Постоји много одличних курсева у свету инжењерског образовања, али често наставни план и програм изграђен око њих пати од једне озбиљне мане - недостатка добре кохерентности између различитих тема. Неко би могао да приговори: како је то могуће?
Приликом формирања програма обуке за сваки курс се наводе предуслови и јасан редослед којим се дисциплине морају изучавати. На пример, да бисте направили и програмирали примитивног мобилног робота, морате знати мало механике да бисте креирали његову физичку структуру; основе електрицитета на нивоу Охм/Кирхофових закона, представљање дигиталних и аналогних сигнала; операције са векторима и матрицама у циљу описа координатних система и кретања робота у простору; основе програмирања на нивоу презентације података, једноставни алгоритми и структуре преноса управљања итд. да опише понашање.
Да ли је све ово обухваћено универзитетским курсевима? Наравно да имам. Међутим, са Охм/Кирхофовим законима добијамо термодинамику и теорију поља; поред операција са матрицама и векторима, треба се бавити и Јордановим облицима; у програмирању, проучавају полиморфизам – теме које нису увек потребне за решавање једноставног практичног проблема.
Универзитетско образовање је обимно – студент иде широким фронтом и често не види смисао и практични значај знања које добија. Одлучили смо да парадигму универзитетског образовања преокренемо у СТЕМ (од речи Наука, Технологија, Инжењеринг, Математика) и креирамо програм који се заснива на кохерентности знања, омогућавајући повећање целовитости у будућности, тј. подразумева интензивно савладавање предмета.
Учење нове предметне области може се упоредити са истраживањем локалне области. А овде постоје две опције: или имамо веома детаљну мапу са огромном количином детаља које треба проучити (а то захтева доста времена) да бисмо разумели где су главни оријентири и како су повезани једни са другима ; или можете користити примитивни план, на коме су назначене само главне тачке и њихов релативни положај - таква мапа је довољна да одмах почнете да се крећете у правом смеру, разјашњавајући детаље док идете.
Тестирали смо интензиван приступ СТЕМ учења у зимској школи, коју смо одржали заједно са студентима МИТ-а уз подршку
Припрема материјала
Први део школског програма је била недеља наставе из главних области, која је обухватала алгебру, електрична кола, рачунарску архитектуру, Питхон програмирање и увод у РОС (Робот Оператинг Систем).
Правци нису изабрани случајно: допуњујући се, требало је да помогну ученицима да увиде везу између наизглед различитих ствари на први поглед – математике, електронике и програмирања.
Наравно, главни циљ није био да се држи много предавања, већ да се студентима пружи прилика да и сами примене новостечено знање у пракси.
У одељку алгебра ученици су могли да вежбају матричне операције и решавају системе једначина, који су били корисни у проучавању електричних кола. Сазнавши структуру транзистора и логичке елементе изграђене на његовој основи, ученици су могли да виде њихову употребу у процесорском уређају, а након што науче основе језика Питхон, у њему напишу програм за правог робота.
Дуцкиетовн
Један од циљева школе био је да минимизира рад са симулаторима где је то могуће. Због тога је припремљен велики сет електронских кола које су студенти морали да саставе на матичној плочи од стварних компоненти и тестирају их у пракси, а Дуцкиетовн је изабран као основа за пројекте.
Дуцкиетовн је пројекат отвореног кода који укључује мале аутономне роботе зване Дуцкиеботс и мреже путева по којима путују. Дуцкиебот је платформа на точковима опремљена микрокомпјутером Распберри Пи и једном камером.
На основу тога смо припремили сет могућих задатака, као што су израда мапе пута, тражење објеката и заустављање поред њих и низ других. Ученици су такође могли да предложе сопствени проблем и не само да напишу програм за његово решавање, већ и да га одмах покрену на правом роботу.
Учити
Током предавања наставници су презентовали материјал користећи унапред припремљене презентације. Неки часови су снимљени на видео како би ученици могли да их гледају код куће. Током предавања студенти су користили материјале на рачунару, постављали питања и решавали задатке заједно и самостално, понекад и за таблом. На основу резултата рада израчуната је оцена сваког ученика посебно из различитих предмета.
Размотримо детаљније извођење наставе из сваког предмета. Први предмет је била линеарна алгебра. Ученици су један дан провели проучавајући векторе и матрице, системе линеарних једначина итд. Практични задаци су структурисани интерактивно: предложени задаци су решавани појединачно, а наставник и други ученици давали су коментаре и савете.
Други предмет су електрична енергија и једноставна кола. Ученици су научили основе електродинамике: напон, струју, отпор, Омов закон и Кирхофове законе. Практични задаци су делимично рађени у симулатору или завршени на плочи, али је више времена утрошено на изградњу стварних кола као што су логичка кола, осцилујућа кола итд.
Следећа тема је Архитектура рачунара – у извесном смислу, мост који повезује физику и програмирање. Студенти су проучавали основне основе, чији је значај више теоријски него практични. Као вежба, студенти су самостално конструисали аритметичка и логичка кола у симулатору и добијали бодове за урађене задатке.
Четврти дан је први дан програмирања. Питхон 2 је изабран као програмски језик јер се користи у РОС програмирању. Овај дан је био структуиран на следећи начин: наставници су презентовали градиво, давали примере решавања задатака, а ученици су их слушали, седећи за рачунаром, и понављали оно што је наставник написао на табли или слајду. Затим су ученици сами решавали сличне задатке, а решења су накнадно оцењивали наставници.
Пети дан је био посвећен РОС-у: момци су научили о програмирању робота. Цео школски дан ученици су седели за својим рачунарима, покрећући програмски код о коме је учитељица причала. Били су у могућности да самостално покрећу основне РОС јединице и такође су упознати са пројектом Дуцкиетовн. На крају овог дана ученици су били спремни да започну пројектни део школе – решавање практичних задатака.
Опис одабраних пројеката
Ученици су били замољени да формирају тимове од по три особе и одаберу тему пројекта. Као резултат тога, усвојени су следећи пројекти:
1. Калибрација боје. Дуцкиебот треба да калибрише камеру када се услови осветљења промене, тако да постоји задатак аутоматске калибрације. Проблем је што су распони боја веома осетљиви на светлост. Учесници су имплементирали услужни програм који би истакао потребне боје у оквиру (црвена, бела и жута) и изградио опсеге за сваку боју у ХСВ формату.
2. Дуцк Таки. Идеја овог пројекта је да Дуцкиебот може стати у близини објекта, покупити га и пратити одређену руту. За објекат је изабрана јарко жута патка.
3. Израда графа пута. Постоји задатак конструисања графика путева и раскрсница. Циљ овог пројекта је да се направи дијаграм пута без пружања априорних података о животној средини Дуцкиебот-у, ослањајући се само на податке камере.
4. Патролни аутомобил. Овај пројекат су измислили сами ученици. Предложили су да научи једног Дуцкиебота, „патролу“, да јури другог, „насилника“. У ту сврху коришћен је механизам препознавања циља помоћу АрУцо маркера. Чим се препознавање заврши, "уљезу" се шаље сигнал да заврши посао.
Калибрација боја
Циљ пројекта Цолор Цалибратион је био прилагођавање распона препознатљивих боја означавања новим условима осветљења. Без таквих подешавања, препознавање зауставних линија, сепаратора трака и граница пута постало је погрешно. Учесници су предложили решење засновано на шаблонима боја за предобраду: црвена, жута и бела.
Свака од ових боја има унапред подешени опсег ХСВ или РГБ вредности. Користећи овај опсег, проналазе се све области оквира које садрже одговарајуће боје и бира се највећа. Ова област се узима као боја коју треба запамтити. Статистичке формуле као што су израчунавање средње вредности и стандардне девијације се затим користе за процену новог опсега боја.
Овај опсег је забележен у конфигурационим датотекама камере Дуцкиебот-а и може се користити касније. Описани приступ је примењен на све три боје, формирајући на крају опсеге за сваку од маркираних боја.
Тестови су показали скоро савршено препознавање линија за обележавање, осим у случајевима када је за обележавање коришћена сјајна трака, која толико снажно рефлектује изворе светлости да су из угла гледања камере ознаке изгледале беле, без обзира на првобитну боју.
Дуцк Таки
Пројекат Дуцк Таки подразумевао је изградњу алгоритма за тражење путника патке у граду, а затим његово транспортовање до тражене тачке. Учесници су овај проблем поделили на два: откривање и кретање дуж графикона.
Ученици су извршили детекцију патке тако што су претпоставили да је патка било које подручје у кадру које се може препознати као жуто, са црвеним троуглом (кљуном) на њему. Чим се таква област открије у следећем кадру, робот треба да јој приђе, а затим да се заустави на неколико секунди, симулирајући слетање путника.
Затим, имајући унапред ускладиштене у меморији граф пута читавог града и позиције бота, а такође примајући одредиште као улаз, учесници граде путању од тачке поласка до тачке доласка, користећи Дијкстрин алгоритам да пронађу путање на графу . Излаз је представљен као скуп команди - скретања на свакој од следећих раскрсница.
Графикон путева
Циљ овог пројекта је био да се направи граф – мрежа путева у Дакитауну. Чворови резултујућег графа су раскрснице, а лукови су путеви. Да би то урадио, Дуцкиебот мора истражити град и анализирати његову руту.
Током рада на пројекту, идеја о креирању пондерисаног графа је разматрана, али је потом одбачена, у којој је цена ивице одређена растојањем (времем путовања) између раскрсница. Имплементација ове идеје се показала као превише радно интензивна, а за то није било довољно времена у школи.
Када Дуцкиебот дође до следеће раскрснице, он бира пут који води са раскрснице којим још није прошао. Када се прођу сви путеви на свим раскрсницама, генерисана листа суседних раскрсница остаје у меморији бота, која се конвертује у слику помоћу библиотеке Грапхвиз.
Алгоритам који су предложили учесници није био прикладан за случајни Дуцкиетовн, али је добро функционисао за мали град са четири раскрснице које се користе у оквиру школе. Идеја је била да се свакој раскрсници дода АрУцо маркер који садржи идентификатор раскрснице за праћење редоследа којим су раскрснице вожене.
Дијаграм алгоритма који су развили учесници приказан је на слици.
Патролна кола
Циљ овог пројекта је да се претражи, прогони и задржи бот који је прекршио правила у граду Дуцкиетовн. Патролни бот мора да се креће дуж спољног прстена градског пута, тражећи познатог бота уљеза. Након што открије уљеза, патролни бот мора пратити уљеза и присилити га да стане.
Рад је започео тражењем идеје за откривање бота у оквиру и препознавање уљеза у њему. Тим је предложио да се сваки бот у граду опреми јединственим маркером на полеђини - баш као што прави аутомобили имају државне регистрацијске бројеве. У ту сврху су изабрани АрУцо маркери. Раније су коришћени у Дуцкиетовн-у јер су лаки за рад и омогућавају вам да одредите оријентацију маркера у простору и удаљеност до њега.
Затим је било неопходно осигурати да се патролни бот стриктно креће у спољашњем кругу без заустављања на раскрсницама. Подразумевано, Дуцкиебот се креће у траци и зауставља се на зауставној линији. Затим, уз помоћ путоказа, одређује конфигурацију раскрснице и прави избор о правцу проласка раскрснице. За сваку од описаних фаза одговорно је једно од стања роботовог коначног аутомата. Да би се ослободио заустављања на раскрсници, тим је променио државну машину тако да је бот при приближавању стоп линији одмах прешао у стање вожње право кроз раскрсницу.
Следећи корак је био решавање проблема заустављања бота уљеза. Тим је претпоставио да би патролни бот могао да има ССХ приступ сваком од ботова у граду, односно да има неке информације о томе које ауторизационе податке и који ИД има сваки бот. Тако је, након што је открио уљеза, патролни бот почео да се повезује преко ССХ-а са ботом уљеза и искључио његов систем.
Након потврде да је команда гашења завршена, патролни бот је такође стао.
Алгоритам рада патролног робота може се представити као следећи дијаграм:
Рад на пројектима
Рад је био организован у формату сличном Сцрум-у: ученици су сваког јутра планирали задатке за текући дан, а увече су извештавали о обављеном послу.
Првих и завршних дана ученици су припремали презентације у којима су описивали задатак и како га решити. Како би помогли ученицима да прате своје одабране планове, наставници из Русије и Америке су били стално присутни у просторијама у којима се одвијао рад на пројектима, одговарајући на питања. Комуникација се одвијала углавном на енглеском.
Резултати и њихова демонстрација
Рад на пројектима трајао је недељу дана, након чега су ученици представили своје резултате. Сви су припремили презентације у којима су говорили шта су научили у овој школи, које су најважније лекције које су научили, шта им се допало, а шта не. Након тога, сваки тим је представио свој пројекат. Све екипе су извршиле своје задатке.
Тим који је спроводио калибрацију боја завршио је пројекат брже од осталих, тако да су имали времена и да припреме документацију за свој програм. А тим који је радио на графу пута, чак и последњег дана пре демонстрације пројекта, покушао је да усаврши и исправи своје алгоритме.
Закључак
По завршетку школе, замолили смо ученике да процене досадашње активности и одговоре на питања колико је школа испунила њихова очекивања, које вештине су стекли итд. Сви ученици су истакли да су научили да раде у тиму, распоређују задатке и планирају време.
Студенти су такође замољени да оцене корисност и тежину курсева које су похађали. И ту су формиране две групе оцењивања: некима курсеви нису представљали велике потешкоће, други су их оценили као изузетно тешке.
То значи да је школа заузела праву позицију тако што је остала доступна почетницима у одређеној области, али и дајући материјале за понављање и консолидацију искусних ученика. Треба напоменути да су курс програмирања (Питхон) скоро сви приметили као једноставан, али користан. Према мишљењу студената, најтежи предмет је био „Архитектура рачунара“.
Када су ученици упитани о предностима и слабостима школе, многи су одговорили да им се допао одабрани стил наставе, у којем су наставници пружали брзу и личну помоћ и одговарали на питања.
Ученици су такође истакли да им се допада рад у режиму свакодневног планирања задатака и постављања сопствених рокова. Као недостатке, студенти су навели недостатак пруженог знања, који је био потребан при раду са ботом: при повезивању, разумевању основа и принципа његовог рада.
Скоро сви ученици су истакли да је школа премашила њихова очекивања, а то указује на прави правац за организовање школе. Дакле, треба задржати општа начела приликом организовања следеће школе, узимајући у обзир и, ако је могуће, елиминишући недостатке које су ученици и наставници уочили, можда мењајући листу предмета или време њихове наставе.
Аутори чланка: тим в
ПС Наш корпоративни блог има ново име. Сада ће бити посвећен едукативним пројектима ЈетБраинса.
Извор: ввв.хабр.цом