Аннотация
Өнеркәсіптік робототехника барлық дерлік өңдеуші салаларда қолданылады және мыңдаған жұмысшыларды жұмыспен қамтамасыз етеді. Дегенмен, оның бүкіл әлемде кеңінен қолданылуына байланысты білім беру ортасына өндірістік робототехниканы енгізу қиын және тәжірибеде шектеулі. Бұл құжат білім беру ортасына өнеркәсіптік робототехниканы енгізудегі кедергілерді сипаттайды және VEX V5 Workcell деп аталатын роботтық қолдың көмегімен шешімді ұсынады. VEX V5 Workcell орта және техникалық студенттерге өндірістік робототехниканың қолжетімділігін жақсарту үшін әзірленген. Білім беру ортасына өнеркәсіптік робототехниканы енгізудегі қолжетімділік мәселелері өлшем шектеулерінің, қауіпсіздік мәселелерінің, жоғары бағаның және шектеулі бағдарламалау тәжірибесінің үйлесімі болып табылады. VEX Robotics жасаған аппараттық және бағдарламалық қамтамасыз ету студенттерге бес осьті роботпен модельденген өндірістік жұмыс ұяшығын құру және бағдарламалау арқылы техникалық және мәселелерді шешу дағдыларын дамытуға мүмкіндік береді.
Түйін сөздер:
өндірістік робототехниканы оқыту; STEM; Python; C++, блок негізіндегі кодтау; VEX Robotics; робот қол; білім беру робототехникасы
I. Кіріспе
Білім беруде робототехниканы қолдану барлық жастағы оқушылар үшін пәнаралық, практикалық, шынайы оқу тәжірибесіне айналды.12 Білім беруде робототехникамен айналысу кіші жастағы оқушылардың ғылымға деген қызығушылығын оятуы мүмкін, сонымен қатар оларға логикалық ойлау, реттілік және есептерді шешу сияқты маңызды дағдыларды меңгеру үшін тәжірибе мен орта береді. Студенттер робототехникамен білім беру мансабында ілгерілеген сайын олар абстрактілі физика мен математикалық ұғымдарды өмірге әкелетін күрделі инженерлік және информатика тұжырымдамаларын зерттеу үшін есептерді шешу және логикалық ойлаудың негізгі дағдыларына сүйене алады.12
«Роботтарды құрастыру – сыныптарда проблемалық оқытуды (PBL) енгізу үшін танымал жоба таңдауы. Оның мұндай танымал таңдау себебін тақырыптың көп салалылығымен түсіндіруге болады: робототехника физика, электроника, математика және бағдарламалау сияқты көптеген әртүрлі ғылыми, техникалық және технологиялық дағдыларды қажет етеді. Бұл тамаша пән, өйткені онымен көптеген әртүрлі курстарды байланыстыруға болады. Сонымен қатар, роботтар балалар мен жасөспірімдердің қиялын жаулап алады, шабыт пен мотивация береді».13
Технологиялар үздіксіз дамып, бағдарламалау қалаулы дағдыға айналған кезде, оқу орындары студенттерді өнеркәсіптік робототехникамен және өндіріспен таныстыру арқылы жұмыс күшіне дайындағысы келеді. Өнеркәсіптік роботтар мен роботтық қарулар белгілі бір тапсырманы немесе функцияны орындауға арналған бағдарламаланатын машиналар болып табылады.1
«Роботтық жүйелер әдетте қауіпті, қауіпті және тіпті қайталанатын оператор тапсырмаларын орындау үшін қолданылады. Олардың материалды өңдеу, құрастыру, дәнекерлеу, машинаны немесе құралды тиеу және түсіру сияқты көптеген әртүрлі функциялары бар және: бояу, бүрку және т.б. Көптеген роботтар техника мен қайталауды үйрету арқылы жұмыс істеуге конфигурацияланған».1
Зерттеулер көрсеткендей, оқушылардың сабақта роботтарды пайдалану арқылы оң көзқарастары мен тәжірибесі бар.16 Дегенмен, студенттердің оң көзқарастарына қарамастан, білім беру жағдайында өндірістік робототехниканы пайдалануды шектейтін кедергілер бар: өлшем шектеулері, қауіпсіздік мәселелері, жоғары баға және шектеулі бағдарламалау тәжірибесі. Бұл мақалада VEX V5 Workcell білім беру ортасына өнеркәсіптік робототехниканы енгізу шешімі қалай болатынын талқылайды.
II. Жаңа және қолжетімді робот үлгілері (аппараттық құрал):
Технология дамыған сайын студенттердің қатары робототехникаға мансап ретінде қызығушылық танытуда. Робототехника студенттердің жаратылыстану және математикалық салаларға қызығушылығын оятуы мүмкін, сонымен қатар студенттерге есептерді шешуге және логикалық ойлауға машықтандыруға мүмкіндік береді.12 Есептерді шешу және логикалық ойлау сияқты білім беру робототехникасымен жұмыс істеу нәтижесінде қалыптасқан дағдылар өнеркәсіптік робототехника мен өндіріс мансабында да қолданылуы мүмкін және іргелі болып табылады. Кодтау, есептерді шешу және логикалық ойлау дағдыларын меңгерген робототехника саласындағы мамандардың қажеттілігі мен сұранысын қанағаттандыру үшін оқу нұсқаулары өз сыныптарында өндірістік робототехниканы енгізуді қалайды.17 Дегенмен, бұл студенттерді өндірістік мансапта табысты болуға дайындау үшін өнеркәсіптік роботтарды білім беру ортасына енгізуде шектеулер бар. Бұл тек сатып алу ғана емес, сонымен қатар жұмыс істейтін роботтық қолды ұстау қымбатқа түседі. Бұл шығын студенттер өзара әрекеттесе алатын роботтардың санын шектей алады, демек, студенттердің тәуелсіз практикалық қатысу көлемін шектейді.11 Өнеркәсіптік өлшемдегі роботтық қарулар да үлкен кеңістікті қажет етеді және өнеркәсіптік роботтармен жұмыс істегенде әрқашан қауіпсіздік қаупі бар. Тәжірибесіз студенттер кездейсоқ өзіне, жабдыққа немесе басқаларға зиян келтіруі мүмкін.11 Осы факторларға байланысты оқу орындары кішірек, қауіпсіз және үнемді өнеркәсіптік робот үлгілеріне жүгінеді.
«Үлкен роботтарды өңдеу тұрақты бақылауды қажет етеді және арнайы роботтық ұяшықтарда жасалуы керек болса да, қазір көптеген университеттер студенттерге өз бетінше жұмыс істеуге мүмкіндік беретін қосымша үстелдік өлшемді роботтарды сатып алуды таңдайды. Бұл машиналар үлкенірек роботтар сияқты бағдарламаланғандықтан, нәтижелерді толық масштабты қолданбалар үшін бірден үлкен машиналарға қолдануға болады ».2
VEX V5 Workcell - бұл кішірек, қауіпсіз және үнемді өндірістік робот моделі, ол сынып үстеліне қоюға жеткілікті кішкентай және ұсынылатын үш оқушының бір роботқа қатынасы бар, студенттерге практикалық жұмыс жасауға мүмкіндік береді. робот. V5 Workcell өлшемі кішірек болғандықтан қауіпсіз, сонымен қатар қажет болған жағдайда апаттық тоқтату функциясын атқаратын бампер қосқышын бағдарламалау мүмкіндігі бар.
V5 Workcell сонымен қатар студенттерге басқа жағдайда мүмкін болмайтын құрылыс тәжірибесімен айналысуға мүмкіндік береді. Кәсіби өнеркәсіптік өлшемді робот қаруларымен айналысатын студенттер оларды бағдарламалау бойынша құнды білім мен дағдыларға ие болады, бірақ құрылыс процесіне қатыспағандықтан олардың қалай қозғалатынын және жұмыс істейтінін түсінбеуі мүмкін. Құрылыс процесіне қатысу студенттерге аппараттық және бағдарламалық жасақтаманың арасында күшті байланыс орнатуға мүмкіндік беріп қана қоймайды, сонымен қатар студенттерге роботтың физикалық жұмысы туралы көбірек іргелі білім алуға мүмкіндік береді. Бұл мүмкіндік студенттерге аппараттық құралдардағы ақауларды тиімдірек жою, сондай-ақ мәселені шешу үшін қажетті білім мен тәжірибені бере алады.13 Роботтардың физикалық құрылысын өнеркәсіптік роботты оқытуға енгізу сонымен қатар студенттерге физика, техника және математиканың дерексіз ұғымдары мен теңдеулерін өмірге енгізуге мүмкіндік береді. Осы STEM тұжырымдамаларын контекстте қолдану студенттерге олардың өнеркәсіпте қалай қолданылатынын көруге мүмкіндік береді.
Басқа кішірек және үнемді өнеркәсіптік робот үлгілерінің көпшілігі алдын ала құрастырылған және көбінесе тек бір функция үшін жасалған. V5 Workcell жабдығының артықшылығы – студенттер бір робот құрастырумен шектелмейді. Студенттер V5 жұмыс ұяшығын VEX Robotics V5 жүйесінің бөліктерінен құрастырады, оның көптеген әртүрлі құрылымдары бар, соның ішінде робот қолының негізгі функциясы (1-суретте көрсетілген), EOAT өзгерту (қолдың соңы құрал) және қосу. бірнеше конвейерлер мен датчиктер (2-суретте көрсетілген). Бұл студенттерге робот қолының өзін ғана емес, сонымен қатар шағын өлшемді өндірістік ұяшық үлгісін толығымен жасау тәжірибесін береді. Бұл студенттерге математикалық және инженерлік концепцияларды белгілейтін құрылыс процесіне қатысуға мүмкіндік береді, бұл студенттер құрастырусыз бастан кешіре алмайды. Бұл студенттерге V5 Workcell физикалық деңгейде қалай жұмыс істейтінін түсінуге мүмкіндік береді, ол бағдарламалауға да ауысады. Бұл V5 Workcell-ді студенттерді өндірістік робототехникамен және бағдарламалау тұжырымдамаларымен таныстырып қана қоймай, сонымен қатар оларды декарттық координаттар жүйесі және 3D кеңістігінде роботты басқару сияқты құрылыс, инженерлік және математикалық түсініктермен таныстыратын педагогикалық құралға айналдырады.
1-сурет: Зертхана 1 құрастыру (роботтық қол)
2-сурет: Зертхана 11 құрастыру (роботтық қол, сондай-ақ конвейерлер мен сенсорлар)
Әртүрлі құрастырулар студентті кезең-кезеңімен құрастыруға бағыттайтын құрастыру нұсқауларында берілген (3-суретте көрсетілген). Бұл V5 Workcell құруды жалпы құрылыс, металмен салу немесе құралдарды пайдалану тәжірибесі жоқ студенттерге қолжетімді етеді.
3-сурет: Зертханадан қадам 4 Құру нұсқаулары
VEX V5 Workcell білім беру мекемелеріне кішірек, қауіпсіз және үнемді өнеркәсіптік робот үлгісінің нұсқасын ұсынады, ол өзінің құрылыс мүмкіндіктерінде ғана емес, сонымен қатар студенттерге кәсіби өнеркәсіптік өлшемді роботтармен салыстырғанда тәуелсіз, практикалық оқу тәжірибесін береді. қолдар.
III. Бағдарламалауды оқыту (бағдарламалық қамтамасыз ету):
Технологияның экспоненциалды қарқынмен ілгерілеуімен өнеркәсіптік өндірістегі көптеген қол еңбегі жұмыстары автоматтандырумен толықтырылуда.4 Бұл еңбекті толықтыра алады, тіпті кейбір жағдайларда жұмыс күшіне көбірек сұранысты тудыруы мүмкін, сонымен қатар жұмысшылардан автоматтандыруды пайдалану, жөндеу және техникалық қызмет көрсету үшін бағдарламалауды жақсы білуді талап етеді.4 Бағдарламалау – адамның білікті болуы үшін жылдар қажет болатын дағды, ал өнеркәсіпте қолданылатын бағдарламалау тілдерінің көпшілігі күрделі және кәсіби инженерлер пайдалану үшін жасалған.3 Бұл роботтың ең қарапайым тапсырмаларды орындауы үшін қажетті бағдарламалар бағдарламалау маманын жалдауды талап ететінін білдіреді.3
«Мәселен, үлкен көліктің корпусын жасау үшін роботты доғалық дәнекерлеу жүйесін қолмен бағдарламалау сегіз айдан астам уақытты алады, ал дәнекерлеу процесінің цикл уақыты небәрі он алты сағатты құрайды. Бұл жағдайда бағдарламалау уақыты орындалу уақытынан шамамен 360 есе көп».9
Бағдарламалау тәжірибесінің бұл деңгейі өнеркәсіптік робототехниканың бағдарламалау негіздері туралы білгісі келетін, бірақ бағдарламалау тәжірибесі аз немесе мүлдем жоқ студенттер мен оқытушылардың қолжетімділігін шектейді.
«Роботтарды бағдарламалау көп уақытты қажет етеді, күрделі, қателерге бейім және тапсырма мен платформаның тәжірибесін қажет етеді. Өнеркәсіптік робототехникада белгілі бір біліктілікті қажет ететін көптеген жеткізушілерге арналған бағдарламалау тілдері мен құралдары бар. Дегенмен, өнеркәсіптегі автоматтандыру деңгейін арттыру, сондай-ақ роботтарды сервистік робототехника және апаттарды басқару сияқты басқа салаларда қолдануды кеңейту үшін роботтарға маман емес адамдарға нұсқау беру мүмкіндігі болуы керек ».10
Кез келген жаста бастаушы ретінде бағдарламалауды үйрену қиын.8 Үйрену синтаксисінің үстіне жоба ағынын түсінуді үйрену тек ауыртпалық қана емес, сонымен бірге жігерлендіргіш және тіпті қорқынышты болуы мүмкін.5 Студенттер мен оқытушылардың өндірістік робототехникамен тәжірибе жинақтауы үшін бұл роботтарды кодтау күрделілігін азайту керек, осылайша жаңадан келген бағдарламашылар қатыса алады. Мұны дәстүрлі мәтіндік тілдерден бағдарламалау тілін жеңілдету арқылы жасауға болады. Бағдарламалау тілін жеңілдету кішкентай балаларды әртүрлі салаларда, соның ішінде білім беруде бағдарламалауды енгізу және үйретуде сәтті болды.3 Осы табысқа байланысты жеңілдетілген бағдарламалау тілін адамдарға өнеркәсіптік роботтарды бағдарламалау негіздерін үйрету үшін пайдалануға болады және олар кейінірек өнеркәсіпте табысты болу үшін қолдана алатын негізгі дағдыларды қалыптастыруға мүмкіндік береді.3
VEX V5 Workcell студенттерге Scratch блоктары арқылы жұмыс істейтін блокқа негізделген VEXcode V5 тілін пайдаланып өнеркәсіптік робот қол моделін бағдарламалауға мүмкіндік береді.18 (scratch.mit.edu) Студент VEXcode V5, жеңілдетілген бағдарламалау тілімен бағдарлама жасай алады. Студенттер Workcell-ді сәтті басқару үшін жоба құра алады, сонымен қатар жобаның мақсаты мен ағынын тереңірек түсіне алады. Зерттеулер алдын ала бағдарламалау тәжірибесі жоқ жаңадан бастағандар негізгі өндірістік робототехника тапсырмаларын орындау үшін блок негізіндегі бағдарламаларды сәтті жаза алатынын көрсетті.3
Зерттеулер сонымен қатар студенттер VEXcode V5 сияқты блокқа негізделген бағдарламалау тілінің табиғаты блоктардың табиғи тілде сипатталуына, блоктармен әрекеттесу үшін апарып тастау әдісіне және жұмыс істеудің қарапайымдылығына байланысты оңай деп есептейтінін көрсетті. жобаны оқу.6 VEXcode V5 кәдімгі мәтінге негізделген тәсілмен салыстырғанда блокқа негізделген бағдарламалау тіліне қатысты мәселелерге де жауап береді. Анықталған кемшіліктердің кейбірі түпнұсқалықтың жоқтығы және азырақ күшті болуы болып табылады.6 VEXcode V5 «кодты қарау құралы» деп аталатын құралды қосу арқылы шынайылықтың жоқтығын және әлсіз болып көрінетінін шешеді. Кодты қарау құралы студентке блоктар жобасын жасауға мүмкіндік береді, содан кейін сол жобаны C++ немесе Python тілінде мәтін түрінде көруге мүмкіндік береді. Бұл түрлендіру студенттерге блок негізіндегі тілдің шектеулерінен тыс өсуге мүмкіндік береді, сонымен қатар оларға синтаксистегі алшақтықты блоктардан мәтінге дейін жою үшін сәтті болуы үшін қажет тірек құралдарымен қамтамасыз етеді. VEXcode V5 блоктардан мәтінге өтуді жеңілдету үшін блоктар мен пәрмендер үшін ұқсас атау конвенцияларын пайдаланады.
Weintrop және Wilensky7 орта мектептің информатика сыныптарында блокқа негізделген және мәтінге негізделген бағдарламалауды салыстыру үшін жүргізген зерттеу блокқа негізделген тілді пайдаланатын студенттер оқуда үлкен жетістіктер мен болашақ есептеулерге қызығушылықтың жоғары деңгейін көрсеткенін көрсетті. курстар. Мәтінге негізделген тілді пайдаланатын студенттер өздерінің бағдарламалау тәжірибесін бағдарламалаушылардың салада жасайтын ісіне ұқсас және олардың бағдарламалау дағдыларын жетілдіруде тиімдірек деп қарастырды. VEXcode V5 жаңадан бастаған бағдарламашыларға алдымен бағдарламалау тұжырымдамаларының мықты негізін құруға мүмкіндік беру арқылы екі дүниенің де ең жақсысын береді, содан кейін олар VEXcode V5 жүйесінде қолдау көрсетілетін екі мәтіндік тілге де C++ немесе Python тіліне ауысқанда пайдалана алады.
VEXcode V5 – білім беру параметрлерінде қолданылатын өнеркәсіптік робот үлгісіне арналған қолжетімді және тегін блок негізіндегі бағдарламалау тілі, ол бағдарламалау роботтарын басқа жағдайда оларды пайдалана алмайтын студенттер мен оқытушылар үшін қол жетімді етеді. Өндірістік жұмыс орталары технологиямен үнемі өзгеріп отырады және VEXcode V5 сияқты блокқа негізделген бағдарламалау тілдері болашақ өндірістік жұмысшы болуға ұмтылатын студенттерге өндірістік және өнеркәсіптік жұмыс орындарында табысты болу үшін қажетті дағдылар мен негізгі бағдарламалау білімін жақсырақ бере алады.3
IV. Үлкен идеялар
V5 Workcell бағдарламасының ең үлкен артықшылықтарының бірі студенттерге тек бағдарламалауға ғана емес, сонымен қатар инженерияға және өнеркәсіптік робототехниканың кәсіби саласына негіз болатын үлкенірек тұжырымдамалар мен негізгі принциптерді үйренуге және оларға назар аударуға мүмкіндік береді. Әртүрлі жағдайларда және жағдайларда қолдануға болатын бірнеше үлкенірек тұжырымдамаларға назар аудару студенттерге сол дағдылар мен тақырыптарды тереңірек түсінуге және тереңірек үйренуге мүмкіндік береді. Хэлперн мен Хакель «негізгі принциптерді терең түсінуге баса назар аудару көбінесе тақырыптардың кең ауқымын энциклопедиялық қамтудан гөрі жақсы оқу дизайнын құрайды» деп болжайды.14
Оқушылар әртүрлі ұғымдарды зерттейді, мысалы:
- Металл және электроникадан тұратын құрылыс
- Декарттық координаталар жүйесі
- Роботтық қол 3D кеңістігінде қалай қозғалады
- Кодты қайта пайдалану
- Айнымалылар
- 2D тізімдері
- Автоматтандыруға арналған сенсорлық кері байланыс
- Конвейерлік жүйелер және т.б.
Студенттер математика, бағдарламалау, инженерия және өндіріс сияқты кең ауқымда кейінірек берілуі және қолданылуы мүмкін осы ұғымдар туралы іргелі білім алады. Осы ұғымдармен танысу барысында студенттер белсенді түрде мәселелерді шешуге, бірлесіп жұмыс істеуге, шығармашылыққа және тұрақтылықты дамытуға қабілетті. Олардың барлығы кез келген ортада маңызды дағдылар болып табылады және бүгінгі 21 ғасыр дағдыларымен байланысты.
«ХХІ ғасырда білім өмірлік маңызды болды және адамдар 21 ғасыр дағдылары деп аталатын жұмыс күшіне кіру үшін осындай дағдыларды меңгеруі керек. Жалпы, ХХІ ғасыр дағдыларына ынтымақтастық, қарым-қатынас, цифрлық сауаттылық, азаматтық, проблемаларды шешу, сыни ойлау, шығармашылық және өнімділік кіреді. Бұл дағдылар өткен ғасырдағы өндірістің индустриалды тәсілі ретінде сипатталғанға қарағанда, қазіргі экономикалық және әлеуметтік дамуларға көбірек қатысты екенін көрсету үшін 21 ғасыр дағдылары деп белгіленеді ».15
В. Қорытындылар
Бұл жұмыстың мақсаты - өнеркәсіптік робототехниканы енгізу үшін білім беру жағдайында VEX V5 Workcell артықшылықтарын көрсету. Осылайша, бұл құжат VEX V5 Workcell студенттерді үнемді білім беру жағдайында өндірістік робототехникамен таныстыру үшін жан-жақты шешімді қамтамасыз ететінін көрсетеді, бағдарламаға кіру кедергісін төмендетеді және студенттерді дамытуға көмектесетін үлкен идеяларға назар аударады. маңызды дағдылар.