VEX V5 Workcell: نموذج ذراع آلي صناعي لتعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات

خلاصة

تُستخدم الروبوتات الصناعية في جميع الصناعات التحويلية تقريبًا وتوظف آلاف العمال. ومع ذلك، ونظرًا لاستخدامها على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، فإن إدخال الروبوتات الصناعية في بيئة تعليمية أمر صعب التنفيذ ومحدود من الناحية العملية. توضح هذه الورقة العوائق التي تحول دون إدخال الروبوتات الصناعية في البيئة التعليمية، وتقدم الحل باستخدام ذراع آلية تسمى VEX V5 Workcell. تم تطوير VEX V5 Workcell لتحسين إمكانية الوصول إلى الروبوتات الصناعية لطلاب المرحلة الثانوية والتقنية. تتمثل مشكلات إمكانية الوصول عند إدخال الروبوتات الصناعية في بيئة تعليمية في مزيج من قيود الحجم، والمخاوف المتعلقة بالسلامة، والتكلفة العالية، والخبرة المحدودة في البرمجة. توفر الأجهزة والبرامج التي أنشأتها VEX Robotics للطلاب الفرصة لتطوير المهارات التقنية ومهارات حل المشكلات من خلال بناء وبرمجة خلية عمل تصنيعية محاكاة باستخدام روبوت ذي خمسة محاور.

الكلمات الدالة:

تدريس الروبوتات الصناعية. ينبع؛ بايثون؛ C++، الترميز القائم على الكتلة؛ الروبوتات فيكس؛ الذراع الروبوتية؛ الروبوتات التعليمية

أنا. مقدمة

أصبح استخدام الروبوتات في التعليم تجربة تعليمية حقيقية ومتعددة التخصصات للطلاب من جميع الأعمار.¹² يمكن أن يؤدي استخدام الروبوتات في التعليم إلى إثارة اهتمام الطلاب الأصغر سنًا بالعلوم بالإضافة إلى منحهم الخبرة والوسيلة لتعلم مهارات مهمة مثل التفكير المنطقي والتسلسل وحل المشكلات. مع تقدم الطلاب في حياتهم المهنية التعليمية باستخدام الروبوتات، يمكنهم البناء على المهارات الأساسية لحل المشكلات والتفكير المنطقي لدراسة مفاهيم الهندسة وعلوم الكمبيوتر الأكثر تعقيدًا التي تضفي الحيوية على الفيزياء المجردة والمفاهيم الرياضية.¹²

"يعد بناء الروبوتات خيارًا شائعًا للمشروع لتنفيذ التعلم القائم على حل المشكلات (PBL) في الفصول الدراسية. يمكن تفسير سبب كونه خيارًا شائعًا من خلال الطبيعة المتعددة التخصصات للموضوع: تتطلب الروبوتات العديد من المهارات العلمية والتقنية والتكنولوجية المختلفة، مثل الفيزياء والإلكترونيات والرياضيات والبرمجة. إنه موضوع مثالي لأنه يمكن ربط العديد من الدورات المختلفة به. بالإضافة إلى ذلك، تستحوذ الروبوتات نفسها على خيال الأطفال والمراهقين، وتوفر الإلهام والتحفيز.¹³

مع التطور المستمر للتكنولوجيا وتحول البرمجة إلى مهارة مرغوبة، ترغب المؤسسات التعليمية في إعداد طلابها للقوى العاملة من خلال تعريفهم بالروبوتات الصناعية والتصنيع. الروبوتات الصناعية والأذرع الآلية هي آلات قابلة للبرمجة مصممة لأداء مهمة أو وظيفة محددة.¹

"تُستخدم الأنظمة الروبوتية عمومًا لأداء مهام المشغل غير الآمنة والخطيرة وحتى المتكررة. ولها العديد من الوظائف المختلفة، مثل التعامل مع المواد، والتجميع، واللحام، والتحميل والتفريغ لآلة أو أداة، ومميزات مثل: الطلاء، والرش، وما إلى ذلك. يتم تكوين معظم الروبوتات للتشغيل من خلال تقنية التدريس والتكرار.¹

تظهر الأبحاث أن الطلاب لديهم مواقف وتجارب إيجابية باستخدام الروبوتات في الفصل الدراسي.¹⁶ ومع ذلك، على الرغم من مواقف الطلاب الإيجابية، هناك عوائق تحد من استخدام الروبوتات الصناعية في البيئة التعليمية: مزيج من قيود الحجم، والمخاوف المتعلقة بالسلامة، والتكلفة العالية، والخبرة المحدودة في البرمجة. ستناقش هذه الورقة كيف يعتبر VEX V5 Workcell حلاً لإدخال الروبوتات الصناعية في بيئة تعليمية.

ثانيا. نماذج روبوتية جديدة وبأسعار معقولة (الأجهزة):

مع تقدم التكنولوجيا، أصبح المزيد والمزيد من الطلاب مهتمين بالروبوتات كمهنة. يمكن للروبوتات إثارة اهتمام الطلاب في مجالات العلوم والرياضيات، بالإضافة إلى منح الطلاب الفرصة لممارسة حل المشكلات والتفكير المنطقي.¹² يمكن أيضًا تطبيق المهارات التي تم تطويرها من خلال العمل مع الروبوتات التعليمية مثل حل المشكلات والتفكير المنطقي، وهي أساسية في مهنة الروبوتات الصناعية والتصنيع. لتلبية احتياجات وطلبات المتخصصين في مجال الروبوتات الذين اكتسبوا مهارات البرمجة وحل المشكلات والتفكير المنطقي، ترغب الجهات التعليمية في إدخال الروبوتات الصناعية في فصولها الدراسية.¹⁷ ومع ذلك، هناك قيود على جلب الروبوتات الصناعية إلى البيئة التعليمية لإعداد هؤلاء الطلاب ليكونوا ناجحين في مهنة التصنيع. ليس شراء ذراع آلية عاملة أمرًا مكلفًا فحسب، بل إن الحفاظ عليها مكلف أيضًا. يمكن أن تحد هذه التكلفة من عدد الروبوتات التي يمكن للطلاب التفاعل معها، وبالتالي، تحد من مقدار المشاركة العملية المستقلة للطلاب.¹¹ تتطلب الأذرع الآلية ذات الحجم الصناعي أيضًا قدرًا كبيرًا من المساحة، وهناك دائمًا خطر على السلامة عند العمل مع الروبوتات الصناعية. يمكن للطلاب عديمي الخبرة أن يؤذوا أنفسهم أو المعدات أو الآخرين عن طريق الخطأ.¹¹ بسبب هذه العوامل، تتجه المؤسسات التعليمية إلى نماذج الروبوتات الصناعية الأصغر والأكثر أمانًا والأكثر فعالية من حيث التكلفة.

"في حين أن التعامل مع الروبوتات الكبيرة يتطلب إشرافًا مستمرًا ويجب أن يتم ذلك في خلايا روبوتية مخصصة، فإن العديد من الجامعات تختار الآن شراء روبوتات إضافية بحجم سطح المكتب تسمح للطلاب بالعمل بشكل مستقل. وبما أن هذه الآلات تتم برمجتها بنفس طريقة برمجة الروبوتات الأكبر حجمًا، فيمكن تطبيق النتائج على الفور على الآلات الكبيرة لتطبيقات واسعة النطاق.²

يعد VEX V5 Workcell نموذج روبوت صناعي أصغر حجمًا وأكثر أمانًا وفعالية من حيث التكلفة، وهو صغير بما يكفي لوضعه على مكتب الفصل الدراسي مع نسبة موصى بها لثلاثة طلاب إلى روبوت واحد، مما يتيح للطلاب فرصة المشاركة العملية مع الانسان الالي. تعتبر V5 Workcell أكثر أمانًا نظرًا لكونها أصغر حجمًا، فضلاً عن قدرتها على برمجة مفتاح ممتص الصدمات الذي يعمل بمثابة توقف للطوارئ إذا لزم الأمر.

يتيح V5 Workcell أيضًا للطلاب المشاركة في تجربة بناء لم تكن ممكنة لولا ذلك. يكتسب الطلاب الذين يتعاملون مع أذرع روبوتية احترافية ذات حجم صناعي معرفة ومهارات قيمة في برمجتها، لكنهم قد لا يفهمون كيفية تحركها وتشغيلها لأنهم لم يشاركوا في عملية البناء. إن المشاركة في عملية البناء لا تمنح الطلاب الفرصة لإجراء اتصال أقوى بين الأجهزة والبرامج فحسب، بل تتيح للطلاب أيضًا اكتساب المزيد من المعرفة الأساسية حول كيفية عمل الروبوت جسديًا. يمكن أن توفر هذه الفرصة للطلاب المعرفة وبناء الخبرة التي يحتاجون إليها لاستكشاف أخطاء الأجهزة وإصلاحها بشكل أكثر فعالية بالإضافة إلى حل المشكلات.¹³ إن دمج البناء المادي للروبوتات في التعليم الروبوتي الصناعي يمنح الطلاب أيضًا الفرصة لإضفاء الحيوية على المفاهيم والمعادلات المجردة للفيزياء والهندسة والرياضيات. إن ممارسة مفاهيم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM) في السياق يسمح أيضًا للطلاب بمعرفة مدى قابليتها للتطبيق في الصناعة.

تأتي معظم نماذج الروبوتات الصناعية الأصغر حجمًا والأكثر فعالية من حيث التكلفة مجمعة مسبقًا وغالبًا ما يتم تصميمها لوظيفة واحدة فقط. من مميزات أجهزة V5 Workcell أن الطلاب لا يقتصرون على بناء روبوت واحد. يقوم الطلاب ببناء V5 Workcell من أجزاء من نظام VEX Robotics V5 System، الذي يحتوي على العديد من التصميمات المختلفة بما في ذلك الوظيفة الأساسية لذراع الروبوت (كما هو موضح في الشكل 1)، وتغيير EOAT (أدوات نهاية الذراع)، وإضافة ناقلات وأجهزة استشعار متعددة (كما هو موضح في الشكل 2). وهذا يمنح الطلاب الخبرة ليس فقط في بناء ذراع الروبوت نفسه، ولكن في مجمل نموذج خلية عمل تصنيعية صغيرة الحجم. يتيح ذلك للطلاب المشاركة في عملية بناء تسلط الضوء على المفاهيم الرياضية والهندسية التي لن يتمكن الطلاب من تجربتها بدون البناء. يتيح هذا أيضًا للطلاب فهم كيفية عمل V5 Workcell على المستوى المادي، والذي ينتقل إلى البرمجة أيضًا. وهذا يجعل V5 Workcell أداة تعليمية لا تعرّف الطلاب على الروبوتات الصناعية ومفاهيم البرمجة فحسب، بل تعرّفهم أيضًا على مفاهيم البناء والهندسة والرياضيات مثل نظام الإحداثيات الديكارتية وتشغيل الروبوت في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

يتم توفير التصميمات المختلفة في تعليمات البناء التي توجه الطالب خلال عملية البناء خطوة بخطوة (كما هو موضح في الشكل 3). وهذا يجعل بناء V5 Workcell متاحًا للطلاب الذين قد لا يكون لديهم أي خبرة في البناء بشكل عام، أو البناء باستخدام المعدن، أو استخدام الأدوات.

الشكل 3: خطوة من تعليمات بناء المختبر 4

يوفر VEX V5 Workcell للمؤسسات التعليمية خيار نموذج روبوت صناعي أصغر حجمًا وأكثر أمانًا وفعالية من حيث التكلفة، وهو ليس متعدد الاستخدامات في قدرات البناء فحسب، بل يوفر للطلاب تجربة تعليمية أكثر استقلالية وعملية مقارنة بالروبوتات ذات الحجم الصناعي الاحترافي. أسلحة.

ثالثا. تعليم البرمجة (البرمجيات):

ومع تقدم التكنولوجيا بمعدلات هائلة، يتم الآن استكمال العديد من وظائف العمل اليدوي في التصنيع الصناعي بالأتمتة.⁴ يمكن أن يكمل هذا العمل، وحتى في بعض الحالات يمكن أن يخلق المزيد من الطلب على العمالة، ولكنه يتطلب أيضًا أن يكون لدى العمال معرفة قوية بالبرمجة من أجل تشغيل الأتمتة وإصلاحها وصيانتها.⁴ البرمجة هي مهارة يمكن أن تستغرق سنوات حتى يتقنها الشخص، ومعظم لغات البرمجة المستخدمة في الصناعة معقدة ومصممة ليستخدمها مهندسون محترفون.³ وهذا يعني أن البرامج اللازمة لجعل الروبوت يقوم حتى بأبسط المهام تتطلب الاستعانة بمتخصص في البرمجة.³

"على سبيل المثال، تستغرق البرمجة اليدوية لنظام اللحام القوسي الآلي لتصنيع هيكل مركبة كبيرة أكثر من ثمانية أشهر، في حين أن زمن دورة عملية اللحام نفسها لا يتجاوز ستة عشر ساعة. في هذه الحالة، يكون وقت البرمجة حوالي 360 مرة وقت التنفيذ.⁹

يحد هذا المستوى من الخبرة البرمجية من إمكانية وصول الطلاب والمعلمين الراغبين في التعرف على أساسيات برمجة الروبوتات الصناعية، ولكن لديهم خبرة قليلة في البرمجة أو ليس لديهم أي خبرة على الإطلاق.

"تستغرق برمجة الروبوتات وقتًا طويلاً ومعقدة وعرضة للأخطاء وتتطلب خبرة في كل من المهمة والنظام الأساسي. يوجد في مجال الروبوتات الصناعية العديد من لغات وأدوات البرمجة الخاصة بالبائعين، والتي تتطلب إتقانًا معينًا. ومع ذلك، لزيادة مستوى الأتمتة في الصناعة، وكذلك لتوسيع استخدام الروبوتات في مجالات أخرى، مثل روبوتات الخدمة وإدارة الكوارث، يجب أن يكون من الممكن لغير الخبراء توجيه الروبوتات.¹⁰

يعد تعلم البرمجة كمبتدئ في أي عمر أمرًا صعبًا.⁸ إن تعلم كيفية فهم تدفق المشروع بالإضافة إلى تعلم بناء الجملة لا يمكن أن يكون أمرًا مربكًا فحسب، بل مثبطًا وحتى مخيفًا تمامًا.⁵ لكي يتمكن الطلاب والمعلمون من اكتساب الخبرة في مجال الروبوتات الصناعية، يجب تقليل تعقيد برمجة هذه الروبوتات حتى يتمكن المبرمجون المبتدئون من المشاركة. ويمكن القيام بذلك عن طريق تبسيط لغة البرمجة من اللغات التقليدية القائمة على النصوص. لقد نجح تبسيط لغة البرمجة في تعريف وتعليم الأطفال الصغار كيفية البرمجة في مجالات مختلفة، بما في ذلك التعليم.³ وبسبب هذا النجاح، يمكن استخدام لغة برمجة مبسطة لتعليم الأفراد أساسيات برمجة الروبوتات الصناعية، ومن شأنها أن تسمح لهم ببناء المهارات الأساسية التي يمكنهم استخدامها لاحقًا لتحقيق النجاح في الصناعة.³

يتيح VEX V5 Workcell للطلاب برمجة نموذج ذراع آلي صناعي باستخدام VEXcode V5، وهي لغة قائمة على الكتل مدعومة من Scratch Blocks.¹⁸ (scratch.mit.edu) يستطيع الطالب البرمجة باستخدام VEXcode V5 وهي لغة برمجة مبسطة. يمكن للطلاب إنشاء مشروع للتعامل مع Workcell بنجاح وفهم غرض المشروع وتدفقه على مستوى أعمق. أظهرت الدراسات أن المبتدئين الذين ليس لديهم خبرة سابقة في البرمجة يمكنهم بنجاح كتابة برامج قائمة على الكتل لإنجاز مهام الروبوتات الصناعية الأساسية.³

أظهرت الدراسات أيضًا أن الطلاب أفادوا بأن طبيعة لغة البرمجة المبنية على الكتل، مثل VEXcode V5، سهلة بسبب وصف اللغة الطبيعية للكتل، وطريقة السحب والإفلات للتفاعل مع الكتل، وسهولة قراءة المشروع.⁶ يعالج VEXcode V5 أيضًا النقاط المثيرة للقلق فيما يتعلق بلغة البرمجة القائمة على الكتلة مقارنةً بالنهج التقليدي القائم على النص. بعض العيوب التي تم تحديدها هي الافتقار الملحوظ إلى الأصالة وكونها أقل قوة.⁶ يعالج VEXcode V5 كلا من النقص الملحوظ في الأصالة والظهور بمظهر أقل قوة من خلال دمج أداة تعرف باسم "عارض التعليمات البرمجية". يسمح عارض التعليمات البرمجية للطالب بإنشاء مشروع كتل، ثم عرض نفس المشروع في نموذج نصي إما في C++ أو Python. يسمح هذا التحويل للطلاب بالنمو خارج قيود اللغة القائمة على الكتل ويزودهم أيضًا بالأدوات الداعمة التي يحتاجون إليها لتحقيق النجاح في سد الفجوة في بناء الجملة من الكتل إلى النص. يستخدم VEXcode V5 اصطلاحات تسمية مماثلة للكتل والأوامر، لتسهيل الانتقال من الكتل إلى النص.

وجدت دراسة أجراها Weintrop وWilensky⁷ لمقارنة البرمجة القائمة على الكتل والبرمجة النصية في الفصول الدراسية لعلوم الكمبيوتر بالمدرسة الثانوية أن الطلاب الذين يستخدمون اللغة القائمة على الكتل أظهروا مكاسب أكبر في تعلمهم ومستوى أعلى من الاهتمام بالحوسبة المستقبلية الدورات. الطلاب الذين يستخدمون اللغة النصية ينظرون إلى تجربتهم في البرمجة على أنها أكثر تشابهًا مع ما يفعله المبرمجون في الصناعة وأكثر فعالية في تحسين مهاراتهم في البرمجة. يوفر VEXcode V5 للمبرمجين المبتدئين أفضل ما في كلا العالمين من خلال السماح لهم أولاً ببناء أساس قوي لمفاهيم البرمجة التي يمكنهم استخدامها بعد ذلك عند الانتقال إلى C++ أو Python، وكلاهما لغتان نصيتان مدعومتان في VEXcode V5.

VEXcode V5 هي لغة برمجة مبنية على الكتل ويمكن الوصول إليها مجانًا لنموذج روبوت صناعي لاستخدامه في البيئات التعليمية، مما يجعل روبوتات البرمجة في متناول الطلاب والمعلمين الذين لن يتمكنوا من استخدامها. تتغير بيئات العمل في التصنيع باستمرار مع التكنولوجيا، وقد تكون لغات البرمجة القائمة على الكتل مثل VEXcode V5 قادرة على تزويد الطلاب الذين يطمحون إلى أن يصبحوا عمال تصنيع في المستقبل بالمهارات والمعرفة البرمجية الأساسية التي يحتاجون إليها لتحقيق النجاح في وظائف التصنيع والصناعات.³

رابعا. أفكار كبيرة

تتمثل إحدى أكبر مزايا V5 Workcell في منح الطلاب الفرصة للتعلم والتركيز على مفاهيم أكبر ومبادئ أساسية لا تعتبر أساسية للبرمجة فحسب، بل أيضًا للهندسة والمجال المهني للروبوتات الصناعية. إن التركيز على بعض المفاهيم الأكبر التي يمكن تطبيقها في بيئات ومواقف مختلفة يمنح الطلاب الفرصة لاكتساب فهم أكثر تعمقًا وتجربة تعليمية أعمق لتلك المهارات والموضوعات. يقترح هالبيرن وهاكل أن "التركيز على الفهم المتعمق للمبادئ الأساسية غالبًا ما يشكل تصميمًا تعليميًا أفضل من التغطية الموسوعية لمجموعة واسعة من المواضيع".¹⁴

سيقوم الطلاب بالتحقيق في مفاهيم مختلفة مثل:

• بناء مع المعادن والإلكترونيات
• نظام الإحداثيات الديكارتية
• كيف تتحرك الذراع الآلية في الفضاء ثلاثي الأبعاد
• إعادة استخدام الكود
• المتغيرات
• قوائم ثنائية الأبعاد
• ردود فعل الاستشعار للأتمتة
• أنظمة النقل، وغيرها الكثير.

سيكتسب الطلاب المعرفة الأساسية بهذه المفاهيم التي يمكن نقلها وتطبيقها لاحقًا في مجموعة واسعة من المجالات مثل الرياضيات والبرمجة والهندسة والتصنيع. أثناء الحصول على مقدمة لهذه المفاهيم، يصبح الطلاب قادرين بشكل فعال على حل المشكلات والتعاون والإبداع وبناء المرونة. وكلها مهارات مهمة في أي بيئة وترتبط بمهارات القرن الحادي والعشرين اليوم.

"لقد أصبحت المعرفة أمرًا حيويًا في القرن الحادي والعشرين ويحتاج الناس إلى اكتساب مثل هذه المهارات لدخول سوق العمل والتي تسمى مهارات القرن الحادي والعشرين. بشكل عام، تشمل مهارات القرن الحادي والعشرين التعاون والتواصل ومحو الأمية الرقمية والمواطنة وحل المشكلات والتفكير النقدي والإبداع والإنتاجية. تُسمى هذه المهارات بمهارات القرن الحادي والعشرين للإشارة إلى أنها مرتبطة بالتطورات الاقتصادية والاجتماعية الحالية أكثر من ارتباطها بالتطورات التي حدثت في القرن الماضي والتي تميزت بأنها نمط صناعي للإنتاج.¹⁵

الخامس. الاستنتاجات

الغرض من هذه الورقة هو تقديم مزايا VEX V5 Workcell في بيئة تعليمية لتقديم الروبوتات الصناعية. ومن خلال القيام بذلك، توضح هذه الورقة أن VEX V5 Workcell يوفر حلاً شاملاً لتعريف الطلاب بالروبوتات الصناعية في بيئة تعليمية فعالة من حيث التكلفة، ويقلل من حاجز البرمجة أمام الدخول، ويركز على الأفكار الكبيرة التي تساعد الطلاب على التطوير مهارات مهمة.

---