STEM лаборатория “Роботика и кибер-физични системи”

Споменаването на програмиране и роботика в училище често се превръща в източник на безпокойство, дори за опитни учители. Причините за това всъщност са породени не толкова от трудността на темата, а по-скоро от липсата на обучение и информация.

Ако и във вашето училище скоро ще отвори врати Лаборатория “Роботика и кибер-физични системи”, не се притеснявайте! В тази статия ще намерите обобщени най-важните изисквания и инструкции за организиране на работата във вашето високотехнологично STEM пространство.

Цели на STEM проектите по роботика и кибер-физични системи

Работата в STEM лабораторията “Роботика и кибер-физични системи’’ включва занимания, свързани с получаването на базови познания и умения в областта на механиката, електрониката и софтуерното инженерство. 

  • Изграждане на базови ИТ умения и подготовка за предизвикателствата на 21-ви век 

Учениците усвояват базови умения в  сферата на информационните технологии, което ги подготвя за бъдещото им кариерно развитие. Днес почти 90% от всички налични работни места на пазара на труда изискват поне елементарни ИТ умения. 

  • Усвояване на алгоритъм за разрешаване на проблеми от различно естество

Кодирането развива уменията на децата да решават проблеми лесно и ефективно – както в лабораторията, така и в ежедневието. Нещо повече, използването на код развива части от мозъка, отговорни за паметта, концентрацията и чуждите езици.

  • Изследване на базови физични концепции и запознаване с принципите на механиката

Роботиката от своя страна е чудесно въведение в механиката и физиката. Учениците наблюдават и изследват как функционират трансмисиите, по какъв начин гравитацията влияе на конструкцията, как работят сензорите и двигателите, какво забавя робота, какво го кара да се движи по-бързо.

Учебни предмети 

Лабораторията за изследване “Роботика и кибер-физични системи’’ предлага условия за провеждане на експерименти по дисциплините: 

  • Програмиране;
  • Физика;
  • Механика;
  • Електроника;
  • Информационни технологии;
  • Технологии и предприемачество.

Какво е нужно?

1. Пространство

В STEM лабораторията “Роботика и кибер-физични системи’’ трябва да предвидите работни места за кодиране, проектиране и изграждане, зони за тестове и демонстрации на прототипи. Важно е учителят да може да наблюдава как работят учениците, затова най-доброто решение е да преместите бюра срещу три стени, във формата на “u”. Учениците трябва да са с лице към най-близката стена. Това решение има няколко предимства: първо, учителят може да види текущия напредък на своите ученици или от средата на стаята, или дори зад собственото си бюро; второ, учениците се концентрират върху собствената си работа, не се разсейват от другите; трето, средното пространство на стаята може да се използва за тестване на роботи или нещо друго, от което се нуждаете в момента. Всичко това подобрява комфорта на учениците и помага на учителя при управлението на групата.

2. Оборудване

Първата стъпка към организирането на вашата лаборатория по роботика е изборът на правилното оборудване. Трябва да вземете предвид възрастта, знанията и възможностите на вашите ученици, както и възможностите на различните комплекти, тяхната издръжливост и цена. Решенията, налични в момента на пазара, могат да бъдат разделени в три големи групи: програмируеми роботизирани играчки, комплекти за самосглобяване, приложения и цифрови решения.

  • Програмируеми роботи

Програмируемите роботизирани играчки са визуално приятни, интересни и забавни за децата и може да програмирате поведението им до определен момент. Те са добро решение за най-малките ученици, тъй като им помагат лесно и удобно да се запознаят с роботизираните машини.

Все пак трябва да имате предвид, че голяма част от предлаганите на пазара „образователни роботи“ са по-скоро играчки, отколкото истински образователни инструменти. Въпреки че позволяват на учениците да разберат основните програмни команди, конструкцията и процесите, протичащи вътре, остават загадка. Освен това дизайнът на затворени роботи поставя граници на програмирането – механичната конструкция не може да изпълнява всички команди и учениците не получават обяснение защо.

  • Роботизирани комплекти за сглобяване 

Това решение включва комплекти за сглобяване, при които основните компоненти са пластмасови блокчета тип LEGO, метални или дървени елементи, които се задвижват от вграден механизъм. Този тип комплекти са много предпочитани за използване в STEM лабораториите по роботика. Те позволяват на учителите да въведат елементи от механиката и физиката, но освен това развиват пространствена ориентация по време на строителния процес.

Ако решите да оборудвате вашата лаборатория с такива комплекти, трябва да вземете предвид няколко точки:

  • Обмислете трудността на комплекта – трябва да сте сигурни, че конструкцията и програмирането ще бъдат по силите на вашия клас. Опитайте се да го видите от гледна точка на ученик: смятате ли, че сглобяването на елементите е интуитивно, просто и лесно?
  • Проверете дали наборът е достатъчно модифицируем, за да задържи интереса в рамките на поне един учебен срок. Проверете дали има допълнителни части за избрания комплект и какви нови функционалности предлагат;
  • Обърнете внимание на зададената издръжливост – частите, произведени от някои марки се износват по-бързо от други.
  • Друго важно нещо преди закупуването на комплекта е проверката на софтуера – обикновено роботите се задвижват с точно определена онлайн платформа, компютърна програма или мобилно приложение. Проверете дали употребата им ще бъде безплатна за всички ученици или има ограничение в броя на акаунтите. Проучете дали е възможно да използвате различни видове софтуер за програмиране на робота.

Добър вариант за роботизиран комплект за сглобяване са сериите LEGO Mindstorms и LEGO WeDO. За повечето ученици работата с конструкторите LEGO  е приятна и позната, освен това са чудесни за стимулиране на творчеството, имат множество механични елементи и само няколко електронни компонента, което ги прави идеални за въвеждане в механиката и роботиката.

Друг популярен, много забавен и интересен вариант е Makey-Makey. Това са евтини малки платки, които се ключват в USB порт на компютър или Chromebook (не е необходим софтуер) и могат да превърнат всеки проводящ елемент в клавиатура. С тяхна помощ може да свирите на пиано, като използвате банани вместо клавиши, или да играете Pacman с бутони от пластелин! Това е чудесен инструмент, съчетават кодиране, изобретателност, креативност и електроника. Подходящ  е за всички класове, като напредналите ученици могат да го комбинират с подходящ софтуер, да програмират свои собствени игри и да решават по-сложни предизвикателства при дизайна.

  • Изцяло цифрови решения

Третото решение за въвеждане на програмиране в клас включва използването на цифрови инструменти като Scratch, Tynker, Alice или Code.org. Те са изключително популярен вариант, защото позволяват цифровото програмиране да се адаптира към нуждите на почти всеки ученик. По-малките деца могат да подреждат цветни блокове, които образуват алгоритъм, докато по-големите ученици могат да научат основите на езиците за програмиране JavaScript или Python. Дигиталните решения осигуряват подобряване на компютърните умения с по-ниски първоначални разходи.

Основен недостатък тук е, че много деца разбират концепциите за програмиране по-лесно, когато могат да изпитат тези теоретични идеи в реалния живот, затова използването на изцяло цифрови решения може да доведе до загуба на част от удовлетворението и формиране на по-абстрактни представи за приложението на програмирането. Освен това цифровите инструменти не са подходящи съвсем малките ученици, а и в голямата си част изискват базово ниво на английски език.

3. Дигитални инструменти

Независимо кой от трите разгледани варианти ще изберете за вашата лаборатория по “Роботика и кибер-физични системи”, учениците ще се нуждаят от компютри и подходящо подбран софтуер. Преди да закупите роботизирани комплекти, определено трябва да вземете предвид техните системни изисквания. Ако вашето училище  разчита на по-стар хардуер, препоръчваме да разгледате по-стари комплекти роботика. Обикновено те имат съпоставима образователна стойност и ще могат да работят с наличния хардуер. Имайте предвид, че използването на приложението за програмиране може да е свързано с допълнителни разходи.

За щастие има и безплатни решения. Scratch е добре познат, популярен и удобен вариант за първи стъпки в света на програмирането, а един интересен вариант включва използването на добре познатия Scratch VPL за програмиране на LEGO WeDo роботи. Някои други цифрови инструменти, които можете да използвате безплатно за кодиране, са KNIME, CoSpaces, Blender, Paint 3D, CS First.

Примерни големи въпроси за изследване

  • Какда използваме кибер-физични системи, за да улесним изпълнението на рутинни дейности?
  • Как роботиката и кибер-физичните системи намират приложение в различни сфери на живота?
  • Как да програмираме робот да изпълнява определени движения и функции?
  • Какви са основните видове сензори и сензорни системи? За какво служат?
  • Как да събираме и обработваме данни в реално време?

Примерни теми за проекти:

  • Управляван с жестове робот с изкуствен интелект, използващ машинно обучение;
  • Изработване на умен чадър;
  • Рисуване във въздуха с помощта на разширение за откриване на човешко тяло;
  • Конструиране на почистващ робот;
  • Свързване и програмиране на сензорна система;
  • Създаване на робо-ръка от подръчни материали;
  • Автоматична система за отключване на врати чрез разпознаване на лица;
  • Проектиране на мини дрон;
  • Боклубот – можем ли да направим робот от отпадъци?
  • Как работи марсоходът?
  • Управление на дрон с аналогов джойстик;
  • Свързване и програмиране не loT система;
  • Създаване на клавиши за пиано от пластелин;
  • Самоуправляващ се (автономен) автомобил с помощта на разширение за карта за разпознаване;
  • Програмирай си приятел;
  • Управлявана с джойстик роботизирана ръка;
  • Конструиране на ховъркрафт;
  • Домашна автоматизация, базирана на изкуствен интелект;
  • Виртуален лекар, използващ разширение за обработка на естествен език;
  • Механичен събирач на отпадъци;
  • Изработване на роботи за изпълнение на опасни задачи;
  • Електрическа крушка с гласово активиране;
  • Селскостопански робот, управляван от смартфон;
  • Светещ LED стенен часовник;
  • Каква е анатомията на робота?
  • Смарт LED улично осветление.

За статията са използвани следните ресурси, които са допълнени с личния опит на автора:

Guide to making your own robotics lab (robocamp.eu)

Top 10 Back to School STEM Tools! — Vivify STEM

Must Haves for a STEM Lab — Vivify STEM

Laboratory-Robotics_CPS – Национален STEM център (mon.bg)

CoSpaces Edu for kid-friendly 3D creation and coding

STEM-Works – Robotics Activities

STEM, Coding, AI, ML, IoT and Robotics Projects by STEMpedia (thestempedia.com)

Още полезни статии:

Водят протокол на час
Научна грамотност

Водят протокол на час

Тази стратегия е подходяща за един от най-ключовите елементи на научното изследване – умението за безпристрастно наблюдение на процеси. Поставя учениците в ролята на дистанцирани

Получите достъп до още повече ресурси и практични материали