.<\/p>\n

O quinto dia foi dedicado ao ROS: os alunos se familiarizaram com a programa\u00e7\u00e3o de rob\u00f4s. Durante todo o dia letivo, os estudantes permaneceram em frente aos computadores, executando o c\u00f3digo que o instrutor apresentava. Eles conseguiram iniciar as principais unidades do ROS de forma independente, al\u00e9m de se familiarizarem com o projeto Duckietown. Ao final deste dia, os alunos estavam prontos para iniciar a parte pr\u00e1tica da escola \u2014 a resolu\u00e7\u00e3o de problemas pr\u00e1ticos.<\/p>\n

\"Abordagem
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Descri\u00e7\u00e3o dos projetos escolhidos<\/h3>\n

\nOs alunos foram convidados a se juntarem em equipes de tr\u00eas pessoas e escolherem um tema para o projeto. No final, os seguintes projetos foram aceitos:<\/p>\n

1. Calibra\u00e7\u00e3o de cores. O Duckiebot precisa calibrar a c\u00e2mera ao mudar as condi\u00e7\u00f5es de ilumina\u00e7\u00e3o, portanto, h\u00e1 uma tarefa de calibra\u00e7\u00e3o autom\u00e1tica. O problema \u00e9 que os intervalos de cores s\u00e3o muito sens\u00edveis \u00e0 ilumina\u00e7\u00e3o. Os participantes implementaram uma ferramenta que destacava os cores necess\u00e1rios (vermelho, branco e amarelo) na imagem e constru\u00eda intervalos para cada cor no formato HSV.<\/p>\n

2. Duck Taxi. A ideia deste projeto \u00e9 que o Duckiebot possa parar perto de um objeto, peg\u00e1-lo e seguir por um determinado trajeto. O objeto escolhido foi um pato amarelo brilhante.<\/p>\n

\"Abordagem
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\n3. Constru\u00e7\u00e3o de um grafo de estradas. Existe a tarefa de construir um grafo de estradas e cruzamentos. O objetivo deste projeto \u00e9 construir um grafo de estradas sem fornecer dados a priori sobre o ambiente para o Duckiebot, utilizando apenas os dados da c\u00e2mera. <\/p>\n

4. Carro patrulha. Este projeto foi concebido pelos pr\u00f3prios alunos. Eles propuseram ensinar um Duckiebot, \"patrulheiro\", a perseguir outro \u2014 o \"infrator\". Para isso, foi utilizado um mecanismo de reconhecimento de alvo por meio de um marcador ArUco. Assim que o reconhecimento \u00e9 conclu\u00eddo, o \"infrator\" recebe um sinal de finaliza\u00e7\u00e3o da atividade.<\/p>\n

\"Abordagem
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Calibra\u00e7\u00e3o de Cores<\/h3>\n

\nO objetivo do projeto Color Calibration foi ajustar a gama de cores reconhec\u00edveis da sinaliza\u00e7\u00e3o sob novas condi\u00e7\u00f5es de ilumina\u00e7\u00e3o. Sem esses ajustes, o reconhecimento de linhas de parada, divisores de faixas e limites de estrada tornava-se incorreto. Os participantes propuseram uma solu\u00e7\u00e3o baseada na pr\u00e9-processamento de modelos de cores de sinaliza\u00e7\u00e3o: vermelho, amarelo e branco. <\/p>\n

Para cada uma dessas cores, um intervalo HSV ou RGB pr\u00e9-determinado \u00e9 definido. Usando esse intervalo, todas as \u00e1reas na imagem que cont\u00eam cores apropriadas s\u00e3o identificadas, e a maior delas \u00e9 selecionada. Essa \u00e1rea \u00e9 considerada a cor a ser lembrada. Em seguida, s\u00e3o utilizadas f\u00f3rmulas estat\u00edsticas, como o c\u00e1lculo da m\u00e9dia e do desvio padr\u00e3o, para avaliar o novo intervalo de cor. <\/p>\n

Esse intervalo \u00e9 gravado em arquivos de configura\u00e7\u00e3o da c\u00e2mera Duckiebot e pode ser utilizado posteriormente. A abordagem descrita foi aplicada a todas as tr\u00eas cores, resultando na forma\u00e7\u00e3o de intervalos para cada uma das cores de sinaliza\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Os testes mostraram um reconhecimento quase perfeito das linhas de sinaliza\u00e7\u00e3o, exceto em casos onde materiais de sinaliza\u00e7\u00e3o refletivos foram utilizados, que refletiam tanto a luz que, sob o \u00e2ngulo da c\u00e2mera, a sinaliza\u00e7\u00e3o parecia branca, independentemente de sua cor original.<\/p>\n

\"Abordagem
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Duck Taxi<\/h3>\n

\nO projeto Duck Taxi envolve a constru\u00e7\u00e3o de um algoritmo para localizar a patinha passageira na cidade e, em seguida, transport\u00e1-la para o ponto necess\u00e1rio. Os participantes dividiram essa tarefa em duas partes: detec\u00e7\u00e3o e movimenta\u00e7\u00e3o pelo grafo.<\/p>\n

Os estudantes realizaram a detec\u00e7\u00e3o da patinha, presumindo que uma patinha \u00e9 qualquer \u00e1rea na imagem que pode ser reconhecida como amarela, com um tri\u00e2ngulo vermelho (bico) nela. Assim que tal \u00e1rea \u00e9 detectada em um quadro, o rob\u00f4 deve se aproximar dela e parar por alguns segundos, simulando a aterrissagem do passageiro.<\/p>\n

Ent\u00e3o, tendo previamente armazenado no mem\u00f3ria o grafo das ruas de toda a duckietown e a posi\u00e7\u00e3o do rob\u00f4, al\u00e9m de receber como entrada o ponto de destino, os participantes constroem um caminho do ponto de partida ao ponto de chegada usando o algoritmo de Dijkstra para encontrar caminhos no grafo. A sa\u00edda \u00e9 apresentada na forma de um conjunto de comandos \u2014 voltas em cada um dos cruzamentos subsequentes.<\/p>\n

\"Abordagem
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Grafo de Ruas<\/h3>\n

\nO objetivo deste projeto foi construir um grafo - uma rede de ruas em Duckietown. Os n\u00f3s do grafo resultante s\u00e3o as interse\u00e7\u00f5es, e as arestas s\u00e3o as ruas. Para isso, o Duckiebot deve explorar a cidade e analisar sua rota. <\/p>\n

Durante o trabalho no projeto, foi considerada, mas depois abandonada, a ideia de fazer um grafo ponderado, em que o custo da aresta \u00e9 determinado pela dist\u00e2ncia (tempo de percurso) entre as interse\u00e7\u00f5es. A implementa\u00e7\u00e3o dessa ideia se mostrou muito trabalhosa e n\u00e3o haveria tempo suficiente no contexto da escola.<\/p>\n

Quando o Duckiebot chega a uma nova interse\u00e7\u00e3o, ele escolhe a rua que sai da interse\u00e7\u00e3o pela qual ainda n\u00e3o passou. Quando todas as ruas em todas as interse\u00e7\u00f5es s\u00e3o percorridas, a mem\u00f3ria do bot armazena uma lista de adjac\u00eancias das interse\u00e7\u00f5es, que \u00e9 transformada em uma imagem usando a biblioteca Graphviz.<\/p>\n

O algoritmo proposto pelos participantes n\u00e3o \u00e9 adequado para um Duckietown arbitr\u00e1rio, mas funcionou bem em uma pequena cidade composta por quatro interse\u00e7\u00f5es, utilizada no contexto da escola. A ideia era complementar cada interse\u00e7\u00e3o com um marcador ArUco, que cont\u00e9m o identificador da interse\u00e7\u00e3o, para rastrear a ordem de passagem pelas interse\u00e7\u00f5es.
\nO esquema de opera\u00e7\u00e3o do algoritmo desenvolvido pelos participantes \u00e9 mostrado na figura. <\/p>\n

\"Abordagem
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Patrulheiro<\/h3>\n

\nO objetivo deste projeto \u00e9 localizar, perseguir e capturar o bot infrator na cidade de Duckietown. O bot patrulheiro deve circular pela via externa em busca de um bot infrator conhecido. Ap\u00f3s a detec\u00e7\u00e3o do infrator, o bot patrulheiro deve seguir o infrator e for\u00e7\u00e1-lo a parar.<\/p>\n

O trabalho come\u00e7ou com a busca por uma ideia de detec\u00e7\u00e3o do bot em um quadro e seu reconhecimento como infrator. A equipe sugeriu equipar cada bot na cidade com um marcador \u00fanico na parte traseira - assim como os ve\u00edculos reais t\u00eam n\u00fameros de registro. Para isso, foram escolhidos marcadores ArUco. Eles j\u00e1 haviam sido utilizados em Duckietown, pois s\u00e3o f\u00e1ceis de trabalhar e permitem determinar a orienta\u00e7\u00e3o do marcador no espa\u00e7o e a dist\u00e2ncia at\u00e9 ele.<\/p>\n

Em seguida, foi necess\u00e1rio garantir que o rob\u00f4 de patrulha se movesse estritamente pelo per\u00edmetro externo sem parar nos cruzamentos. Por padr\u00e3o, o Duckiebot se movimenta na faixa e para na linha de parada. Em seguida, com a ajuda de sinais de tr\u00e2nsito, ele determina a configura\u00e7\u00e3o do cruzamento e decide a dire\u00e7\u00e3o a seguir. Cada um dos passos descritos \u00e9 gerenciado por um dos estados da m\u00e1quina de estados do rob\u00f4. Para eliminar as paradas nos cruzamentos, a equipe modificou a m\u00e1quina de estados para que, ao se aproximar da linha de parada, o rob\u00f4 passasse imediatamente para o estado de atravessar o cruzamento em linha reta.<\/p>\n

O pr\u00f3ximo passo foi resolver a quest\u00e3o da parada do rob\u00f4 infrator. A equipe sup\u00f4s que o rob\u00f4 de patrulha poderia acessar cada um dos rob\u00f4s da cidade via SSH, ou seja, teria algumas informa\u00e7\u00f5es sobre os dados de autentica\u00e7\u00e3o e qual ID cada rob\u00f4 possui. Assim, ap\u00f3s a detec\u00e7\u00e3o de um infrator, o rob\u00f4 de patrulha come\u00e7ou a se conectar via SSH ao rob\u00f4 infrator e a desligar seu sistema. <\/p>\n

Ap\u00f3s a confirma\u00e7\u00e3o de que o comando de desligamento foi executado, o rob\u00f4 de patrulha tamb\u00e9m parava.
\nO algoritmo de funcionamento do rob\u00f4 patrulha pode ser representado no seguinte esquema:<\/p>\n

\"Abordagem
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Trabalho em projetos<\/h3>\n

\nO trabalho foi organizado em um formato semelhante ao Scrum: todas as manh\u00e3s, os alunos planejavam as tarefas do dia e, \u00e0 noite, relatavam o trabalho realizado. <\/p>\n

Nos primeiros e \u00faltimos dias, os alunos prepararam apresenta\u00e7\u00f5es descrevendo a tarefa proposta e as formas de solucion\u00e1-la. Para ajudar os alunos a seguir os planos, docentes da R\u00fassia e da Am\u00e9rica estavam sempre presentes nas salas onde o trabalho nos projetos acontecia, prontos para responder \u00e0s perguntas. A comunica\u00e7\u00e3o ocorreu predominantemente em ingl\u00eas.<\/p>\n

Resultados e sua apresenta\u00e7\u00e3o<\/h3>\n

\nO trabalho nos projetos durou uma semana, ao final da qual os alunos apresentaram seus resultados. Todos prepararam apresenta\u00e7\u00f5es, nas quais contaram o que aprenderam nesta escola, quais foram as li\u00e7\u00f5es mais importantes e o que gostaram ou n\u00e3o gostaram. Depois disso, cada equipe apresentou seu projeto. Todas as equipes cumpriram as tarefas propostas.<\/p>\n

A equipe respons\u00e1vel pela calibra\u00e7\u00e3o de cores concluiu o projeto mais r\u00e1pido que as outras, permitindo que eles tamb\u00e9m preparassem a documenta\u00e7\u00e3o para seu programa. J\u00e1 a equipe que trabalhava no gr\u00e1fico de estradas se esfor\u00e7ou at\u00e9 o \u00faltimo dia antes da demonstra\u00e7\u00e3o do projeto para aprimorar e corrigir seus algoritmos.<\/p>\n

\"Abordagem
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Conclus\u00e3o<\/h3>\n

\nAp\u00f3s a conclus\u00e3o da escola, pedimos aos alunos que avaliassem as atividades realizadas e respondessem a perguntas sobre o quanto a escola atendeu \u00e0s suas expectativas, quais habilidades adquiriram, etc. Todos os alunos destacaram que aprenderam a trabalhar em equipe, distribuir tarefas e planejar seu tempo.<\/p>\n

Os alunos tamb\u00e9m foram convidados a avaliar a utilidade e a complexidade dos cursos realizados. E aqui se formaram duas grupos de avalia\u00e7\u00f5es: para alguns, os cursos n\u00e3o representaram grandes dificuldades, enquanto outros os avaliaram como extremamente dif\u00edceis. <\/p>\n

Isso significa que a escola encontrou a posi\u00e7\u00e3o correta, permanecendo acess\u00edvel para iniciantes em suas respectivas \u00e1reas, mas tamb\u00e9m fornecendo materiais para revis\u00e3o e consolida\u00e7\u00e3o para alunos mais experientes. \u00c9 importante notar que o curso de programa\u00e7\u00e3o (Python) foi praticamente unanimemente considerado como n\u00e3o dif\u00edcil, mas \u00fatil. O curso considerado mais desafiador, na vis\u00e3o dos alunos, foi o de 'Arquitetura de Computadores'.<\/p>\n

Quando os alunos foram questionados sobre os pontos fracos e fortes da escola, muitos responderam que gostaram do estilo de ensino escolhido, em que os professores ofereciam ajuda rapidamente e de forma individual e respondiam \u00e0s perguntas que surgiam. <\/p>\n

Os alunos ainda notaram que gostaram de trabalhar em um regime de planejamento di\u00e1rio de suas tarefas e de estabelecer prazos por conta pr\u00f3pria. Como desvantagem, os alunos mencionaram a falta de conhecimentos fornecidos que eram necess\u00e1rios ao trabalhar com o bot: ao conectar, entender os fundamentos e princ\u00edpios de seu funcionamento. <\/p>\n

Praticamente todos os alunos destacaram que a escola superou suas expectativas, o que indica que a organiza\u00e7\u00e3o da escola seguiu o caminho certo. Portanto, \u00e9 importante manter as diretrizes gerais ao organizar a pr\u00f3xima escola, levando em considera\u00e7\u00e3o e, se poss\u00edvel, eliminando as defici\u00eancias que foram apontadas por alunos e professores, talvez alterando a lista de cursos ou o tempo de ensino deles. <\/p>\n

Autores do artigo: equipe do laborat\u00f3rio de algoritmos de rob\u00f4s m\u00f3veis<\/a><\/noindex> em JetBrains Research.<\/a><\/noindex><\/p>\n

P.S. Nosso blog corporativo tem um novo nome. Agora ele ser\u00e1 dedicado aos projetos educacionais da empresa JetBrains.
\n
Fonte: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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