Εκπαιδευτική Ροµποτική. Καινοτόµες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση: Εκπαιδευτική Ροµποτική. Εκπαιδευτική ροµποτική: στόχος. Κατασκευαστικός Εποικοδοµισµός

Transcript

1 Καινοτόµες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση: Εκπαιδευτική Ροµποτική Κυπαρισσία Παπανικολάου Επίκουρη Καθηγήτρια Γενικό Παιδαγωγικό Τµήµα ΑΣΠΑΙΤΕ Εκπαιδευτική ροµποτική: στόχος ενεργή εµπλοκή µαθητών στη δηµιουργία ενός αντικειµένου σηµαντικού και µε νόηµα για τους ίδιους και τους άλλους γύρω τους Κατασκευαστικός Εποικοδοµισµός Constructionism Learning occurs most felicitously when constructing a public artifact S. Papert. Situating Constructionism in S.Papert and I.Harel (eds.) Constructionism Oι άνθρωποι οικοδοµούν νέα γνώση ειδικά όταν εµπλέκονται ενεργά στην οικοδόµηση πραγµατικών αντικειµένων όπως κάστρα από άµµο, τη θεωρία του σύµπαντος,, LEGO µηχανές, ή προγράµµατα υπολογιστών. Εκπαιδευτική Ροµποτική υνατότητα κατασκευής έξυπνων πραγµατικών µοντέλων που µπορούν να συλλέγουν πληροφορίες από το περιβάλλον (ερεθίσµατα) και να εκτελούν ενέργειες, να παρουσιάσουν συγκεκριµένες συµπεριφορές σαν αντίδραση σε εξωτερικά ερεθίσµατα. 1

2 η εξέλιξη εκαετία 60 χελώνες της Logo: συνδέονταν µε τον υπολογιστή µε ένα καλώδιο και µπορούσαν να κινούνται στο πάτωµα ανάλογα µε τις εντολές που λάµβαναν. Οι επόµενες γενιές χελωνών µπορούσαν να έχουν αισθητήρες, λάµπες και κινητήρες (Bigtrak, Roamer) η LEGO παρουσιάζει το LEGO TECHIC Control µε το Interface A - ελέγχει κινητήρες και αισθητήρες µέσα από την γλώσσα προγραµµατισµού LEGO Lines 1993 κυκλοφορεί µία εξελιγµένη µορφή το LEGO Dacta Controlab µε το interface B που είναι συνδεδεµένο καλωδιακά µε τον υπολογιστή και η γλώσσα προγραµµατισµού στηρίζεται στην Logo η LEGO παρουσιάζει το LEGO Mindstorms Rombotic Invention System µε τον προγραµµατιζόµενο κύβο RCX που αυτονοµείται από τον υπολογιστή Προγραµµατιζόµενες ροµποτικές κατασκευές Οι µαθητές καλούνται να κατασκευάσουν και να χειριστούν µέσω H/Y µία προγραµµατιζόµενη ροµποτική κατασκευή, η κίνηση της οποίας υπακούει σε ένα σύνολο κανόνων Οι ροµποτικές κατασκευές (λεωφορείο-ροµπότ, σκυλάκι-ροµπότ) συνθέτονται από δοµικά στοιχεία και ηλεκτρονικά εξαρτήµατα όπως, µικρά τούβλα, µπάλες, χάντρες συλλέγουν πληροφορίες/ερεθίσµατα από το περιβάλλον (αισθητήρες αφής, φωτός, θερµοκρασίας κλπ.) και εκτελούν ενέργειες, παρουσιάζοντας συγκεκριµένες συµπεριφορές ως αντίδραση σε εξωτερικά ερεθίσµατα (κινητήρες, λάµπες κλπ.) Εύκολο παρκάρισµα από µαθητές Κατασκευάζω Προγραµµατίζω οκιµάζω 2

3 H κατασκευή Θέση Βίντεο easy-parking οµικά στοιχεία Μικροεπεξεργαστής ΝΧΤ Αισθητήρες οµικό Υλικό Ο µικροεπεξεργαστής ΝΧΤ Άνοιγµα/ Κλείσιµο/ Επιλογή Αριστερά εξιά Επιστροφή 3

4 Αισθητήρες Αισθητήρας φωτός Σερβοκινητήρες Αισθητήρας Αφής Επιτρέπουν στο ροµπότ να ανταποκριθεί στα εµπόδια του περιβάλλοντος ΝΧΤ Αισθητήρας Ήχου Επιτρέπει στο ροµπότ να ανταποκρίνεται στους διάφορους ήχους Αισθητήρας Υπερήχων Επιτρέπει στο ροµπότ για µετράει την απόσταση ενός αντικειµένου και να Αισθητήρας φωτός ανταποκρίνεται στη κίνηση. Επιτρέπει στο ροµπότ να ανταποκρίνεται στις µεταβολές του φωτός και του χρώµατος οµικό Υλικό Τροχαλίες, δοκοί, τούβλα Τροχαλία Άξονες οκοί επίπεδοι Συνδετήρες Τούβλα Πλάκες Συνδετικοί πείροι Γρανάζια Ροδέλες οκοί µε γωνία οκοί µε προεξοχές 4

5 Προγραµµατισµός µε ΝΧΤ-G Μενού Προγραµµατισµός µε το λογισµικό Lego Mindstorms Edu XT-G Όνοµα αρχείου Επιφάνεια εργασίας Εντολές προγραµµατισµού Οδηγός Παλέτες Προγραµµατισµού Κουµπιά Ελέγχου Παράθυρο Παραµέτρων Βοήθεια Αριστερή στροφή Κίνηση µέσα σε µαύρη γραµµή 5

6 Μεταφορά στην κατασκευή Θέση Βίντεο catapult - καταπέλτης Εκπαιδευτική δυναµική της ροµποτικής Στόχος η διαµόρφωση ενός µαθησιακού περιβάλλοντος που o εµπλέκει ενεργά τους µαθητές στη λύση αυθεντικών προβληµάτων o ενισχύει τη διερευνητική στάση των µαθητών o διαθεµατική προσέγγιση o επιτρέπει στους µαθητές να διατυπώσουν υποθέσεις, να πειραµατιστούν, και να αναπτύξουν την αφαιρετική ικανότητά τους ελέγχοντας µέσα από ένα εικονικό περιβάλλον την συµπεριφορά ενός πραγµατικού ατικού µοντέλου 6

7 Mάθηση µε βάση συνθετικές εργασίες (project-based learning) για την οργάνωση της δράσης των µαθητών στην τάξη Aνοιχτά προβλήµατα: οι µαθητές συνεργάζονται ώστε αρχικά να κατανοήσουν & να ορίσουν το πρόβληµα που θέτει η συνθετική εργασία Oργάνωση δράσης µαθητών µε βάση ένα θετικό κύκλο ανατροφοδότησης και την ενθάρρυνση συγκεκριµένων διεργασιών όπως εµπλοκή, πειραµατισµό, διερεύνηση, δηµιουργία, παρουσίαση/αξιολόγηση. ιαθεµατικόproject: «Το λεωφορείο» Oι µαθητές κατασκευάζουν ένα λεωφορείο µε την χρήση δοµικού υλικού τηςlego και αποφασίζουν και προγραµµατίζουν την κίνηση του σε µία διαδροµή και τις λειτουργίες του µε την βοήθεια κατάλληλου λογισµικού. Εναλλακτικές διαδροµές µαθητών... οι µαθητές καλούνται να σχεδιάσουν ένα τρένο ροµπότ που κινείται µέσα σε ένα πάρκο ένα λεωφορείο ροµπότ που εξυπηρετεί το πεζοδροµηµένο κέντρο της πόλης ένα οικολογικό λεωφορείο-ροµπότ. Στόχοι ιαθεµατική δραστηριότητα γνωστικούς στόχους που αφορούν γνωστικά αντικείµενα Φυσικής, Μαθηµατικών, Τεχνολογίας, Πληροφορικής δεξιότητες επίλυσης προβληµάτων, επικοινωνίας και συνεργασίας καθώς και στάσεις σχετικά µε την προσφορά της επιστήµης και της τεχνολογίας αλλά και ως προς τη συνεργασία Στάδιο εµπλοκής: Στάδιο πειραµατισµού Στάδιο διερεύνησης: Στάδιο σύνθεσης & δηµιουργίας Στάδιο αξιολόγησης Αφόρµηση ιατύπωση του προβλήµατος και επιµέρους ερωτηµάτων προς διερεύνηση. δίνεται ένα ανοιχτό και ηµιδοµηµένο πρόβληµα µε έναν τρόπο που να εµπλέκει ενεργά τους µαθητές Οργάνωση οµάδων Εξοικείωση µε τις βασικές λειτουργικότητες που απαιτούνται για την λύση του προβλήµατος (εισαγωγή νέων εννοιών και δεξιοτήτων) Επαναπροσδιορισµός προβλήµατος και αρχικών ερωτηµάτων ιερεύνηση επιµέρους προβληµάτων οι µαθητές διαµορφώνουν τις ανοιχτές ερωτήσεις-οδηγούς / προβλήµατα και διερευνούν εναλλακτικές λύσεις Σύνθεση ενιαίας λύσης. οι µαθητές µοιράζονται και συνθέτουν τα προϊόντα της διερεύνησής τους, συνθέτουν λύσεις για το αρχικό πρόβληµα της εργασίας αυτοαξιολόγηση οµάδων Παρουσίαση αξιολόγηση λύσεων, συνεργασίας οι µαθητές µοιράζονται ιδέες και προϊόντα σε επίπεδο τάξης, αξιολογούν τις τελικές οµαδικές προτάσεις, συνθέτουν το τελικό προϊόν 7

8 ιαθεµατικό project: «ιαλογέας Ανακυκλώσιµων Απορριµµάτων» Οι µαθητές: χρησιµοποιούν υλικό από το kit της Lego προγραµµατίζουν την κατασκευή µε το εκπαιδευτικό λογισµικό LEGO Mindstorms Education NXT v.1.0 ελέγχουν το χρώµα του αντικειµένου και το προωθούν σε δύο διαφορετικούς κάδους Πλαίσιο εφαρµογής Πλαίσιο: Πρόγραµµα Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης Θέµα: Οι Νέες Τεχνολογίες και η συµβολή τους στην Ανακύκλωση Απορριµµάτων Χώρος: Εργαστήριο υπολογιστών Απευθύνεται: Μαθητές Γυµνασίου Μέθοδος εργασίας: Οµαδοσυνεργατική (οµάδες 3 ατόµων) Οργάνωση: Project µέσης διάρκειας (10 14 ώρες) Γνωστικές περιοχές : Τεχνολογία, Πληροφορική, Περιβαλλοντική Αγωγή, Μαθηµατικά, Φυσική Σενάριο Από το εκαπεντεµελές συµβούλιο των µαθητών του σχολείου µας, προτάθηκε να γίνει µια προσπάθεια συµβολής σε δράσεις που αφορούν στην Προστασία του Περιβάλλοντος και µάλιστα ιδιαίτερα στον τοµέα της Ανακύκλωσης Απορριµµάτων. Μια από τις προτάσεις που διατυπώθηκαν, είναι η κατασκευή και χρήση ενός αυτόµατου διαλογέα ανακυκλώσιµων απορριµµάτων, που θα προγραµµατίζεται µέσα από υπολογιστικά συστήµατα και θα τοποθετηθεί σε όλους τους χώρους συλλογής των απορριµµάτων του σχολείου. Για το λόγο αυτό, ζητείται από τους µαθητές να διατυπώσουν τη θέση τους απέναντι στο θέµα, τους προβληµατισµούς τους και τις προτάσεις τους. Ερωτήµατα προς διερεύνηση Ποια ιδιότητα του αντικειµένου θα ελέγχει ο διαλογέας Πως θα γίνεται ο έλεγχος Πως θα αντιδρά ο διαλογέας (ήχος, κείµενο, κλπ.) Πως θα προωθούνται τα αντικείµενα στους χώρους αποθήκευσης Πως και πότε θα ξεκινά η κίνηση του ιµάντα Πως και πότε θα σταµατά η κίνηση του ιµάντα Κατεύθυνση κίνησης του ιµάντα ιάρκεια κίνησης του ιµάντα 8

9 Λειτουργίες Με τον αισθητήρα φωτός Ο ιµάντας κινείται και ελέγχεται το χρώµα ενός προωθεί το αντικείµενο στο αντικειµένου και ανάλογα εξωτερικό του άκρο. µε το χρώµα, το Η κίνηση σταµατάει όταν αντικείµενο προωθείται το αντικείµενο φτάσει στην στον αντίστοιχο ιµάντα άκρη και πέσει στον κύλισης ενώ ο αντίστοιχο κάδο. επεξεργαστής «εκφωνεί» το χρώµα του αντικειµένου (πχ. µπλε). ιαλογέας Ι: Κατασκευαστικά Χαρακτηριστικά Η κατασκευή του διαλογέα Ι περιλαµβάνει Αισθητήρα φωτός (έλεγχος χρώµατος) Στρεφόµενες λαβές (τοποθέτηση αντικειµένου) Μοτέρ (στροφή λαβών) Χρωµατιστούς Λαµπτήρες (ένδειξη κατάστασης) Αισθητήρα αφής (τερµατισµός προγράµµατος) ιαλογέας ΙΙ: Κατασκευαστικά Χαρακτηριστικά Η κατασκευή του διαλογέα ΙΙ περιλαµβάνει Αισθητήρα φωτός (έλεγχος χρώµατος) 2 Ιµάντες (τοποθέτηση αντικειµένου) 2 Μοτέρ (στροφή λαβών) Αισθητήρα αφής (τερµατισµός προγράµµατος) ιαλογέας ΙΙΙ: Κατασκευαστικά Χαρακτηριστικά Η κατασκευή του διαλογέα ΙΙΙ περιλαµβάνει Αισθητήρα φωτός (έλεγχος χρώµατος) 1 Ιµάντα (τοποθέτηση αντικειµένου) 1 Μοτέρ (στροφή λαβών) Χρωµατιστούς Λαµπτήρες (ένδειξη κατάστασης) Αισθητήρα αφής (τερµατισµός προγράµµατος) 9

10 Παρατηρήσεις Επεκτάσεις Συµπεράσµατα Θέση Βίντεο dialogeas - διαλογέας Η αφόρµηση για το θέµα της εργασίας προέρχεται από την υλοποίηση αντίστοιχου προγράµµατος σε Γυµνάσιο. Η κατασκευή και ο προγραµµατισµός του υποδείγµατος έγινε εξολοκλήρου από µαθητή της ΣΤ ηµοτικού. Η υποδειγµατική κατασκευή µπορεί να δοθεί στους µαθητές για περαιτέρω επέκταση και βελτίωση. Ο ιαλογέας-ροµπότ µπορεί να χρησιµοποιηθεί για περαιτέρω διερεύνηση σε θέµατα που εµπίπτουν στα γνωστικά αντικείµενα των Μαθηµατικών και της Φυσικής. Η κατασκευή του διαλογέα µπορεί να αποτελέσει και θέµα συνεργατικής διερεύνησης και πειραµατισµού ανάµεσα σε οµάδες µαθητών διαφορετικών σχολείων, στο πλαίσιο προγραµµάτων Νέων Ερευνητών, όπως η «Τεχνοµάθεια» και ο «αίδαλος» ή και προγράµµατα επικοινωνίας ανάµεσα σε µαθητές σχολείων της Ευρώπης όπως το «e- Twinning». Teacher Education on Robotics-Enhanced Constructivist Pedagogical Methods (TERECoP) Στοχεύει στην ανάπτυξη ενός πλαισίου σχεδίασης και εφαρµογής δραστηριοτήτων προγραµµατιζόµενων ροµποτικών κατασκευών µε βάση σύγχρονες θεωρίες για τη διδασκαλία και µάθηση, στην ανάπτυξη ενδεικτικών δραστηριοτήτων για το Γυµνάσιο, στην εκπαίδευση υποψηφίων και εν ενεργεία εκπαιδευτικών σχετικά µε τις συγκεκριµένες τεχνολογίες ροµποτικής και την εκπαιδευτική αξιοποίησή τους σε Ευρωπαϊκό επίπεδο. Teacher Education on Robotics-Enhanced Constructivist Pedagogical Methods (TERECoP) Συνεργάτες Ανώτατη Σχολή Παιδαγωγικής και Τεχνολογικής Εκπαίδευσης (ΑΣΠΑΙΤΕ), Γενικό Τµήµα Παιδαγωγικών Μαθηµάτων µε ρόλο συντονιστή έργου και υπεύθυνο τον καθηγητή. Αλιµήση (Παράρτηµα Πάτρας), Institut Universitaire de Formation des Maîtres d'aix-marseille (Γαλλία), Department of Information Engineering, University of Padova (Ιταλία), IT+Robotics (Ιταλία), Town Museum of Rovereto (Ιταλία), University οf Piteşti (Ρουµανία), Charles University Prague, Faculty of Education (Τσεχία), Public University of Navarre (Ισπανία) 10

11 Teacher Education on Robotics-Enhanced Constructivist Pedagogical Methods (TERECoP) ραστηριότητες ανάπτυξη µεθοδολογίας σχεδιασµού δραστηριοτήτων ροµποτικής σε θέµατα επιστηµών και τεχνολογίας, ανάπτυξη και εφαρµογή προγραµµάτων εκπαίδευσης εκπαιδευτικών της δευτεροβάθµιας εκπαίδευσης συµπεριλαµβανοµένης της ανάπτυξης εκπαιδευτικού υλικού σε έντυπη και ηλεκτρονική µορφή, αξιολόγηση των προγραµµάτων εκπαίδευσης και διάχυση των αποτελεσµάτων που θα προκύψουν από την υλοποίησή τους, δηµιουργία µιας κοινότητας πρακτικής µεταξύ εκπαιδευτών και εκπαιδευόµενων µέσω ενός περιβάλλοντος ηλεκτρονικής µάθησης. σεµινάριο εκπαίδευσης καθηγητών στην Ελλάδα (ΑΣΠΑΙΤΕ - Μάρτιος 2008) Ιδέες Κατάλογος Projects Data reader Output Lego Motor Multiplexor Lego Mindstorms Chimney Climber NXT version LEGO Mindstorms NXT Hopper Carier and robotic arm LEGO Mindstorms NXT Color Brick Sorter LEGO Mindstorms NXT: Gymnastic Robot Lego NXT Compass 11