Coding and/with Robotics

Συνδυαστική σκέψη. Μια δεξιότητα που αναπτύσσεται με τον προγραμματισμό ηλεκτρονικών υπολογιστών …και δεν είναι η μόνη… Ας συνδυάσουμε λοιπόν επιστήμες, ας συνδυάσουμε θεματικές περιοχές, ας συνδυάσουμε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα, ας συνδυάσουμε τεχνικές, …ας διευρύνουμε τον ορίζοντα με δραστηριότητες… Προγραμματισμός ηλεκτρονικών υπολογιστών, ρομποτική, συσκευές (κυκλώματα, δομικά στοιχεία, βραχίονες, αισθητήρες, μοτέρ), κίνηση, …μέσα από διαφορετικές προσεγγίσεις… (LEGO^® Education WeDo, LEGO^® Mindstorm, Arduino, Thymio)…

Ας δούμε από πιο «κοντά» τις τέσσερεις (4) προσεγγίσεις…

LEGO^® Education WeDo

Eίναι ένα απλό στη χρήση εργαλείο που δίνει τη δυνατότητα στους μικρούς μαθητές να κατασκευάζουν και στη συνέχεια να δίνουν «ζωή» (μέσω της κίνησης) στα μοντέλα τους. Το WeDo καλύπτει όλα τα εθνικά πρότυπα και διαθέτει ένα διαθεματικό πρόγραμμα σπουδών, το οποίο βελτιώνει την επικοινωνία, τη συνεργασία και την οικοδόμηση αρκετών δεξιοτήτων. Βοηθά τους μαθητές να κατανοήσουν πώς η Τεχνολογία κατέχει ενεργό ρόλο στην καθημερινή ζωή, αλλά και για τη διαθεματική προσέγγιση της Πληροφορικής, της Επιστήμης, των Κοινωνικών Σπουδών, της Γλώσσας, της Τεχνολογίας και της Μηχανικής. Ξεκίνησε από το ΜΙΤ Media Lab

Συσκευές – δομικά στοιχεία

wedo-model-animals-695 Υπάρχουν δομικά στοιχεία που συναρμολογούνται όπως: «τουβλάκια», τροχαλίες, ιμάντες, μοχλοί, κάμερες, μοτέρ κ.λπ., βάση συγκεκριμένων σχεδίων εργασίας που λειτουργούν ως παράδειγμα και βασίζονται σε συγκεκριμένο αναλυτικό πρόγραμμα (curriculum). Όσον αφορά στο WeDo 2.0 διαθέτει προγραμματιζόμενο SmartHUB, ενισχυμένoυς κινητήρες και αισθητήρες και μια νέα σειρά από στοιχεία LEGO®, καθώς και τεχνολογία ασύρματης σύνδεσης με τον υπολογιστή μέσω bluetooth.

Περιβάλλον Προγραμματισμού

Στιγμιότυπο 2016-07-13, 12.01.21 μμ Διαθέτει ένα απλό περιβάλλον προγραμματισμού με αρχικά παραδείγματα, ώστε οι μαθητές να έχουν τη δυνατότητα να προγραμματίζουν πάνω σε ένα καμβά. Μετακινόντας το ποντίκι πάνω από ένα μπλοκ (οπτικοποιημένη εντολή) εμφανίζεται η περιγραφή τκαι η λειτουργία του στην υπό ανάπτυξη εφαρμογή.

Lego Mindstorm

Η εκπαιδευτική πλατφόρμα LEGO Mindstorms ΝΧΤ της ομώνυμης εταιρείας Lego (μία ιδιωτική εταιρεία με έδρα τη Δανία) αποτελεί το βασικό πακέτο εκπαιδευτικής ρομποτικής LEGO MINDSTORMS. Μια ομάδα 2-6 μαθητών (από 8 ετών και άνω) έχει τη δυνατότητα να εξομοιώσει σχεδόν όλους τους σύγχρονους αυτοματισμούς και να προσεγγίσει – ικανοποιητικά – συστήματα αυτόματου ελέγχου μέσα από ένα δημιουργικό και ευχάριστο μαθησιακό περιβάλλον.

Συσκευές

Αποτελείται από διάφορα υλικά για τη σύνθεση κατασκευών, όπως πλαστικά τουβλάκια (τουβλάκια- σύνδεσμοι), άξονες, γρανάζια, και άλλα εξαρτήματα σε διάφορα μεγέθη και χρώματα. Τα δομικά υλικά κατασκευάζονται με υψηλό βαθμό ακρίβειας και αντοχής, για τη συναρμολόγηση ανθεκτικών κατασκευών. Περιλαμβάνει επίσης και ηλεκτρονικά μέρη, τα οποία δίνουν τη δυνατότητα σε ένα ρομπότ MINDSTORMS να ζωντανέψει και να εκτελέσει διάφορες διαδικασίες:

Την προγραμματιζόμενη συσκευή NXT (programmable NXT)
Διαφορετικούς αισθητήρες (sensors) – ήχου, φωτός, αφής, και απόστασης – που δίνουν τη δυνατότητα στο ρομπότ να αντιλαμβάνεται το περιβάλλον του
Κινητήρες (motors) για κίνηση.

Τα πλαστικά και ηλεκτρονικά κομμάτια μπορούν να συναρμολογηθούν και να συνδεθούν με πολλούς τρόπους για την κατασκευή ποικίλων αντικειμένων όπως ρομποτικά οχήματα, κτήρια, ακόμα και ρομπότ που κάνουν διάφορες εργασίες. Οι κατασκευές στη συνέχεια μπορούν να αποσυναρμολογηθούν και τα κομμάτια να χρησιμοποιηθούν εκ νέου για την κατασκευή άλλων αντικειμένων. Για την κατασκευή πιο πολύπλοκων ρομπότ NXT διατίθεται στην αγορά ποικιλία δομικών στοιχείων LEGO (ή τρίτων κατασκευαστών) όπως διαφορικό, κανόνι, ερπύστριες, δαγκάνες κ.α. καθώς και αισθητήρες για να επεκτείνετε τις χρήσεις του ρομπότ σας όπως ο αισθητήρας πυξίδας, (μια ψηφιακή πυξίδα που μετρά το γήινο μαγνητικό πεδίο) ο αισθητήρας επιτάχυνσης (μετράει επιταχύνσεις στους άξονες x, y, z και έτσι είναι σε θέση να αναγνωρίσει κίνηση προς τα εμπρός ή πίσω, προς τα δεξιά ή αριστερά, προς τα επάνω ή κάτω και συνδυασμό των παραπάνω), ο αισθητήρας χρώματος κ.α. που μπορούν να συνδυαστούν με το βασικό πακέτο δίνοντας τη δυνατότητα για περισσότερες κατασκευαστικές λύσεις. Οι δυνατότητες κατασκευής ρομπότ που κάνουν οτιδήποτε θελήσουμε είναι απεριόριστες. Αυτό που χρειάζεται είναι φαντασία, χρόνος και φυσικά ο κατάλληλος εξοπλισμός!

Περιβάλλον προγραμματισμού

Εγκατάσταση περιβάλλοντος: https://education.lego.com/en-us/downloads/mindstorms-ev3

Το δομικό στοιχείο NXT, προγραμματίζεται με όλες σχεδόν τις γνωστές γλώσσες προγραμματισμού (C, C++, Java, .Net, κ.λπ.) αν και η LEGO έχει φροντίσει να εκδώσει μία εκπαιδευτική γλώσσα οπτικού προγραμματισμού σε συνεργασία με την εταιρεία ανάπτυξης λογισμικού National Instruments (το εκπαιδευτικό λογισμικό που αναπτύχθηκε αποτελεί μια εκπαιδευτική προσαρμογή του LabView και χρησιμοποιούν τον ίδιο compiler -G-). Ο προγραµµατισµός γίνεται πολύ εύκολα µε την «οπτική» γλώσσα [LEGO Mindstorms Edu NXT Software] που διαθέτει η Lego για τα Mindstorms ΝΧΤ. Ακόµα και αν δεν έχετε καθόλου γνώσεις προγραµµατισµού, µετά από µερικά λεπτά εξοικείωσης θα είστε σε θέση να γράψετε ακόµα και πολύ σύνθετα προγράµµατα. Το εκπαιδευτικό λογισμικό LEGO MINDSTORMS Education NXT που δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας προγραμματιζόμενων «συμπεριφορών» για τις μηχανικές κατασκευές, βασίζεται στη χρήση εικονιδίων- εντολών. Πολύ απλά τοποθετούμε τα εικονίδια- εντολές (με σύρσιμο) με τη σειρά που θέλουμε να εκτελεστούν από το «ρομπότ» (NXT). Όταν ολοκληρώνουμε το πρόγραμμα το κατεβάζουμε (download) στο NXT της ρομποτικής μας κατασκευής. Έτσι, «φορτώνοντας» ένα πρόγραμμα μπορούμε να κάνουμε το ρομπότ μας να κινηθεί, να αποφύγει εμπόδια, να παίξει μουσική, να ακούσει, και πολλά άλλα…

Arduino

Το 2005 δημιουργήθηκε μία συσκευή για τον έλεγχο προγραμμάτων διαδραστικών σχεδίων από μαθητές, η οποία ήταν πιο οικονομική από άλλα πρωτότυπα συστήματα διαθέσιμα εκείνη την περίοδο. Οι ιδρυτές Massimo Banzi και David Cueartielles ονόμασαν το σχέδιο από τον Arduin της Ivrea και ξεκίνησαν να παράγουν πλακέτες σε ένα μικρό εργοστάσιο στην Ιβρέα, κωμόπολη της επαρχίας Τορίνο στην περιοχή Πεδεμόνιο της βορειοδυτικής Ιταλίας.

Συσκευές

Μία πλακέτα Arduino αποτελείται από ένα μικροελεγκτή (Atmel AVR) και συμπληρωματικά εξαρτήματα για την διευκόλυνση του χρήστη στον προγραμματισμό, καθώς και την ενσωμάτωσή του σε άλλα κυκλώματα. Όλες οι πλακέτες περιλαμβάνουν ένα γραμμικό ρυθμιστή τάσης 5V και έναν κρυσταλλικό ταλαντωτή 16MHz. Ο μικροελεγκτής είναι από κατασκευής προγραμματισμένος με ένα bootloader, έτσι ώστε να μην χρειάζεται εξωτερικός προγραμματιστός αρχικά. Τα Arduino προγραμματίζονται μέσω USB· αυτό καθίσταται δυνατό μέσω της εφαρμογής προσαρμοστικών chip USB-to-Serial όπως το FTDI FT232. Κάποιες παραλλαγές, όπως το Arduino mini και το ανεπίσημο Boarduino, χρησιμοποιούν ένα αφαιρούμενο USB-to-Serial καλώδιο ή board, Bluetooth ή άλλες μεθόδους. Τα Arduino (και τα Arduino συμβατά boards), χρησιμοποιούν την τεχνολογία των shields, τυπωμένων boards επεκτάσεων κυκλωμάτων, που συνδέονται στα κανονικά Arduino pin-headers. Τα shields μπορούν να παρέχουν έλεγχο σε μοτέρ, GPS, Ethernet, LCD εικόνας ή breadboarding (προτυποποίησης).

Προγραμματιστικό περιβάλλον

Το ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης (IDE) του Arduino είναι μία εφαρμογή γραμμένη σε Java, που λειτουργεί σε πολλές πλατφόρμες και προέρχεται από το IDE για τη γλώσσα προγραμματισμού Processing και το σχέδιο Wiring. Έχει σχεδιαστεί για να εισαγάγει τον προγραμματισμό στους νέους που δεν είναι εξοικειωμένοι με την ανάπτυξη λογισμικού. Περιλαμβάνει ένα πρόγραμμα επεξεργασίας κώδικα με χαρακτηριστικά όπως είναι η επισήμανση σύνταξης και ο συνδυασμός αγκύλων και είναι επίσης σε θέση να μεταγλωττίζει και να φορτώνει προγράμματα στην πλακέτα με ένα μόνο κλικ. Δεν υπάρχει συνήθως καμία ανάγκη να επεξεργαστείτε αρχεία make ή να τρέξετε προγράμματα σε ένα περιβάλλον γραμμής εντολών. Ένα πρόγραμμα ή κώδικας που γράφτηκε για Arduino ονομάζεται «σκίτσο» (sketch). Τα προγράμματα είναι γραμμένα σε C ή C++. Το Arduino IDE έρχεται με μια βιβλιοθήκη που ονομάζεται «Wiring», από το πρωτότυπο σχέδιο Wiring, γεγονός που καθιστά πολλές κοινές λειτουργίες εισόδου/εξόδου πολύ πιο εύκολες. Οι χρήστες πρέπει μόνο να ορίσουν δύο λειτουργίες για να κάνουν ένα πρόγραμμα κυκλικής εκτέλεσης:

-setup(): μία συνάρτηση που τρέχει μία φορά στην αρχή του προγράμματος η οποία αρχικοποιεί τις ρυθμίσεις

-loop(): μία συνάρτηση που καλείται συνέχεια μέχρι η πλακέτα να απενεργοποιηθεί

Ένα τυπικό πρώτο πρόγραμμα που να αναβοσβήνει απλά ένα LED, στο περιβάλλον του Arduino, είναι:

#define LED_PIN 13
 
void setup () {
 pinMode (LED_PIN, OUTPUT); // enable pin 13 for digital output
}
 
void loop () {
 digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // turn on the LED
 delay (1000); // wait one second (1000 milliseconds)
 digitalWrite (LED_PIN, LOW); // turn off the LED
 delay (1000); // wait one second
}

Thymio

Σχεδιάστηκε από την EPFL και χρησιμοποιείται ευρέως στη γαλλόφωνη Ελβετία. Στη Γαλλία, έχει ξεκινήσει μια πρωτοβουλία για να διδάξουν ψηφιακές επιστήμες στο Νηπιαγωγείο και το Δημοτικό σχολείο. Πολλές εφαρμογές έχουν αναπτυχθεί για την εξερεύνηση των πέντε αισθήσεων, τη διδασκαλία της μουσικής, την κατανόηση της αρχής της δύναμης στη φυσική, την πρόσθεση και αφαίρεση στα μαθηματικά, κ.λπ.

Προγραμματιστικό περιβάλλον

Υποστηρίζεται από οπτική γλώσσα προγραμματισμού (VPL) – Aseba. Με drag and drop των «μπλοκ» – οπτικοποιημένων εντολών στο κέντρο της οθόνης, τα προσαρμόζουμε κατάλληλα, ώστε να δημιουργήσουμε το βασικό μας πρόγραμμα, το οποίο εκτελείται με το πάτημα ενός κουμπιού: [Play].

VPL_feedback blockly_first_example aseba_studio_zoom

Υποστηρίζεται και από τη γλώσσα προγραμματισμού Blockly που αναπτύχθηκε από την Google. Η Blockly αποτελεί μια ιδανική γέφυρα μεταξύ μιας οπτικοποιημένης γλώσσας προγραμματισμού και αυτών που χρησιμοποιούν εντολές κειμένου.

Tα πρώτα βήματα:

Επισκεπτώμαστε τον ιστότοπο:https://www.thymio.org/en:macinstall .
Eγκαθιστούμε τις εφαρμογές ανάλογα με το λογισμικό συστήματος που χρησιμοποιούμε.
«Τρέχουμε» το «Aseba Studio for Thymio».
Επιλέγουμε σύνδεση (USB αν δεν είναι wireless το Thymio). Σημείωση: Το Thymio πρέπει να είναι συνδεδεμένο στη θύρα USB του Η/Υ μας για να ξεκινήσει το περιβάλλον προγραμματισμού.
Κάτω αριστερά επιλέγουμε «Launch Blocly και ξεκινάμε να προγραμματίζουμε πλήκτρα και κινήσεις…

Οι πρώτες εντολές κίνησης και ενεργοποίησης leds

%cf%83%cf%84%ce%b9%ce%b3%ce%bc%ce%b9%cf%8c%cf%84%cf%85%cf%80%ce%bf-2017-02-10-9-08-08-%cf%80%ce%bc