Δρ. Απόστολος Ξενάκης, Π.Δ. 407/80 Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Δρ. Κωνσταντίνος Kαλοβρέκτης Σπύρος Μπρέντας – Πληροφορικός, απόφοιτος ΕΠΠΑΙΚ ΑΣΠΑΙΤΕ Βόλου

Η ρομποτική στην εποχή μας συνεχώς αναπτύσσεται και εξελίσσεται καταλαμβάνοντας έτσι ένα σημαντικό κομμάτι της κοινωνίας μας. Συνέπεια αυτού είναι να εισχωρήσει και στην εκπαίδευση προτρέποντάς μας να αντιληφθούμε καλύτερα μία μεγάλη περιοχή μάθησης. Σκοπός της εισχώρησης αυτής δεν είναι η αντικατάσταση του εκπαιδευτικού αλλά να γίνει ένα σημαντικό εργαλείο και να δρα επικουρικά στη διαδικασία μάθησης. Με πλεονεκτήματα όπως η αλληλεπίδραση, το μεγάλο εύρος διαθεματικών ενοτήτων και προπαντός η φιλική από τα παιδιά αντιμετώπιση, κάνει τη ρομποτική το όχημα για τη διδασκαλία με τη μεθοδολογία της διεπιστημονικότητας. Πεδία των Φυσικών Επιστημών, της Τεχνολογίας, της Επιστήμης των Μηχανικών και των Μαθηματικών μπορούν να κατανοηθούν εάν προσεγγιστούν μέσα από το σχεδιασμό της διδασκαλίας STEM.

Αυτό ήταν και το έναυσμά μας ώστε να πραγματοποιήσουμε την εναλλακτική αυτή διδακτική προσέγγιση, ώστε να δημιουργηθεί ένα ομαδοσυνεργατικό μαθησιακό περιβάλλον, προκειμένου να επιτευχθεί η ομαλή επαφή των μαθητών με την εκπαιδευτική ρομποτική, αποβάλλοντας το ενδεχόμενο άγχος που μπορεί να προκύπτει από έννοιες που προκαλούν παρανόηση και σύγχυση. Συνάμα να επιτευχθεί η σταδιακή εξοικείωσή τους με τους τρόπους προσέγγισης αυτής μέσα από το φιλικό προγραμματιστικό περιβάλλον Ardublock και της πλατφόρμας Arduino. Οι μαθητές θα εμπλακούν και θα ενεργοποιηθούν με την παρουσίαση μίας έτοιμης ρομποτικής κατασκευής από ανακυκλώσιμα υλικά. Θα εξερευνήσουν την κατασκευή αυτή, δηλαδή από τι υλικά αποτελείτε, πως συναρμολογήθηκε, πως πραγματοποιείτε η κίνησή της, απομυθοποιώντας έτσι τις ρομποτικές κατασκευές και θα αντιληφθούν ότι δεν είναι τίποτα παραπάνω από προγραμματιζόμενες μηχανές. Θα ενθαρρυνθούν να κατασκευάσουν το «σώμα» μίας τέτοιας ρομποτικής κατασκευής με απλά ανακυκλώσιμα υλικά. Επιπλέον είναι δυνατόν να προτραπούν να αναζητήσουν, δημιουργικά, νέα ανακυκλώσιμα υλικά όπου αυτό είναι εφικτό, ώστε να αντικαταστήσουν τα προτεινόμενα υλικά κατασκευής. Κατόπιν να διερευνήσουν τις βασικές έννοιες και δομές προγραμματισμού που απαιτούνται έτσι ώστε να δώσουν «ζωή» στη ρομποτική κατασκευή ξεπερνώντας μαθησιακές δυσκολίες, αυξάνοντας έτσι το αίσθημα αυτοπεποίθησης και ικανοποίησης. Με κίνητρο την ενεργοποίηση της κατασκευής, θα δημιουργήσουν τμήματα κώδικα που απαιτούνται για τις επί μέρους λειτουργίες της ρομποτικής κατασκευής, θα πειραματιστούν και θα αλληλεπιδράσουν με αυτή. Με αναστοχασμό της νέας γνώσης μέσα από την πορεία απόκτησής της θα συνθέσουν τελικά τα τμήματα που απαιτούνται, ώστε να καταστήσουν τη ρομποτική κατασκευή λειτουργική.

Η κατασκευή

Η κατασκευή βασίζεται αποκλειστικά σε ανακυκλωμένα υλικά, εύκολα να εντοπιστούν, έτσι ώστε ο μαθητής να μυηθεί στο σκεπτικό της ανακύκλωσης και επαναχρησιμοποίησης, με σκοπό να γίνει η απαρχή ενός άλλου τρόπου έκφρασης.

Έχει ήδη δημιουργηθεί ένας οδηγός κατασκευής όπου προτείνονται ενδεικτικά υλικά και εργαλεία. Ο οδηγός αυτός έχει σκοπό να δοθούν οι κατευθυντήριες γραμμές κατασκευής και όχι η βήμα προς βήμα πιστή εφαρμογή του. Κατά την διαδικασία κατασκευής προτείνεται ο κατασκευαστής να γίνει ευρηματικός και ως προς τα υλικά αλλά και ως προς την κατασκευή, ώστε να εμπλακεί ενεργά στη διαδικασία αναζητώντας και κάνοντας χρήση εναλλακτικών υλικών και τρόπων κατασκευής.

Τα υλικά που προτείνονται είναι τα παρακάτω:

– Χαρτοκιβώτιο 8 χιλ. (σκληρό)

– Χαρτοκιβώτιο 2 χιλ. (μαλακό)

– Ακτίνες ποδηλάτου

– Μεταλλικός άξονας εκτυπωτή διαμέτρου 6 χιλ.

– Στυλό διαρκείας με σωληνάριο μελάνης 6 χιλ.

– Στυλό διαρκείας με σωληνάριο μελάνης 4 χιλ.

– Ηλεκτρικοί κινητήρες συνεχούς ρεύματος

– RGB φωτοδίοδοι (led)

– Υπερηχητικός αισθητήρας απόστασης HC-SR05

– σερβοκινητήρας

– Μπαταρίες τύπου 18650, 3,7V

– Arduino Uno V.3

Τα εργαλεία που προτείνονται είναι τα παρακάτω:

– Ψαλίδι

– Κοπίδι

– Κανόνας (χάρακας)

– Διαβήτης ή σχοινάκι με μολύβι

– Μαρκαδόρος

– Κόλλα χαρτιού ή πιστόλι θερμοκόλλησης

– Ράβδοι θερμοκόλλησης

– Κόλλα στιγμής

– Ηλεκτρικό δράπανο μπαταρίας

– Τρυπάνι 6 χιλ.

Διαδικασία Κατασκευής

Με βάση τον οδηγό κατασκευής η διαδικασία κατασκευής που προτείνεται είναι η παρακάτω.

1. Εύρεση κατάλληλων υλικών και εργαλείων.
2. Σχεδιασμός βάσει μετρήσεων των μερών της κατασκευής όπου απαιτείται και κοπή.
3. Κατασκευή του συστήματος υποστήριξης τροχών.
4. Κατασκευή τροχών.
5. Ολοκλήρωση κατασκευής σώματος και τοποθέτησης ηλεκτρικών κινητήρων συνεχούς ρεύματος.
6. Άνω μέρος κατασκευής.
7. Ολοκλήρωση κατασκευής άνω μέρους και τοποθέτηση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
8. Κατασκευή ιμάντων μετάδοσης κίνησης.
9. Κατασκευή βραχιόνων.
10. Εφαρμογή άνω μέρους κατασκευής στο σώμα κατασκευής.
11. Τοποθέτηση βραχιόνων στο σώμα κατασκευής.
12. Τοποθέτηση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και καλωδίωση αυτών.
13. Ολοκλήρωση κατασκευής.

Το λογισμικό της κατασκευής

Για τον προγραμματισμό της κατασκευής χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ανοιχτού κώδικα Ardublock. Το πλεονέκτημα της χρήσης του Ardublock είναι ο οπτικός προγραμματισμός σε αντίθεση με το κλασσικό περιβάλλον Arduino IDE και για το λόγω αυτό επιλέχτηκε. Έτσι ο προγραμματισμός από τους μαθητές γίνεται πιο ελκυστικός καθώς χρησιμοποιούν έτοιμα σύνολα δεδομένων ως ενότητες και «χτίζουν» τις ενότητες αυτές ώστε να δημιουργηθεί ο τελικός κώδικας.

Λειτουργίες ρομποτικής κατασκευής

Οι λειτουργίες που μπορεί να εκτελέσει η ρομποτική κατασκευή είναι οι παρακάτω:

1. Κίνηση εμπρός.
2. Σε περίπτωση εμποδίου

1. Διακοπή κίνησης
2. Οπισθοπορεία
3. Κίνηση άνω μέρους αριστερά και μέτρηση απόστασης εμποδίου
4. Κίνηση άνω μέρους δεξιά και μέτρηση απόστασης εμποδίου
5. Επιλογή κατάλληλης πορείας με στροφή.
6. Αφή φωτοδιόδων (led) RGB ανάλογα με τη λειτουργία όπως παρακάτω:

1. Κίνηση εμπρός, χρώμα πράσινο.
2. Εμπόδιο, χρώμα κόκκινο.
3. Μέτρηση απόστασης εμποδίου, χρώμα μπλε.

Σημειώνουμε ότι οι λειτουργίες που μπορεί να εκτελέσει η ρομποτική κατασκευή σταματούν στην ευρηματικότητα του κατασκευαστή. Στην περίπτωσή μας, επιλέχθηκαν οι παραπάνω βασικές λειτουργίες έτσι ώστε οι μαθητές να μπορέσουν να μάθουν τα βασικά στοιχεία κατασκευής, λειτουργίας και στη συνέχεια να πειραματιστούν, να ανακαλύψουν και να δημιουργήσουν πιο πολύπλοκες κατασκευές.

Τρόποι χρήσης της ρομποτικής κατασκευής ως εποπτικό μέσο διδασκαλίας για STEM δραστηριότητες

Από τα γνωστά για το STEM είναι ότι μεθοδολογία που ακολουθείτε είναι η διεπιστημονικότητα, δηλαδή η επίλυση προβλημάτων με τη χρήση θεωριών, εννοιών και εργαλείων από διάφορες επιστήμες που θα προκαλούσαν την επίλυση. Στην περίπτωσή μας για την ολοκλήρωση της κατασκευής μπορούν και πρέπει να συνδυαστούν σε ορισμένες περιπτώσεις, είτε άμεσα είτε έμμεσα τα γνωστικά πεδία του «STEM». Ενδεικτικά, από τη διαδικασία της αναζήτησης υλικών ακόμη, ο υπολογισμός των διαστάσεων των προς εύρεση χαρτοκιβωτίων μας εμπλέκει με τη Γεωμετρία, δηλαδή με τις βασικές γεωμετρικές έννοιες.Η εμπλοκή αυτή συνεχίζεται κατά το σχεδιασμό των γεωμετρικών σχημάτων στα χαρτοκιβώτια εμπλουτίζοντας τη με την έννοια της συμμετρίας. Κατά την κατασκευή εμπλέκουμε έννοιες της φυσικής όπως για παράδειγμα, ηλεκτρική δύναμη και φορτίο (led – αντιστάσεις), ηλεκτρικό ρεύμα (κύκλωμα ρομπότ), διάθλαση του φωτός (RGB led), κινήσεις (κίνηση ρομπότ), δυνάμεις (κίνηση ρομπότ), διάδοση και ανάκλαση του ήχου (αισθητήρας απόστασης). Ακόμη χρησιμοποιούνται έννοιες των μαθηματικών όπως για παράδειγμα, εξισώσεις και προβλήματα (εύρεση απόστασης, εύρεση PWM κινητήρων), ποσοστά (εύρεση PWM κινητήρων), θετικοί – αρνητικοί αριθμοί (εύρεση PWM κινητήρων). Τέλος χρησιμοποιούνται έννοιες της πληροφορικής όπως για παράδειγμα, ο προγραμματισμός στην πράξη, μεταβλητή, αλγόριθμος, εντολές εισόδου – εξόδου, δομή επανάληψης.