10ο Πανελλήνιο Συνέδριο Καθηγητών Πληροφορικής Εκπαιδευτική ρομποτική με Arduino στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση Μιχαήλ-Αλέξανδρος Σαββανής 1, Χρήστος Χυτήρης 2 1 michalsavv@gmail.com, 2 christoshitiris@hotmail.com 1 Φοιτητής, Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής Τ.Ε. ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Καστοριά 2 Φοιτητής, Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής Τ.Ε. ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Καστοριά Περίληψη Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να προτείνει την χρήση του «Arduino» στην εκπαιδευτική ρομποτική στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση όλων των επιπέδων. Συγκεκριμένα υπάρχει επιλογή για προγραμματισμό πλακιδίων με την χρήση του Ardublock αλλά και με την χρήση κώδικα όπου χρησιμοποιώντας περιφερειακές συσκευές στον Arduino (όπως led, motor, servo κ.α.) ο μαθητής μπορεί να δει άμεσα στο αποτέλεσμα του κώδικα του σε φυσικά αντικείμενα. H επιλογή του Arduino δίνει την ευκαιρία στους καθηγητές να διδάξουν βασικές προγραμματιστικές δομές μέσα από διασκεδαστικά projects όπως το αυτόματο φωτάκι νυκτός ή το ανεμιστηράκι ενώ ταυτόχρονα οι μαθητές έρχονται σε επαφή με τους τομείς της πληροφορικής, της ηλεκτρονικής και γενικότερα της τεχνολογίας.. Λέξεις κλειδιά: Arduino, ArduBlock, ΕΠΑΛ, Γυμνάσιο, Codebender Εισαγωγή Με την πάροδο των χρόνων αντιλαμβανόμαστε την σημαντική εξέλιξη της τεχνολογίας σε όλους τους τομείς της καθημερινότητας μας, καθώς αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της. Στις περισσότερες χώρες του κόσμου, στο τομέα της εκπαίδευσης χρησιμοποιούνται νέες τεχνολογίες, οι οποίες συμβάλλουν ώστε τα μαθήματα να γίνονται πιο ευχάριστα τόσο για το μαθητή όσο και για τον διδάσκοντα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο μαθητής να λαμβάνει τις απαραίτητες γνώσεις μέσα από project που θα υλοποιεί ο ίδιος, όσο και σε συνεργασία με άλλους συμμαθητές του και το μάθημα θα γίνεται πιο ενδιαφέρον. Η εκπαιδευτική ρομποτική με τη χρήση της πλακέτας «Arduino», αποτελεί μια από αυτές τις τεχνολογίες, που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στα σχολεία. Με χρήσιμα εργαλεία, όπως είναι το ArduBlock, οι μαθητές έχουν τη δυνατότητα να προγραμματίσουν εύκολα την πλακέτα του Arduino για την υλοποίηση διαφόρων project. Εισαγωγή στον Arduino Ο μικροελεγκτής Arduino είναι μία πλατφόρμα ανοικτού κώδικα και υλικού, που δίνει την δυνατότητα στον καθένα να κάνει παραμετροποιήσεις σύμφωνα με τις ανάγκες του. Ο προγραμματισμός γίνετε με σύνδεση USB στον υπολογιστή μέσω του περιβάλλοντος ανάπτυξης κώδικα. Παρόλα αυτά υπάρχουν και άλλες εφαρμογές προγραμματισμού του, όπως η διαδικτυακή εφαρμογή Codebender και το περιβάλλον ArduBlock. Η γλώσσα προγραμματισμού είναι η Wiring, η οποία μοιάζει με την C++. Τα πλεονεκτήματα χρήσης αυτής της πλατφόρμας είναι αρκετά. Αρχικά θα λέγαμε ότι είναι μία φθηνή λύση σε σχέση με άλλες πλατφόρμες αυτού του βεληνεκούς και ότι η δυνατότητα χρήσης του μικροελεγκτή σε όλες τις πλατφόρμες Windows, GNU/Linux και Mac O.S. είναι πολύ σημαντική. Επιπλέον, το περιβάλλον προγραμματισμού είναι ευέλικτο διότι μπορεί ο χρήστης να το παραμετροποιήσει για να είναι πιο προσιτό σε αυτόν. Τέλος όσον αφορά το υλικολογισμικό, η επεκτασιμότητα είναι δυνατή με τη συγγραφή νέων βιβλιοθηκών C++ για την Πρακτικά Εργασιών 10 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Καθηγητών Πληροφορικής, Ναύπλιο 15-17 Απριλίου 2016
2 10 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Καθηγητών Πληροφορικής πλευρά του λογισμικού, ενώ ένας σχεδιαστής κυκλωμάτων μπορεί να αυξήσει τις προδιαγραφές φτιάχνοντας έναν νέο μικροελεγκτή με βάση τον Arduino. Εκπαιδευτική ρομποτική με Arduino στο Γυμνάσιο Λαμβάνοντας υπόψιν ότι οι μαθητές Γυμνασίου ως επί το πλείστον δεν έχουν έρθει σε επαφή με τον προγραμματισμό, δηλαδή με την σύνταξη εντολών, δομών επιλογής και επανάληψης, είναι πολύ δύσκολο να μάθουν ταυτόχρονα μια νέα γλώσσα προγραμματισμού αλλά και καινούριους τρόπους σκέψης για την επίλυση προβλημάτων. Ο προγραμματισμός με πλακίδια (block programming) είναι θεμελιώδης στο δομημένο προγραμματισμό και έτσι η χρήση μια τεχνολογίας όπως το ArduBlock είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα. Αυτό συμβαίνει γιατί τα blocks έχουν ήδη έτοιμες τις παραπάνω δομές, ώστε ο μαθητής να μην χρειάζεται να σκεφτεί σε τόσο μεγάλο βάθος. Τα συμπεράσματα για την εμπέδωση της τεχνολογίας στην ηλικία αυτή προέκυψαν από την εφαρμογή των σεναρίων αρχικά στο εκπαιδευτικό κομμάτι της ομάδας ρομποτικής του Τμήματος Μηχανικών Πληροφορικής του ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας στην Καστοριά, και έπειτα στα πλαίσια σεμιναρίου που πραγματοποιήθηκε στο Ίδρυμα όπου οι συμμετέχοντες απαρτίζονταν από μαθητές της 6ης Δημοτικού αλλά και από μαθητές Γυμνασίου και Λυκείου. (Μυρώνη, 2015) Το περιβάλλον ArduΒlock Το περιβάλλον οπτικού προγραμματισμού ArduBlock αποτελεί ένα πρόσθετο για το ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης (IDE) του Arduino, έτσι απαιτείται το IDE να είναι εγκατεστημένο. Έτσι ο μαθητής αντί να γράψει απευθείας κώδικα, μπορεί να υλοποιήσει το πρόγραμμα με πλακίδια (blocks) ώστε να δοθεί μεγαλύτερη σημασία στην κατανόηση του αλγορίθμου παρά στην γραφή, μιας και είναι πολύ μικρή η πιθανότητα συντακτικού λάθους. Το ArduBlock είναι γραμμένο σε Java και έτσι είναι συμβατό με τις δημοφιλέστερες πλατφόρμες, Windows, Mac και Linux. Εγκατάσταση του ArduBlock Στο πλαίσιο της εργαστηριακής παρουσίασης θα υλοποιηθεί το έργο Arduino Blink. Από τον παρακάτω σύνδεσμο μπορεί να γίνει λήψη του ArduBlock. Οι παρακάτω σύνδεσμοι προσπελάθηκαν στις 25/2/2016 από τους συγγραφείς. https://sourceforge.net/projects/ardublock/ (σύνδεσμος για λήψη του ArduBlock). https://github.com/taweili/ardublock (ο κώδικας στο GitHub). Μετά την λήψη του αρχείου Java, το αρχείο πρέπει να μεταφερθεί σε μια συγκεκριμένη διαδρομή στον υπολογιστή για να λειτουργήσει. Είθισται o φάκελος Arduino να βρίσκεται μέσα στον φάκελο του χρήστη. Διαφορετικά μέσα στο IDE στην καρτέλα Αρχείο και από εκεί στις Προτιμήσεις βρίσκεται η διαδρομή του φακέλου Arduino. Στον φάκελο Arduino πρέπει οπωσδήποτε να δημιουργηθεί η σειρά των φακέλων με την μορφή: Arduino/tools/ArduBlock/tool/. Προσοχή στην διάκριση πεζών-κεφαλαίων. Τέλος, απαραίτητη είναι η μεταφορά του αρχείου Java μέσα στον φάκελο tool. Αν όλες οι ενέργειες έχουνε γίνει σωστά η διαδρομή θα έχει την παρακάτω μορφή: Arduino/tools/ArduBlock/tool/ardublock-xxxxxxx.jar, όπου x η έκδοση του ArduBlock. Χρήση του ArduBlock Αφού γίνει εκκίνηση του IDE του Arduino (ή επανεκκίνηση αν είναι ήδη ανοικτό), στην καρτέλα Εργαλεία γίνεται η επιλογή ArduBlock και εμφανίζεται το περιβάλλον. Προσοχή δεν πρέπει να κλείσει το IDE διότι όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το ArduBlock είναι πρόσθετο και όχι ξεχωριστή εφαρμογή. Το παράθυρο του ArduBlock χωρίζεται σε δύο μέρη. Στα αριστερά βρίσκονται τα πλακίδια ελέγχου, επιλογής, επανάληψης κ.α. χωρισμένα σε κατηγορίες όπου καθορίζουν και την λειτουργία του προγράμματος. Στα δεξιά η γκρι περιοχή είναι ο χώρος σχεδιασμού του έργου. Με το
Η Πληροφορική στην Πρωτοβάθμια και Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση Ρόλος και Εφαρμογές 3 σύρσιμο των πλακιδίων από την αριστερή πλευρά στην δεξιά γίνεται η προσθήκη των πλακιδίων που ελέγχουν το πρόγραμμα. Το μόνο πλακίδιο που πρέπει οπωσδήποτε να υπάρχει είναι το program όπου βρίσκονται οι συναρτήσεις setup() και loop() που κάθε πρόγραμμα Arduino απαιτεί. Τα πλακίδια που βρίσκονται στην γκρι περιοχή αλλά δεν βρίσκονται στην εμβέλεια του πλακιδίου program αγνοούνται από το πρόγραμμα σαν να είναι σχόλια. (Sparkfun, 2016) Υλοποίηση του Arduino Blink με το περιβάλλον ArduBlock Το έργο Arduino Blink είναι η ευκολότερη υλοποίηση για την κατανόηση των βασικών λειτουργιών του μικροελεγκτή. Τα υλικά που απαιτούνται είναι ένας Arduino, ένα LED και μία αντίσταση 220 ohm. Το κύκλωμα απαιτεί την σύνδεση σε σειρά τον ακροδέκτη 13, την αντίσταση, το LED και την γείωση (GND). Σχήμα 1. Σχηματικό έργου Arduino Blink Μετά την σύνδεση του κυκλώματος μπορεί να φορτωθεί ο κώδικας στον Arduino. (Arduino.cc, 2016)
4 10 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Καθηγητών Πληροφορικής Σχήμα 2. Κώδικας έργου Arduino Blink Για να ανεβεί ο κώδικας που δημιουργείται στο ArduBlock πρέπει να επιλεχθεί η επιλογή Ανέβασε στο Arduino μέσα στο παράθυρο του περιβάλλοντος. Σχήμα 3. Arduino Blink με το Ardublock Η υλοποίηση με το περιβάλλον ArduBlock είναι περισσότερο κατανοητή για τους μαθητές καταλαβαίνοντας την λογική των εντολών καλύτερα με τα πλακίδια. (Sparkfun, 2016) Arduino Projects στο Γυμνάσιο Εφόσον οι μαθητές κατανοήσουν τις βασικές λειτουργίες του Arduino, ο εκπαιδευτικός μπορεί να χωρίσει τους μαθητές σε ομάδες των δύο-τριών ατόμων για την υλοποίηση πιο σύνθετων projects. 1ο Project Αυτόματο φωτάκι νυκτός Τα υλικά που απαιτούνται είναι ένας Arduino, ένα LED, μία αντίσταση 220 ohm, μία αντίσταση 10kohm,ένα breadboard, καλωδιακοί κι έναν αντιστάτη φωτός (photoresistor). Ο τρόπος λειτουργίας είναι ο εξής: Ο φωτοαντιστάτης ανάλογα με την φωτεινότητα από το χώρο που βρίσκεται, παίρνει
Η Πληροφορική στην Πρωτοβάθμια και Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση Ρόλος και Εφαρμογές 5 μεταβλητές τιμές σε χρονικά διαστήματα που μπορούν να καθοριστούν στο πρόγραμμα. Με μία δομή ελέγχου, ελέγχεται αν η φωτεινότητα πέσει χαμηλότερα από μία τιμή που καθορίζεται στο πρόβλημα, να ανάψει το LED. Ένα πολύ απλό project οικιακού αυτοματισμού. (Arduino.cc, 2016) 2ο Project Ανεμιστηράκι Τα υλικά που απαιτούνται είναι ένας μικροελεκτής Arduino, δυο καλώδια (jumpers), ένα κινητήρα (DC motor) και μία πλαστική προπέλα ή χάρτινο ανεμιστηράκι ως χειροτεχνεία. Αφού τοποθετηθεί ο ανεμιστήρας πάνω στο κινητηράκι, συνδέονται οι 2 ακροδέκτες του DC motor στις ψηφιακές ακίδες 5 και 6 στον Arduino. Οι μαθητές θα προγραμματίσουν την ταχύτητα του ανεμιστήρα δίνοντας τιμές από 0-255. Προσοχή! Εδώ χρησιμοποιείται η τεχνική Pulse Width Modulation (PWM) και αντί να χρησιμοποιηθεί η εντολή digitalwrite(), πρέπει να χρησιμοποιηθεί η εντολή analogwrite(). Εκπαιδευτική Ρομποτική σε Γενικό και Επαγγελματικό Λύκειο με Arduino Η χρήση Arduino στο επίπεδο του Λυκείου μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση εννοιών προγραμματισμού αφού οι μαθητές βλέπουν άμεσα τι αποτέλεσμα έχει ο κώδικας που γράφουν σε πραγματικά αντικείμενα σε συνδυασμό με την δημιουργία ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Μέσα από απλά ηλεκτρονικά έργα (projects) μπορούν οι μαθητές να κατανοήσουν προγραμματιστικές έννοιες όπως για παράδειγμα την Αν (if), την Για (for) ή την δημιουργία και την χρήση μεταβλητών. Υλοποίηση Arduino Blink Στην πρώτη έκδοση του σεναρίου μας είναι το κλασσικό παράδειγμα του Arduino blink όπου αναβοσβήνει το led ανά 1 δευτερόλεπτο με τον κώδικα που υπάρχει στο Σχήμα 2. Στην δεύτερη έκδοση χρησιμοποιούμαι μια επαναληπτική δομή for σε συνδυασμό με το Arduino. int sum = 0; //δήλωση μεταβλητής αθροιστή void setup() // Συνάρτηση αρχικοποιήσεις // αρχικοποίηση ψηφιακού pin 13 ως έξοδο. pinmode(13, OUTPUT); Serial.begin(9600); //εκκίνηση σειριακής εξόδου στο 9600 // Επαναληπτική συνάρτηση που εκτελείται void loop() Serial.println("Start Loop"); //Μήνυμα εκκίνησης for (int i = 0; i < 10; i++) //Δομή επανάληψης για 10 επαναλήψης digitalwrite(13, HIGH); // άναμα του LED(HIGH is the voltage level) delay(1000); // αναμονή ενός δευτερόλέπτου (1000 millisecond) digitalwrite(13, LOW); // σβήσιμο του LED (the voltage LOW) delay(1000); // αναμονή ενός δευτερόλέπτου (1000 millisecond) Serial.print("i="); // Εμφάνιση στην οθόνη το μήνυμα "i=" Serial.println(i); // Εμφάνιση στην οθόνη του περιεχομένου της μεταβλητής i sum = sum + 1; // Αύξηση αθροιστή κατά ένα
6 10 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Καθηγητών Πληροφορικής Serial.print("sum="); // Εμφάνιση στην οθόνη το μήνυμα "sum=" Serial.println(sum); // Εμφάνιση στην οθόνη του περιεχομένου της μεταβλητής sum Serial.println("finish Loop"); //Μήνυμα τέλος Τρίτη Έκδοση: Επειδή όμως η void loop είναι επαναληπτική συνάρτηση για να δημιουργήσουμε την απαραίτητη παύση στις 10 επαναλήψεις θα βάλουμε και μια if int sum = 0; //δήλωση μεταβλητής αθροιστή void setup() // Συνάρτηση αρχικοποιήσεις // αρχικοποίηση ψηφιακού pin 13 ως έξοδο pinmode(13, OUTPUT); Serial.begin(9600); //εκκίνηση σειριακής εξόδου στο 9600 // Επαναληπτική συνάρτηση που εκτελείται void loop() if (sum<10) //Δομή if (AN) Serial.println("Start Loop"); //Μήνυμα εκκίνησης for (int i = 0; i < 10; i++) //Δομή επανάληψης για 10 επαναλήψης digitalwrite(13, HIGH); // άναμα του LED(HIGH is the voltage level) delay(1000); // αναμονή ενός δευτερόλέπτου (1000 millisecond) digitalwrite(13, LOW); // σβήσιμο του LED (the voltage LOW) delay(1000); // αναμονή ενός δευτερόλέπτου (1000 millisecond) Serial.print("i="); // Εμφάνιση στην οθόνη το μήνυμα "i=" Serial.println(i); // Εμφάνιση στην οθόνη του περιεχομένου της μεταβλητής i sum = sum + 1; // Αύξηση αθροιστή κατά ένα Serial.print("sum="); // Εμφάνιση στην οθόνη το μήνυμα "sum=" Serial.println(sum); // Εμφάνιση στην οθόνη του περιεχομένου της μεταβλητής sum Serial.println("finish Loop"); //Μήνυμα τέλος επανάληψης Serial.println("finish"); //Μήνυμα τέλους προγράμματος Project link https://codebender.cc/sketch:253332 Arduino Projects σε Επαγγελματικά Λύκεια O Arduino είναι μια πολύ καλή ευκαιρία για projects σε Επαγγελματικά Λύκεια ώστε να χρησιμοποιήσουν οι μαθητές τις γνώσεις που έχουν αποκομίσει από τα μαθήματα ειδικότητας τους πρακτικά σε συνεργασία με άλλους συμμαθητές τους άλλων ειδικοτήτων. Όπως για παράδειγμα συνεργασία μαθητών από τον τομέα Πληροφορικής με μαθητές από τον τομέα Ηλεκτρολογίας με στόχο την υλοποίηση αυτόματων φωτισμών, όπου μπορούν να εγκατασταθούν σε διάφορες περιοχές του κτιρίου και θα ανάβουν όποτε ανιχνευτεί κίνηση (από αισθητήρες υπερήχων ή υπερύθρων). Σε συνεργασία με τους μαθητές από τον τομέα Μηχανολογίας να θα δημιουργηθεί σύστημα αυτόματου ποτίσματος με την χρήση ηλεκτροβάνας και αισθητήρων που θα μετράνε την υγρασία του χώματος και θα ποτίζουν το έδαφος όταν χρειάζεται.
Η Πληροφορική στην Πρωτοβάθμια και Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση Ρόλος και Εφαρμογές 7 Τέλος μαθητές από τον τομέα των Ηλεκτρονικών μπορούν να βοηθήσουν στην δημιουργία πλακετών, arduino shield ή συνδέσεων χωρίς την χρήση breadboard για εξοικονόμηση χώρου και όγκου συν τις πολύτιμης βοήθειας σε ότι σχετίζεται με κυκλώματα (αντιστάσεις, ρεύματα κτλ) που υπάρχουν σε μεγάλο βαθμό σε όλα τα project. Συμπεράσματα O Arduino στην εκπαιδευτική ρομποτική αποτελεί μια πολύ καλή επιλογή αφού με εξοπλισμό χαμηλού κόστους σε σχέση με επιτυγχάνει να φέρει σε επαφή τους μαθητές με τον προγραμματισμό και την ηλεκτρονική μέσα από ένα ευχάριστο περιβάλλον συνεργατικότητας χρησιμοποιώντας τεχνολογία ανοικτού λογισμικού και υλικού (open software, open hardware). Αναφορές Arduino.cc. (2016, Φεβρουάριος 28). Ανάκτηση από https://www.arduino.cc/en/tutorial/blink Sparkfun. (2016, Φεβρουάριος 28). Ανάκτηση από https://learn.sparkfun.com/tutorials/alternative-arduinointerfaces/ardublock Wikipedia. (2016, 2 20). Ανάκτηση από https://el.wikipedia.org/wiki/arduino Μυρώνη, Β. &. (2015). Εφαρμογές με Arduino: Learning by doing. Ανακοίνωση στο 9ο Πανελλήνιο Συνέδριο Καθηγητών Πληροφορικής. Καστοριά: ΠΕΚΑΠ.