Aya seueur kursus anu saé dina dunya atikan rékayasa, tapi sering kurikulum anu diwangun di sabudeureun éta kakurangan tina hiji cacad anu serius - kurangna kohérénsi anu hadé antara sababaraha topik. Hiji tiasa ngabantah: kumaha ieu tiasa?
Nalika program latihan kabentuk, prasyarat sareng tatanan anu jelas dimana disiplin kedah diajar dituduhkeun pikeun tiap kursus. Salaku conto, pikeun ngawangun sareng program robot mobile primitif, anjeun kedah terang sababaraha mékanika pikeun nyiptakeun struktur fisikna; dasar-dasar listrik dina tingkat hukum Ohm/Kirchhoff, ngagambarkeun sinyal digital jeung analog; operasi kalawan véktor sarta matrices guna ngajelaskeun sistem koordinat jeung gerakan robot dina spasi; dasar programming dina tingkat presentasi data, algoritma basajan tur struktur mindahkeun kontrol, jsb. pikeun ngagambarkeun kabiasaan.
Naha sadayana ieu katutupan dina kursus universitas? Tangtu boga. Tapi, ku hukum Ohm/Kirchhoff urang meunang térmodinamik jeung téori médan; salian operasi kalawan matrices jeung vektor, hiji kudu nungkulan bentuk Yordania; dina programming, ulikan polymorphism - jejer nu teu salawasna diperlukeun pikeun ngajawab masalah praktis basajan.
Atikan universitas téh éksténsif - murid mana on hareup lega tur mindeng teu ningali harti jeung significance praktis tina pangaweruh anjeunna narima. Urang mutuskeun pikeun ngahurungkeun paradigma atikan universitas di STEM (tina kecap Science, Technology, Engineering, Math) jeung nyieun program anu dumasar kana kohérénsi pangaweruh, ngamungkinkeun pikeun ngaronjatkeun completeness dina mangsa nu bakal datang, nyaeta, eta. ngandung harti penguasaan intensif mata pelajaran.
Diajar wewengkon mata pelajaran anyar bisa dibandingkeun jeung ngajajah wewengkon lokal. Sareng di dieu aya dua pilihan: boh urang gaduh peta anu detil pisan sareng seueur detil anu kedah ditaliti (sareng ieu peryogi seueur waktos) pikeun ngartos dimana landmark utama sareng kumaha hubunganana. ; atanapi anjeun tiasa nganggo rencana primitif, dimana ngan ukur titik-titik utama sareng posisi relatifna dituduhkeun - peta sapertos kitu cekap pikeun langsung ngalih ka arah anu leres, ngajelaskeun detil nalika anjeun angkat.
Urang nguji pendekatan pembelajaran STEM intensif di sakola usum tiis, nu urang diayakeun babarengan jeung siswa MIT kalayan rojongan ti
Persiapan bahan
Bagian kahiji tina program sakola éta saminggu kelas di wewengkon utama, nu ngawengku aljabar, sirkuit listrik, arsitektur komputer, programming Python jeung bubuka ROS (Robot Operating System).
Arah teu dipilih ku kasempetan: complementing silih, maranéhanana sakuduna dituju pikeun mantuan siswa ningali sambungan antara hal sahingga bisa hirup kalawan béda dina glance kahiji - matématika, éléktronika jeung programming.
Tangtosna, tujuan utama henteu masihan seueur ceramah, tapi pikeun masihan murid kasempetan pikeun nerapkeun pangaweruh anu nembé kaala dina praktékna.
Dina bagian aljabar, siswa bisa latihan operasi matriks jeung ngarengsekeun sistem persamaan, nu mangpaat dina diajar sirkuit listrik. Sanggeus diajar ngeunaan struktur transistor jeung elemen logis diwangun dina dasar na, siswa bisa ningali pamakéan maranéhanana dina alat processor, sarta sanggeus diajar dasar tina basa Python, nulis program pikeun robot nyata dina eta.
Duckietown
Salah sahiji tujuan sakola nyaéta pikeun ngaminimalkeun padamelan sareng simulator upami mungkin. Ku alatan éta, hiji set badag tina sirkuit éléktronik ieu disiapkeun, nu siswa kudu ngumpul dina breadboard tina komponén nyata jeung nguji aranjeunna dina prakna, sarta Duckietown dipilih salaku dasar pikeun proyék-proyék.
Duckietown mangrupikeun proyék open-source anu ngalibetkeun robot otonom leutik anu disebut Duckiebots sareng jaringan jalan anu aranjeunna angkat. Duckiebot mangrupikeun platform roda anu dilengkepan mikrokomputer Raspberry Pi sareng kaméra tunggal.
Dumasar kana éta, kami parantos nyiapkeun sakumpulan tugas anu mungkin, sapertos ngawangun peta jalan, milarian objék sareng lirén di gigireunana, sareng sajumlah anu sanés. Siswa ogé tiasa ngajukeun masalahna nyalira sareng henteu ngan ukur nyerat program pikeun ngarengsekeunana, tapi ogé langsung ngajalankeunana dina robot nyata.
Ngajar
Salila kuliah, guru nepikeun matéri ngagunakeun préstasi anu geus disiapkeun. Sababaraha kelas dirékam dina pidéo supados murid tiasa nonton di bumi. Salila ceramah, siswa ngagunakeun bahan dina komputer maranéhanana, nanya, sarta ngajawab masalah babarengan jeung mandiri, sakapeung dina papan tulis. Dumasar kana hasil pagawéan, peunteun unggal siswa diitung sacara misah dina mata pelajaran anu béda-béda.
Hayu urang nganggap ngalaksanakeun kelas dina unggal mata pelajaran dina leuwih jéntré. Mata pelajaran munggaran nyaéta aljabar linier. Siswa nyéépkeun hiji dinten pikeun diajar vektor sareng matriks, sistem persamaan linier, jsb. Tugas praktis disusun sacara interaktif: masalah anu diusulkeun direngsekeun masing-masing, sareng guru sareng murid sanés masihan koméntar sareng tip.
Subjek kadua nyaéta listrik sareng sirkuit basajan. Murid diajar dasar-dasar éléktrodinamika: tegangan, arus, résistansi, hukum Ohm sareng hukum Kirchhoff. Tugas praktis sabagian dipigawé dina simulator atawa réngsé dina dewan, tapi leuwih waktos ieu spent ngawangun sirkuit nyata kayaning sirkuit logika, sirkuit osilasi, jsb.
Topik salajengna nyaéta Arsitéktur Komputer - dina rasa, sasak anu nyambungkeun fisika sareng program. Siswa diajar dasar dasar, anu pentingna langkung téoritis tibatan praktis. Salaku prakték, siswa sacara mandiri ngarancang sirkuit arithmetic sareng logika dina simulator sareng nampi poin pikeun tugas anu réngsé.
Poé kaopat nyaéta poé mimiti program. Python 2 dipilih salaku basa pamrograman sabab éta anu dianggo dina pemrograman ROS. Poé ieu disusun saperti ieu di handap: guru nepikeun matéri, méré conto ngaréngsékeun masalah, bari murid ngadéngékeun aranjeunna, diuk dina komputer maranéhanana, sarta ngulang naon guru nulis dina papan atawa slide. Satuluyna siswa ngungkulan masalah anu sarua ku sorangan, tuluy diévaluasi ku guru.
Dinten kalima ieu dedicated ka ROS: guys diajar ngeunaan programming robot. Saban poé sakola, murid calik dina komputerna, ngajalankeun kode program anu diomongkeun ku guru. Aranjeunna tiasa ngajalankeun unit ROS dasar sorangan sareng ogé diwanohkeun kana proyék Duckietown. Dina ahir poé ieu, siswa geus siap pikeun ngamimitian bagian proyék sakola - ngarengsekeun masalah praktis.
Pedaran proyék dipilih
Siswa dipenta pikeun ngabentuk tim tilu sareng milih topik proyék. Hasilna, proyék di handap ieu diadopsi:
1. Kalibrasi warna. Duckiebot kedah calibrate kaméra nalika kondisi pencahyaan robih, janten aya tugas kalibrasi otomatis. Masalahna nyaéta rentang warna sensitip pisan kana cahaya. Pamilon ngalaksanakeun utiliti anu bakal nyorot warna anu diperyogikeun dina pigura (beureum, bodas sareng koneng) sareng ngawangun rentang pikeun tiap warna dina format HSV.
2. Bebek Taksi. Gagasan proyék ieu nyaéta Duckiebot tiasa lirén caket hiji obyék, angkat sareng turutan jalur anu tangtu. Bebek konéng caang dipilih salaku obyék.
3. Pangwangunan grafik jalan. Aya tugas ngawangun grafik jalan sareng parapatan. Tujuan proyék ieu pikeun ngawangun grafik jalan tanpa nyadiakeun data lingkungan apriori ka Duckiebot, ngan ngandelkeun data kaméra.
4. Mobil patroli. Proyék ieu diciptakeun ku murid sorangan. Aranjeunna ngusulkeun ngajar hiji Duckiebot, "patroli," pikeun ngudag anu sanés, "pelanggar." Pikeun tujuan ieu, mékanisme pangakuan target nganggo spidol ArUco dianggo. Pas pangakuan geus réngsé, sinyal dikirim ka "intruder" pikeun ngalengkepan karya.
Kalibrasi Warna
Tujuan tina proyék Warna Calibration éta pikeun nyaluyukeun rentang warna nyirian recognizable kana kondisi cahaya anyar. Tanpa panyesuaian sapertos kitu, pangakuan garis eureun, pemisah jalur sareng wates jalan janten lepat. Pamilon ngajukeun solusi dumasar kana pola warna markup preprocessing: beureum, koneng sareng bodas.
Unggal warna ieu gaduh rentang prasetél nilai HSV atanapi RGB. Ngagunakeun rentang ieu, sadaya wewengkon pigura ngandung kelir cocog kapanggih, sarta nu panggedéna dipilih. Wewengkon ieu dicandak salaku warna anu kedah diinget. Rumus statistik sapertos ngitung rata-rata sareng simpangan baku teras dianggo pikeun ngira-ngira rentang warna anyar.
Kisaran ieu kacatet dina file konfigurasi kaméra Duckiebot sareng tiasa dianggo engké. Pendekatan anu dijelaskeun diterapkeun ka sadaya tilu warna, pamustunganana ngabentuk rentang pikeun tiap warna markup.
Tés némbongkeun pangakuan ampir sampurna tina garis nyirian, iwal dina kasus dimana bahan nyirian dipaké pita herang, nu ngagambarkeun sumber cahaya jadi kuat yén ti sudut nempo kaméra urang markings mucunghul bodas, paduli warna aslina.
Taksi Bebek
Proyék Taksi Bebek aub ngawangun algoritma pikeun milarian panumpang bebek di kota, teras ngangkut ka tempat anu diperyogikeun. Pamilon ngabagi masalah ieu jadi dua: deteksi sareng gerakan sapanjang grafik.
Murid ngalaksanakeun deteksi bebek ku cara nyieun anggapan yen bebek nyaeta sagala wewengkon dina pigura nu bisa dipikawanoh salaku konéng, kalawan segitiga beureum (beak) dina eta. Pas wewengkon sapertos dideteksi dina pigura salajengna, robot kudu ngadeukeutan ka dinya lajeng eureun sababaraha detik, simulating badarat panumpang.
Lajeng, ngabogaan grafik jalan sakabéh duckietown sarta posisi bot urang disimpen dina mémori sateuacanna, sarta ogé narima tujuan salaku input, pamilon ngawangun jalur ti titik miang ka titik datangna, ngagunakeun algoritma Dijkstra pikeun manggihan jalur dina grafik. . Kaluaran dibere salaku sakumpulan paréntah - péngkolan di unggal parapatan di handap ieu.
Grafik Jalan
Tujuan proyék ieu pikeun ngawangun grafik - jaringan jalan di Duckietown. Titik tina grafik anu dihasilkeun nyaéta simpang, sareng busur mangrupikeun jalan. Jang ngalampahkeun ieu, Duckiebot kedah ngajajah kota sareng nganalisa rutena.
Salila gawé dina proyék, gagasan nyieun grafik weighted ieu dianggap, tapi lajeng dipiceun, nu biaya hiji ujung ditangtukeun ku jarak (waktos keur indit) antara intersections. Palaksanaan gagasan ieu tétéla teuing kuli-intensif, sarta aya teu cukup waktu pikeun eta di sakola.
Nalika Duckiebot meunang ka simpang salajengna, eta milih jalan kaluar tina simpang nu eta teu acan nyandak. Nalika sadaya jalan di sadaya persimpangan parantos dijalankeun, daptar anu dibangkitkeun tina padeukeut simpang tetep aya dina mémori bot, anu dirobih janten gambar nganggo perpustakaan Graphviz.
Algoritma diusulkeun ku pamilon teu cocog pikeun Duckietown acak, tapi digawé ogé pikeun kota leutik opat intersections dipaké dina sakola. Ide ieu pikeun nambahkeun hiji spidol ArUco ka unggal simpang ngandung hiji identifier simpang pikeun ngalacak urutan nu intersections anu disetir.
Diagram algoritma anu dikembangkeun ku pamilon dipidangkeun dina gambar.
Mobil Ronda
Tujuan proyék ieu pikeun milarian, ngudag sareng nahan bot anu ngalanggar di kota Duckietown. A bot patroli kudu mindahkeun sapanjang cingcin luar hiji jalan kota, pilari bot intruder dipikawanoh. Saatos ngadeteksi panyadapan, bot patroli kedah nuturkeun panyusup sareng maksa anjeunna eureun.
Pagawean dimimitian ku milarian ideu pikeun ngadeteksi bot dina pigura sareng ngenalkeun panyawat di jerona. Tim éta ngusulkeun ngalengkepan unggal bot di kota kalayan spidol unik dina tonggong - sapertos mobil nyata gaduh nomer pendaptaran nagara. spidol ArUco dipilih pikeun tujuan ieu. Aranjeunna parantos dianggo sateuacana di duckietown sabab gampang dianggo sareng ngamungkinkeun anjeun pikeun nangtukeun orientasi spidol dina rohangan sareng jarakna.
Salajengna, ieu diperlukeun pikeun mastikeun yén bot patroli dipindahkeun mastikeun di bunderan luar tanpa stopping di intersections. Sacara standar, Duckiebot ngalir dina jalur sareng eureun di jalur eureun. Lajeng, kalayan bantuan rambu jalan, anjeunna nangtukeun konfigurasi simpang jeung nyieun pilihan ngeunaan arah petikan simpang. Pikeun unggal tahap anu dijelaskeun, salah sahiji nagara bagian tina mesin kaayaan terhingga robot tanggung jawab. Pikeun nyingkirkeun lirén di parapatan, tim ngarobih mesin kaayaan supados nalika ngadeukeutan garis eureun, bot langsung ngalih ka kaayaan nyetir langsung ngalangkungan parapatan.
Lengkah satuluyna nya éta pikeun ngajawab masalah stopping bot intruder. Tim éta anggapan yén bot patroli tiasa gaduh aksés SSH ka unggal bot di kota, nyaéta, gaduh sababaraha inpormasi ngeunaan data otorisasi sareng naon id unggal bot. Ku kituna, sanggeus detecting intruder, bot patroli mimiti nyambung ngaliwatan SSH ka intruder bot sarta mareuman sistem na.
Saatos mastikeun yén paréntah pareum parantos réngsé, bot patroli ogé lirén.
Algoritma operasi robot patroli tiasa digambarkeun dina diagram ieu:
Ngagarap proyék
Karya dikelompokeun dina format anu sami sareng Scrum: unggal isuk murid ngarencanakeun tugas pikeun dinten ayeuna, sareng sonten aranjeunna ngalaporkeun padamelan anu parantos dilakukeun.
Dina poé kahiji jeung ahir, siswa nyiapkeun presentasi ngajéntrékeun tugas jeung kumaha carana ngajawab eta. Pikeun ngabantosan murid nuturkeun rencana anu dipilih, guru ti Rusia sareng Amérika terus-terusan aya di kamar dimana padamelan proyék dilaksanakeun, ngawalon patarosan. Komunikasi lumangsung utamana dina basa Inggris.
Hasil sareng demonstrasina
Gawé dina proyék lumangsung saminggu, sanggeus éta siswa dibere hasil maranéhanana. Sarerea nyiapkeun presentasi dimana aranjeunna ngobrol ngeunaan naon anu aranjeunna diajar di sakola ieu, naon palajaran pangpentingna aranjeunna diajar, naon maranéhna resep atanapi henteu resep. Sanggeus éta, unggal tim nampilkeun proyék na. Sadaya tim parantos réngsé tugasna.
Tim anu ngalaksanakeun kalibrasi warna parantos réngsé proyék langkung gancang tibatan anu sanés, janten aranjeunna ogé ngagaduhan waktos nyiapkeun dokuméntasi pikeun programna. Sareng tim anu damel dina grafik jalan, bahkan dina dinten terakhir sateuacan demonstrasi proyék, nyobian nyaring sareng ngabenerkeun algoritmana.
kacindekan
Saatos réngsé sakola, kami naroskeun ka murid pikeun ngévaluasi kagiatan anu kapungkur sareng ngajawab patarosan ngeunaan kumaha sakola nyumponan ekspektasi, kaahlian naon anu aranjeunna kaala, jsb. Sadaya murid nyatet yén aranjeunna diajar damel dina tim, ngadistribusikaeun tugas sareng ngarencanakeun waktosna.
Siswa ogé dipenta pikeun meunteun mangpaat sareng kasusah tina kursus anu dicandak. Sareng di dieu dua kelompok penilaian kabentuk: pikeun sababaraha kursus-kursus henteu seueur kasusah, anu sanés dipeunteun salaku sesah pisan.
Ieu ngandung harti yén sakola geus nyokot posisi katuhu ku tetep diaksés ka beginners dina widang nu tangtu, tapi ogé nyadiakeun bahan pikeun pengulangan jeung konsolidasi ku siswa ngalaman. Ieu kudu dicatet yén kursus programming (Python) kacatet ku ampir sarerea salaku uncomplicated tapi mangpaat. Numutkeun murid, kursus anu paling hese nyaéta "Arsitektur Komputer".
Nalika murid ditaroskeun ngeunaan kaunggulan sareng kalemahan sakola, seueur anu ngaréspon yén aranjeunna resep gaya pangajaran anu dipilih, dimana guru nyayogikeun bantosan anu gancang sareng pribadi sareng ngajawab patarosan.
Siswa ogé nyatakeun yén aranjeunna resep damel dina modeu perencanaan poéan tugasna sareng netepkeun wates waktuna sorangan. Salaku kalemahan, murid nyatet kurangna pangaweruh anu disayogikeun, anu diperyogikeun nalika damel sareng bot: nalika nyambungkeun, ngartos dasar sareng prinsip operasina.
Ampir kabéh siswa dicatet yén sakola ngaleuwihan ekspektasi maranéhanana, sarta ieu nunjukkeun arah katuhu pikeun ngatur sakola. Ku kituna, prinsip umum kudu dijaga nalika ngatur sakola salajengna, nyandak kana akun tur, upami mungkin, ngaleungitkeun shortcomings nyatet ku siswa jeung guru, kamungkinan ngarobah daptar kursus atawa waktu pangajaran maranéhanana.
panulis artikel: tim в
PS Blog perusahaan kami ngagaduhan nami énggal. Ayeuna éta bakal dikhususkeun pikeun proyék pendidikan JetBrains.
sumber: www.habr.com